Le guide complet du fabricant de produits alimentaires sur l'activité de l'eau

Pour un ingrédient bon marché, l'eau peut causer de nombreux problèmes coûteux :croissance microbienne, moisissures, perte de texture, mottage et agglutination, rancissement et perte de vitamines. La meilleure façon de comprendre la présence d'eau dans votre produit est d'apprendre à mesurer l'activité de l'eau.

Pourquoi l'activité de l'eau ?

L'utilité de l'activité de l'eau en tant que mesure de la qualité et de la sécurité a été suggérée lorsqu'il est devenu évident que la teneur en eau ne pouvait pas rendre compte de manière adéquate des fluctuations de la croissance microbienne. Le concept d'activité de l'eau (_aw) est utilisé par les microbiologistes et les technologues alimentaires depuis des décennies. Il s'agit du critère de sécurité et de qualité le plus couramment utilisé.

Activité aquatique : tout est question d'énergie

Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?

Prenez un verre d'eau et une éponge sèche. Plongez le coin de l'éponge dans le verre d'eau. L'eau passera du verre à l'éponge.

L'activité de l'eau est la force qui fait que l'eau se déplace dans l'éponge. Pour mieux comprendre, réfléchissez à la différence entre l'eau de l'éponge et l'eau du verre.

L'eau du verre est libre, mais l'eau de l'éponge est tout sauf libre. Elle est liée par des liaisons hydrogène, des forces capillaires et des forces de van der Waals-London. C'est ce qu'on appelle les effets de matrice. L'eau de l'éponge a un état énergétique inférieur à celui de l'eau du verre. L'eau s'écoule dans l'éponge, mais pour la faire ressortir, nous devons travailler en pressant l'éponge.

L'eau contenue dans l'éponge a une pression de vapeur plus faible, un point de congélation plus bas et un point d'ébullition plus élevé que l'eau contenue dans le verre. Les différences sont mesurables et quantifiables.

L'énergie de l'eau peut également être diminuée en la diluant avec des solutés. C'est ce qu'on appelle les effets osmotiques. Comme il faut du travail pour ramener l'eau à son état pur et libre, l'activité de l'eau s'en trouve également réduite. La variation totale de l'énergie est la somme des effets matriciels et osmotiques.

L'activité de l'eau contrôle la qualité et la sécurité des aliments

Combinez des crackers avec une teneur en eau de 20 % et une garniture au fromage avec une teneur en eau de 30 %. Une recette pour des crackers détrempés ? Pas si les deux ingrédients ont la même activité de l'eau. Vous devez éviter que les épices ne s'agglutinent et ne s'agglomèrent dans un lot ? Faites correspondre les activités de l'eau des composants et le problème est résolu.

La dégradation des vitamines est fonction de l'activité de l'eau. Il en va de même pour l'oxydation des lipides, le croquant, la mastication, le moelleux et de nombreux autres facteurs de qualité. La teneur en eau vous indique la quantité d'eau contenue dans un produit, mais c'est tout. Elle ne peut prédire aucun de ces autres facteurs de qualité et de sécurité.

Prévision de la sécurité et de la stabilité

L'activité de l'eau permet de prédire la sécurité et la stabilité en ce qui concerne la croissance microbienne, les taux de réaction chimique et biochimique et les propriétés physiques. La figure 1 illustre la stabilité en termes de limites de croissance microbienne et de taux de réactions de dégradation en fonction de l'activité de l'eau.

En mesurant et en contrôlant l'activité de l'eau, il est possible de :

• Prévoir quels micro-organismes seront des sources potentielles de détérioration et d'infection
• Maintenir la stabilité chimique des produits
• Minimiser les réactions de brunissement non enzymatiques et les réactions autocatalytiques spontanées d'oxydation des lipides
• Prolonger l'activité des enzymes et des vitamines
• Optimiser les propriétés physiques des produits en ce qui concerne la migration de l'humidité, la texture et la durée de conservation.

Comment mesure-t-on l'activité de l'eau ?

Si nous enfermons un échantillon dans un récipient hermétique, l'humidité relative de l'air dans l'espace de tête s'équilibrera avec l'activité de l'eau de l'échantillon. À l'équilibre, les deux sont égaux et nous pouvons mesurer l'humidité relative de l'espace de tête pour connaître l'activité de l'eau de l'échantillon. C'est la réponse la plus fiable à la question de savoir comment mesurer l'activité de l'eau.

Méthodes secondaires : hygromètres, capteurs de capacité

Comme les premiers appareils de mesure de l'activité de l'eau, la plupart des instruments modernes utilisent des capteurs hygrométriques à capacité ou à résistance électrique pour mesurer l'humidité dans l'espace de tête au-dessus de l'échantillon.

Ces compteurs utilisent des méthodes secondaires : ils relient un signal électrique à l'humidité relative et doivent être étalonnés avec des étalons de sel connus.

