Activité aquatique 101 : Maîtriser les bases

Comprendre le pouvoir de l'activité de l'eau

L'activité de l'eau n'est pas un concept intuitif pour la plupart des gens. Mais une fois que vous l'avez compris, vous pouvez contrôler l'humidité dans les aliments. Empêcher la croissance microbienne n'est qu'un début.

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.

Présentateur

Mary Galloway est scientifique principale au laboratoire de recherche et développement d'AQUALAB depuis huit ans. Elle est spécialisée dans l'utilisation et l'essai d'instruments qui mesurent l'activité de l'eau et son influence sur les propriétés physiques. Elle a travaillé avec de nombreux clients pour résoudre leurs problèmes de produits liés à l'humidité et a souvent l'occasion de répondre à la question "Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?".

Activité eau 101

Comment les fabricants de produits alimentaires peuvent-ils conserver la texture d'un raisin tendre et d'un flocon de marque croustillant, éviter l'agglomération et la formation de grumeaux ou déterminer si un produit est susceptible d'être altéré ? Toutes ces questions sont contrôlées par l'activité de l'eau. Si vous comprenez comment fonctionne l'activité de l'eau, vous pouvez développer des produits qui sont désirables et prévoir et prévenir les problèmes de stockage potentiels.

Définition de l'activité de l'eau

Principes de la thermodynamique:

• L'énergie est une force motrice qui permet aux processus de se dérouler
• Plus d'énergie signifie plus de processus ou de travail (mécanique, thermique, chimique).
• Un état à haute énergie veut se convertir en un état à plus basse énergie pour devenir plus stable.

L'activité de l'eau (_aw) est la mesure de l'état énergétique de l'eau dans un système. Il s'agit d'un principe de la thermodynamique qui suit les mêmes règles. Une activité de l'eau plus élevée signifie qu'il y a plus d'énergie et que l'eau peut faire plus de travail, comme la croissance microbienne, la migration de l'humidité ou les réactions chimiques et physiques. Les différences d'activité de l'eau déterminent la manière dont l'humidité se déplace (en termes d'énergie et non de concentration). L'eau dont l'activité est plus élevée a plus d'énergie que l'eau dont l'activité est plus faible. Comment l'eau réduira-t-elle son statut énergétique pour devenir plus stable ? Elle migre vers une activité de l'eau plus faible.

Dans les systèmes énergétiques, nous pouvons adapter l'équation de l'énergie libre de Gibbs (équation 1) pour déterminer l'activité de l'eau dans un système à une température donnée. L'énergie de l'eau dans un système est égale à l'énergie de l'eau pure (𝜇o) plus la constante des gaz(R) multipliée par la constante de température(T) et le logarithme naturel de la fugacité. Notez que la seule variable qui dépend de cette équation pour déterminer l'énergie de l'eau est la fugacité.

Qu'est-ce que la fugacité ?

La fugacité (_f/f0) est la tendance à l'échappement d'une matière ou la quantité de vapeur qui peut s'échapper d'un échantillon.  

• _f/f0 = _p/p0
• _p/p0 = Pression de vapeur de l'eau au-dessus de l'échantillon à 𝓧 °C / Pression de vapeur de l'eau pure à 𝓧 °C
• _p/p0 =_aw

La fugacité est mesurée par les pressions partielles, ou la pression de vapeur de l'eau au-dessus d'un échantillon à une température spécifique, divisée par la pression de vapeur de l'eau pure à la même température. La pression de vapeur relative (parfois appelée pression de vapeur partielle) correspond exactement à l'activité de l'eau. Par conséquent, si nous déterminons la pression partielle de vapeur d'un échantillon, nous pouvons calculer l'activité de l'eau.

La figure 1 illustre ce qu'est la pression de vapeur. Un échantillon d'aliment est placé dans un récipient à gauche. Des molécules d'eau s'échappent de l'échantillon dans l'espace de tête. Ces molécules produisent une pression spécifique à l'intérieur du récipient fermé. Cette pression est comparée à la pression produite par de l'eau pure, comme le montre le récipient de droite. L'activité de l'eau étant un rapport entre deux pressions, elle est sans unité et mesurée sur une échelle de 0 (pas d'énergie) à 1 (la même énergie que l'eau pure).

Il est important de souligner qu'il faut laisser la pression s'équilibrer et que la température et la pression doivent être constantes. L'activité de l'eau à 25 ℃ sera différente de l'activité de l'eau à 35 ℃. En général, elle sera plus élevée. Par conséquent, si vous effectuez une mesure à 25 ℃ un jour et que vous la faites le lendemain à une température différente, il ne s'agira pas de la même activité de l'eau, car l'activité de l'eau dépend de la constance de la température.

