Perché l'attività dell'acqua?

L'utilità dell'attività dell'acqua come misura della qualità e della sicurezza è stata suggerita quando è diventato evidente che il contenuto di umidità non era in grado di spiegare adeguatamente le fluttuazioni della crescita microbica. Il concetto di attività dell'acqua (aw) è stato utilizzato per decenni dai microbiologi e dai tecnologi alimentari. È il criterio più comunemente utilizzato per la sicurezza e la qualità.

Attività dell'acqua: è tutta una questione di energia

Che cos'è l'attività dell'acqua?

Prendi un bicchiere d'acqua e una spugna asciutta. Immergi l'angolo della spugna nel bicchiere d'acqua. L'acqua passerà dal bicchiere alla spugna.

L'attività dell'acqua è la forza che fa sì che l'acqua penetri nella spugna. Per comprenderlo meglio, pensa a come l'acqua nella spugna è diversa dall'acqua nel bicchiere.

L'acqua nel bicchiere è libera, ma quella nella spugna non lo è affatto. È legata da legami idrogeno, forze capillari e forze di van der Waals-London. Questi sono chiamati effetti matrice. L'acqua nella spugna ha uno stato energetico inferiore rispetto a quella nel bicchiere. L'acqua fluirà nella spugna, ma per farla uscire dovremo lavorare, strizzando la spugna.

L'acqua contenuta nella spugna ha una pressione di vapore inferiore, un punto di congelamento più basso e un punto di ebollizione più alto rispetto all'acqua contenuta nel bicchiere. Sono diverse in modi che possiamo misurare e quantificare.

L'energia dell'acqua può anche essere ridotta diluendola con soluti. Questi effetti sono chiamati effetti osmotici. Poiché è necessario un lavoro per riportare l'acqua al suo stato puro e libero, anche questo riduce l'attività dell'acqua. La variazione totale di energia è la somma degli effetti matriciali e osmotici.

L'attività dell'acqua controlla la qualità e la sicurezza degli alimenti

Combina cracker con un contenuto d'acqua del 20% e ripieno di formaggio con un contenuto d'acqua del 30%. Una ricetta per cracker mollicci? No, se i due ingredienti hanno la stessa attività dell'acqua. Hai bisogno di evitare la formazione di grumi e incrostazioni in un lotto di spezie? Abbina le attività dell'acqua dei componenti e il problema è risolto.

La degradazione delle vitamine è una funzione dell'attività dell'acqua. Lo stesso vale per l'ossidazione dei lipidi, la croccantezza, la masticabilità, la morbidezza e molti altri fattori che determinano la qualità. Il contenuto di umidità indica la quantità di acqua presente in un prodotto, ma nulla di più. Non è in grado di prevedere nessuno di questi altri aspetti relativi alla qualità e alla sicurezza.

Previsione della sicurezza e della stabilità

L'attività dell'acqua predice la sicurezza e la stabilità in relazione alla crescita microbica, alla velocità delle reazioni chimiche e biochimiche e alle proprietà fisiche. La figura 1 mostra la stabilità in termini di limiti di crescita microbica e velocità delle reazioni di degradazione in funzione dell'attività dell'acqua.

Misurando e controllando l'attività dell'acqua, è possibile:

• Prevedere quali microrganismi saranno potenziali fonti di deterioramento e infezione
• Mantenere la stabilità chimica dei prodotti
• Ridurre al minimo le reazioni di imbrunimento non enzimatico e le reazioni spontanee di ossidazione autocatalitica dei lipidi
• Prolunga l'attività degli enzimi e delle vitamine
• Ottimizza le proprietà fisiche dei prodotti in termini di migrazione dell'umidità, consistenza e durata di conservazione.

Come si misura l'attività dell'acqua?

Se chiudiamo un campione in un contenitore sigillato, l'umidità relativa dell'aria nello spazio di testa si equilibrerà con l'attività dell'acqua del campione. All'equilibrio, le due saranno uguali e potremo misurare l'umidità relativa dello spazio di testa per conoscere l'attività dell'acqua del campione. Questa è la risposta più affidabile alla domanda su come misurare l'attività dell'acqua.

Metodi secondari: igrometri, sensori di capacità

Come i primi misuratori di attività dell'acqua, la maggior parte degli strumenti moderni utilizza sensori igrometrici a capacità elettrica o resistenza per misurare l'umidità nello spazio di testa sopra il campione.

Questi misuratori utilizzano metodi secondari: mettono in relazione un segnale elettrico con l'umidità relativa e devono essere calibrati con standard salini noti.

Con questi sensori, l'ERH è uguale all'attività dell'acqua del campione solo se la temperatura del campione e quella del sensore sono identiche. Per ottenere misurazioni accurate è necessario un buon controllo o una buona misurazione della temperatura. I sensori di capacità hanno un design semplice e sono spesso utilizzati in misuratori di attività dell'acqua relativamente economici.

