Der umfassende Leitfaden für Lebensmittelhersteller zum Thema Wasseraktivität aw)
Obwohl Wasser eine kostengünstige Zutat ist, kann es in der Lebensmittelindustrie viele kostspielige Probleme verursachen. Der beste Weg, um Wasser in Ihrem Produkt besser zu verstehen, ist, sich mit Wasseraktivität aw) auseinanderzusetzen.
Warum Wasseraktivität?
Die Eignung der Wasseraktivität als Maß für Qualität und Sicherheit wurde in Betracht gezogen, als sich zeigte, dass der Feuchtigkeitsgehalt die Mikrobielles Wachstum Schwankungen nicht ausreichend erklären konnte. Das Konzept der Wasseraktivität (aw) dient Mikrobiologen und Lebensmitteltechnologen seit Jahrzehnten. Es ist das am häufigsten verwendete Kriterium für Sicherheit und Qualität.
Wasseraktivität: Es dreht sich alles um Energie
Was ist Wasseraktivität?
Nimm ein Glas Wasser und einen trockenen Schwamm. Tauche die Ecke des Schwamms in das Glas Wasser. Das Wasser wird aus dem Glas in den Schwamm fließen.
Wasseraktivität die Kraft, die bewirkt, dass das Wasser in den Schwamm eindringt. Um dies besser zu verstehen, überlege dir, inwiefern sich das Wasser im Schwamm von dem Wasser im Glas unterscheidet.
Das Wasser im Glas ist frei, aber das Wasser im Schwamm ist alles andere als frei. Es ist durch Wasserstoffbrückenbindungen, Kapillarkräfte und Van-der-Waals-London-Kräfte gebunden. Dies werden als Matrixeffekte bezeichnet. Das Wasser im Schwamm befindet sich in einem niedrigeren Energiezustand als das Wasser im Glas. Wasser fließt zwar in den Schwamm hinein, aber um es wieder herauszubekommen, müssen wir Arbeit leisten, indem wir den Schwamm auspressen.
Das Wasser im Schwamm hat eine geringere Dichte ( Dampfdruck), einen niedrigeren Gefrierpunkt und einen höheren Siedepunkt als das Wasser im Glas. Diese Unterschiede lassen sich messen und quantifizieren.
Die Energie des Wassers kann auch durch Verdünnung mit gelösten Stoffen verringert werden. Dies wird als osmotischer Effekt bezeichnet. Da Arbeit erforderlich ist, um das Wasser wieder in seinen reinen, freien Zustand zu versetzen, verringert sich dadurch ebenfalls die Wasseraktivität. Die gesamte Energieänderung ergibt sich aus der Summe der matrizenbedingten und der osmotischen Effekte.
Wasseraktivität die Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln
Kombinieren Sie Cracker mit einem Wassergehalt von 20 % und eine Käsefüllung mit 30 %. Ein Rezept für matschige Cracker? Nicht, wenn beide Zutaten die gleiche Wasseraktivität aufweisen. Möchten Sie „ Verbackung “ und „ Verklumpung “ in einer Gewürzmischung vermeiden? Passen Sie die Wasseraktivitäten der Bestandteile aneinander an, und das Problem ist gelöst.
Der Abbau von Vitaminen hängt von der Wasseraktivität ab. Das Gleiche gilt für die „ Lipidoxidation “, Knusprigkeit, Bissfestigkeit, Weichheit und viele andere Qualitätsmerkmale. Der Feuchtigkeitsgehalt gibt zwar Auskunft darüber, wie viel Wasser in einem Produkt enthalten ist, aber das ist auch schon alles. Er lässt keine Rückschlüsse auf diese anderen Qualitäts- und Sicherheitsaspekte zu.
Vorhersage von Sicherheit und Stabilität
Die Wasseraktivität ist ein Indikator für die Sicherheit und Stabilität in Bezug auf die „ Mikrobielles Wachstum “, chemische und biochemische Reaktionsgeschwindigkeiten sowie physikalische Eigenschaften. Abbildung 1 zeigt die Stabilität anhand der Grenzwerte für die „ Mikrobielles Wachstum “ und der Geschwindigkeiten von Abbaureaktionen in Abhängigkeit von der Wasseraktivität.
Durch die Messung und Regelung der Wasseraktivität ist es möglich:
- Vorhersagen, welche Mikroorganismen potenzielle Ursachen für Verderb und Infektionen sind
- Die chemische Stabilität der Produkte aufrechterhalten
- nichtenzymatische Bräunung -Reaktionen und spontane autokatalytische Lipidoxidationsreaktionen minimieren
- Verlängern Sie die Aktivität von Enzymen und Vitaminen
- Optimierung der physikalischen Eigenschaften von Produkten hinsichtlich Feuchtemigration, Textur und Haltbarkeit
Wie wird Wasseraktivität ?
Wenn wir eine Probe in einen verschlossenen Behälter geben, gleicht sich die relative Luftfeuchtigkeit im „ Kopfraum “ an die Wasseraktivität der Probe an. Im Gleichgewichtszustand sind beide Werte gleich, und wir können die relative Luftfeuchtigkeit des „ Kopfraum “ messen, um die Wasseraktivität der Probe zu ermitteln. Dies ist die zuverlässigste Antwort auf die Frage, wie man die Wasseraktivität misst.
Sekundäre Methoden: Hygrometer, Kapazitätssensoren
Wie die frühen Wasseraktivitätsmessgeräte nutzen auch die meisten modernen Geräte Hygrometersensoren, die auf elektrischer Kapazität oder elektrischem Widerstand basieren, um die Luftfeuchtigkeit im „ Kopfraum “ über der Probe zu messen.
Diese Messgeräte verwenden sekundäre Methoden: Sie setzen ein elektrisches Signal in Beziehung zur relativen Luftfeuchtigkeit und müssen mit bekannten Salzstandards kalibriert werden.
Bei diesen Sensoren entspricht der ERH-Wert Wasseraktivität der Wasseraktivität der Probe, solange die Temperaturen von Probe und Sensor identisch sind. Für genaue Messungen ist eine gute Temperaturregelung oder -messung erforderlich. Kapazitätssensoren weisen einen einfachen Aufbau auf und kommen häufig in relativ kostengünstigen Wasseraktivität zum Einsatz.
Der Taupunkt ist eine der wichtigsten Methoden
Die besten Methoden zur Bestimmung der Wasseraktivität sind Primärmethoden, bei denen das Verhältnis p/p0 verwendet wird.P0 (der Sättigungs Dampfdruck) hängt ausschließlich von der Temperatur der Probe ab (wie in der beigefügten Grafik dargestellt), sodass es möglich ist, p0 durch Messung der Probentemperatur zu ermitteln. P (der Dampfdruck des Wassers in der Probe) kann durch Messung des Dampfdruck des Wassers im versiegelten Kopfraum über der Probe ermittelt werden. Die genaueste Methode zur Messung dieser „ Dampfdruck “ – die zudem auf den Grundprinzipien basiert – ist die Messung des Taupunkts der Luft.

