Warum Wasseraktivität messen?

Die Wasseraktivität spielt eine wichtige Rolle für die Produktqualität in vielen Bereichen, darunter:

• Industrielle Produktion
• Lebensmittelindustrie
• Saatgutlagerung
• Pharmaindustrie
• Tabakindustrie

Wie bereits in einem früheren Blog-Beitrag erläutert , sind alle Lebensformen auf Wasser angewiesen. Die Wasseraktivität gibt die Menge an Wasser an, die für Mikroorganismen biologisch verfügbar ist. Jede Mikroorganismen-Art (Bakterien, Hefen, Schimmelpilze...) hat einen Mindestwert für die Wasseraktivität, unter dem kein Wachstum mehr möglich ist.

Die US-amerikanische Lebensmittelbehörde FDA (Food and Drug Administration) hat das Konzept der Wasseraktivität übernommen, um Grenzwerte vorzugeben, bei denen bestimmte Nahrungsmittel anfällig für Schimmel und Bakterien sind, und hat folgende Verordnungen erlassen: Ein Wasseraktivitätsniveau von 0,85 wird als Ausgangspunkt für die Ermittlung verwendet, ob eine säurearme Konserve oder ein angesäuertes Lebensmittel unter diese Verordnungen fällt. Säurearme Konserven können konserviert werden, indem die Wasseraktivität auf einem Niveau von über 0,85 erhalten wird. Der minimale aw-Wert für das Wachstum von C. botulinum liegt bei etwa 0,93.

In Abhängigkeit von den verschiedenen Produkteigenschaften kann dieser Mindestwert bis zu 0,96 betragen. Die Verordnungen (21 CFR 113.3(e) (1) (ii)) besagen, dass die kommerzielle Sterilität durch die Kontrolle der Wasseraktivität und die Anwendung von Hitze erreicht werden kann. Hitze ist im Allgemeinen bei einem aw-Wert von 0,85 erforderlich, um die vegetativen Zellen von Mikroorganismen, die für die öffentliche Gesundheit relevant sind (z. B. Staphylokokken) sowie für das Verderben verantwortliche Mikroorganismen, die in einer Umgebung mit reduziertem aw wachsen können, zu zerstören. Siehe dazu auch die weiteren Kapitel der Verordnung, die sich mit aw-kontrollierten Produkten befassen:

• 21 CFR 113.10
  Besuch einer zugelassenen Fortbildungseinrichtung zum Erlernen der geeigneten Konservierungstechnologie.
• 21 CFR 113.40(i)
  Ausrüstung und Verfahren für die thermische Behandlung von Lebensmitteln, bei denen kritische Faktoren wie z. B. die Wasseraktivität verwendet werden.
• 21 CFR 113.81(f)
  Zusätzlich zu kontrollierende Faktoren zur Verhinderung des Wachstums von Mikroorganismen, die bei der thermischen Behandlung nicht zerstört werden.
• 21 CFR 113.100(a) (6)
  Aufzeichnungspflichten für die aw-Bestimmung.

Es gibt Situationen, in denen während der Produktion keine routinemässige Bestimmung des aw-Wert erforderlich ist. Handelt es sich bei dem Konservierungsmittel beispielsweise um Salz, kann die Bestimmung des Salzanteils ausreichend sein, um die Kontrolle der Wasseraktivität und der kommerziellen Sterilität zu dokumentieren. Das Verarbeitungsunternehmen oder die zuständige Behörde benötigt dabei allerdings Daten, die den Salzgehalt eines bestimmten Produkts durchgängig einem bestimmten aw-Wert zuordnen. Die Wasseraktivität könnte auch durch die White Paper4White Paper zur Wasseraktivitätformulierung kontrolliert werden, sofern die Formulierung anhand von ausreichenden Daten einem bestimmten Aw-Wert zugeordnet werden kann. Da Änderungen bei den Zulieferern den aw-Wert des fertigen Produkts beeinflussen können, sollte das Verarbeitungsunternehmen den aw-Wert regelmässig bestimmen. (Quelle: U.S. Food and Drug Administration)

Wasseraktivität (aw) von weit verbreiteten Lebensmittel

• Kaviar: 0.92 aw
• Schmelzkäse: 0.95 aw
• Milchpulver 8% Gesamtfeuchte: 0.70 aw
• Karamellsauce: 0.83 aw
• Leberpastete: 0.96 aw
• Erdnussbutter 15% Gesamtfeuchte: 0.70 aw
• Rote Bohnenpaste: 0.93 aw
• Salami: 0.82 aw
• Nassfutter für Tiere: 0.83 aw
• Sojasauce: 0.80 aw

Wasser ist der Hauptbestandteil der meisten lebenden Organismen. Aus biologischer Sicht hat Wasser viele verschiedene Eigenschaften, die für die Vermehrung des Lebens entscheidend sind. Es erfüllt diese Aufgabe, indem es organische Verbindungen in einer Weise reagieren lässt, die letztlich die Replikation ermöglicht. Alle bekannten Lebensformen sind auf Wasser angewiesen.

