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, cela vous permet de contrôler l'humidité dans les aliments. Empêcher la croissance microbienne n'est qu'un début.

Découvrez l'essentiel des activités aquatiques condensé dans ce webinaire de 20 minutes. Vous apprendrez :

• Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?
• En quoi cela diffère-t-il de la teneur en humidité ?
• Pourquoi il 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 en chef au laboratoire de recherche et développement d'AQUALAB depuis huit ans. Elle est spécialisée dans l'utilisation et le test 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 liés à l'humidité et a souvent l'occasion de répondre à la question « Qu'est-ce que l'activité de l'eau ? ».

Activité de l'eau 101

Comment les fabricants alimentaires parviennent-ils à conserver la texture tendre des raisins secs et le croustillant des flocons de céréales, à éviter l'agglomération et la formation de grumeaux, ou à déterminer si un produit est susceptible de se détériorer ? Toutes ces questions sont liées à l'activité de l'eau. Comprendre le fonctionnement de l'activité de l'eau permet de développer des produits attractifs, mais aussi de prévoir et d'éviter les problèmes potentiels liés au stockage.

Activité de l'eau définie

Principes de la thermodynamique:

• L'énergie est le moteur qui permet aux processus de se dérouler.
• Plus d'énergie signifie que plus de processus ou de travail (c'est-à-dire mécanique, thermique, chimique) peuvent être effectués.
• 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 thermodynamique qui suit les mêmes règles. Une activité de l'eau plus élevée signifie plus d'énergie et l'eau peut effectuer plus de travail, comme la croissance microbienne, la migration de l'humidité ou des réactions chimiques et physiques. Les différences d'activité de l'eau déterminent la façon dont l'humidité se déplace (en termes d'énergie, et non de concentration). L'eau ayant une activité hydrique plus élevée possède plus d'énergie que l'eau ayant une activité hydrique plus faible. Comment l'eau va-t-elle réduire son état énergétique pour devenir plus stable ? Elle va migrer vers une activité hydrique 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 dépendante dans 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 d'un matériau à s'échapper 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. Et la pression de vapeur relative (parfois appelée pression de vapeur partielle) correspond exactement à l'activité de l'eau. Ainsi, si nous déterminons la pression de vapeur partielle d'un échantillon, nous pouvons calculer l'activité de l'eau.

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

Il est important de souligner que la pression doit pouvoir s'équilibrer et que la température et la pression doivent être constantes. L'activité de l'eau à 25 °C sera différente de celle à 35 °C. En général, elle sera plus élevée. Ainsi, si vous effectuez une mesure à 25 °C un jour, puis à une température différente le lendemain, les résultats ne seront pas les mêmes, car l'activité de l'eau dépend d'une température constante.

Teneur en humidité définie

Méthode principale : perte au séchage (équation 2)

Méthode principale : Titrage (équation 3)

Contrairement à l'activité de l'eau, qui est un état énergétique, la teneur en humidité est une mesure qualitative, ou une quantité, d'eau. Ce n'est pas un facteur déterminant. Elle affecte la texture, mais n'est pas un facteur déterminant pour les réactions ou les changements dans un produit. Il existe deux méthodes principales pour la mesurer.

Perte au séchage: la perte au séchage consiste à prendre le poids humide d'un échantillon, à soustraire le poids sec, à diviser le résultat par le poids sec pour obtenir une base sèche ou par le poids humide pour obtenir une base humide, puis à multiplier ce total par 100 pour obtenir un pourcentage. Il est important de savoir quelle base est utilisée, car chacune donne un résultat différent. En effet, vous divisez par des poids différents. Malheureusement, la base n'est souvent pas indiquée dans la perte au séchage. Elle est généralement indiquée sous forme de pourcentage de teneur en humidité. Chez METER, nous utilisons la base humide, car la base sèche peut donner une teneur en humidité négative, ce qui n'est pas réel. Un autre problème lié à la perte au séchage est que des substances autres que l'eau, telles que les alcools et autres substances volatiles, peuvent s'évaporer, ce qui augmente la teneur en 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 consommée, moment auquel la conductivité électrique de la solution change. La conductivité est mesurée, puis utilisée pour calculer le pourcentage de teneur en humidité. Cette méthode présente certains inconvénients, notamment le fait que toute l'eau doit être solubilisée et disponible pour réagir, ce qui peut s'avérer difficile si le produit n'est pas liquide. Pour cela, il faut savoir quel solvant utiliser, et il n'existe pas de solvant universel. Il existe un solvant principal qui fonctionne avec de nombreux types d'échantillons, mais il ne sera pas efficace pour tous les échantillons. De plus, des réactions secondaires peuvent se produire avec les solvants, ce qui peut affecter la mesure.