Primärmethode bedeutet direkte Messung, keine Kalibrierung
Die Hauptvorteile der Taupunktmethode (oder der Kalt-Spiegel-Taupunktmethode) sind Schnelligkeit und Genauigkeit. Der Kalt-Spiegel-Taupunktsensor ist ein primäres Messverfahren, das auf grundlegenden thermodynamischen Prinzipien basiert. Wasseraktivität liefern hochpräzise Messwerte (±0,003 aw), in der Regel innerhalb von etwa 5 Minuten. Da die Messung auf der Temperaturbestimmung basiert, ist keine Kalibrierung erforderlich. Anwender sollten eine Standard-Salzlösung messen, um die ordnungsgemäße Funktion des Geräts zu überprüfen. Bei einigen Anwendungen ermöglicht die Schnelligkeit dieser Methode den Herstellern eine In-Line-Überwachung der Wasseraktivität eines Produkts.
Das AQUALAB 4TE nutzt das „ Gekühlter Spiegel-Taupunkt “-Verfahren, das laut Fachliteratur als das schnellste und genaueste Verfahren zur Bestimmung der Wasseraktivität auf dem Markt gilt. Sehen Sie sich das Video an, um zu erfahren, wie es funktioniert.
Behördliche Vorschriften empfehlen die Verwendung der Wasseraktivität
Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) hat Wasseraktivität ihre Sicherheitsvorschriften aufgenommen. Diese Vorschriften legen konkrete Anforderungen und Verfahren fest, um sicherzustellen, dass Produkte unter hygienischen Bedingungen hergestellt werden und rein, gesund und sicher sind. Die folgende Tabelle dient als Übersicht über die Sicherheitsvorschriften der US-Regierung, in denen die Verwendung der Wasseraktivität empfohlen wird.
| Agentur | Produkttyp | Referenznummer | Letzte Aktualisierung | Beschreibung |
| FDA | Lebensmittel | FSMA § 103 | 12.5.16 | Beschreibt vorbeugende Maßnahmen und einen risikobasierten Sicherheitsansatz, weist auf die Notwendigkeit hin, vorbeugende Kontrollmaßnahmen zu überwachen, geht jedoch nicht Wasseraktivität auf Wasseraktivität ein |
| FDA | Lebensmittel | 21 CFR Teil 117 | 12.5.16 | Beschreibt die Vorgehensweise bei der Gefahrenanalyse und bei risikobasierten Präventivmaßnahmen, einschließlich Überwachungsmaßnahmen für Prüfungen wie Wasseraktivität Wasseraktivität wird dabei nicht ausdrücklich erwähnt) |
| FDA | Lebensmittel | Lebensmittelkodex 2013 | 2017 | Der Lebensmittelkodex dient als Leitfaden für die Ermittlung von Gefahren und vorbeugenden Kontrollmaßnahmen im Rahmen der neuen FSMA-Vorschriften. Die Definition potenziell gefährlicher Lebensmittel, wie sie unter „Zeit- und Temperaturkontrolle für Lebensmittelsicherheit“ im Lebensmittelkodex von 2017 zu finden ist, basiert aufaw und pH-Wert und stützt sich auf die Interaktionstabellen A und B. |
| FDA | Lebensmittel | 21 CFR Teil 113 | 5.1.16 | Thermisch verarbeitete Lebensmittel werden als unempfindlich gegenüber Bakterienwachstum beschrieben, wenn sie unter 0,85 liegen. Dieser ältere Code wurde durch Informationen im Lebensmittelkodex von 2013 ersetzt. |
| FDA | Lebensmittel | 21 CFR Teil 110.8 | 4-4-15 | Die in diesem Abschnitt unter „Herstellungsvorgänge“ (2) beschriebenen GMP-Vorgaben besagen, dass die Einhaltung der GMP-Vorgaben durch die Überwachung Wasseraktivität Produkts überprüft werden kann, um sicherzustellen, dass diese auf einem sicheren Niveau bleibt. |
| US-Landwirtschaftsministerium | RTE-Fleisch | Generisches HACCP-Modell 10 | 2-05-05 | Bezeichnet Wasseraktivität geeignete Methode zur Überwachung des Trocknungsprozesses, insbesondere anstelle des Feuchtigkeits-Protein-Verhältnisses |
| US-Landwirtschaftsministerium | RTE-Fleisch | Konformität Leitfaden für Jerky (einschließlich kleiner Betriebe) | 27.05.2014 | Es wird darauf hingewiesen, dass Wasseraktivität überprüft werden muss, Wasseraktivität nachzuweisen, dass das Produkt die Anforderungen an den kritischen Kontrollpunkt erfüllt, und es wirdein Wert von unter 0,70 zur Schimmelbekämpfung empfohlen, wobei jedoch auch auf den Wert von 0,85 verwiesen wird. |
| US-Landwirtschaftsministerium | RTE-Fleisch | Konformität Leitfaden zur Bekämpfung von Listerien | 1-2014 | Erörtert Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass Produkte frei von Listerien sind, einschließlich einer Behandlung nach der Abtötung, die das Wachstum verhindert (Wasseraktivität zu diesem Zweck herangezogen werden, wird hier jedoch nicht ausdrücklich erwähnt) |
| USP | Pharma | USP 922 | Mai 2021 | Enthält Leitlinien zur Durchführung Wasseraktivität sowie entsprechende Verfahren. Legt Verfahren zur Qualifizierung und Kalibrierung von Messgeräten fest. Enthält Leitlinien zur Darstellung der Ergebnisse. |
| USP | Pharma | USP 51 | 5.1.16 | Unter „Verfahren zur mikrobiologischen Prüfung“ wird nun darauf hingewiesen, dass sich die Prüfung nur auf Produkte mit einer Wasseraktivität als 0,60 bezieht, und es wird auf USP 1112 verwiesen. |
| ICH | Pharma | Q6A Entscheidungsbaum 6 und 8 | Oktober 1999 | Es ist anzugeben, ob das Produkt von Natur aus trocken ist, sodass es kein Nährmedium für Mikrobielles Wachstum darstellt; in diesem Fall sind wissenschaftliche Nachweise dafür vorzulegen, und eine Prüfung der Keimgrenzwerte ist möglicherweise nicht erforderlich. |
| ISO | Kosmetika | ISO 2961 | 6.1.2010 | Leitlinien zur Risikobewertung und Identifizierung von Produkten mit geringem mikrobiologischem Risiko – zahlreiche Verweise auf Wasseraktivität |
Wasseraktivität vereinfacht Haltbarkeit
Ohne eine genaue, produktspezifische Haltbarkeit könnten Sie abgelaufene Produkte entsorgen, die eigentlich noch einwandfrei sind. Oder Sie verkaufen noch nicht abgelaufene Produkte, die tatsächlich verdorben sind. Möglicherweise zahlen Sie zu viel für Verpackungen, die Ihrem Produkt keinen Nutzen bringen. Oder Sie verzichten auf erhebliche Haltbarkeit , die eine bessere Verpackung mit sich bringen würde. Der Punkt ist: Sie wissen es nicht genau, weil Sie im Dunkeln tappen.
Warum führen die Leute dann nicht öfter „ Haltbarkeit “-Tests durch?
In der Regel liegt das daran, dass eine echte, umfassende Prüfung nach der Norm „ Haltbarkeit “ eine gewaltige Aufgabe ist. Dabei spielen komplexe Zusammenhänge zwischen Feuchtigkeit, Temperatur und Produktversagensarten eine Rolle.
Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, die Ihr Produkt unsicher oder ungenießbar machen könnten – Schimmel, Mikrobielles Wachstum, Ranzigkeit, Veränderungen in Konsistenz oder Geschmack sowie Vitaminabbau. Die meisten Menschen verfügen nicht über das nötige Fachwissen, um umfassende Haltbarkeit -Tests im eigenen Haus durchzuführen, und die Beauftragung eines externen Labors ist kostspielig.