Avec ces capteurs, l'ERH est égal à l'activité de l'eau de l'échantillon seulement si les températures de l'échantillon et du capteur sont identiques. Des mesures précises nécessitent un bon contrôle ou une bonne mesure de la température. Les capteurs capacitifs sont de conception simple et sont souvent utilisés dans des appareils de mesure de l'activité de l'eau relativement bon marché.

Le point de rosée est une méthode primaire

Les meilleures méthodes qui répondent à la question de savoir comment mesurer l'activité de l'eau sont les méthodes primaires qui utilisent le rapport p _/p0. _P0 (la pression de vapeur saturante) ne dépend que de la température de l'échantillon (comme le montre le graphique ci-joint), il est donc possible de mesurer _p0 en mesurant la température de l'échantillon. P (la pression de vapeur de l'eau dans l'échantillon) peut être mesurée en mesurant la pression de vapeur de l'eau dans l'espace de tête scellé au-dessus de l'échantillon. La façon la plus précise de mesurer cette pression de vapeur, et qui revient aux premiers principes, est de mesurer le point de rosée de l'air.

La méthode primaire signifie une mesure directe, sans étalonnage

Les principaux avantages de la méthode du point de rosée (ou du point de rosée à miroir froid) sont la rapidité et la précision. Le capteur de point de rosée à miroir froid est une méthode de mesure primaire basée sur des principes thermodynamiques fondamentaux. Les compteurs d'activité de l'eau à miroir réfrigéré effectuent des mesures très précises (±0,_003aw), généralement en 5 minutes environ. Comme la mesure est basée sur la détermination de la température, aucun étalonnage n'est nécessaire. Les utilisateurs doivent mesurer une solution saline standard pour vérifier le bon fonctionnement de l'instrument. Pour certaines applications, la rapidité de cette méthode permet aux fabricants de contrôler en ligne l'activité de l'eau d'un produit.

L'AQUALAB 4TE utilise la méthode du point de rosée par miroir réfrigéré, qui est considérée dans la littérature comme la méthode d'activité de l'eau la plus rapide et la plus précise du marché. Regardez la vidéo pour voir comment cela fonctionne.

Les réglementations gouvernementales recommandent l'utilisation de l'activité de l'eau

La Food and Drug Administration des États-Unis a intégré l'activité de l'eau dans les règles de sécurité. Ces réglementations détaillent des exigences et des pratiques spécifiques visant à garantir que les produits sont fabriqués dans des conditions sanitaires et qu'ils sont purs, sains et sûrs. Utilisez le tableau ci-dessous comme référence aux règlements de sécurité du gouvernement américain qui recommandent l'utilisation de l'activité de l'eau.

L'activité de l'eau simplifie la durée de conservation

Sans une durée de conservation précise et spécifique au produit, vous risquez de mettre au rebut des produits périmés qui sont encore bons. Ou vendre des produits non périmés qui sont en fait mauvais. Vous pourriez payer trop cher pour un emballage qui n'aide pas votre produit. Ou renoncer à une durée de conservation importante qui résulterait d'un meilleur emballage. Le fait est que vous ne pouvez pas en être sûr parce que vous travaillez dans l'obscurité.

Alors pourquoi ne pas effectuer davantage de tests de durée de conservation ?

En général, c'est parce qu'un véritable test complet de la durée de conservation est une tâche ardue. Elle implique des relations complexes entre l'humidité, la température et les modes de défaillance du produit.

De nombreux facteurs peuvent rendre votre produit dangereux ou peu appétissant : moisissures, développement microbien, rancissement, modification de la texture ou de la saveur, dégradation des vitamines. La plupart des gens n'ont pas l'expertise nécessaire pour effectuer des tests de durée de conservation complets en interne, et faire appel à un laboratoire externe est coûteux.

Il existe une alternative scientifiquement valable à ce type de test de durée de conservation. Il s'agit de la durée de conservation, simplifiée par l'activité de l'eau. Elle génère toutes les données dont vous avez besoin pour prédire la durée de conservation de votre produit à partir d'une expérience que n'importe qui, même une petite entreprise, peut se permettre de réaliser.v

Durée de conservation et activité de l'eau

Comment l'activité de l'eau simplifie-t-elle la durée de conservation ?

1. Il élimine les distractions. Lorsque vous connaissez l'activité de l'eau de votre produit, vous savez quels sont les modes de défaillance qui posent problème pour ce produit.
2. Il simplifie la prédiction. Vous pouvez utiliser votre compteur d'activité de l'eau et une autre méthode de mesure (qui dépend de votre mode de défaillance particulier) pour réaliser une expérience interne simple qui vous permettra de prédire avec précision votre durée de conservation.
3. Il normalise la production. Vous pouvez définir une spécification d'activité de l'eau qui vous permet d'atteindre une durée de conservation optimale pour chaque lot.

Vos données sur la durée de conservation peuvent fournir des informations précieuses qui vous aideront à éviter les défaillances des produits, à prévoir et à allonger la durée de conservation, à choisir l'emballage le plus rentable, et bien d'autres choses encore.

