Aktywność wody w pigułce: Opanuj podstawy

Czym jest aktywność wody? Czy aktywność wody to to samo co zawartość wilgoci? Jak mierzy się aktywność wody? Czy można obniżyć aktywność wody?

Są to jedne z najbardziej fundamentalnych pytań dotyczących aktywności wody. Aby na nie odpowiedzieć – i wyjaśnić wiele innych kwestii – zebraliśmy spostrzeżenia dr. Brady'ego Cartera i dr. Nate'a Olsona, ekspertów ds. aktywności wody z firmy Decagon, aby przedstawić Ci kompleksowy przegląd podstaw aktywności wody. Ich odpowiedzi zostały spisane z webinaru poświęconego aktywności wody (Water Activity 101).

Czym jest aktywność wody?

Aktywność wody to stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej w substancji do ciśnienia cząstkowego czystej wody w danej temperaturze. W skali od 0 do 1,0 określa ona, jak dostępna lub „wolna” jest woda w danej substancji.

Wartość aw wynosząca 0 oznacza brak wolnej wody, natomiast aw równa 1,0 odpowiada ciśnieniu cząstkowemu czystej wody. Aktywność wody nie jest ilością wody w substancji – jest to stan energetyczny wody. Istnieje kluczowa różnica między tymi pojęciami, do której wrócimy później.

Dlaczego aktywność wody jest ważna?

Aktywność wody ma duże znaczenie, ponieważ woda może wywoływać różnorodne zmiany w produkcie. Obecność i dostępność wody mogą prowadzić do:

• Rozwoju mikroorganizmów (bakterii, pleśni, drożdży)
• Zmian chemicznych (brązowienia nieenzymatycznego)
• Zmian fizycznych (zbrylania, zmian sypkości i tekstury)

Znając aktywność wody, można dowiedzieć się bardzo wiele o stabilności i bezpieczeństwie produktu. Znajomość tego parametru pozwala twórcom receptur oraz producentom kontrolować i wydłużać okres trwałości, a także zapewniać bezpieczeństwo.

Pomiar aktywności wody

Najpopularniejszym przyrządem do pomiaru aktywności wody jest higrometr lustrzano-kondensacyjny (np. AQUALAB 4TE).

Działanie higrometru lustrzano-kondensacyjnego polega na umieszczeniu próbki w szczelnej komorze, w której mały wentylator elektryczny cyrkuluje powietrze. Wewnątrz komory znajduje się lustro, które jest schładzane do momentu skroplenia się pary wodnej na jego powierzchni. W momencie kondensacji przyrząd rejestruje temperaturę powietrza nad próbką oraz temperaturę lustra. Obie te wartości służą do obliczenia ciśnienia pary, na podstawie którego wyznaczana jest aktywność wody.

Inne przyrządy do pomiaru aktywności wody to czujniki elektroniczne oraz metoda izopiestyczna (lub grawimetryczna). Na potrzeby tego wprowadzenia skupimy się na higrometrze lustrzano-kondensacyjnym.

Idealna temperatura do pomiaru aktywności wody wynosi 25°C i jest to zarazem temperatura, w której urządzenie domyślnie przeprowadza automatyczną korektę temperaturową. Wiele mierników aktywności wody AQUALAB pozwala uzyskać wynik w około pięć minut z dokładnością do +/- 0,003 aw.

Aktywność wody a zawartość wilgoci

Te dwa pomiary to nie to samo. Oto czym się różnią:

Zawartość wilgoci – ilość wody w substancji, wyrażona jako procent całkowitej masy materiału (w stanie mokrym) lub jako procent suchej masy (w stanie suchym).

Aktywność wody – status energetyczny wody w substancji, wyrażony jako stosunek ciśnień pary.

Nie ma uniwersalnej zależności między zawartością wilgoci a aktywnością wody. Właśnie dlatego aktywność wody jest lepszym wskaźnikiem do przewidywania zachowania i stabilności produktu.

Rozważmy jako przykład czystą wodę oraz nasycony roztwór soli. Oba mają taką samą zawartość wilgoci – 100% wody – jednak ich aktywność wody jest różna. Czysta woda ma aktywność wody równą 1,0, podczas gdy nasycony roztwór soli (mimo że nadal w większości składa się z wody) ma aktywność wody niższą niż 1,0, ponieważ jony w roztworze soli utrudniają swobodny ruch cząsteczek wody.

Istnieją pewne podobieństwa. Wraz ze wzrostem zawartości wilgoci w produkcie zazwyczaj rośnie również aktywność wody. Relacja między nimi jest jednak specyficzna dla danego produktu, a nie uniwersalna.

Izoterme sorpcji

W dziedzinie aktywności wody izoterma sorpcji to wykres przedstawiający zawartość wilgoci w funkcji aktywności wody w stałej temperaturze.

