Attività acquatica 101: Padroneggia le basi

Che cos'è l'attività dell'acqua? L'attività dell'acqua è la stessa cosa del tenore di umidità? Come si misura l'attività dell'acqua? È possibile ridurre l'attività dell'acqua?

Queste sono alcune delle domande fondamentali quando si parla di attività dell'acqua. Per rispondere a queste e ad altre domande, abbiamo raccolto i contributi del dott. Brady Carter e del dott. Nate Olson, esperti di attività dell'acqua di Decagon, per offrirvi una panoramica completa sui fondamenti dell'attività dell'acqua. Le loro risposte sono tratte dal webinar "Water Activity 101".

Che cos'è l'attività dell'acqua?

L'attività dell'acqua è il rapporto tra la pressione di vapore dell'acqua contenuta in una sostanza e la pressione di vapore dell'acqua pura a una data temperatura. Su una scala compresa tra 0 e 1,0, essa indica il grado di disponibilità o "libertà" dell'acqua all'interno di una sostanza.

Un valore di aw pari a 0 indica l'assenza di acqua libera, mentre un valore di aw pari a 1,0 corrisponde alla pressione di vapore dell'acqua pura. L'attività dell'acqua non indica la quantità di acqua presente in una sostanza, bensì lo stato energetico dell'acqua. Esiste una differenza fondamentale tra i due concetti, che approfondiremo più avanti.

Perché è importante l'attività dell'acqua?

L'attività dell'acqua è importante perché l'acqua può determinare numerosi tipi di cambiamenti in un prodotto. La presenza e la disponibilità di acqua possono portare a:

• Sviluppo di microrganismi (batteri, muffe, lieviti)
• Cambiamenti chimici (imbrunimento non enzimatico)
• Cambiamenti fisici (agglomerazione, scorrevolezza, variazioni di consistenza)

Conoscendo l'attività dell'acqua di un prodotto è possibile capire molto sulla sua stabilità e sicurezza. Conoscere l'attività dell'acqua permette ai formulatori e ai produttori di controllare e prolungare la durata di conservazione e di garantire la sicurezza.

Misurazione dell'attività dell'acqua

Lo strumento più comunemente utilizzato per misurare l'attività dell'acqua è il misuratore del punto di rugiada a specchio raffreddato (ad esempio l'AQUALAB 4TE).

Uno strumento per la misurazione del punto di rugiada a specchio raffreddato funziona inserendo il campione in una camera sigillata all'interno della quale un piccolo ventilatore elettrico fa circolare l'aria. All'interno della camera è presente uno specchio che viene raffreddato fino a quando sulla sua superficie non si forma la rugiada. Nel momento in cui si verifica la condensazione, lo strumento registra la temperatura dell'aria sopra il campione e la temperatura dello specchio. Questi due valori vengono utilizzati per calcolare la pressione di vapore, che viene poi impiegata per determinare l'attività dell'acqua.

Altri strumenti per la misurazione dell'attività dell'acqua includono i sensori elettronici e il metodo isopiastico (o gravimetrico). Ai fini di questa introduzione, ci concentreremo sullo strumento a punto di rugiada con specchio raffreddato.

La temperatura ideale per misurare l'attività dell'acqua è di 25 °C, che è anche la temperatura alla quale lo strumento esegue di default la correzione automatica della temperatura. Molti misuratori di attività dell'acqua AQUALAB sono in grado di fornire un risultato in circa cinque minuti con una precisione di +/- 0,003 aw.

Attività dell'acqua vs. contenuto di umidità

Queste due misure non sono la stessa cosa. Ecco in cosa differiscono:

Contenuto di umidità: la quantità di acqua presente in una sostanza, espressa in percentuale del peso totale del materiale (a umido) o in percentuale della sostanza secca (a secco).

Attività dell'acqua: lo stato energetico dell'acqua presente in una sostanza, espresso come rapporto tra le pressioni di vapore.

Non esiste una relazione universale tra il contenuto di umidità e l'attività dell'acqua. Ecco perché l'attività dell'acqua è il parametro più indicativo per prevedere il comportamento e la stabilità di un prodotto.

A titolo di esempio, si considerino l'acqua pura e una soluzione salina satura. Entrambe hanno lo stesso contenuto di umidità – il 100% di acqua – ma presentano attività dell'acqua diverse. L'acqua pura ha un'attività dell'acqua pari a 1,0, mentre una soluzione salina satura (sebbene sia composta prevalentemente da acqua) ha un'attività dell'acqua inferiore a 1,0, poiché gli ioni presenti nella soluzione salina ostacolano il libero movimento delle molecole d'acqua.

