Rotronic – Pomiar aktywności wody (Aw) w przemyśle spożywczym

Aktywność wody w skrócie

Określenie wartości parametru aktywności wody (a_w, z ang. Water Activity) jest ważną czynnością w przemyśle, w którym wilgotność ma wpływ na dany wyrób. Aktywność wody bada aktywną część zawartości wody (wodę wolną niezwiązaną). Inaczej można również powiedzieć, że jest to ciśnienie pary wodnej wytwarzanej przez wodę zawartą w produkcie higroskopijnym. Badanie aktywności wody jest niezwykle ważne ponieważ woda niezwiązana w danym wyrobie wpływa na jego stabilność mikrobiologiczną, chemiczną oraz enzymatyczną. Zarówno zbyt duża jak i zbyt mała zawartość niezwiązanej wolnej wody ma negatywny wpływ na produkt. Wynik a_w daje informacje nie tylko o ilości wolnej niezwiązanej wody ale również dostarcza wiele innych cennych informacji na przykład odnośnie kohezji, okresu trwałości, sypkości, charakterystyki przepływu proszków, charakterystyki przepływu tabletek czy adhezji powłok.

Woda potrzebna jest nie tylko człowiekowi ale również mikroorganizmom, którym aktywność wody dostarcza informację o ilości dostępnej dla nich wody. Każdy z mikroorganizmów posiada swoją minimalną wartość a_w, którą potrzebuje, aby móc prawidłowo się rozwijać.

Aktywność wody

Aktywność wody (a_w) lub wilgotność względna stanu równowagi (ERH) to wartość ciśnienia pary wodnej mierzona w produkcie o własnościach higroskopijnych. Aktywność wody zawiera się w przedziale od 0 do 1. Wzór:

gdzie p to ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią produktu,  p_s  to to ciśnienie pary wodnej nad powierzchnią czystej wody o temperaturze produktu.

Wilgoć całkowita

Aktywność wody jest często mylona z wilgocią całkowitą. Wilgoć całkowita z reguły określana jest jako procent masowy wody zawartej w produkcie do jego suchej masy.

Izoterma sorpcji

W stanie równowagi procentowy stosunek pomiędzy wilgocią całkowitą i aktywnością wody materiału higroskopijnego może być przedstawiony graficznie pod postacią krzywej – izotermy sorpcji. Dla każdej wartości a_w obrazuje ona odpowiadającą wilgoć całkowitą w stałej temperaturze. Każdy produkt ma własną izotermę sorpcji.

Rys. 1. Przykładowa izoterma soprcji

Migracja wody

Wartość a_w każdego produktu zawsze dąży do równowagi z otaczającym środowiskiem. Woda migruje z obszarów o wysokim a_w do obszarów o a_w niższym. Ten proces zatrzymuje się dopiero po osiągnięciu równowagi!

Następstwa obecności wody w produktach żywieniowych

W przemyśle spożywczym woda jest jednym z ważnych czynników określających stabilność produktów. a_w wywiera ogromny wpływ na zjawiska takie jak: zmiana barwy, smaku i zapachu, psucie, skrócenie (lub wydłużenie) okresu trwałości, utrata wartości odżywczych, …

Kontrola aktywności wody w produkcie

Wartość a_w w produktach spożywczych może być kontrolowana przez dodatki pochłaniające wilgoć, odpowiednie opakowania czy zachowywanie odpowiednich warunków dojrzewania i przechowywania produktów.

Aktywność wody, a mikroorganizmy

Aktywność wody określa także ilość wody dostępnej dla mikroorganizmów. Każdy ich rodzaj (bakterie, pleśnie, drożdże) posiada minimalną wartość a_w, poniżej której nie jest w stanie się rozwijać.

Rys. 2. Salmonella

Fakty i liczby: Zmiana aw produktu może zmienić okres trwałości z kilku dni na kilka tygodni! Wartość aktywności wody dla czystej destylowanej wody wynosi dokładnie 1. Bakteria salmonelli może przetrwać w środowisku suchym nawet kilka tygodni.

Stabilność chemiczna

Kontrola aktywności wody jest istotnym czynnikiem ze względu na stabilność chemiczną. Większość przetworów zawiera węglowodany i proteiny, ze względu na co podatne są na ciemnienie nieenzymatyczne. Do grupy tych procesów należy reakcja Maillarda, potęgowana przez wyższe wartości a_w i przebiegająca najgwałtowniej w wartościach = 0.6…0.7.

Po co mierzyć aktywność wody?

