Wasseraktivität für Lebensmittelsicherheit und -qualität

Kombinieren Sie Cracker mit einem Wassergehalt von 20 % und Käsefüllung mit 30 %. Ein Rezept für matschige Cracker? Nicht, wenn beide Zutaten die gleiche Wasseraktivität haben.

Möchten Sie Klumpenbildung und Verklumpung in einer Gewürzmischung vermeiden? Passen Sie die Wasseraktivität der einzelnen Bestandteile aneinander an, und das Problem ist gelöst.

Der Vitaminabbau hängt von der Wasseraktivität ab. Das Gleiche gilt für die Lipidoxidation, die Knusprigkeit, die Bissfestigkeit, die Weichheit und viele andere Qualitätsfaktoren. Der Feuchtigkeitsgehalt gibt zwar Auskunft darüber, wie viel Wasser in einem Produkt enthalten ist, aber das ist auch schon alles. Er lässt keine Rückschlüsse auf diese anderen Qualitäts- und Sicherheitsaspekte zu.

Warum Wasseraktivität?

Die Eignung der Wasseraktivität als Maßstab für Qualität und Sicherheit wurde deutlich, als sich herausstellte, dass der Feuchtigkeitsgehalt Schwankungen im mikrobiellen Wachstum nicht ausreichend erklären konnte. Die Wasseraktivität ist ein Maß für den Energiezustand des Wassers in einem System.

Das Konzept der Wasseraktivität (aw) wird seit Jahrzehnten von Mikrobiologen und Lebensmitteltechnologen genutzt. Es ist das am häufigsten verwendete Kriterium für Sicherheit und Qualität.

Vorhersage von Sicherheit und Stabilität

Die Wasseraktivität sagt die Sicherheit und Stabilität in Bezug auf mikrobielles Wachstum, chemische und biochemische Reaktionsgeschwindigkeiten sowie physikalische Eigenschaften voraus. Abbildung 1 zeigt die Stabilität in Bezug auf mikrobielle Wachstumsgrenzen und Geschwindigkeiten von Abbaureaktionen als Funktion der Wasseraktivität.

Durch die Messung und Kontrolle der Wasseraktivität ist es möglich:

• Vorhersagen, welche Mikroorganismen potenzielle Ursachen für Verderb und Infektionen sind
• Die chemische Stabilität der Produkte aufrechterhalten
• Minimierung nicht-enzymatischer Bräunungsreaktionen und spontaner autokatalytischer Lipidoxidationsreaktionen
• Verlängern Sie die Aktivität von Enzymen und Vitaminen
• Optimieren Sie die physikalischen Eigenschaften von Produkten hinsichtlich Feuchtigkeitsmigration, Textur und Haltbarkeit.

Begrenzung des Mikrobenwachstums

Mikroorganismen haben einen Grenzwert für die Wasseraktivität, unterhalb dessen sie nicht wachsen. Die Wasseraktivität – und nicht der Feuchtigkeitsgehalt – bestimmt die Untergrenze des für das mikrobielle Wachstum „verfügbaren“ Wassers. Da Bakterien, Hefen und Schimmelpilze eine bestimmte Menge an „verfügbarem“ Wasser benötigen, um zu wachsen, stellt die Entwicklung eines Produkts unterhalb eines kritischen Wasseraktivitätswertes ein wirksames Mittel zur Wachstumshemmung dar.

Wasser kann in einem Produkt vorhanden sein, selbst in hohen Konzentrationen, doch wenn sein Energiegehalt ausreichend niedrig ist, können die Mikroorganismen das Wasser nicht entziehen, um ihr Wachstum zu sichern. Dieser „wüstenähnliche“ Zustand führt zu einem osmotischen Ungleichgewicht zwischen den Mikroorganismen und ihrer Umgebung. Folglich können die Mikroben nicht wachsen.

Hürden-Technologie

Während Temperatur, pH-Wert und verschiedene andere Faktoren beeinflussen können, ob und wie schnell Mikroorganismen wachsen, ist die Wasseraktivität oft der wichtigste Faktor. Die Wasseraktivität kann mit anderen konservierenden Faktoren (Hindernissen) wie Temperatur, pH-Wert, Redoxpotenzial usw. kombiniert werden, um Bedingungen zu schaffen, die Mikroorganismen hemmen. Der Wasseraktivitätsgrad, der das Wachstum der überwiegenden Mehrheit der pathogenen Bakterien begrenzt, liegt bei₀,_{90 aw} (0,_{70 aw} für Verderbsschimmelpilze). Die Untergrenze für alle Mikroorganismen liegt bei 0,_{60 aw}.

Kann ein Produkt mit einer Wasseraktivität über 0,85 dennoch lagerstabil sein, wenn andere Konservierungsmaßnahmen zum Einsatz kommen?

