Wateractiviteit (a_w) in poeders

1. Definitie van wateractiviteit

Wat bedoelt u met wateractiviteit?

De wateractiviteit in een materiaal wordt gedefinieerd als de verhouding van dampdruk. Een vochtig vast materiaal, zoals een poeder in het hier bestudeerde geval, genereert immers een partiële druk van water, die vergeleken kan worden met de verzadigingsdampdruk van water bij dezelfde temperatuur. Wateractiviteit wordt vaak aangeduid met het symbool a_w.

Wat beïnvloedt wateractiviteit?

Hoe hoger de dampdruk van water boven het materiaal, hoe hoger de wateractiviteit in bulkvaste stoffen. De dampdruk als gevolg van het materiaal is een indicatie van hoe sterk het water in het materiaal gebonden is. Niet al het vocht kan zich immers "vrijmaken" om een dampfase boven de vaste stof te creëren. Daarom wordt wateractiviteit soms beschouwd als een indicatie van het "vrije water" dat beschikbaar is in de vaste stof.

Is wateractiviteit hetzelfde als vochtgehalte?

Het moet echter worden opgemerkt dat wateractiviteit verschilt van "vochtigheid" of "vocht" die de totale hoeveelheid water in een materiaal kwantificeren (gram water / gram vaste stof). Het vochtgehalte omvat dus zowel het "beschikbare" water, dat bijdraagt aan de wateractiviteit, als het "niet-beschikbare", of gebonden water dat dit niet doet. Dit onderscheid is zeer belangrijk, met name bij voedingsmiddelen, waar de groei van micro-organismen direct gerelateerd is aan het "vrije water".

Het is mogelijk om de wateractiviteit te koppelen aan de evenwichts- relatieve luchtvochtigheid.

2. Berekeningsformule van wateractiviteit

Hoe berekent u wateractiviteit? Wat is de wateractiviteits- vergelijking?

De verhouding tussen beide dampdrukken geeft de wateractiviteit in de bulkvaste stof. Deze kan worden berekend met de volgende formule voor wateractiviteit:

a_w = p/p⁰

Met:

a_w = wateractiviteit (-)
p = partiële druk van water (Pa) in evenwicht met het poeder bij temperatuur T
p⁰ = overeenkomstige verzadigingsdampdruk van water (Pa) bij temperatuur T

De wateractiviteit kan gerelateerd worden aan de evenwichtsrelatieve luchtvochtigheid (ERH) met behulp van de volgende formule:

ERH (%) = a­w * 100%

Wateractiviteitsberekening: stap-voor-stap voorbeeld

Laten we een koekje beschouwen; we willen weten wat de wateractiviteit ervan is. Het koekje wordt in een gesloten testopstelling geplaatst bij 25°C en in evenwicht gebracht met lucht. Na enige tijd wordt de partiële druk van water in de lucht rond het koekje gemeten. De partiële druk bedraagt 947 Pa.

-> p = 947 Pa

De meting wordt uitgevoerd bij 25°C; de verzadigingsdruk van water bij deze temperatuur is 3158 Pa.

-> p0 = 3158 Pa

De verhouding p/p0, die de formule voor wateractiviteit is, kan dan worden berekend:

-> wateractiviteitsformule = a­w = p/p0 = 947 / 3158 ≈ 0,3

3. Hoe meet u de wateractiviteit?

Wat is een wateractiviteitstest?

Wateractiviteit moet worden gemeten door een monster in evenwicht te brengen met de omringende gasfase en vervolgens de relatieve luchtvochtigheid van de lucht te meten. Zoals hierboven gezien, kan de evenwichtsrelatieve luchtvochtigheid gekoppeld worden aan de wateractiviteit. Het is cruciaal om de temperatuur van het monster tijdens de meting nauwkeurig te beheersen, aangezien de relatieve luchtvochtigheid afhankelijk is van de temperatuur (de dampdruk van zuiver water verandert als functie van de temperatuur). De precisie van de meting hangt dus direct af van hoe nauwkeurig de temperatuur wordt gemeten.

