Activité aquatique 101 : Maîtrisez les bases

Qu'est-ce que l'activité de l'eau ? L'activité de l'eau correspond-elle à la teneur en humidité ? Comment mesure-t-on l'activité de l'eau ? Peut-on réduire l'activité de l'eau ?

Voici quelques-unes des questions les plus fondamentales concernant l'activité de l'eau. Pour y répondre – et bien plus encore –, nous avons recueilli les avis du Dr Brady Carter et du Dr Nate Olson, experts en activité de l'eau chez Decagon, afin de vous offrir un aperçu complet des principes fondamentaux de l'activité de l'eau. Leurs réponses sont tirées du webinaire « Water Activity 101 ».

Qu'est-ce que l'activité de l'eau ?

L'activité de l'eau est le rapport entre la pression de vapeur de l'eau contenue dans une substance et la pression de vapeur de l'eau pure à une température donnée. Sur une échelle allant de 0 à 1,0, elle permet de mesurer dans quelle mesure cette eau est disponible ou « libre » au sein d'une substance.

Une aw de 0 signifie qu'il n'y a pas d'eau libre, et une aw de 1,0 correspond à la pression de vapeur de l'eau pure. L'activité de l'eau ne correspond pas à la quantité d'eau présente dans une substance, mais à l'état énergétique de cette eau. Il existe une différence fondamentale entre ces deux notions, que nous aborderons plus tard.

Pourquoi l'activité de l'eau est-elle importante ?

L'activité de l'eau est importante car celle-ci peut entraîner de nombreux types de changements dans un produit. La présence et la disponibilité de l'eau peuvent entraîner :

• Développement de micro-organismes (bactéries, moisissures, levures)
• Modifications chimiques (brunissement non enzymatique)
• Changements physiques (agglomération, fluidité, altération de la texture)

Connaître l'activité de l'eau d'un produit permet d'en savoir beaucoup sur sa stabilité et sa sécurité. Cette information permet aux formulateurs et aux fabricants de contrôler et de prolonger la durée de conservation du produit, tout en garantissant sa sécurité.

Mesure de l'activité de l'eau

L'appareil le plus couramment utilisé pour mesurer l'activité de l'eau est l'analyseur de point de rosée à miroir refroidi (par exemple, l'AQUALAB 4TE).

Un appareil de mesure du point de rosée à miroir refroidi fonctionne en plaçant l'échantillon dans une chambre hermétique où un petit ventilateur électrique assure la circulation de l'air. À l'intérieur de la chambre se trouve un miroir qui est refroidi jusqu'à ce que de la rosée se forme à sa surface. Au moment où la condensation se produit, l'appareil enregistre la température de l'air au-dessus de l'échantillon et la température du miroir. Ces deux valeurs servent à calculer la pression de vapeur, qui est ensuite utilisée pour déterminer l'activité de l'eau.

Parmi les autres instruments permettant de mesurer l'activité de l'eau, on peut citer les capteurs électroniques et la méthode isopiésique (ou gravimétrique). Dans le cadre de cette introduction, nous nous concentrerons sur l'appareil à miroir refroidi servant à mesurer le point de rosée.

La température idéale pour mesurer l'activité de l'eau est de 25 °C ; c'est également la température à laquelle l'appareil effectue par défaut sa correction automatique de température. De nombreux appareils de mesure de l'activité de l'eau AQUALAB peuvent fournir un résultat en cinq minutes environ, avec une précision de +/- 0,003 aw.

Activité de l'eau et teneur en humidité

Ces deux mesures ne sont pas identiques. Voici en quoi elles diffèrent :

Teneur en humidité – quantité d'eau contenue dans une substance, exprimée en pourcentage du poids total du matériau (sur la base humide) ou en pourcentage de la matière sèche (sur la base sèche).

Activité de l'eau – état énergétique de l'eau contenue dans une substance, exprimé sous forme de rapport entre les pressions de vapeur.

Il n'existe pas de relation universelle entre la teneur en humidité et l'activité de l'eau. C'est pourquoi l'activité de l'eau constitue le meilleur indicateur pour prédire le comportement et la stabilité d'un produit.

Prenons, par exemple, l'eau pure et une solution saline saturée. Toutes deux ont la même teneur en eau – 100 % –, mais leur activité de l'eau est différente. L'eau pure a une activité de l'eau de 1,0, tandis qu'une solution saline saturée (même si elle est encore principalement composée d'eau) a une activité de l'eau inférieure à 1,0, car les ions présents dans la solution saline entravent la libre circulation des molécules d'eau.

Il existe certaines similitudes. À mesure que la teneur en humidité d'un produit augmente, l'activité de l'eau augmente généralement elle aussi. Mais la relation entre ces deux paramètres dépend du produit et n'est pas universelle.

Isothermes de sorption

Dans le domaine de l'activité de l'eau, une isotherme de sorption est un graphique représentant la teneur en humidité en fonction de l'activité de l'eau à température constante.

