Wasseraktivität : Die Grundlagen beherrschen

Was ist Wasseraktivität? Ist Wasseraktivität wie Feuchtigkeitsgehalt? Wie wird die Wasseraktivität gemessen? Kann man 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 – Wasseraktivität Decagon – zusammengetragen, um Ihnen einen umfassenden Überblick über Wasseraktivität zu geben. Ihre Antworten stammen aus dem Webinar Wasseraktivität “.

Was ist Wasseraktivität?

Die Wasseraktivität ist das Verhältnis der Dampfdruck des Wassers in einem Stoff zur Dampfdruck von reinem Wasser bei einer bestimmten Temperatur. Auf einer Skala von 0 bis 1,0 gibt sie an, inwieweit dieses Wasser in einem Stoff verfügbar oder „frei“ ist.

Dampfdruck Ein AW-Wert von 0 bedeutet keine Wasser Freies Wasser, und ein AW-Wert von 1,0 entspricht der Wasser von reinem Wasser. Die Wasser ist nicht die Wassermenge in einer Substanz – sie ist der Energiezustand des Wassers. Zwischen diesen beiden Begriffen besteht ein wesentlicher Unterschied, auf den wir später noch näher eingehen werden.

Warum ist uns Wasseraktivität wichtig?

Wasseraktivität 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 (nichtenzymatische Bräunung)
• Körperliche Veränderungen (Verklumpung, Durchblutung, Veränderungen der Hautstruktur)

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

Messung Wasseraktivität

Das gängigste Messgerät zur Bestimmung Wasseraktivität das Taupunktmessgerät mit gekühltem Spiegel (z. B. das AQUALAB 4TE).

Bei einem Taupunktmessgerät mit gekühltem Spiegel wird die Probe in eine Versiegelte Messkammer gebracht, in der ein kleiner elektrischer Ventilator die Luft umwälzt. 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. Anhand dieser beiden Werte wird die „ Dampfdruck “ berechnet, die anschließend zur Bestimmung der Wasseraktivität herangezogen wird.

Wasseraktivität den weiteren Messgeräten zur Bestimmung Wasseraktivität elektronische Sensoren und das isopiestische (oder gravimetrische) Verfahren. Im Rahmen dieser Einführung konzentrieren wir uns auf das Taupunktmessgerät mit gekühltem Spiegel.

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

Wasseraktivität Feuchtigkeitsgehalt

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

Feuchtigkeitsgehalt – die Wassermenge in einem Stoff, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtgewichts eines Materials (Nassbasis) oder als Prozentsatz der Trockenmasse (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 Wasseraktivität die bessere Größe zur 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 1,0, während eine gesättigte Salzlösung (obwohl sie immer noch größtenteils aus Wasser besteht) eine Wasseraktivität als 1,0 aufweist, da die Ionen in der Salzlösung die freie Bewegung der Wassermoleküle behindern.

Es gibt einige Gemeinsamkeiten. Mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt eines Produkts steigt Wasseraktivität auch Wasseraktivität . Der Zusammenhang zwischen beiden Größen ist jedoch produktspezifisch und nicht allgemeingültig.

Sorptionsisothermen

In der Welt der Wasseraktivität ist eine Sorptionsisotherme ein Diagramm, das den Feuchtigkeitsgehalt als Funktion der Wasseraktivität 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 zu Haltbarkeit.

Um eine Sorptionsisotherme zu erstellen, muss eine Reihe von Datenpunkten Wasseraktivität Feuchtigkeitsgehalt für ein bestimmtes Produkt und eine bestimmte Temperatur gemessen und anschließend grafisch dargestellt werden. 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 ein bestimmtes Produkt – nicht den Zusammenhang zwischen zwei Produkten. Wenn Sie zwei Produkte mit jeweils unterschiedlichen Sorptionsisothermen miteinander mischen, hängt die Wasseraktivität Mischung von den Wasseraktivitäten der einzelnen Bestandteile ab, nicht von deren Feuchtigkeitsgehalten.

Der Einfluss der Temperatur

Wasseraktivität mit der Temperatur. Mit steigender Temperatur Wasseraktivität . Der Zusammenhang ist produktspezifisch, doch im Allgemeinen entspricht ein Temperaturanstieg um 10 °C einem Anstieg der Wasseraktivität etwa 0,03 aw.

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

Wasseraktivität und Mikrobielles Wachstum

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

Gängige Schwellenwerte für die Wasseraktivität bei „ Mikrobielles 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 aller Mikrobielles Wachstum

Diese Werte stellen die Mindestanforderungen für Mikrobielles Wachstum dar. Liegt die Wasseraktivität eines Produkts unterhalb der für einen bestimmten Mikroorganismus festgelegten Mindestanforderung, kann dieser Organismus nicht wachsen.

Wasseraktivität der Praxis

Wir haben bereits erwähnt, dass die Wasseraktivität für Mikrobielles Wachstum, chemische Veränderungen 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 festgelegten 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 von nichtenzymatische Bräunung, Lipidoxidation und anderen chemischen Reaktionen. Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Wasseraktivität und chemischen Reaktionen hilft Produktentwicklern dabei, die Haltbarkeit und die Aromastabilität zu optimieren.