Ja, wenn mehrere Faktoren wie Säurebildung (pH-Wert unter 4,6), Wärmebehandlung oder zugesetzte antimikrobielle Wirkstoffe gemeinsam das Wachstum von Krankheitserregern verhindern, können Produkte mit einem Wasseraktivitätswert (aw) von über 0,85 ohne Kühlung lagerstabil sein. Dies erfordert jedoch validierte Daten zur Rezeptur und eine Dokumentation im Rahmen der präventiven Kontrollen gemäß FSMA, da die Wasseraktivität allein nicht mehr als Sicherheitskontrolle dient.

Welches Wasseraktivitätsmessgerät ist das richtige für Sie?

Chemische/biochemische Reaktivität

Die Wasseraktivität beeinflusst nicht nur den mikrobiellen Verderb, sondern auch die chemische und enzymatische Reaktivität. Wasser kann die chemische Reaktivität auf verschiedene Weise beeinflussen. Es kann als Lösungsmittel oder Reaktionspartner wirken oder die Mobilität der Reaktionspartner verändern, indem es die Viskosität des Systems beeinflusst. Die Wasseraktivität beeinflusst die nicht-enzymatische Bräunung, die Lipidoxidation, den Abbau von Vitaminen und anderen Nährstoffen, enzymatische Reaktionen, die Denaturierung von Proteinen, die Gelatinierung von Stärke und die Retrogradation von Stärke. In der Regel nimmt die Geschwindigkeit chemischer Abbaureaktionen mit sinkender Wasseraktivität ab.

Physikalische Eigenschaften

Neben der Vorhersage der Geschwindigkeit verschiedener chemischer und enzymatischer Reaktionen beeinflusst die Wasseraktivität auch die texturalen Eigenschaften von Lebensmitteln. Lebensmittel mit hoher Wasseraktivität haben eine Textur, die als feucht, saftig, zart und bissfest beschrieben wird. Wenn die Wasseraktivität dieser Produkte sinkt, lassen sich unerwünschte Textureigenschaften wie Härte, Trockenheit, Altbackenheit und Zähigkeit beobachten. Produkte mit geringer Wasseraktivität haben normalerweise Textureigenschaften, die als knusprig und knackig beschrieben werden, während diese Produkte bei höherer Wasseraktivität eine matschige Textur annehmen. Kritische Wasseraktivitäten bestimmen, wann Produkte aus sensorischer Sicht inakzeptabel werden.

Ab welchem Wasseraktivitätswert werden knusprige Lebensmittel altbacken oder matschig?

Die meisten knusprigen Snackprodukte bleiben bei einem aw-Wert unter 0,40 bis 0,45 ausreichend knusprig und beginnen bei einem aw-Wert über 0,60 bis 0,65 merklich weich zu werden, da sie Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen. Der genaue Übergangspunkt hängt von der Rezeptur und der Verpackung ab. Aus diesem Grund erstellen Hersteller während der Produktentwicklung Sorptionsisothermen, um validierte Haltbarkeits- und Verpackungsspezifikationen festzulegen.

Verklumpen, Verklumpen, Zusammenfallen und Klebrigkeit

Die Wasseraktivität ist ein wichtiger Faktor, der die Stabilität von Pulvern und dehydrierten Produkten während der Lagerung beeinflusst. Durch die Kontrolle der Wasseraktivität in einem Pulverprodukt bleiben die richtige Produktstruktur, Textur, Stabilität, Dichte und Rehydratationseigenschaften erhalten. Die Kenntnis der Wasseraktivität von Pulvern in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt und der Temperatur ist während der Verarbeitung, Handhabung, Verpackung und Lagerung unerlässlich, um schädliche Phänomene wie Verklumpen, Zusammenfallen und Klebrigkeit zu verhindern. Verklumpen ist abhängig von der Wasseraktivität, der Zeit und der Temperatur und hängt mit dem Zusammenfallen des Pulvers unter der Schwerkraft zusammen.

Feuchtigkeitswanderung

Da die Wasseraktivität ein Maß für den Energiestatus des Wassers ist, sind Unterschiede in der Wasseraktivität zwischen den Bestandteilen die treibende Kraft für die Feuchtigkeitswanderung, wenn das System ein Gleichgewicht erreicht. Daher ist die Wasseraktivität ein wichtiger Parameter für die Steuerung der Wasserwanderung in Mehrkomponentenprodukten. Einige Lebensmittel enthalten Bestandteile mit unterschiedlichen Wasseraktivitätswerten, wie beispielsweise gefüllte Snacks oder Cerealien mit getrockneten Früchten. Per Definition bestimmt die Wasseraktivität, dass Feuchtigkeit von einem Bereich mit hoher Wasseraktivität zu einem Bereich mit niedrigerer Wasseraktivität wandert, aber die Geschwindigkeit der Migration hängt von vielen Faktoren ab. Unerwünschte Veränderungen der Textur können durch Feuchtigkeitswanderung in Mehrkomponentenlebensmitteln entstehen. Wenn beispielsweise Feuchtigkeit aus den Trockenfrüchten mit höherer Wasseraktivität in das Getreide mit niedrigerer Wasseraktivität wandert, werden die Früchte hart und trocken, während das Getreide matschig wird.