Facteurs qui réduisent la durée de conservation

Trois facteurs principaux influencent la durée de conservation : les propriétés microbiennes, les modifications chimiques et la détérioration physique. Tous ces facteurs sont liés à l'activité de l'eau.

Croissance microbienne

Les micro-organismes ont un niveau d'activité de l'eau limite en dessous duquel ils ne se développent pas. C'est l'activité de l'eau, et non la teneur en humidité, qui détermine la limite inférieure de l'eau "disponible" pour la croissance microbienne. Étant donné que les bactéries, les levures et les moisissures ont besoin d'une certaine quantité d'eau "disponible" pour se développer, la conception d'un produit en dessous d'un niveau critique d'activité de l'eau constitue un moyen efficace de contrôler la croissance.

L'eau peut être présente, même à des niveaux élevés, dans un produit, mais si son niveau d'énergie est suffisamment bas, les micro-organismes ne peuvent pas éliminer l'eau pour soutenir leur croissance. Cette condition "désertique" crée un déséquilibre osmotique entre les micro-organismes et l'environnement local. Par conséquent, les microbes ne peuvent pas se développer.

Les moisissures et la croissance microbienne sont les menaces les plus dangereuses pour la durée de conservation. Le contrôle de l'activité de l'eau peut inhiber ou empêcher la croissance microbienne, prolonger la durée de conservation et permettre à certains produits d'être stockés en toute sécurité sans réfrigération. À l'aide de tableaux bien définis, vous pouvez fixer une limite d'activité de l'eau pour votre produit et l'utiliser dans les tests de durée de conservation.

Dégradation chimique

L'activité de l'eau influence les taux de réaction chimique de détérioration parce que l'eau agit comme un solvant, peut être elle-même un réactif ou peut modifier la mobilité des réactifs par le biais de la viscosité. Par exemple, les réactions de brunissement non enzymatique augmentent avec l'activité de l'eau pour atteindre un maximum entre 0,6 et 0,7_aw, et l'oxydation des lipides est minimisée entre 0,2 et 0,3_aw. La stabilité chimique optimale se trouve généralement près de la teneur en eau de la monocouche, telle qu'elle est déterminée par les isothermes de sorption de l'humidité.

Détérioration physique

Les environnements à forte et (moins souvent) faible humidité peuvent affecter l'activité de l'eau d'un produit, entraînant des changements indésirables dans la texture ou les propriétés physiques du produit et raccourcissant sa durée de conservation. Parmi les problèmes rencontrés, citons la perte de croustillance des produits secs, la formation de mousses et d'agglomérats dans les poudres, ainsi que la ténacité ou la mastication des produits humides. Trouver l'activité de l'eau critique pour votre produit peut nécessiter quelques recherches, mais l'activité de l'eau facilite grandement la tâche.

Emballage, expédition et stockage

Les variations de l'activité de l'eau au cours du transport et du stockage peuvent avoir une incidence considérable sur la durée de conservation. L'activité de l'eau est fonction de la température, et les températures d'expédition et de stockage peuvent affecter l'activité de l'eau à l'intérieur de l'emballage. Les tests de durée de conservation simplifiés peuvent vous aider à déterminer le meilleur emballage et à évaluer l'effet des conditions d'expédition et de stockage sur la durée de conservation de votre produit.

Les isothermes permettent de déterminer le point idéal pour l'activité de l'eau

Prévoir l'évolution des produits dans le temps

Les fabricants de produits alimentaires ont besoin de savoir combien de temps s'écoulera avant que leur produit ne moisisse, ne se détrempe, ne se périme, ne rancisse, ne gâte, ne s'agglomère, ne cristallise et ne devienne inacceptable pour le consommateur. L'isotherme de sorption de l'humidité est un outil puissant pour prévoir et prolonger la durée de conservation d'un produit. Il vous permet de :

• Déterminer les valeurs critiques de l 'activité de l'eau où se produisent des changements tels que le mottage, l'agglutination et la perte de texture.
• Prévoir comment le produit réagira aux changements d'ingrédients et de formulation
• Estimation précise de la durée de conservation
• Créer des modèles de mélange
• Effectuer des calculs d'emballage
• Trouver la valeur de la monocouche (où un produit est le plus stable)

Isothermes : le Saint Graal de la formulation

Une isotherme de sorption d'humidité est un graphique montrant comment l'activité de l'eau (_aw) change lorsque l'eau est adsorbée et désorbée d'un produit maintenu à une température constante. Cette relation est complexe et unique pour chaque produit. L'activité de l'eau augmente presque toujours avec la teneur en eau, mais la relation n'est pas linéaire. En fait, les isothermes de sorption de l'humidité sont en forme de S (sigmoïde) pour la plupart des aliments et en forme de J pour les aliments qui contiennent des matériaux cristallins ou une teneur élevée en matières grasses.

La méthode artisanale n'est pas pratique

La méthode classique pour créer un isotherme consiste à placer l'échantillon dans un dessiccateur avec une solution saline dont l'activité de l'eau est connue, jusqu'à ce que le poids de l'échantillon cesse de varier. L'échantillon est ensuite pesé pour déterminer sa teneur en eau. Chaque échantillon produit un point sur la courbe isotherme.

