Messung des Feuchtigkeitsgehalts: Das ist komplizierter, als Sie denken.

Der Feuchtigkeitsgehalt ist der prozentuale Wasseranteil in einem Lebensmittel oder einem anderen Material, ausgedrückt im Verhältnis zum Nass- oder Trockengewicht des Materials.

Der Wassergehalt eines Materials beeinflusst die Produktqualität und die Haltbarkeit, doch der Feuchtigkeitsgehalt allein reicht nicht aus, um die Produktsicherheit oder -stabilität zu beurteilen. Um festzustellen, ob ein Produkt sicher oder stabil ist, muss man auch die Wasseraktivität kennen.

Was ist der Feuchtigkeitsgehalt?

Der Feuchtigkeitsgehalt ist einfach die Wassermenge in einem Material. Er wird als Prozentsatz des Gesamtgewichts des Materials (auf Nassbasis) oder als Prozentsatz der Trockenmasse (auf Trockenbasis) angegeben.

Obwohl bei beiden Methoden dasselbe Material gemessen wird, liefern sie unterschiedliche Ergebnisse, da sie unterschiedliche Referenzgewichte verwenden. Bei der Feuchtbasis entspricht das Referenzgewicht dem Gesamtgewicht (Wasser + Trockenmasse). Bei der Trockenbasis entspricht das Referenzgewicht hingegen nur der Trockenmasse. Das bedeutet, dass die Werte auf Trockenbasis stets höher sind als die Werte auf Feuchtbasis.

Bei Lebensmitteln beeinflusst der Feuchtigkeitsgehalt die Textur, das Gewicht, die Viskosität, das Aussehen und die Anfälligkeit für mikrobiellen Verderb. Feuchtigkeit ist in der Regel der Hauptbestandteil von Lebensmitteln und somit eine der wichtigsten Variablen in der Lebensmittelzusammensetzung.

So messen Sie den Feuchtigkeitsgehalt

Der Feuchtigkeitsgehalt wird in der Regel mit einer der folgenden drei Hauptmethoden gemessen:

• Trocknungsverlust (auch als thermogravimetrische Methoden bezeichnet)
• Nahinfrarotspektroskopie (NIR)
• Karl-Fischer-Titration

Jede Methode basiert auf einem anderen Prinzip und eignet sich für unterschiedliche Probenarten.

1. Trocknungsverlust

Bei dieser Methode wird das Gewicht einer Probe vor und nach dem Trocknen gemessen. Die Probe wird bei einer festgelegten Temperatur getrocknet, bis sie eine konstante Masse erreicht. Der Feuchtigkeitsgehalt wird ermittelt, indem berechnet wird, wie viel Gewicht während des Trocknens verloren gegangen ist.

Der Trocknungsverlust ist ein gängiges Analyseverfahren zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in festen und halbfesten Stoffen. Das Trockenschrankverfahren, das in den AOAC-Methoden 930.15, 935.29, 950.46, 984.25 und anderen beschrieben ist, ist die am häufigsten verwendete Methode zur Feuchtigkeitsbestimmung in Lebensmitteln, da es nur minimale technische Voraussetzungen erfordert.

Ein Nachteil von Ofenverfahren besteht darin, dass die zum Trocknen der Probe verwendete Hitze andere flüchtige Verbindungen wie kurzkettige Fettsäuren und Alkohol verflüchtigen kann. Das bedeutet, dass bei Ofenverfahren der Feuchtigkeitsgehalt in manchen Proben zu hoch eingeschätzt werden kann.

Feuchtigkeitsanalysatoren (manchmal auch als Feuchtigkeitswaagen bezeichnet) sind eine modernisierte Version der Trockenofenmethode, bei der der Gewichtsverlust automatisch gemessen und aufgezeichnet wird. Sie finden in der Qualitätskontrolle breite Anwendung, da sie einfach und schnell zu bedienen sind und keine separaten Waagen erfordern.

2. Nahinfrarotspektroskopie

Die NIR-Spektroskopie ermittelt die Zusammensetzung von Materialien anhand der Art und Weise, wie diese Licht im nahen Infrarotbereich absorbieren und reflektieren. Wasser absorbiert NIR-Licht auf charakteristische Weise, sodass sich der Feuchtigkeitsgehalt mithilfe der NIR-Spektroskopie schnell abschätzen lässt.

Die Hauptvorteile der NIR-Technologie bei der Feuchtigkeitsmessung sind die Schnelligkeit (Ergebnisse innerhalb von Sekunden), die zerstörungsfreie Prüfung sowie die einfache Integration in Produktionslinien oder an den Fertigungsanlagen.

NIR ist ein indirektes Messverfahren, d. h., es schätzt den Feuchtigkeitsgehalt auf der Grundlage eines statistischen Modells, das anhand bekannter Proben trainiert wurde. Die Genauigkeit hängt von der Qualität und Relevanz des Kalibrierungsmodells ab. NIR-Systeme müssen für jeden spezifischen Produkttyp kalibriert und anhand einer Referenzmethode validiert werden, bevor sie im Routineeinsatz eingesetzt werden können.

3. Karl-Fischer-Titration

Die Karl-Fischer-Titration ist ein chemisches Verfahren, mit dem Wasser direkt und spezifisch gemessen werden kann, selbst in sehr geringen Konzentrationen. Im Gegensatz zu Ofenverfahren wird sie nicht durch das Vorhandensein anderer flüchtiger Verbindungen beeinträchtigt.

Die Karl-Fischer-Titration ist in vielen Branchen, darunter auch in der pharmazeutischen Herstellung (gemäß USP 921), die Referenzmethode zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts. Sie eignet sich besonders für Produkte, bei denen eine hohe Genauigkeit erforderlich ist oder bei denen eine Ofentrocknung ungenau oder unpraktisch wäre.

