Definicja aktywności wody

Aktywność wody (a_w) wywodzi się z fundamentalnych zasad termodynamiki i chemi fizycznej. Jako zasada termodynamiczna wymaga spełnienia określonych warunków definiujących aktywność wody. Warunki te obejmują: czystą wodę (a_w = 1,0) jako stan standardowy, stan równowagi układu oraz zdefiniowaną temperaturę.

W stanie równowagi

μ = μo +RT ln (f/fo)

gdzie: μ (J mol-1) to potencjał chemiczny układu, tj. aktywność termodynamiczna lub energia na mol substancji; μo to potencjał chemiczny czystego materiału w temperaturze T (°K); R to stała gazowa (8,314 J mol-1 K-1); f to fugację lub tendencja substancji do ulatniania się; a fo to tendencja do ulatniania się czystego materiału (van den Berg i Bruin, 1981). Aktywność danego gatunku definiuje się jako a = f/fo. W przypadku wody stosuje się indeks dolny dla tej substancji

a_w = f/fo

a_w to aktywność wody lub tendencja cząsteczek wody do ucieczki z układu podzielona przez tendencję do ucieczki czystej wody bez promienia krzywizny. Do celów praktycznych, w większości warunków, w jakich występują żywność, lotność (fugatywność) jest ściśle przybliżana przez prężność par (f ≈ p), stąd

a_w = f/fo ≅ p/po

Równowaga w układzie zostaje osiągnięta, gdy μ jest jednakowa w każdym jego punkcie. Równowaga między fazą ciekłą a parową oznacza, że μ jest taka sama w obu fazach. Fakt ten umożliwia wyznaczenie aktywności wody w próbce poprzez pomiar fazy parowej.

Aktywność wody definiuje się jako stosunek prężności par wody w materiale (p) do prężności par czystej wody (po) w tej samej temperaturze. Względna wilgotność powietrza jest definiowana jako stosunek prężności par w powietrzu do prężności par nasyconych. Po osiągnięciu równowagi parowej i temperaturowej aktywność wody w próbce jest równa wilgotności względnej powietrza otaczającego próbkę w szczelnej komorze pomiarowej. Pomnożenie aktywności wody przez 100 daje wilgotność względną w stanie równowagi (ERH) w procentach.

a_w = p/po = ERH (%) / 100

Aktywność wody jest miarą stanu energetycznego wody w układzie. Istnieje kilka czynników, które kontrolują aktywność wody w układzie:

1. Efekty koligatywne gatunków rozpuszczonych (np. soli lub cukru) wchodzą w interakcje z wodą poprzez wiązania wodorodowe, jonowe oraz dipol-dipol
2. Efekt kapilarny, w którym prężność par wody nad zakrzywionym meniskiem cieczy jest mniejsza niż prężność czystej wody z powodu zmian w wiązaniach wodorowych między cząsteczkami wody
3. Interakcje powierzchniowe, w których woda oddziałuje bezpośrednio z grupami chemicznymi nierozpuszczonych składników (np. skrobii i białek) poprzez siły dipol-dipol, wiązania jonowe (HO lub OH), siły van der Waalsa (wiązania hydrofobowe) oraz wiązania wodorowe3–

To połączenie tych trzech czynników w produkcie spożywczym obniża energię wody, a tym samym zmniejsza wilgotność względną w porównaniu do czystej wody. Czynniki te można podzielić na dwie główne kategorie: efekty osmotyczne i matrycowe.

Ze względu na zróżnicowany stopień oddziaływań osmotycznych i matrycowych, aktywność wody opisuje ciąg stanów energetycznych wody w układzie. Woda wydaje się być „związana” przez siły w różnym stopniu. Mamy tu do czynienia z ciągiem stanów energetycznych, a nie statycznym „związaniem”. Aktywność wody bywa definiowana jako woda „wolna”, „związana” lub „dostępna” w układzie. Choć te pojęcia są łatwiejsze do wyobrażenia, nie odzwierciedlają one w pełni wszystkich aspektów pojęcia aktywności wody.

Aktywność wody zależy od temperatury. Temperatura zmienia aktywność wody ze względu na zmiany w wiązaniu wody, dysocjację wody, rozpuszczalność substancji rozpuszczonych w wodzie lub stan matrycy. Chociaż rozpuszczalność substancji rozpuszczonych może być czynnikiem kontrolującym, kontrola zazwyczaj wynika ze stanu matrycy. Ponieważ stan matrycy (stan szklisty a stan gumowaty) zależy od temperatury, nie powinno dziwić, że temperatura wpływa na aktywność wody w żywności. Wpływ temperatury na aktywność wody w żywności jest specyficzny dla danego produktu. W przypadku niektórych produktów aktywność wody rośnie wraz ze wzrostem temperatury, w innych a_w spada wraz ze wzrostem temperatury, podczas gdy większość produktów o dużej wilgotności wykazuje nieznaczne zmiany pod wpływem temperatury. Nie można więc przewidzieć nawet kierunku zmiany aktywności wody wraz z temperaturą, ponieważ zależy to od tego, jak temperatura wpływa na czynniki kontrolujące aktywność wody w żywności.

Jako pomiar energii potencjalnej stanowi ona siłę napędową ruchu wody z obszarów o wysokiej aktywności wody do obszarów o niskiej aktywności wody. Przykładami tej dynamicznej właściwości aktywności wody są: migracja wilgoci w żywności wieloskładnikowej (np. kanapce krakersowo-serowej), ruch wody z gleby do liści roślin oraz ciśnienie turgorowe komórek. Ponieważ komórki drobnoustrojów charakteryzują się wysokim stężeniem substancji rozpuszczonych otoczonych błonami półprzepuszczalnymi, efekt osmotyczny na wolną energię wody ma kluczowe znaczenie dla określenia relacji wodnych drobnoustrojów, a tym samym ich szybkości wzrostu.

Opanuj podstawy

Zapoznaj się z najważniejszymi informacjami na temat aktywności wody podsumowanymi w tym 20-minutowym webinarze. Dowiesz się z niego:

• Czym jest aktywność wody
• Czym różni się od zawartości wilgoci
• Dlaczego kontroluje rozwój drobnoustrojów
• Jak zrozumienie aktywności wody może pomóc w kontrolowaniu wilgotności produktu.