Guida completa all'attività dell'acqua per i produttori di alimenti

Per essere un ingrediente economico, l'acqua può causare molti problemi costosi:crescita microbica, muffa, perdita di consistenza, formazione di grumi, irrancidimento e perdita di vitamine. Il modo migliore per capire la presenza di acqua nei prodotti è imparare a misurare l'attività dell'acqua.

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

Combinare i cracker con un contenuto d'acqua del 20% e il ripieno di formaggio del 30%. Una ricetta per cracker inzuppati? No, se i due ingredienti hanno la stessa attività idrica. Avete bisogno di evitare la formazione di grumi e di croste in un lotto di spezie? Fate coincidere le attività dell'acqua dei componenti e il problema è risolto.

La degradazione delle vitamine è funzione dell'attività dell'acqua. Così come l'ossidazione dei lipidi, la croccantezza, la masticabilità, la morbidezza e molti altri fattori di qualità. Il contenuto di umidità vi dirà quanta acqua c'è in un prodotto, ma questo è tutto. Non è in grado di prevedere nessuno di questi altri fattori di qualità e sicurezza.

Prevedere la sicurezza e la stabilità

L'attività dell'acqua predice la sicurezza e la stabilità in relazione alla crescita microbica, ai tassi di reazione chimica e biochimica e alle proprietà fisiche. La Figura 1 mostra la stabilità in termini di limiti di crescita microbica e tassi di reazioni degradative 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 di ossidazione lipidica spontanea autocatalitica
• Prolungare l'attività di enzimi e vitamine
• Ottimizzare le proprietà fisiche dei prodotti per quanto riguarda la migrazione dell'umidità, la consistenza e la durata di conservazione.

Come si misura l'attività dell'acqua?

Se racchiudiamo 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 cose 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 o resistenza elettrica 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 le temperature del campione e del sensore sono uguali. Misure accurate richiedono un buon controllo della temperatura o della misurazione. 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 che rispondono alla domanda su come misurare l'attività dell'acqua sono quelli primari che utilizzano il rapporto p _/p0._P0 (la pressione di saturazione del vapore) 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 misurata misurando la pressione di vapore dell'acqua nello spazio di testa sigillato sopra il campione. Il modo più accurato di misurare questa pressione di vapore, che si rifà ai principi fondamentali, è quello di misurare il punto di rugiada dell'aria.

Le normative governative raccomandano l'uso dell'attività idrica

La Food and Drug Administration statunitense ha incorporato l'attività dell'acqua nei regolamenti di sicurezza. Questi regolamenti descrivono in dettaglio i requisiti e le pratiche specifiche per garantire che i prodotti siano realizzati in condizioni sanitarie e siano puri, sani e sicuri. Utilizzare la tabella seguente come riferimento alle norme 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 del prodotto, potreste scartare un prodotto scaduto ma ancora buono. O vendere un prodotto non scaduto che in realtà è cattivo. Potreste pagare troppo per un imballaggio che non aiuta il vostro prodotto. O rinunciare a una durata di conservazione significativa che deriverebbe da un imballaggio migliore. Il punto è che non potete saperlo con certezza perché state operando al buio.

Allora perché non si fanno più test di conservabilità?

In genere, è perché un vero e proprio test di conservabilità è un compito arduo. Comporta relazioni complesse tra umidità, temperatura e modalità di guasto del prodotto.

Un gran numero di cose potrebbe rendere il vostro prodotto insicuro o sgradevole: muffa, crescita microbica, irrancidimento, alterazione della consistenza o del sapore, degradazione delle vitamine. La maggior parte delle persone non ha le competenze necessarie per eseguire internamente un test completo sulla conservabilità, e rivolgersi a un laboratorio esterno è costoso.

Esiste un'alternativa scientificamente valida a questo tipo di test di conservabilità. È la shelf life, 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. v

Fattori che interrompono 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 legati all'attività dell'acqua.