En raison de la longueur du processus, les courbes étaient traditionnellement construites en utilisant cinq ou six points de données avec des équations d'ajustement de courbe telles que GAB ou BET.

Un moyen plus rapide de créer des isothermes

La création manuelle d'isothermes de sorption de l'humidité est un travail minutieux. La méthode devait être automatisée. La première méthode utilisée - et toujours utilisée par la plupart des instruments de sorption de vapeur - est appelée DVS, ou sorption de vapeur dynamique. Un échantillon est exposé à un flux d'air à humidité contrôlée tandis qu'une microbalance mesure de minuscules changements de poids lorsque le produit adsorbe ou désorbe de l'eau. Une fois l'équilibre atteint, l'instrument passe dynamiquement au niveau d'humidité prédéfini suivant. Les tests durent de deux jours à plusieurs semaines.

La méthode DVS fonctionne bien pour étudier la cinétique de sorption - ce qui arrive à un produit lorsqu'il est exposé à certaines humidités et la vitesse à laquelle il adsorbe ou désorbe l'eau. La méthode DVS n'est cependant pas très utile pour créer une courbe isotherme à haute résolution, car chaque étape d'équilibre ne produit qu'un seul point sur la courbe isotherme.

Les isothermes DDI révèlent ce qui n'a pas été vu auparavant

La méthode de l'isotherme dynamique du point de rosée (DDI) a été conçue pour résoudre ce problème. Elle crée des isothermes à haute résolution qui montrent les détails des courbes d'adsorption et de désorption en prenant un instantané de l'activité de l'eau et de la teneur en humidité (toutes les 5 secondes) lorsque l'échantillon est exposé à de l'air humidifié ou desséché. Les graphiques DDI contiennent des centaines de points de données et montrent des détails qui n'étaient pas visibles auparavant, tels que les points critiques où se produisent le mottage, l'agglutination, la déliquescence et la perte de texture.

Comment les isothermes sont-elles créées ?

L'AQUALAB VSA fournit automatiquement des graphiques d'isothermes DDI et DVS rapides et à haute résolution qui changent la façon dont vous comprenez votre produit. Les deux modes de test et le logiciel de modélisation sophistiqué transforment vos données en solutions dont vous avez besoin pour fabriquer, contrôler, stocker et expédier un produit de qualité.

Transformer les données isothermes en solutions

Le VSA est livré avec un logiciel de modélisation intuitif et complet. La boîte à outils d'analyse de l'humidité vous montre comment transformer vos données en solutions à l'aide de modèles prédictifs testés par la recherche. Vous trouverez tous les modèles dont vous avez besoin en un seul endroit, organisés dans un programme simple à utiliser. Identifiez l'humidité critique pour la transition du verre, évaluez les performances de l'emballage, déterminez l'hygroscopicité, suivez l'hystérésis, prévoyez la rupture du revêtement, trouvez la susceptibilité au mottage/à l'agglutination, et bien d'autres choses encore.

Les isothermes identifient les valeurs critiques d'activité de l'eau

Malgré un double emballage et des directives strictes en matière de température de stockage, un fabricant de lait séché par atomisation a encore rencontré des problèmes de formation de grumeaux.

Quand la transition vitreuse devient un problème

Lorsque le lait est séché par atomisation, l'évaporation rapide laisse les sucres à l'état vitreux. Le lactose vitreux a des propriétés totalement différentes de celles du lactose cristallin. En raison de leur faible mobilité, les particules ne s'agglomèrent pas lorsque la poudre est à l'état vitreux. La structure cristalline est un état à plus faible énergie, de sorte qu'il y aura toujours des molécules en transition entre l'état vitreux et l'état cristallin. Les problèmes surviennent lorsque le taux de transition atteint un point de basculement.

L'activité de l'eau prédit le taux de transition

À 0,30_aw, il faudra peut-être plusieurs années pour que tout le lactose devienne cristallin. À 0,40_aw, cela peut prendre un mois. Au-delà de 0,43, la transition se fera en quelques heures. Une fois le lactose cristallisé, le lait en poudre est définitivement modifié. Il ne retient plus du tout la même quantité d'eau, ne se dissout plus et n'a plus le même goût. En fait, il a été gâché.

Les isothermes DDI prédisent le point de transition vitreuse

Le point de transition vitreuse de poudres telles que le lait séché par atomisation peut être déterminé à l'aide d'une isotherme DDI à haute résolution. Les isothermes traditionnels s'appuient sur des modèles pour remplir l'isotherme entre les points mesurés. Les isothermes DDI mesurent des centaines de points et peuvent identifier des transitions telles que le point de transition vitreuse du lait en poudre séché par atomisation.

La valeur du pic sur le tracé de la deuxième dérivée de l'isotherme identifie la valeur critique du changement de phase comme étant 0,43_aw.