Esistono alcune analogie. Man mano che il contenuto di umidità in un prodotto aumenta, in genere aumenta anche l'attività dell'acqua. Tuttavia, la relazione tra i due fattori è specifica per ogni prodotto e non è universale.

Isoterme di assorbimento

Nel campo dell'attività dell'acqua, un'isoterma di assorbimento è un grafico che rappresenta il contenuto di umidità in funzione dell'attività dell'acqua a temperatura costante.

Le isoterme di assorbimento hanno due principali applicazioni nella scienza alimentare:

1. Comprendere come un prodotto interagisce con l'umidità (scelta dell'imballaggio, durata di conservazione).
2. Comprendere e prevedere gli attributi di qualità: dalla consistenza alla stabilità, fino alla durata di conservazione.

Per tracciare un'isoterma di assorbimento è necessario misurare una serie di valori relativi all'attività dell'acqua e al contenuto di umidità per un determinato prodotto e a una determinata temperatura, e poi rappresentare graficamente tali dati. La forma dell'isoterma di assorbimento varia a seconda del prodotto.

Alcuni prodotti presentano isoterme a forma di S (sigmoidi). Altri hanno un andamento più lineare. La forma dell'isoterma è correlata all'affinità di legame del prodotto con l'acqua.

Le isoterme di assorbimento mostrano la relazione tra il contenuto di umidità e l'attività dell'acqua per un determinato prodotto, non la relazione tra un prodotto e l'altro. Se si hanno due prodotti, ciascuno con un'isoterma di assorbimento diversa, e li si miscela insieme, l'attività dell'acqua finale della miscela dipenderà dalle attività dell'acqua dei singoli componenti, non dai loro contenuti di umidità.

L'effetto della temperatura

L'attività dell'acqua varia al variare della temperatura. All'aumentare della temperatura, aumenta anche l'attività dell'acqua. La relazione varia a seconda del prodotto, ma in generale un aumento di 10 °C della temperatura corrisponde a un aumento dell'attività dell'acqua di circa 0,03 aw.

L'effetto della temperatura sull'attività dell'acqua è un fattore importante da tenere in considerazione durante la lavorazione e lo stoccaggio. Se un prodotto viene lavorato ad alta temperatura e poi raffreddato, l'attività dell'acqua diminuisce con l'abbassarsi della temperatura. Ciò può portare alla formazione di condensa, che a sua volta può causare la formazione di grumi, agglomerati e altri problemi di qualità.

Attività dell'acqua e proliferazione microbica

L'attività dell'acqua è direttamente correlata alla crescita microbica. Ogni tipo di microrganismo ha un requisito minimo di attività dell'acqua al di sotto del quale non può crescere.

Soglie comuni di attività dell'acqua per la crescita microbica:

• 0,97: batteri quali Clostridium botulinum E, Pseudomonas fluorescens
• 0,95: batteri quali Salmonella spp., E. coli
• 0,91: la maggior parte dei batteri, compreso il Bacillus subtilis
• 0,87: Staphylococcus aureus (aerobico)
• 0,70–0,85: la maggior parte delle muffe
• 0,60: limite inferiore della crescita microbica complessiva

Questi valori rappresentano i requisiti minimi per la crescita microbica. Se un prodotto presenta un'attività dell'acqua inferiore al requisito minimo per un determinato microrganismo, tale organismo non può proliferare.

L'attività dell'acqua in azione

Abbiamo già accennato al fatto che l'attività dell'acqua influisce sulla crescita microbica, sui cambiamenti chimici e su quelli fisici. Vediamo ora come l'attività dell'acqua viene utilizzata nella pratica per controllare queste variabili:

Sviluppo microbico – Progettando un prodotto con un'attività dell'acqua inferiore al valore minimo richiesto per gli agenti patogeni, i formulatori possono creare prodotti che si conservano a temperatura ambiente senza bisogno di refrigerazione. La FDA utilizza un'attività dell'acqua pari a 0,85 come soglia al di sotto della quale non è necessario refrigerare un prodotto per garantirne la sicurezza.

