Wasseraktivität 101: Beherrschen Sie die Grundlagen

Was ist Wasseraktivität? Ist Wasseraktivität dasselbe wie Feuchtigkeitsgehalt? Wie wird die Wasseraktivität gemessen? Kann man die Wasseraktivität senken?

Dies sind einige der grundlegendsten Fragen zum Thema Wasseraktivität. Um diese – und weitere – Fragen zu beantworten, haben wir Erkenntnisse von Dr. Brady Carter und Dr. Nate Olson – den Wasseraktivitäts-Experten von Decagon – zusammengetragen, um Ihnen einen umfassenden Überblick über die Grundlagen der Wasseraktivität zu geben. Ihre Antworten stammen aus dem Webinar „Water Activity 101“.

Was ist Wasseraktivität?

Die Wasseraktivität ist das Verhältnis des Wasserdampfdrucks in einer Substanz zum Wasserdampfdruck von reinem Wasser bei einer bestimmten Temperatur. Auf einer Skala von 0 bis 1,0 gibt sie an, inwieweit dieses Wasser in einer Substanz verfügbar oder „frei“ ist.

Ein aw-Wert von 0 bedeutet, dass kein freies Wasser vorhanden ist, und ein aw-Wert von 1,0 entspricht dem Dampfdruck von reinem Wasser. Die Wasseraktivität gibt nicht die Wassermenge in einer Substanz an – sie beschreibt den Energiezustand des Wassers. Zwischen diesen beiden Begriffen besteht ein wesentlicher Unterschied, auf den wir später noch eingehen werden.

Warum ist uns die Wasseraktivität wichtig?

Die Wasseraktivität ist wichtig, da Wasser zahlreiche Veränderungen in einem Produkt bewirken kann. Das Vorhandensein und die Verfügbarkeit von Wasser können zu folgenden Auswirkungen führen:

• Mikrobielles Wachstum (Bakterien, Schimmelpilze, Hefen)
• Chemische Veränderungen (nicht-enzymatische Bräunung)
• Physikalische Veränderungen (Verklumpung, Fließverhalten, Veränderungen der Konsistenz)

Anhand der Wasseraktivität lässt sich viel über die Stabilität und Sicherheit eines Produkts sagen. Die Kenntnis der Wasseraktivität ermöglicht es Produktentwicklern und Herstellern, die Haltbarkeit zu kontrollieren und zu verlängern sowie die Sicherheit zu gewährleisten.

Messung der Wasseraktivität

Das gängigste Gerät zur Messung der Wasseraktivität ist das Kalt-Spiegel-Taupunktmessgerät (z. B. das AQUALAB 4TE).

Bei einem Kalt-Spiegel-Taupunktmessgerät wird die Probe in eine geschlossene Kammer gegeben, in der ein kleiner elektrischer Ventilator für Luftzirkulation sorgt. Im Inneren der Kammer befindet sich ein Spiegel, der so weit gekühlt wird, bis sich auf seiner Oberfläche Tau bildet. In dem Moment, in dem die Kondensation eintritt, erfasst das Gerät die Lufttemperatur über der Probe sowie die Temperatur des Spiegels. Aus diesen beiden Werten wird der Dampfdruck berechnet, der wiederum zur Bestimmung der Wasseraktivität herangezogen wird.

Zu den weiteren Messgeräten für die Wasseraktivität zählen elektronische Sensoren und die isopiestische (oder gravimetrische) Methode. Im Rahmen dieser Einführung konzentrieren wir uns auf das Kühlspiegel-Taupunktmessgerät.

Die ideale Temperatur für die Messung der Wasseraktivität beträgt 25 °C; dies ist auch die Temperatur, bei der das Gerät standardmäßig seine automatische Temperaturkorrektur durchführt. Viele AQUALAB-Wasseraktivitätsmessgeräte liefern innerhalb von etwa fünf Minuten ein Messergebnis mit einer Genauigkeit von +/- 0,003 aw.

Wasseraktivität im Vergleich zum Feuchtigkeitsgehalt

Diese beiden Messungen sind nicht dasselbe. Hier sind die Unterschiede:

Feuchtigkeitsgehalt – die Wassermenge in einem Stoff, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtgewichts eines Materials (auf Nassbasis) oder als Prozentsatz der Trockenmasse (auf Trockenbasis).

Wasseraktivität – der Energiezustand des Wassers in einem Stoff, ausgedrückt als Verhältnis der Dampfdrücke.

Es gibt keinen allgemeinen Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität. Aus diesem Grund ist die Wasseraktivität der bessere Maßstab für die Vorhersage des Verhaltens und der Stabilität eines Produkts.