Des tests réguliers et précis sur la ligne avec de meilleures valeurs de contrôle ont permis au fabricant d'améliorer le taux d'acceptation des expéditions.

Créer des modèles de mélange

Un fabricant de gâteaux a élaboré une recette de gâteau fourré à la crème. Les composants de la recette étaient le glaçage (environ 7 % d'humidité), le fourrage à la crème (12 %) et le gâteau (15 %). La migration de l'humidité au cours de la durée de conservation avait précédemment causé des problèmes de texture tels que des gâteaux rassis, un glaçage caoutchouteux et des saignements de crème liquéfiée dans le gâteau.

Voir comment l'humidité se déplace entre les composants

Les isothermes de sorption de l'humidité pour chaque ingrédient ont montré que le glaçage - l'ingrédient le plus sec - avait l'activité de l'eau la plus élevée (0,79). Les activités de l'eau de la crème et du gâteau étaient similaires (respectivement 0,66 et 0,61).

Prévoir l'activité de l'eau du produit final

La transformation des isothermes en diagrammes de chi a permis de prédire que l'activité de l'eau du produit final était de 0,67, une valeur microbiologiquement sûre pour le gâteau.

Éviter les mauvaises surprises

Le pâtissier a ensuite réussi à cuire et à goûter le gâteau à l'équilibre de l'activité de l'eau (0,67).

Sélectionner l'emballage

Les mélanges de boissons en poudre en portion individuelle constituent un segment de marché en pleine croissance. L'emballage représente plus de 50 % du coût des matières premières pour ce produit. L'objectif principal de l'emballage est de maintenir le mélange de boissons en dessous du_seuil critique pendant toute la durée de conservation du produit.

Les calculs d'emballage commencent par une valeur critique d'activité de l'eau. La possibilité d'obtenir un point précis à partir des isothermes dynamiques du point de rosée (DDI) rend ce type de calcul d'emballage possible.

Cette courbe montre le point de transition vitreuse pour une formulation de boisson particulière :

L'activité critique de l'eau - le point d'inflexion exact - pour ce mélange de boissons est de 0,618 à 25° C.

Calculer la conductance de l'emballage

En utilisant des calculs d'emballage simplifiés (disponibles dans Fundamentals of Isotherms et sous forme d'outil logiciel), nous avons évalué quatre types d'emballages différents pour ce mélange de boissons - son emballage d'origine et trois alternatives possibles. Dans des conditions d'abus d'humidité (25° C, 75% d'humidité), voici les résultats :

Comprendre les changements de formulation

Une entreprise d'aliments pour animaux de compagnie a modifié sa formulation pour produire un produit sans conservateur contrôlé par l'activité de l'eau. Peu de temps après l'introduction du produit, elle a commencé à constater des retours pour cause de détérioration.

L'évaluation initiale a montré que les prévisions d'altération étaient basées sur des tests d'activité de l'eau effectués à une température exceptionnellement basse - 15º C. Les isothermes réalisés à 15° C, 25° C et 40° C ont montré que si le produit était stocké dans des conditions abusives (comme c'est souvent le cas pour les aliments pour animaux de compagnie), il était probable qu'il s'abîme.

Les isothermes ont offert une image prédictive complète, permettant au client de résoudre le problème avec une nouvelle formulation.

Enquêter sur la défaillance d'un produit

Après 13 saisons sans problème, un producteur de noix de pécan a vu sa récolte rejetée en raison de problèmes de moisissure. Un isotherme a été créé pour étudier le problème.

Afin d'éviter la croissance microbienne, les noix de pécan doivent être séchées à 0,60_aw. Comme le montre l'isotherme, 0,60_{aw correspond à} 4,8 % de mc dans les noix de pécan. L'isotherme des noix de pécan est également assez plat dans cette région de contrôle critique, de sorte qu'une petite variation de la teneur en humidité se traduit par un changement important et potentiellement dangereux de l'activité de l'eau.

L'isotherme montre que les spécifications ont été fixées à un niveau trop bas

L'isotherme complet montre que le processus du producteur de noix de pécan n'était pas adéquat pour garantir la sécurité et la qualité de sa récolte. Le producteur de noix de pécan a mesuré la teneur en eau par la perte au séchage. Étant donné que sa spécification de rejet était de 5 % et que sa précision était de ± 0,5 %, la teneur en eau réelle de la récolte séchée aurait pu être comprise entre 4,5 % et 5,5 %.

Des conditions de stockage très humides ou un emballage inadéquat ont pu amener les noix de pécan à des activités hydriques dangereuses et entraîner leur détérioration.

Études utilisant les isothermes dynamiques du point de rosée (DDI)

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Annexe :

Activité de l'eau par rapport à la teneur en eau

L'activité de l'eau est souvent considérée comme une mesure plus complexe que la teneur en eau. Mais il n'est pas aussi simple qu'il y paraît de réaliser des mesures précises et reproductibles de la teneur en eau.