Les isothermes de sorption ont deux applications principales en sciences alimentaires :

1. Comprendre comment un produit réagit à l'humidité (choix de l'emballage, durée de conservation).
2. Comprendre et prévoir les caractéristiques de qualité – de la texture à la stabilité, en passant par la durée de conservation.

Pour établir une isotherme de sorption, il faut mesurer une série de points de données relatifs à l'activité de l'eau et à la teneur en humidité pour un produit et une température donnés, puis représenter graphiquement ces points. La forme de l'isotherme de sorption est propre à chaque produit.

Certains produits présentent des isothermes en forme de S (sigmoïdes). D'autres sont plus linéaires. La forme de l'isotherme est liée à l'affinité de liaison du produit pour l'eau.

Les isothermes de sorption indiquent la relation entre la teneur en humidité et l'activité de l'eau pour un produit donné, et non la relation entre deux produits différents. Si vous disposez de deux produits présentant chacun une isotherme de sorption différente et que vous les mélangez, l'activité de l'eau finale du mélange dépendra des activités de l'eau de chacun des composants, et non de leurs teneurs en humidité.

L'effet de la température

L'activité de l'eau varie en fonction de la température. Lorsque la température augmente, l'activité de l'eau augmente également. Cette relation dépend du produit, mais en général, une augmentation de 10 °C de la température correspond à une augmentation de l'activité de l'eau d'environ 0,03 aw.

L'influence de la température sur l'activité de l'eau est un facteur important à prendre en compte lors de la transformation et du stockage. Si un produit est fabriqué à haute température puis refroidi, l'activité de l'eau diminue à mesure que la température baisse. Cela peut entraîner la formation de condensation, susceptible de provoquer l'agglomération, la formation de grumeaux et d'autres problèmes de qualité.

Activité de l'eau et croissance microbienne

L'activité de l'eau est directement liée à la croissance microbienne. Chaque type de micro-organisme a besoin d'une activité de l'eau minimale en dessous de laquelle il ne peut pas se développer.

Seuils courants d'activité de l'eau pour la croissance microbienne :

• 0,97 : bactéries telles que Clostridium botulinum E, Pseudomonas fluorescens
• 0,95 : bactéries telles que Salmonella spp., E. coli
• 0,91 : la plupart des bactéries, y compris Bacillus subtilis
• 0,87 : Staphylococcus aureus (aérobie)
• 0,70–0,85 : la plupart des moisissures
• 0,60 : limite inférieure de toute croissance microbienne

Ces valeurs correspondent aux conditions minimales nécessaires à la croissance microbienne. Si l'activité de l'eau d'un produit est inférieure à la valeur minimale requise pour un micro-organisme donné, ce dernier ne peut pas se développer.

L'activité de l'eau en action

Nous avons mentionné précédemment que l'activité de l'eau joue un rôle important dans la croissance microbienne, les transformations chimiques et les changements physiques. Voyons comment l'activité de l'eau est utilisée dans la pratique pour contrôler ces variables :

Développement microbien – En concevant un produit dont l'activité de l'eau est inférieure au seuil minimal requis pour les agents pathogènes, les formulateurs peuvent créer des produits qui se conservent à température ambiante sans réfrigération. La FDA considère qu'une activité de l'eau de 0,85 constitue le seuil en dessous duquel un produit ne doit pas être réfrigéré pour des raisons de sécurité.

Changements chimiques – L'activité de l'eau influe sur la vitesse du brunissement non enzymatique, de l'oxydation des lipides et d'autres réactions chimiques. Comprendre la relation entre l'activité de l'eau et les réactions chimiques aide les formulateurs à optimiser la durée de conservation et la stabilité des arômes.

Changements physiques – L'activité de l'eau influe sur des propriétés physiques telles que la texture, l'agglomération et la fluidité de la poudre. Comprendre comment l'activité de l'eau influe sur ces propriétés aide les fabricants à produire des produits présentant des caractéristiques physiques homogènes.

L'activité de l'eau est un outil essentiel dans la panoplie du formulateur pour concevoir des produits dont la sécurité, la stabilité et la qualité sont prévisibles. En comprenant et en contrôlant l'activité de l'eau, les fabricants peuvent produire de meilleurs produits, dotés d'une durée de conservation plus longue et présentant moins de défauts de qualité, ce qui contribue à réduire le gaspillage alimentaire et à améliorer la durabilité. Les chercheurs s'appuient également sur l'activité de l'eau pour prédire la croissance microbienne, maintenir la stabilité physique et chimique, formuler des produits et estimer la durée de conservation.

Foire aux questions

Comment mesure-t-on l'activité de l'eau dans les aliments ?

