Guida completa per i produttori alimentari sull'attività dell'acqua (aw)
Pur essendo un ingrediente economico, l'acqua può causare molti problemi costosi nell'industria alimentare. Il modo migliore per comprendere il ruolo dell'acqua nel proprio prodotto è informarsi sull'attività dell'acqua (aw).
Perché l'attività dell'acqua?
L'utilità dell'attività dell'acqua come parametro di valutazione della qualità e della sicurezza è stata riconosciuta quando è apparso evidente che il contenuto di umidità non era in grado di spiegare adeguatamente le fluttuazioni nella crescita microbica. Il concetto di attività dell'acqua (aw) è ormai da decenni uno strumento prezioso per microbiologi e tecnologi alimentari. Si tratta del criterio più comunemente utilizzato per valutare 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 è tutt'altro che libera. È vincolata da legami idrogeno, forze capillari e forze di van der Waals-London. Questi fenomeni sono noti come effetti di matrice. L'acqua nella spugna si trova in uno stato energetico inferiore rispetto a quella nel bicchiere. L'acqua scorrerà nella spugna, ma per farla uscire dovremo compiere un lavoro, 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 essere ridotta anche diluendola con sostanze disciolte. Si tratta dei cosiddetti effetti osmotici. Poiché è necessario un lavoro per riportare l'acqua al suo stato puro e libero, ciò comporta anche una riduzione dell'attività dell'acqua. La variazione totale di energia è data dalla 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 dipende dall'attività dell'acqua. Lo stesso vale per l'ossidazione dei lipidi, la croccantezza, la consistenza gommosa, 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 esclusivamente dalla temperatura del campione (come illustrato nel grafico allegato), quindi è possibile determinare p0 misurando la temperatura del campione. P (la pressione di vapore dell'acqua nel campione) può essere misurata rilevando 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, consiste nel 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 rapidità e la precisione. Il sensore del punto di rugiada a specchio raffreddato è un metodo di misurazione primario basato su principi termodinamici fondamentali. I misuratori di attività dell'acqua a specchio raffreddato effettuano misurazioni altamente precise (±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 dovrebbero misurare una soluzione salina standard per verificare il corretto funzionamento dello strumento. Per alcune applicazioni, la rapidità 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.
| Agenzia | Tipo di prodotto | Numero di riferimento | Ultimo aggiornamento | Descrizione |
| FDA | Cibo | FSMA Sezione 103 | 12-5-16 | Descrive le azioni preventive e l'approccio alla sicurezza basato sul rischio, identifica la necessità di monitorare i controlli preventivi, ma non menziona specificatamente l'attività dell'acqua. |
| FDA | Cibo | 21 CFR parte 117 | 12-5-16 | Descrive la pratica per l'analisi dei pericoli e i controlli preventivi basati sul rischio, comprese le pratiche di monitoraggio per i test quali l'attività dell'acqua (non menziona specificatamente l'attività dell'acqua). |
| FDA | Cibo | Codice alimentare 2013 | 2017 | Il Codice alimentare funge da guida per l'identificazione dei pericoli e dei controlli preventivi nell'ambito delle nuove norme FSMA. La definizione di alimenti potenzialmente pericolosi, riportata nella sezione "Controllo tempo/temperatura per la sicurezza alimentare" del Codice alimentare del 2017, si basa sui valoridi aw e pH e fa riferimento alle tabelle di interazione A e B |
| FDA | Cibo | 21 CFR parte 113 | 5-1-16 | Gli alimenti trattati termicamente sono descritti come non suscettibili alla proliferazione batterica se inferiori a 0,85, codice precedente sostituito dalle informazioni contenute nel codice alimentare del 2013. |
| FDA | Cibo | 21 CFR parte 110.8 | 4-4-15 | Le GMP descritte in questa sezione sotto le operazioni di produzione (2) indicano che le GMP possono essere verificate monitorando l'attività dell'acqua del prodotto per assicurarsi che rimanga a livelli sicuri. |