En théorie, la mesure de la teneur en eau est facile. Il suffit de déterminer la quantité d'eau contenue dans un produit et de la comparer au poids de tous les autres éléments du produit. En réalité, il est difficile et complexe d'obtenir un pourcentage exact d'eau dans un produit. Voici pourquoi.

Les différentes méthodes d'établissement de rapports sont source de confusion

La teneur en eau est indiquée soit sur une base humide, soit sur une base sèche. Pour la base humide, la quantité d'eau est divisée par le poids total de l'échantillon (solides plus humidité). Pour la base sèche, la quantité d'eau est divisée par le poids sec (solides uniquement). Malheureusement, la teneur en eau n'est souvent indiquée qu'en pourcentage, sans que l'on sache quelle méthode a été utilisée. Bien qu'il soit facile de faire la conversion entre la base humide et la base sèche, la confusion et les problèmes potentiels surviennent lorsque des comparaisons sont faites entre des teneurs en eau rapportées sur une base différente. En outre, la teneur en eau indiquée sur une base sèche peut en fait donner une valeur en pourcentage supérieure à 100 %, ce qui accroît la confusion.

La diversité des méthodes de mesure rend les comparaisons impossibles

L'AOAC répertorie 35 méthodes différentes pour mesurer la teneur en eau. Celles-ci sont classées en méthodes de mesure directes ou indirectes. Les méthodes directes consistent à éliminer l'eau du produit (par séchage, distillation, extraction, etc.), puis à mesurer la quantité d'eau par pesée ou titrage. Les méthodes directes fournissent les résultats les plus fiables, mais elles nécessitent généralement beaucoup de travail et de temps. Parmi les exemples, citons le séchage en étuve à l'air, le séchage en étuve sous vide, la lyophilisation, la distillation, l'analyse Karl Fischer, l'analyse thermogravimétrique, la dessiccation chimique et la chromatographie en phase gazeuse.

Les méthodes indirectes n'éliminent pas l'eau de l'échantillon. Elles consistent plutôt à mesurer une propriété de l'aliment qui change en fonction de la teneur en eau. Ces méthodes nécessitent un étalonnage par rapport à une méthode primaire ou directe. Leur précision est limitée par la précision de la méthode primaire. Les méthodes indirectes sont généralement rapides et nécessitent peu de préparation de l'échantillon, mais elles sont moins fiables que les méthodes de mesure directe. La réfractométrie, l'absorption IR, l'absorption NIR, l'adsorption par micro-ondes, la capacité diélectrique, la conductivité et l'absorption ultrasonique sont des exemples de méthodes de mesure indirectes.

Le processus de mesure de la teneur en eau est d'autant plus complexe qu'une méthode de mesure ne donne pas nécessairement les mêmes résultats qu'une autre, et que la méthode de mesure n'est généralement pas indiquée avec la valeur de la teneur en eau.

Même les méthodes de mesure directe ne fournissent pas de résultats cohérents. Toute méthode nécessitant de chauffer l'échantillon (c'est-à-dire le séchage par perte) peut entraîner la perte de substances volatiles organiques ou la décomposition de l'échantillon (en particulier pour les échantillons contenant des niveaux élevés de sucre). Par exemple, si des substances organiques volatiles sont présentes dans un échantillon ou si l'échantillon se décompose pendant le séchage, une analyse Karl Fischer, qui n'est pas sujette à la perte de substances volatiles ou à la décomposition, donnera des résultats différents de ceux d'une analyse par séchage avec perte.

La variabilité est difficile à éviter

Une réponse à ces problèmes consiste à utiliser une méthode cohérente et à ne comparer que les valeurs obtenues de la même manière. Malheureusement, l'uniformité de la méthode de mesure pour l'analyse de la teneur en eau n'élimine pas tous les problèmes. Prenons l'exemple de la dessiccation par perte. Cette méthode semble assez simple. Un échantillon est pesé et le poids est enregistré. L'échantillon est ensuite transféré dans un four, on le laisse sécher et on mesure le poids sec. La quantité d'eau est déterminée en soustrayant le poids sec du poids initial et la teneur en eau est alors calculée comme la quantité d'eau divisée par le poids sec ou le poids total, en fonction de la méthode utilisée.

Même cette simple méthode de perte au séchage est truffée de pièges de variabilité potentiels. Le plus fondamental est que le terme "sec" n'a pas de véritable signification scientifique et n'a jamais été bien défini. Au lieu de cela, une siccité arbitraire et reproductible doit être établie pour chaque échantillon. La "siccité" est souvent définie comme le point où la perte de poids prend fin. Cependant, les graphiques thermogravimétriques montrent que la perte de poids s'arrête à des températures différentes pour des produits différents. En outre, la durée nécessaire pour atteindre la "siccité" varie en fonction du produit, et une température qui produit la "siccité" dans un produit peut entraîner la décomposition dans un autre. Cela signifie que chaque échantillon a une température idéale et un temps de séchage uniques. Cette combinaison idéale de temps et de température est disponible dans la littérature pour certains produits, mais il y en a beaucoup pour lesquels elle n'est pas disponible. Il est difficile de savoir quelle combinaison utiliser pour des produits non testés. Si la même combinaison durée/température n'est pas utilisée, les teneurs en humidité obtenues ne doivent pas être comparées.