Izotermy sorpcji mają dwa główne zastosowania w naukach o żywności:

1. Zrozumienie, w jaki sposób produkt wchodzi w interakcje z wilgocią (dobór opakowań, okres trwałości).
2. Zrozumienie i przewidywanie cech jakościowych – począwszy od struktury, poprzez stabilność, aż po okres trwałości.

Utworzenie izotermy sorpcji wymaga zmierzenia serii punktów danych dotyczących aktywności wody i zawartości wilgoci dla określonego produktu i temperatury, a następnie przedstawienia tych danych na wykresie. Kształt izotermy sorpcji jest specyficzny dla danego produktu.

Niektóre produkty mają izotermy w kształcie litery S (sigmoidalne). Inne są bardziej liniowe. Kształt izotermy jest powiązany z powinowactwem produktu do wiązania wody.

Izotermy sorpcji pokazują zależność między zawartością wilgoci a aktywnością wody dla konkretnego produktu – a nie relację między jednym produktem a drugim. Jeśli masz dwa produkty, z których każdy ma inną izotermę sorpcji, i zmieszasz je, ostateczna aktywność wody w mieszaninie będzie zależeć od aktywności wody poszczególnych składników, a nie od zawartości wilgoci w nich.

Wpływ temperatury

Aktywność wody zmienia się wraz z temperaturą. W miarę wzrostu temperatury aktywność wody rośnie. Zależność ta jest specyficzna dla produktu, jednak ogólnie rzecz biorąc, wzrost temperatury o 10°C odpowiada wzrostowi aktywności wody o około 0,03 aw.

Wpływ temperatury na aktywność wody jest istotnym czynnikiem podczas przetwarzania i magazynowania. Jeśli produkt jest wytwarzany w wysokiej temperaturze, a następnie schładzany, aktywność wody będzie spadać wraz ze spadkiem temperatury. Może to prowadzić do kondensacji, co z kolei może wywołać zbrylanie, powstawanie grudek i inne problemy z jakością.

Aktywność wody a wzrost drobnoustrojów

Aktywność wody wykazuje bezpośredni związek ze wzrostem drobnoustrojów. Każdy rodzaj mikroorganizmu ma minimalne wymaganie dotyczące aktywności wody, poniżej którego nie może się rozwijać.

Typowe progi aktywności wody dla wzrostu drobnoustrojów:

• 0,97: bakterie takie jak Clostridium botulinum E, Pseudomonas fluorescens
• 0,95: bakterie takie jak Salmonella spp., E. coli
• 0,91: większość bakterii, w tym Bacillus subtilis
• 0,87: Staphylococcus aureus (tlenowe)
• 0,70–0,85: większość pleśni
• 0,60: dolna granica wzrostu wszystkich drobnoustrojów

Wartości te stanowią minimalne wymagania dla wzrostu drobnoustrojów. Jeśli produkt charakteryzuje się aktywnością wody poniżej minimalnego progu dla danego mikroorganizmu, organizm ten nie może się rozwijać.

Aktywność wody w praktyce

Wspomnieliśmy wcześniej, że aktywność wody ma znaczenie dla wzrostu drobnoustrojów, zmian chemicznych oraz fizycznych. Przyjrzyjmy się, jak aktywność wody jest wykorzystywana w praktyce do kontrolowania tych zmiennych:

Wzrost drobnoustrojów – Projektując produkt o aktywności wody poniżej minimalnego progu dla patogenów, technologowie mogą tworzyć wyroby stabilne mikrobiologicznie bez konieczności chłodzenia. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) przyjmuje wartość aktywności wody wynoszącą 0,85 jako próg, poni którego produkt nie musi być chłodzony ze względów bezpieczeństwa.

Zmiany chemiczne – Aktywność wody wpływa na szybkość nieenzymatycznego brązowienia, utleniania lipidów oraz innych reakcji chemicznych. Zrozumienie relacji między aktywnością wody a reakcjami chemicznymi pomaga twórcom receptur optymalizować okres trwałości i stabilność smaku.

Zmiany fizyczne – Aktywność wody wpływa na właściwości fizyczne, takie jak tekstura, skłonność do zbrylania oraz sypkość proszków. Zrozumienie, jak aktywność wody wpływa na te właściwości, pomaga producentom wytwarzać wyroby o powtarzalnych cechach fizycznych.

Aktywność wodna jest kluczowym narzędziem w pracy technologów żywności, służącym do projektowania produktów o przewidywalnym bezpieczeństwie, stabilności i jakości. Rozumiejąc i kontrolując aktywność wodną, producenci mogą wytwarzać lepsze wyroby o dłuższym okresie trwałości i mniejszej liczbie wad jakościowych, co przyczynia się do ograniczenia marnowania żywności i poprawy zrównoważonego rozwoju. Naukowcy wykorzystują również aktywność wodną jako podstawę do przewidywania wzrostu drobnoustrojów, utrzymania stabilności fizycznej i chemicznej, opracowywania receptur produktów oraz prognozowania okresu przydatności do spożycia.