Het herhalen van de meting bij constante temperatuur, maar met verschillende vochtgehaltes maakt het mogelijk om de vochtadsorptie-isotherm van een materiaal te bepalen. De relatie tussen wateractiviteit en vochtgehalte is overigens niet lineair, wat betekent dat een toename in vochtgehalte de wateractiviteit niet in dezelfde verhouding verandert. Sorptie-isothermen geven zeer waardevolle informatie voor procesontwerp of om ervoor te zorgen dat een materiaal niet bederft in de loop der tijd, met name bij voedingsmiddelen.

Wateractiviteitsmeters

Verschillende leveranciers hebben tafelmodellen voor a­w-meters ontwikkeld, waarmee snelle metingen van de wateractiviteit van een monster kunnen worden uitgevoerd.

Het bedrijf Syntilab commercialiseert dergelijke instrumenten: https://www.syntilab.fr/

(Opmerking: PowderProcess.net heeft geen banden met dit bedrijf)

4. Interpretatie en relatie met stromingseigenschappen van wateractiviteit

Het onder controle houden van de wateractiviteit van bulkvaste stoffen is essentieel om een goede stroming te garanderen. Indien de wateractiviteit te hoog is, zal een vaste stof namelijk gevoelig zijn voor klontering, klontvorming en over het algemeen slechte stromingseigenschappen. Het vochtgehalte is dan hoog genoeg om kleine waterbruggen tussen deeltjes te vormen en hun stromingsgedragte beïnvloeden.

Het is mogelijk met een poederreometer om de relatie tussen de "vloeibaarheid" en de wateractiviteit te meten. Poeders met verschillende wateractiviteiten worden gemeten; als de benodigde energie om ze te laten stromen drastisch verandert bij een bepaalde wateractiviteit, dan is het poeder gevoelig voor deze parameter.

5. Wateractiviteit in voedingsmiddelen: Groei van micro-organismen

Wat is de rol van wateractiviteit in voedselveiligheid en -kwaliteit?

Wateractiviteit in voedselconservering

De mogelijkheid voor micro-organismen om op een materiaal te groeien, is feitelijk gekoppeld aan de wateractiviteit van dat materiaal. Een bepaalde drempelwaarde moet worden bereikt om micro-organismen in staat te stellen te overleven en zich te ontwikkelen, aangezien zij "vrij water" nodig hebben. Het is daarom essentieel voor voedselproducenten om ervoor te zorgen dat hun producten een wateractiviteit onder kritische niveaus behouden, om de groei van bacteriën, schimmels of gisten te remmen.

Verandert wateractiviteit in de loop der tijd?

Men moet er echter rekening mee houden dat de wateractiviteit aan het einde van het productieproces een vereiste parameter is voor voedselveiligheid, maar dat ook mogelijke veranderingen in wateractiviteit als gevolg van wateruitwisseling met een drogere of vochtigere omgeving via de verpakking in de loop der tijd in overweging moeten worden genomen.

Wanneer wordt wateractiviteit als laag beschouwd?

Als orde van grootte kan een wateractiviteit lager dan 0,6 de groei van micro-organismen voorkomen. De meeste materialen moeten echter verder worden gedroogd om er zeker van te zijn dat ze volledig veilig zijn en dat blijven (zo wordt zuigelingenvoeding bijvoorbeeld gedroogd tot 0,2 aw). De doel-wateractiviteitswaarde voor een veilig product moet voor elke stof afzonderlijk worden beoordeeld en getoetst aan eventuele regelgeving.

Wateractiviteit van enkele veelvoorkomende voedingsmiddelen

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de wateractiviteit van enkele voedingsmiddelen:

Voedingsmiddel	Wateractiviteit (aw)
Water	1
Vlees / vis	0,99
Brood	0,95
Kaas	0,85
Confituur	0,8
Gedroogd fruit	0,6
Beschuit / koekjes	0,3
Melkpoeder, koffiepoeder	0,2
Pasta	0,2