®
Wasseraktivität als Messgröße für Sicherheit und Qualität

Wasseraktivität als Messgröße für Sicherheit und Qualität

Wasseraktivität.

Durch die Messung der Wasseraktivität können Lebens- und Arzneimittelunternehmen Rückschlüsse über die Qualität und Sicherheit ihrer Produkte ziehen. Sie ist ein Maß für den Energiestatus von Wasser in einem System und sagt mehr über die mikrobiellen Wachstumsschwankungen aus als der Wassergehalt.

Vorhersagen zur Haltbarkeit.

Wasseraktivität ist ein wichtiges Kriterium anhand dessen Prognosen zur Verderbs- und Verzehrfähigkeit von Produkten getroffen werden können – in Bezug auf mikrobielles Wachstum, chemische und biochemische Reaktionsgeschwindigkeiten und physikalische Eigenschaften.

Abbildung 1 zeigt die Stabilität in Bezug auf die mikrobiellen  Wachstumsgrenzen und die Rate der abbaubaren Reaktionen als Funktion der Wasseraktivität.

aw-stability-diagram

Die Messung der Wasseraktivität bietet Ihnen folgende Möglichkeiten:

• Vorhersagen zu potentiellen Verderbs- und Infektionsquellen verursacht durch Mikroorganismen

• Erhalt der chemischen Stabilität von Produkten

• Reduzierung nichtenzymatischer Bräunungsreaktionen und von spontanen autokatalytischen Lipidoxidationsreaktionen

• Verlängern die Aktivität von Enzymen und Vitaminen

• Optimierung der physikalischen Eigenschaften von Produkten hinsichtlich Feuchtigkeitsmigration, Textur und Haltbarkeit

 

Begrenzung des mikrobakteriellen Wachstums.

Unter einer bestimmten Wasseraktivitätsschwelle können Mikroorganismen nicht wachsen. Wer nur den Wassergehalt misst, wird diese Schwelle nicht erkennen.

Weil Bakterien, Hefe und Schimmelpilze eine gewisse Menge an “verfügbarem” Wasser benötigen, um zu wachsen, ist es ratsam, Produkte so zu gestalten, dass sie unterhalb ihres kritischen aw-Niveaus liegen. Auch wenn theoretisch genügend Wasser vorhanden wäre, können Mikroorganismen bei einem ausreichend niedrigen Energieniveau dieses Wasser nicht für ihr Wachstum nutzen. Dieser “wüstenähnliche” Zustand schafft ein osmotisches Ungleichgewicht zwischen den Mikroorganismen und der lokalen Umgebung. Die Folge ist ein vermindertes oder behindertes Wachstum von Mikroben.

Hürdentechnik

Natürlich beeinflussen auch Temperatur, pH-Wert und andere Faktoren, ob und wie schnell Mikroorganismen wachsen. Die Wasseraktivität ist jedoch der wichtigste Faktor.

Die Wasseraktivität kann mit anderen Konservierungsfaktoren (Hürden), wie Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential usw. kombiniert werden, um Bedingungen zu schaffen, die Mikroorganismen hemmen. Das Wasseraktivitätsniveau, das das Wachstum der überwiegenden Mehrheit der pathogenen Bakterien begrenzt, ist 0,90 aw (0,70 aw für Verderbungsformen). Die untere Grenze für alle Mikroorganismen beträgt 0,60 aw.

In der folgenden Tabelle sind die Wasseraktivitätsgrenzen für Wachstumsbeispiele von Produkten aus bestimmten Bereichen aufgelistet.

table-1

Chemische und biochemische Reaktivität.

Wasseraktivität beeinflusst nicht nur den mikrobiellen Verderb, sondern auch die chemische und enzymatische Reaktivität. Wasser kann die chemische Reaktivität auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Es kann als Lösungsmittel bzw. als Reaktant wirken oder die Beweglichkeit der Reaktanten durch Beeinflussung der Viskosität des Systems verändern. Die Wasseraktivität beeinflusst die nicht-enzymatische Bräunung, die Lipidoxidation, den Abbau von Vitaminen und anderen Nährstoffen. Sie hat außerdem Auswirkungen auf enzymatische Reaktionen, die Proteindenaturierung, die Stärke-Gelatinierung und die Stärke-Retrogradation. Typischerweise nimmt die Rate der chemischen Abbaureaktionen ab, wenn das Wasseraktivitätsniveau gesenkt wird.

Physikalische Eigenschaften.

