1. Mikrobielles Wachstum wird durch die Wasseraktivität und nicht durch den Feuchtegehalt eines Produktes bestimmt

Der Feuchtegehalt beschreibt die absolute Menge an Wasser in Lebens- und Arzneimitteln. Es ist jedoch die Wasseraktivität (aw-Wert), die erklärt, wie das Wasser in Lebensmitteln mit Mikroorganismen reagieren wird. Je höher die Wasseraktivität, desto schneller können sich Mikroorganismen wie Bakterien, Hefe und Schimmelpilze vermehren.

Anders als der Feuchtegehalt, der die Gesamtwassermenge in einem System angibt, misst die Wasseraktivität also, wie viel von diesem Wasser ungebunden ist und frei mit anderen Substanzen reagieren kann. Auf den ersten Blick mögen die Unterschiede unbedeutend erscheinen. In ihrer Anwendung sind sie jedoch beträchtlich, da ausschließlich die Wasseraktivität eines Produktes in direktem Zusammenhang mit mikrobiellem Wachstum steht.

Wasseraktivität definiert

Was genau ist also Wasseraktivität? Bei der Wasseraktivität dreht sich alles um Energie. Der Aw-Wert beschreibt den Dampfdruck des Lebensmittels selbst, wenn es sich in einem völlig ungestörten Gleichgewicht mit der umgebenden Luft befindet.

Zur Veranschaulichung: Stellen Sie sich vor, Sie nehmen ein Glas Wasser und einen trockenen Schwamm. Tauchen Sie die Ecke des Schwamms in das Glas mit Wasser. Das Wasser wird sich vom Glas in den Schwamm bewegen. Die Wasseraktivität ist die Kraft, die das Wasser veranlasst, sich in den Schwamm zu bewegen.

Denken Sie darüber nach, wie sich das Wasser im Schwamm vom Wasser im Glas unterscheidet: Das Wasser im Glas ist frei, aber das Wasser im Schwamm ist alles andere als frei. Es ist durch Wasserstoffbrücken, Kapillarkräfte und van der Waals-Kräfte gebunden. Diese werden auch als Matrixeffekte bezeichnet. Das Wasser im Schwamm hat einen niedrigeren Energiezustand als das Wasser im Glas. Das Wasser fließt in den Schwamm hinein, aber um es wieder herauszubekommen, müssen wir Energie aufwenden, indem wir den Schwamm zusammendrücken.

Das Wasser im Schwamm hat einen niedrigeren Dampfdruck, einen niedrigeren Gefrierpunkt und einen höheren Siedepunkt als das Wasser im Glas. Und diese Unterschiede können wir messen und quantifizieren.

Wasseraktivität kontrollieren, mikrobielles Wachstum verhindern

1953 zeigte William James Scott, dass das mikrobielle Wachstum in Lebensmitteln nicht durch den Wassergehalt bestimmt wird, wie viele Menschen bis heute glauben, sondern durch die Wasseraktivität. Das heißt durch den sogenannten Aw-Wert des Lebensmittels. Vier Jahre später etablierte er das Konzept einer Mindestwasseraktivität für mikrobielles Wachstum.

Heute wird der Aw-Wert von führenden Lebensmittelherstellern wie Nestlé, Kellogg's, Kraft Heinz oder Danone routinemäßig erhoben, um festzustellen, ob ein Produkt anfällig für mikrobielle Vermehrung ist oder nicht.

Scotts Befunde sind dabei für eine Vielzahl von Produkten relevant. Von Naturprodukten wie Nüssen und Beeren bis hin zu verarbeiteten Lebensmitteln wie Schmelzkäse oder Getränkepulver. Ebenso gelten die von ihm und seinen Kollegen ermittelten mikrobiellen Wachstumsgrenzen für Tiernahrung oder auch Non-Food-Produkte wie Baumrinde, Handlotion und Dämmstoffe.

