Wasseraktivität (a_w) in Pulvern

1. Definition der Wasseraktivität

Was meinen Sie mit Wasseraktivität ?

Die Wasseraktivität in einem Material ist definiert als ein Verhältnis des Dampfdrucks. Ein feuchter Feststoff, wie ein Pulver im hier untersuchten Fall, erzeugt tatsächlich einen Teildampfdruck von Wasser, der mit dem Dampfdruck von Wasser bei der gleichen Temperatur verglichen werden kann. Wasseraktivität wird oft durch das Symbol a_wdargestellt.

Was beeinflusst die Wasseraktivität ?

Je höher der Dampfdruck von Wasser über dem Material, desto höher die Wasseraktivität in den Schüttgütern. Der Dampfdruck, der durch das Material verursacht wird, ist ein Hinweis darauf, wie stark das in dem Material enthaltene Wasser gebunden ist. Tatsächlich kann nicht die gesamte Feuchtigkeit sich "befreien", um eine Dampfphase über dem Feststoff zu erzeugen. Deshalb wird die Wasseraktivität manchmal als Hinweis auf das "freie Wasser" im Feststoff bezeichnet.

Ist Wasseraktivität dasselbe wie Feuchtigkeitsgehalt ?

Es sollte jedoch beachtet werden, dass Wasseraktivität unterschiedlich ist von "Feuchtigkeit" oder "Feuchtigkeitsgehalt", die die Gesamtmenge an Wasser in einem Material quantifizieren (g Wasser / g Feststoff). Der Feuchtigkeitsgehalt umfasst daher das "verfügbare" Wasser, das zur Wasseraktivität beiträgt, und das "nicht verfügbare" oder gebundene Wasser, das nicht beiträgt. Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, insbesondere im Fall von Lebensmitteln, wo die Entwicklung von Mikroorganismen direkt mit dem "freien Wasser" zusammenhängt.

Es ist möglich, die Wasserkativität mit dem Gleichgewicht zu verknüpfen relative Feuchtigkeit.

2. Berechnungsformel der Wasserkativität

Wie kann die Wasserkativität berechnet werden? Was ist die Wasserkativitätsgleichung?

Das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck gibt die Wasserkativität im Schüttgut an. Es kann mit der folgenden Wasserkativitätsformel berechnet werden:

a_w = p/p⁰

Mit:

a_w = Wasserkativität (-)
p = Partialdruck von Wasser (Pa) im Gleichgewicht mit dem Pulver bei Temperatur T
p⁰ = entsprechender Dampfdruck von Wasser (Pa) bei Temperatur T

Die Wasserkativität kann mit der Gleichgewichtsfeuchtigkeit (ERH) über die folgende Formel in Beziehung gesetzt werden:

ERH (%) = a_w * 100%

Beispiel für die Berechnung der Wasserkativität: Schritt für Schritt

Nehmen wir ein Biskuit, wir möchten wissen, was seine Wasserkativität ist. Das Biskuit wird in einem geschlossenen Prüfgerät bei 25°C untergebracht und mit Luft in Gleichgewicht gebracht. Nach einer Weile wird der Partialdruck von Wasser in der umgebenden Luft gemessen. Der Partialdruck beträgt 947 Pa.

-> p = 947 Pa

Die Messung erfolgt bei 25°C, der Sättigungsdruck von Wasser bei dieser Temperatur beträgt 3158 Pa

-> p0 = 3158 Pa

Das Verhältnis p/p0, das die Wasserkativitätsformel darstellt, kann dann berechnet werden:

-> Wasseraktivitätsformel = aw = p/p0 = 947 * 3158 = 0.3

3. Wie misst man die Wasseraktivität

Was ist der Wasseraktivitätstest ?

Die Wasseraktivität muss gemessen werden, indem eine Probe im Gleichgewicht mit der umgebenden Gasphase gebracht und dann die relative Feuchte der Luft gemessen wird. Wie oben gesehen, kann die Gleichgewichtsfeuchte mit der Wasseraktivität verknüpft werden. Es ist kritisch, die Temperatur der Probe während der Messung gut zu beherrschen, da die relative Feuchte von der Temperatur abhängt (der Druck von reinem Wasser ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur) und die Genauigkeit der Messung direkt von der Genauigkeit der Temperaturmessung abhängt.