Crescita microbica

I microrganismi hanno un livello di attività idrica limitante al di sotto del quale non crescono. L'attività dell'acqua, non il contenuto di umidità, determina il limite inferiore di acqua "disponibile" per la crescita microbica. Poiché batteri, lieviti e muffe necessitano di 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 fornisce un mezzo efficace per controllare la crescita.

L'acqua può essere presente, anche a livelli elevati, in un prodotto, ma se il suo livello energetico è sufficientemente basso, i microrganismi non possono 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 crescita microbica sono le minacce più pericolose per la durata di conservazione. Il controllo dell'attività dell'acqua può inibire o precludere la crescita microbica, prolungare la durata di conservazione e consentire la conservazione sicura di alcuni prodotti senza refrigerazione. Utilizzando tabelle ben definite, è possibile stabilire un limite di attività dell'acqua per il proprio prodotto e utilizzarlo nei test di conservabilità.

Deterioramento fisico

Ambienti ad alta e (meno spesso) bassa umidità possono influenzare l'attività idrica di un prodotto, causando cambiamenti indesiderati nella consistenza o nelle proprietà fisiche del prodotto e riducendo la durata di conservazione. I problemi includono la perdita di croccantezza nei prodotti secchi, l'agglomerazione delle polveri e la durezza o la masticabilità nei prodotti umidi. Trovare l'attività dell'acqua critica per il vostro prodotto può richiedere una certa ricerca, ma l'attività dell'acqua lo rende molto più semplice.

Imballaggio, spedizione e stoccaggio

Le variazioni dell'attività dell'acqua durante la spedizione e lo stoccaggio possono influenzare profondamente la durata di conservazione. L'attività dell'acqua è una funzione della temperatura e le temperature di spedizione e stoccaggio possono influenzare l'attività dell'acqua all'interno della confezione. I test di conservabilità semplificati possono aiutarvi a determinare l'imballaggio migliore e a valutare l'effetto delle condizioni di spedizione e stoccaggio sulla conservabilità del vostro prodotto.

Le isoterme individuano il punto di forza dell'attività dell'acqua

Prevedere i cambiamenti del prodotto nel tempo

I produttori di alimenti hanno bisogno di sapere quanto tempo ci vorrà prima che il loro prodotto ammuffisca, si inzuppi, diventi stantio, irrancidisca, si ammassi, si 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. Permette di:

• Individuare i valori critici dell 'attività dell'acqua in cui si verificano cambiamenti come la formazione di croste, la formazione di grumi e la perdita di consistenza.
• Prevedere come il prodotto risponderà alle modifiche degli ingredienti e della formulazione
• Stima accurata della durata di conservazione
• Creare modelli di miscelazione
• Eseguire i calcoli di imballaggio
• Trovare il valore del monostrato (dove un prodotto è più stabile)

Isoterme: il Santo Graal della formulazione

L'isoterma di assorbimento dell'umidità è un grafico che mostra come cambia l'attività dell'acqua (_aw) quando l'acqua viene adsorbita e desorbita da un prodotto tenuto 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 (sigmoidale) per la maggior parte degli alimenti e a forma di J per gli alimenti che contengono materiali cristallini o un elevato contenuto di grassi.

Metodo artigianale poco pratico

Il modo classico per creare un'isoterma consiste nel mettere il campione in un essiccatore con una soluzione salina di attività idrica nota finché il peso del campione non smette di cambiare. Poi, il campione viene pesato per determinare il contenuto d'acqua. Ogni campione produce un punto sulla curva isoterma.

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

Un modo più veloce per creare isoterme

La creazione di isoterme di assorbimento dell'umidità a mano è un'operazione minuziosa. Il metodo doveva essere automatizzato. Il metodo utilizzato per la prima volta - e tuttora utilizzato dalla maggior parte degli strumenti di assorbimento del vapore - è chiamato DVS, o sorteggio dinamico del vapore. Un campione viene esposto a un flusso d'aria a umidità controllata mentre una microbilancia misura le piccole variazioni di peso quando il prodotto adsorbe o desorbe l'acqua. Una volta raggiunto l'equilibrio, lo strumento passa dinamicamente al successivo livello di umidità preimpostato. I test durano da due giorni a diverse settimane.