Une autre complication réside dans le fait que de nombreux fours réglés à la même température peuvent s'en écarter de 15 °C au fil du temps, et que deux fours réglés à la même température peuvent s'en écarter de 40 °C.

D'autres sources de variation pour la seule méthode de séchage avec perte comprennent : la pression de vapeur du four, les méthodes de préparation de l'échantillon, la taille des particules de l'échantillon, la pesée de l'échantillon et le traitement post-séchage. Il est intéressant de noter qu'en dépit des pièges potentiels, lorsqu'un taux d'humidité par séchage avec perte est indiqué dans la littérature, il est immédiatement considéré comme correct. En outre, lorsque des comparaisons sont effectuées entre des méthodes de détermination de la teneur en eau et que l'une de ces méthodes est la dessiccation avec perte, on suppose toujours que la mesure de la dessiccation avec perte est correcte.

Qu'est-ce que la "sécheresse" ?

La définition du terme "sec" permettrait d'éliminer certaines incohérences liées à la mesure de l'humidité. La meilleure façon de définir le terme "sec" serait d'identifier une activité de l'eau sèche à l'étuve. Le poids sec serait alors le poids de l'échantillon lorsqu'il a atteint cette activité de l'eau à l'étuve. Dans des conditions ambiantes courantes de 25 °C et de 30 % d'humidité relative, une étuve réglée à 95 °C produirait une activité de l'eau séchée à l'étuve de 0,01_aw à l'intérieur de l'étuve, en supposant que la pression de la vapeur dans l'étuve est la même que celle de l'air. Une étuve qui maintient des conditions dans lesquelles l'activité de l'eau dans l'étuve est toujours de 0,01_aw, quelles que soient les conditions ambiantes, créerait une condition "sèche" d'un point de vue scientifique. Dans ce type d'étuve, un produit peut être déclaré sec lorsque son poids ne varie plus. Son activité de l'eau serait de 0,01_aw et son poids serait le poids sec. La pression de vapeur et la température de l'étuve peuvent être ajustées pour empêcher la libération de substances volatiles, tant que l'activité de l'eau dans l'étuve est maintenue à 0,01_aw. L'utilisation de cette méthode permettrait d'éliminer les incohérences résultant de la multiplicité des méthodes de mesure et d'une définition peu claire de la notion de "sec".

Une analyse plus précise de l'humidité

La teneur en eau fournit des informations précieuses sur le rendement et la quantité, ce qui la rend importante d'un point de vue financier. Elle fournit également des informations sur la texture, puisque l'augmentation du taux d'humidité favorise la mobilité et abaisse la température de transition vitreuse. Mais il peut être difficile d'obtenir des valeurs de teneur en eau correctes et cohérentes, et une mesure de teneur en eau ne peut être prise pour argent comptant sans informations sur les méthodes utilisées pour la produire. D'autres problèmes se posent lorsque la quantité d'eau dans un produit est utilisée pour raconter une histoire qu'elle ne raconte pas vraiment, concernant la consistance, la qualité ou la sécurité microbienne du produit. Dans ces cas et dans d'autres, l'activité de l'eau est la mesure la plus précise. Pour une analyse complète de l'humidité, les développeurs de produits alimentaires et pharmaceutiques doivent mesurer à la fois la teneur en eau et l'activité de l'eau. En outre, les isothermes de sorption de l'humidité peuvent être utilisés pour déterminer où la durée de conservation, la texture, la sécurité et la qualité optimales peuvent être atteintes et maintenues.

Une définition scientifique de l'activité de l'eau 

L'activité de l'eau est dérivée des principes fondamentaux de la thermodynamique et de la chimie physique. En tant que principe thermodynamique, la définition de l'activité de l'eau doit répondre à certaines exigences. Ces conditions sont les suivantes : l'eau pure (_aw = 1,0) est l'état standard, le système est en équilibre et la température est définie.

Dans l'état d'équilibre

μ = _μo +RT ln (_f/fo)

où : μ (J ^mol-1) est le potentiel chimique du système, c'est-à-dire l'activité thermodynamique ou l'énergie par mole de substance ; _μo est le potentiel chimique de la matière pure à la température T (°K) ; R est la constante des gaz (8,314 J ^{mol-1 K-1}) ; f est la fugacité ou la tendance à l'échappement d'une substance ; et_fo est la tendance à l'échappement de la matière pure (van den Berg et Bruin, 1981). L'activité d'une espèce est définie comme a = _f/fo. Dans le cas de l'eau, la substance est désignée par un indice

_aw = _f/fo

_aw est l'activité de l'eau, ou la tendance à l'échappement de l'eau dans le système divisée par la tendance à l'échappement de l'eau pure sans rayon de courbure. Pour des raisons pratiques, dans la plupart des conditions dans lesquelles se trouvent les aliments, la fugacité est très proche de la pression de vapeur(f ≈ p), de sorte que

_aw = _f/fo ≅ _p/po

L'équilibre est obtenu dans un système lorsque μ est le même partout dans le système. L'équilibre entre les phases liquide et vapeur implique que μ est le même dans les deux phases. C'est ce fait qui permet de mesurer la phase vapeur pour déterminer l'activité de l'eau de l'échantillon.

