Wasser ist wohl die wichtigste Komponente für die Lebensmittelstabilität. Während der Gesamtfeuchtigkeitsgehalt die Menge des vorhandenen Wassers angibt, ist es die Verfügbarkeit dieses Wassers – ausgedrückt als Wasseraktivität (aw) –, die die mikrobiellen, chemischen und enzymatischen Reaktionsraten in Lebensmittelsystemen bestimmt.
Wasseraktivität vs. Feuchtigkeitsgehalt
Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks von Wasser in einem Lebensmittel zum Dampfdruck von reinem Wasser bei derselben Temperatur (aw = p/p0). Im Gegensatz zum Feuchtigkeitsgehalt, der ein quantitatives Maß ist, spiegelt die Wasseraktivität den Energiezustand des Wassers und seine Verfügbarkeit für biologische und chemische Reaktionen wider. Zwei Lebensmittel mit identischem Feuchtigkeitsgehalt können je nach Stärke der Wasserbindung in der Lebensmittelmatrix sehr unterschiedliche aw-Werte aufweisen.
Sorptionsisothermen
Feuchtigkeitssorptionsisothermen stellen grafisch die Beziehung zwischen Wasseraktivität und Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt bei einer konstanten Temperatur dar. Adsorptionsisothermen werden durch Zugabe von Wasser zu einer trockenen Probe erhalten, während Desorptionsisothermen durch Trocknen einer hydratisierten Probe erhalten werden. Die Hystereseschleife – die Lücke zwischen Adsorptions- und Desorptionskurven – bietet Einblick in die Porenstruktur und -geschichte des Lebensmittels. Die Modelle Brunauer-Emmett-Teller (BET) und Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) werden häufig verwendet, um Sorptionsdaten anzupassen und den Wassergehalt der Monoschicht abzuschätzen.
Monoschicht Wasser und Stabilität
Der Monoschichtwert (Monoschicht-Wassergehalt) stellt die Menge an Wasser dar, die fest an polare Stellen der Lebensmittelmatrix gebunden ist. Unterhalb der Monoschicht ist Wasser praktisch nicht verfügbar und die meisten Abbaureaktionen laufen sehr langsam ab. Die maximale Lebensmittelstabilität wird typischerweise bei aw-Werten erreicht, die dem Feuchtigkeitsgehalt der Monoschicht entsprechen, normalerweise zwischen 0,20 und 0,40 aw, je nach Lebensmittel.
Grenzen des mikrobiellen Wachstums
Mikroorganismen haben charakteristische aw-Schwellenwerte, unterhalb derer sie sich nicht vermehren können. Die meisten Bakterien benötigen einen aw-Wert über 0,91, die meisten Hefen benötigen einen aw-Wert über 0,87 und die meisten Schimmelpilze benötigen einen aw-Wert über 0,80. Halophile Bakterien und xerophile Schimmelpilze können bereits bei aw-Werten von nur 0,75 bzw. 0,61 wachsen. Die Kontrolle der Wasseraktivität ist daher eine primäre Strategie zur Lebensmittelkonservierung.
Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten
Die Wasseraktivität moduliert auch die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Die Lipidoxidationsraten sind bei Monoschicht-aw (0,2–0,4) am niedrigsten und steigen sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Werten an. Die nicht-enzymatische Bräunung (Maillard-Reaktion) beschleunigt sich mit steigendem aw bis etwa 0,7 und nimmt dann aufgrund der Verdünnung der Reaktanten ab. Die enzymatische Aktivität erfordert ausreichend aw, um die Substratdiffusion und die Konformationsflexibilität des Enzyms zu ermöglichen.
Glasübergangstemperatur
Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Temperatur, bei der ein amorphes Lebensmittelmaterial von einem spröden, glasigen Zustand in einen gummiartigen, mobilen Zustand übergeht. Dieser Übergang hängt stark vom Wassergehalt ab, da Wasser als Weichmacher wirkt. Lebensmittel, die über ihrem Tg-Wert gelagert werden, sind anfälliger für Kristallisation, Klebrigkeit und Zerfall.
Messmethoden
Die Wasseraktivität wird mithilfe elektronischer Hygrometer gemessen, die die relative Gleichgewichtsfeuchtigkeit des Luftraums über einer Probe bestimmen. Taupunktsensoren mit Taupunktspiegel bieten schnelle und genaue Messungen, während kapazitive Sensoren für die routinemäßige Qualitätskontrolle geeignet sind. Alle Messungen müssen bei kontrollierter Temperatur, typischerweise 25 °C, durchgeführt werden, da aw temperaturabhängig ist. Die Wasseraktivität unterscheidet sich von der Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts – zwei Lebensmittel mit demselben Feuchtigkeitsgehalt können unterschiedliche aw-Werte haben. Die Kontrolle von aw ist eine wichtige Hürde bei der Verhinderung von mikrobiellem Verderb und wird durch Trocknung und Dehydrierung manipuliert.