Il metodo DVS funziona bene per studiare la cinetica dell'assorbimento: cosa succede a un prodotto quando è esposto a determinate umidità e quanto velocemente adsorbe o desorbe l'acqua. Tuttavia, il metodo DVS non è molto utile per creare una curva isoterma ad alta risoluzione, poiché ogni fase di equilibrio produce un solo punto sulla curva isoterma.

Le isoterme DDI rivelano ciò che non è stato visto prima

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 scattando un'istantanea dell'attività dell'acqua e del contenuto di umidità (ogni 5 secondi) mentre il campione è esposto ad aria umidificata o essiccata. I grafici DDI contengono centinaia di punti dati e mostrano dettagli non visibili in precedenza, come i punti critici in cui si verificano caking, clumping, deliquescenza e perdita di consistenza.

Come si creano le isoterme

AQUALAB VSA fornisce automaticamente grafici di isoterme DDI e DVS veloci e ad alta risoluzione che cambiano il modo di comprendere il prodotto. La doppia modalità di test e il sofisticato software di modellazione trasformano i dati in soluzioni necessarie per produrre, monitorare, conservare e spedire un prodotto eccellente.

Trasformare i dati delle isoterme in soluzioni

Il VSA è dotato di un software di modellazione intuitivo e completo. Il Toolkit per l'analisi dell'umidità mostra come trasformare i dati in soluzioni utilizzando modelli predittivi testati dalla ricerca. Troverete tutti i modelli di cui avete bisogno in un unico posto, organizzati in un programma semplice da usare. Identificate l'umidità critica per la transizione del vetro, valutate le prestazioni dell'imballaggio, determinate l'igroscopicità, seguite l'isteresi, prevedete la rottura del rivestimento, trovate la suscettibilità al caking/clumping e altro ancora.

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

Nonostante il doppio imballo e le rigide linee guida per lo stoccaggio a temperatura controllata, un produttore di latte essiccato a spruzzo 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. Grazie alla bassa mobilità, le particelle non si aggregano o si raggruppano quando la polvere è allo stato vetroso. La struttura cristallina è uno stato a più bassa energia, quindi ci saranno sempre alcune molecole in transizione dallo stato vetroso a quello cristallino. I problemi si verificano quando il tasso di transizione raggiunge un punto critico.

L'attività dell'acqua predice il tasso di transizione

A 0,30_aw, potrebbero essere necessari diversi anni perché 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 è cambiato in modo permanente. Trattiene una quantità d'acqua drasticamente diversa, non si scioglie e non ha il sapore giusto. In sostanza, è stato rovinato.

Le isoterme DDI predicono il punto di transizione vetroso

Il punto di transizione vetrosa di polveri come il latte essiccato a spruzzo 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 del latte in polvere essiccato a spruzzo.

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

Test di routine e accurati in 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 dolci stava formulando una ricetta per una torta ripiena di crema. I componenti della ricetta erano la glassa (circa il 7% di umidità), il ripieno di crema (12%) e la torta (15%). La migrazione dell'umidità durante il periodo di conservazione aveva causato in precedenza problemi di consistenza, come torta stantia, glassa gommosa e farcitura di crema liquefatta nella torta.

Vedere 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 l'attività idrica più alta, 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 del prodotto finale

Trasformando le isoterme in diagrammi del chi, l'attività dell'acqua del prodotto finale è risultata pari a 0,67, un valore microbiologicamente sicuro per il panetto.

Evitare spiacevoli sorprese

Il pasticcere è riuscito a cuocere e ad assaggiare la torta all'attività idrica di equilibrio (0,67).

Selezionare l'imballaggio

Le miscele di bevande in polvere monodose sono un segmento di mercato in crescita. L 'imballaggio rappresenta oltre il 50% del costo delle materie prime per questo prodotto. L'obiettivo principale dell'imballaggio è quello di mantenere la miscela di bevande al di sotto della_soglia critica per tutta la durata di conservazione del prodotto.

