Aktywność wody w żywności - progi trwałości i jak zmierzyć aw

Dwa produkty o tej samej zawartości wody potrafią zachowywać się zupełnie inaczej: jeden stoi na półce rok, drugi pleśnieje w trzy tygodnie. Różnicy nie widać na wilgotnościomierzu, bo nie chodzi o to, ile wody jest w produkcie, tylko o to, ile z niej jest dostępne dla drobnoustrojów. Tę część opisuje aktywność wody. Poniżej jest to, co z niej wynika w praktyce: gdzie leżą progi mikrobiologiczne, które wartości wchodzą do przepisów, jak wygląda prawidłowy pomiar i czym się go robi.

Czym jest aktywność wody i czym różni się od wilgotności

Aktywność wody (aw) to stosunek prężności pary wodnej nad produktem do prężności pary nad czystą wodą w tej samej temperaturze. Dla czystej wody wynosi 1, dla materiału całkowicie suchego 0. Wszystko, co jemy, mieści się pomiędzy.

W praktyce wygodniejsza jest druga, równoważna definicja: aktywność wody to wilgotność względna powietrza, które ustaliło równowagę z produktem w zamkniętej przestrzeni, podzielona przez 100. Produkt o aw 0,75 utrzyma nad sobą powietrze o wilgotności 75 % i sam ani nie odda wody, ani jej nie pobierze. Z tego zdania wynika cała metodyka pomiaru opisana niżej - i to samo zdanie stoi za pomiarem wilgotności ziarna w silosie czy wilgotności materiału budowlanego w otworze, bo tam też mierzy się powietrze, a nie materiał.

Różnica wobec zawartości wody jest zasadnicza. Zawartość wody mówi, ile wody produkt ma, i podaje się ją w procentach masy. Aktywność wody mówi, jaka część tej wody jest wolna, czyli niezwiązana z cukrami, solami, białkami i skrobią. Dodanie soli albo cukru nie zmienia masy wody w produkcie, ale wiąże ją i obniża aw - na tym stoi konserwowanie solą i cukrem, stosowane na długo przed tym, zanim ktokolwiek zmierzył aktywność wody.

Progi mikrobiologiczne - co przestaje rosnąć i kiedy

To jest tabela, po którą sięga się najczęściej. Czyta się ją tak: drobnoustroje wymienione w wierszu przestają rosnąć przy dolnej granicy podanego zakresu, więc im niżej schodzisz, tym mniej organizmów wchodzi w grę. Zestawienie pochodzi z klasycznego opracowania mikrobiologii żywności i pokrywa się co do wartości z materiałami szkoleniowymi amerykańskiej służby bezpieczeństwa żywności.

Trzy wartości z tej tabeli warto zapamiętać osobno, bo wracają w dokumentacji i w rozmowach z audytorem. 0,93 - poniżej tej wartości nie rosną Salmonella ani Clostridium botulinum. 0,85 - dolna granica dla gronkowca złocistego, najodporniejszego z bakterii chorobotwórczych w tym zestawieniu. 0,60 - poniżej tej wartości nie rośnie już nic, także pleśnie i drożdże przystosowane do środowisk suchych.

⚠ Brak wzrostu to nie to samo co brak drobnoustrojów. Obniżenie aktywności wody zatrzymuje namnażanie, ale komórki i przetrwalniki mogą przeżyć w produkcie miesiącami i ruszyć, gdy produkt pobierze wilgoć z powietrza. Dlatego przy suchych produktach tak samo ważne jest opakowanie i warunki magazynu jak sama wartość aw po produkcji.

Gdzie aktywność wody wchodzi do przepisów

Aktywność wody nie jest tylko parametrem technologicznym - w kilku miejscach decyduje o tym, jakim wymaganiom podlega produkt.