| USDA | Carne RTE | Modello HACCP generico 10 | 2-05-05 | Identifica l'attività dell'acqua come il metodo appropriato per monitorare il processo di essiccazione, in particolare al posto del rapporto umidità-proteine. |
| USDA | Carne RTE | Linee guida di conformità per la carne essiccata (compresi gli impianti di piccole dimensioni) | 27-05-14 | Sottolinea la necessità di verificare l'attività dell'acqua per dimostrare che il prodotto soddisfa i requisiti del punto critico di controllo e raccomandaun valore di aw inferiore a 0,70 per controllare la formazione di muffe, ma fa riferimento anche al livello di 0,85 |
| USDA | Carne RTE | Linee guida di conformità per il controllo della Listeria | 1-2014 | Discute le opzioni per garantire che i prodotti siano privi di listeria, compreso un trattamento post-letalità che ne impedisce la crescita (a tal fine è possibile ricorrere all'attività dell'acqua, ma ciò non viene specificatamente menzionato). |
| USP | Farmaceutico | USP 922 | Maggio 2021 | Fornisce indicazioni per eseguire misurazioni dell'attività dell'acqua e metodi per farlo. Specifica i metodi per la qualificazione e la calibrazione degli strumenti. Fornisce indicazioni per la comunicazione dei risultati. |
| USP | Farmaceutico | USP 51 | 5-1-16 | Il metodo per i test microbiologici ora specifica che i test si riferiscono solo ai prodotti con un'attività dell'acqua superiore a 0,60 e fa riferimento alla norma USP 1112. |
| ICH | Farmaceutico | Q6A Albero decisionale 6 e 8 | Ottobre 1999 | Riferimenti: se il prodotto è intrinsecamente secco, in modo tale da non favorire la proliferazione microbica, fornire prove scientifiche a sostegno di tale affermazione; in tal caso, potrebbe non essere necessario effettuare test sui limiti microbici. |
| ISO | Cosmetici | ISO 2961 | 6-1-2010 | Linee guida per la valutazione del rischio e l'identificazione dei prodotti a basso rischio microbiologico – numerosi riferimenti all'attività dell'acqua |
L'attività dell'acqua semplifica la durata di conservazione
Senza una durata di conservazione precisa e specifica per ogni prodotto, potresti finire per scartare prodotti scaduti che in realtà sono ancora buoni. Oppure vendere prodotti non scaduti che in realtà sono avariati. Potresti spendere troppo per un imballaggio che non valorizza il tuo prodotto. Oppure rinunciare a una durata di conservazione significativamente più lunga che un imballaggio migliore potrebbe garantire. Il punto è che non ne hai la certezza, perché stai operando alla cieca.
Allora perché non si effettuano più test sulla durata di conservazione?
In genere, ciò è dovuto al fatto che un vero e proprio test di durata di conservazione è un'impresa ardua. Esso comporta infatti complesse interazioni tra umidità, temperatura e modalità di deterioramento del prodotto.
Sono molti i fattori che potrebbero rendere il vostro prodotto non sicuro o sgradevole al palato: muffa, proliferazione microbica, irrancidimento, alterazioni della consistenza o del sapore, perdita di vitamine. La maggior parte delle aziende non dispone delle competenze necessarie per effettuare 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. Questo metodo fornisce tutti i dati necessari per prevedere la durata di conservazione del prodotto attraverso un esperimento che chiunque, anche una piccola startup, può permettersi di condurre.
Durata di conservazione e attività dell'acqua
In che modo l'attività dell'acqua semplifica la durata di conservazione?
- Elimina le distrazioni. Conoscendo l'attività dell'acqua del proprio prodotto, si saprà quali sono i possibili difetti che potrebbero presentarsi.
- 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.
- 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 necessitano di una certa quantità di acqua "disponibile" per crescere, la formulazione di un prodotto con un livello di attività dell'acqua inferiore a quello critico costituisce un mezzo efficace per controllarne la proliferazione.
L'acqua può essere presente in un prodotto, anche in quantità elevate, ma se il suo livello energetico è sufficientemente basso, i microrganismi non riescono a sfruttarla per sostenere la propria crescita. Questa condizione "desertica" crea uno squilibrio osmotico tra i microrganismi e l'ambiente circostante. Di conseguenza, i microrganismi non riescono a proliferare.