Il calcolo dell'imballaggio inizia con un valore critico di attività dell'acqua. La capacità di ottenere un punto preciso dalle isoterme dinamiche del punto di rugiada (DDI) rende possibile questo tipo di calcolo dell'imballaggio.

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

L'attività critica dell'acqua - l'esatto punto di inflessione - per questa miscela di bevande è 0,618 a 25° C.

Calcolo della conduttanza del pacchetto

Utilizzando calcoli semplificati sul confezionamento (disponibili in Fundamentals of Isotherms e come strumento software), abbiamo valutato quattro diversi tipi di confezioni per questa miscela di bevande: la confezione originale e tre possibili alternative. In condizioni di abuso di umidità (25° C, 75% di umidità), ecco i risultati:

Comprendere le modifiche alla formulazione

Un'azienda produttrice di alimenti per animali domestici ha modificato la formulazione per ottenere un prodotto privo di conservanti e controllato dall'attività dell'acqua. Poco dopo l'introduzione del prodotto, ha iniziato a registrare dei ritorni a causa del 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, 15° C. Le isoterme eseguite a 15° C, 25° C e 40° C hanno mostrato che se conservato in condizioni di abuso (come spesso accade per il cibo per animali), il deterioramento era probabile.

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

Indagine sui guasti del prodotto

Dopo 13 stagioni senza problemi, un coltivatore di noci pecan si è visto rifiutare il raccolto a causa di problemi di muffa. Per studiare il problema è stata creata un'isoterma.

Per evitare la crescita microbica, le noci pecan devono essere essiccate a 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 inoltre piuttosto piatta in questa regione critica di controllo, per cui una piccola variazione del contenuto di umidità si traduce in un'ampia e potenzialmente pericolosa variazione dell'attività dell'acqua.

L'isoterma mostra che le specifiche sono state impostate troppo basse

L'isoterma completa mostra che il processo del 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 in base alla perdita all'essiccazione. Poiché la sua specifica di rilascio era del 5% e la sua precisione era di ± 0,5%, il contenuto d'acqua effettivo del raccolto essiccato poteva essere compreso tra il 4,5% e il 5,5%.

Qualsiasi cosa, dalla conservazione in condizioni di elevata umidità all'imballaggio inadeguato, potrebbe aver spinto le noci pecan a raggiungere attività idriche non sicure, causandone il deterioramento.

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

Allan, Matthew e Lisa J. Mauer. "Confronto tra metodi per la determinazione dei punti di deliquescenza di ingredienti cristallini singoli 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 di miscele di ingredienti cristallini". Food Chemistry 195 (2016): 2-10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

Barry, Daniel M. e John W. Bassick. "Sviluppo della tuta di fuga avanzata per l'equipaggio dello Space Shuttle della NASA". SAE Technical Paper Series, 1995. doi:10.4271/951545.

Bonner, Ian J., David N. Thompson, Farzaneh Teymouri, Timothy Campbell, Bryan Bals e Jaya Shankar Tumuluru. "Impatto del pretrattamento sequenziale di espansione della fibra di ammoniaca (AFEX) e della pellettizzazione sulle proprietà di assorbimento dell'umidità delle stoppie di mais". Drying Technology 33, no. 14 (2015): 1768-778. doi:10.1080/07373937.2015.1039127.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Campbell, G.S. e Carter, A.H. 2016. Cambiamenti nella permeabilità all'umidità dei cereali in corrispondenza dell'attività critica dell'acqua da isoterme dinamiche del punto di rugiada. Transazioni dell'ASABE. 59(3):1023-1028.

Carter, B.P., Galloway, M.T., Morris, C.F., Weaver, G.L. e Carter, A.H. 2015. L'attività dell'acqua come specifica per la tempra del grano e la produzione di farina. Cereal Foods World 60(4):166-170.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Arron H. Carter. "L'attività critica dell'acqua dalle isoterme dinamiche del punto di rugiada come indicatore di croccantezza nei biscotti a bassa umidità". Journal of Food Measurement and Characterization 9, no. 3 (2015): 463-70. doi:10.1007/s11694-015-9254-3.