Il punto di rugiada è un metodo primario

I metodi migliori per rispondere alla domanda su come misurare l'attività dell'acqua sono quelli primari che utilizzano il rapporto p /p0.P0 (la pressione di vapore di saturazione) dipende solo dalla temperatura del campione (come mostrato nel grafico allegato), quindi è possibile misurare p0 misurando la temperatura del campione. P (la pressione di vapore dell'acqua nel campione) può essere misurato misurando la pressione di vapore dell'acqua nello spazio di testa sigillato sopra il campione. Il modo più accurato per misurare tale pressione di vapore, e che risale ai principi fondamentali, è misurare il punto di rugiada dell'aria.

Il metodo primario consiste nella misurazione diretta, senza calibrazione.

I principali vantaggi del metodo del punto di rugiada (o punto di rugiada a specchio raffreddato) sono la velocità e la precisione. Il sensore del punto di rugiada a specchio raffreddato è un metodo di misurazione primario basato sui principi fondamentali della termodinamica. I misuratori di attività dell'acqua a specchio raffreddato effettuano misurazioni altamente accurate (±0,_{003 aw}), in genere in circa 5 minuti. Poiché la misurazione si basa sulla determinazione della temperatura, non è necessaria alcuna calibrazione. Gli utenti devono misurare una soluzione salina standard per verificare il corretto funzionamento dello strumento. Per alcune applicazioni, la velocità di questo metodo consente ai produttori di eseguire il monitoraggio in linea dell'attività dell'acqua di un prodotto.

AQUALAB 4TE utilizza il metodo del punto di rugiada con specchio raffreddato, che secondo la letteratura scientifica è il metodo più veloce e accurato per misurare l'attività dell'acqua disponibile sul mercato. Guarda il video per scoprire come funziona.

Le normative governative raccomandano l'uso dell'attività dell'acqua

La Food and Drug Administration statunitense ha inserito l'attività dell'acqua nelle normative di sicurezza. Queste normative descrivono in dettaglio requisiti e pratiche specifici per garantire che i prodotti siano realizzati in condizioni igieniche e siano puri, genuini e sicuri. Utilizzate la tabella sottostante come riferimento alle normative di sicurezza del governo statunitense che raccomandano l'uso dell'attività dell'acqua.

L'attività dell'acqua semplifica la durata di conservazione

Senza una durata di conservazione accurata e specifica per ogni prodotto, potresti scartare prodotti scaduti che sono ancora buoni. Oppure vendere prodotti non scaduti che in realtà sono difettosi. Potresti pagare troppo per un imballaggio che non aiuta il tuo prodotto. Oppure rinunciare a una durata di conservazione significativa che potresti ottenere con un imballaggio migliore. Il punto è che non puoi saperlo con certezza perché operi all'oscuro.

Allora perché non si effettuano più test sulla durata di conservazione?

In genere, ciò è dovuto al fatto che un test di durata di conservazione completo e accurato è un compito arduo. Implica relazioni complesse tra umidità, temperatura e modalità di guasto del prodotto.

Molti fattori possono rendere il vostro prodotto non sicuro o sgradevole al gusto: muffa, proliferazione microbica, irrancidimento, alterazioni della consistenza o del sapore, degradazione delle vitamine. La maggior parte delle persone non ha le competenze necessarie per eseguire internamente test completi sulla durata di conservazione, e affidarsi a un laboratorio esterno è costoso.

Esiste un'alternativa scientificamente valida a questo tipo di test sulla durata di conservazione. Si tratta della durata di conservazione semplificata dall'attività dell'acqua. Genera tutti i dati necessari per prevedere la durata di conservazione del prodotto da un esperimento che chiunque, anche una piccola startup, può permettersi di eseguire.

Durata di conservazione e attività dell'acqua

In che modo l'attività dell'acqua semplifica la durata di conservazione?

1. Elimina le distrazioni. Conoscendo l'attività dell'acqua del tuo prodotto, saprai quali modalità di guasto rappresentano un problema per quel prodotto.
2. Semplifica la previsione. È possibile utilizzare il misuratore di attività dell'acqua insieme a un altro metodo di misurazione (che dipende dalla modalità di guasto specifica) per eseguire un semplice esperimento interno che consentirà di prevedere con precisione la durata di conservazione.
3. Standardizza la produzione. È possibile impostare una specifica di attività dell'acqua che consente di ottenere una durata di conservazione ottimale per ogni lotto.

I dati relativi alla durata di conservazione possono fornire informazioni preziose per aiutarti a prevenire il deterioramento dei prodotti, prevedere e prolungare la durata di conservazione, scegliere l'imballaggio più conveniente e molto altro ancora.

Fattori che determinano la durata di conservazione

Ci sono tre fattori principali che influenzano la durata di conservazione: proprietà microbiche, cambiamenti chimici e deterioramento fisico. Tutti questi fattori sono collegati all'attività dell'acqua.

Crescita microbica

I microrganismi hanno un livello limite di attività dell'acqua al di sotto del quale non crescono. È l'attività dell'acqua, e non il contenuto di umidità, a determinare il limite inferiore dell'acqua "disponibile" per la crescita microbica. Poiché batteri, lieviti e muffe richiedono una certa quantità di acqua "disponibile" per sostenere la crescita, la progettazione di un prodotto al di sotto di un livello critico di attività dell'acqua costituisce un mezzo efficace per controllarne la crescita.

