Wie die Wasseraktivität das mikrobielle Wachstum steuert

1953 zeigte William James Scott, dass das Wachstum von Mikroorganismen in Lebensmitteln nicht, wie die meisten Menschen dachten, vom Wassergehalt, sondern von der Wasseraktivität abhängt. Vier Jahre später entwickelte er das Konzept der minimalen Wasseraktivität für das Wachstum von Mikroorganismen. Die Wasseraktivität wird heute von Lebensmittelherstellern routinemäßig verwendet, um festzustellen, ob ein Produkt anfällig für mikrobielles Wachstum ist oder nicht.

Wasseraktivität kontrollieren, mikrobielles Wachstum verhindern

Wie alle Organismen sind auch Mikroorganismen für ihr Wachstum auf das in der Nahrung vorhandene Wasser angewiesen. Sie nehmen Wasser auf, indem sie es über die Zellmembran transportieren. Dieser Mechanismus der Wasserbewegung beruht auf einem Gradienten der Wasseraktivität – das Wasser wandert also aus einer Umgebung mit hoher Wasseraktivität außerhalb der Zelle in eine Umgebung mit niedrigerer Wasseraktivität innerhalb der Zelle. Wenn die Wasseraktivität außerhalb der Zelle niedrig genug wird, entsteht osmotischer Stress: Die Zelle kann kein Wasser mehr aufnehmen und geht in einen Ruhezustand über. Die Mikroorganismen werden nicht abgetötet, sie sind lediglich nicht mehr in der Lage, ausreichend zu wachsen, um eine Infektion auszulösen. Verschiedene Organismen gehen unterschiedlich mit osmotischem Stress um. Deshalb gibt es für jeden Organismus unterschiedliche Wachstumsgrenzen. Einige Schimmel- und Hefepilzarten haben sich daran angepasst, sehr niedrige Wasseraktivitätswerte zu überstehen. Tabelle 1 zeigt die Wachstumsgrenzen der Wasseraktivität für viele gängige Mikroorganismen.

Häufig gestellte Fragen

Wie hoch ist der von der FDA festgelegte Grenzwert für die Wasseraktivität bei haltbaren Lebensmitteln?

Die FDA stuft Lebensmittel mit einem aw-Wert von 0,85 oder darunter gemäß 21 CFR und den FSMA-Präventivmaßnahmen als grundsätzlich nicht kühlpflichtig ein – dieser Schwellenwert basiert auf den Mindestanforderungen für das Wachstum der meisten bakteriellen Krankheitserreger. Produkte mit einem aw-Wert zwischen 0,85 und 0,91 erfordern eine sorgfältige Bewertung, da Staphylococcus aureus in diesem Bereich noch wachsen kann, auch wenn andere Krankheitserreger dies nicht können.

Inwiefern wird die Wasseraktivität als kritischer Kontrollpunkt in HACCP-Plänen verwendet?

Die Wasseraktivität wird in HACCP-Plänen als kritischer Kontrollpunkt (CCP) herangezogen, indem ein bestimmter aw-Grenzwert – in der Regel bei oder unter 0,85 – als messbare und überprüfbare vorbeugende Kontrollmaßnahme gegen das Wachstum von Krankheitserregern festgelegt wird. Da die Wasseraktivität direkt mit festgelegten Grenzwerten für das mikrobielle Wachstum verknüpft ist und am Herstellungsort überprüft werden kann, ist sie einer der zuverlässigsten Parameter zur Dokumentation der Lebensmittelsicherheit, ohne dass bei jeder Charge direkte Tests auf Krankheitserreger erforderlich sind.

Tötet eine Verringerung der Wasseraktivität Bakterien und Schimmelpilze ab, die bereits in einem Lebensmittel vorhanden sind?

Nein, eine Senkung der Wasseraktivität unter das Wachstumsminimum versetzt Mikroorganismen zwar in einen Ruhezustand, tötet sie jedoch nicht ab, und Sporen können bei sehr niedriger Wasseraktivität jahrelang lebensfähig bleiben, bevor sie bei veränderten Bedingungen wieder zu wachsen beginnen. Aus diesem Grund kombiniert die Hurdle-Technologie die Wasseraktivität mit anderen Kontrollparametern wie dem pH-Wert oder der Temperatur, anstatt sich allein auf die Wasseraktivität zu verlassen.

Was ist der Mindest-AW-Wert für Staphylococcus aureus und warum ist er von Bedeutung?

Staphylococcus aureus weist mit einem aw-Wert von 0,86 einen der niedrigsten Mindestschwellenwerte für die Wasseraktivität aller bakteriellen Krankheitserreger auf. Daher können Produkte mit einem aw-Wert zwischen 0,86 und 0,91 ein Staphylokokkenrisiko bergen, obwohl die meisten anderen Krankheitserreger in diesem Bereich nicht wachsen können. Dies macht den FDA-Grenzwert von 0,85 zu einem konservativen, aber entscheidenden Kontrollpunkt für Lebensmittel mit mittlerem Feuchtigkeitsgehalt.

Kann ein hoher Salz- oder Zuckergehalt die Wasseraktivität so weit senken, dass das Wachstum von Mikroorganismen verhindert wird?

Ja, gelöste Stoffe wie Salz und Zucker binden Wassermoleküle und senken deren Energiezustand – das ist das wissenschaftliche Prinzip hinter traditionellen Konservierungsmethoden wie Pökeln, Einlegen in Salzlake und der Herstellung von Marmelade. Eine ausreichend konzentrierte Salzlake oder ein Produkt mit hohem Zuckergehalt kann eine Wasseraktivität erreichen, die niedrig genug ist, um den Verderb zu verhindern; allerdings ist eine direkte Messung erforderlich, da komplexe Lebensmittelmatrizen sich nicht nach einfachen Formeln verhalten.

Wasseraktivität und FDA, FSIS, FSMA

Wenn Sie die Wasseraktivität eines Materials messen, wissen Sie, welche Bakterien, Schimmelpilze oder Pilze darauf und darin wachsen können. Durch die Verringerung der Wasseraktivität können Sie das Wachstum bestimmter Mikrobenklassen verhindern. Bei niedrigen Wasseraktivitäten können Sie jegliches Wachstum unterbinden. Die Wasseraktivität ist kein Abtötungsschritt. Sie ist ein Kontrollschritt und ein integraler Bestandteil vieler HACCP-Pläne. Diese etablierten Grenzwerte für das mikrobielle Wachstum wurden in die Vorschriften der FDA, des FSIS und anderer Behörden aufgenommen. Die Wasseraktivität ist Teil der Definition potenziell gefährlicher Lebensmittel im Food Code von 2013, auf den sich der Food Safety Modernization Act (FSMA) bezieht.

Während Temperatur, pH-Wert und verschiedene andere Faktoren beeinflussen können, ob ein Organismus in einem Lebensmittelprodukt wächst und wie schnell er wächst, ist die Wasseraktivität möglicherweise der wichtigste Faktor. Die meisten Bakterien wachsen beispielsweise nicht bei einer Wasseraktivität unter 0,91, und die meisten Schimmelpilze hören bei einer Wasseraktivität unter 0,70 auf zu wachsen. Die Wasseraktivität in Kombination mit anderen Hindernissenwie pH-Wert, Temperatur oder modifizierter Atmosphäre in der Verpackung begrenzt das mikrobielle Wachstum selbst bei einer Wasseraktivität über 0,91.

Erfahren Sie mehr – sehen Sie sich „Wasseraktivität 102” an.

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