Wasseraktivität in funktionellen Lebensmitteln

Lycopinreiche Tomaten. Mit CBD angereicherte Desserts. Superfoods wie Blaubeeren und Granatapfelkerne. Mit Vitamin D angereicherte Milch. Funktionelle Lebensmittel gibt es in vielen Formen, aber sie haben alle dasselbe Ziel: Krankheiten vorzubeugen und die Gesundheit durch unsere tägliche Ernährung zu verbessern.

Behalten Sie die Vorteile

Alle Lebensmittel enthalten Makro- und Mikronährstoffe, die zur Gesundheit beitragen. Funktionelle Lebensmittel enthalten noch etwas mehr: Verbindungen, die einen bestimmten gesundheitlichen Nutzen oder eine krankheitsbekämpfende Funktion haben. Unabhängig davon, ob diese Verbindung natürlich vorkommt oder einem Produkt zugesetzt wurde, stehen funktionelle Lebensmittel, die aufgrund ihrer Vorteile beworben werden, vor einer besonderen Herausforderung: Sie müssen eine Haltbarkeitsdauer festlegen, die nicht nur die Sicherheit, sondern auch die Wirksamkeit des funktionellen Inhaltsstoffs garantiert.

Schützen Sie den funktionellen Inhaltsstoff

Funktionelle Inhaltsstoffe sind in der Regel sehr anfällig für Zersetzung. Licht, Wärme, Feuchtigkeit und pH-Werte beeinflussen die Zersetzungsrate. Wenn ein funktioneller Inhaltsstoff als Bestandteil eines haltbaren Produkts beworben wird, müssen Hersteller die Auswirkungen des pH-Werts und der Wasseraktivität auf die Wirksamkeit dieses Inhaltsstoffs im Laufe der Zeit verstehen. Die Wasseraktivität des Produkts ist eines der wichtigsten Kriterien, die bei der Formulierung und Herstellung berücksichtigt werden müssen, um sicherzustellen, dass die versprochenen gesundheitlichen Vorteile auch tatsächlich erzielt werden.

Die Auswirkungen von Feuchtigkeit

Wenn funktionelle Inhaltsstoffe in Getränken enthalten sind, kann es zu einem raschen Abbau kommen. Beispielsweise Abbildung 1

zeigt die Veränderung der Konzentration eines mit Vitamin C angereicherten Orangensafts. Im Laufe von vier Wochen sinkt die Konzentration um bis zu 50 % (Nutraceutical Business Review, 2018). Viele Vitamine und Probiotika sind ähnlich betroffen, wenn sie einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt sind (Turkmen, Priyashantha und Jayarathna, 2019).

Es ist möglich, den Verderb zu verlangsamen, indem man die Wasseraktivität (Aw) des funktionellen Lebensmittels reduziert. Eine Möglichkeit dafür ist die Herstellung eines funktionellen Lebensmittels mit dem Monolayer-Wert – dem Wert, bei dem ein Lebensmittelprodukt aus Sicht der Feuchtigkeit am stabilsten ist. Aber was genau ist der Monolayer-Wert, und ist er etwas, das die meisten Hersteller anstreben sollten?

Stabilität in der Monoschicht

Die Monoschicht ist ein theoretisches Konzept, das 1938 von drei Physikern (Stephen Brunauer, Paul Emmett und Edward Teller) postuliert wurde. Die Theorie in Bezug auf ein poröses Lebensmittelmedium lautet wie folgt: Wenn ein vollständig trockenes Material hydratisiert wird, gibt es einen Punkt, an dem Wassermoleküle die Oberfläche jedes Partikels im Produkt mit einer Molekülschicht überziehen. Theoretisch ist ein Produkt am stabilsten, wenn jedes Partikel mit Wassermolekülen bedeckt ist, und zwar nur knapp bedeckt. Bei Produkten mit hohem Proteingehalt kann viel Wasser aufgenommen werden, bevor die Monoschicht erreicht ist, da Proteine viele Falten und eine große Oberfläche pro Masseneinheit haben, die bedeckt werden kann. Kristalliner Zucker hingegen ist ein einfacher Würfel, der pro Masseneinheit fast keine Oberfläche hat, die bedeckt werden kann.