Zaliczenie produktu do kategorii nie sprzyjającej wzrostowi zmienia kryterium mikrobiologiczne, jakie trzeba spełnić, więc wynik pomiaru aw ma tu bezpośrednie przełożenie na zakres badań i na treść dokumentacji. Rozporządzenie (UE) 2024/2895 zaostrzyło kryterium dla żywności gotowej do spożycia przeznaczonej dla niemowląt i do celów medycznych: wymóg „nie wykryto w 25 g" obowiązuje przez cały okres przydatności do spożycia, a nie tylko do momentu opuszczenia zakładu. Zmiana weszła w życie 11 grudnia 2024 roku, a to konkretne kryterium stosuje się od 1 lipca 2026 roku. Samych progów pH i aw nowelizacja nie ruszyła.

Jak mierzy się aktywność wody

Metoda jest jedna i wynika wprost z definicji: próbkę zamyka się w szczelnej komorze o małej objętości i czeka, aż powietrze nad nią ustali równowagę. Wilgotność względna tego powietrza podzielona przez 100 jest aktywnością wody. Czujnik może być pojemnościowy albo może to być lustro z pomiarem punktu rosy - fizyka jest ta sama, różni się tylko sposób odczytania wilgotności powietrza. Zasadę pomiaru punktu rosy opisuje osobny wpis o wyznaczaniu punktu rosy.

Norma, która ten pomiar opisuje, zmieniła numer i wiele materiałów w sieci wciąż podaje stary. ISO 21807 z 2004 roku została wycofana 1 listopada 2018 i zastąpiona przez ISO 18787:2017 „Foodstuffs - Determination of water activity". Jeżeli w twojej dokumentacji albo procedurze stoi jeszcze PN-ISO 21807, jest to odwołanie do normy wycofanej.

Cztery rzeczy, które psują wynik

• Niestabilna temperatura. Aktywność wody zależy od temperatury, a różnica między próbką a komorą wywołuje kondensację albo odparowanie na ściankach. Próbka i przyrząd muszą mieć tę samą temperaturę, a pomiar odbywa się w pomieszczeniu bez przeciągu i bez nasłonecznienia.
• Za duża objętość martwa. Im więcej powietrza nad próbką, tym dłużej ustala się równowaga i tym łatwiej o dryf. Cele pomiarowe robi się małe właśnie z tego powodu, a komory wyposaża się w wentylator wymuszający obieg.
• Za krótki czas. Odczyt przed osiągnięciem równowagi jest zawsze zaniżony albo zawyżony w stronę wilgotności, jaką miało powietrze w komorze przed zamknięciem.
• Niereprezentatywna próbka. Produkt niejednorodny - nadziewany, powlekany, wielowarstwowy - ma różną aktywność wody w różnych miejscach, a o trwałości decyduje wartość najwyższa, nie średnia.

Wzorcowanie miernika aktywności wody

Przyrząd do aw sprawdza się nasyconymi roztworami soli. Nad każdą taką solą ustala się w stałej temperaturze znana i powtarzalna wilgotność względna, więc roztwór działa jak wzorzec. Poniższe wartości odnoszą się do temperatury 25 °C; tabele tego rodzaju są częścią normy pomiarowej.

Do sprawdzenia wybiera się wzorce leżące blisko wartości, w których pracujesz. Dla produktów suszonych sensowna para to LiCl i NaCl, dla wyrobów wilgotnych raczej NaCl i KCl. Sprawdzenie w jednym punkcie mówi o przesunięciu wskazania, ale nie wykryje błędu nachylenia charakterystyki - stąd zawsze co najmniej dwa punkty.

Aktywność wody a wilgotność równowagowa - ta sama fizyka

Jeżeli wcześniej spotkałeś pojęcie wilgotności równowagowej przy zbożu, drewnie albo materiałach budowlanych, to jest dokładnie ta sama wielkość, tylko nazwana z drugiej strony. Ziarno o określonej zawartości wody utrzymuje w przestrzeni międzyziarnowej określoną wilgotność powietrza, i to właśnie z niej mierniki zbożowe z sondą wbijaną wyliczają wynik - opisuje to wpis o wilgotności zboża do przechowywania. Przy materiałach budowlanych wilgotność powietrza w wywierconym otworze mówi o stanie materiału wokół niego, co jest tematem wpisu o pomiarze w otworze wiertniczym. W powietrzu pomieszczenia ta sama zależność decyduje o tym, czy na chłodnej ścianie pojawi się pleśń, o czym mówi wpis o zbyt wysokiej wilgotności powietrza.