Es gibt eine wissenschaftlich fundierte Alternative zu dieser Art von „ Haltbarkeit “-Tests. Es handelt sich um „ Haltbarkeit “, vereinfacht durch die Wasseraktivität. Damit lassen sich alle Daten ermitteln, die Sie benötigen, um die Haltbarkeit Ihres Produkts ( Haltbarkeit ) vorherzusagen – und zwar anhand eines Experiments, das sich jeder, selbst ein kleines Start-up, leisten kann.
Haltbarkeit und Wasseraktivität
Inwiefern vereinfacht die Wasseraktivität die Haltbarkeit?
- Es beseitigt Ablenkungen. Wenn Sie die Wasseraktivität, wissen Sie, welche Fehlerarten bei diesem Produkt ein Problem darstellen.
- Das vereinfacht die Vorhersage. Sie können Ihr Wasseraktivitätsmessgerät zusammen mit einer weiteren Messmethode (welche, hängt von Ihrem jeweiligen Versagensmodus ab) nutzen, um ein einfaches, intern durchführbares Experiment durchzuführen, mit dem sich Ihr „ Haltbarkeit “ genau vorhersagen lässt.
- Es sorgt für eine standardisierte Produktion. Sie können eine Wasseraktivitäts Spezifikation festlegen, mit der Sie bei jeder Charge Ihr optimales Haltbarkeit erzielen können.
Ihre „ Haltbarkeit “-Daten können wertvolle Erkenntnisse liefern, die Ihnen helfen, Produktfehler zu vermeiden, die Lebensdauer von Haltbarkeit vorherzusagen und zu verlängern, die kostengünstigste Verpackung auszuwählen und vieles mehr.
Faktoren, die enden Haltbarkeit
Es gibt drei Hauptfaktoren, die die „ Haltbarkeit “ beeinflussen: mikrobielle Eigenschaften, chemische Veränderungen und physikalischer Verderb. Alle diese Faktoren stehen im Zusammenhang mit der Wasseraktivität.
Mikrobielles Wachstum
Mikroorganismen haben einen Grenzwert für die Wasseraktivität, unterhalb dessen sie nicht wachsen. Die Wasseraktivität – und nicht der Feuchtigkeitsgehalt – bestimmt die Untergrenze des „verfügbaren“ Wassers für Mikrobielles Wachstum. Da Bakterien, Hefen und Schimmelpilze eine bestimmte Menge an „verfügbarem“ Wasser benötigen, um zu wachsen, stellt die Entwicklung eines Produkts unterhalb eines kritischen Wasseraktivitätswertes ein wirksames Mittel zur Wachstumshemmung dar.
Wasser kann in einem Produkt vorhanden sein, selbst in hohen Konzentrationen, doch wenn sein Energiegehalt ausreichend niedrig ist, können die Mikroorganismen das Wasser nicht entziehen, um ihr Wachstum zu sichern. Dieser „wüstenähnliche“ Zustand führt zu einem osmotischen Ungleichgewicht zwischen den Mikroorganismen und ihrer Umgebung. Folglich können die Mikroben nicht wachsen.
Schimmel und Mikrobielles Wachstum stellen die gefährlichsten Bedrohungen für Haltbarkeit dar. Durch die Kontrolle der Wasseraktivität lässt sich Mikrobielles Wachstum hemmen oder verhindern, Haltbarkeit verlängern und die sichere Lagerung einiger Produkte ohne Kühlung ermöglichen. Anhand genau definierter Tabellen können Sie einen Grenzwert für die Wasseraktivität Ihres Produkts festlegen und diesen bei Haltbarkeit -Tests verwenden.
| aw | Bakterien | Schimmel | Hefe | Typische Produkte |
| 0.97 | Clostridium botulinum E Pseudomonas fluorescens | Frisches Fleisch, Obst, Gemüse, Obstkonserven, Gemüsekonserven | ||
| 0.95 | Escherichia coli Clostridium perfringens Salmonella spp. Vibrio cholerae | salzarmer Speck, gekochte Würstchen, Nasenspray „ “, Augentropfen | ||
| 0.94 | Clostridium botulinum A, B Vibrio parahaemolyticus | Stachybotrys atra | ||
| 0.93 | Bacillus cereus | Schwarzer Schimmelpilz | einige Käsesorten, gepökeltes Fleisch (Schinken) Backwaren, Kondensmilch, Ral-Flüssigkeiten Suspensionen, topische Lotionen | |
| 0.92 | Listeria monocytogenes | |||
| 0.91 | Bacillus subtilis | |||
| 0.90 | Staphylococcus aureus (anaerob) | Rosa Trichothecium | Saccharomyces cerevisiae | |
| 0.88 | Candida | |||
| 0.87 | Staphylococcus aureus (aerob) | |||
| 0.85 | Kegeliger Aspergillus | gezuckerte Kondensmilch, gereifter Käse (Cheddar), fermentierte Wurst (Salami), Trockenfleisch (Jerky), Speck, die meisten Fruchtsaftkonzentrate, Schokoladensirup, Obstkuchen, Fondants, Hustensirup, orale Analgetika-Suspensionen | ||
| 0.84 | Byssochlamys nivea | |||
| 0.83 | Penicillium expansum Penicillium islandicum Penicillium viridicatum | Deharymoces hansenii | ||
| 0.82 | Aspergillus fumigatus Aspergillus parasiticus | |||
| 0.81 | Penicillium Penicillium cyclopium Penicillium patulum | |||
| 0.80 | Saccharomyces bailii | |||
| 0.79 | Penicillium martensii | |||
| 0.78 | Gelbschimmelpilz | Marmelade, Konfitüre, Marzipan, kandierte Früchte, Melasse, getrocknete Feigen, stark gesalzener Fisch | ||
| 0.77 | Aspergillus niger Aspergillus ochraceous | |||
| 0.75 | Aspergillus restrictus Aspergillus candidus | |||
| 0.71 | Eurotium chevalieri | |||
| 0.70 | Eurotium Amstelodami | |||
| 0.62 | Roux-Hefe | Trockenfrüchte, Maissirup, Lakritz, Marshmallows, Kaugummi, Trockenfutter für Haustiere | ||
| 0.61 | Monascus bisporus | |||
| 0.60 | Keine Vermehrung von Mikroorganismen | |||
| 0.50 | Keine Vermehrung von Mikroorganismen | Karamellbonbons, Toffees, Honig, Nudeln, topische Salben | ||
| 0.40 | Keine Vermehrung von Mikroorganismen | Volleipulver, Kakao, Hustenbonbon mit flüssigem Kern | ||
| 0.30 | Keine Vermehrung von Mikroorganismen | Cracker, Snacks auf Stärkebasis, Backmischungen, Vitamintabletten, Zäpfchen | ||
| 0.20 | Keine Vermehrung von Mikroorganismen | gekochte Süßigkeiten, Milchpulver, Säuglingsnahrung |
Chemischer Abbau
Die Wasseraktivität beeinflusst die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, die zum Verderb führen, da Wasser als Lösungsmittel wirkt, selbst als Reaktionspartner fungieren kann oder durch seine Viskosität die Mobilität der Reaktionspartner verändert. Beispielsweise nehmen nicht-enzymatische Bräunungsreaktionen mit steigender Wasseraktivität zu und erreichen ein Maximum bei 0,6 bis 0,7aw, während die „ Lipidoxidation “ im Bereich von etwa 0,2 bis 0,3aw minimiert ist. Die optimale chemische Stabilität liegt im Allgemeinen nahe dem Monoschicht-Feuchtigkeitsgehalt, der anhand von Feuchtigkeitssorptionsisothermen bestimmt wird.
