Wasseraktivität

Wasseraktivität _aw) leitet sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gelten bei der Definition Wasseraktivität bestimmte Voraussetzungen Wasseraktivität erfüllt sein müssen. Diese Voraussetzungen lauten: Reines Wasser (_aw = 1,0) ist der Referenzzustand, das System befindet sich im Gleichgewicht und die Temperatur ist festgelegt.

Im Gleichgewichtszustand

μ = μo + RT ln (f/fo)

wobei: μ (J mol-1) das chemische Potential des Systems ist, d. h. die thermodynamische Aktivität oder Energie pro Mol der Substanz; μo das chemische Potential des reinen Materials bei der Temperatur T (°K) ist; R ist die Gaskonstante (8,314 J mol-1 K-1); f ist die Fugazität oder die Entweichungsneigung einer Substanz; und fo ist die Entweichungsneigung des reinen Materials (van den Berg und Bruin, 1981). Die Aktivität einer Spezies ist definiert als a = f/fo. Bei Wasser wird für die Substanz ein Index angegeben.

_aw = f/fo

_aw ist die Aktivität von Wasser, d. h. die Entweichungsneigung von Wasser in einem System, geteilt durch die Entweichungsneigung von reinem Wasser ohne Krümmungsradius. In der Praxis lässt sich die Fugazität unter den meisten Bedingungen, unter denen Lebensmittel vorkommen, sehr gut durch den Dampfdruck approximieren Dampfdruck f ≈ p), sodass

_aw = f/fo ≅ p/po

Ein Gleichgewicht liegt in einem System vor, wenn μ überall im System gleich ist. Ein Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase bedeutet, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Aufgrund dieser Tatsache lässt sich die Wasseraktivität Probe anhand der Messung der gasförmigen Phase bestimmen.

Wasseraktivität definiert als das Verhältnis des Dampfdruck Wasser in einem Material (p) zum Dampfdruck reinem Wasser (po) bei gleicher Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als das Verhältnis des Dampfdruck Luft zu ihrem Dampfdruck. Bei Erreichen des Dampf- und Temperaturgleichgewichts entspricht die Wasseraktivität Probe der relativen Luftfeuchtigkeit der Luft, die die Probe in einer geschlossenen Messkammer umgibt. Durch Multiplikation der Wasseraktivität 100 erhält man die Gleichgewichts-Relative Luftfeuchtigkeit ERH) in Prozent.

_aw = p/po = ERH (%) / 100

Wasseraktivität ein Maß für den Energiezustand des Wassers in einem System. Es gibt mehrere Faktoren, die Wasseraktivität einem System beeinflussen:

1. Kolligative Effekte gelöster Stoffe (z. B. Salz oder Zucker) interagieren mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbrückenbindungen.
2. Der Kapillareffekt, bei dem der Dampfdruck Wasser oberhalb eines gekrümmten Flüssigkeitsmeniskus aufgrund von Veränderungen in den Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen geringer ist als der von reinem Wasser
3. Oberflächenwechselwirkungen, bei denen Wasser durch Dipol-Dipol-Kräfte, Ionenbindungen (HO oder OH), Van-der-Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrückenbindungen3– direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Inhaltsstoffen (z. B. Stärke und Proteinen) interagiert.

Es ist eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittelprodukt, die die Energie des Wassers reduziert und somit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser verringert. Diese Faktoren lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: osmotische und matric-Effekte.

Aufgrund unterschiedlich starker osmotischer und matricialer Wechselwirkungen Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser erscheint in unterschiedlichem Maße durch Kräfte „gebunden“. Es handelt sich hierbei um ein Kontinuum von Energiezuständen und nicht um eine statische „Gebundenheit“. Wasseraktivität manchmal als „freies“, „gebundenes“ oder „verfügbares Wasser“ in einem System definiert. Obwohl diese Begriffe leichter zu veranschaulichen sind, reichen sie nicht aus, um alle Aspekte des Konzepts der Wasseraktivität angemessen zu definieren.

Wasseraktivität temperaturabhängig. Die Temperatur verändert Wasseraktivität Veränderungen der Wasserbindung, der Dissoziation von Wasser, der Löslichkeit von gelösten Stoffen in Wasser oder des Zustands der Matrix. Obwohl die Löslichkeit gelöster Stoffe ein bestimmender Faktor sein kann, wird die Wasseraktivität in der Regel durch den Zustand der Matrix gesteuert. Da der Zustand der Matrix (glasartiger vs. gummiartiger Zustand) temperaturabhängig ist, sollte es nicht überraschen, dass die Temperatur die Wasseraktivität Lebensmittels beeinflusst. Der Einfluss der Temperatur auf die Wasseraktivität Lebensmittels ist produktspezifisch. Bei einigen Produkten steigt Wasseraktivität zunehmender Temperatur an, bei anderen sinkt_{die aw mit} steigender Temperatur, während bei den meisten Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt nur vernachlässigbare temperaturbedingte Veränderungen auftreten. Man kann daher nicht einmal die Richtung der Veränderung der Wasseraktivität der Temperatur vorhersagen, da diese davon abhängt, wie sich die Temperatur auf die Faktoren auswirkt, die Wasseraktivität Lebensmittel steuern.

Als Maß für die potenzielle Energie ist sie eine treibende Kraft für die Wasserbewegung von Regionen mit hoher Wasseraktivität Regionen mit niedriger Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität : Feuchtemigration in Lebensmitteln mit mehreren Phasen (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), die Bewegung von Wasser vom Boden zu den Blättern von Pflanzen sowie der Zellturgordruck. Da mikrobielle Zellen aus hohen Konzentrationen gelöster Stoffe bestehen, die von semipermeablen Membranen umgeben sind, ist der osmotische Effekt auf die freie Energie des Wassers entscheidend für die Bestimmung der Wasserverhältnisse der Mikroorganismen und damit ihrer Wachstumsraten.

Beherrsche die Grundlagen

In diesem 20-minütigen Webinar erfahren Wasseraktivität Wesentliche zum Thema Wasseraktivität . Sie erfahren:

• Was Wasseraktivität ?
• Wie es sich vom Feuchtigkeitsgehalt unterscheidet
• Warum es Mikrobielles Wachstum reguliert
• Wie das Verständnis Wasseraktivität Ihnen helfen Wasseraktivität , die Feuchtigkeit in Ihrem Produkt zu regulieren.