L'activité de l'eau est définie comme le rapport entre la pression de vapeur de l'eau dans un matériau(p) et la pression de vapeur de l'eau pure(_po) à la même température. L'humidité relative de l'air est définie comme le rapport entre la pression de vapeur de l'air et sa pression de vapeur saturante. Lorsque l'équilibre entre la vapeur et la température est atteint, l'activité de l'eau de l'échantillon est égale à l'humidité relative de l'air entourant l'échantillon dans une chambre de mesure scellée. La multiplication de l'activité de l'eau par 100 donne l'humidité relative d'équilibre(ERH) en pourcentage.

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

L'activité de l'eau est une mesure de l'état énergétique de l'eau dans un système. Plusieurs facteurs contrôlent l'activité de l'eau dans un système :

1. Les effets colligatifs des espèces dissoutes (par exemple, le sel ou le sucre) interagissent avec l'eau par le biais de liaisons dipôle-dipôle, ioniques et hydrogène.
2. Effet capillaire : la pression de vapeur de l'eau au-dessus d'un ménisque liquide incurvé est inférieure à celle de l'eau pure en raison de changements dans la liaison hydrogène entre les molécules d'eau.
3. Les interactions de surface, dans lesquelles l'eau interagit directement avec les groupes chimiques des ingrédients non dissous (par exemple, les amidons et les protéines) par le biais de forces dipôle-dipôle, de liaisons ioniques (^H3O+ ou OH-⁾, de forces de van der Waals (liaisons hydrophobes) et de liaisons hydrogène.

C'est la combinaison de ces trois facteurs dans un produit alimentaire qui réduit l'énergie de l'eau et donc l'humidité relative par rapport à l'eau pure. Ces facteurs peuvent être regroupés en deux grandes catégories : les effets osmotiques et les effets matriciels.

En raison de divers degrés d'interactions osmotiques et matricielles, l'activité de l'eau décrit le continuum d'états énergétiques de l'eau dans un système. L'eau semble "liée" par des forces à des degrés divers. Il s'agit d'un continuum d'états énergétiques plutôt que d'une "liaison" statique. L'activité de l'eau est parfois définie comme de l'eau "libre", "liée" ou "disponible" dans un système. Bien que ces termes soient plus faciles à conceptualiser, ils ne définissent pas correctement tous les aspects du concept d'activité de l'eau.

L'activité de l'eau dépend de la température. La température modifie l'activité de l'eau en raison de changements dans la liaison à l'eau, la dissociation de l'eau, la solubilité des solutés dans l'eau ou l'état de la matrice. Bien que la solubilité des solutés puisse être un facteur de contrôle, le contrôle provient généralement de l'état de la matrice. Étant donné que l'état de la matrice (vitreuse ou caoutchouteuse) dépend de la température, il ne faut pas s'étonner que la température affecte l'activité de l'eau de l'aliment. L'effet de la température sur l'activité de l'eau d'un aliment est spécifique au produit. Certains produits augmentent l'activité de l'_eau avec l'augmentation de la température, d'autres la diminuent avec l'augmentation de la température, tandis que la plupart des aliments à forte teneur en eau ont un changement négligeable avec la température. Il n'est donc pas possible de prédire le sens du changement de l'activité de l'eau avec la température, car il dépend de la manière dont la température affecte les facteurs qui contrôlent l'activité de l'eau dans l'aliment.

En tant que mesure de l'énergie potentielle, c'est une force motrice pour le mouvement de l'eau des régions à forte activité hydrique vers les régions à faible activité hydrique. Parmi les exemples de cette propriété dynamique de l'activité de l'eau, on peut citer : la migration de l'humidité dans les aliments à domaines multiples (par exemple, le sandwich cracker-fromage), le mouvement de l'eau du sol vers les feuilles des plantes et la pression de turgescence des cellules. Les cellules microbiennes étant constituées de fortes concentrations de solutés entourées de membranes semi-perméables, l'effet osmotique sur l'énergie libre de l'eau est important pour déterminer les relations hydriques microbiennes et, par conséquent, leur taux de croissance.

Une mesure puissante pour l'AQ/CQ et la formulation

L'activité de l'eau est une mesure thermodynamique de l'énergie de l'eau dans un produit. Pourquoi votre entreprise devrait-elle apprendre à mesurer l'activité de l'eau ? L'activité de l'eau est directement liée à la sensibilité microbienne des produits alimentaires. Elle est également directement liée à de nombreuses réactions qui mettent fin à la durée de conservation des aliments. Parce qu'elle est mesurée sur une échelle avec une norme connue, elle est particulièrement bien adaptée pour être une spécification de sécurité et de qualité.