Physikalische Veränderungen – Die Wasseraktivität beeinflusst physikalische Eigenschaften wie Textur, Verklumpung und Pulverfluss. 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 Reduzierung von Lebensmittelabfällen und zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beiträgt. Forscher nutzen die Wasseraktivität zudem als Grundlage für die Vorhersage von Mikrobielles Wachstum, zur Aufrechterhaltung der physikalischen und chemischen Stabilität, zur Produktformulierung sowie zur Vorhersage von Haltbarkeit.

Häufig gestellte Fragen

Wie wird Wasseraktivität in Lebensmitteln Wasseraktivität ?

Die Wasseraktivität wird gemessen, indem eine kleine Probe in einer geschlossenen Kammer versiegelt wird und der Wert „ Gleichgewichts-Relative Luftfeuchtigkeit “ des „ Kopfraum “ abgelesen wird, der der Wasseraktivität der Probe im Gleichgewicht entspricht. Die genauesten Messgeräte verwenden einen „ Gekühlter Spiegel-Taupunkt “-Sensor – wie beispielsweise das AQUALAB 4TE –, der innerhalb von etwa fünf Minuten einen Messwert liefert, ohne dass eine Kalibrierung anhand von Referenzstandards erforderlich ist.

Welcher Wasseraktivität weist auf ein haltbares Lebensmittel hin?

Die FDA legt einen aw-Wert von 0,85 als Schwellenwert fest, unterhalb dessen ein Produkt aus Sicherheitsgründen in der Regel nicht gekühlt werden muss – Produkte, deren aw-Wert diesem Wert entspricht oder darunter liegt, gelten als lagerstabil gegenüber den meisten Krankheitserregern. Unterhalb eines aw-Werts von 0,70 kommt es zu keinem Schimmelwachstum mehr, 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 Wasseraktivität ?

Ja, die Wasseraktivität steigt mit zunehmender Temperatur, da wärmere Wassermoleküle eine höhere „ 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 wenden standardmäßig eine automatische „ Temperaturkorrektur “ an.

Kann die Wasseraktivität chemische Reaktionen wie Bräunung oder Lipidoxidation vorhersagen?

Ja – die Wasseraktivität bestimmt direkt die Geschwindigkeit der nichtenzymatische Bräunung, 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, wodurch die Wasseraktivität neben der mikrobiologischen Sicherheit zu einer Schlüsselvariablen bei der Vorhersage der Aromastabilität, der Farbstabilität und des Nährstofferhalts wird.

Wird Wasseraktivität von der FDA Wasseraktivität ?

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

Referenzen

Labuza, T. P. „Sorptionsphänomene in Lebensmitteln.“ Food Technology 22, Nr. 3 (1968): 263–272.

Scott, W. J. „Wasserhaushalt von Staphylococcus aureus bei 30 °C.“ Australian Journal of Biological Sciences 6 (1953): 549–564.

Labuza, T. P., A. Kaanane und J. Y. Chen. „Einfluss der Temperatur auf die Feuchtigkeitssorptionsisothermen und Wasseraktivität bei zwei dehydrierten Lebensmitteln.“ Journal of Food Science 50, Nr. 2 (1985): 385–392.

Troller, J. A. und J. H. B. Christian. Wasseraktivität Lebensmittel. Academic Press, 1978.

Fontana, A. J. „Wasseraktivität: Warum sie für die Lebensmittelsicherheit wichtig ist.“ In: Tagungsband der Ersten NSF International-Konferenz zur Lebensmittelsicherheit, S. 177–185. 1998.

Slade, L., und H. Levine. „Beyond Wasseraktivität: Neueste Fortschritte auf der Grundlage eines alternativen Ansatzes zur Bewertung der Lebensmittelqualität und -sicherheit.“ Critical Reviews in Food Science and Nutrition 30, Nr. 2–3 (1991): 115–360.

Chirife, J., und M. Del Pilar Buera. „Wasseraktivität, Wasserglasdynamik und die Kontrolle des mikrobiologischen Wachstums in Lebensmitteln.“ Critical Reviews in Food Science and Nutrition 36, Nr. 5 (1996): 465–513.

Rahman, M. S. und T. P. Labuza. „Wasseraktivität Lebensmittelkonservierung.“ In: Handbook of Food Preservation, herausgegeben von M. S. Rahman, S. 339–382. CRC Press, 1999.

Ross, K. D. „Bestimmung der Wasseraktivität Lebensmitteln mit mittlerem Feuchtigkeitsgehalt.“ Food Technology 29, Nr. 3 (1975): 26–34.

Carr, J. M., T. Sufferling und J. Poppe.Wasseraktivität : eine gemeinsame Studie zu verschiedenen Methoden.“ Journal of Food Science 41, Nr. 4 (1976): 910–917.

Scott, W. J. „Wasserhaushalt von Mikroorganismen, die Lebensmittel verderben.“ In: Advances in Food Research, Band 7, S. 83–127. Academic Press, 1957.

‍