Welche Produkte enthalten Wasser?

Es gibt zwei große Kategorien:

• Hygroskopisch: Stoffe, die Wasser aus ihrer Umgebung aufnehmen
• Salze
• Pflanzliche Fasern (Holz, Papier, Erzeugnisse...)
• Fleisch
Produkte

• Hydrophob: Stoffe, die kein Wasser aus ihrer Umgebung aufnehmen
• Gase
• Sand, Glas in Pulverform
• Metalle in Pulverform

Wasser kann in verschiedenen Produkten unterschiedliche Auswirkungen haben und gilt in der Lebensmittelindustrie als entscheidend für die mikrobiologische, enzymatische, chemische und kompositorische Stabilität der meisten Produkte. Schwankungen in der Wasseraktivität können erhebliche Auswirkungen haben:

• Farbe
• Geschmack
• Nährwert
• Protein- und Vitamingehalt
• Haltbarkeitsdauer
• Lagerung und Verpackung
• Löslichkeit

Wassermigration innerhalb eines Produkts

Die Wasseraktivität des Produkts versucht stets, ein Gleichgewicht mit der umgebenden Atmosphäre zu erreichen. Freies Wasser migriert von Bereichen des Produkts mit hoher Wasseraktivität zu Bereichen mit niedriger Wasseraktivität. Das Wasser migriert, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Gleichgewichtsfeuchte (ERH) = 100 x aw Das statische Gleichgewicht ist eine Reihe von Bedingungen, unter denen ein Produkt und die umgebende Atmosphäre die gleiche Wasseraktivität aufweisen.

• Produkt und Umgebung haben die gleiche Temperatur
• Der Partialdruck des Wasserdampfes in der Umgebung ist derselbe wie im Produkt.

Wie wird Wasseraktivität gesteuert?

Die Wasseraktivität in Produkten kann mit Hilfe verschiedener Zusätze (Feuchthaltemittel), durch den Einsatz geeigneter Verpackungsmaterialien oder durch die Aufrechterhaltung günstiger Reifungs- und Lagerbedingungen kontrolliert werden.

Wie können Messungen der Wasseraktivität in der realen Welt angewendet werden?

Die Wasseraktivität liefert bessere Informationen als der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt:

• Mikrobielle, chemische und enzymatische Stabilität von verderblichen Produkten wie Lebensmittel, Saatgut und pharmazeutischen Produkten
• Kohäsions- und Fliesseigenschaften von hygroskopischem Pulver
• Haftung von Beschichtungen
• Adhäsions- und Verdichtungseigenschaften
• Formstabilität von Materialien wie Papie
• Zugfestigkeit und Rücksprungvermögen
• Streckgrenze und Verdichtung

Gesamtwassergehalt in einem Produkt

Wie bereits erläutert, ist die Wasseraktivität ein Teil des Gesamt-Wasseranteils in einem Produkt und zwar das freie Wasser. In einem Produkt gibt es jedoch auch gebundenes Wasser. Das gebundene Wasser wird in der Regel mittels Infrarottechnologie oder anhand der Trocknungsverluste gemessen: Es ist als Feuchtegehalt bekannt!

Was ist der Feuchtigkeitsgehalt?

Der Feuchtigkeitsgehalt ist der prozentuale Anteil des Wassers am Gewicht des Produkts im Vergleich zum Trocken- oder Nassgewicht des Produkts und umfasst sowohl das gebundene als auch das freie Wasser. Der Feuchtigkeitsgehalt wird oft mit der Wasseraktivität verwechselt.

Können Wasseraktivität und Feuchtegehalt korreliert werden?

Liegt ein Gleichgewicht vor, kann das Verhältnis zwischen dem Prozentanteil an Wasser und der Wasseraktivität eines hygroskopischen Materials grafisch durch eine Kurve dargestellt werden: die Sorptionsisotherme. Für jeden Wasseraktivitätswert zeigt die Sorptionsisotherme den entsprechenden Feuchtegehalt bei einer gegebenen, konstanten Temperatur. Jedes Produkt verfügt über eine eigene Sorptionsisotherme.

Mit Hilfe einer Sorptionsisotherme kann der Feuchtegehalt eines Produkts durch Messung der Wasseraktivität bestimmt werden. Dies ist von Vorteil, da Wasseraktivitätsmessungen schnell und zerstörungsfrei möglich sind. Die Sorptionsisotherme (in der Regel nicht linear) wird durch einen Versuch für jedes einzelne Produkt bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt.

Was sollte man messen: Wasseraktivität oder Feuchtegehalt?

Beide Messungen haben Vor- und Nachteile.

