Was ist Wasseraktivität?

Definition der Wasseraktivität: Es geht um Energie

Beginnen wir mit einer Definition der Wasseraktivität. Was Wasseraktivität ist, lässt sich am besten mit einem einfachen Gedankenexperiment veranschaulichen: Nehmen Sie ein Glas Wasser und einen trockenen Schwamm. Tauchen Sie die Ecke des Schwamms in das Glas Wasser. Das Wasser bewegt sich aus dem Glas in den Schwamm.

Die Wasseraktivität ist dabei die Kraft, die das Wasser antreibt, um sich in den Schwamm zu bewegen. Das Wasser im Glas ist frei, das Wasser im Schwamm ist allerdings alles andere als frei. Es ist durch Wasserstoffbrücken, Kapillarkräfte und van der Waals-London-Kräfte gebunden. Diese Kräfte nennen wir Matrixeffekte. Das Wasser im Schwamm hat also einen niedrigeren Energiezustand als das Wasser im Glas. Wasser wird leicht in den Schwamm fließen, aber um es wieder herauszuholen, müssen wir Kraft aufwenden, z.B. indem wir den Schwamm drücken.

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.

Beachten Sie, dass die Energie des Wassers auch durch Verdünnen mit gelösten Stoffen verringert werden kann – die sogenannten osmotischen Effekte. Da die Arbeit erforderlich ist, um das Wasser in seinen reinen, freien Zustand zurückzuversetzen, reduziert dies auch die Wasseraktivität. Die Gesamtveränderung der Energie ist die Summe der mathematischen und osmotischen Effekte.

Eine schöne visuelle Erläuterung der dargestellten Zusammenhänge bietet die Seite wateractivity.org

Berechnung der Wasseraktivität über die Veränderung des Energiezustandes

Wir können die Veränderung der Energie, die eine Änderung des Drucks mit sich zieht, anhand des erste Gesetzes der Thermodynamik berechnen. Dazu leiten wir eine Gleichung ab, die den Energiezustand des Wassers in einem Produkt entweder als Wasserpotential oder als Wasseraktivität ausdrücken kann.

Betrachten wir die Verringerung des Dampfdrucks. Wir können die Energieänderung, die mit einer Druckänderung einhergeht, mit Hilfe des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik berechnen. Wenn wir das Symbol U für die Energie in einem System stehen lassen und die Änderung von U berechnen, die auftritt, wenn wir das Volumen ändern, können wir bei konstantem Druck (wir nehmen an, dass keine Wärme zu- oder abgeführt wird) schreiben

dU steht für eine kleine Energieänderung und dV für eine kleine Volumenänderung. Die Beziehung zwischen Druck und Volumen, das sogenannte ideale Gasgesetz, lautet

wobei n die Anzahl der Mole des Gases, R eine Konstante, die sogenannte Gaskonstante (8,31 J/mol K) und T die Temperatur des Gases in Kelvin ist. Wir können das ideale Gasgesetz differenzieren, um dV zu erhalten

Kombiniert man dies mit dem ersten Gesetz, erhält man

Die Energie, die benötigt wird, um vom Dampfdruck des reinen Wassers im Glas, den wir als Sättigungsdampfdruck oder p₀ bezeichnen, zum Dampfdruck des Wassers im Schwamm zu gelangen, beträgt nun

Das Verhältnis p /p₀ wird als Wasseraktivität (a_w) bezeichnet, wenn wir über das Wasser im Schwamm oder Wasser in Lebensmitteln bzw. anderen festen oder flüssigen Stoffen sprechen. Als relative Luftfeuchtigkeit wird dieses Verhältnis bezeichnet, wenn wir es auf Wasser in der Luft anwenden und durch eine Multiplikation mit 100 in Prozent auszudrücken. Das Verhältnis U/n ist die Energie pro Mol Wasser und wird Wasserpotenzial genannt. Es wird durch das Symbol Ψ ausgedrückt. Das Wasserpotential hat die Einheit Joule/Mol. Mit dieser Substitution erhalten wir schließlich die Gleichung, die die Energie des Wassers im Schwamm und seine Wasseraktivität in Beziehung setzt

Die Gleichung sagt uns, dass wir den Energiezustand des Wassers in einem Produkt entweder als Wasserpotenzial oder als Wasseraktivität ausdrücken können. Einige Bereiche der Wissenschaft verwenden das Wasserpotenzial und andere die Wasseraktivität. Einige verwenden auch die Gefrierpunkt Depression oder die Osmolalität. Dies sind alles gleichwertige Konzepte. Jedes Konzept hat dabei spezifische Vor- und Nachteile. Wichtig ist, dass alle Konzepte den Energiezustand des Wassers beschreiben und eine solide theoretische Grundlage haben. Die Wasseraktivität ist dabei das in der Lebensmittelwissenschaft und -technik am häufigsten verwendete Maß.

