Wasseraktivität (a_w) in Lebensmitteln: Funktionen, Bindungsformen und Stabilität

Funktionen und Aktivität von Wasser (H₂O)

Wasser (H₂O) erfüllt in biologischen Systemen und Lebensmitteln mehrere wichtige Funktionen:

• Stabilisator der Körpertemperatur.
• Transport von Nährstoffen und Abbauprodukten.
• Reaktionspartner und Medium für chemische Reaktionen.
• Stabilisator für Polymere.

Gebundenes Wasser und seine Eigenschaften

Wasser, das mit der Probe und anderen wässrigen Bestandteilen in Kontakt steht, zeigt eine eingeschränkte Mobilität. Es gefriert erst bei etwa -40 °C. Dieses gebundene Wasser ist nicht für das Wachstum von Mikroorganismen oder enzymatische Reaktionen verfügbar. Es wird unterteilt in konstitutionelles Wasser, vicinales Wasser und Multischicht-Wasser.

Konstitutionelles Wasser

Es stellt nur einen kleinen Bruchteil des gesamten Wassers in feuchten Lebensmitteln dar. Es ist sehr stark an die nicht-wässrigen Bestandteile der Lebensmittel gebunden, oft durch Ionenverbindungen.

Vicinales Wasser (Angrenzendes Wasser)

Dieses Wasser bildet die nächste Schicht, die an die Bestandteile angrenzt. Es besetzt die Stellen in unmittelbarer Nähe zu den hydrophilen Gruppen der wässrigen Bestandteile.

Multischicht-Wasser

Dieses Wasser ist mit geringerer Intensität gebunden als das vicinale Wasser. Es bildet sich um die nicht-wässrigen Bestandteile von Lebensmitteln. Die Bindungsintensität zu gelösten Stoffen ist höher als die von reinem H₂O.

Freies Wasser (Verfügbares Wasser)

Freies Wasser verhält sich in Lebensmitteln wie reines Wasser und besitzt dessen Eigenschaften. Es ist für das Wachstum von Mikroorganismen und enzymatische Reaktionen verfügbar. Es fließt frei in Lebensmitteln und tritt beim Schneiden aus.

Maximal gebundenes Wasser

Die Matrix der Lebensmittelmoleküle kann eine große Menge Wasser binden und dadurch leichtes Austreten (Exsudation) verhindern. Dieses Wasser wird während der Trocknung entfernt und während des Gefrierens in Eis umgewandelt. Es stellt den Hauptanteil des Wassers in Lebensmitteln dar, dessen Entfernung die Lebensmittelqualität direkt beeinflusst.

Lebensmittelverderb und Wasseraktivität (a_w)

Ursachen des Lebensmittelverderbs

Der Verderb von Lebensmitteln resultiert aus dem Wachstum von Mikroorganismen sowie enzymatischen und chemischen Reaktionen.

Wasseraktivität (a_w)

Die Wasseraktivität ($a_w$) gibt keinen Aufschluss über den tatsächlichen Gesamtfeuchtigkeitsgehalt, korreliert jedoch stark mit dem Wachstum von Mikroorganismen und der Geschwindigkeit anderer Verderbsreaktionen. Sie ist ein wichtiger Indikator zur Vorhersage der Stabilität eines Produkts und der mikrobiologischen Sicherheit.

Die $a_w$ wird im Verhältnis zu einem Standardzustand (reinem Wasser) gemessen, wobei reines H₂O einen $a_w$-Wert von 1,0 hat. In Lebensmitteln ist der $a_w$-Wert immer kleiner als 1,0, da die konstituierenden Bestandteile die Mobilität des Wassers verringern.

Relative Luftfeuchtigkeit (RH)

Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) spielt eine Rolle für die Mikroflora, die sich in Lebensmitteln entwickeln kann. Es besteht immer ein Trend zum Ausgleich des Feuchtigkeitsgehalts zwischen dem Lebensmittel und der Umgebung. Dies kann zur Migration von freiem Wasser aus der Atmosphäre in das Lebensmittel führen (oder umgekehrt).

Hysterese

Hysterese beschreibt die unterschiedliche Menge an Wasser, die bei gleicher Wasseraktivität während der Adsorption (Wasseraufnahme) im Vergleich zur Desorption (Wasserentfernung/Trocknung) gebunden oder freigesetzt wird.