Carter, Brady P., Mary T. Galloway, Gaylon S. Campbell e Arron H. Carter. "L'attività critica dell'acqua dalle isoterme dinamiche del punto di rugiada come indicatore della stabilità della polvere premiscelata". Journal of Food Measurement and Characterization 9, no. 4 (2015): 479-86. doi:10.1007/s11694-015-9256-1.

Carter, B.P e S.J. Schmidt. 2012. Sviluppi nella determinazione della transizione vetrosa negli alimenti mediante isoterme di assorbimento dell'umidità. Food Chemistry 132:1693-1698.

Coronel-Aguilera, Claudia P. e M. Fernanda San Martín-González. "Incapsulamento di emulsione di β-carotene essiccata a spruzzo mediante tecnologia di rivestimento a letto fluido". LWT - Food Science and Technology 62, no. 1 (2015): 187-93. doi:10.1016/j.lwt.2014.12.036.

Fonteles, Thatyane Vidal, Ana Karoline Ferreira Leite, Ana Raquel Araújo Silva, Alessandra Pinheiro Góes Carneiro, Emilio De Castro Miguel, Benildo Sousa Cavada, Fabiano André Narciso Fernandes e Sueli Rodrigues. "Trattamento a ultrasuoni per migliorare l'essiccazione della purea di bagassa di mela di anacardo: Influenza sulle proprietà antiossidanti e sulla bioaccessibilità in vitro dei composti bioattivi". Ultrasonics Sonochemistry 31 (2016): 237-49. doi:10.1016/j.ultsonch.2016.01.003.

Hao, Fayi, Lixin Lu e Jun Wang. "Analisi agli elementi finiti della migrazione dell'umidità di alimenti multicomponenti durante la conservazione". Journal of Food Process Engineering 40, n. 1 (2016). doi:10.1111/jfpe.12319.

Hao, Fayi, Lixin Lu e Jun Wang. "Simulazione agli elementi finiti della previsione della durata di conservazione di cracker sensibili all'umidità in imballaggi permeabili in diverse condizioni di conservazione". Journal of Food Processing and Preservation 40, no. 1 (2015): 37-47. doi:10.1111/jfpp.12581.

Kuang, Pengqun, Hongchao Zhang, Poonam R. Bajaj, Qipeng Yuan, Juming Tang, Shulin Chen e Shyam S. Sablani. "Proprietà fisico-chimiche e stabilità di conservazione di microcapsule di luteina preparate con maltodestrine e saccarosio mediante spray drying". Journal of Food Science 80, n. 2 (2015). doi:10.1111/1750-3841.12776.

Liu, Wei, Haifeng Wang, Xifeng Gu, Can Quan e Xinhua Dai. "Certificazione dei materiali di riferimento di tartrato di sodio diidrato e potassio citrico monoidrato per il contenuto di acqua". Anal. Methods 8, no. 13 (2016): 2845-851. doi:10.1039/c5ay03067f.

Marquez-Rios, E., V.m. Ocaño-Higuera, A.n. Maeda-Martínez, M.e. Lugo-Sánchez, M.g. Carvallo-Ruiz e R. Pacheco-Aguilar. "Acido citrico come pretrattamento per l'essiccazione delle carni di capasanta del Pacifico (Nodipecten subnodosus)". Food Chemistry 112, no. 3 (2009): 599-603. doi:10.1016/j.foodchem.2008.06.015.

Penner, Elizabeth A. e Shelly J. Schmidt. "Confronto tra le isoterme di assorbimento dell'umidità ottenute con il nuovo Vapor Sorption Analyzer e quelle ottenute con il metodo standard della fanghiglia salina satura". Journal of Food Measurement and Characterization7, no. 4 (2013): 185-93. doi:10.1007/s11694-013-9154-3.

Rao, Qinchun, Mary Catherine Fisher, Mufan Guo e Theodore P. Labuza. "Stabilità di conservazione di un tuorlo d'uovo commerciale in polvere in matrici alimentari secche e a umidità intermedia". Journal of Agricultural and Food Chemistry 61, no. 36 (2013): 8676-686. doi:10.1021/jf402631y.