Formeln zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts

Welche Formel Sie verwenden, hängt davon ab, auf welcher Basis (nass oder trocken) Sie Ihre Angaben machen.

Formel für den Feuchtigkeitsgehalt auf Nassbasis

Feuchtigkeit auf Nassbasis (%) = [(Nassgewicht – Trockengewicht) / Nassgewicht] × 100

Die Feuchtigkeitsbasis wird in der Lebensmittel- und Agrarindustrie häufiger verwendet, da sie den Wassergehalt als Anteil des Materials im Anlieferungszustand angibt. Sie wird manchmal auch als „Ist-Feuchtigkeit“ bezeichnet.

Formel zur Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts auf Trockenbasis

Feuchtigkeitsgehalt in der Trockenmasse (%) = [(Nassgewicht – Trockengewicht) / Trockengewicht] × 100

Die Angabe des Feuchtigkeitsgehalts auf Trockenbasis ist in der Forschung und in Branchen wie der Getreide- und Futtermittelindustrie üblich, wo Vergleiche zwischen Proben mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt erforderlich sind. Eine Folge der Angabe auf Trockenbasis ist, dass die Werte 100 % überschreiten können, was manchmal zu Verwirrung führt.

Genauere Feuchtigkeitsanalyse

Die Messung des Feuchtigkeitsgehalts ist ein nützlicher erster Schritt bei der Charakterisierung eines Materials. Der Feuchtigkeitsgehalt sagt jedoch nichts darüber aus, ob das vorhandene Wasser frei ist und somit mikrobielles Wachstum begünstigt oder qualitätsmindernde Reaktionen auslöst.

Dazu ist eine Messung der Wasseraktivität erforderlich.

Die Wasseraktivität (aw) gibt Aufschluss über den Energiezustand des Wassers in einem Material – also darüber, inwieweit dieses Wasser als Reaktionspartner oder Lösungsmittel zur Verfügung steht. Produkte mit gleichem Feuchtigkeitsgehalt können sehr unterschiedliche Wasseraktivitäten aufweisen, und unterschiedliche Wasseraktivitäten bedeuten unterschiedliche Verderbnisrisiken und unterschiedliches Haltbarkeitsverhalten.

Um den Feuchtigkeitsgehalt eines Produkts umfassend zu charakterisieren, sollten sowohl der Feuchtigkeitsgehalt als auch die Wasseraktivität gemessen werden. Diese Kombination liefert Ihnen sowohl die Wassermenge als auch die Wasserverfügbarkeit – und ermöglicht es Ihnen, fundierte Entscheidungen hinsichtlich Rezeptur, Verarbeitung, Verpackung und Haltbarkeit zu treffen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Feuchtigkeitsgehalt?

Der Feuchtigkeitsgehalt ist der prozentuale Wasseranteil in einem Material, ausgedrückt entweder bezogen auf das Gesamtgewicht (Feuchtbasis) oder auf das Trockengewicht (Trockenbasis). Er gibt Auskunft darüber, wie viel Wasser vorhanden ist, nicht jedoch darüber, ob dieses Wasser frei ist und somit Verderb oder Qualitätsprobleme verursachen kann.

Ist der Feuchtigkeitsgehalt dasselbe wie der Wassergehalt in Lebensmitteln?

In der Lebensmittelwissenschaft werden diese Begriffe synonym verwendet – beide bezeichnen den prozentualen Wasseranteil eines Stoffes, bezogen auf das Gewicht. Der wesentliche Unterschied besteht nicht zwischen den beiden Begriffen, sondern in der Berechnungsgrundlage: Bei der „Feuchtbasis“ wird der Wasseranteil als Prozentsatz des Gesamtgewichts angegeben, während er bei der „Trockenbasis“ als Prozentsatz der Trockenmasse angegeben wird.

Ab welchem Feuchtigkeitsgehalt ist ein Lebensmittel ungekühlt haltbar?

Es gibt keinen verlässlichen Schwellenwert für den Feuchtigkeitsgehalt hinsichtlich der Haltbarkeit, da zwei Produkte mit demselben Feuchtigkeitsgehalt sehr unterschiedliche Wasseraktivitäten aufweisen können, je nachdem, wie stark das Wasser an Zucker, Salze oder Proteine gebunden ist. Die Wasseraktivität – und nicht der Feuchtigkeitsgehalt – ist der Maßstab, der vorhersagt, ob es zu mikrobiellem Wachstum, Verderb oder einer Verschlechterung der Textur kommt.

Kann ich die Feuchtigkeitswerte zweier verschiedener Lieferanten vergleichen, wenn diese unterschiedliche Methoden anwenden?

Nicht zuverlässig, da verschiedene Methoden unterschiedliche Größen messen und ohne einen validierten Umrechnungsfaktor nicht austauschbar sind. Selbst wenn beide Lieferanten direkte Methoden anwenden – wobei der eine die Trocknung im Luftofen und der andere die Karl-Fischer-Methode nutzt –, werden für dasselbe Produkt systematisch unterschiedliche Ergebnisse erzielt.

Entscheidet allein der Feuchtigkeitsgehalt darüber, ob ein Lebensmittel mikrobiologisch unbedenklich ist?

Nein, denn der Feuchtigkeitsgehalt kann nicht zwischen Wasser, das fest an gelöste Stoffe gebunden ist, und Wasser, das frei ist und das Wachstum von Mikroorganismen begünstigt, unterscheiden. Die Wasseraktivität ist der Maßstab, der das mikrobiologische Risiko bestimmt, und sie bildet die Grundlage für Lebensmittelsicherheitsvorschriften wie den FSMA.