Base di conoscenza
Definizione dell'attività dell'acqua
Pochi di coloro che usano il termine attività dell'acqua comprendono davvero le equazioni e i principi termodinamici che la rendono così utile. Vediamo come funziona.
L'attività dell'acqua (aw) deriva dai principi fondamentali della termodinamica e della chimica fisica. Come principio termodinamico, nella definizione dell'attività dell'acqua vi 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; efo 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:
- Gli effetti colligativi delle specie disciolte (ad esempio, sale o zucchero) interagiscono con l'acqua attraverso legami dipolo-dipolo, ionici e idrogeno.
- L'effetto capillare, in cui la pressione di vapore dell'acqua al di sopra di un menisco liquido curvo è inferiore a quella dell'acqua pura a causa di cambiamenti nel legame idrogeno tra le molecole d'acqua.
- 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'aumento 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.
Padroneggiare le basi
Scoprite gli elementi essenziali dell'attività dell'acqua in questo webinar di 20 minuti. Imparerete:
Che cos'è l'attività dell'acqua
- Come si differenzia dal contenuto di umidità
- Perché controlla la crescita microbica
- Come la comprensione dell'attività dell'acqua può aiutare a controllare l'umidità nei prodotti.