Physische Verschlechterung
Umgebungen mit hoher und (seltener) niedriger Luftfeuchtigkeit können die Wasseraktivität eines Produkts beeinflussen, was zu unerwünschten Veränderungen der Textur oder der physikalischen Eigenschaften des Produkts führt und dessen Haltbarkeit verkürzt Haltbarkeit. Zu den Problemen zählen der Verlust der Knusprigkeit bei trockenen Produkten, Verklumpung und Verbackung bei Pulvern sowie eine zähe oder zäh-kaubare Konsistenz bei feuchten Produkten. Die Ermittlung der kritischen Wasseraktivität für Ihr Produkt kann einige Nachforschungen erfordern, doch „Water Activity“ erleichtert dies erheblich.

Verpackung, Versand und Lagerung
Veränderungen der Wasseraktivität während des Transports und der Lagerung können erhebliche Auswirkungen haben Haltbarkeit. Die Wasseraktivität ist temperaturabhängig, und die Transport- und Lagertemperaturen können die Wasseraktivität im Inneren der Verpackung beeinflussen. Vereinfachte Haltbarkeit -Tests können Ihnen dabei helfen, die optimale Verpackung zu ermitteln und die Auswirkungen der Transport- und Lagerbedingungen auf die Haltbarkeit Ihres Produkts zu bewerten.
Isothermen zeigen Ihnen den Wasseraktivität Bereich für Wasseraktivität an
Produktänderungen im Laufe der Zeit vorhersagen
Lebensmittelhersteller müssen wissen, wie lange es dauert, bis ihr Produkt schimmelt, feucht wird, altbacken wird, ranzig wird, verklumpt, klumpt, kristallisiert und für den Verbraucher ungenießbar wird. Das „ Feuchtigkeitssorptionsisotherme “ ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Vorhersage und Verlängerung der „ Haltbarkeit “ eines Produkts. Damit können Sie:
- Ermitteln Sie kritische Werte für die Wasseraktivität, bei denen Veränderungen wie „ Verklumpung “, „ Verbackung “ und der Verlust der Textur auftreten
- Prognostizieren Sie, wie das Produkt auf Änderungen der Inhaltsstoffe und der „ Rezeptur “ reagieren wird
- Genau abschätzen Haltbarkeit
- Mischmodelle erstellen
- Verpackungsberechnungen durchführen
- Den Monoschichtwert ermitteln (bei dem ein Produkt am stabilsten ist)
Isothermen: der Heilige Gral der Rezeptur
Eine Feuchtigkeitssorptionsisotherme ( Feuchtigkeitssorptionsisotherme ) ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Wasseraktivität (aw) verändert, wenn Wasser bei konstanter Temperatur in ein Produkt adsorbiert und aus diesem desorbiert wird. Dieser Zusammenhang ist komplex und für jedes Produkt einzigartig. Die Wasseraktivität steigt fast immer mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt an, doch der Zusammenhang ist nicht linear. Tatsächlich sind Feuchtigkeitssorptionsisothermen bei den meisten Lebensmitteln S-förmig (sigmoidal) und bei Lebensmitteln, die kristalline Stoffe oder einen hohen Fettgehalt enthalten, J-förmig.
Handgefertigte Methode unpraktisch
Die klassische Methode zur Erstellung einer Isotherme besteht darin, die Probe in einen Exsikkator mit einer Salzlösung bekannter Wasseraktivität zu geben, Wasseraktivität sich das Gewicht der Probe nicht mehr ändert. Anschließend wird die Probe gewogen, um den Wassergehalt zu bestimmen. Jede Probe ergibt einen Punkt auf der Isothermenkurve.
Da dieser Prozess sehr zeitaufwendig ist, wurden Kurven traditionell anhand von fünf oder sechs Datenpunkten mit Kurvenanpassungsgleichungen wie GAB oder BET erstellt.
Eine schnellere Methode zur Erstellung von Isothermen
Das manuelle Erstellen von Feuchtigkeitssorptionsisothermen ist sehr mühsam. Das Verfahren erforderte eine Automatisierung. Die ursprünglich verwendete Methode – die auch heute noch von den meisten Dampfadsorptionsgeräten genutzt wird – heißt DVS ( Dynamische Dampfsorption). Eine Probe wird einem Luftstrom mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, während eine Mikrowaage winzige Gewichtsveränderungen misst, wenn das Produkt Wasser adsorbiert oder desorbiert. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, wechselt das Gerät dynamisch zur nächsten voreingestellten Feuchtigkeitsstufe. Die Tests dauern zwischen zwei Tagen und mehreren Wochen.
Die DVS-Methode eignet sich gut zur Untersuchung der Sorptionskinetik – also dazu, was mit einem Produkt passiert, wenn es bestimmten Feuchtigkeiten ausgesetzt ist, und wie schnell es Wasser adsorbiert oder desorbiert. Die DVS-Methode ist jedoch nicht sehr hilfreich bei der Erstellung einer hochauflösenden Isothermenkurve, da jeder Gleichgewichtsschritt nur einen Punkt auf der Isothermenkurve erzeugt.
DDI-Isothermen zeigen, was bisher verborgen blieb
Die DDI-Methode (Dynamische Taupunkt-Isotherme ) wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Sie erstellt hochauflösende Isothermen, die Details in den Adsorptions- und Desorptionskurven zeigen, indem sie sowohl die Wasseraktivität als auch den Feuchtigkeitsgehalt (alle 5 Sekunden) erfasst, während die Probe befeuchteter oder getrockneter Luft ausgesetzt ist. DDI-Diagramme enthalten Hunderte von Datenpunkten und zeigen Details, die zuvor nicht sichtbar waren, wie beispielsweise kritische Punkte, an denen „ Verklumpung “, „ Verbackung “, Deliqueszenz und Texturverlust auftreten.
Wie Isothermen entstehen
Das AQUALAB VSA liefert automatisch schnelle, hochauflösende DDI- und DVS-Isothermdiagramme, die Ihr Verständnis Ihres Produkts verändern werden. Zwei Testmodi und eine hochentwickelte Modellierungssoftware verwandeln Ihre Daten in die Lösungen, die Sie für die Herstellung, Überwachung, Lagerung und den Versand eines großartigen Produkts benötigen.
Isothermdaten in Lösungen umwandeln
Der VSA wird mit einer intuitiven, voll ausgestatteten Modellierungssoftware geliefert. Das „Moisture Analysis Toolkit“ zeigt Ihnen, wie Sie Ihre Daten mithilfe wissenschaftlich erprobter Vorhersagemodelle in Lösungen umsetzen können. Sie finden alle benötigten Modelle an einem Ort, übersichtlich angeordnet in einem benutzerfreundlichen Programm. Ermitteln Sie die kritische Feuchte für „ Glasübergang “, bewerten Sie die Verpackungsleistung, bestimmen Sie „ Hygroskopizität “, verfolgen Sie die Hysterese, sagen Sie den Beschichtungsversagen voraus, ermitteln Sie die Anfälligkeit für „ Verklumpung “ / „Verbackung “ und vieles mehr.