Unterschiede in der Wasseraktivität zwischen Komponenten oder zwischen einer Komponente und der Umgebungsfeuchtigkeit sind eine treibende Kraft für die Feuchtigkeitswanderung. Das Wissen darüber, ob Wasser aus einer bestimmten Komponente absorbiert oder desorbiert wird, ist unerlässlich, um eine Zersetzung zu verhindern, insbesondere wenn die Substanz feuchtigkeitsempfindlich ist. Wenn beispielsweise gleiche Mengen der Komponente 1 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 2 % und der Komponente 2 mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 10 % miteinander gemischt werden müssen, kommt es dann zu einem Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Komponenten? Der endgültige Feuchtigkeitsgehalt des gemischten Materials würde 6 % betragen, aber hat ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen Komponente 1 und 2 stattgefunden? Die Antwort hängt von der Wasseraktivität der beiden Komponenten ab. Wenn die Wasseraktivität der beiden Komponenten gleich ist, findet kein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den beiden Komponenten statt. Außerdem sind zwei Inhaltsstoffe mit gleichem Feuchtigkeitsgehalt möglicherweise nicht miteinander mischbar. Wenn zwei Materialien mit unterschiedlicher Wasseraktivität, aber gleichem Wassergehalt gemischt werden, gleicht sich der Wassergehalt zwischen den Materialien aus, bis eine Gleichgewichtswasseraktivität erreicht ist.

Haltbarkeit/Verpackung

Die Wasseraktivität ist ein entscheidender Faktor für die Haltbarkeit von Produkten. Für Lebensmittel können kritische obere und untere Wasseraktivitätswerte hinsichtlich mikrobiologischer Eigenschaften, Textur, Geschmack, Aussehen, Aroma, Nährwert und Kochqualitäten festgelegt werden. Die Geschwindigkeit des Feuchtigkeitsaustauschs durch die Verpackung und die Geschwindigkeit der Veränderung der Wasseraktivität des Lebensmittels in Richtung eines kritischen Grenzwerts bestimmen die Haltbarkeit eines Produkts. Die Kenntnis der Temperatur, der relativen Umgebungsfeuchtigkeit und der kritischen Wasseraktivitätswerte hilft bei der Auswahl einer Verpackung mit den richtigen Barriereeigenschaften, um Qualität und Haltbarkeit zu optimieren.

Beherrsche die Grundlagen

In diesem 20-minütigen Webinar erfahren Sie alles Wichtige zum Thema Wasseraktivitäten. Sie erfahren:

• Was ist Wasseraktivität?
• Wie sich dies vom Feuchtigkeitsgehalt unterscheidet
• Warum es das mikrobielle Wachstum kontrolliert
• Wie das Verständnis der Wasseraktivität Ihnen helfen kann, die Feuchtigkeit in Ihrem Produkt zu kontrollieren.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist die Wasseraktivität für die Lebensmittelsicherheit wichtig?

Die Wasseraktivität ist der zuverlässigste Indikator dafür, ob ein Lebensmittel das Wachstum von Krankheitserregern begünstigen kann. Aus diesem Grund verwenden die FDA und das USDA sie anstelle des Gesamtfeuchtigkeitsgehalts als regulatorischen Kontrollparameter. Produkte mit einer Wasseraktivität (aw) von 0,85 oder weniger gelten nicht als TCS-Lebensmittel und sind in der Regel ohne Kühlung lagerstabil.

Was ist ein sicherer Wasseraktivitätsgrad für Lebensmittel?

Ein aw-Wert unter 0,85 ist der von der FDA festgelegte Grenzwert für Lebensmittel, die nicht gekühlt werden müssen; unter einem aw-Wert von 0,70 können die meisten Schimmelpilze nicht wachsen, und unter einem aw-Wert von 0,60 findet keinerlei mikrobielles Wachstum statt. Der richtige Zielwert hängt vom jeweiligen Produkt und den betreffenden Mikroorganismen ab, weshalb die meisten Hersteller eine validierte aw-Spezifikation festlegen, anstatt sich auf den gesetzlichen Mindestwert zu verlassen.

Wie oft sollten Hersteller die Wasseraktivität in der Produktion prüfen?

Produkte, die sich nahe einem kritischen aw-Grenzwert befinden, beispielsweise zwischen aw 0,83 und 0,87, erfordern bei jeder Charge oder jeder Produktionsschicht eine Zwischenkontrolle, während Produkte, die deutlich unter ihrem Sicherheitsgrenzwert liegen, durch regelmäßige Endkontrollen in größeren Abständen überprüft werden können. Das AQUALAB 4TE liefert Ergebnisse in etwa fünf Minuten, und die AQUALAB-Labordienstleistungen können Ihnen dabei helfen, ein Prüfprogramm für Ihr spezifisches Risikoprofil zu entwickeln.