Die Wiederholung der Messung bei konstanter Temperatur, aber mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten ermöglicht die Bestimmung der Feuchtigkeits-Sorptionsisotherme eines Materials. Die Beziehung zwischen der Wasseraktivität und der Feuchtigkeit ist tatsächlich nicht linear, was bedeutet, dass eine Erhöhung der Feuchtigkeit die Wasseraktivität nicht in den gleichen Proportionen ändert. Sorptionsisothermen liefern sehr wertvolle Hinweise für die Prozessgestaltung oder um sicherzustellen, dass ein Material nicht mit der Zeit verdirbt, insbesondere bei Lebensmitteln.

Wasseraktivitätsmessgeräte

Verschiedene Hersteller haben Laborgeräte für die schnelle Messung der Wasseraktivität einer Probe entwickelt.

Das Unternehmen Syntilab vertreibt solche Instrumente : https://www.syntilab.fr/

(Hinweis: PowderProcess.net hat keine Verbindung zu diesem Unternehmen)

4. Interpretation und Beziehung zur Fließfähigkeit der Wasseraktivität

Die Kontrolle der Wasseraktivität eines Schüttgutes ist kritisch, um sicherzustellen, dass es ordnungsgemäß fließt. Wenn die Wasseraktivität zu hoch ist, neigt ein Feststoff zu Verklumpung, Klumpenbildung, allgemein schlechter Fließfähigkeit. Der Feuchtigkeitsgehalt ist dann hoch genug, um kleine Wasserbrücken zwischen den Partikeln zu bilden und ihr Fließverhalten zu ändern ihr.

Es ist möglich, mit einem Pulver-Rheometer die Beziehung zwischen der "Fließfähigkeit" und der Wasseraktivität zu messen. Pulver mit unterschiedlichen Wasseraktivitäten werden gemessen, wenn die Energie, die erforderlich ist, um sie fließen zu lassen, radikal bei einer bestimmten Wasseraktivität ändert, dann ist das Pulver empfindlich.

5. Wasseraktivität in Lebensmitteln : Mikroorganismenwachstum

Was ist die Rolle der Wasseraktivität bei der Lebensmittelsicherheit und -qualität ?

Wasseraktivität in der Lebensmittelkonservierung

Die Möglichkeit, dass Mikroorganismen auf einem Material wachsen, hängt tatsächlich mit der Wasseraktivität des Materials zusammen. Eine bestimmte Grenze muss erreicht werden, um es den Mikroorganismen zu ermöglichen, zu leben und sich zu entwickeln, da sie "freies Wasser" benötigen, um dies zu tun. Es ist daher erforderlich, dass Lebensmittelhersteller sicherstellen, dass ihre Produkte eine Wasseraktivität unter bestimmten Werten haben, um sicherzustellen, dass Bakterien, Schimmelpilze oder Hefe gehemmt werden.

Ändert sich die Wasseraktivität mit der Zeit ?

Man muss jedoch beachten, dass die Wasseraktivität am Ende der Produktion eine erforderliche Information ist, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, aber die mögliche Änderung der Wasseraktivität aufgrund des Austauschs von Wasser mit trockenerer oder feuchterer Umgebung durch die Verpackung über die Zeit hinweg auch berücksichtigt werden sollte.

Was gilt als niedrige Wasseraktivität ?

Als Größenordnung sollte eine Wasseraktivität von weniger als 0,6 das Wachstum von Mikroorganismen verhindern. Die meisten Materialien müssen jedoch weiter getrocknet werden, um sicherzustellen, dass sie vollständig sicher sind und über die Zeit hinweg bleiben (z. B. werden Babynahrungsmittel bei 0,2 aw getrocknet). Der Zielwert für die Wasseraktivität, um ein sicheres Produkt zu gewährleisten, sollte für jede Substanz überprüft und gegen mögliche Vorschriften geprüft werden.

Wasseraktivität einiger häufiger Lebensmittel

Die folgende Tabelle gibt eine Größenordnung für die Wasseraktivität einiger Lebensmittel :

Lebensmittel	Wasseraktivität aw
Wasser	1
Fleisch / Fisch	0,99
Brot	0.95
Käse	0.85
Marmelade	0.8
Getrocknete Früchte	0.6
Kekse	0.3
Milchpulver, Kaffee-Pulver	0.2
Nudeln	0.2