De gebakken snacks-industrie is een voortdurend groeiende markt met een waarde van 440 miljard dollar. Deze producten hebben meestal een variatie aan texturen, kleuren en smaken, en het is cruciaal dat ze veilig blijven en hun verwachte textuur en sensorische eigenschappen behouden. Een van de belangrijkste factoren die de kwaliteit en houdbaarheid van bakkerijproducten beïnvloedt, is wateractiviteit. Controle over wateractiviteit kan helpen om verschillende vormen van achteruitgang, zoals ranzigheid, microbiologisch bederf, veroudering of veranderingen in textuur door vochtmigratie, te voorkomen of te minimaliseren.
Theorie van Wateractiviteit
Wateractiviteit wordt gedefinieerd als de energiestatus van water in een systeem en is gebaseerd op de fundamentele wetten van de thermodynamica via de Gibbs-vrije energievergelijking. Het vertegenwoordigt de relatieve chemische potentiële energie van water zoals bepaald door de oppervlaktespanning, colligatieve en capillaire interacties in een matrix. In de praktijk wordt het gemeten als de partiële dampdruk van water in een evenwichtstoestand met het monster, gedeeld door de verzadigde dampdruk van water bij dezelfde temperatuur. Wateractiviteit wordt vaak aangeduid als ‘vrij water’, maar omdat ‘vrij’ niet wetenschappelijk is gedefinieerd en afhankelijk van de context anders geïnterpreteerd kan worden, is dit onjuist. Vrij water suggereert een kwantitatieve meting, terwijl wateractiviteit een kwalitatieve meting is van de relatieve chemische potentiële energie.
Voor bakkerijproducten wordt wateractiviteit gemeten door het vloeibare fasewater in het monster in evenwicht te brengen met het dampfasewater in een gesloten kamer en de evenwichtsrelatieve vochtigheid (ERH) in de ruimte te meten met een sensor. Instrumenten van Novasina, zoals de Labmaster NEO, maken gebruik van een elektrolytische sensor om de ERH binnen een afgesloten kamer te bepalen. Veranderingen in ERH worden gevolgd door veranderingen in de elektrische weerstand van de elektrolytsensor. Dit zorgt voor een zeer stabiele en nauwkeurige meting, zonder dat onderhoud en kalibratie vaak nodig zijn.
Wateractiviteit en Textuur/Knapperigheid
Bakkerijproducten staan bekend om hun aangename textuur en smaak, en elk product heeft zijn eigen unieke organoleptische eisen. De meest voorkomende vorm van achteruitgang in gebakken producten is een onverwachte verandering in textuur of smaak. Zo moet een boterkoek knapperig zijn, terwijl een cake een goede balans tussen stevigheid en vochtigheid moet vertonen. Elke verandering in wateractiviteit resulteert in veranderingen in textuur, en elk gebakken product heeft een optimaal wateractiviteitsbereik waarin de textuur en smaak ideaal zijn. De sleutel tot het verlengen van de houdbaarheid van deze producten is dan ook om ze te produceren binnen het ideale wateractiviteitsbereik en deze wateractiviteit te behouden tijdens opslag en transport met effectieve verpakking.
Veel bakkerijproducten bevatten meerdere componenten, zoals een crèmelaag of een glazuur. Bij deze producten kan vochtmigratie tussen componenten leiden tot ongewenste textuurveranderingen of zelfs gevoeligheid voor microbiële groei. Vocht migreert van hoge naar lage wateractiviteit, dus de manier om vochtmigratie en de bijbehorende gevolgen te voorkomen, is door de wateractiviteit van de componenten op elkaar af te stemmen. Zo moeten bijvoorbeeld het glazuur, de cake en de vulling van een snackcake allemaal worden vervaardigd met dezelfde wateractiviteit voordat ze worden gecombineerd. Zelfs als hun vochtgehalte verschilt, zal er dan geen vochtmigratie plaatsvinden tussen de componenten.
Wateractiviteit en Chemische Stabiliteit
De grootste categorie gebakken snacks bevat producten met wateractiviteiten van minder dan 0,70 aw, dus microbiologisch bederf is niet het meest waarschijnlijke evenement dat hun houdbaarheid zal beëindigen. Voor producten die in het bereik van 0,50-0,70 aw moeten blijven om hun gewenste textuur te behouden, is chemische afbraak een belangrijk aandachtspunt omdat de reactiesnelheden op hun maximum zijn. Over het algemeen nemen reactiesnelheden toe naarmate de wateractiviteit toeneemt, maar lipide-oxidatie is uniek omdat de reactiesnelheid ook toeneemt bij zeer lage wateractiviteit. Voorbeelden van reacties die kunnen leiden tot productafbraak en het einde van de houdbaarheid zijn veroudering, Maillard-bruining (veranderingen in kleur en smaak), lipide-oxidatie (ranzigheid), enzymatische reacties (veranderingen in textuur, kleur en smaak) en het afbreken van vitamines (verlies van voedingskwaliteit).