L'un des problèmes liés à la mesure du taux d'humidité est l'absence de norme. Il n'existe aucun élément dont le taux d'humidité intrinsèque soit égal à X et auquel nous pouvons nous référer. Nous pouvons obtenir une réponse concernant le pourcentage d'humidité, mais nous ne savons pas si elle est exacte.

Démonstration de l'activité de l'eau

Si l'on compare la teneur en humidité d'un biscuit et celle du miel, on s'attendrait à ce que celle du miel soit plus élevée. C'est vrai : le miel a une teneur en humidité de 18 %, contre 5 % pour un biscuit. Mais ces deux produits ont la même activité de l'eau (0,60 aw), ce qui signifie que si vous plongiez le biscuit dans le miel pendant une semaine, il ne ramollirait pas. Pourquoi ? Parce que c'est l'activité de l'eau, et non la teneur en humidité, qui est le moteur des réactions (dans ce cas, la migration de l'humidité). Rien ne se passerait, car les énergies (ou activités de l'eau) sont identiques.

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

Il existe des applications pour l'activité de l'eau et la teneur en humidité (tableau 2). L'activité de l'eau est un moyen plus précis de prévoir et de prévenir les problèmes de stockage, mais il faut noter que la teneur en humidité a une incidence sur la texture. Vous pouvez utiliser la teneur en humidité pour améliorer la texture, en fonction du type de produit que vous souhaitez obtenir. Elle peut également être utilisée pour déterminer les concentrations en ingrédients ou la teneur nutritionnelle, ce qui est important pour les exigences en matière d'étiquetage. Et si votre produit a une limite de teneur en humidité, par exemple 10 % pour les aliments pour animaux de compagnie, vous devez déterminer la teneur en humidité pour savoir si le produit est conforme.

Isothermes de sorption d'humidité

Chaque produit présente une relation unique entre l'activité de l'eau et la teneur en humidité. La figure 2 montre la relation entre l'activité de l'eau et la teneur en humidité dans les produits que nous avons testés. Elles sont toutes complètement différentes, 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 d'humidité, et elle peut être utilisée pour déterminer l'activité critique de l'eau. C'est là que les propriétés de sorption d'humidité changent physiquement et peuvent absorber plus d'humidité. L'activité critique de l'eau est déterminée par un changement dans la pente de la courbe. À l'activité de l'eau où la pente change, le produit changera de texture ou subira 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 afin de prédire l'activité de l'eau lorsque vous mélangez deux nouveaux ingrédients. Vous pouvez également déterminer l'effet d'un mauvais stockage en température : si un produit est expédié et stocké dans un camion ou un entrepôt chaud, que lui arrivera-t-il lorsqu'il arrivera chez le détaillant ? Vous pouvez réaliser des isothermes à différentes températures et prédire l'effet. Les isothermes sont également essentielles pour prédire la durée de conservation.

Croissance microbienne

Les micro-organismes ont besoin d'eau pour se développer, et ils l'obtiennent 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. Comme une activité de l'eau élevée tend à devenir une activité de l'eau faible, l'eau à l'intérieur de la cellule va s'écouler, et lorsque cela se produit, la cellule perdra sa pression de turgescence. La cellule va essayer de s'adapter en modifiant son processus métabolique afin de réduire son activité interne de l'eau. Si elle parvient à s'adapter à l'environnement, elle disposera de suffisamment d'eau ou d'énergie pour se développer et se reproduire.

