Aw-Wert berechnen: Mit diesen Formeln wird die Wasseraktivität bestimmt

Bevor wir den Aw Wert berechnen können, müssen wir uns zunächst damit beschäftigen, was Wasseraktivität eigentlich ist und wie diese definiert wird.

Die Wasseraktivität leitet sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gibt es Anforderungen, die für eine Definition der Wasseraktivität erfüllt werden müssen. Dazu gehören reines Wasser mit einem aw-Wert von 1,0. Dies ist der Standardzustand, das System ist im Gleichgewicht und die Temperatur ist definiert.

Im Gleichgewichtszustand:

Bevor wir den Aw Wert berechnen können, müssen wir uns zunächst damit beschäftigen, was Wasseraktivität eigentlich ist und wie diese definiert wird.

Die Wasseraktivität leitet sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gibt es Anforderungen, die für eine Definition der Wasseraktivität erfüllt werden müssen. Dazu gehören reines Wasser mit einem aw-Wert von 1,0. Dies ist der Standardzustand, das System ist im Gleichgewicht und die Temperatur ist definiert.

Im Gleichgewichtszustand:

Den Aw Wert können wir näherungsweise wie folgt berechnen: aw ist die Wasseraktivität oder die flüchtige Tendenz des Wassers im System geteilt durch die entweichende Tendenz von reinem Wasser ohne Krümmungsradius. In den meisten Zuständen, in denen Lebensmittel vorliegen können, wird die Flüchtigkeit durch den Dampfdruck (f ≈ p) angenähert:

Ein Gleichgewicht im System liegt vor, wenn μ überall im System gleich ist. Ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampfphasen bedeutet, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Diese Tatsache erlaubt es uns, die Dampfphase zu messen und so den Aw Wert der Probe zu berechnen.

Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks von Wasser in einem Material (p) zum Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei der gleichen Temperatur. Die relative Feuchtigkeit der Luft ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks der Luft zu ihrem Sättigungsdampfdruck.

Wenn das Dampf- und Temperaturgleichgewicht erhalten wird, ist die Wasseraktivität der Probe gleich der relativen Feuchtigkeit der Luft, die die Probe in einer abgedichteten Messkammer umgibt. Aus dem Aw Wert lässt sich so auch die relative Feuchtigkeit (ERH) berechnen: Die Multiplikation der Wasseraktivität um 100 ergibt die relative Feuchtigkeit in Prozent.

Wasseraktivität ist ein Maß für den Energiestatus des Wassers in einem System. Es gibt mehrere Faktoren, die die Wasseraktivität in einem System kontrollieren. Wenn wir den Aw Wert berechnen, müssen wir diese verstehen.

Kolligative Effekte von gelösten Stoffen (z. B. Salz oder Zucker) gehen Wechselwirkungen mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbrücken ein. Die Kapillarwirkung des Dampfdrucks von Wasser oberhalb einer gekrümmten Flüssigkeit ist durch die Änderungen der Wasserstoffbindung zwischen Wassermolekülen geringer als die des reinen Wassers. Es gibt Oberflächen-Wechselwirkungen, bei denen Wasser direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Inhaltsstoffen (z. B. Stärken und Proteinen) durch Dipol-Dipol-Kräfte, Ionenbindungen (H3O + oder OH-), van-der-Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrücken zusammenwirkt. Eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittelprodukt reduziert die Energie des Wassers und somit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser. Diese Faktoren können einerseits in osmotische Effekte und andererseits in Matrixeffekte gruppiert werden.

Aufgrund unterschiedlicher Grade der osmotischen und Matrix- Wechselwirkungen beschreibt die Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser ist durch Kräfte in unterschiedlichem Maße “gebunden”. Dies ist dabei immer ein Kontinuum von Energiezuständen und keine statische “Grenze”. Die Wasseraktivität wird hin und wieder als “freies”, “gebundenes” oder “verfügbares Wasser” in einem System bezeichnet.

Wenn wir den Aw Wert berechnen, müssen wir noch eine letzte Sache berücksichtigen: Die Wasseraktivität (aw-Wert) ist temperaturabhängig. Die Temperatur ändert die Wasseraktivität aufgrund von Änderungen der Wasserbindung, der Dissoziation von Wasser, der Löslichkeit von gelösten Stoffen in Wasser oder dem Zustand der Matrix. Obwohl die Löslichkeit von gelösten Stoffen ein kontrollierender Faktor sein kann, wird gewöhnlich aus dem Zustand der Matrix heraus kontrolliert. Da der Zustand der Matrix (glasig vs. gummiartiger Zustand) temperaturabhängig ist, wird auch die Wasseraktivität von Lebensmitteln von der Temperatur beeinflusst. Die Wirkung der Temperatur auf die Wasseraktivität eines Lebensmittels ist dabei produktspezifisch. Einige Produkte erhöhen ihre Wasseraktivität mit steigender Temperatur, andere verringern sie mit steigender Temperatur. Bei feuchten Nahrungsmitteln ist die temperaturabhängige Veränderung der Wasseraktivität jedoch zu vernachlässigen. Insgesamt ist es damit nicht möglich, die Richtung der temperaturabhängigen Veränderung der Wasseraktivität vorherzusagen, da die Richtung der Veränderung davon abhängt, wie die Temperatur die Faktoren beeinflusst, die die Wasseraktivität im Lebensmittel steuern.

Als Messgröße der potenziellen Energie ist die Wasseraktivität eine treibende Kraft für die Wasserbewegung von Stoffen mit hoher Wasseraktivität zu Stoffen mit geringer Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität sind die Feuchtigkeits-Migration in Multidomain-Nahrungsmitteln (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), die Bewegung von Wasser aus dem Boden zu den Blättern der Pflanzen und der Zell-Turgor-Druck. Da mikrobielle Zellen eine hohe Konzentration von gelösten Stoffen aufweisen, die vom semipermeablen Membranen umgeben sind, ist die osmotische Wirkung auf die freie Energie des Wassers zentral für die Bestimmung von mikrobiellem Wachstum.