Définition de l'activité de l'eau

L'activité de l'eau (_aw) 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. L'effet capillaire, où 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 n'est pas surprenant 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 façon 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. Les exemples de cette propriété dynamique de l'activité de l'eau sont : 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.

Maîtriser les bases

Ce webinaire de 20 minutes condense l'essentiel de l'activité de l'eau. Vous apprendrez :

Ce qu'est l'activité de l'eau
-En quoi elle diffère de la teneur en eau
-Pourquoi elle contrôle la croissance microbienne
-Comment la compréhension de l'activité de l'eau peut vous aider à contrôler l'humidité dans votre produit.