Zawartość wilgoci a aktywność wody: Wybór odpowiedniej metody pomiaru

Podstawy zawartości wilgoci: Czym jest zawartość wilgoci i do czego służy?

Woda jest wszędzie. W jedzeniu, które jemy, w powietrzu, którym oddychamy, oraz w otaczających nas przedmiotach – i wywiera ona istotny wpływ na właściwości fizyczne ich wszystkich. Nic dziwnego, że specjaliści, od stolarzy po naukowców zajmujących się petrochemią, chcą wiedzieć: ile wody znajduje się w tym materiale?

To proste pytanie. Wydaje się, że powinno mieć proste rozwiązanie. Niestety, uzyskanie jasnej i precyzyjnej odpowiedzi jest bardzo trudne.

Głównym wyzwaniem (choć jest ich wiele) jest pomiar samej wilgoci przy jednoczesnym pominięciu reszty materiału. Kiedy woda dostanie się do wnętrza materiału, często nie daje się łatwo usunąć – co utrudnia jej ekstrakcję i pomiar. Inne metody, takie jak pomiar wilgoci bez jej usuwania z materiału bazowego, wiążą się z szeregiem innych trudności.

Wybór metody pomiaru zależy od dwóch czynników: wymaganej precyzji oraz kompromisów, na jakie jesteś w stanie pójść.

• Jeśli jesteś naukowcem zajmującym się petrochemią i badasz śladowe ilości wody w oleju lub plastiku, możesz być skłonny poświęcić godziny (i środki finansowe) niezbędne do przeprowadzenia miareczkowania.
• Jeśli jesteś stolarzem lub wykonawcą na placu budowy i próbujesz ocenić, czy kawałek drewna nadaje się do użytku, możesz przedłożyć wygodę szybkiego urządzenia przenośnego szacującego poziom wilgoci nad laboratoryjną precyzję.
• Jeśli pracujesz w branży spożywczej lub konopnej, możesz potrzebować czegoś pośredniego, na przykład metody suszarkowo-wagowej – pomiaru o stosunkowo dużej precyzji w rozsądnym czasie.

Powyższe przykłady to tylko wybrane zastosowania pomiarów zawartości wilgoci, ale kompromisy pozostają podobne niezależnie od branży. Niezależnie od wybranej metody należy uważać na liczne nieporozumienia dotyczące tego, co zawartość wilgoci może nam powiedzieć, a czego nie. Prostą zasadą, którą warto zapamiętać, jest to, że zawartość wilgoci to pomiar o charakterze „ilościowym”.

Na przykład zawartość wilgoci jest cennym wskaźnikiem wydajności. Wiele produktów sprzedaje się na wagę, a ponieważ woda jest tak niedrogim (i ciężkim) składnikiem, pomiar zawartości wilgoci i zarządzanie nią mogą mieć ogromny wpływ na zyski.

Zawartość wilgoci dostarcza również informacji o strukturze, ponieważ jej rosnący poziom zapewnia ruchliwość cząsteczek i obniża temperaturę szklenia.

Czego nie dowiesz się z pomiaru zawartości wilgoci? Prawie niczego na temat wskaźników „jakościowych”, takich jak konsystencja, bezpieczeństwo mikrobiologiczne, migracja wilgoci czy degradacja składników odżywczych. Tego typu kluczowe parametry lepiej powierzyć innej metodzie pomiaru – aktywności wody.

Podstawy aktywności wody: Czym jest aktywność wody ($a_w$) i jak się jej używa?

Sama ilość wody w substancji nie daje pełnego obrazu jej wpływu na produkt. W tym tkwią mocne strony aktywności wody.

Analizowana zbyt szczegółowo, aktywność wody może wydawać się pojęciem bardzo złożonym. Na szczęście nie musisz znać termodynamiki ani skomplikowanych równań dowodzących jej działania. Do celów większości użytkowników w zupełności wystarczą następujące ogólne zasady.

1. Aktywność wody mierzy, jak bardzo jest ona energochłonna i dostępna. Niektóre substancje zatrzymują ogromne ilości wody, lecz jest ona związana wiązaniami molekularnymi. Sprawia to, że ma mniejsze zdolności do przemieszczania się czy wchodzenia w interakcje z otoczeniem – nazywamy to niską aktywnością wody, pomimo obecności znacznej ilości wilgoci. Sytuacja odwrotna również jest możliwa: niektóre materiały zawierają bardzo mało wody, która jest jednak wysoce dostępna.
2. Woda dąży do stanu równowagi. Pozostawiając miękkie ciastko w suchym klimacie, środowisko o niskiej aktywności wody wyciąga wilgoć z ciastka o wyższej aktywności wody, dążąc do równowagi. Z drugiej strony, dwa materiały o tym samym poziomie aktywności wody – np. ciasto i pokrywający je lukier – nie będą wymieniać między sobą wilgoci. W skrócie, aktywność wody wskazuje kierunek, w którym woda chce się przemieścić.
3. Poziomy energii wody mają kluczowe znaczenie dla wielu istotnych prognoz. Pozwalają przewidzieć m.in., jakie mikroorganizmy będą się rozwijać na substancji, jak z czasem zmieni się jej struktura, kiedy ulegnie rozkładowi, jak zareaguje z innymi substancjami i wiele więcej.