Définition du taux d'humidité

Méthode primaire : séchage par perte (équation 2)

Méthode primaire : Titrage (équation 3)

Contrairement à l'activité de l'eau, qui est un état énergétique, la teneur en eau est une mesure qualitative, ou une quantité d'eau. Ce n'est pas une force motrice. Elle influe sur la texture, mais n'est pas une force motrice pour les réactions ou les changements dans un produit. Deux méthodes principales sont utilisées pour la mesurer.

Séchage avec perte: La dessiccation avec perte prend le poids humide d'un échantillon, soustrait le poids sec et divisé par le poids sec pour la base sèche, ou le poids humide pour la base humide, puis multiplie le total par 100 pour obtenir un pourcentage. Il est important de savoir quelle base est utilisée, car chacune donne une réponse différente. En effet, vous divisez par des poids différents. Malheureusement, la base n'est pas souvent indiquée dans le séchage avec perte. Elle est généralement indiquée en pourcentage de la teneur en eau. Chez METER, nous utilisons la base humide car la base sèche peut donner un taux d'humidité négatif, ce qui n'est pas réel. Un autre problème lié à la dessiccation avec perte est que des substances autres que l'eau, telles que les alcools et autres substances volatiles, peuvent s'évaporer, ce qui augmente le taux d'humidité.

Titrage: (également connu sous le nom de Karl Fischer) Il s'agit d'une réaction chimique utilisant de l'eau, de l'iode et certains solvants. La réaction se poursuit jusqu'à ce que toute l'eau soit utilisée, ce qui modifie la conductivité électrique de la solution. La conductivité est mesurée et utilisée pour calculer le pourcentage d'humidité. Cette méthode présente des problèmes potentiels, notamment parce que toute l'eau doit être solubilisée et disponible pour réagir, ce qui peut s'avérer difficile si le produit n'est pas liquide. Il faut savoir quel solvant utiliser pour y parvenir, et il n'existe pas de solvant unique. Il existe un solvant principal qui fonctionne avec de nombreux types d'échantillons, mais il n'est pas efficace pour tous les échantillons. En outre, les solvants peuvent provoquer des réactions secondaires susceptibles d'affecter la mesure.

L'un des problèmes liés à la mesure de la teneur en eau est qu'il n'existe pas de norme. Il n'y a rien qui ait un taux d'humidité intrinsèque de X auquel nous puissions nous comparer. Nous pouvons obtenir une réponse pour le pourcentage d'humidité, mais nous ne savons pas si elle est exacte.

Démonstration d'une activité aquatique

Si l'on compare la teneur en eau d'un biscuit à celle du miel, on s'attend à ce que la teneur en eau du miel soit plus élevée. C'est vrai : la teneur en eau du miel est de 18 % et celle du biscuit de 5 %. Mais ces deux produits ont la même activité de l'eau (0,_60aw), ce qui signifie que si vous immergez le biscuit dans le miel pendant une semaine, le biscuit ne deviendra pas mou. Pourquoi ? Parce que c'est l'activité de l'eau, et non la teneur en eau, qui est la force motrice des réactions (dans ce cas, la migration de l'humidité). Rien ne se produirait parce que les énergies (ou activités de l'eau) sont les mêmes.

Applications pour l'activité de l'eau et la teneur en eau

Il existe des applications pour l'activité de l'eau et la teneur en eau (tableau 2). L'activité de l'eau est un moyen plus précis de prévoir et de prévenir les problèmes de conservation, mais il faut noter que la teneur en eau affecte la texture. Vous pouvez utiliser la teneur en eau pour améliorer la texture, en fonction du type de produit que vous souhaitez obtenir. Elle peut également être utilisée pour déterminer la concentration des ingrédients ou le contenu nutritionnel, ce qui est important pour les exigences en matière d'étiquetage. Enfin, si la teneur en eau de votre produit est limitée, par exemple à 10 % pour les aliments pour animaux, vous devez déterminer la teneur en eau pour savoir si le produit est conforme.

Isothermes de sorption de l'humidité

Chaque produit a sa propre relation entre l'activité de l'eau et la teneur en eau. La figure 2 montre la relation entre l'activité de l'eau et la teneur en eau dans les produits que nous avons testés. Ils sont tous complètement différents et chaque graphique a une forme différente.