Rao, Qinchun, Andre Klaassen Kamdar, Mufan Guo e Theodore P. Labuza. "Effetto della caseina bovina e dei suoi idrolizzati sull'indurimento in sistemi modello di pasta proteica durante la conservazione". Food Control 60 (2016): 621-28. doi:10.1016/j.foodcont.2015.09.007.

Syamaladevi, Roopesh M., Ravi Kiran Tadapaneni, Jie Xu, Rossana Villa-Rojas, Juming Tang, Brady Carter, Shyam Sablani e Bradley Marks. "Variazione dell'attività dell'acqua a temperature elevate e resistenza termica di Salmonella in farina di frumento integrale e burro di arachidi". Food Research International 81 (2016): 163-70. doi:10.1016/j.foodres.2016.01.008.

Wei, Meilin, Xiaoxiang Wang, Jingjing Sun e Xianying Duan. "Un composito POM-MOF 3D basato sullo ione Ni(ΙΙ) e sull'acido 2,2′-bipiridil-3,3′-dicarbossilico: Struttura cristallina e conducibilità protonica". Journal of Solid State Chemistry 202 (2013): 200-06. doi:10.1016/j.jssc.2013.03.041.

Wei ML, Sun JJ, Wang XJ "Preparazione e valutazione della conduttività protonica di un gel di silicato composito drogato con un metallo-Schiff-base-POM-MOF. "Journal of Sol-Gel Science and Technology 71, no. 2 (2014): 324-28. doi:10.1007/s10971-014-3370-0.

Yuan, X., Carter, B.P. e Schmidt, S.J. 2011. Determinazione dell'umidità relativa critica alla quale si verifica la transizione da vetroso a gommoso nel polidestrosio mediante uno strumento automatico di assorbimento del vapore acqueo. Journal of Food Science, 76(1): E78-89.

Zabalaga, Rosa F., Carla I.a. La Fuente e Carmen C. Tadini. "Determinazione sperimentale delle proprietà termofisiche di fette di banana acerba (Musa cavendishii) durante l'essiccazione convettiva". Journal of Food Engineering 187 (2016): 62-69. doi:10.1016/j.jfoodeng.2016.04.020.

Appendice:

Attività dell'acqua e contenuto di umidità

L'attività dell'acqua è spesso ritenuta una misura più complicata del contenuto di umidità. Ma effettuare misurazioni accurate e ripetibili del contenuto di umidità non è così semplice come sembra.

In teoria, la misurazione del contenuto di umidità è facile. Basta determinare la quantità di acqua presente in un prodotto e confrontarla con il peso di tutto il resto del prodotto. In realtà, ottenere una percentuale accurata di acqua in un prodotto è un processo difficile e complesso. Ecco perché.

I diversi metodi di rendicontazione generano confusione

Il contenuto di umidità è 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 è spesso riportato solo in percentuale, senza alcuna indicazione del metodo utilizzato. Sebbene sia facile convertire tra base umida e base secca, si creano confusione e potenziali problemi quando si confrontano i contenuti di umidità riportati su basi diverse. Inoltre, il contenuto di umidità riportato su base secca può risultare in un valore percentuale superiore al 100%, generando ulteriore confusione.

I diversi metodi di misurazione rendono impossibile il confronto

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

I metodi indiretti non rimuovono l'acqua dal campione. Al contrario, prevedono la misurazione di alcune proprietà dell'alimento che cambiano al variare del contenuto di umidità. Questi metodi richiedono la calibrazione con un metodo primario o diretto. La loro accuratezza è limitata dall'accuratezza del metodo primario. I metodi indiretti sono solitamente veloci e richiedono una preparazione minima del campione, ma sono meno affidabili dei metodi di misurazione diretta. Esempi di metodi di misurazione indiretta sono la rifrattometria, l'assorbimento IR, l'assorbimento NIR, l'adsorbimento a microonde, la capacità dielettrica, la conducibilità e l'assorbimento a ultrasuoni.