Aktywność wodną można mierzyć na kilka sposobów, przy czym dwoma najpopularniejszymi są czujniki pojemnościowe oraz higrometry z chłodzonym zwierciadłem. Czujniki pojemnościowe bywają niedrogie, kosztem jednak dokładności i precyzji. Urządzenia z chłodzonym zwierciadłem charakteryzują się większą dokładnością i są powszechnie uznawane za standard w przemyśle spożywczym. Inne, bardziej niszowe metody obejmują rezystancyjne czujniki elektrolityczne oraz przestrajalne lasery diodowe.

W przeciwieństwie do zawartości wilgoci, aktywność wody jest najbardziej przydatna do kontrolowania jakości i bezpieczeństwa substancji lub produktu, a nie jego ilości. Z tego powodu znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i konopnym.

Którą metodę wybrać?

To zależy od Twoich celów. Żadna z metod nie jest po prostu lepsza od drugiej. Mierzą one zupełnie inne zjawiska i każda z nich oferuje ogromne korzyści w określonych warunkach.

Jeśli chcesz uzyskać odpowiednią wagę produktu, aby maksymalizować zysk, Twoim podstawowym wyborem powinna być zawartość wilgoci. Jeśli Twoim celem jest utrzymanie kruchości przekąski przez wiele miesięcy na sklepu półce lub chcesz umieścić galaretkę wewnątrz biszkopta bez doprowadzania do jego namoknięcia, wybierz aktywność wody.‍

Aby dowiedzieć się więcej o nauce stojącej za tymi dwoma pomiarami, zapoznaj się z naszą bazą wiedzy —>

Ponieważ zawartość wilgoci wpływa na teksturę, niektórzy mogą twierdzić, że jest to jedyny pomiar potrzebny do monitorowania zarówno ilości, jak i jakości. Jednak ci, którzy próbują w ten sposób podejść do tematu, szybko przekonują się, że jest to nieefektywne i niemal niemożliwe do kontrolowania w zakresie rozwoju drobnoustrojów oraz innych problemów związanych z jakością przy użyciu wyłącznie zawartości wilgoci.

Izoterme sorpcji wilgoci: Jak zawartość wilgoci i aktywność wody współdziałają ze sobą

Aktywność wody i zawartość wilgoci są cenne z osobna, ale ich powiązanie może ujawnić, dokładnie w jaki sposób rozwiązać długą listę problemów związanych z wilgocią.

Nazywane czasem „mapami wilgoci”, izotermy sorpcji wilgoci przedstawiają na wykresie, jak zmieniają się zawartość wilgoci i poziomy aktywności wody podczas adsorpcji i desorpcji wilgoci z materiału utrzymywanego w stałej temperaturze.

Mówiąc prościej: izoterma pokazuje zmiany zarówno zawartości wilgoci, jak i aktywności wody na tym samym wykresie.

Każda substancja ma inną izotermę, a zależność między zawartością wilgoci a aktywnością wody nie jest liniowa i może być złożona oraz nieprzewidywalna – dopóki nie zostanie przedstawiona w postaci izotermy.

W przeszłości izotermy nie były szczególnie praktyczne ze względu na ponad miesiąc pracy w laboratorium potrzebny do stworzenia pojedynczego wykresów – proces ten polegał na umieszczaniu próbek w desykatorach, a następnie wielokrotnym ich ważeniu przez dni lub tygodnie w celu uzyskania jednego punktu danych. Nowsze technologie zautomatyzowały ten proces i sprawiły, że izotermy stały się bardziej dostępne i praktyczne.

Obecnie są one często wykorzystywane w przemyśle spożywczym do precyzyjnego określania poziomów, przy których dochodzi do zmian takich jak zbrylanie, tworzenie grudek czy utrata tekstury, a także do przewidywania, jak produkt zareaguje na zmiany w recepturze, szacowania okresu trwałości i wielu innych zastosowań. Są również często wykorzystywane do analizy drewna, materiałów budowlanych oraz tekstyliów.

Wyciąganie własnych wniosków

Zawartość wilgoci i aktywność wody mają różne zalety. Wizualizowanie ich razem w postaci izotermy dostarcza cenniejszych informacji niż każda z tych wielkości z osobna.

W wielu przypadkach żadna z tych miar nie jest uniwersalnym rozwiązaniem – wszystko zależy od zastosowania. Wybór należy do użytkownika.

Jeśli potrzebujesz pomocy w podjęciu decyzji, co jest dla Ciebie odpowiednie lub jakiego instrumentu potrzebujesz, skontaktuj się z nami. Nasi eksperci z niecierpliwością czekają na wiadomość od Ciebie.

Uzyskaj pełny obraz sytuacji

Chcesz zostać ekspertem w swojej firmie w zakresie zawartości wilgoci?

Pobierz Kompletny przewodnik po kontroli zawartości wilgoci —>