La relation entre l'activité de l'eau et la teneur en humidité est appelée isotherme de sorption de l'humidité et peut être utilisée pour déterminer l'activité critique de l'eau. C'est à ce moment-là que les propriétés de sorption de l'humidité changent physiquement et peuvent absorber plus d'humidité. L'activité critique de l'eau est déterminée par un changement de la pente de la courbe. À l'activité de l'eau où la pente change, le produit change de texture ou subit d'autres types de réactions.

Vous pouvez déterminer l'effet de la formulation en comparant différentes isothermes d'une formulation à l'autre. Par exemple, vous pouvez modéliser le mélange d'ingrédients secs pour prédire l'activité de l'eau lorsque vous mélangez deux nouveaux ingrédients. Vous pouvez également déterminer l'effet de l'abus de température ; si un produit est expédié et stocké dans un camion ou un entrepôt chaud, qu'arrivera-t-il au produit lorsqu'il arrivera chez le détaillant ? Vous pouvez réaliser des isothermes à différentes températures et prédire l'effet. Les isothermes sont également essentiels pour prévoir la durée de conservation.

Croissance microbienne

Les micro-organismes ont besoin d'eau pour se développer, et ils obtiennent de l'eau de leur environnement. Lorsqu'un organisme est entouré d'une activité de l'eau inférieure à celle de son intérieur, il subit un stress osmotique. Dans la figure 3, l'activité de l'eau à l'intérieur d'une cellule est de 0,95_aw. À l'extérieur de la cellule, l'activité de l'eau est de 0,90_aw. Étant donné qu'une activité de l'eau élevée veut devenir une activité de l'eau faible, l'eau à l'intérieur de la cellule se déplace vers l'extérieur et, ce faisant, la cellule perd de sa pression de turgescence. La cellule tentera de s'adapter en modifiant son processus métabolique afin de réduire son activité hydrique interne. Si elle peut s'adapter à l'environnement, elle disposera de suffisamment d'eau ou d'énergie pour croître et se reproduire.

Mais que se passe-t-il si elle ne peut pas correspondre à l'environnement ? Une autre cellule de la figure 3 a une activité de l'eau de 0,93 mais ne correspond pas à l'environnement de 0,90. Dans ce cas, la cellule ne dispose pas de suffisamment d'énergie pour croître et se reproduire, et elle entre en dormance.

La capacité d'un microbe à s'adapter et à réduire son activité hydrique détermine sa limite d'activité hydrique. Dans les années 1950, le Dr William James Scott a montré que les micro-organismes ont un niveau d'activité de l'eau en dessous duquel ils ne se développent pas (tableau 3). Pour chaque micro-organisme, il existe une activité de l'eau spécifique qui inhibe sa croissance, et il ne peut pas se développer dans un environnement inférieur à cette limite.

Le tableau 3 montre que la salmonelle a une limite d'activité de l'eau de 0,95. Cela signifie que si un produit a une activité de l'eau de 0,95 et que les conditions sont idéales en termes de pH, de température, de nutriments et qu'il n'y a pas d'espèces concurrentes, les salmonelles ne peuvent pas se développer. Si l'une de ces conditions change ou n'est pas idéale pour la croissance microbienne, l'activité limite de l'eau peut être augmentée. Les bactéries peuvent se développer à une activité de l'eau supérieure à cette limite, mais elles ne peuvent jamais se développer à une activité de l'eau inférieure. Peu importe la matrice dans laquelle se trouvent les bactéries, qu'il s'agisse d'un biscuit, d'une poudre ou d'un aliment pour animaux de compagnie, si ces bactéries sont présentes, elles ne se développeront pas en dessous de cette limite.

Il convient de noter que l'activité de l'eau n'est pas une étape de destruction ou d'élimination des bactéries. Il s'agit d'une étape de contrôle qui empêche la croissance des micro-organismes, ce qui signifie que le produit est sûr mais pas stérile. Les bactéries sont toujours présentes. Si ces aliments étaient en présence d'une activité de l'eau supérieure à leur limite, elles pourraient se développer. C'est un problème potentiel, mais si vous formulez le produit de manière à ce que l'activité de l'eau soit suffisamment faible, il n'y aura pas de problème.

Le tableau 3 montre également que les bactéries staphylocoques aérobies ont une activité de l'eau minimale de 0,86. Cela signifie que tout ce qui dépasse 0,86_{aw est} considéré comme un aliment potentiellement dangereux. Si ces bactéries commencent à se développer, elles rendent les gens malades, c'est pourquoi les aliments dépassant cette activité de l'eau sont considérés comme potentiellement dangereux. Tout ce qui est inférieur à 0,85_aw est une limite où cela ne peut pas se produire.