Migracja wody

Pewnego dnia, spóźniony do pracy Paweł, wychodząc z domu zapomniał założyć przykrywkę na pudełko z płatkami. Po powrocie do domu zorientował się, że jego płatki są miękkie i straciły chrupkość… Większość płatków traci chrupkość przy a_w>0.4. W tym przypadku wilgotność względna w kuchni Pawła utrzymywała się powyżej 40%rh, więc woda migrowała z powietrza (wysoka wilgotność względna) do płatków (niska wartość a_w). W przemyśle spożywczym w dwóch głównych przypadkach migracja wody stanowi problem: Pierwszy przypadek polega na różnych poziomach a_w półproduktów użytych do wytworzenia produktu końcowego. Istotne jest dokonanie pomiaru a_w a nie wilgoci całkowitej, gdyż nie jest ona związana z migracją wody. Na przykładzie sernika, a_w sera wynosi 0.95, podczas gdy a_w biszkoptu to 0.3. Woda może migrować z sera do biszkoptu, pozostawiając ciasto rozmoczone a ser wyschnięty. Jednym z rozwiązań jest dodanie składników chłonących wilgoć (cukier, sól, poliole polimerowe). Dodatki te obniżają poziom a_w, ale nie wilgoć całkowitą! W zależności od produktu, poziom a_w obniżyć można przez odwodnienie i mrożenie. Drugi problem stanowi magazynowanie gotowego wyrobu i związane z nim warunki. W zależności od a_w produktu i wilgotności względnej otoczenia, może zachodzić zjawisko migracji wody. Głównie stosowane rozwiązania tych problemów to stosowanie niehigroskopijnych opakowań i magazynowanie w odpowiednich dla danego produktu warunkach.

Rys. 3. Migracja wody

Aktywność wody, a mikroorganizmy

Jak wspomniano wcześniej, a_w wskazuje na stosunek ilości wody dostępnej dla mikroorganizmów do ogólnej zawartości wody w produkcie.

Każdy mikroorganizm ma określoną wartość a_w, poniżej której nie jest w stanie się rozwijać (co nie oznacza, że nie są one obecne).

Przez pomiar a_w w żywności można określić, które mikroorganizmy mogą prosperować. Amerykańska Agencja Żywności i Leków (Food and Drug Administration – FDA) zaakceptowała parametr a_w do określania przedziałów wilgotności, w których produkty żywieniowe są narażone na pokrycie pleśnią i bakteriami (patrz – Tabela 1 i 2).

Często a_w jest określane jako “wolna” woda w produkcie a wilgoć całkowita, jako ilość wody “związanej”. Jednakże, nie jest to ścisła definicja a_w, uproszczenie to służy uzmysłowieniu, że chemicznie związana woda nie jest dostępna dla mikroorganizmów.

Wartości aw	Wartości pH
	poniżej 4.6	4.6 do 5.6	powyżej 5.6
poniżej 0.92	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu
0.92 do 0.95	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	wymagana ocena
powyżej 0.95	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	wymagana ocena	wymagana ocena

Tabela 1. Wpływ pH i a_w na liczbę zarodników w pożywieniu poddanym obróbce cieplnej w celu zniszczenia wegetatywnych komórek – z pakowaniem.

Wartości aw	Wartości pH
	poniżej 4.2	4.2 do 4.6	4.6 do 5.0	powyżej 5.0
poniżej 0.88	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu
0.88 do 0.90	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	wymagana ocena
0.90 do 0.92	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	wymagana ocena	wymagana ocena
powyżej 0.92	bezpieczne, nie wymaga kontroli temperatury/czasu	wymagana ocena	wymagana ocena	wymagana ocena

Tabela 2. Wpływ pH i a_w na liczbę zarodników w pożywieniu poddanym obróbce cieplnej w celu zniszczenia wegetatywnych komórek – bez pakowania

