Misurare il contenuto di umidità: è più complicato di quanto si pensi

Il tenore di umidità è la percentuale di acqua presente in un prodotto alimentare o in altro materiale, espressa in rapporto al peso umido o secco del materiale stesso.

La quantità di acqua presente in un materiale influisce sulla qualità e sulla durata di conservazione del prodotto, ma il contenuto di umidità da solo non è sufficiente per prevedere la sicurezza o la stabilità del prodotto. Per stabilire se un prodotto è sicuro o stabile, è necessario conoscere anche l'attività dell'acqua.

Che cos'è il contenuto di umidità?

Il tenore di umidità è semplicemente la quantità di acqua presente in un materiale. Viene espresso come percentuale del peso totale del materiale (a umido) o come percentuale della sostanza secca (a secco).

Sebbene entrambi i metodi misurino lo stesso materiale, forniscono risultati diversi poiché utilizzano pesi di riferimento diversi. Per la base umida, il peso di riferimento è il peso totale (acqua + sostanza secca). Per la base secca, il peso di riferimento è costituito esclusivamente dalla sostanza secca. Ciò significa che i valori a base secca saranno sempre superiori a quelli a base umida.

Negli alimenti, il contenuto di umidità influisce sulla consistenza, sul peso, sulla viscosità, sull'aspetto e sulla suscettibilità al deterioramento microbico. L'umidità è in genere la componente più abbondante negli alimenti, il che la rende una variabile fondamentale nella loro composizione.

Come misurare il contenuto di umidità

Il tenore di umidità viene solitamente misurato utilizzando uno di questi tre metodi principali:

• Perdita per essiccamento (nota anche come metodo termogravimetrico)
• Spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR)
• Titolazione di Karl Fischer

Ogni metodo si basa su un principio diverso ed è adatto a diversi tipi di campioni.

1. Perdita per essiccazione

Questo metodo consiste nel misurare il peso di un campione prima e dopo l'essiccazione. Il campione viene essiccato a una temperatura prestabilita fino a quando non raggiunge una massa costante. Il tenore di umidità viene determinato calcolando la perdita di peso subita durante l'essiccazione.

La perdita alessata è un metodo analitico comunemente utilizzato per determinare il tenore di umidità nei solidi e nei semisolidi. Il metodo del forno, descritto nelle norme AOAC 930.15, 935.29, 950.46, 984.25 e altre, è il metodo più diffuso per la misurazione dell'umidità negli alimenti poiché richiede un'infrastruttura minima.

Uno svantaggio dei metodi che prevedono l'uso del forno è che il calore utilizzato per essiccare il campione può causare la volatilizzazione di altri composti volatili, come gli acidi grassi a catena corta e l'alcol. Ciò significa che tali metodi possono portare a una sovrastima del contenuto di umidità in alcuni campioni.

Gli analizzatori di umidità (talvolta chiamati bilance per l'umidità) rappresentano una versione modernizzata del metodo del forno, in grado di misurare e registrare automaticamente la perdita di peso. Sono ampiamente utilizzati nel controllo qualità perché sono semplici, veloci e non richiedono l'uso di strumenti di pesatura separati.

2. Spettroscopia nel vicino infrarosso

La spettroscopia NIR identifica la composizione dei materiali in base al modo in cui questi assorbono e riflettono la luce nello spettro del vicino infrarosso. L'acqua assorbe la luce NIR in modo caratteristico, pertanto la spettroscopia NIR può essere utilizzata per stimare rapidamente il contenuto di umidità.

I principali vantaggi della tecnologia NIR per la misurazione dell'umidità sono la rapidità (risultati in pochi secondi), la natura non distruttiva dei test e la facilità di implementazione in linea o a bordo linea durante il processo di produzione.

Il NIR è un metodo di misurazione indiretto, nel senso che stima il contenuto di umidità sulla base di un modello statistico addestrato con campioni noti. La precisione dipende dalla qualità e dalla pertinenza del modello di calibrazione. I sistemi NIR devono essere calibrati per ogni specifico tipo di prodotto e convalidati rispetto a un metodo primario prima di essere utilizzati nella pratica quotidiana.

3. Titolazione di Karl Fischer

La titolazione di Karl Fischer è un metodo chimico che consente di misurare in modo diretto e specifico la presenza di acqua, anche a livelli molto bassi. A differenza dei metodi che prevedono l'uso del forno, non risente della presenza di altri composti volatili.