Isothermen zeigen kritische Wasseraktivität an
Trotz doppelter Verpackung und strenger Richtlinien zur Lagertemperatur hatte ein Hersteller von sprühgetrockneter Milch weiterhin Probleme mit der „ Verbackung “.
Wenn „ Glasübergang “ zum Problem wird
Beim Sprühtrocknen von Milch verbleiben die Zucker aufgrund der schnellen Verdunstung in einem glasartigen Zustand. Glasartige Laktose weist völlig andere Eigenschaften auf als kristalline Laktose. Aufgrund ihrer geringen Beweglichkeit verklumpen die Partikel nicht, solange sich das Pulver im glasartigen Zustand befindet. Die kristalline Struktur stellt einen niedrigeren Energiezustand dar, sodass sich stets einige Moleküle im Übergang vom glasartigen zum kristallinen Zustand befinden. Probleme treten auf, wenn die Übergangsrate einen kritischen Punkt erreicht.
Wasseraktivität die Übergangsrate Wasseraktivität
Beieinem Wasseraktivitätswert (aw) von 0,30 kann es mehrere Jahre dauern, bis die gesamte Laktose kristallisiert ist. Beieinem aw-Wert von 0,40 dauert es etwa einen Monat. Oberhalb von 0,43 vollzieht sich der Übergang innerhalb weniger Stunden. Sobald die Laktose kristallisiert ist, ist das Milchpulver unwiderruflich verändert. Es bindet eine völlig andere Menge an Wasser, löst sich nicht mehr auf und schmeckt nicht mehr richtig. Im Grunde genommen ist es ungenießbar geworden.
DDI-Isothermen sagen den Punkt „ Glasübergang “ voraus

Der „ Glasübergang “-Punkt für Pulver wie sprühgetrocknete Milch lässt sich mithilfe einer hochauflösenden DDI-Isotherme bestimmen. Herkömmliche Isothermen stützen sich auf Modelle, um die Isotherme zwischen den gemessenen Punkten zu vervollständigen. DDI-Isothermen messen Hunderte von Punkten und können Übergänge wie den „ Glasübergang “-Punkt bei sprühgetrocknetem Milchpulver identifizieren.
Der Spitzenwert auf dem zweiten Ableitungsdiagramm der Isotherme identifiziert den kritischen Phasenübergangswert als 0,43aw.
Routinemäßige, genaue Tests an der Fertigungslinie mit besseren Kontrollwerten halfen dem Hersteller, die Versandakzeptanzrate zu verbessern.
Mischmodelle erstellen
Ein Kuchenhersteller entwickelte ein Rezept für einen mit Creme gefüllten Kuchen. Die Bestandteile des Rezepts waren Zuckerguss (ca. 7 % Feuchtigkeit), Cremefüllung (12 %) und Kuchenteig (15 %). Feuchtemigration während Haltbarkeit hatte zuvor zu Texturproblemen geführt, wie z. B. altbackenem Kuchen, gummiartigem Zuckerguss und verflüssigter Cremefüllung, die in den Kuchen auslief.

Sehen Sie, wie sich Feuchtigkeit zwischen den Komponenten bewegt.
Die Feuchtigkeitssorptionsisothermen der einzelnen Zutaten zeigten, dass die Glasur – die trockenste Zutat – Wasseraktivität 0,79 die höchste Wasseraktivität aufwies. Die Wasseraktivitäten der Creme und des Kuchens lagen mit 0,66 bzw. 0,61 auf ähnlichem Niveau.
Vorhersage Wasseraktivität Endprodukts
Die Umwandlung der Isothermen in Chi-Diagramme ergab Wasseraktivität das Endprodukt Wasseraktivität prognostizierte Wasseraktivität 0,67, was für den Kuchen einen mikrobiologisch unbedenklichen Wert darstellt.
Vermeiden Sie unangenehme Überraschungen
Der Konditor backte den Kuchen anschließend erfolgreich und führte eine Verkostung bei Wasseraktivität 0,67 durch.
Verpackung auswählen
Einzelne Messung-Trink pulvermischungen sind ein wachsendes Marktsegment. Die Verpackungskosten machen mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt aus. Das Hauptziel der Verpackung besteht darin,den aw-Wert der Trinkpulvermischungwährend der gesamten Ziel Haltbarkeit szeit des Produkts unter dem kritischenWert zu halten.
Verpackungsberechnungen beginnen mit einem kritischen Wasseraktivität . Die Möglichkeit, aus dynamischen Taupunktisothermen (DDI) einen präzisen Punkt zu ermitteln, macht diese Art der Verpackungsberechnung erst möglich.
Diese Kurve zeigt den „ Glasübergang “-Punkt für ein bestimmtes Getränk Rezeptur:
Die kritische Wasseraktivität– der genaue Wendepunkt – für diese Getränkemischung liegt bei 0,618 bei 25 °C.

Berechnen Sie die Leitfähigkeit des Pakets.
Mithilfe optimierter Verpackungsberechnungen (verfügbar in „Fundamentals of Isotherms“ und als Softwaretool) haben wir vier verschiedene Verpackungsarten für dieses Getränkepulver bewertet – die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Unter extremen Feuchtigkeitsbedingungen (25 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit) ergaben sich folgende Ergebnisse:
Rezeptur -Änderungen verstehen
Ein Tierfutterhersteller änderte das „ Rezeptur “, um ein konservierungsmittelfreies Produkt herzustellen, dessen Haltbarkeit durch die Wasseraktivität gesteuert wird. Kurz nach der Einführung des Produkts kam es zu Rückgaben aufgrund von Verderb.
Eine erste Auswertung ergab, dass die Vorhersagen zum Verderb auf Wasseraktivität basierten, Wasseraktivität bei einer ungewöhnlich niedrigen Temperatur – 15 °C – durchgeführt worden waren. Isothermen bei 15 °C, 25 °C und 40 °C zeigten, dass bei Lagerung unter unsachgemäßen Bedingungen (wie es bei Tierfutter häufig der Fall ist) mit einem Verderb zu rechnen war.

Die Isothermen lieferten ein umfassendes Vorhersagebild, sodass der Kunde das Problem mit einem neuen Rezeptur lösen konnte.
Produktfehler untersuchen
Nach 13 problemlosen Ernten wurde die Ernte eines Pekannussbauern aufgrund von Schimmelproblemen abgelehnt. Zur Untersuchung des Problems wurde eine Isotherme erstellt.

Um „ Mikrobielles Wachstum “ zu vermeiden, müssen die Pekannüsse aufeinen Wasseraktivitätswert von 0,60 getrocknet werden. Wie die Isotherme zeigt, entsprichtein Wasseraktivitätswert von 0,60 einem Feuchtigkeitsgehalt von 4,8 % in Pekannüssen. Die Isotherme für Pekannüsse verläuft in diesem kritischen Kontrollbereich zudem recht flach, sodass bereits eine geringe Schwankung des Feuchtigkeitsgehalts zu einer starken und potenziell gefährlichen Veränderung der Wasseraktivität führt.
Isotherm zeigt, dass die Spezifikationen zu niedrig angesetzt waren.
Die vollständige Isotherme zeigt, dass das Verfahren des Pekannussbauern nicht ausreichte, um die Sicherheit und Qualität seiner Ernte zu gewährleisten. Der Pekannussbauer maß den Feuchtigkeitsgehalt mit einem Trocknungsverlustmethode. Da sein Freigabe Spezifikation bei 5 % lag und seine Genauigkeit ± 0,5 % betrug, hätte der tatsächliche Wassergehalt der getrockneten Ernte zwischen 4,5 % und 5,5 % liegen können.