Mais que se passe-t-il si elle ne s'adapte pas à l'environnement ? Une autre cellule de la figure 3 a une activité de l'eau de 0,93, mais ne s'adapte pas à l'environnement qui est de 0,90. Dans ce cas, la cellule ne dispose pas de suffisamment d'énergie pour se développer et se reproduire, et elle va entrer 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 démontré que les micro-organismes ont un niveau d'activité hydrique en dessous duquel ils ne peuvent pas se développer (tableau 3). Chaque micro-organisme a une activité hydrique spécifique qui inhibe sa croissance, et il ne peut pas se développer dans un environnement en dessous de cette limite.

Le tableau 3 montre que la salmonelle a une limite d'activité hydrique de 0,95. Cela signifie que si un produit a une activité hydrique de 0,95, que les conditions sont idéales en termes de pH, de température et de nutriments, et qu'il n'y a pas d'espèces concurrentes, la salmonelle ne peut pas se développer. Si l'une de ces conditions change ou n'est pas idéale pour la croissance microbienne, l'activité de l'eau limite pourrait alors augmenter. 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. Et 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, si ces bactéries sont présentes, elles ne se développeront pas en dessous de cette limite.

Notez que l'activité de l'eau n'est pas une étape d'élimination ou de destruction 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 exposés à une activité de l'eau supérieure à leur limite, ils pourraient se développer. Cela représente un problème potentiel, mais si vous formulez le produit de manière à maintenir l'activité de l'eau à un niveau suffisamment bas, il n'y aura pas de problème.

Le tableau 3 montre également que les bactéries staphylococciques aérobies ont une activité hydrique 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 dont l'activité hydrique est supérieure à cette valeur sont considérés comme potentiellement dangereux. Tout ce qui est inférieur à 0,85 aw est une limite en dessous de laquelle cela ne peut pas se produire.

Le tableau 4 est un graphique qui montre toute la gamme 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 gamme d'activité de l'eau. Notez que les aliments potentiellement dangereux se trouvent au-dessus de 0,85. Les moisissures ont des limites d'activité de l'eau plus basses, mais celles qui sont généralement impliquées dans la détérioration des aliments se trouvent à 0,7 ou au-dessus. 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 responsables de la détérioration.

L'activité de l'eau en action

Prévenir la moisissure

Un producteur a séché ses noix de pécan jusqu'à obtenir un taux d'humidité de 4 %. Il n'était pas certain que 4 % soit suffisant pour empêcher la croissance microbienne, mais il n'avait jamais eu de problèmes avec cette spécification auparavant. S'il examinait une isotherme de sorption d'humidité pour déterminer la relation entre l'activité de l'eau et le taux d'humidité, il constaterait qu'une activité de l'eau de 0,68 dans ses noix de pécan correspond à un taux d'humidité de 4 %. 0,68 est inférieur à la limite microbienne pour la croissance des moisissures. Ainsi, si son activité de l'eau reste à 0,68, une teneur en humidité de 4 % est suffisante pour empêcher la formation de moisissures.

Mais le produit du cultivateur a moisi. Pourquoi ?

Sa mesure du taux d'humidité n'était précise qu'à un demi-pour cent près. Lorsque les noix de pécan affichaient un taux de 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 une spécification de qualité adéquate, car les noix de pécan pouvaient afficher un taux compris entre 3,5 et 4,5 %, sans que le producteur ne puisse le savoir.

Si le taux d'humidité des noix de pécan cultivées par l'agriculteur varie entre 3,5 et 4,5 %, non seulement les noix sont susceptibles de moisir, mais elles peuvent également générer moins de profits. Une teneur en humidité plus faible signifie une noix de moindre qualité (plus dure) et un plus grand nombre de noix par sac (suremballage). Cependant, s'il avait utilisé une spécification d'activité de l'eau plus précise, il aurait pu éviter ces deux problèmes. Il aurait pu maintenir la teneur en humidité à exactement 4 % en utilisant une spécification d'activité de l'eau de 0,68.

Prévoir l'agglomération et la formation de grumeaux

Un fabricant de soupes déshydratées a traité un mélange jusqu'à obtenir un taux d'humidité de 3 %. Il a reçu du poivre frais à ajouter au mélange, dont le taux d'humidité était également de 3 %. Cependant, lorsqu'il a mélangé les deux ingrédients, tout le lot s'est aggloméré. Que s'est-il passé ? Même si les taux d'humidité étaient identiques, les activités de l'eau étaient différentes.