Praktyczna konsekwencja jest taka, że jeden przyrząd z wymiennymi sondami obsługuje wszystkie te zadania, bo w każdym mierzy się wilgotność powietrza w równowadze, a różni się tylko to, na co miernik ją przelicza.

Gdzie aktywność wody rozstrzyga o technologii

Sama liczba jest narzędziem, nie celem. Kilka typowych zastosowań, w których decyduje o wyniku pracy:

• Ustalanie terminu przydatności. Produkt o aw poniżej 0,60 nie zepsuje się mikrobiologicznie, więc o jego trwałości decydują procesy chemiczne i utlenianie, a nie drobnoustroje. To zupełnie inny zestaw badań i inne opakowanie.
• Płotki technologiczne. Obniżenie aw rzadko działa samo. W praktyce łączy się je z obniżeniem pH, obróbką cieplną i chłodzeniem, a każda z tych barier może być łagodniejsza, jeśli pozostałe są mocniejsze. Obróbkę cieplną i jej walidację opisują wpisy o walidacji procesów termicznego utrwalania żywności i o monitoringu temperatury w pasteryzacji i sterylizacji.
• Kontrola po zmianie receptury. Zamiana cukru na słodzik albo obniżenie soli podnosi aktywność wody przy niezmienionej zawartości wody. To najczęstszy powód, dla którego przetestowana receptura nagle przestaje być trwała.
• Mieszanki i produkty złożone. Składniki o różnej aw wyrównują się po zapakowaniu - suchy przemiesza się z wilgotnym, aż ustali się jedna wartość. Herbatnik w nadzieniu mięknie z tego samego powodu, z którego nadzienie wysycha.

Przy produktach utrwalanych termicznie warto zestawić to z wpisem o sterylizacji konserw, bo tam trwałość zapewnia przede wszystkim obróbka cieplna, a aktywność wody jest parametrem kontrolnym, nie główną barierą.

Czym zmierzyć aktywność wody

Do pomiaru potrzebne są trzy rzeczy: czujnik wilgotności o stabilnej charakterystyce, szczelna komora o małej objętości i stała temperatura. Reszta to kwestia tego, ile pomiarów dziennie robisz i czy wynik ma trafić do dokumentacji.

• Schaller humimeter RH2 - przenośny termohigrometr z wymiennymi sondami, mierzący aktywność wody z rozdzielczością 0,001 w komorze ze słoikiem albo w celi aluminiowej o pojemności 25 ml. Ta sama jednostka bazowa po przepięciu sondy mierzy klimat pomieszczenia i wilgotność równowagową granulatu, co przy jednym laboratorium kontroli jakości zwykle wystarcza za trzy przyrządy.
• Schaller LogMemorizer - moduł USB z oprogramowaniem, gdy wynik ma iść do dokumentacji z datą, godziną i oznaczeniem partii, a nie do zeszytu.
• Przenośne wilgotnościomierze - pełna kategoria przyrządów przenośnych, gdy pomiar aw jest jednym z kilku zadań.
• Rejestratory do procesów termicznych - gdy obok aktywności wody trzeba udokumentować przebieg obróbki cieplnej; dobór rejestratora omawia przewodnik branżowy.

Źródła

• Rozporządzenie Komisji (WE) nr 2073/2005 w sprawie kryteriów mikrobiologicznych dotyczących środków spożywczych, wraz ze zmianą wprowadzoną rozporządzeniem Komisji (UE) 2024/2895.
• ISO 18787:2017 Foodstuffs - Determination of water activity (zastąpiła wycofaną ISO 21807:2004).
• United States Department of Agriculture, Food Safety and Inspection Service, materiały szkoleniowe z mikrobiologii żywności.
• Pałacha Zbigniew, Aktywność wody ważny parametr trwałości żywności, Przemysł Spożywczy 4/2008.
• Pałacha Zbigniew, Metody pomiaru stanu wody w żywności, Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego 2/2008.