Alles, von der Lagerung bei hoher Luftfeuchtigkeit bis hin zu unzureichender Verpackung, könnte dazu geführt haben, dass die Pekannüsse in unsichere Wasseraktivitäten geraten sind und dadurch verdorben sind.
Studien unter Verwendung dynamischer Taupunktisothermen (DDI)
Allan, Matthew und Lisa J. Mauer. „Vergleich von Methoden zur Bestimmung der Deliqueszenzpunkte von kristallinen Inhaltsstoffen und Mischungen aus der Reihe ‚ Einzelne Messung ‘.“ Food Chemistry 195 (2016): 29–38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.
Allan, Matthew, Lynne S. Taylor und Lisa J. Mauer. „Gemeinsame Ionen-Effekte auf die Senkung der Deliqueszenztemperatur bei kristallinen Zutatenmischungen.“ Food Chemistry 195 (2016): 2–10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.
Barry, Daniel M. und John W. Bassick. „Entwicklung des fortschrittlichen Rettungsanzugs für die Besatzung des NASA-Space-Shuttles.“ SAE Technical Paper Series, 1995. doi:10.4271/951545.
Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals und Jaya Shankar Tumuluru. „Auswirkungen der sequenziellen Ammoniak-Faser-Expansion (AFEX)-Vorbehandlung und Pelletierung auf die Feuchtigkeitsaufnahmeeigenschaften von Maisstroh.“ Drying Technology 33, Nr. 14 (2015): 1768–778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.
Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. und Carter, A.H. 2016. Veränderungen der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von Getreide bei der kritischen Wasseraktivität dynamischer Taupunktisothermen. Transactions of the ASABE. 59(3):1023–1028.
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Anhang:
Wasseraktivität . Feuchtigkeitsgehalt
Wasseraktivität oft als eine kompliziertere Messgröße angesehen als der Feuchtigkeitsgehalt. Doch die Durchführung genauer und wiederholbarer Feuchtigkeitsmessungen ist nicht so einfach, wie es scheint.
Theoretisch ist die Messung des Feuchtigkeitsgehalts ganz einfach. Man muss lediglich die Wassermenge in einem Produkt bestimmen und diese mit dem Gewicht aller anderen Bestandteile des Produkts vergleichen. In der Praxis ist es jedoch ein schwieriger und komplexer Prozess, den genauen Wasseranteil in einem Produkt zu ermitteln. Und zwar aus folgenden Gründen.
Unterschiedliche Berichtsmethoden sorgen für Verwirrung
Der Feuchtigkeitsgehalt wird entweder als „nass“ oder als „ Trockenbasis “ angegeben. Bei der „ Nassbasis “ wird die Wassermenge durch das Gesamtgewicht der Probe (Feststoffe plus Feuchtigkeit) geteilt. Bei der „ Trockenbasis “ wird die Wassermenge durch das Trockengewicht (nur Feststoffe) geteilt. Leider wird der Feuchtigkeitsgehalt oft nur als Prozentsatz angegeben, ohne dass angegeben wird, welche Methode verwendet wurde. Obwohl die Umrechnung zwischen „wet“ und „ Trockenbasis “ einfach ist, kommt es zu Verwirrung und potenziellen Problemen, wenn Vergleiche zwischen Feuchtigkeitsgehalten angestellt werden, die auf unterschiedlicher Basis angegeben sind. Darüber hinaus kann ein auf der „ Trockenbasis “ angegebener Feuchtigkeitsgehalt tatsächlich zu einem Prozentwert von über 100 % führen, was weitere Verwirrung stiftet.
Unterschiedliche Messmethoden machen Vergleiche unmöglich.
Die AOAC listet 35 verschiedene Methoden zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts auf. Diese werden entweder als direkte oder indirekte Messmethoden klassifiziert. Bei direkten Methoden wird das Wasser aus dem Produkt entfernt (durch Trocknen, Destillation, Extraktion usw.) und anschließend die Wassermenge durch Wiegen oder Titrieren gemessen. Direkte Methoden liefern die zuverlässigsten Ergebnisse, sind jedoch in der Regel arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Beispiele hierfür sind Trocknung im Lufttrockenschrank, Trocknung im Vakuumtrockenschrank, Gefriertrocknung, Destillation, Karl-Fischer-Methode, thermogravimetrische Analyse, chemische Trocknung und Gaschromatographie.
Bei indirekten Methoden wird das Wasser nicht aus der Probe entfernt. Stattdessen wird eine Eigenschaft des Lebensmittels gemessen, die sich mit dem Feuchtigkeitsgehalt ändert. Diese Methoden erfordern eine Kalibrierung anhand einer Primär- oder Direktmethode. Ihre Genauigkeit ist durch die Genauigkeit der Primärmethode begrenzt. Indirekte Verfahren sind in der Regel schnell und erfordern nur wenig Probenvorbereitung, sind jedoch weniger zuverlässig als direkte Messverfahren. Beispiele für indirekte Messverfahren sind Refraktometrie, IR-Absorption, NIR-Absorption, Mikrowellenabsorption, dielektrische Kapazität, Leitfähigkeit und Ultraschallabsorption.
Erschwerend kommt hinzu, dass die verschiedenen Messmethoden nicht unbedingt zu denselben Ergebnissen führen und die verwendete Messmethode in der Regel nicht zusammen mit dem Feuchtigkeitsgehalt angegeben wird.
Selbst direkte Messmethoden liefern keine konsistenten Ergebnisse. Jede Methode, bei der die Probe erhitzt werden muss (z. B. Trocknungsverlust), kann zum Verlust organischer flüchtiger Stoffe oder zur Zersetzung der Probe führen (insbesondere bei Proben mit hohem Zuckergehalt). Wenn beispielsweise organische flüchtige Stoffe in einer Probe vorhanden sind oder wenn sich die Probe während des Trocknens zersetzt, liefert eine Karl-Fischer-Analyse, die nicht anfällig für flüchtige Verluste oder Zersetzung ist, andere Ergebnisse als eine Trocknungsverlustanalyse.
Variabilität ist schwer zu vermeiden.
Eine Lösung für diese Probleme besteht darin, einfach eine einheitliche Methode zu verwenden und nur Werte zu vergleichen, die auf die gleiche Weise ermittelt wurden. Leider lässt sich durch eine einheitliche Messmethode für die Feuchtigkeitsanalyse nicht jedes Problem beseitigen. Betrachten wir beispielsweise den Trocknungsverlust. Diese Methode scheint recht einfach zu sein. Eine Probe wird gewogen und das Gewicht wird notiert. Die Probe wird dann in einen Ofen gegeben, getrocknet und das Trockengewicht gemessen. Die Wassermenge wird durch Abziehen des Trockengewichts vom Ausgangsgewicht bestimmt, und der Feuchtigkeitsgehalt wird dann als Wassermenge geteilt durch das Trockengewicht oder das Gesamtgewicht berechnet, je nach Berichtsmethode.