Produkte können unterschiedliche Mengen an Wasser aufnehmen, aber bei den meisten Produkten ist die erste Schicht – die Monoschicht – bei einer relativ konstanten Wasseraktivität von 0,3 aw vollständig. Zu den Produkten, die typischerweise in diesem Wasseraktivitätsbereich zu finden sind, gehören Frühstückscerealien, Mehl und Nudeln. Es überrascht nicht, dass diese sehr lange haltbaren Produkte seit den 1940er Jahren die bevorzugte Darreichungsform für US-amerikanische Anreicherungsprogramme sind (Institute of Medicine (US) Committee, 2003).

Für eine frischere Textur

Warum werden dann nicht alle funktionellen Lebensmittel mit ihrem Monolayer-Wert hergestellt? Einfach gesagt, weil moderne Verbraucher eine andere Art von funktionellen Lebensmitteln wünschen: etwas Weicheres, Frischeres und Natürlicheres, das dennoch verzehrfertig ist.  Die Hersteller entwickeln haltbare funktionelle Lebensmittel mit einem viel höheren Wassergehalt. Würden sie auf ihren Monolayer-Wert getrocknet, würden sie trocken und unattraktiv werden. Bei diesen höheren Wassergehalten wird die Rezeptur zu einem komplexen Balanceakt, um die Haltbarkeit des funktionellen Inhaltsstoffs zu maximieren und gleichzeitig das Produkt weich und frisch im Geschmack zu halten.

Verfallsraten verfolgen

Die Wasseraktivität spielt bei diesem Gleichgewicht eine wesentliche Rolle. Formulierer profitieren enorm davon, wenn sie die Abbaurate der funktionellen Inhaltsstoffe in Abhängigkeit von der Wasseraktivität kartieren. Obwohl die Abbaurate mit der Wasseraktivität korreliert, weisen verschiedene Inhaltsstoffe unterschiedliche Beziehungen auf. Viele Vitamine beispielsweise bauen sich mit steigender Wasseraktivität schneller ab (siehe beispielsweise Lavelli, Zanoni und Zaniboni, 2007; Sablani, Al-Belushi, Al-Marhubi und Al-Belushi, 2007). Andere Inhaltsstoffe, wie Probiotika, erreichen ihre maximale Stabilität in bestimmten Bereichen. Durch die Optimierung der Wasseraktivität kann die Haltbarkeit von Tagen auf Monate verlängert werden.

Haltbarkeit optimieren

Je natürlicher das funktionelle Lebensmittel ist, desto größer kann die Rolle der Wasseraktivität sein. Bei Trockenfrüchten beispielsweise beeinflusst die Wasseraktivität des funktionellen Produkts nicht nur die Haltbarkeit des funktionellen Inhaltsstoffs, sondern auch die Anfälligkeit für Schimmelbildung und Qualitätsmerkmale wie die Textur. Wenn ein funktionelles Lebensmittel aus einer Kombination von zwei oder mehr natürlichen Inhaltsstoffen besteht, spielt auch die Feuchtigkeitswanderung eine Rolle.

Unabhängig vom jeweiligen Produkt kann die positive Wirkung eines haltbaren funktionellen Lebensmittels nur dann auf höchstem Niveau erhalten bleiben, wenn die Grundprinzipien der Wasseraktivität verstanden und angewendet werden.

Referenzen

Nutraceutical Business Review. „Abbau von Vitaminen, Probiotika und anderen Wirkstoffen durch Einwirkung von Hitze, Wasser und Sonnenlicht.“ 7. August 2018.

Turkmen, Nazli, Hasitha Priyashantha und Shishanthi Jayarathna. „Herausforderungen bei probiotischen Milchgetränken.“ New Food Magazine, 26. Oktober 2019. https://www.newfoodmagazine.com/article/97303/challenges-in-probiotic-d….

Institut für Medizin (USA), Ausschuss für die Verwendung von Referenzwerten für die Nährstoffzufuhr in der Nährwertkennzeichnung. „Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr: Leitprinzipien für die Nährwertkennzeichnung und Anreicherung von Lebensmitteln“. Washington (DC): National Academies Press (USA); 2003.

Shyam S. Sablani, K. Al-Belushi, I. Al-Marhubi & R. Al-Belushi (2007) Bewertung der Stabilität von Vitamin C in angereicherter Säuglingsnahrung anhand der Wasseraktivität und der Glasübergangstemperatur, International Journal of Food Properties, 10:1, 61-71, DOI: 10.1080/10942910600717284

Lavelli, Vera, Bruno Zanoni und Anna Zaniboni. „Auswirkungen der Wasseraktivität auf den Abbau von Carotinoiden in dehydrierten Karotten.“ Food Chemistry, Band 104, Ausgabe 4: 2007. Seiten 1705–1711.

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