L'attività dell'acqua (_aw) deriva dai principi fondamentali della termodinamica e della chimica fisica. Come principio termodinamico, esistono dei requisiti che devono essere soddisfatti nella definizione dell'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. L'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 avviene solitamente dallo stato della matrice. Poiché lo stato della matrice (stato vetroso vs. gommoso) dipende dalla temperatura, non dovrebbe 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.

Padroneggia le basi

Scopri gli aspetti fondamentali delle attività acquatiche condensati in questo webinar di 20 minuti. Imparerai:

• Che cos'è l'attività dell'acqua
• In che cosa differisce dal contenuto di umidità
• Perché controlla la crescita microbica
• Come comprendere l'attività dell'acqua può aiutarti a controllare l'umidità nel tuo prodotto.