A complicare ulteriormente il processo di misurazione del contenuto di umidità c'è il fatto che un metodo di misurazione non fornisce necessariamente gli stessi risultati di un altro e 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 (cioè l'essiccazione per perdita) può portare alla perdita di volatili organici o alla decomposizione del campione (soprattutto per i campioni contenenti alti livelli di zucchero). Ad esempio, se in un campione sono presenti volatili organici o se il campione si decompone durante l'essiccazione, un'analisi Karl Fischer, che non è soggetta alla perdita di volatili o alla decomposizione, darà risultati diversi rispetto a un'analisi con essiccazione per perdita.

La variabilità è difficile da evitare

Una risposta a questi problemi è quella di utilizzare semplicemente un metodo coerente e di confrontare solo i valori ottenuti nello stesso modo. Purtroppo, la coerenza del metodo di misurazione per l'analisi del contenuto di umidità non elimina tutti i problemi. Consideriamo, ad esempio, l'essiccazione per perdita. Questo metodo sembra abbastanza semplice. Un campione viene pesato e il peso viene registrato. Il campione viene poi trasferito in un forno, lasciato essiccare e misurato il peso secco. La quantità di acqua viene determinata sottraendo il peso secco dal peso iniziale e il contenuto di umidità viene calcolato come la quantità di acqua divisa per il peso secco o per il peso totale, a seconda del metodo di registrazione.

Anche questo semplice metodo di perdita per essiccamento è pieno di potenziali trappole di variabilità. La più importante è che il termine "secco" non ha un vero significato scientifico e non è mai stato ben definito. Al contrario, è necessario stabilire un grado di secchezza arbitrario e riproducibile per ogni campione. 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 per prodotti diversi. 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 decomposizione in un altro. Ciò significa che ogni campione ha una temperatura ideale del forno e un tempo di essiccazione unici. Questa combinazione ideale di tempo/temperatura è disponibile in letteratura per alcuni prodotti, ma ce ne sono molti per i quali non è disponibile. È difficile sapere quale combinazione utilizzare per i prodotti non testati. Se non si utilizza la stessa combinazione tempo/temperatura, i contenuti di umidità risultanti non devono essere confrontati.

Un'altra complicazione è data dal fatto che molti forni impostati su una stessa temperatura possono variare nel tempo fino a 15 °C, e due forni impostati sulla stessa temperatura possono variare fino a 40 °C.

Ulteriori fonti di variazione per il solo metodo dell'essiccazione per perdita includono: pressione di vapore del forno, metodi di preparazione del campione, dimensione delle particelle del campione, pesatura del campione e trattamento post-essiccazione. È interessante notare che, nonostante le potenziali insidie, quando in letteratura viene riportato un contenuto di umidità con essiccazione a perdita, questo viene immediatamente accettato come corretto. Inoltre, quando si fanno confronti tra metodi di determinazione del contenuto di umidità e uno di questi metodi è l'essiccazione con perdita, si presume sempre che la misurazione con perdita di umidità sia corretta.

Che cosa significa "secco"?

La definizione di "secco" sarebbe utile per eliminare alcune delle incongruenze associate alla misurazione dell'umidità. Il modo migliore per definire il secco sarebbe quello di identificare un'attività dell'acqua secca al forno. Quindi, il peso secco sarebbe il peso del campione quando ha raggiunto questa attività idrica secca al forno. In condizioni ambientali comuni di 25 °C e 30% di UR, un forno impostato a 95 °C creerebbe un'attività dell'acqua asciutta in forno di 0,01_aw all'interno del forno, assumendo che la pressione del vapore nel forno sia la stessa dell'aria. Un forno che mantenesse condizioni in cui l'attività dell'acqua nel forno fosse sempre di 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 variare. L'attività dell'acqua sarebbe stata pari a 0,01_aw e il peso sarebbe stato quello secco. La pressione di vapore e la temperatura del forno possono essere regolate per evitare il rilascio di sostanze volatili, purché l'attività dell'acqua nel forno venga mantenuta a 0,01_aw. L'uso di questo metodo eliminerebbe l'incoerenza che deriva da diversi 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, rendendole importanti dal punto di vista finanziario. Fornisce inoltre informazioni sulla consistenza, in quanto livelli crescenti di umidità forniscono 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 al valore nominale 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, che riguarda la consistenza del prodotto, la qualità o la sicurezza microbica. In questi e 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 che l'attività dell'acqua. Inoltre, le isoterme di assorbimento dell'umidità possono essere utilizzate per individuare i punti in cui 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, nella definizione dell'attività dell'acqua ci sono dei requisiti che devono essere soddisfatti. Questi requisiti sono: l'acqua pura (_aw = 1,0) è lo stato standard, il sistema è in equilibrio e la temperatura è definita.