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.
| aw | Batteri | Muffa | Lievito | Prodotti tipici |
| 0.97 | Clostridium botulinum E Pseudomonas fluorescens | carne fresca, frutta, verdura, frutta in scatola, verdura in scatola | ||
| 0.95 | Escherichia coli Clostridium perfringens Salmonella spp. Vibrio cholerae | pancetta a basso contenuto di sale, salsicce cotte, spray nasale , collirio | ||
| 0.94 | Clostridium botulinum A, B Vibrio parahaemolyticus | Stachybotrys atra | ||
| 0.93 | Bacillus cereus | Rhizopus nigricans | alcuni formaggi, salumi (prosciutto) prodotti da forno, latte evaporato, liquido ral sospensioni, lozioni topiche | |
| 0.92 | Listeria monocytogenes | |||
| 0.91 | Bacillus subtilis | |||
| 0.90 | Staphylococcus aureus (anaerobico) | Trichothecium roseum | Saccharomyces cerevisiae | |
| 0.88 | Candida | |||
| 0.87 | Staphylococcus aureus (aerobico) | |||
| 0.85 | Aspergillus clavatus | latte condensato zuccherato, formaggi stagionati (cheddar), salumi fermentati (salame), carni essiccate (jerky), pancetta, la maggior parte dei concentrati di succhi di frutta, sciroppo di cioccolato, torta alla frutta, fondenti, sciroppo per la tosse, sospensioni analgesiche orali | ||
| 0.84 | Byssochlamys nivea | |||
| 0.83 | Penicillium expansum Penicillium islandicum Penicillium viridicatum | Deharymoces hansenii | ||
| 0.82 | Aspergillus fumigatus Aspergillus parasiticus | |||
| 0.81 | Penicillium Penicillium cyclopium Penicillium patulum | |||
| 0.80 | Saccharomyces bailii | |||
| 0.79 | Penicillium martensii | |||
| 0.78 | Aspergillus flavus | marmellata, marmellata di agrumi, marzapane, frutta candita, melassa, fichi secchi, pesce molto salato | ||
| 0.77 | Aspergillus niger Aspergillus ochraceous | |||
| 0.75 | Aspergillus restrictus Aspergillus candidus | |||
| 0.71 | Eurotium chevalieri | |||
| 0.70 | Eurotium Amstelodami | |||
| 0.62 | Saccharomyces rouxii | frutta secca, sciroppo di mais, liquirizia, marshmallow, gomme da masticare, alimenti secchi per animali domestici | ||
| 0.61 | Monascus bisporus | |||
| 0.60 | Nessuna proliferazione microbica | |||
| 0.50 | Nessuna proliferazione microbica | caramelle, toffee, miele, noodles, pomate topiche | ||
| 0.40 | Nessuna proliferazione microbica | uova intere in polvere, cacao, pastiglie per la tosse con cuore liquido | ||
| 0.30 | Nessuna proliferazione microbica | cracker, snack a base di amido, preparati per torte, compresse vitaminiche, supposte | ||
| 0.20 | Nessuna proliferazione microbica | caramelle bollite, latte in polvere, latte artificiale |
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 0,7aw, mentre l'ossidazione dei lipidi è ridotta al minimo tra circa 0,2 e 0,3aw. 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 caratterizzati da elevata (e, più raramente, bassa) umidità possono influire sull'attività dell'acqua di un prodotto, provocando alterazioni indesiderate nella consistenza o nelle proprietà fisiche del prodotto stesso e riducendone la durata di conservazione. Tra i problemi riscontrati figurano la perdita di croccantezza nei prodotti secchi, l'agglomerazione e la formazione di grumi nelle polveri, nonché la durezza o la gommosità nei prodotti umidi. Individuare l'attività dell'acqua critica per il proprio prodotto può richiedere un certo lavoro di ricerca, ma l'attività dell'acqua semplifica notevolmente questo compito.

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 tracciare un'isoterma consiste nel collocare il campione in un essiccatore con una soluzione salina a attività dell'acqua nota, fino a quando il peso del campione smette di variare. Successivamente, il campione viene pesato per determinarne il contenuto d'acqua. Ogni campione corrisponde a 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 collaudati dalla ricerca. Troverai tutti i modelli di cui hai bisogno in un unico posto, organizzati in un programma di facile utilizzo. Identificate l'umidità critica per la transizione vetrosa, valutate le prestazioni dell'imballaggio, determinate l'igroscopicità, monitorate l'isteresi, prevedete il deterioramento del rivestimento, individuate la suscettibilità all'agglomerazione 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 presenta proprietà completamente diverse rispetto al lattosio cristallino. A causa della loro scarsa mobilità, le particelle non si aggregano né formano grumi mentre la polvere si trova in uno stato vetroso. La struttura cristallina rappresenta uno stato di energia inferiore, pertanto ci saranno sempre alcune molecole in fase di transizione dallo stato vetroso a quello cristallino. I problemi sorgono quando la velocità di transizione raggiunge un punto di svolta.