L'acqua può essere presente, anche in quantità elevate, in un prodotto, ma se il suo livello energetico è sufficientemente basso, i microrganismi non sono in grado di rimuovere l'acqua per sostenere la loro crescita. Questa condizione "desertica" crea uno squilibrio osmotico tra i microrganismi e l'ambiente locale. Di conseguenza, i microbi non possono crescere.

La muffa e la proliferazione microbica sono le minacce più pericolose per la durata di conservazione. Il controllo dell'attività dell'acqua può inibire o impedire la proliferazione microbica, prolungare la durata di conservazione e consentire di conservare alcuni prodotti in modo sicuro senza refrigerazione. Utilizzando tabelle ben definite, è possibile impostare un limite di attività dell'acqua per il proprio prodotto e utilizzarlo nei test di durata di conservazione.

Degradazione chimica

L'attività dell'acqua influenza la velocità delle reazioni chimiche di deterioramento perché l'acqua agisce come solvente, può essere essa stessa un reagente o può modificare la mobilità dei reagenti attraverso la viscosità. Ad esempio, le reazioni di imbrunimento non enzimatiche aumentano con l'aumentare dell'attività dell'acqua fino a un massimo compreso tra 0,6 e 0,7_aw, mentre l'ossidazione dei lipidi è ridotta al minimo tra circa 0,2 e 0,3_aw. La stabilità chimica ottimale si trova generalmente in prossimità del contenuto di umidità del monostrato, determinato dalle isoterme di assorbimento dell'umidità.

Deterioramento fisico

Gli ambienti con umidità elevata e (meno frequentemente) bassa possono influire sull'attività dell'acqua di un prodotto, causando cambiamenti indesiderati nella consistenza o nelle proprietà fisiche del prodotto e riducendone la durata di conservazione. Tra i problemi si possono citare la perdita di croccantezza nei prodotti secchi, l'agglomerazione e la formazione di grumi nelle polveri e la durezza o la gommosità nei prodotti umidi. Individuare l'attività dell'acqua critica per il proprio prodotto può richiedere alcune ricerche, ma l'attività dell'acqua rende tutto molto più semplice.

Imballaggio, spedizione e stoccaggio

Le variazioni dell'attività dell'acqua durante il trasporto e lo stoccaggio possono influire notevolmente sulla durata di conservazione. L'attività dell'acqua è una funzione della temperatura e le temperature di trasporto e stoccaggio possono influire sull'attività dell'acqua all'interno della confezione. Test semplificati sulla durata di conservazione possono aiutarti a determinare il miglior imballaggio e a valutare l'effetto delle condizioni di trasporto e stoccaggio sulla durata di conservazione del tuo prodotto.

Le isoterme individuano il punto ottimale per l'attività dell'acqua

Prevedere i cambiamenti dei prodotti nel tempo

I produttori alimentari devono sapere quanto tempo ci vorrà prima che il loro prodotto ammuffisca, diventi molliccio, stantio, rancido, si indurisca, si aggreghi, cristallizzi e diventi inaccettabile per il consumatore. L'isoterma di assorbimento dell'umidità è uno strumento potente per prevedere e prolungare la durata di conservazione di un prodotto. Consente di:

• Individuare i valori critici dell'attività dell'acqua in cui si verificano cambiamenti quali agglomerazione, formazione di grumi e perdita di consistenza.
• Prevedere come il prodotto reagirà alle modifiche degli ingredienti e della formulazione
• Stimare con precisione la durata di conservazione
• Creare modelli di miscelazione
• Eseguire i calcoli relativi all'imballaggio
• Trova il valore monostrato (dove un prodotto è più stabile)

Isoterme: il Santo Graal della formulazione

Un'isoterma di assorbimento dell'umidità è un grafico che mostra come cambia l'attività dell'acqua (_aw) quando l'acqua viene assorbita e desorbita da un prodotto mantenuto a temperatura costante. Questa relazione è complessa e unica per ogni prodotto. L'attività dell'acqua aumenta quasi sempre all'aumentare del contenuto di umidità, ma la relazione non è lineare. Infatti, le isoterme di assorbimento dell'umidità sono a forma di S (sigmoidali) per la maggior parte degli alimenti e a forma di J per gli alimenti che contengono materiali cristallini o ad alto contenuto di grassi.

Metodo artigianale poco pratico

Il metodo classico per creare un'isoterma consiste nel collocare il campione in un essiccatore con una soluzione salina di attività dell'acqua nota fino a quando il peso del campione smette di variare. Quindi, il campione viene pesato per determinarne il contenuto d'acqua. Ogni campione produce un punto sulla curva isoterma.

Poiché il processo richiede molto tempo, le curve venivano tradizionalmente costruite utilizzando cinque o sei punti dati con equazioni di adattamento delle curve come GAB o BET.