Cambiamenti chimici – L'attività dell'acqua influisce sulla velocità dell'imbrunimento non enzimatico, dell'ossidazione dei lipidi e di altre reazioni chimiche. Comprendere la relazione tra l'attività dell'acqua e le reazioni chimiche aiuta i formulatori a ottimizzare la durata di conservazione e la stabilità del sapore.

Cambiamenti fisici – L'attività dell'acqua influisce su proprietà fisiche quali la consistenza, la tendenza all'agglomerazione e la scorrevolezza della polvere. Comprendere in che modo l'attività dell'acqua influisca su queste proprietà aiuta i produttori a realizzare prodotti con caratteristiche fisiche costanti.

L'attività dell'acqua è uno strumento fondamentale nell'arsenale del formulatore per la progettazione di prodotti con caratteristiche prevedibili in termini di sicurezza, stabilità e qualità. Comprendendo e controllando l'attività dell'acqua, i produttori possono realizzare prodotti migliori, con una durata di conservazione più lunga e un minor numero di difetti qualitativi, contribuendo così a ridurre lo spreco alimentare e a migliorare la sostenibilità. I ricercatori utilizzano inoltre l'attività dell'acqua come base per prevedere la crescita microbica, mantenere la stabilità fisico-chimica, formulare i prodotti e stimarne la durata di conservazione.

Domande frequenti

Come si misura l'attività dell'acqua negli alimenti?

L'attività dell'acqua viene misurata sigillando un piccolo campione in una camera chiusa e rilevando l'umidità relativa di equilibrio dello spazio di testa, che corrisponde all'attività dell'acqua del campione allo stato di equilibrio. Gli strumenti più precisi utilizzano un sensore del punto di rugiada a specchio raffreddato — come l'AQUALAB 4TE — che fornisce una lettura in circa cinque minuti senza richiedere alcuna taratura rispetto a standard di riferimento.

Qual è il livello di attività dell'acqua che caratterizza un prodotto alimentare a lunga conservazione?

La FDA utilizza un valore di aw pari a 0,85 come soglia al di sotto della quale, per motivi di sicurezza, un prodotto non deve generalmente essere conservato in frigorifero: i prodotti con un valore pari o inferiore a tale soglia sono considerati stabili a temperatura ambiente rispetto alla maggior parte degli agenti patogeni. La proliferazione delle muffe si arresta al di sotto di un valore di aw pari a 0,70, mentre al di sotto di 0,60 non si verifica alcuna proliferazione microbica; ecco perché gli snack a basso contenuto di umidità e i prodotti essiccati sono formulati per mantenersi in tale intervallo.

La temperatura influisce sulle misurazioni dell'attività dell'acqua?

Sì, l'attività dell'acqua aumenta all'aumentare della temperatura, poiché le molecole d'acqua più calde generano una pressione di vapore maggiore; ciò significa che lo stesso prodotto, se misurato a 25 °C, presenterà un'attività dell'acqua più elevata rispetto a quella rilevata a 15 °C. I risultati delle misurazioni devono sempre essere riportati indicando la temperatura di misurazione; gli analizzatori AQUALAB applicano di default una correzione automatica della temperatura.

L'attività dell'acqua può prevedere reazioni chimiche come l'imbrunimento o l'ossidazione dei lipidi?

Sì — l'attività dell'acqua determina direttamente la velocità di imbrunimento non enzimatico, l'ossidazione dei lipidi, la degradazione delle vitamine e le reazioni enzimatiche negli alimenti. La maggior parte delle velocità di degradazione chimica raggiunge i valori più bassi a livelli di attività dell'acqua compresi tra 0,2 e 0,4 e aumenta in modo significativo al di sopra di un'aw pari a 0,6, rendendo l'attività dell'acqua una variabile fondamentale per prevedere la stabilità del sapore, la stabilità del colore e la conservazione dei nutrienti, oltre alla sicurezza microbica.

L'attività dell'acqua è regolamentata dalla FDA?

Sì, la FDA utilizza l'attività dell'acqua come parametro di controllo ai sensi del 21 CFR Parte 117 e dei controlli preventivi previsti dal FSMA, con un valore di aw pari a 0,85 come soglia al di sotto della quale, per motivi di sicurezza, non è generalmente richiesta la refrigerazione del prodotto. I produttori che utilizzano l'attività dell'acqua come controllo preventivo devono convalidare i valori target, definire le procedure di monitoraggio e documentare la verifica del prodotto finito.

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