Nello stato di equilibrio

μ = _μo +RT ln (_f/fo)

dove: μ (J ^mol-1) è il potenziale chimico del sistema, cioè 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, la sostanza viene indicata con un pedice

_aw = _f/fo

_aw è l'attività dell'acqua, ovvero la tendenza alla fuga dell'acqua nel sistema divisa per la tendenza alla fuga dell'acqua pura senza raggio di curvatura. Per scopi pratici, nella maggior parte delle condizioni in cui si trovano gli alimenti, la fugacità è strettamente approssimata dalla pressione di vapore(f ≈ p), quindi

_aw = _f/fo ≅ _p/po

L'equilibrio si ottiene in un sistema quando μ è uguale ovunque nel sistema. L'equilibrio tra la fase liquida e quella di vapore implica che μ sia lo stesso in entrambe le fasi. Questo fatto consente di misurare la fase vapore per determinare l'attività dell'acqua del 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 raggiunge l'equilibrio di 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 di cambiamenti nel legame idrogeno tra le molecole d'acqua.
3. Interazioni di superficie, in cui l'acqua interagisce direttamente con i gruppi chimici sugli ingredienti non disciolti (ad esempio, amidi e proteine) attraverso forze dipolo-dipolo, legami ionici (^H3O+ o OH-⁾, forze di van der Waals (legami idrofobici) e legami a idrogeno.

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

A causa dei diversi gradi di interazioni osmotiche e matriciali, l'attività dell'acqua descrive il continuum di stati energetici dell'acqua in un sistema. L'acqua appare "legata" da forze di vario grado. Si tratta di un continuum di stati energetici piuttosto che di un "vincolo" statico. L'attività dell'acqua viene talvolta definita come "libera", "legata" o "acqua 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 di cambiamenti nel legame con l'acqua, nella dissociazione dell'acqua, nella solubilità dei soluti in acqua o nello stato della matrice. Sebbene la solubilità dei soluti possa essere un fattore di controllo, di solito il controllo è dato dallo stato della matrice. Poiché lo stato della matrice (stato vetroso o gommoso) dipende dalla temperatura, non deve sorprendere che la temperatura influisca sull'attività idrica dell'alimento. L'effetto della temperatura sull'attività idrica di un alimento è specifico del prodotto. Alcuni prodotti aumentano l'attività dell'acqua con l'aumentare della temperatura, altri la diminuiscono_, mentre la maggior parte degli alimenti ad alta umidità presenta variazioni trascurabili con la temperatura. Non si può quindi prevedere nemmeno la direzione della variazione dell'attività dell'acqua con la temperatura, poiché dipende da come la temperatura influisce sui fattori che controllano l'attività dell'acqua nell'alimento.

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

Una misura potente per QA/QC e formulazione

L'attività dell'acqua è una misura termodinamica dell'energia dell'acqua in un prodotto. Perché la vostra azienda dovrebbe imparare a misurare l'attività dell'acqua? È direttamente correlata alla suscettibilità microbica dei prodotti alimentari. Inoltre, ha una relazione diretta con molte delle reazioni che mettono fine alla durata di conservazione degli alimenti. Poiché viene misurata su una scala con uno standard noto, è particolarmente adatta a essere una specifica di sicurezza e qualità.