Un modo più veloce per creare isotermiche

Creare manualmente le isoterme di assorbimento dell'umidità è un lavoro meticoloso. Il metodo richiedeva l'automazione. Il metodo utilizzato inizialmente, e ancora oggi impiegato dalla maggior parte degli strumenti di assorbimento del vapore, è denominato DVS, ovvero assorbimento dinamico del vapore. Un campione viene esposto a un flusso di aria a umidità controllata, mentre una microbilancia misura le minime variazioni di peso man mano che il prodotto assorbe o rilascia acqua. Una volta raggiunto l'equilibrio, lo strumento passa dinamicamente al livello di umidità preimpostato successivo. I test richiedono da due giorni a diverse settimane.

Il metodo DVS funziona bene per studiare la cinetica di assorbimento, ovvero cosa succede a un prodotto quando viene esposto a determinati livelli di umidità e quanto velocemente assorbe o rilascia acqua. Tuttavia, il metodo DVS non è molto utile per creare una curva isotermica ad alta risoluzione, poiché ogni fase di equilibrio produce un solo punto sulla curva isotermica.

Le isoterme DDI rivelano ciò che prima non era visibile

Il metodo dell'isoterma dinamica del punto di rugiada (DDI) è stato progettato per risolvere questo problema. Crea isoterme ad alta risoluzione che mostrano i dettagli delle curve di adsorbimento e desorbimento, acquisendo un'istantanea sia dell'attività dell'acqua che del contenuto di umidità (ogni 5 secondi) mentre il campione viene esposto ad aria umidificata o essiccata. I grafici DDI contengono centinaia di punti dati e mostrano dettagli prima non visibili, come i punti critici in cui si verificano agglomerazione, deliquescenza e perdita di consistenza.

Come vengono create le isotermiche

AQUALAB VSA fornisce automaticamente grafici isotermici DDI e DVS rapidi e ad alta risoluzione che cambiano il modo in cui comprendi il tuo prodotto. Le doppie modalità di test e il sofisticato software di modellazione trasformano i tuoi dati nelle soluzioni di cui hai bisogno per produrre, monitorare, conservare e spedire un ottimo prodotto.

Trasforma i dati isotermici in soluzioni

Il VSA è dotato di un software di modellazione intuitivo e completo. Il Moisture Analysis Toolkit ti mostra come trasformare i tuoi dati in soluzioni utilizzando modelli predittivi testati dalla ricerca. Troverai tutti i modelli di cui hai bisogno in un unico posto, organizzati in un programma facile da usare.  Identificate l'umidità critica per la transizione vetrosa, valutate le prestazioni dell'imballaggio, determinate l'igroscopicità, monitorate l'isteresi, prevedete la rottura del rivestimento, individuate la suscettibilità all'agglomerazione/formazione di grumi e molto altro ancora.

Le isotermiche identificano i valori critici dell'attività dell'acqua

Nonostante l'uso di doppie confezioni e l'adozione di rigide linee guida per la conservazione a temperatura controllata, un produttore di latte spray essiccato continuava ad avere problemi di agglomerazione.

Quando la transizione vetrosa diventa un problema

Quando il latte viene essiccato a spruzzo, la rapida evaporazione lascia gli zuccheri in uno stato vetroso. Il lattosio vetroso ha proprietà completamente diverse dal lattosio cristallino. A causa della bassa mobilità, le particelle non si agglomerano né si raggruppano mentre la polvere è in uno stato vetroso. La struttura cristallina è uno stato energetico inferiore, quindi ci saranno sempre alcune molecole in transizione dallo stato vetroso a quello cristallino. I problemi si verificano quando la velocità di transizione raggiunge un punto di svolta.

L'attività dell'acqua predice il tasso di transizione

A 0,30_aw, potrebbero essere necessari diversi anni prima che tutto il lattosio diventi cristallino. A 0,40_aw, potrebbe essere necessario un mese. Al di sopra di 0,43, la transizione avverrà in poche ore. Una volta che il lattosio si è cristallizzato, il latte in polvere subisce una trasformazione permanente. Contiene una quantità di acqua notevolmente diversa, non si dissolve e non ha il giusto sapore. In sostanza, è rovinato.

Le isoterme DDI prevedono il punto di transizione vetrosa

Il punto di transizione vetrosa per polveri come il latte spray essiccato può essere determinato utilizzando un'isoterma DDI ad alta risoluzione. Le isoterme tradizionali si basano su modelli per riempire l'isoterma tra i punti misurati. Le isoterme DDI misurano centinaia di punti e possono identificare transizioni come il punto di transizione vetrosa per il latte spray essiccato in polvere.

Il valore di picco sul grafico della derivata seconda dell'isoterma identifica il valore critico di cambiamento di fase come 0,43_aw.

Test accurati e regolari sulla linea con valori di controllo migliori hanno aiutato il produttore a migliorare il tasso di accettazione delle spedizioni.

Creare modelli di miscelazione

Un produttore di torte stava elaborando una ricetta per una torta ripiena di crema. Gli ingredienti della ricetta erano glassa (circa il 7% di umidità), ripieno di crema (12%) e torta (15%). La migrazione dell'umidità durante la conservazione aveva causato in precedenza problemi di consistenza, come torta raffermo, glassa gommosa e ripieno di crema liquefatto che colava nella torta.