Betrachten wir als Beispiel reines Wasser und eine gesättigte Salzlösung. Beide haben denselben Feuchtigkeitsgehalt – 100 % Wasser –, doch ihre Wasseraktivitäten unterscheiden sich. Reines Wasser hat eine Wasseraktivität von 1,0, während eine gesättigte Salzlösung (obwohl sie immer noch größtenteils aus Wasser besteht) eine Wasseraktivität von weniger als 1,0 aufweist, da die Ionen in der Salzlösung die freie Bewegung der Wassermoleküle behindern.

Es gibt einige Gemeinsamkeiten. Steigt der Feuchtigkeitsgehalt eines Produkts, steigt in der Regel auch die Wasseraktivität. Der Zusammenhang zwischen beiden ist jedoch produktspezifisch und nicht allgemeingültig.

Sorptionsisothermen

In der Welt der Wasseraktivität ist eine Sorptionsisotherme ein Diagramm, das den Feuchtigkeitsgehalt als Funktion der Wasseraktivität bei konstanter Temperatur darstellt.

Sorptionsisothermen haben in der Lebensmittelwissenschaft zwei Hauptanwendungsbereiche:

1. Verstehen, wie ein Produkt mit Feuchtigkeit interagiert (Auswahl der Verpackung, Haltbarkeit).
2. Qualitätsmerkmale verstehen und vorhersagen – von der Textur über die Stabilität bis hin zur Haltbarkeit.

Um eine Sorptionsisotherme zu erstellen, muss man eine Reihe von Datenpunkten zur Wasseraktivität – bzw. zum Feuchtigkeitsgehalt – für ein bestimmtes Produkt bei einer bestimmten Temperatur messen und diese Datenpunkte anschließend grafisch darstellen. Die Form der Sorptionsisotherme ist produktspezifisch.

Manche Produkte weisen S-förmige (sigmoide) Isothermen auf. Andere sind eher linear. Die Form der Isotherme hängt mit der Bindungsaffinität des Produkts gegenüber Wasser zusammen.

Sorptionsisothermen zeigen den Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität für ein bestimmtes Produkt – nicht den Zusammenhang zwischen zwei Produkten. Wenn Sie zwei Produkte mit jeweils unterschiedlichen Sorptionsisothermen haben und diese miteinander mischen, hängt die endgültige Wasseraktivität der Mischung von den Wasseraktivitäten der einzelnen Bestandteile ab, nicht von deren Feuchtigkeitsgehalt.

Der Einfluss der Temperatur

Die Wasseraktivität hängt von der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Wasseraktivität zu. Dieser Zusammenhang ist produktspezifisch, doch im Allgemeinen entspricht ein Temperaturanstieg um 10 °C einem Anstieg der Wasseraktivität um etwa 0,03 aw.

Der Einfluss der Temperatur auf die Wasseraktivität ist bei der Verarbeitung und Lagerung ein wichtiger Faktor. Wird ein Produkt bei hoher Temperatur hergestellt und anschließend abgekühlt, sinkt die Wasseraktivität mit sinkender Temperatur. Dies kann zu Kondensation führen, was Verklumpungen, Verfestigungen und andere Qualitätsprobleme verursachen kann.

Wasseraktivität und mikrobielles Wachstum

Die Wasseraktivität steht in direktem Zusammenhang mit dem Wachstum von Mikroorganismen. Jede Art von Mikroorganismus hat einen Mindestwert für die Wasseraktivität, unterhalb dessen er nicht wachsen kann.

Gängige Grenzwerte für die Wasseraktivität beim mikrobiellen Wachstum:

• 0,97: Bakterien wie Clostridium botulinum E, Pseudomonas fluorescens
• 0,95: Bakterien wie Salmonella spp., E. coli
• 0,91: die meisten Bakterien, einschließlich Bacillus subtilis
• 0,87: Staphylococcus aureus (aerob)
• 0,70–0,85: die meisten Schimmelpilze
• 0,60: Untergrenze für jegliches mikrobielles Wachstum

Diese Werte stellen die Mindestanforderungen für das Wachstum von Mikroorganismen dar. Wenn ein Produkt eine Wasseraktivität aufweist, die unter der Mindestanforderung für einen bestimmten Mikroorganismus liegt, kann dieser nicht wachsen.

Wasseraktivität in Aktion

Wir haben bereits erwähnt, dass die Wasseraktivität für das mikrobielle Wachstum sowie für chemische und physikalische Veränderungen von Bedeutung ist. Schauen wir uns nun an, wie die Wasseraktivität in der Praxis zur Steuerung dieser Variablen eingesetzt wird:

Mikrobielles Wachstum – Durch die Entwicklung eines Produkts mit einer Wasseraktivität unterhalb des für Krankheitserreger geltenden Mindestwerts können Produktentwickler Produkte herstellen, die ohne Kühlung lagerstabil sind. Die FDA legt eine Wasseraktivität von 0,85 als Schwellenwert fest, unterhalb dessen ein Produkt aus Sicherheitsgründen nicht gekühlt werden muss.