L'attività dell'acqua predice il tasso di transizione
Con un valoredi aw pari a 0,30, potrebbero volerci diversi anni prima che tutto il lattosio si cristallizzi. Conun valore di aw pari a 0,40, potrebbe volerci un mese. Al di sopra di 0,43, la transizione avverrà nel giro di poche ore. Una volta che il lattosio si è cristallizzato, il latte in polvere subisce un cambiamento irreversibile. La sua capacità di trattenere l'acqua cambia radicalmente, non si scioglie più e il sapore non è più lo stesso. 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 0,43aw.
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 criticodi 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 0,60aw. Come mostra l'isoterma, 0,60aw 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 dimostra che il processo utilizzato dal coltivatore di noci pecan non era adeguato a garantire la sicurezza e la qualità del suo raccolto. Il coltivatore ha misurato il tenore di umidità tramite la perdita alessiccante. Poiché il limite di rilascio era fissato al 5% e la precisione era di ± 0,5%, il tenore di umidità effettivo 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 la determinazione dei 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 del punto di deliquescenza nelle 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 con espansione delle fibre con ammoniaca (AFEX) e della pellettizzazione sulle proprietà di assorbimento dell'umidità delle stalle di mais." Drying Technology 33, n. 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 all'attività critica dell'acqua dalle 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'importanza dell'attività dell'acqua come specifica per la tempera 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 ricavata dalle isoterme dinamiche del punto di rugiada come indicatore della croccantezza nei biscotti a basso contenuto di umidità." Journal of Food Measurement and Characterization 9, n. 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 ricavata dalle isoterme dinamiche del punto di rugiada come indicatore della stabilità delle polveri premiscelate». Journal of Food Measurement and Characterization 9, n. 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 un'emulsione di β-carotene essiccata a spruzzo mediante la tecnologia di rivestimento a letto fluido». LWT – Food Science and Technology 62, n. 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 anacardio: 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 negli alimenti multicomponenti durante lo stoccaggio». Journal of Food Process Engineering 40, n. 1 (2016). doi:10.1111/jfpe.12319.
Hao, Fayi, Lixin Lu e Jun Wang. «Simulazione con elementi finiti per la previsione della durata di conservazione dei cracker sensibili all'umidità in imballaggi permeabili in diverse condizioni di stoccaggio». Journal of Food Processing and Preservation 40, n. 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 delle microcapsule di luteina preparate con maltodestrine e saccarosio mediante essiccazione a spruzzo." 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 del tartrato di sodio diidrato e del citrato di potassio monoidrato per il contenuto di acqua». Anal. Methods 8, n. 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. "L'acido citrico come pretrattamento nell'essiccazione della polpa della capasanta del Pacifico (Nodipecten subnodosus)." Food Chemistry 112, n. 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 analizzatore di assorbimento del vapore e quelle ottenute con il metodo standard della sospensione salina satura». *Journal of Food Measurement and Characterization*, 7, n. 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 una polvere di tuorlo d’uovo di gallina in commercio in matrici alimentari secche e a umidità intermedia». Journal of Agricultural and Food Chemistry 61, n. 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 modelli di impasti proteici 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 della Salmonella nella farina di grano tenero e nel 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 3D POM–MOF a base di ioni Ni(II) e acido 2,2′-bipiridil-3,3′-dicarbossilico: struttura cristallina e conduttività 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 composito a base di gel di silicato drogato con un MOF a base di metallo-base di Schiff-POM."Journal of Sol-Gel Science and Technology 71, n. 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 avviene la transizione da vetrosa a gommosa nel polidestrosio utilizzando 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 per convezione». Journal of Food Engineering 187 (2016): 62-69. doi:10.1016/j.jfoodeng.2016.04.020.
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 semplice: basta determinare la quantità di acqua presente in un prodotto e confrontarla con il peso di tutti gli altri componenti. In realtà, ottenere una percentuale accurata di acqua 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 basato sulla perdita di peso all'essiccamento presenta numerose insidie in termini di variabilità. La più fondamentale è che il termine "secco" non ha un vero significato scientifico e non è mai stato definito con precisione. È invece necessario stabilire, per ciascun campione, un grado di secchezza arbitrario ma riproducibile. La "secchezza" viene spesso definita come il punto in cui cessa 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" varia, 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 ce ne sono molti per i quali 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.
Cosa significa "secco"?