Osserva come l'umidità si sposta tra i componenti

Le isoterme di assorbimento dell'umidità per ciascun ingrediente hanno mostrato che la glassa, l'ingrediente più secco, aveva la più alta attività dell'acqua, pari a 0,79. Le attività dell'acqua della crema e della torta erano simili, rispettivamente 0,66 e 0,61.

Prevedere l'attività dell'acqua nel prodotto finale

La trasformazione delle isoterme in grafici chi ha previsto un'attività dell'acqua del prodotto finale pari a 0,67, un valore microbiologicamente sicuro per il dolce.

Evita spiacevoli sorprese

Il pasticcere ha poi proceduto con successo alla cottura e alla degustazione della torta a un'attività dell'acqua di equilibrio (0,67).

Seleziona imballaggio

Le bevande in polvere monodose sono un segmento di mercato in crescita. L'imballaggio rappresenta oltre il 50% del costo delle materie prime di questo prodotto. L'obiettivo principale dell'imballaggio è quello di mantenere la bevanda al di sotto del valore critico_{di aw per tutta} la durata di conservazione prevista del prodotto.

I calcoli relativi all'imballaggio iniziano con un valore critico di attività dell'acqua. La possibilità di ottenere un punto preciso dalle isoterme dinamiche del punto di rugiada (DDI) rende possibile questo tipo di calcolo relativo all'imballaggio.

Questa curva mostra il punto di transizione vetrosa per una particolare formulazione di bevanda:

L'attività critica dell'acqua, ovvero il punto di inflessione esatto, per questa bevanda in polvere è pari a 0,618 a 25 °C.

Calcolare la conduttanza del pacchetto

Utilizzando calcoli semplificati relativi al packaging (disponibili in Fundamentals of Isotherms e come strumento software), abbiamo valutato quattro diversi tipi di confezioni per questa bevanda in polvere: la confezione originale e tre possibili alternative. In condizioni di umidità eccessiva (25 °C, 75% di umidità), ecco i risultati:

Comprendere i cambiamenti nella formulazione

Un'azienda produttrice di alimenti per animali domestici ha modificato la formulazione per realizzare un prodotto privo di conservanti controllato dall'attività dell'acqua. Poco dopo l'introduzione del prodotto, ha iniziato a registrare resi dovuti al deterioramento.

La valutazione iniziale ha mostrato che le previsioni di deterioramento si basavano su test di attività dell'acqua effettuati a una temperatura insolitamente bassa, pari a 15 °C. Le isoterme eseguite a 15 °C, 25 °C e 40 °C hanno mostrato che, se conservato in condizioni non adeguate (come spesso accade per gli alimenti per animali domestici), il deterioramento era probabile.

Le isoterme hanno fornito un quadro predittivo completo, consentendo al cliente di risolvere il problema con una nuova formulazione.

Indagare sui guasti dei prodotti

Dopo 13 stagioni senza problemi, un coltivatore di noci pecan ha visto il suo raccolto rifiutato a causa di problemi di muffa. È stata creata un'isoterma per indagare sul problema.

Per evitare la proliferazione microbica, le noci pecan devono essere essiccate fino a raggiungere un valore di 0,60_aw. Come mostra l'isoterma, 0,60_aw corrisponde al 4,8% di mc nelle noci pecan. L'isoterma delle noci pecan è anche piuttosto piatta in questa regione di controllo critica, quindi una piccola variazione nel contenuto di umidità si traduce in un cambiamento significativo e potenzialmente pericoloso nell'attività dell'acqua.

Isotherm mostra che le specifiche erano impostate troppo basse

L'isoterma completa mostra che il processo utilizzato dal coltivatore di noci pecan non era adeguato a garantire la sicurezza e la qualità del suo raccolto. Il coltivatore di noci pecan ha misurato il contenuto di umidità mediante la perdita per essiccazione. Poiché la sua specifica di rilascio era del 5% e la sua precisione era di ± 0,5%, il contenuto effettivo di acqua del raccolto essiccato poteva variare dal 4,5% al 5,5%.

Qualsiasi cosa, dallo stoccaggio in condizioni di elevata umidità all'imballaggio inadeguato, potrebbe aver esposto le noci pecan ad attività idriche non sicure e causarne il deterioramento.

Studi che utilizzano isoterme dinamiche del punto di rugiada (DDI)

Allan, Matthew e Lisa J. Mauer. "Confronto tra metodi per determinare i punti di deliquescenza di ingredienti monocristallini e miscele". Food Chemistry 195 (2016): 29-38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

Allan, Matthew, Lynne S. Taylor e Lisa J. Mauer. "Effetti degli ioni comuni sull'abbassamento della deliquescenza delle miscele di ingredienti cristallini". Food Chemistry 195 (2016): 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

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Appendice:

Attività dell'acqua vs. contenuto di umidità

L'attività dell'acqua è spesso considerata una misurazione più complessa rispetto al contenuto di umidità. Tuttavia, effettuare misurazioni accurate e ripetibili del contenuto di umidità non è così semplice come sembra.