Die Wasseraktivität wirkt sich auch auf die strukturellen Eigenschaften von Lebensmitteln aus. Lebensmittel mit einem hohem aw-Wert haben eine Textur, die als feucht, saftig, zart und zäh beschrieben wird. Wenn die Wasseraktivität dieser Produkte verringert wird, stellen sich unerwünschte Texturattribute wie Härte, Trockenheit, Stauchbarkeit und Zähigkeit ein. Produkte mit einem geringen aw-Wert haben normalerweise Texturattribute, die als knackig und knusprig beschrieben werden, während diese Produkte bei höheren aw-Niveaus zu einer matten Textur wechseln.

Kritische Wasseraktivitäten bestimmen also, wo Produkte aus sensorischer Sicht inakzeptabel werden.

Zusammenbacken, verklumpen, zusammenfallen oder verkleben.

Die Wasseraktivität ist ein wichtiger Faktor, der die Stabilität von Pulvern und dehydrierten Produkten während der Lagerung beeinflusst. Die Kontrolle der Wasseraktivität in einem Pulverprodukt garantiert die richtige Produktstruktur, Textur, Stabilität, Dichte und ideale Dehydratations-Eigenschaften. Die Kenntnis der Wasseraktivität von Pulvern als Funktion von Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur ist während der Verarbeitung, Handhabung, Verpackung und Lagerung unerlässlich, um das schädliche Phänomen des Zusammenbackens, des Verklumpens, des Zusammenfallens und der Klebrigkeit zu verhindern. Das Aufbacken ist abhängig von der Wasseraktivität, der Zeit und der Temperatur und bezieht sich auf die Kollapsphänomene des Pulvers abhängig von der Gravitationskraft.

Feuchtigkeitsmigration

Die Unterschiede in der Wasseraktivität der einzelnen Komponenten sind die treibende Kraft für Feuchtigkeitswanderungen, da das System ein Gleichgewicht anstrebt. Dadurch ist die Wasseraktivität ein wichtiger Parameter bei der Kontrolle der Wasserwanderung von Mehrkomponentenprodukten.

Einige Lebensmittel enthalten Bestandteile mit verschiedenen Wasseraktivitätsniveaus, zum Beispiel gefüllte Snacks oder Getreide mit getrockneten Früchten. Laut Definition bestimmt die Wasseraktivität, dass Feuchtigkeit von einer Region mit hohem aw-Wert zu einer Region mit niedrigerem aw-Wert wandern wird – die Rate der Migration hängt jedoch von vielen weiteren Faktoren ab. Durch Feuchtigkeitsmigration können in Mehrkomponenten-Lebensmitteln unerwünschte strukturelle Veränderungen entstehen. Feuchtigkeit von getrockneten Früchten mit hohem aw-Wert kann an das Getreide mit niedrigerem aw-Wert abgegeben werden. Das bewirkt, dass die Frucht hart und trocken wird, während das Getreide feucht wird.

Die Kenntnis, ob Wasser von einer bestimmten Komponente absorbiert oder desorbiert wird, ist wichtig, um den Abbau zu verhindern. Besonders, wenn die Substanz feuchtigkeitsempfindlich ist. Ein Beispiel: Wenn gleiche Mengen an Komponente 1 bei 2% und Komponente 2 bei 10% Feuchtigkeitsgehalt zusammengemischt werden, besteht dann ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Komponenten? Der endgültige Feuchtigkeitsgehalt des gemischten Materials wäre 6%, aber wird es zum Feuchtigkeitsaustausch zwischen Komponente 1 und 2 kommen? Die Antwort hängt von den Wasseraktivitäten der beiden Komponenten ab. Ist sie gleich, dann wird keine Feuchtigkeit zwischen den beiden Komponenten ausgetauscht. Bei gleichen Wassergehalt kann es zudem sein, dass zwei Zutaten nicht kompatibel sind, wenn sie gemischt werden. Haben zwei Zutaten eine unterschiedliche Wasseraktivität und einen identischen Wassergehalt, wird das Wasser zwischen den Materialien wandern, bis ein Gleichgewicht hergestellt ist.

Haltbarkeit und Verpackung.

Wasseraktivität ist ein kritischer Faktor bei der Bestimmung der Haltbarkeit von Produkten. Kritische obere und untere Wasseraktivitätsniveaus können in Bezug auf mikrobisches Wachstum, Textur, Geschmack, Aussehen, Aroma, Ernährungs- und Kochqualitäten für Nahrungsmittelprodukte bestimmt werden. Die Rate des Austauschs von Feuchtigkeit durch die Verpackung und die Rate der Änderung des aw-Werts der Nahrung hin zu einer kritischen Grenze bestimmt die Haltbarkeit eines Produkts. Die Kenntnis der Temperatur, der relativen Feuchtigkeit und der kritischen aw-Werte helfen bei der Auswahl einer Verpackung mit den richtigen Barriere-Eigenschaften. Ein wichtiger Punkt, um Qualität und Haltbarkeit zu optimieren.