Selbst diese einfache Methode der Trocknungsverlustbestimmung birgt zahlreiche potenzielle Fehlerquellen. Die grundlegendste davon ist, dass der Begriff „trocken“ keine echte wissenschaftliche Bedeutung hat und nie genau definiert wurde. Stattdessen muss für jede Probe ein willkürlicher, aber reproduzierbarer Trockenheitsgrad festgelegt werden. „Trockenheit“ wird oft als der Punkt definiert, an dem der Gewichtsverlust aufhört. Thermogravimetrische Kurven zeigen jedoch, dass sich der Gewichtsverlust bei verschiedenen Produkten bei unterschiedlichen Temperaturen einpendelt. Außerdem variiert je nach Produkt die Zeit, die benötigt wird, um „Trockenheit“ zu erreichen, und eine Temperatur, die bei einem Produkt „Trockenheit“ bewirkt, kann bei einem anderen Produkt zur Zersetzung führen. Das bedeutet, dass jede Probe eine einzigartige ideale Ofentemperatur und Trocknungszeit hat. Diese ideale Zeit-Temperatur-Kombination ist für einige Produkte in der Literatur verfügbar, für viele andere jedoch nicht. Es ist schwierig zu wissen, welche Kombination für ungetestete Produkte verwendet werden soll. Wenn nicht dieselbe Zeit-Temperatur-Kombination verwendet wird, sollten die resultierenden Feuchtigkeitsgehalte nicht miteinander verglichen werden.
Eine weitere Komplikation besteht darin, dass viele Öfen, die auf eine bestimmte Temperatur eingestellt sind, im Laufe der Zeit um bis zu 15 °C von dieser Temperatur abweichen können, und zwei Öfen, die auf die gleiche Temperatur eingestellt sind, können um bis zu 40 °C voneinander abweichen.
Zu den zusätzlichen Variationsquellen, die speziell bei der Trocknungsverlustmethode eine Rolle spielen, gehören: Ofen Dampfdruck, Methoden der Probenvorbereitung, Partikelgröße der Probe, Wiegen der Probe und Behandlung nach dem Trocknen. Es ist interessant, dass der in der Literatur angegebene Feuchtigkeitsgehalt, der mittels der Trocknungsverlustmethode ermittelt wurde, trotz der potenziellen Fallstricke sofort als korrekt akzeptiert wird. Wenn zudem Vergleiche zwischen verschiedenen Methoden zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts angestellt werden und eine dieser Methoden die Trocknungsverlustmethode ist, wird stets davon ausgegangen, dass die mittels der Trocknungsverlustmethode ermittelte Messung korrekt ist.
Was bedeutet „trocken“?
Eine Definition des Begriffs „trocken“ wäre hilfreich, um einige der Unstimmigkeiten im Zusammenhang mit der Feuchtigkeitsmessung zu beseitigen. Am besten ließe sich „trocken“ definieren, indem man eine ofentrockene Wasseraktivität festlegt. Das Trockengewicht wäre dann das Gewicht der Probe, wenn sie diese ofentrockene Wasseraktivität erreicht hat. Unter üblichen Umgebungsbedingungen von 25 °C und 30 % r. F. würde ein auf 95 °C eingestellter Ofen im Inneren eine „ofentrockene“ Wasseraktivität von 0,01 aw erzeugen, vorausgesetzt, die „ Dampfdruck “ im Ofen entspricht der der Umgebungsluft. Ein Ofen, der Bedingungen aufrechterhält, bei denen seine „ofentrockene“ Wasseraktivität unabhängig von den Umgebungsbedingungen stets 0,01 aw beträgt, würde einen wissenschaftlich „trockenen“ Zustand schaffen. In einem solchen Ofen könnte jedes Produkt als trocken deklariert werden, sobald sich sein Gewicht nicht mehr verändert. Seine Wasseraktivität würde 0,01 aw betragen, und sein Gewicht wäre das Trockengewicht. Die „ Dampfdruck “ und die Temperatur des Ofens könnten so eingestellt werden, dass auch die Freisetzung flüchtiger Bestandteile verhindert wird, solange die Wasseraktivität im Ofen bei 0,01 aw gehalten wird. Die Anwendung dieser Methode würde die Uneinheitlichkeit beseitigen, die sich aus unterschiedlichen Messverfahren und einer unklaren Definition des Begriffs „trocken“ ergibt.
Eine genauere Feuchtigkeitsanalyse
Der Feuchtigkeitsgehalt liefert wertvolle Informationen über Ertrag und Menge und ist daher aus finanzieller Sicht von Bedeutung. Er gibt zudem Aufschluss über die Textur, da ein steigender Feuchtigkeitsgehalt die Fließfähigkeit erhöht und die Temperatur bei der „ Glasübergang “ senkt. Es kann jedoch schwierig sein, korrekte und konsistente Feuchtigkeitswerte zu ermitteln, und eine Feuchtigkeitsmessung darf nicht ohne weitere Informationen zu den verwendeten Messmethoden für bare Münze genommen werden. Zusätzliche Probleme entstehen, wenn der Wassergehalt eines Produkts dazu verwendet wird, Aussagen über Produktkonsistenz, Qualität oder mikrobiologische Sicherheit zu treffen, die er eigentlich nicht zulässt. In diesen und anderen Fällen ist die Wasseraktivität die genauere Messgröße. Für eine vollständige Feuchtigkeitsanalyse sollten Entwickler in der Lebensmittel- und Pharmabranche sowohl den Wassergehalt als auch die Wasseraktivität messen. Darüber hinaus können Feuchtigkeitssorptionsisothermen genutzt werden, um genau zu bestimmen, wo optimale Haltbarkeit, Textur, Sicherheit und Qualität erreicht und aufrechterhalten werden können.
Eine wissenschaftliche Definition der Wasseraktivität
Wasseraktivität aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gelten bei der Definition Wasseraktivität bestimmte Voraussetzungen Wasseraktivität erfüllt sein müssen. Diese Voraussetzungen lauten: Reines Wasser (aw = 1,0) ist der Referenzzustand, das System befindet sich im Gleichgewicht und die Temperatur ist festgelegt.
Im Gleichgewichtszustand
μ = μo + RT ln (f/fo)
wobei: μ (J mol-1) das chemische Potential des Systems ist, d. h. die thermodynamische Aktivität oder Energie pro Mol der Substanz; μo das chemische Potential des reinen Materials bei der Temperatur T (°K) ist; R ist die Gaskonstante (8,314 J mol-1 K-1); f ist die Fugazität oder die Entweichungsneigung einer Substanz; und fo ist die Entweichungsneigung des reinen Materials (van den Berg und Bruin, 1981). Die Aktivität einer Spezies ist definiert als a = f/fo. Bei Wasser wird für die Substanz ein Index angegeben.
aw = f/fo
aw ist die Wasseraktivität oder das Verhältnis der Entweichungsneigung von Wasser in einem System zur Entweichungsneigung von reinem Wasser ohne Krümmungsradius. In der Praxis lässt sich die Fugazität unter den meisten Bedingungen, unter denen Lebensmittel vorkommen, gut durch den Druck Dampfdruck us approximieren (f ≈ p), sodass
aw = f/fo ≅ p/po
Ein Gleichgewicht liegt in einem System vor, wenn μ überall im System gleich ist. Ein Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase bedeutet, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Aufgrund dieser Tatsache lässt sich die Wasseraktivität Probe anhand der Messung der gasförmigen Phase bestimmen.
Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis des Dampfdruck s von Wasser in einem Material (p) zum Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei gleicher Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als das Verhältnis des Dampfdruck s der Luft zu ihrem Sättigungs Dampfdruck. Bei Erreichen des Dampf- und Temperaturgleichgewichts entspricht die Wasseraktivität der Probe der relativen Luftfeuchtigkeit der die Probe in einer geschlossenen Messkammer umgebenden Luft. Die Multiplikation der Wasseraktivität mit 100 ergibt den Gleichgewichts-Relative Luftfeuchtigkeit (ERH) in Prozent.
aw = p/po = ERH (%) / 100
Wasseraktivität ein Maß für den Energiezustand des Wassers in einem System. Es gibt mehrere Faktoren, die Wasseraktivität einem System beeinflussen:
- Kolligative Effekte gelöster Stoffe (z. B. Salz oder Zucker) interagieren mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbrückenbindungen.
- Kapillareffekt, bei dem der „ Dampfdruck “ des Wassers oberhalb eines gekrümmten Flüssigkeitsmeniskus aufgrund von Veränderungen in den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen geringer ist als der von reinem Wasser
- Oberflächenwechselwirkungen, bei denen Wasser durch Dipol-Dipol-Kräfte, Ionenbindungen (HO oder OH), Van-der-Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrückenbindungen3– direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Inhaltsstoffen (z. B. Stärke und Proteinen) interagiert.
Es ist eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittelprodukt, die die Energie des Wassers reduziert und somit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser verringert. Diese Faktoren lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: osmotische und matricielle Effekte.
Aufgrund unterschiedlich starker osmotischer und matricialer Wechselwirkungen Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser erscheint in unterschiedlichem Maße durch Kräfte „gebunden“. Dabei handelt es sich eher um ein Kontinuum von Energiezuständen als um eine statische „Gebundenheit“. Wasseraktivität manchmal als „freies“, „gebundenes“ oder „verfügbares Wasser“ in einem System definiert. Obwohl diese Begriffe leichter zu veranschaulichen sind, reichen sie nicht aus, um alle Aspekte des Konzepts der Wasseraktivität angemessen zu definieren.
Wasseraktivität temperaturabhängig. Die Temperatur verändert Wasseraktivität Veränderungen der Wasserbindung, der Dissoziation von Wasser, der Löslichkeit von gelösten Stoffen in Wasser oder des Zustands der Matrix. Obwohl die Löslichkeit von gelösten Stoffen ein bestimmender Faktor sein kann, wird die Wasseraktivität in der Regel durch den Zustand der Matrix gesteuert. Da der Zustand der Matrix (glasartiger vs. gummiartiger Zustand) temperaturabhängig ist, sollte es nicht überraschen, dass die Temperatur die Wasseraktivität Lebensmittels beeinflusst. Der Einfluss der Temperatur auf die Wasseraktivität Lebensmittels ist produktspezifisch. Bei einigen Produkten steigt Wasseraktivität zunehmender Temperatur an, bei anderen sinkt die aw mit steigender Temperatur, während bei den meisten Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt nur vernachlässigbare temperaturbedingte Veränderungen auftreten. Man kann daher nicht einmal die Richtung der Veränderung der Wasseraktivität der Temperatur vorhersagen, da diese davon abhängt, wie die Temperatur die Faktoren beeinflusst, die Wasseraktivität Lebensmittel steuern.
Als Maß für die potenzielle Energie ist sie die treibende Kraft für die Bewegung von Wasser aus Bereichen mit hoher Wasseraktivität in Bereiche mit niedriger Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität sind: Feuchtemigration in Lebensmitteln mit mehreren Phasen (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), der Wassertransport vom Boden zu den Blättern von Pflanzen sowie der Zellturgordruck. Da mikrobielle Zellen aus hohen Konzentrationen gelöster Stoffe bestehen, die von semipermeablen Membranen umgeben sind, ist der osmotische Effekt auf die freie Energie des Wassers entscheidend für die Bestimmung der Wasserverhältnisse der Mikroorganismen und damit ihrer Wachstumsraten.
Ein aussagekräftiges Messverfahren für die Qualitätssicherung und -kontrolle sowie Rezeptur
Die Wasseraktivität ist ein thermodynamisches Maß für die Energie des Wassers in einem Produkt. Warum sollte Ihr Unternehmen lernen, wie man die Wasseraktivität misst? Sie steht in direktem Zusammenhang mit der Anfälligkeit von Lebensmitteln gegenüber mikrobiellen Befall. Außerdem besteht ein direkter Zusammenhang mit vielen Reaktionen, die zu einer End Haltbarkeit n in Lebensmitteln führen. Da sie auf einer Skala mit einem bekannten Standard gemessen wird, eignet sie sich besonders gut als Sicherheits- und Qualitäts Spezifikation.
Häufig gestellte Fragen
Wie lange dauert die Messung Wasseraktivität?
Moderne Taupunktmessgeräte wie das AQUALAB 4TE liefern innerhalb von etwa fünf Minuten einen Wasseraktivität mit einer Genauigkeit von ± 0,003 aw; kapazitätsbasierte Sensoren sind zwar schneller, müssen jedoch in regelmäßigen Abständen anhand einer Primärmethode kalibriert werden. Eine Messdauer von fünf Minuten ist kurz genug, um bei den meisten Produktionsraten Qualitätskontrollen während des Produktionsprozesses zu ermöglichen.
Wie kann ich Wasseraktivität einem Lebensmittel senken?
Die Wasseraktivität wird durch die Zugabe von Feuchthaltemitteln – Salz, Zucker, Glycerin oder Propylenglykol – gesenkt, die Wassermoleküle binden und deren „ Dampfdruck “ verringern, indem sie dem Produkt Wasser entziehen oder beide Ansätze kombinieren. Sorptionsisothermen zeigen auf, wie sich jede Rezeptur Veränderung auf die endgültige Wasseraktivität auswirkt, und sind daher unverzichtbar, um einen angestrebten aw-Wert ohne Versuch und Irrtum zu erreichen.
Ab welcher „ Wasseraktivitätsschwellenwert “ müssen Lebensmittel gekühlt werden?
Die FDA stuft Produkte mit einem aw-Wert über 0,85 als „Temperature Control for Safety“ (TCS)-Lebensmittel ein, was bedeutet, dass sie aus Sicherheitsgründen gekühlt werden müssen. Produkte mit einem aw-Wert von 0,85 oder darunter gelten im Allgemeinen als lagerstabil gegenüber dem Wachstum von „ pathogen “, wobei das Schimmelrisiko bis zu einem aw-Wert von 0,70 bestehen bleibt.
Können zwei Inhaltsstoffe, die für sich genommen unbedenklich sind, in Kombination gefährlich werden?
Ja, wenn die Komponenten unterschiedliche Wasseraktivitäten aufweisen, wandert Wasser von der Komponente mit höherer Wasseraktivität zu der mit niedrigerer Wasseraktivität, bis sich ein Gleichgewicht einstellt, und die endgültige Wasseraktivität im Gleichgewicht kann hoch genug sein, um das Wachstum von „ pathogen “ zu begünstigen. Durch den Abgleich der Wasseraktivitäten der Komponenten vor deren Vermischung lässt sich dieses Risiko von „ Feuchtemigration “ vermeiden.
Kann Wasseraktivität in der Produktion gemessen Wasseraktivität , oder ist dafür ein Labor erforderlich?
Tischgeräte Wasseraktivität sind für Produktionsumgebungen konzipiert und erfordern kein Labor – das AQUALAB 4TE wird häufig in der Lebensmittelproduktion im Produktionsprozess eingesetzt. Es sind auch Inline-Sensoren erhältlich, die eine kontinuierliche Überwachung während der Verarbeitung ermöglichen, ohne dass einzelne Proben entnommen werden müssen.
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