In teoria, misurare il contenuto di umidità è facile. Basta determinare la quantità di acqua presente in un prodotto e confrontarla con il peso di tutti gli altri componenti del prodotto. In realtà, ottenere una percentuale accurata dell'acqua contenuta in un prodotto è un processo difficile e complesso. Ecco perché.

I diversi metodi di rendicontazione causano confusione

Il contenuto di umidità viene riportato su base umida o secca. Per la base umida, la quantità di acqua viene divisa per il peso totale del campione (solidi più umidità). Per la base secca, la quantità di acqua viene divisa per il peso secco (solo solidi). Purtroppo, il contenuto di umidità viene spesso riportato solo in percentuale, senza alcuna indicazione del metodo utilizzato. Sebbene sia facile convertire tra base umida e base secca, quando si effettuano confronti tra contenuti di umidità riportati su basi diverse possono verificarsi confusione e potenziali problemi. Inoltre, il contenuto di umidità riportato su base secca può effettivamente risultare in un valore percentuale superiore al 100%, causando ulteriore confusione.

I diversi metodi di misurazione rendono impossibile qualsiasi confronto.

L'AOAC elenca 35 metodi diversi per misurare il contenuto di umidità. Questi sono classificati come metodi di misurazione diretti o indiretti. I metodi diretti prevedono la rimozione dell'acqua dal prodotto (tramite essiccazione, distillazione, estrazione, ecc.) e la successiva misurazione della quantità di acqua tramite pesatura o titolazione. I metodi diretti forniscono i risultati più affidabili, ma sono solitamente laboriosi e richiedono molto tempo. Alcuni esempi includono l'essiccazione in forno ad aria, l'essiccazione in forno sottovuoto, la liofilizzazione, la distillazione, il metodo Karl Fischer, l'analisi termogravimetrica, l'essiccazione chimica e la gascromatografia.

I metodi indiretti non rimuovono l'acqua dal campione. Prevedono invece la misurazione di alcune proprietà dell'alimento che cambiano al variare del contenuto di umidità. Questi metodi richiedono la calibrazione rispetto a un metodo primario o diretto. La loro accuratezza è limitata dall'accuratezza del metodo primario. I metodi indiretti sono solitamente rapidi e richiedono una preparazione minima del campione, ma sono meno affidabili dei metodi di misurazione diretti. Esempi di metodi di misurazione indiretti includono rifrattometria, assorbimento IR, assorbimento NIR, adsorbimento a microonde, capacità dielettrica, conduttività e assorbimento ultrasonico.

A complicare ulteriormente il processo di misurazione del contenuto di umidità è il fatto che un metodo di misurazione non fornisce necessariamente gli stessi risultati di un altro e che il metodo di misurazione non viene normalmente riportato insieme al valore del contenuto di umidità.

Anche i metodi di misurazione diretta non forniscono risultati coerenti. Qualsiasi metodo che richieda il riscaldamento del campione (ad esempio, la perdita per essiccamento) può portare alla perdita di sostanze organiche volatili o alla decomposizione del campione (soprattutto per i campioni con un alto contenuto di zucchero). Ad esempio, se in un campione sono presenti sostanze organiche volatili o se il campione si decompone durante l'essiccazione, un'analisi Karl Fischer, che non è soggetta a perdita di sostanze volatili o decomposizione, darà risultati diversi rispetto a un'analisi della perdita di essiccamento.

La variabilità è difficile da evitare

Una risposta a questi problemi è semplicemente quella di utilizzare un metodo coerente e confrontare solo i valori ottenuti con lo stesso metodo. Purtroppo, la coerenza nel metodo di misurazione per l'analisi del contenuto di umidità non elimina tutti i problemi. Si consideri, ad esempio, la perdita per essiccazione. Questo metodo sembra abbastanza semplice. Si pesa un campione e si registra il peso. Il campione viene quindi trasferito in un forno, lasciato essiccare e misurato il peso a secco. La quantità di acqua viene determinata sottraendo il peso a secco dal peso iniziale e il contenuto di umidità viene quindi calcolato come quantità di acqua divisa per il peso a secco o il peso totale, a seconda del metodo di segnalazione.

Anche questo semplice metodo di perdita al secco presenta potenziali insidie di variabilità. La più fondamentale è che il termine "secco" non ha un significato scientifico reale e non è mai stato ben definito. È invece necessario stabilire per ogni campione un grado di secchezza arbitrario che sia riproducibile. La "secchezza" è spesso definita come il punto in cui termina la perdita di peso. Tuttavia, i grafici termogravimetrici mostrano che la perdita di peso si stabilizza a temperature diverse a seconda dei prodotti. Inoltre, a seconda del prodotto, il tempo necessario per raggiungere la "secchezza" sarà diverso e una temperatura che produce "secchezza" in un prodotto può causare la decomposizione in un altro. Ciò significa che ogni campione ha una temperatura del forno e un tempo di essiccazione ideali unici. Questa combinazione ideale di tempo/temperatura è disponibile in letteratura per alcuni prodotti, ma per molti altri non è disponibile. È difficile sapere quale combinazione utilizzare per i prodotti non testati. Se non viene utilizzata la stessa combinazione di tempo/temperatura, i contenuti di umidità risultanti non dovrebbero essere confrontati.