La titolazione di Karl Fischer è il metodo di riferimento per la determinazione del contenuto di umidità in molti settori industriali, compresa l'industria farmaceutica (secondo la norma USP 921). È particolarmente indicata per i prodotti che richiedono un'elevata precisione o nei casi in cui l'essiccazione in forno risulterebbe imprecisa o poco pratica.

Formule per il tenore di umidità

La formula da utilizzare dipende dal tipo di base (umida o secca) che si sta riportando.

Formula per il tenore di umidità su base umida

Umidità a umido (%) = [(peso a umido – peso a secco) / peso a umido] x 100

Il concetto di umidità a umido è più diffuso nel settore alimentare e agricolo perché esprime il contenuto d'acqua come frazione del materiale tal quale. Talvolta viene anche definita "umidità tal quale".

Formula per il calcolo del tenore di umidità su base secca

Umidità su base secca (%) = [(peso umido – peso secco) / peso secco] x 100

L'umidità su base secca è comunemente utilizzata nella ricerca e in settori quali quello cerealicolo e dei mangimi, dove è necessario confrontare campioni con livelli di umidità diversi. Una conseguenza della comunicazione dei valori su base secca è che questi possono superare il 100%, il che talvolta crea confusione.

Analisi dell'umidità più accurata

La misurazione del contenuto di umidità è un primo passo utile per caratterizzare un materiale. Tuttavia, il contenuto di umidità non è in grado di indicare se l'acqua presente sia libera di favorire la proliferazione microbica o di innescare reazioni che compromettono la qualità.

Ciò richiede una misurazione dell'attività dell'acqua.

L'attività dell'acqua (aw) indica lo stato energetico dell'acqua presente in un materiale, ovvero la sua disponibilità ad agire come reagente o solvente. Prodotti con lo stesso tenore di umidità possono presentare attività dell'acqua molto diverse tra loro, e attività dell'acqua diverse comportano rischi di deterioramento e comportamenti di conservazione differenti.

Per caratterizzare in modo completo il contenuto di umidità di un prodotto, è necessario misurare sia il tenore di umidità che l'attività dell'acqua. Questa combinazione fornisce informazioni sia sulla quantità che sulla disponibilità dell'acqua, consentendo di prendere decisioni informate in merito alla formulazione, alla lavorazione, al confezionamento e alla durata di conservazione.

Domande frequenti

Che cos'è il contenuto di umidità?

Il tenore di umidità è la percentuale di acqua presente in un materiale, espressa in rapporto al peso totale (base umida) o al peso secco (base secca). Indica la quantità di acqua presente, ma non se tale acqua sia libera di causare deterioramento o problemi di qualità.

Il contenuto di umidità è la stessa cosa del contenuto di acqua negli alimenti?

In scienze alimentari questi termini sono usati in modo intercambiabile: entrambi descrivono la percentuale di acqua presente in un materiale in rapporto al peso. La distinzione significativa non sta tra i due termini, ma nella base di riferimento: la base umida esprime l'acqua come percentuale del peso totale, mentre la base secca la esprime come percentuale della sola sostanza secca.

Qual è il livello di umidità che rende un alimento a lunga conservazione?

Non esiste una soglia affidabile di contenuto di umidità per garantire la stabilità di conservazione, poiché due prodotti con lo stesso contenuto di umidità possono presentare attività dell'acqua molto diverse a seconda del grado di legame dell'acqua con zuccheri, sali o proteine. È l'attività dell'acqua — e non il contenuto di umidità — il parametro che permette di prevedere se si verificheranno crescita microbica, deterioramento o degrado della consistenza.

È possibile confrontare i valori del tenore di umidità forniti da due fornitori diversi se utilizzano metodi diversi?

Non in modo affidabile, poiché metodi diversi misurano parametri diversi e non sono intercambiabili senza un fattore di conversione convalidato. Anche se entrambi i fornitori utilizzano metodi diretti, uno che impiega l'essiccazione in forno ad aria e l'altro il metodo Karl Fischer produrrà risultati sistematicamente diversi per lo stesso prodotto.

È il contenuto di umidità da solo a determinare se un prodotto alimentare è sicuro dal punto di vista microbiologico?

No, perché il tenore di umidità non permette di distinguere tra l'acqua fortemente legata ai soluti e l'acqua libera, che può favorire la proliferazione microbica. L'attività dell'acqua è il parametro che determina il rischio microbico ed è su questo che si basano le normative in materia di sicurezza alimentare, come la FSMA.