Le tableau 4 est un graphique montrant l'ensemble de la plage d'activité de l'eau pour divers organismes, y compris les moisissures et les levures. Il montre également les aliments typiques que l'on trouve dans chaque plage d'activité de l'eau. Les aliments potentiellement dangereux se situent au-dessus de 0,85. Les moisissures ont des limites d'activité de l'eau plus basses, mais les moisissures généralement impliquées dans la détérioration se situent à 0,7 ou plus. Aucun microbe ne se développe en dessous de 0,6. Vous pouvez utiliser ces informations pour fabriquer des produits qui ne sont pas potentiellement dangereux ou sensibles aux moisissures de détérioration.

L'activité de l'eau en action

Prévenir les moisissures

Un producteur a séché ses noix de pécan à un taux d'humidité de 4 %. Il n'était pas sûr que 4 % soit un taux d'humidité suffisant pour empêcher la croissance microbienne, mais il n'avait jamais eu de problèmes avec cette spécification. S'il examinait une isotherme de sorption de l'humidité pour déterminer la relation entre l'activité de l'eau et la teneur en eau, il verrait qu'une activité de l'eau de 0,68 dans ses noix de pécan correspond à une teneur en eau de 4 %. La valeur de 0,68 est inférieure à la limite microbienne pour la croissance des moisissures. Par conséquent, si l'activité de l'eau reste à 0,68, un taux d'humidité de 4 % est suffisant pour empêcher la formation de moisissures.

Mais le produit du producteur a moisi. Pourquoi ?

Sa mesure du taux d'humidité n'était précise qu'à un demi pour cent près. Lorsque les noix de pécan mesuraient 4 %, elles étaient en réalité plus proches de 4,5 %, ce qui signifiait que l'activité de l'eau dépassait la limite de sécurité pour la moisissure. Le taux d'humidité n'était pas un critère de qualité adéquat, car les noix de pécan pouvaient se situer entre 3,5 et 4,5 %, sans que le producteur ne le sache.

Si le taux d'humidité du producteur de noix de pécan fluctue entre 3,5 et 4,5 %, non seulement les noix de pécan sont susceptibles de moisir, mais le producteur risque de faire moins de bénéfices. Un taux d'humidité inférieur signifie que les noix sont de moindre qualité (plus dures) et que chaque sac contient plus de noix (suremballage). Toutefois, s'il avait utilisé une mesure plus précise de l'activité de l'eau, il aurait pu éviter ces deux problèmes. Il aurait pu maintenir le taux d'humidité à exactement 4 % en utilisant une valeur d'activité de l'eau de 0,68.

Prévoir le mottage et l'agglutination

Un fabricant de soupes sèches a traité un mélange dont le taux d'humidité était de 3 %. Il a reçu un nouveau poivre à ajouter au mélange, dont le taux d'humidité était également de 3 %. Cependant, lorsqu'il a mélangé les deux ingrédients, le lot entier s'est aggloméré. Que s'est-il passé ? Bien que les teneurs en eau soient identiques, les activités de l'eau sont différentes.

Le mélange de soupe était de 0,28_aw, et l'activité de l'eau du poivron était de 0,69_aw, ce qui était supérieur à l'activité de l'eau critique de la soupe. Une activité de l'eau plus élevée se rapproche toujours d'une activité de l'eau plus faible, de sorte que l'humidité a migré du poivron vers la soupe et a provoqué la formation de grumeaux dans le mélange. Si le fabricant avait mesuré l'activité de l'eau avant de l'ajouter à la soupe, il aurait pu prévoir le mottage et l'agglutination car il savait que 0,69_aw était supérieur à la limite critique pour la soupe. En suivant l'activité de l'eau des ingrédients entrants, le fabricant pourrait contrôler la qualité de ses fournisseurs et fixer une norme d'acceptation qui serait inférieure à l'activité critique de l'eau. Il peut utiliser ces informations pour assurer la cohérence de ses ingrédients entrants.

Formuler pour réussir

L'activité de l'eau est également essentielle pour la formulation des produits. Si vous fabriquez un petit gâteau et que vous générez des isothermes pour le glaçage, le fourrage à la crème et le gâteau, vous constaterez que chaque ingrédient a une relation différente entre l'activité de l'eau et la teneur en eau. Chaque courbe a une forme différente (figure 4).