Często zadawane pytania

Jak mierzy się aktywność wodną w żywności?

Aktywność wodną mierzy się poprzez zamknięcie małej próbki w szczelnej komorze i odczytanie względnej wilgotności równowagowej w przestrzeni nad próbką, która w stanie równowagi odpowiada aktywności wodnej tej próbki. Najdokładniejsze urządzenia wykorzystują czujnik punktu rosy z chłodzonym zwierciadłem – taki jak AQUALAB 4TE – który podaje wynik w około pięć minut bez konieczności kalibracji przy użyciu wzorców odniesienia.

Jaki poziom aktywności wodnej wskazuje, że produkt spożywczy jest trwały w temperaturze pokojowej?

FDA stosuje wartość aw 0,85 jako próg, poniżej którego produkt ze względów bezpieczeństwa zazwyczaj nie wymaga chłodzenia – produkty osiągające ten poziom lub niższy są uważane za trwałe w temperaturze pokojowej i odporne na większość patogenów. Rozwój pleśni ustaje poniżej aw 0,70, a jakikolwiek wzrost drobnoustrojów nie zachodzi poniżej aw 0,60, dlatego niskowodne przekąski i produkty suszone są projektowane tak, aby utrzymywać się w tym zakresie.

Czy temperatura wpływa na odczyty aktywności wodnej?

Tak, aktywność wodna rośnie wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ cieplejsze cząsteczki wody generują wyższe ciśnienie pary. Oznacza to, że ten sam produkt zmierzony w temperaturze 25 stopni C wykaże wyższą aktywność wodną niż w 15 stopni C. Pomiary należy zawsze zgłaszać wraz z temperaturą pomiaru, a mierniki AQUALAB domyślnie stosują automatyczną korektę temperatury.

Czy aktywność wodna pozwala przewidzieć reakcje chemiczne, takie jak brązowienie lub utlenianie lipidów?

Tak – aktywność wodna bezpośrednio reguluje tempo nieenzymatycznego brązowienia, utleniania lipidów, degradacji witamin oraz reakcji enzymatycznych w żywności. Większość wskaźników degradacji chemicznej osiąga najniższe wartości przy aktywności wodnej w zakresie od 0,2 do 0,4 i wzrasta znacząco powyżej aw 0,6, co czyni aktywność wodną kluczową zmienną w prognozowaniu stabilności smaku, barwy i zachowania składników odżywczych obok bezpieczeństwa mikrobiologicznego.

Czy aktywność wodna jest regulowana przez FDA?

Tak, FDA wykorzystuje aktywność wodną jako parametr kontrolny w ramach przepisów 21 CFR część 117 oraz FSMA Preventive Controls, przyjmując aw 0,85 jako próg, poniżej którego produkt ze względów bezpieczeństwa zazwyczaj nie wymaga chłodzenia. Producenci, którzy stosują aktywność wodną jako środek kontroli zapobiegawczej, muszą zatwierdzić cele, określić procedury monitorowania oraz udokumentować weryfikację gotowego produktu.

Bibliografia

Labuza, T. P. "Sorption phenomena in foods." Food Technology 22, no. 3 (1968): 263-272.

Scott, W. J. "Water relations of Staphylococcus aureus at 30 degrees C." Australian Journal of Biological Sciences 6 (1953): 549-564.

Labuza, T. P., A. Kaanane, and J. Y. Chen. "Effect of temperature on the moisture sorption isotherms and water activity shift of two dehydrated foods." Journal of Food Science 50, no. 2 (1985): 385-392.

Troller, J. A., and J. H. B. Christian. Water activity and food. Academic Press, 1978.

Fontana, A. J. "Water activity: why it is important for food safety." In Proceedings of the First NSF International Conference on Food Safety, pp. 177-185. 1998.

Slade, L., and H. Levine. "Beyond water activity: recent advances based on an alternative approach to the assessment of food quality and safety." Critical Reviews in Food Science and Nutrition 30, no. 2-3 (1991): 115-360.

Chirife, J., and M. Del Pilar Buera. "Water activity, water glass dynamics, and the control of microbiological growth in foods." Critical Reviews in Food Science and Nutrition 36, no. 5 (1996): 465-513.

Rahman, M. S., and T. P. Labuza. "Water activity and food preservation." In Handbook of Food Preservation, edited by M. S. Rahman, pp. 339-382. CRC Press, 1999.

Ross, K. D. "Estimation of water activity in intermediate moisture foods." Food Technology 29, no. 3 (1975): 26-34.

Carr, J. M., T. Sufferling, and J. Poppe. "Water activity determination: a collaborative study of different methods." Journal of Food Science 41, no. 4 (1976): 910-917.

Scott, W. J. "Water relations of food spoilage microorganisms." In Advances in food research, vol. 7, pp. 83-127. Academic Press, 1957.

‍