aw	Mikroorganizmy, których rozwój jest hamowany w określonym punkcie aw	Przykłady produktów, których aktywność wody jest na określonym poziomie aw
0.950	Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Shigella, Klebsiella, Bacillus, Clostridium perfringens, niektóre drożdże	Łatwo psująca się żywność (świeże i konserwowane owoce, warzywa, mięso, ryby) oraz mleko; gotowane wędliny; pieczywo; pokarmy zawierające do 4 uncji (w/w) sacharozę lub 7% NaCl …
0.910	Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, C. botulinum, Serratia, Lactobacillus, Pediococcus, niektóre pleśnie, Rhodotorula, Pichia	Niektóre sery (cheddar, Swiss, Muenster, Provolone); wędliny (szynka); niektóre koncentraty soków owocowych; produkty zawierające 55% (w/w) sacharozę lub 12% NaCl, …
0.870	Większość drożdży (Candida, Torulopsis, Hansenula), Micrococcus	Fermentowane kiełbasy (kiełbasa); biszkopty; suchy ser; margaryny; produkty zawierające 65% (w/w) sacharozy (nasycona) i 15% NaCl, …
0.800	Większość pleśni (mycotoxigenic penicillia), Staphylococcus aureus, większość Saccharomyces (baillii) spp., Debaryomyces	Większość koncentratów soków owocowych; mleko skondensowane, słodzone; syrop czekoladowy; syropy klonowe i owocowe; mąka; ryż; produkty zawierające 15-17% wilgoci; ciasto owocowe; szynka; kremówki; ciasta z wysoką
0.750	Większość bakterii halofilnych, mycotoxigenic aspergilla	Dżem, marmolada; marcepan; owoce przeszklone; niektóre ptasie mleczka
0.650	Pleśni kserofityczne (aspergillus chevalieri, A. Candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus	Płatki owsiane zawierające ~10% wilgotności; galaretki; melasa; cukier trzcinowy; niektóre suszone owoce; orzechy
0.600	Drożdże osmofilne (Saccharomyces rouxii), niektóre pleśnie (Aspergillus echinulatus, Monascus bisporus)	Suszone owoce zawierające 15-20% wilgoci; niektóre toffi i karmelki; miód …
0.500	Nie występuje rozrost drobnoustrojów	Makaron, makaron zawierający ~12% wilgoci; przyprawy zawierające ~10% wilgoci …
0.300		Ciasteczka, krakersy, skórka chleba, inne produkty zawierające 3-5% wilgoci …
0.030		Pełne mleko w proszku zawierające 2-3% wilgoci; suszone warzywa zawierające ~5% wilgoci; płatki kukurydziane zawierające ~5% wilgoci; zupy instant; niektóre ciastka i krakersy …

Tabela 3. Aktywność wody, a mikroorganizmy. Źródło: Water activity and Microbial stability, L.R. Beuchat. 

Jakie rozwiązania proponuje Rotronic?

Aktywność wody i wilgotność względna punktu równowagi jest zwykle określana jako procent wilgotności względnej zmierzonej w punkcie równowagi w układzie zamkniętym i przy stałej temperaturze.

Z tego względu a_w może być mierzone sondą wilgotności, jeśli spełnione są poniższe warunki.

Praktyczne warunki pomiaru a_w:

• Uszczelniona komora pomiarowa – układ zamknięty.
• Stosunek przepływu powietrze/produkt – przepływ powietrza musi być zminimalizowany: łatwiej osiągnąć punkt równowagi przy niewielkim przepływie.
• Równomierna temperatura – różnice w temperaturze czujnika, komory i produktu powodują poważne błędy. Im wyższa wartość a_w, tym większy będzie błąd (przy 0.8 a_w w 25°C z różnicą 1°C powstają błędy rzędu 0.05 a_w). Stała temperatura musi zostać utrzymana.
• Czas ustalenia równowagi – w celu odczytania poprawnej wartości a_w, musi zostać osiągnięty stan równowagi! Im wyższe a_w tym dłuższy czas!
• Kalibracja czujnika – przy użyciu wzorców.

Produkty Rotronic

Sondy aktywności wody:
HC2A-AW zakres: -40…85°C, 0…1 aw, dokładność: ±0.008 aw, ±0.1°C, duża bezwładność temperaturowa,	HC2A-AW-USB zakres: -40…85°C, 0…1 aw, dokładność: ±0.008 aw, ±0.1°C, duża bezwładność temperaturowa, interfejs USB	HC2-P05 zakres: -40…85°C, 0…1 aw, dokładność: ±0.015 aw i ±0.3K, sonda bagnetowa, Ø5mm x 200mm	HC2-HP50 zakres: 40…85°C, 0…1 aw, dokładność: ±0.008 aw i ±0.1K, sonda bagnetowa, Ø10mm x 280 or 500mm
Rys. 4. Sondy aktywności wody Rotronic – HC2A-AW, HC2A-AW-USB, HC2-P05 i HC2-HP50

Moduły laboratoryjne:
HygroLab wejście na 4 sondy, zapis danych, wyświetlacz, interfejs Ethernet i USB, AwE i AwQuick, alarm…	HC2A-AW-A-USB-SW2 pomiar przy użyciu programu HygroSoft, pomiary w trybie Aw oraz AwQuick,	AwTherm moduł laboratoryjny z funkcją kontroli temperatury, zintegrowana sonda pomiarowa, wyświetlacz, USB, AwE i AwQuick, alarm	AwEasy moduł laboratoryjny z zintegrowaną sondą pomiarowa, kompatybilny z aplikacją mobilną, wyświetlacz, Bluetooth, AwE i AwQuick, alarm
Rys. 5. Moduły laboratoryjne Rotronic – HygroLab, HP23-AW-A, AwTherm i AwEasy