Omdat het verlagen van de wateractiviteit om reacties te vertragen geen optie is, aangezien dit de textuur zou veranderen, worden doorgaans andere interventies toegepast, zoals herformulering om reactanten te verwijderen, het gebruik van zuurstofabsorbeerders of het aanpassen van de atmosfeer in de verpakking.
Gedeepfried producten zoals chips vormen een uniek probleem. De wateractiviteit van deze producten is erg laag, minder dan 0,10 aw. Men zou kunnen denken dat ze een extreem lange houdbaarheid zouden hebben vanwege hun lage wateractiviteit. Echter, zoals eerder vermeld, neemt de snelheid van lipide-oxidatie die leidt tot ranzigheid toe bij zeer lage wateractiviteit. Aangezien deze producten veel lipiden bevatten in de vorm van vet, zijn ze erg vatbaar voor oxidatie. Daarom worden deze producten vaak verpakt in een stikstofspoeling om zuurstof te verwijderen en hebben ze een beperkte houdbaarheid.
Wanneer veranderingen in smaak of geur als gevolg van chemische reacties de houdbaarheid beëindigen, bepaalt de tijd die nodig is voor de reactie om een onaanvaardbaar niveau te bereiken bij een bepaalde wateractiviteit en temperatuur de houdbaarheid van het product.
Wateractiviteit en Microbiële Groei
Het type micro-organisme dat zich bij een bepaalde wateractiviteit zal vermenigvuldigen, verschilt per organisme, aangezien elk organisme een lagere wateractiviteitslimiet heeft waaronder het niet zal groeien. Een lijst met de wateractiviteitslimieten voor de groei van veelvoorkomende bederfveroorzakende organismen is te vinden in Tabel 2. Deze groeilimieten geven aan dat alle pathogene bacteriën stoppen met groeien bij wateractiviteiten van minder dan 0,87, terwijl de groei van veelvoorkomende bederfgisten en schimmels stopt bij 0,70 aw, wat bekendstaat als de praktische limiet. Alleen xerofiele en osmotolerante organismen kunnen groeien bij wateractiviteiten onder 0,70 aw, en alle microbiële groei stopt bij wateractiviteiten lager dan 0,60.
Andere intrinsieke factoren, zoals pH, hebben ook invloed op microbiële groei. Gebakken snacks in dit bereik worden niet als onveilig beschouwd, omdat de groei van schimmels en gisten geen voedselvergiftiging veroorzaakt. Echter, de groei van niet-pathogene organismen maakt het product doorgaans onaantrekkelijk voor de consument en wordt beschouwd als het einde van de houdbaarheid van het product. Daarom moet de wateractiviteit worden verlaagd tot onder de 0,70 aw, of er moeten andere interventies worden toegepast om schimmelgroei te voorkomen.
Gebakken snacks die een wateractiviteit hoger dan 0,70 aw nodig hebben om hun gewenste zachte textuur te behouden, zijn vatbaar voor microbiologisch bederf. Vers gebakken producten hebben vaak een zeer hoge wateractiviteit, vaak boven 0,90 aw, wat ze gevoelig maakt voor bederf door pathogene bacteriën. Echter, omdat ze op hoge temperaturen worden gebakken en daarmee worden beschouwd als hittebehandeld, kunnen ze een wateractiviteit tot 0,92 aw hebben en toch als houdbaar worden beschouwd, mits ze in beschermende verpakkingen zitten. Het meest herkenbare product in deze categorie is brood, dat een hoge wateractiviteit heeft, maar door de hoge baktijd als steriel product wordt beschouwd zolang het verpakt is. Zodra de verpakking wordt geopend en het brood wordt blootgesteld aan de omgeving, wordt het echter vatbaar voor microbiële groei, waarbij schimmel de meest waarschijnlijke besmetting is.
De Belangrijkste Specificatie
De meeste bakkerijproducten worden op basis van gewicht verkocht. Door de hoeveelheid water in het product te maximaliseren terwijl het veilig en stabiel blijft, kan de winstgevendheid worden gemaximaliseerd. De informatie in dit document toont aan dat elk product een ideaal wateractiviteitsbereik heeft, en wanneer men buiten dit bereik komt, wordt het product minder aantrekkelijk. De sleutel tot het maximaliseren van de winstgevendheid en het waarborgen van de kwaliteit is daarom om wateractiviteit te monitoren en de productie te beëindigen wanneer de ideale wateractiviteit is bereikt. Dit voorkomt verspilling van energie door overmatig drogen en maximaliseert het uiteindelijke vochtgehalte en daarmee de productopbrengst.