Wasseraktivität und Aw Wert

Im deutschen Sprachraum wird anstatt von der Wasseraktivität häufig vom sogenannten Aw Wert gesprochen. Was hat es damit auf sich? Die Zusammenhänge sind ganz einfach: Bei der Wasseraktivität handelt es sich wie eben beschrieben um den Energiezustand des Wassers. Aw (activity of water) ist die Maßeinheit, um diesen Energiezustand zu quantifizieren. Der Aw Wert bewegt sich dabei auf einer Skala von 0 bis 1, wobei 0 die minimal mögliche und 1 die maximal mögliche Wasseraktivität beschreibt.

Warum Sie die Wasseraktivität messen sollten

Für Lebens- oder Arzneimittel ist Wasser eine billige Zutat, die eine Menge teure Probleme verursachen kann. Wasser fördert das mikrobielle Wachstum, Schimmel, Texturverlust, Zusammenbacken und Verklumpen, Ranzigkeit und Vitaminverlust. Der beste Weg, um das Wasser in Ihrem Produkt zu verstehen, ist die Messung der Wasseraktivität.

Mit einfacher Mathematik zur Wasseraktivität

Wenn wir eine Probe in einem versiegelten Gefäß verschließen, gleicht sich die Wasseraktivität der Probe mit der relativen Luftfeuchtigkeit in der geschlossenen Kammer aus. Ist das Gleichgewicht erreicht, sind beide Wasseraktivitäten gleich: Wir können die relative Feuchtigkeit der Gefäßraumes messen, um die Wasseraktivität der Probe zu bestimmen.

Sekundäre Methoden: Hygrometer und Kapazitätssensoren

Traditionelle aw-Wert Messgeräte bestimmen die relative Feuchtigkeit im Kopfraum mit primitiven Hygrometern. Die meisten modernen Instrumente verwenden auch heutzutage noch elektrische Kapazitäts- oder Widerstands-Hygrometer. Da diese Sensoren ein elektrisches Signal verwenden, um die relative Feuchtigkeit zu bestimmen, müssen sie mit den bekannten Salzstandards kalibriert werden.

Bei diesen Sensoren ist das ERH identisch mit der Wasseraktivität der Probe, solange die Proben- und Sensortemperatur gleich ist. Genaue Messungen erfordern also eine gute Temperaturregelung oder -messung. Vorteil dieser einfachen Kapazitätssensoren ist ihr geringer Preis.

Primäre Messung der Wasseraktivität mit der Taupunkt-Methode

Die besten Methoden zur Messung der Wasseraktivität sind primäre Methoden, die das Verhältnis p/p0 verwenden.

p0 (der Sättigungsdampfdruck) hängt nur von der Temperatur der Probe (wie in der begleitenden Grafik gezeigt) ab, so dass es möglich ist, p0 zu messen, indem die Temperatur der Probe gemessen wird. p (der Dampfdruck des Wassers in der Probe) wird bestimmt, indem der Dampfdruck von Wasser in dem versiegelten Kopfraum oberhalb der Probe gemessen wird. Die genaueste Art, den Dampfdruck zu messen, ist, den Taupunkt der Luft zu bestimmen.

Primäre Methode bedeutet direkte Messung – keine Kalibrierung

Die Hauptvorteile der Taupunkt-Messmethode, d.h. einer Messung mit gekühlten Taupunktspiegelsensoren sind die Schnelligkeit und Genauigkeit der Messung. Die Taupunkt-Methode ist eine primäre Messmethode zur Erhebung der Wasseraktivität, welche auf den fundamentalen Prinzipien der Thermodynamik basiert.
Aw-Wert Messgeräte mit gekühlten Taupunktspiegelsensoren gewährleisten dabei ultra-präzise Messungen mit einer Aw-Genauigkeit von ± 0,003 aw – und das in nur 5 Minuten. Da die Messung auf der Temperaturbestimmung beruht, ist keine Kalibrierung der Sensoren erforderlich. Benutzer sollten jedoch eine Standard-Salzlösung nutzen, um die ordnungsgemäße Funktion des Instruments zu überprüfen. Für einige Anwendungen ermöglicht die hohe Geschwindigkeit dieser Messmethode eine Online-Überwachung der Wasseraktivität eines Produkts.

Eine leistungsstarke Messung für Qualitätssicherung und Zubereitung

Der Aw-Wert ist ein thermodynamisches Maß für die Energie des Wassers in einem System bzw. Produkt. Es besteht ein direkter Zusammenhang mit der mikrobiellen Anfälligkeit von Nahrungsmitteln. Die Wasseraktivität steht außerdem in direkter Beziehungen mit vielen Reaktionen, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln beenden. Da es auf einer Waage mit einem bekannten Standard gemessen wird, eignet es sich besonders gut als Sicherheits- und Qualitätsvorschrift.