Pourquoi mesurer l’activité de l’eau ?

L’eau, élément essentiel à toute forme de vie, est présente en quantité variable dans les aliments que nous consommons et bien qu’elle n’apporte pas de valeur énergétique,  elle en influence leurs caractéristiques et notamment leur susceptibilité à la dégradation. L’eau a aussi un impact sur l’aspect, la texture et la saveur de l’aliment.

L’activité de l’eau est l’un des paramètres principaux concernant la conservation (shelf life) d’un produit, qu’il soit alimentaire, pharmaceutique, cosmétique, ou qu’il s’agisse de semences agricoles. La mesurer, permet de contrôler et d’optimiser un process de fabrication et de conservation pour lui assurer une stabilité mécanique, physique, chimique, et microbiologique.  La mesure de l’activité de l’eau est déterminante pour la qualité et la sécurité sanitaire d’un produit, et plus particulièrement s’il est non stérilisé ou conservé dans un milieu non stérile. Elle participe au calcul de DLC et DDM (anciennement DLUO) de nombreux produits.

Les principaux moyens de correction de l’activité de l’eau, afin qu’un produit alimentaire se conserve de manière satisfaisante, sont connus dans l’Antiquité, et probablement avant: le séchage, l’addition d’agent dépresseur de l’Aw, comme le chlorure de sodium (sel) pour la charcuterie,  la saccharose (sucre autrefois remplacé par du miel) pour les confitures.

  • Teneur en eau et Aw

L’activité de l’eau ou Aw représente l’eau libre contenue dans un produit, il ne s’agit pas d’une mesure de teneur en eau appelée aussi taux d’humidité, mais de la disponibilité de cette eau. Cette eau qui n’est pas liée fortement avec le produit d’un point de vue physico-chimique, influence directement la croissance et la toxinogenèse de micro-organismes tels que bactéries, levures, moisissures… ainsi que le développement de réactions enzymatiques et d’oxydations…

Courbe de sorptionBien que l’activité de l’eau soit en corrélation avec la teneur en eau d’un produit,  le rapport entre ces deux grandeurs n’est pas linéaire, et dépend étroitement de la nature du produit considéré. On appelle, isotherme de sorption, la relation entre la teneur en eau et l’activité de l’eau d’un produit à température constante. L’isotherme de sorption présente deux courbes distinctes (phénomène appelé hystérésis). Une courbe de désorption si on part d’un produit saturé en eau avec une opération de séchage. Une courbe d’adsorption si on part d’un produit sec avec une addition d’eau. L’eau présente dans le produit se lie donc d’une manière plus forte avec sa matrice lors d’un séchage que lors d’une réhydratation. Ce qui signifie que la teneur en eau  ne suffit pas à qualifier un produit en regard de son aptitude à la conservation. Autrement dit, la mesure de l’activité de l’eau est beaucoup plus précise que la mesure de teneur en eau concernant la maîtrise de la qualité et de la sécurité sanitaire.

Sur un plan théorique, l’activité de l’eau peut se définir comme un rapport de pressions de vapeur. L’activité de l’eau est égale à la pression partielle de vapeur d’eau d’un produit humide divisée par la pression de vapeur saturante de l’eau pure à la même température:

        Aw = p(T) / p0(T)

L’activité de l’eau évolue donc dans une gamme comprise entre 0 et 1, l’eau pure ayant une valeur d’activité de l’eau de 1. Cependant l’Aw est rarement calculée à partir d’une mesure manométrique, il existe plusieurs méthodes et technologies pour la déterminer.

L’activité de l’eau est parfois exprimée en pourcentage on l’appelle alors l’humidité relative d’équilibre (HRE) :

       HRE(%) = 100 x Aw

Elle permet une mise en parallèle directe avec l’humidité relative ambiante (HR) mesurée et contrôlée couramment lors d’une opération de séchage ou de stockage.

  • Microbiologie

bandeau microrganismes Le développement de micro-organismes est étroitement lié à l’activité de l’eau en raison de l’influence de la pression osmotique exercée par le milieu sur les échanges trans-membranaires au sein des cellules.

Réactions Aw

La plupart des bactéries pathogènes se développent à des activités de l’eau à partir de 0,91. Cette valeur est retenue par les directives européennes, comme limite haute autorisant la conservation des aliments à température ambiante. Le pH a également un rôle important et cette limite est repoussée à 0,95 lorsque le pH est inférieur à 5,2. La plupart des moisissures  se développent à partir de 0,80. La mesure de l’activité de l’eau permet de prévoir quels micro-organismes sont sources potentielles de contamination. Un produit peut-être considéré comme stable d’un point de vue microbiologique si son Aw est inférieure à 0,6. C’est cette limite qui est recherchée pour des produits pouvant être conservés à température ambiante durant une longue période.

Microorganismes-Aw

Activité de l’eau et croissance des micro-organismes dans les produits alimentaires
  • Autres applications

madeleines

La mesure d’activité peut être utilisée pour des réglages de process de cuisson. La réaction de brunissement, appelée aussi réaction de Maillard  concerne les aliments contenant des acides aminés et des sucres. Ces réactions, non enzymatiques, atteignent un maximum lorsque l’activité de l’eau se situe entre 0,50 et 0,70.

L’eau migre entre des milieux hétérogènes en raison des différentes pressions partielles de vapeur d’eau pouvant s’y trouver. Ces différentes pressions partielles vont tendre à s’équilibrer plus ou moins rapidement selon la nature des constituants. L’activité de l’eau étant représentative de la pression partielle de vapeur d’eau, peut donc être utilisée pour prédire les mouvements de l’eau à l’intérieur un aliment composé de plusieurs couches de structures différentes, comme par exemple un biscuit et une garniture. L’eau va migrer de la partie où elle est plus active vers la partie où elle est moins active  jusqu’à ce qu’un équilibre s’établisse. Elle permet donc d’aider à la (re)formulation d’un produit afin que celui-ci ne s’altère pas par la migration de l’eau qu’il contient.

Maîtriser l’activité de l’eau sert également à prévenir un phénomène d’agglomération ou de mottage de poudres ou de particules par voie humide, tels que épices, farines, produits cosmétiques ou pharmaceutiques… Il peut être utile de contrôler l’Aw des matières premières afin éviter un risque d’obstruction d’un système d’alimentation pouvant bloquer une chaine de production.

  • Conclusion

La mesure de l’activité de l’eau est déterminante concernant la sécurité sanitaire de produits conservés dans un milieu non stérile. Elle peut remplacer ou compléter avantageusement la mesure de teneur en eau d’un produit et permet d’optimiser un process de fabrication. L’ influence de l’activité de l’eau sur la texture, la saveur, la microbiologie, la migration de l’eau, les réactions enzymatiques, de brunissement et d’oxydation ainsi que sur le mottage des poudres prouve que sa maîtrise est précieuse dans de nombreuses situations.