Wie alle Organismen benötigen auch Mikroorganismen Wasser für ihr Wachstum und ihre Vermehrung. Sie nehmen Wasser auf, indem sie es durch die Zellmembran bewegen. Dieser Mechanismus der Wasserbewegung hängt vom sogenannten Wasseraktivitätsgradienten ab - Wasser bewegt sich von einer Umgebung mit hoher Wasseraktivität außerhalb der Zelle zu einer Umgebung mit niedrigerer Wasseraktivität innerhalb der Zelle. Wenn die Wasseraktivität außerhalb der Zelle niedrig genug gehalten wird, kommt es zu osmotischem Stress: Die Zelle kann kein Wasser mehr aufnehmen und geht in den Ruhezustand über. Die Mikroorganismen werden nicht eliminiert, sie können sich nun aber nicht mehr ausreichend vermehren, um einen Befall des Produkts zu verursachen. Verschiedene Organismen bewältigen osmotischen Stress auf unterschiedliche Weise. Deshalb gibt es für jeden Organismus unterschiedliche Wachstumsgrenzen. Einige Schimmel- und Hefepilzarten haben sich dabei so angepasst, dass sie auch bei sehr niedrigen Wasseraktivitätswerten wachsen können.

Tabelle 1 zeigt die sich aus der Wasseraktivität bzw. dem Aw-Wert ergebenden Wachstumsgrenzen für viele gängige Mikroorganismen.

2. Der Feuchtegehalt ist kein ausreichender Prädiktor für die Haltbarkeit eines Produktes

Neben der Kontrolle mikrobiellen Wachstums ist die Wasseraktivität auch für eine zweite Art von Vorhersagen für Unternehmen auf der ganzen Welt von entscheidender Bedeutung: Der Vorhersage von Wirkstoffabbau, der Produktstabilität und Auflösungsrate. Oder allgemeiner formuliert: Der Vorhersage von Lagerfähigkeit und Haltbarkeit.

Wer die genaue Haltbarkeit seines Produktes nicht kennt, kann in viele Fallen tappen. Ertragseinbußen durch übermäßige Verpackung sind dabei noch eine vergleichsweise harmlose Konsequenz. So kann der Verkauf von verdorbenen Produkten mit gültigem Mindesthaltbarkeitsdatum zu Rückrufaktionen, Chargenverlusten oder gar einem handfesten Lebensmittelskandal führen.
Warum werden also nicht viel mehr Haltbarkeitstests durchgeführt?

Ausführliche Haltbarkeitstests

Normalerweise sind umfassende Haltbarkeitstests eine Mammutaufgabe. Diese erfordert die Berücksichtigung komplexer Beziehungen zwischen Feuchtigkeit, Temperatur und Produktfehlermodi.

Jedes beliebige Ereignis kann Ihr Produkt unsicher oder ungenießbar machen - Schimmel, mikrobielles Wachstum, Ranzigkeit, Veränderungen von Textur oder Geschmack, Vitaminabbau. Die meisten Unternehmen haben nicht das Fachwissen, um umfassende Haltbarkeitstests intern durchzuführen, und ein externes Labor damit zu beauftragen ist teuer.

Es gibt jedoch eine wissenschaftlich fundierte Alternative zur beschriebenen Art von Haltbarkeitsprüfungen: die Bestimmung der Lagerfähigkeit mittels Wasseraktivität. Ein auf Wasseraktivitätsmessungen basierender Haltbarkeitstest generiert mit einem einzigen Experiment alle Daten, die benötigt werden, um die Haltbarkeit eines Produkts zuverlässig vorherzusagen. Dieses Experiment ist so intuitiv, dass es sogar eine einzelne an der Produktionslinie arbeitende Person schnell und zuverlässig durchführen kann.

