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 Haltbarkeit, doch der Feuchtigkeitsgehalt allein reicht nicht aus, um die Produktsicherheit oder -stabilität vorherzusagen. Um festzustellen, ob ein Produkt sicher oder stabil ist, müssen Sie auch die Wasseraktivität kennen.

Was ist der Feuchtigkeitsgehalt?

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

Obwohl bei beiden Methoden dasselbe Material gemessen wird, liefern sie unterschiedliche Ergebnisse, da sie unterschiedliche Referenzgewichte verwenden. Bei Nassbasis ist das Referenzgewicht das Gesamtgewicht (Wasser + Trockenmasse). Bei Trockenbasis ist das Referenzgewicht nur die Trockenmasse. Das bedeutet, dass die Werte unter Trockenbasis immer höher sind als die Werte unter Nassbasis .

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:

• Trocknungsverlustmethode (auch als thermogravimetrische Verfahren bezeichnet)
• Nahinfrarotspektroskopie (NIR)
• Karl-Fischer-Titration

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

1. Trocknungsverlustmethode

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.

Trocknungsverlustmethode 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 das am häufigsten verwendete Verfahren zur Feuchtigkeitsbestimmung in Lebensmitteln, da es nur minimale infrastrukturelle 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 Ofenmethode, 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 Wägegeräte 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., der Feuchtigkeitsgehalt wird auf der Grundlage eines statistischen Modells geschätzt, das anhand bekannter Proben trainiert wurde. Die Genauigkeit hängt von der Qualität und Relevanz des Kalibrierungsmodells ab. NIR-Systeme müssen für jede spezifische Produktart kalibriert und anhand einer Primärmethode 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.

Nassbasis Formel zur Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts

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

Nassbasis wird im Lebensmittel- und Agrarbereich häufiger verwendet, da dabei der Wassergehalt als Bruchteil des Materials im Anlieferungszustand angegeben wird. Manchmal wird sie auch als „Ist-Feuchte“ bezeichnet.

Trockenbasis Formel für den Feuchtigkeitsgehalt

Trockenbasis Feuchtigkeitsgehalt (%) = [(Nassgewicht – Trockengewicht) / Trockengewicht] × 100

Trockenbasis Feuchtigkeit spielt in der Forschung und in Branchen wie der Getreide- und Futtermittelindustrie eine wichtige Rolle, wo Vergleiche zwischen Proben mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten erforderlich sind. Eine Folge der Angabe von „ 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 gibt jedoch keinen Aufschluss darüber, ob das vorhandene Wasser frei ist, um die „ Mikrobielles Wachstum “ zu unterstützen oder qualitätsmindernde Reaktionen auszulösen.

Dazu ist eine Wasseraktivität erforderlich.

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 demselben Feuchtigkeitsgehalt können sehr unterschiedliche Wasseraktivitäten aufweisen, und unterschiedliche Wasseraktivitäten bedeuten unterschiedliche Verderbnisrisiken und unterschiedliches Haltbarkeitsverhalten.

Um den Feuchtigkeitsgehalt eines Produkts vollständig zu charakterisieren, sollten Sie sowohl den Feuchtigkeitsgehalt als auch die Wasseraktivität messen. Durch diese Kombination erhalten Sie sowohl Aufschluss über die Wassermenge als auch über die Wasserverfügbarkeit – und können fundierte Entscheidungen hinsichtlich Rezeptur, der Verarbeitung, der Verpackung und Haltbarkeit treffen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Feuchtigkeitsgehalt?

Der Feuchtigkeitsgehalt ist der prozentuale Wasseranteil in einem Material, ausgedrückt entweder bezogen auf das Gesamtgewicht (Nassbasis) oder auf das Trockengewicht (Trockenbasis). Er gibt Auskunft darüber, wie viel Wasser vorhanden ist, sagt jedoch nichts darüber aus, 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 die Begriffe synonym verwendet – beide beschreiben den prozentualen Wasseranteil eines Stoffes, bezogen auf das Gewicht. Der wesentliche Unterschied besteht nicht zwischen den beiden Begriffen, sondern in der Berechnungsgrundlage: Der „ Nassbasis “ gibt den Wasseranteil als Prozentsatz des Gesamtgewichts an, während der „ Trockenbasis “ ihn als Prozentsatz ausschließlich der Trockenmasse angibt.

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 je nachdem, wie fest das Wasser an Zucker, Salze oder Proteine gebunden ist, sehr unterschiedliche Wasseraktivitäten aufweisen können. Die Wasseraktivität – und nicht der Feuchtigkeitsgehalt – ist der Maßstab, der vorhersagt, ob es zu Mikrobielles 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 freiem Wasser unterscheiden, das das Wachstum von Mikrobielles Wachstum begünstigt. Die Wasseraktivität ist die Messgröße, die das mikrobiologische Risiko bestimmt, und sie bildet die Grundlage für Lebensmittelsicherheitsvorschriften wie den FSMA.