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Wasseraktivitätsdefinition

Wasseraktivitätsdefinition

Die Wasseraktivität leitet sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gibt es Anforderungen, die für eine Definition der Wasseraktivität erfüllt werden müssen. Dazu gehören reines Wasser mit einem aw-Wert von 1,0. Dies ist der Standardzustand, das System ist im Gleichgewicht und die Temperatur ist definiert.

Im Gleichgewichtszustand:

μ = μo + RT ln (f / fo)

Es gilt:

μ (J mol-1) ist das chemische Potential des Systems, d.h. die thermodynamische Aktivität oder Energie pro Mol Substanz; μo ist das chemische Potential des reinen Materials bei der Temperatur T (°K);

R ist die Gaskonstante (8.314 J mol-1 K-1);

f ist die Flüchtigkeit oder die entweichende Tendenz einer Substanz;

fo ist die flüchtige Tendenz des reinen Materials (van den Berg und Bruin, 1981).

Die Aktivität ist definiert als a = f / fo. Beim Umgang mit Wasser ist ein Index für den Stoff bestimmt,

aw = f / fo

aw ist die Wasseraktivität oder die flüchtige Tendenz des Wassers im System geteilt durch die entweichende Tendenz von reinem Wasser ohne Krümmungsradius. Für praktische Zwecke, unter den meisten Bedingungen, in denen Lebensmittel gefunden werden, wird die Flüchtigkeit durch den Dampfdruck (f ≈ p) so angenähert;

aw = f / fo p / po

Das Gleichgewicht wird in einem System erhalten, wenn μ überall im System gleich ist. Das Gleichgewicht zwischen der Flüssigkeit und den Dampfphasen impliziert, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Es ist diese Tatsache, die die Messung der Dampfphase erlaubt, um die Wasseraktivität der Probe zu bestimmen.

Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks von Wasser in einem Material (p) zum Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei der gleichen Temperatur. Die relative Feuchtigkeit der Luft ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks der Luft zu ihrem Sättigungsdampfdruck. Wenn das Dampf- und Temperaturgleichgewicht erhalten wird, ist die Wasseraktivität der Probe gleich der relativen Feuchtigkeit der Luft, die die Probe in einer abgedichteten Messkammer umgibt. Die Multiplikation der Wasseraktivität um 100 ergibt die relative Relative Feuchtigkeit (ERH) in Prozent.

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

Wasseraktivität ist ein Maß für den Energiestatus des Wassers in einem System. Es gibt mehrere Faktoren, die die Wasseraktivität in einem System kontrollieren. Kolligative  Effekte von gelösten Stoffen (z. B. Salz oder Zucker) gehen Wechselwirkungen mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbrücken ein. Die Kapillarwirkung des Dampfdrucks von Wasser oberhalb einer gekrümmten Flüssigkeit ist durch die Änderungen der Wasserstoffbindung zwischen Wassermolekülen geringer als die des reinen Wassers. Es gibt Oberflächen-Wechselwirkungen, bei denen Wasser direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Inhaltsstoffe (z. B. Stärken und Proteinen) durch Dipol-Dipol-Kräfte, Ionenbindungen (H3O + oder OH-), van-der-Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrücken zusammenwirkt. Eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittelprodukt reduziert die Energie des Wassers und somit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser. Diese Faktoren können einerseits in osmotische Effekte und andererseits in Matrixeffekte gruppiert werden.

Aufgrund unterschiedlicher Grade der osmotischen und Matrix- Wechselwirkungen beschreibt die Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser ist durch Kräfte in unterschiedlichem Maße “gebunden”. Dies ist dabei immer ein Kontinuum von Energiezuständen und keine statische “Grenze”. Die Wasseraktivität wird hin und wieder als “frei”, “gebunden” oder “verfügbares Wasser” in einem System bezeichnet. Obwohl diese Begriffe leichter zu verstehen sind, können sie nicht alle Aspekte des Begriffs der Wasseraktivität adäquat definieren.

Die Wasseraktivität ist temperaturabhängig. Die Temperatur ändert die Wasseraktivität aufgrund von Änderungen der Wasserbindung, der Dissoziation von Wasser, der Löslichkeit von gelösten Stoffen in Wasser oder dem Zustand der Matrix. Obwohl die Löslichkeit von gelösten Stoffen ein kontrollierender Faktor sein kann, wird gewöhnlich aus dem Zustand der Matrix heraus kontrolliert. Da der Zustand der Matrix (glasig vs. gummiartiger Zustand) von der Temperatur abhängig ist, sollte man nicht überrascht sein, wenn die Temperatur die Wasseraktivität des Nahrungsmittels beeinflusst. Die Wirkung der Temperatur auf die Wasseraktivität eines Lebensmittels ist produktspezifisch. Einige Produkte erhöhen ihre Wasseraktivität mit steigender Temperatur, andere verringern sie mit steigender Temperatur. Die meisten feuchten Nahrungsmittel haben jedoch eine vernachlässigbare Änderung mit der Temperatur. Damit ist es nicht möglich, die Veränderung der Wasseraktivität über die Temperatur vorherzusagen.

Als potentielle Energiemessung ist die Wasseraktivität eine treibende Kraft für die Wasserbewegung von Stoffen mit hoher Wasseraktivität zu Stoffen mit geringer Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität sind die Feuchtigkeits-Migration in Multidomain-Nahrungsmitteln (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), die Bewegung von Wasser aus dem Boden zu den Blättern der Pflanzen und der Zell-Turgor-Druck. Da mikrobielle Zellen eine hohe Konzentration von gelösten Stoffen vorweisen, die vom semipermeablen Membranen umgeben sind, ist die osmotische Wirkung auf die freie Energie des Wassers wichtig für die Bestimmung der mikrobiellen Wasserverhältnisse und damit ihrer Wachstumsraten.