Le mélange pour soupe avait une activité de l'eau de 0,28 aw, tandis que celle du poivre était de 0,69 aw, soit supérieure à l'activité critique de la soupe. Une activité de l'eau plus élevée tend toujours à se rapprocher d'une activité plus faible. L'humidité s'est donc déplacée du poivre vers la soupe, provoquant l'agglomération du mélange. Si le fabricant avait mesuré l'activité de l'eau avant de l'ajouter à la soupe, il aurait pu prévoir l'agglomération et la formation de grumeaux, 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 pouvait contrôler la qualité chez ses fournisseurs et fixer une spécification d'acceptation inférieure à l'activité critique de l'eau. Il pouvait utiliser ces informations pour obtenir une cohérence dans ses ingrédients entrants.

Formuler pour réussir

L'activité de l'eau est également essentielle à la formulation des produits. Si vous fabriquiez un gâteau et génériez des isothermes pour le glaçage, la crème fourrée et le gâteau, vous constateriez que chaque ingrédient présente un rapport différent entre l'activité de l'eau et la teneur en humidité. 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 humidité différentes. Le glaçage est à 5 %, la crème fourrée à près de 15 % et le gâteau à 20 %. Chaque teneur en humidité donne une texture différente lorsque le client mord dans le gâteau. Vous pouvez formuler chaque ingrédient pour obtenir cette activité de l'eau précise, et chaque composant conservera sa teneur en humidité et sa texture. Comme l'activité de l'eau est la même pour tous les composants, l'humidité ne migrera pas d'un composant à l'autre.

Réduire les suremballages et augmenter les bénéfices

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

Après avoir utilisé des données isothermes pour identifier une limite critique d'activité de l'eau et effectué des calculs de durée de conservation, le fabricant d'aliments pour animaux 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 réglementaires. En augmentant l'activité de l'eau et la spécification de teneur en humidité, il a réduit le coût des matières premières. Il a utilisé moins d'ingrédients pour produire la même quantité d'aliments pour animaux, remplaçant essentiellement ces ingrédients par de l'eau. Il a également réduit la consommation d'électricité et de chaleur grâce à un temps de cuisson plus court. Et le produit était de meilleure qualité car la teneur en humidité était plus élevée. En comprenant l'activité de l'eau, le fabricant a pu augmenter ses bénéfices de manière constante sans compromettre la qualité ou la sécurité.

Augmenter la stabilité chimique/biochimique

L'activité de l'eau peut influencer la vitesse de réaction de divers 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 vitesses de réaction augmentent lorsque l'activité de l'eau est proche de 0,6. Le graphique illustre les conditions dans lesquelles les bactéries, les levures et les moisissures se développent. Il montre également où l'activité enzymatique augmente. Les réactions de brunissement atteignent leur pic autour de 0,6, puis diminuent car la matrice contient plus d'eau à ce stade et elles sont diluées. L'oxydation des lipides suit une tendance inhabituelle : elle est élevée lorsque l'activité de l'eau est faible, puis redevient 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 est comprise entre 0,3 et 0,4, ce qui est important pour certains produits comme les chips de pomme de terre qui contiennent beaucoup de graisses et d'huiles.

Pourquoi avez-vous besoin d'activité hydrique ?

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 des phénomènes tels que la croissance microbienne, la migration de l'humidité et les changements physiques et chimiques. La teneur en humidité correspond simplement à la quantité d'eau. Ce n'est pas une force motrice, elle ne vous dira donc pas ce que l'eau va faire, mais seulement quelle quantité il y a.

L'activité de l'eau est la spécification adéquate 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. « Détermination de l'activité de l'eau : étude collaborative de différentes méthodes ». Journal of Food Science 41, n° 4 (1976) : 910-917.

Scott, W. J. « Water relations of food spoilage microorganisms » (Relations hydriques des micro-organismes responsables de la détérioration des aliments). Dans Advances in food research(Progrès dans la recherche alimentaire), vol. 7, pp. 83-127. Academic Press, 1957.

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