Nachteile bei der Messung des Feuchtegehalts:

• Der Feuchtegehalt sagt nichts darüber aus, wie viel freies Wasser für Mikroorganismen verfügbar ist
• Er liefert keine Informationen darüber, wie das Wasser in oder aus einem Produkt migriert
• Bei der Messung des Feuchtegehalts wird die Probe zerstört
• Der Feuchtegehalt allein hat keine Aussagekraft
• Die Messtechniken sind entweder kosten- oder zeitaufwändig
• Der Feuchtegehalt wird nicht von der Probenaufbereitung beeinflusst

Die Messung der Wasseraktivität bietet dagegen zahlreiche Vorteile:

• Direkte Messung von freiem Wasser
• Zerstörungsfrei
• Erfasst Unterschiede bei der Probenaufbereitung (wichtig bei Produkten, die anfällig für Verderb sind, wie beispielsweise Tabletten, die meisten Nahrungsmittel sowie Saatgut)

Ausführung eines Testverfahrens

Da es sich bei der Wasseraktivität um eine qualitative Messung handelt, kann nur mit dieser Messung Folgendes nicht:

• bestimmt werden
• Haltbarkeit
• Wachstumspotenzial bestimmter Organisme
• Physikalische Eigenschaften (Verklumpen etc.

Um eine aussagekräftige Messung der Wasseraktivität durchzuführen, ist es zudem wichtig, genau die Parameter zu überprüfen, die Sie steuern wollen.

1. Test: Aktuelle Messgrössen und Wasseraktivität

• Haltbarkeitstests
• Anwesenheit von Organismen
• Physikalische Eigenschaften
• Geschmackstest
• Wirksamkeit von Produkten (Arzneimittel, Kosmetika)
• Kostenaufwändige Tests
• Lange Laufzeiten
• Häufig zur Einhaltung von Vorschriften erforderlich

Erste Tests liefern detaillierte Informationen über die Parameter, die gesteuert werden sollen. Die Tests sind zeitaufwändiger und teurer. Sie liefern Details, die Ihnen die Möglichkeit bieten, beispielsweise die Haltbarkeit Ihres speziellen Produkts mit der Wasseraktivität in Zusammenhang zu setzen. Gleichzeitig können Sie die Wasseraktivität von Rohstoffen und Zwischenprodukten aus der Produktion testen.

2. Test: Nur Test der Wasseraktivität

• Rohstoffe (Konsistenz prüfen)
• Fabrikationsprozesse (Rezepturen bleiben gleich)
• Endprodukte (Haltbarkeit und Qualität)
• Schnell und einfach
• Vor Ort/im Feld durchführbar
• Geringere Kosten

Dies bedeutet, dass die anschliessende Messung der Wasseraktivität allein als Indikator für die Haltbarkeit von Endprodukten verwendet werden kann. Zudem bietet die Überprüfung von Rohstoffen und Prozessen die Möglichkeit, Abweichungen zu erfassen, bevor sie Produkte beeinflussen können. Da Wasseraktivitätsmessungen schneller und günstiger sind, reduzieren diese Gemeinkosten und Testdauer.

Beispiel: Nutzung der Wasseraktivität zum Test der Haltbarkeit

Für besondere Lebensmittelprodukte, für die keine Daten zur Wasseraktivität verfügbar sind, kann die Haltbarkeit durch den alleinigen Test der Wasseraktivität nicht exakt bestimmt werden. Falls Produktionsprozesse variieren können, ist es möglicherweise interessant, den Prozess zu verfeinern, um den besten Kompromiss zwischen Produktkosten und Haltbarkeit zu erzielen. In diesem Beispiel wurde Produkt A in vier Chargen produziert, die sofort auf ihre Wasseraktivität getestet und anschliessend einer Langzeit-Haltbarkeitsprüfung unterzogen wurden.

Der Test ergab, dass die Produkte mit einem Wasseraktivitätswert von 0,88 aw oder darunter hergestellt werden sollten, um eine Haltbarkeit von drei Monaten zu gewährleisten. Die schnelle und einfache Wasseraktivitätsmessung kann somit ab sofort als alleiniger Test eingesetzt werden um zu bestätigen, dass Produkte diese Spezifikation erfüllen. Wann ist die alleinige Wasseraktivitätsmessung ausreichend? Wasseraktivitätsmessungen sind bei bekannten Produkten mit definierten Standards ausreichend:

• Getreide, Käse, Salami...

Für diese Produkte wurden von Gesundheitsorganisationen oder Industriegremien bereits detaillierte Tests durchgeführt und Standard-Wasseraktivitätsgrenzwerte für bestimmte Produkte festgelegt. Wasseraktivitätsmessungen sind daher zur einfachen Überwachung von Produktveränderungen ausreichend. Die Wasseraktivität bietet eine schnelle Möglichkeit festzustellen, ob sich ein Endprodukt verändert hat:

• Verarbeitungsänderung (Trocknungszeit, Partikelgrösse)
• Änderungen bei Rohstoffen (wechselnde Lieferanten)
• Verunreinigungen (chemisch oder organisch)

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