L'activité de l'eau est mesurée en scellant un petit échantillon dans une chambre fermée et en relevant l'humidité relative à l'équilibre de l'espace de tête, qui correspond à l'activité de l'eau de l'échantillon à l'équilibre. Les instruments les plus précis utilisent un capteur de point de rosée à miroir refroidi — comme l'AQUALAB 4TE — qui fournit une mesure en cinq minutes environ sans nécessiter d'étalonnage par rapport à des étalons de référence.

Quel est le niveau d'activité de l'eau caractéristique d'un produit alimentaire de longue conservation ?

La FDA utilise une valeur aw de 0,85 comme seuil en dessous duquel un produit n'a généralement pas besoin d'être conservé au frais pour des raisons de sécurité — les produits dont la valeur aw est égale ou inférieure à ce seuil sont considérés comme stables à température ambiante face à la plupart des agents pathogènes. La prolifération des moisissures cesse en dessous d'une valeur aw de 0,70, et aucune prolifération microbienne ne se produit en dessous d'une valeur aw de 0,60 ; c'est pourquoi les snacks à faible teneur en humidité et les produits séchés sont formulés pour rester dans cette fourchette.

La température a-t-elle une incidence sur les mesures de l'activité de l'eau ?

Oui, l'activité de l'eau augmente lorsque la température augmente, car les molécules d'eau plus chaudes génèrent une pression de vapeur plus élevée. Cela signifie qu'un même produit mesuré à 25 °C présentera une activité de l'eau plus élevée qu'à 15 °C. Les mesures doivent toujours être indiquées avec la température à laquelle elles ont été prises, et les appareils AQUALAB appliquent par défaut une correction automatique de la température.

L'activité de l'eau permet-elle de prédire des réactions chimiques telles que le brunissement ou l'oxydation des lipides ?

Oui — l'activité de l'eau détermine directement la vitesse du brunissement non enzymatique, de l'oxydation des lipides, de la dégradation des vitamines et des réactions enzymatiques dans les aliments. La plupart des vitesses de dégradation chimique sont les plus faibles lorsque l'activité de l'eau se situe entre 0,2 et 0,4, et augmentent considérablement au-delà d'une aw de 0,6, ce qui fait de l'activité de l'eau une variable clé pour prédire la stabilité de la saveur, la stabilité de la couleur et la conservation des nutriments, parallèlement à la sécurité microbiologique.

L'activité de l'eau est-elle réglementée par la FDA ?

Oui, la FDA utilise l'activité de l'eau comme paramètre de contrôle dans le cadre du 21 CFR Partie 117 et des contrôles préventifs de la FSMA, avec une valeur aw de 0,85 comme seuil en dessous duquel un produit n'est généralement pas tenu d'être réfrigéré pour des raisons de sécurité. Les fabricants qui utilisent l'activité de l'eau comme contrôle préventif doivent valider les valeurs cibles, définir des procédures de surveillance et documenter la vérification du produit fini.

Références

Labuza, T. P. « Les phénomènes de sorption dans les aliments ». Food Technology 22, n° 3 (1968) : 263-272.

Scott, W. J. « Le rapport de l'eau chez Staphylococcus aureus à 30 °C ». Australian Journal of Biological Sciences 6 (1953) : 549-564.

Labuza, T. P., A. Kaanane et J. Y. Chen. « Effet de la température sur les isothermes de sorption d'humidité et le décalage de l'activité de l'eau dans deux aliments déshydratés ». Journal of Food Science 50, n° 2 (1985) : 385-392.

Troller, J. A., et J. H. B. Christian. Activité de l'eau et alimentation. Academic Press, 1978.

Fontana, A. J. « L'activité de l'eau : pourquoi est-elle importante pour la sécurité alimentaire ? » Dans Actes de la première conférence internationale de la NSF sur la sécurité alimentaire, p. 177-185. 1998.

Slade, L., et H. Levine. « Au-delà de l'activité de l'eau : avancées récentes fondées sur une approche alternative de l'évaluation de la qualité et de la sécurité des aliments. » Critical Reviews in Food Science and Nutrition 30, n° 2-3 (1991) : 115-360.

Chirife, J., et M. Del Pilar Buera. « Activité de l'eau, dynamique de l'eau libre et contrôle de la croissance microbiologique dans les aliments ». Critical Reviews in Food Science and Nutrition 36, n° 5 (1996) : 465-513.

Rahman, M. S., et T. P. Labuza. « Activité de l'eau et conservation des aliments ». Dans Handbook of Food Preservation, sous la direction de M. S. Rahman, p. 339-382. CRC Press, 1999.

Ross, K. D. « Estimation de l'activité de l'eau dans les aliments à teneur en humidité intermédiaire ». Food Technology 29, n° 3 (1975) : 26-34.

Carr, J. M., T. Sufferling et J. Poppe. « 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. « Les relations hydriques des micro-organismes responsables de l'altération des aliments ». Dans *Advances in food research*, vol. 7, p. 83-127. Academic Press, 1957.

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