Haltbarkeit und Wasseraktivität

Wasseraktivitätsmessungen können die Vorhersage der Produkthaltbarkeit auf drei Arten vereinfachen:

1. Wasseraktivitätsmessungen eliminieren Ablenkungen. Wenn Sie die Wasseraktivität Ihres Produkts kennen, wissen Sie, welche Ausfallmodi für dieses Produkt ein Problem darstellen.
2. Wasseraktivitätsmessungen vereinfachen die Vorhersage: Sie können Ihr Wasseraktivitätsmessgerät zusammen mit einer anderen Messmethode (welche das ist, hängt von Ihrem speziellen Fehlermodus ab) verwenden, um ein einfaches, hausinternes Experiment durchzuführen, das die Haltbarkeit ihrer Produkte genau vorhersagen wird.
3. Wasseraktivitätsmessungen standardisieren die Produktion. Durch das Festlegen von zulässigen Wasseraktivitätsgrenzwerten garantieren Sie bei jeder Charge eine optimale Haltbarkeit.

Wie funktionieren Haltbarkeitsvorhersagen mittels Wasseraktivität?

Die Wasseraktivität ist ein wichtiges Mittel zur Vorhersage und Kontrolle der Haltbarkeit von Lebensmittelprodukten. Die Haltbarkeit ist der Zeitraum, in dem ein Produkt sicher ist, die gewünschten sensorischen, chemischen, physikalischen und mikrobiologischen Eigenschaften beibehält und die Nährwertkennzeichnung einhält. Viele Faktoren beeinflussen die Haltbarkeit, darunter die Wasseraktivität, der pH-Wert, das Redoxpotenzial, Sauerstoff, die Verwendung von Konservierungsmitteln und die Verarbeitungs-/Lagerungsbedingungen. Durch die Messung und Kontrolle der Wasseraktivität von Lebens- und Arzneimitteln werden folgende Kontrollmechanismen ermöglicht:

• Erhalt der chemischen Stabilität
• Minimierung von nicht-enzymatischen Bräunungsreaktionen und spontanen autokatalytischen Lipidoxidationsreaktionen
• Kontrolle der Aktivität von Enzymen
• Verlängerung des Erhalts von Nährstoffen und Vitaminen in Lebensmitteln
• Optimierung der physikalischen Eigenschaften

Faktoren, die zur Reduktion der Haltbarkeitsdauer führen

Aus den oben genannten Elementen, ergeben sich zwei Hauptfaktoren, welche die Haltbarkeit von Lebens- und Arzneimitteln beeinflussen: chemische Veränderungen und physikalischer Verfall. Beide Faktoren sind eng mit der Wasseraktivität verknüpft.

Chemische Veränderungen

Die Wasseraktivität beeinflusst die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, da Wasser als Lösungsmittel wirkt, selbst ein Reaktant sein kann oder die Mobilität der Reaktanten durch Viskosität verändern kann. Beispielsweise nehmen nicht-enzymische Bräunungsreaktionen mit zunehmender Wasseraktivität bis zu einem Maximum bei 0,6 bis 0,7 aw zu, und die Lipidoxidation wird ab etwa 0,2 bis 0,3 aw minimiert. Die optimale chemische Stabilität wird im Allgemeinen in der Nähe des Monolayer-Feuchtegehalts gefunden, welcher sich aus Feuchtigkeits-Sorptions-Isothermen ergibt.

Abbildung 1 zeigt, wie Stabilität und Reaktionen eines Produktes durch die Wasseraktivität beeinflusst werden

Physikalischer Verfall

Hohe und (seltener) niedrige Luftfeuchtigkeit kann die Wasseraktivität eines Produkts beeinträchtigen, was zu unerwünschten Veränderungen der Textur oder der physikalischen Eigenschaften des Produkts führt und die Haltbarkeit verkürzt. Zu den resultierenden Problemen gehört der Verlust der Knusprigkeit bei trockenen Produkten, das Anbacken und Verklumpen von Pulvern oder unerwünschte Zähigkeit bei feuchten Produkten.

Abbildung 2: Kenntnis der optimalen Wasseraktivität eines Produktes verhindert unerwünschte chemische und physikalische Produkteigenschaften.