Un'altra complicazione è che molti forni impostati su una determinata temperatura possono variare nel tempo fino a 15 °C rispetto a tale temperatura, mentre due forni impostati sulla stessa temperatura possono variare fino a 40 °C.

Altre fonti di variazione per il solo metodo della perdita all'essiccamento includono: pressione di vapore del forno, metodi di preparazione del campione, dimensione delle particelle del campione, pesatura del campione e trattamento post-essiccamento. È interessante notare che, nonostante le potenziali insidie, quando nella letteratura viene riportato il contenuto di umidità determinato con il metodo della perdita all'essiccamento, esso viene immediatamente accettato come corretto. Inoltre, quando si effettuano confronti tra metodi di determinazione del contenuto di umidità e uno di questi metodi è la perdita al secco, si presume sempre che la misurazione della perdita al secco sia corretta.

Che cos'è il "dry"?

Definire il termine "secco" sarebbe utile per eliminare alcune delle incongruenze associate alla misurazione dell'umidità. Il modo migliore per definire il termine "secco" sarebbe quello di identificare l'attività dell'acqua essiccata in forno. Quindi, il peso secco sarebbe il peso del campione quando ha raggiunto questa attività dell'acqua essiccata in forno. In condizioni ambientali comuni di 25 °C e 30% di umidità relativa, un forno impostato a 95 °C creerebbe un'attività dell'acqua essiccata in forno di 0,01 aw all'interno del forno, supponendo che la pressione del vapore nel forno sia la stessa dell'aria. Un forno che mantenesse condizioni in cui la sua attività dell'acqua essiccata in forno fosse sempre 0,01 aw, indipendentemente dalle condizioni ambientali, creerebbe una condizione scientificamente "secca". In questo tipo di forno, qualsiasi prodotto potrebbe essere dichiarato secco quando il suo peso smette di cambiare. La sua attività dell'acqua sarebbe 0,01 aw e il suo peso sarebbe il peso secco. La pressione di vapore e la temperatura del forno potrebbero essere regolate per impedire anche il rilascio di sostanze volatili, purché l'attività dell'acqua nel forno fosse mantenuta a 0,01 aw. L'utilizzo di questo metodo eliminerebbe l'incoerenza derivante dai molteplici metodi di misurazione e da una definizione poco chiara di "secco".

Un'analisi dell'umidità più accurata

Il contenuto di umidità fornisce informazioni preziose sulla resa e sulla quantità, rendendolo importante dal punto di vista finanziario. Fornisce inoltre informazioni sulla consistenza, poiché livelli crescenti di umidità garantiscono mobilità e abbassano la temperatura di transizione vetrosa. Tuttavia, ottenere valori corretti e coerenti del contenuto di umidità può essere difficile e una misurazione del contenuto di umidità non può essere presa per buona senza informazioni sui metodi utilizzati per generarla.  Ulteriori problemi sorgono quando la quantità di acqua in un prodotto viene utilizzata per raccontare una storia che in realtà non racconta, riguardante la consistenza, la qualità o la sicurezza microbica del prodotto. In questi e in altri casi, l'attività dell'acqua è la misura più accurata. Per un'analisi completa dell'umidità, gli sviluppatori di prodotti alimentari e farmaceutici dovrebbero misurare sia il contenuto d'acqua che l'attività dell'acqua. Inoltre, le isoterme di assorbimento dell'umidità possono essere utilizzate per individuare dove è possibile ottenere e mantenere una durata di conservazione, una consistenza, una sicurezza e una qualità ottimali.

Una definizione scientifica dell'attività dell'acqua

L'attività dell'acqua deriva dai principi fondamentali della termodinamica e della chimica fisica. Come principio termodinamico, esistono dei requisiti che devono essere soddisfatti per definire l'attività dell'acqua. Tali requisiti sono: l'acqua pura (aw = 1,0) è lo stato standard, il sistema è in equilibrio e la temperatura è definita.

Allo stato di equilibrio

μ = μo +RT ln (f/fo)

dove: μ (J mol-1) è il potenziale chimico del sistema, ovvero l'attività termodinamica o l'energia per mole di sostanza; μo è il potenziale chimico del materiale puro alla temperatura T (°K); R è la costante dei gas (8,314 J mol-1 K-1) ; f è la fugacità o la tendenza alla fuga di una sostanza; e fo è la tendenza alla fuga del materiale puro (van den Berg e Bruin, 1981). L'attività di una specie è definita come a = f/fo. Quando si tratta di acqua, viene assegnato un pedice alla sostanza.

