Archives de catégorie : Activité de l’eau

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 stéril. Elle participe au calcul de DLC et DDM (anciennement DLUO) de nombreux produits.

Bien que le concept, activité de l’eau, est apparu et se développe à partir des années 70/80, les principaux moyens de correction de l’activité de l’eau sont connus depuis 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

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

 

Réactions Aw

La plupart des bactéries pathogènes se développent à des valeurs d’Aw supérieures à 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
  •  Aliments composites et transferts d’eau

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 d’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.

  • Autres applications

madeleines

La mesure d’activité de l’eau peut être utilisée pour des réglages de process de cuisson ou pour améliorer sa reproductibilité. 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.

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 l’obstruction d’un système d’alimentation qui pourrait bloquer une chaîne 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.

Comment mesurer l’activité de l’eau ?

Les appareils mesurant l’activité de l’eau sont appelés des Aw-mètres, ils comportent en général un réceptacle permettant d’introduire une coupelle contenant le produit à analyser.

  • Faut-il broyer les échantillons ?

CoupelleLe produit à analyser peut être placé tel quel dans la coupelle, mais il est souvent broyé  ou mélangé de façon à le rendre plus homogène ce qui permet d’accélérer sensiblement le temps de mesure de l’échantillon ainsi qu’une meilleure précision de mesure.

Il existe cependant une controverse concernant le broyage ou non des échantillons avant leur mesure d’activité de l’eau. La norme ISO21807 déconseille le broyage en raison du réchauffage et de la perte en eau qu’ils peuvent subir  en conséquence du broyage effectué. Néanmoins de nombreux industriels broient leurs échantillons avant leur mesure, cela permet de rendre rapidement homogène un produit qui ne l’est pas comme par exemple un produit fraîchement élaboré, ou sortant de cuisson ou de séchage. Cette homogénéité permet des mesures rapides et répétables représentatives de l’activité de l’eau d’un produit fabriqué et stocké depuis un certain temps. Nous pensons que le broyage peut être utile à condition toutefois de prendre certaines précautions comme par exemple:

  • maintenir un rapport volume échantillon broyé / volume broyeur important, en effet en limitant le volume d’air dans le broyeur, l’échange d’eau entre l’échantillon et l’air contenu sera faible.
  • effectuer un broyage modéré pour ne pas modifier la matrice du produit et pour ne pas l’échauffer excessivement.
  • mettre un couvercle sur la coupelle si l’échantillon ne peut pas être mesuré immédiatement.

D’une manière générale l’échantillonnage d’un produit à mesurer demande une certaine circonspection. La mesure d’un produit de taille importante comme par exemple un jambon en cours de séchage peut donner des résultats très différents selon la zone de prélèvement. Il convient alors d’effectuer un prélèvement constitué d’un ou plusieurs échantillons, que l’on peut apparenter à un carottage pratiqué en géologie, de manière à ce qu’il soit représentatif du produit dans son ensemble, puis de le broyer.

  • Principales technologies

Capteur  capacitif:

Un polymère hygroscopique est utilisé en tant que diélectrique. Ce polymère absorbe ou  rejette une certaine quantité d’eau en rapport avec l’activité de l’eau de l’échantillon mesuré. La variation de capacité électrique résultante permet d’en déduire l’activité de l’eau de l’échantillon.

Cette technologie a pour avantages principaux, un coût modéré, une plus grande insensibilité aux substances volatiles tel que, l’alcool et le propylène glycol.

Cette technologie a pour principaux inconvénients, la perte d’efficacité du capteur avec le temps et les salissures. Celui-ci doit être recalibré et/ou remplacé périodiquement. La précision est inférieure et il peut présenter une certaine hystérésis. La technologie nécessite plusieurs points de calibration pour que la linéarité des mesures soit assurée.

Capteur  résistif:

C’est une technologie proche de la précédente, où la mesure d’une capacité est remplacée par une mesure de résistance électrique d’un capteur composé d’un sel hygroscopique.

Cette technologie montre également une grande similitude avec la précédente concernant ses avantages et inconvénients .

Capteur de point de rosée (dew point) par miroir refroidi:

Un miroir, couplé avec un module thermoélectrique et une sonde de température, est refroidi jusqu’à l’apparition de rosée en son centre. L’apparition de rosée est détectée au moyen d’un photodétecteur. La régulation de la quantité de rosée à une valeur constante permet de déterminer la température de point de rosée puis d’en déduire l’activité de l’eau de l’échantillon.

Cette technologie a pour avantages principaux, une très bonne précision, une durée de vie importante, un temps de mesure rapide. Elle est basée sur un principe fondamental de la mesure hygrométrique, sa linéarité naturelle ne nécessite pas plusieurs points de calibration.

Cette technologie a pour principal inconvénient une plus grande sensibilité aux substances volatiles tel que, l’alcool et le propylène glycol, pouvant générer des erreurs de mesure. Le miroir refroidi doit être propre pour que la précision soit respectée.

-Capteur à diode laser accordable:

Cette technologie appelée TDLAS pour Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, est de type spectrométrie d’absorption où le spectre est ici extrêmement étroit et centré sur une longueur d’onde spécifique à la détection de l’eau en phase gazeuse. C’est une technologie récente qui offre comme principal avantage d’être la plus insensible aux substances volatiles. Autre point positif, à l’instar du miroir refroidi, elle ne comporte pas de phénomène d’hystérésis. La précision est cependant inférieure à celle du miroir refroidi, elle nécessite plusieurs points de calibration pour que la linéarité des mesures soit effective. Son prix est plus élevé et sa fiabilité dans le temps reste à prouver, cette technologie n’étant disponible que depuis quelques années seulement.

  • Le temps de mesure

Quelque soit la technologie employée, la mesure de l’Aw d’un produit s’effectue indirectement. C’est en fait l’air contenu dans la chambre de mesure qui est analysé, c’est pourquoi la chambre de mesure doit comporter un volume d’air le plus réduit possible tout en permettant une surface d’échange maximale. Les échanges d’eau entre l’échantillon et l’air contenu s’opèrent dès la fermeture de la chambre de mesure.  Ce n’est que lorsque cet air se trouve en équilibre thermodynamique avec le produit mesuré que la mesure de l’Aw sera fiable. La plupart des Aw-mètres détectent automatiquement un état d’équilibre satisfaisant, et stoppent la mesure le cas échéant.

Le temps de mesure entre deux produits différents peut varier de façon importante. Un produit gras, pouvant constituer une barrière lipidique qui freine la migration de l’eau, sera beaucoup plus long à mesurer qu’un autre produit. Les appareils modernes proposent des temps de mesure souvent inférieurs à 5 minutes, en revanche la possibilité de réaliser des analyses longues durées est un avantage appréciable et permet d’appréhender au delà de la simple mesure de l’Aw, les phénomènes de migration de l’eau qui dépendent étroitement de celle-ci.

  • Généralités

Les Aw-mètres comportent souvent un thermomètre infrarouge sans contact pour mesurer la température de l’échantillon placé.

Les appareils d’activité de l’eau peuvent être contrôlés et calibrés à l’aide de solutions de sels saturées ou insaturées, les différentes solutions existantes permettent de couvrir toute la gamme de mesure.

Certains appareils proposent une régulation de température permettant de faire des mesures à une température stabilisée et choisie par l’utilisateur,  par exemple 25°C qui est la température préconisée par l’AFNOR, d’autres appareils se contentent de mesures à température ambiante.