Optimierung von Verpackung, Versand und Lagerung auf Basis von Wasseraktivitätsmessungen

Veränderungen der Wasseraktivität während des Transports und der Lagerung können die Haltbarkeit erheblich beeinflussen. Die Wasseraktivität ist eine Funktion der Temperatur, weshalb Versand- und Lagertemperaturen die Wasseraktivität im Inneren der Verpackung beeinflussen können. Vereinfachte Haltbarkeitsprüfungen können Ihnen helfen, die beste Verpackung für ihr Produkt zu bestimmen und die Auswirkungen von Versand- und Lagerbedingungen auf die Produkthaltbarkeit präzise vorherzusagen. Hierbei empfehlen sich vor allem Wasseraktivitätsmessgeräte mit integrierter Temperaturkontrolle, welche die Simulation verschiedener Logistik- und Lagerbedingungen ermöglichen.

3. Feuchtigkeitsmessungen können unzuverlässig sein

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die Feuchtigkeit in einem Lebensmittel oder pharmazeutischen Produkt zu evaluieren. Hierbei verlässliche Zahlen zu erhalten, ist jedoch aus einer Vielzahl von Gründen schwierig:

Es ist schwierig, die gesamte Feuchtigkeit aus einem Produkt herauszubekommen

Die einfachste Methode zur Messung des Feuchtegehalts besteht darin, das Produkt zu wiegen, die gesamte Feuchtigkeit zu entfernen und das Produkt anschließend erneut zu wiegen. Methoden, die versuchen, das gesamte Wasser aus einem Produkt zu entfernen, werden als direkte Methoden bezeichnet. Diese sind dabei mehr (Karl-Fischer-Titration) oder weniger (Ofentrocknung) aufwendig. Direkte Methoden gelten als verhältnismäßig zuverlässig, sind aber arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Zudem ist es schwierig, ausschließlich Wasser aus einer Probe zu entfernen.

Indirekte Methoden sind unpräzise

Indirekte Methoden behelfen sich der Messung einer Eigenschaft, die sich mit der Veränderung des Feuchtegehalts des Lebensmittels ebenfalls verändert. Sie reichen von Refraktometrie und IR/NIR bis zu Mikrowellenadsorption, dielektrischer Kapazität und Ultraschalladsorption. Diese Methoden sind oft schnell und einfach, aber sie müssen auf eine direkte Methode kalibriert werden und sind daher weniger zuverlässig und weniger genau. Außerdem können Kalibrierungen durch externe Faktoren abweichen. Diese Veränderungen sind oft schwer zu erkennen und können die Unsicherheit der Feuchtemessung weiter erhöhen.

Die Herausforderung der Reproduzierbarkeit

Der Feuchtegehalt wird oft als einfacher Prozentsatz ohne Hinweis auf die zu seiner Bestimmung verwendete Methode angegeben. Allerdings sind Werte, die von verschiedenen Personen zu verschiedenen Zeiten mit verschiedenen Methoden gemessen wurden möglicherweise nicht vergleichbar.

Zum Beispiel kann eine Messung, die durch Erhitzen der Probe erfolgt, ganz anders ausfallen als eine Messung, die mit einer chemischen Analyse durchgeführt wurde. Eine erhitzte Probe wird sich häufig zersetzen. Denn beim Erhitzen können sich andere Elemente als Wasser verflüchtigen. Dies kann dazu führen, dass der Feuchtegehalt bei einer Trocknung um 2-3 % höher ist, als bei der gleichen Probe, die mit einer anderen Methode wie beispielsweise der Karl-Fischer-Analyse gemessen wurde. Denn bei dieser Methode wird das Wasser eben nicht durch Erhitzen entfernt.