Chemische Veränderungen – Die Wasseraktivität beeinflusst die Geschwindigkeit der nicht-enzymatischen Bräunung, der Lipidoxidation und anderer chemischer Reaktionen. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Wasseraktivität und chemischen Reaktionen hilft Produktentwicklern dabei, die Haltbarkeit und die Geschmacksstabilität zu optimieren.

Physikalische Veränderungen – Die Wasseraktivität beeinflusst physikalische Eigenschaften wie Konsistenz, Verklumpen und Fließverhalten des Pulvers. Das Verständnis, wie sich die Wasseraktivität auf diese Eigenschaften auswirkt, hilft Herstellern dabei, Produkte mit gleichbleibenden physikalischen Eigenschaften herzustellen.

Die Wasseraktivität ist ein wichtiges Instrument im Werkzeugkasten des Produktentwicklers, um Produkte mit vorhersehbarer Sicherheit, Stabilität und Qualität zu entwickeln. Durch das Verständnis und die Steuerung der Wasseraktivität können Hersteller bessere Produkte mit längerer Haltbarkeit und weniger Qualitätsmängeln herstellen, was zur Verringerung von Lebensmittelabfällen und zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beiträgt. Forscher nutzen die Wasseraktivität zudem als Grundlage für die Vorhersage des mikrobiellen Wachstums, die Aufrechterhaltung der physikalischen und chemischen Stabilität, die Produktformulierung sowie für die Vorhersage der Haltbarkeit.

Häufig gestellte Fragen

Wie wird die Wasseraktivität in Lebensmitteln gemessen?

Die Wasseraktivität wird gemessen, indem eine kleine Probe in einer geschlossenen Kammer versiegelt und die relative Gleichgewichtsfeuchte des Kopfraums abgelesen wird, die der Wasseraktivität der Probe im Gleichgewicht entspricht. Die genauesten Messgeräte verwenden einen Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel – wie das AQUALAB 4TE –, der innerhalb von etwa fünf Minuten einen Messwert liefert, ohne dass eine Kalibrierung anhand von Referenzstandards erforderlich ist.

Welcher Wasseraktivitätswert weist auf ein haltbares Lebensmittel hin?

Die FDA legt einen Wasseraktivitätswert (aw) von 0,85 als Schwellenwert fest, unterhalb dessen ein Produkt aus Sicherheitsgründen in der Regel nicht gekühlt werden muss – Produkte, die diesen Wert erreichen oder unterschreiten, gelten als lagerstabil gegenüber den meisten Krankheitserregern. Unterhalb eines aw-Werts von 0,70 kommt das Schimmelwachstum zum Stillstand, und unterhalb eines aw-Werts von 0,60 findet keinerlei mikrobielles Wachstum statt. Aus diesem Grund werden Snacks mit geringem Feuchtigkeitsgehalt und Trockenprodukte so formuliert, dass sie in diesem Bereich bleiben.

Beeinflusst die Temperatur die Messwerte der Wasseraktivität?

Ja, die Wasseraktivität steigt mit zunehmender Temperatur, da wärmere Wassermoleküle einen höheren Dampfdruck erzeugen. Das bedeutet, dass dasselbe Produkt bei einer Messung bei 25 °C eine höhere Wasseraktivität aufweist als bei 15 °C. Messwerte sollten stets zusammen mit der Messtemperatur angegeben werden, und AQUALAB-Messgeräte nehmen standardmäßig eine automatische Temperaturkorrektur vor.

Kann die Wasseraktivität chemische Reaktionen wie Bräunung oder Lipidoxidation vorhersagen?

Ja – die Wasseraktivität bestimmt unmittelbar die Geschwindigkeit der nicht-enzymatischen Bräunung, der Lipidoxidation, des Vitaminabbaus und der enzymatischen Reaktionen in Lebensmitteln. Die meisten chemischen Abbauprozesse verlaufen bei Wasseraktivitäten zwischen 0,2 und 0,4 am langsamsten und beschleunigen sich deutlich bei einer Wasseraktivität von über 0,6, was die Wasseraktivität neben der mikrobiologischen Sicherheit zu einer Schlüsselvariable bei der Vorhersage der Geschmacks- und Farbstabilität sowie des Nährstofferhalts macht.

Wird die Wasseraktivität von der FDA reguliert?

Ja, die FDA verwendet die Wasseraktivität als Kontrollparameter gemäß 21 CFR Part 117 und den FSMA-Präventivkontrollen, wobei ein Wert von aw 0,85 als Schwellenwert gilt, unterhalb dessen ein Produkt aus Sicherheitsgründen in der Regel nicht gekühlt werden muss. Hersteller, die die Wasseraktivität als Präventivkontrolle einsetzen, müssen Zielwerte validieren, Überwachungsverfahren festlegen und die Überprüfung des Endprodukts dokumentieren.

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