_aw = f/fo

aw è l'attività dell'acqua, ovvero la tendenza dell'acqua a fuoriuscire dal sistema divisa per la tendenza a fuoriuscire dell'acqua pura senza raggio di curvatura. A fini pratici, nella maggior parte delle condizioni in cui si trovano gli alimenti, la fugacità è approssimata dalla pressione di vapore (f ≈ p), quindi

aw = f/fo ≅ p/po

L'equilibrio si ottiene in un sistema quando μ è uguale in ogni punto del sistema. L'equilibrio tra la fase liquida e quella gassosa implica che μ sia uguale in entrambe le fasi. È proprio questo fatto che consente di misurare la fase gassosa per determinare l'attività dell'acqua nel campione.

L'attività dell'acqua è definita come il rapporto tra la pressione di vapore dell'acqua in un materiale (p) e la pressione di vapore dell'acqua pura (po) alla stessa temperatura. L'umidità relativa dell'aria è definita come il rapporto tra la pressione di vapore dell'aria e la sua pressione di vapore di saturazione. Quando si ottiene l'equilibrio tra vapore e temperatura, l'attività dell'acqua del campione è uguale all'umidità relativa dell'aria che circonda il campione in una camera di misurazione sigillata. Moltiplicando l'attività dell'acqua per 100 si ottiene l'umidità relativa di equilibrio (ERH) in percentuale.

aw = p/po = ERH (%) / 100

L'attività dell'acqua è una misura dello stato energetico dell'acqua in un sistema. Esistono diversi fattori che controllano l'attività dell'acqua in un sistema:

1. Gli effetti colligativi delle specie disciolte (ad esempio sale o zucchero) interagiscono con l'acqua attraverso legami dipolo-dipolo, ionici e idrogeno.
2. Effetto capillare, in cui la pressione di vapore dell'acqua sopra un menisco liquido curvo è inferiore a quella dell'acqua pura a causa dei cambiamenti nel legame idrogeno tra le molecole d'acqua.
3. Interazioni superficiali, in cui l'acqua interagisce direttamente con i gruppi chimici presenti negli ingredienti non disciolti (ad esempio amidi e proteine) attraverso forze dipolo-dipolo, legami ionici (HO o OH), forze di van der Waals (legami idrofobici) e legami idrogeno3–

È la combinazione di questi tre fattori in un prodotto alimentare che riduce l'energia dell'acqua e quindi riduce l'umidità relativa rispetto all'acqua pura. Questi fattori possono essere raggruppati in due grandi categorie: effetti osmotici ed effetti matriciali.

A causa dei vari gradi di interazioni osmotiche e matriciali, l'attività dell'acqua descrive il continuum degli stati energetici dell'acqua in un sistema. L'acqua appare "legata" da forze di varia intensità. Si tratta di un continuum di stati energetici piuttosto che di un "legame" statico. L'attività dell'acqua è talvolta definita come "acqua libera", "legata" o "disponibile" in un sistema. Sebbene questi termini siano più facili da concettualizzare, non riescono a definire adeguatamente tutti gli aspetti del concetto di attività dell'acqua.

L'attività dell'acqua dipende dalla temperatura. La temperatura modifica l'attività dell'acqua a causa dei cambiamenti nel legame dell'acqua, nella dissociazione dell'acqua, nella solubilità dei soluti nell'acqua o nello stato della matrice. Sebbene la solubilità dei soluti possa essere un fattore determinante, il controllo deriva solitamente dallo stato della matrice. Poiché lo stato della matrice (stato vetroso o gommoso) dipende dalla temperatura, non deve sorprendere che la temperatura influenzi l'attività dell'acqua negli alimenti. L'effetto della temperatura sull'attività dell'acqua di un alimento è specifico per ogni prodotto. Alcuni prodotti aumentano l'attività dell'acqua con l'aumentare della temperatura, altri la diminuiscono, mentre la maggior parte degli alimenti ad alto contenuto di umidità subisce variazioni trascurabili con la temperatura. Non è quindi possibile prevedere nemmeno la direzione della variazione dell'attività dell'acqua con la temperatura, poiché essa dipende dal modo in cui la temperatura influisce sui fattori che controllano l'attività dell'acqua negli alimenti.

Come misura dell'energia potenziale, è una forza motrice per il movimento dell'acqua dalle regioni ad alta attività idrica alle regioni a bassa attività idrica. Esempi di questa proprietà dinamica dell'attività dell'acqua sono: la migrazione dell'umidità negli alimenti multidominio (ad esempio, sandwich con cracker e formaggio), il movimento dell'acqua dal suolo alle foglie delle piante e la pressione turgorale delle cellule. Poiché le cellule microbiche sono alte concentrazioni di soluto circondate da membrane semipermeabili, l'effetto osmotico sull'energia libera dell'acqua è importante per determinare le relazioni idriche dei microrganismi e quindi i loro tassi di crescita.

Una misura potente per il controllo qualità/garanzia qualità e la formulazione

L'attività dell'acqua è una misura termodinamica dell'energia dell'acqua in un prodotto. Perché la tua azienda dovrebbe imparare a misurare l'attività dell'acqua? È direttamente correlata alla suscettibilità microbica dei prodotti alimentari. Ha anche relazioni dirette con molte delle reazioni che determinano la durata di conservazione degli alimenti. Poiché viene misurata su una scala con uno standard noto, è particolarmente adatta come specifica di sicurezza e qualità.

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