Feuchte vs. trockene Basis

Um die Sache weiter zu verkomplizieren, kann der Feuchtegehalt entweder auf Grundlage einer feuchten oder auf trockenen Basis angegeben werden. Bei der Angabe auf feuchter Basis wird die Wassermenge in der Probe durch das Gesamtgewicht der Probe geteilt. Bei der Angabe auf trockener Basis wird die Wassermenge in der Probe durch das Trockengewicht der Probe geteilt.

Beide Methoden sind akzeptabel, und eine Umrechnung zwischen ihnen ist nicht komplex. Allerdings wird der Feuchtegehalt, wie bereits beschrieben, in der Regel einfach als Prozentsatz angegeben. Dies kann insbesondere dann problematisch sein, wenn Sie versuchen, Ihre Messwerte mit Messwerten aus anderen Quellen zu vergleichen. Im schlimmsten Fall vergleichen Sie sprichwörtlich Äpfel mit Birnen.

Konsistente Messungen sind nur schwer erreichbar

In Ihrem Betrieb können Sie einige dieser Probleme überwinden, indem Sie sich auf eine einzige Analysemethode kombiniert mit einer strengen Mess-SOP fokussieren. Beispielsweise könnten Sie alle Messungen mit der Trockenofenmethode durchführen. Es bestehen allerdings weiterhin drei Herausforderungen, denen Sie sich stellen müssen, um konsistente, zuverlässige Daten zum Feuchtegehalt ihrer Produkte zu erhalten.

1. Jede Messmethode weist eine gewisse interne Variabilität auf. Selbst die als weitestgehend zuverlässig anerkannte Feuchtigkeitsmessung mittels Trockenofen. Im Laufe der Zeit kann die Temperatur eines einzelnen Ofens erheblich schwanken, und zwei Öfen, die auf die gleiche Temperatur eingestellt sind, können sich in ihrer tatsächlichen Hitze um bis zu 40 Grad Celsius unterscheiden. Schnellbestimmungsmethoden wie Feuchtewaagen, die nicht nur die Probe erwärmen, sondern zudem auch noch kalibriert werden müssen, sind sogar noch fehleranfälliger.
2. Der Begriff "trocken" ist wissenschaftlich nicht definiert. Daher müssen Sie festlegen, wie die Probe zu trocknen und wann sie als trocken zu bezeichnen ist. Ein allgemein akzeptierter Ansatz besteht darin, ein Produkt zu trocknen, bis sich ihr Gewicht nicht mehr verändert. Der Gewichtsverlust pendelt sich jedoch bei verschiedenen Produkten bei unterschiedlichen Temperaturen ein, und Methoden, die mit Wärmeeinsatz arbeiten, können eine Zersetzung oder Verflüchtigung des Produktes hervorrufen.
3. Es gibt keinen Standard zur Bestimmung der Messgenauigkeit. Das macht es schwierig, die Präzision, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit einer Messmethode zu evaluieren oder anzugeben.

4. Zusammenfassung: Eine ausschließliche Fokussierung auf den Feuchtegehalt ist bestenfalls riskant

Feuchtigkeitsmessungen können mikrobielles Wachstum in einem Produkt sowie dessen Haltbarkeit nicht zuverlässig vorhersagen. Zudem sind sie oftmals ungenau. Es empfiehlt sich daher ein synergetischer Analyseprozess, welcher die besten Eigenschaften beider Messwerte integriert und so maximale Produktqualität und -sicherheit garantiert.

Nutzen Sie daher den Feuchtegehalt als quantitative und den Wasseraktivitätswert als qualitative Metrik.

Quantitative Messung: Feuchtegehalt

• Definition: Feuchtegehalt (engl. Moisture Content [MC]) = quantitatives Maß, die Menge an Wasser.
• Anwendungsfälle: Nährwertangaben, regulatorische Vorgaben, Vergleiche
• Nutzen: Optimierung von Ertrag und Umsatz

Für jeden Lebensmittelhersteller, der seine Produkte nach Gewicht verkauft, ist der Feuchtegehalt eine wichtige Methode zur Überwachung des Ertrags. Um den Ertrag zu maximieren, müssen Sie die genaue Menge an Wasser in einem Produkt kennen. Je präziser und je schneller (d.h. je häufiger) die Messung, desto besser.