Akcesoria:
Podstawki WP-14-S, głębokość 14mm, WP-40, głębokość 40mm	Pojemniki na próbki PS-14, pojemnik do WP-14-S, PS-40, pojemnik do WP-40	Uchwyt pomiarowy AW-KHS	SCS wzorce wilgotności EAxx-SCS, sole wzorcowe, dostępne wartości rh: 0, 5, 10, 11, 20, 35, 50, 60, 65, 75, 80 i 95%…
Rys. 6. Akcesoria Rotronic – podstawka WP-14, pojemnik na próbki PS-14, uchwyt pomiarowy AW-KHS i wzorce wilgotności

Korzyści dla użytkowników

Zestawy pomiarowe (HC2-AW z miernikiem HP23-AW-A lub HC2-AW-USB z programem HygroSoft (+ HS-AW-Code)) wyróżnia:

• Możliwość pomiaru aktywności wody przy wykorzystaniu trybu AwQuick, co skraca pomiar Aw do kilku minut. Ma to szczególne znaczenie przy większej liczbie próbek materiałów, których laboratorium kontroli jakości musi sprawdzić.
• W pomiarach aktywności wodnej istotna jest dokładność pomiarów, która w przypadku rozwiązań Rotronic AG wynosi aż ±0.008 a_w (przy temperaturze 23 ± 5 °C).
• Należy zwrócić również uwagę na stabilność długoterminową, która w przypadku sprzętu do pomiaru aktywności wody Rotronic AG wynosi poniżej 0.001 a_w / rok. Dzięki temu sprzęt może być użytkowany przez długi okres, bez konieczności jego regulacji.
• Oprogramowanie HygroSoft z opcją HS-AW Code firmy Rotronic (dostępne zarówno dla sondy HC2-AW-USB jak również do sondy HC2-AW z miernikiem HP23-AW-A) pozwala na automatyczne generowanie raportów w postaci plików PDF z podpisem elektronicznym. Jest to szczególnie ważne dla działów jakości, które wyniki pomiarów udostępniają innym działom wewnątrz zakładu lub audytorom.

Rys. 7. Oprogramowanie Rotronic HygroSoft z opcją HS-AW-Code

• Innowacyjność sprzętu Rotronic AG to prostota jego obsługi i konserwacji. By prawidłowo wykonać pomiary a_w wystarczy skontrolować czystość filtra sondy oraz uszczelki. Te operacje nie wymagają żadnych specjalnych narzędzi ani szczególnie delikatnego podejścia (jak w przypadku urządzeń do pomiaru a_w opartych o chłodzone lustro).
• Okresowe sprawdzenie (wzorcowanie) sprzętu każde laboratorium może wykonać we własnym zakresie, dzięki solom wzorcowym Rotronic AG, dostarczanym ze świadectwem SCS’u (szwajcarski odpowiednik GUM).
• Sprzęt pomiarowy Rotronic AG wyróżnia możliwość regulacji w przyszłości, dzięki czemu fabryczna dokładność pomiarów może być zachowana przez cały okres użytkowania sondy. Regulację może wykonać każde laboratorium w Polsce, które zna sprzęt Rotronic AG (promowany na rynku polskim od prawie 20 lat) i posiada odpowiednie narzędzia serwisowe (np. firma AP Automatyka posiada odpowiednie narzędzia i doświadczenie w zakresie regulacji tego sprzętu). Koszt regulacji sondy na poziomie tylko 400 PLN NETTO to kolejna zaleta tego rozwiązania.

Podsumowanie

Zestawy pomiarowe Aktywności wody, które proponuje firma Rotornic znajdują szerokie zastosowanie w wielu przemysłach takich jak przemysł spożywczy, farmaceutyczny, kosmetyczny … Moduł laboratoryjny HygroLab umożliwia podłączenie się do 4 sond w jednej chwili. Sondy cylindryczne jak i bagnetowe sprawdzają się podczas pomiaru aktywności wody w serach, mięsie, tytoniu, pokarmie dla zwierząt. Miernik ręczny HP23-AW-A znajduje zastosowanie przede wszystkim w miejscach zewnętrznych, terenowych. Ze względu na swoją budowę można go w prosty sposób przenosić z miejsca na miejsce. Miernik możne być traktowany jako mobilna jednostka laboratoryjna. Do pomiaru a_w w produktach sypkich oraz granulatach idealnym rozwiązaniem są sondy bagnetowe.

Zachęcamy również do zapoznania się z artykułami Jak przeprowadzić pomiar aktywności wody (Aw)? oraz Jak działa tryb pomiaru aktywności wody AwQuick Rotronic?, które szczegółowo opisują możliwości sprzętu firmy Rotronic wykorzystywane przy pomiarach aktywności wody.