À une activité de l'eau légèrement inférieure à 0,7 (ligne verticale), les ingrédients ont tous des teneurs en eau différentes. Le glaçage est à 5 %, le fourrage à la crème à près de 15 % et le gâteau à 20 %. Chaque taux d'humidité donne une texture différente lorsqu'un client mord dans le gâteau. Vous pouvez formuler chaque ingrédient en fonction de cette activité de l'eau exacte, et chaque composant conservera sa teneur en eau et sa texture. Comme l'activité de l'eau de chaque composant est la même, l'humidité ne migre pas d'un composant à l'autre.

Réduire les suremballages et augmenter les bénéfices

Un fabricant d'aliments pour animaux de compagnie produit à un taux d'humidité de 6,5 % parce qu'il n'a jamais eu de problèmes de détérioration avec cette spécification. Il a créé un isotherme et a constaté qu'à un taux d'humidité de 6,5 %, son produit avait une activité de l'eau de 0,4, ce qui était bien en deçà des limites microbiennes. Mais sa spécification d'humidité était-elle trop basse ? Étant donné que la teneur en eau des aliments pour animaux de compagnie est limitée à 10 %, il pouvait sans risque augmenter la teneur en eau et l'activité de l'eau afin d'accroître sa marge bénéficiaire et d'améliorer la texture du produit.

Après avoir utilisé des données isothermiques pour identifier une limite critique d'activité de l'eau et effectué des calculs de durée de conservation, le fabricant d'aliments pour animaux de compagnie a fixé une nouvelle spécification d'activité de l'eau de 0,6, ce qui correspond à une teneur en humidité de 9,5 %. Ces deux valeurs se situaient dans les limites de sécurité et de réglementation. En augmentant l'activité de l'eau et la teneur en eau, il a réduit le coût des matières premières. Il a utilisé moins d'ingrédients pour produire la même quantité d'aliments pour animaux de compagnie, en remplaçant essentiellement ces ingrédients par de l'eau. Il a également réduit les coûts d'électricité et de chauffage en passant moins de temps dans les fours. Enfin, le produit était meilleur car la teneur en eau était plus élevée. En comprenant l'activité de l'eau, le fabricant a été en mesure d'augmenter régulièrement ses bénéfices sans compromettre la qualité ou la sécurité.

Augmentation de la stabilité chimique/biochimique

L'activité de l'eau peut influencer la vitesse de réaction de différents types de réactions chimiques qui se produisent dans les aliments et les produits pharmaceutiques.

La figure 5 est un graphique élaboré par le Dr Ted Labuza qui montre que la plupart des taux de réaction augmentent lorsque l'activité de l'eau est proche de 0,6. Le graphique montre où les bactéries, les levures et les moisissures se développent. Il montre également où l'activité enzymatique augmente. Les réactions de brunissement atteignent leur maximum autour de 0,6 et diminuent ensuite parce qu'il y a plus d'eau dans la matrice à ce moment-là et qu'elles se diluent. L'oxydation des lipides suit une tendance inhabituelle : elle est élevée lorsque l'activité de l'eau est faible et de nouveau élevée lorsque l'activité de l'eau est plus élevée. Il est intéressant de noter qu'elle est plus stable lorsque l'activité de l'eau se situe entre 0,3 et 0,4, ce qui est important pour certains produits comme les chips qui contiennent beaucoup de graisse et d'huile.

Pourquoi vous avez besoin d'une activité liée à l'eau

L'activité de l'eau est l'énergie de l'eau dans un système. Elle est qualitative et inhérente au produit lui-même. C'est une force motrice qui permet à des phénomènes tels que la croissance microbienne, la migration de l'humidité et les changements physiques et chimiques de se produire. La teneur en eau est simplement la quantité d'eau. Ce n'est pas une force motrice, elle ne vous dira donc pas ce que l'eau va faire, elle vous dira seulement combien il y en a.

L'activité de l'eau est la bonne spécification pour prévenir la croissance microbienne, maintenir la stabilité physique et chimique, formuler des produits et prédire la durée de conservation.

Références

Labuza, Ted P., K. Acott, S. R. TatiNl, R. Y. Lee, Jv Flink et W. McCall. "Water activity determination : a collaborative study of different methods". Journal of Food Science 41, no. 4 (1976) : 910-917.

Scott, W. J. "Water relations of food spoilage microorganisms". Dans Advances in food research, vol. 7, pp. 83-127. Academic Press, 1957.