Eine auf das Tausendstel genaue Messung des Feuchtegehalts ermöglicht eine genauere Optimierung sowie Spezifikation von Grenzwerten. Letzten Endes summieren sich präzisere und häufigere Messungen zu jährlichen Einsparungen im siebenstelligen Bereich, wie das untenstehende Beispiel eines amerikanischen Tierfutterherstellers zeigt.

Herkömmliche Feuchtigkeits-Messmethoden wie Trockenschränke, Halogen-Feuchtemessgeräte oder NIR-Geräte sind jedoch nicht in der Lage, gleichsam eine hohe Geschwindigkeit als auch eine hohe Messgenauigkeit zu liefern.

Abbildung 3 Jährliche Einsparungen eines amerikanischen Tierfutterherstellers durch häufigere und präzisere Feuchtigkeitsmessungen

Qualitative Messung: Wasseraktivität (aw-Wert)

• Definition: Wasseraktivität (aw) = qualitatives Maß, die Energie des Wassers.
• Anwendungsfälle: Mikrobielles Wachstum, Textur, Feuchtigkeitsmigration, Haltbarkeit, Verpackung uvm.
• Nutzen: Garantie und Optimierung von Produktsicherheit und -qualität.

Entgegen der landläufigen Meinung und Praxis hat der Feuchtegehalt wenig Aussagekraft, wenn es um die Qualität eines Produktes geht. Die Feuchtemessung, die sich am besten zur Bestimmung der Produktsicherheit eignet, ist die Wasseraktivität. Eine Art "relative Feuchtigkeit" von Lebensmitteln.

Bakterien wachsen nicht in Lebensmitteln mit weniger als 0,85 Wasseraktivität (85% ERH). Schimmelpilze und Hefen wachsen nicht bei einer Wasseraktivität von weniger als 0,65 (65% ERH). Die Wasseraktivität steht auch in direktem Zusammenhang mit weiteren qualitätsrelevanten Faktoren wie Feuchtigkeitsmigration, Texturproblemen, Lipidoxidation, Anbacken, Verklumpen sowie Vitaminabbau.

Damit ist die Wasseraktivität der Schlüssel zur Minimierung des Risikos von Chargenverlusten, Produktrückrufen oder gar handfesten Lebensmittelskandalen, die oft im Zusammenhang mit mikrobieller Kontamination stehen. Eine qualitative Anwendung von Wasseraktivitätsmessungen kann daher entscheidend sein, um potenziell existenzielle Risiken für Lebensmittel- und Pharmaproduzenten zu minimieren oder gar auszuschließen.

Eine Methode, die das Beste aus beiden Welten bietet, ist die Messung der Gesamtfeuchte. Es handelt sich dabei um eine Methode, die sowohl den Feuchtegehalt als auch die Wasseraktivität eines Lebens- oder Arzneimittels mit einer Messung erfasst.

Die Gesamtfeuchte basiert auf den grundlegenden Prinzipien der Thermodynamik. Sie bietet Ihnen die Genauigkeit und den Kontext, den Sie benötigen, um mit strengeren Grenzwerten zu arbeiten. Sie sehen sowohl ertragsbezogene quantitative als sicherheits- und qualitätsrelevante qualitative Daten aggregiert an einem Ort und mit einer Messung. Gebunden an Präzisionsstandards, denen Sie vertrauen können.

Mit dem AQUALAB 3 wurde das weltweit erste Gesamtfeuchtemessgerät entwickelt, welches Ihnen eine Gesamtfeuchtebestimmung in nur 1 Minute mit einer Genauigkeit von 0,1 %-0,5 % zur Feuchtereferenz bzw. ±0,005 aw bietet.

Erfahren Sie mehr über das Aqualab 3