Definire il concetto di "secco" sarebbe utile per eliminare alcune delle incongruenze legate alla misurazione dell'umidità. Il modo migliore per definire il concetto di "secco" sarebbe quello di stabilire un'attività dell'acqua a secco in forno. In tal caso, il peso a secco sarebbe il peso del campione una volta raggiunta tale attività dell’acqua a secco 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 a secco in forno pari a 0,01 aw all’interno del forno, supponendo che la pressione di vapore nel forno sia la stessa dell’aria. Un forno che mantenesse condizioni in cui l'attività dell'acqua a secco in forno fosse sempre pari a 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 smettesse di variare. La sua attività dell'acqua sarebbe pari a 0,01 aw e il suo peso sarebbe il peso a 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 economico. Fornisce inoltre indicazioni sulla consistenza, poiché livelli crescenti di umidità conferiscono fluidità e abbassano la temperatura di transizione vetrosa. Tuttavia, ottenere valori di contenuto di umidità corretti e coerenti può risultare difficile, e una misurazione del contenuto di umidità non può essere presa per buona senza conoscere i metodi utilizzati per ottenerla. 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 raggiungere 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:
- Gli effetti colligativi delle specie disciolte (ad esempio sale o zucchero) interagiscono con l'acqua attraverso legami dipolo-dipolo, ionici e idrogeno.
- 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.
- 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 diversi gradi di interazione osmotica e matriciale, l'attività dell'acqua descrive il continuum degli stati energetici dell'acqua in un sistema. L'acqua appare "legata" da forze in misura variabile. Si tratta di un continuum di stati energetici piuttosto che di una "legatura" statica. L'attività dell'acqua è talvolta definita come "acqua libera", "acqua 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 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.
Domande frequenti
Quanto tempo occorre per misurare l'attività dell'acqua?
I moderni strumenti per la misurazione del punto di rugiada, come l'AQUALAB 4TE, forniscono una lettura dell'attività dell'acqua in circa cinque minuti con una precisione di +/- 0,003 aw; i sensori a capacità sono più veloci, ma richiedono una taratura periodica rispetto a un metodo primario. I tempi di prova di cinque minuti sono sufficientemente brevi da consentire controlli di qualità in corso d'opera alla maggior parte delle velocità di produzione.
Come posso ridurre l'attività dell'acqua in un prodotto alimentare?
L'attività dell'acqua viene ridotta aggiungendo umettanti — sale, zucchero, glicerolo o glicole propilenico — che legano le molecole d'acqua e ne riducono la pressione di vapore, oppure rimuovendo l'acqua dal prodotto, o ancora combinando entrambi gli approcci. Le isoterme di assorbimento illustrano in che modo ogni modifica della formulazione influisce sull'attività dell'acqua finale, rendendole fondamentali per raggiungere un valore di aw target senza ricorrere a tentativi ed errori.
Qual è la soglia di attività dell'acqua oltre la quale gli alimenti devono essere conservati in frigorifero?
La FDA classifica i prodotti con un valore aw superiore a 0,85 come alimenti soggetti al controllo della temperatura per motivi di sicurezza (TCS), il che significa che richiedono la refrigerazione come misura di sicurezza. I prodotti con un valore aw pari o inferiore a 0,85 sono generalmente considerati a lunga conservazione per quanto riguarda la proliferazione di agenti patogeni, sebbene il rischio di formazione di muffe persista fino a un valore aw di 0,70.
È possibile che due ingredienti, pur essendo sicuri se presi singolarmente, diventino pericolosi se combinati tra loro?
Sì, se i componenti presentano attività dell'acqua diverse, l'acqua migrerà dal componente con attività dell'acqua più elevata a quello con attività dell'acqua più bassa fino al raggiungimento dell'equilibrio, e l'attività dell'acqua finale a regime potrebbe essere sufficientemente elevata da favorire la proliferazione di agenti patogeni. Allineare le attività dell'acqua dei componenti prima di unirli previene questo rischio di migrazione dell'umidità.
È possibile misurare l'attività dell'acqua direttamente in linea di produzione o è necessario ricorrere a un laboratorio?
I misuratori da banco dell'attività dell'acqua sono progettati per gli ambienti di produzione e non richiedono l'uso di un laboratorio: l'AQUALAB 4TE è ampiamente utilizzato in linea negli stabilimenti di produzione alimentare. Sono inoltre disponibili sensori in linea per il monitoraggio continuo durante la lavorazione, senza la necessità di prelevare singoli campioni.
Iscrizione alla newsletter
Casi di studio, webinar e articoli che ti piaceranno.
Ricevi regolarmente gli ultimi contenuti!
