Het conserveren van vlees wordt al duizenden jaren door beschavingen gebruikt om een langdurige bron van eiwitten te garanderen die niet bederft tijdens opslag of reizen. Het conserveren van vlees door middel van pekelen dateert uit de oudheid en werd vaak per toeval ontdekt door onbedoelde behandelingen van vlees. De meest gebruikelijke methoden om vlees te conserveren zijn zouten, pekelen, roken en drogen. Al deze conserveringsmethoden vertrouwen op de controle van wateractiviteit. Sterker nog, de geschiedenis van houdbare vleessoorten (Shelf Stable Meats, SSM) en wateractiviteit zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. Oude beschavingen hadden geen uitgebreide kennis van wateractiviteit of waarom deze conserveringsmethoden werkten, maar ontdekten het door middel van vallen en opstaan. Zo ontdekten ze de fundamentele waarheid die vandaag de dag nog steeds velen ontgaat: het is de controle over wateractiviteit, niet het vochtgehalte, die zorgt dat geconserveerd vlees houdbaar is.
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 kan worden geïnterpreteerd, is dit onjuist. Vrij water suggereert een kwantitatieve meting, terwijl wateractiviteit een kwalitatieve meting is van de relatieve chemische potentiële energie. In plaats van dat een wateractiviteit van 0,50 aangeeft dat er 50% vrij water is, geeft het correcter aan dat het water in het product 50% van de energie heeft die zuiver water in dezelfde situatie zou hebben. Hoe lager de wateractiviteit, des te minder het water zich in het systeem gedraagt als zuiver water.
Voor SSM wordt wateractiviteit gemeten door het vloeibare fasewater in het monster in evenwicht te brengen met het dampfasewater in de headspace van een gesloten kamer en de evenwichtsrelatieve vochtigheid (ERH) in de ruimte te meten met een sensor.
Wateractiviteit en Microbiële Groei
Elk micro-organisme heeft een ideale wateractiviteit in hun cel en hun vermogen om zich te reproduceren en te groeien hangt af van het behouden van die wateractiviteit. Wanneer een micro-organisme in een omgeving terechtkomt waar de wateractiviteit lager is dan hun interne wateractiviteit, ervaart het osmotische stress en begint het water te verliezen aan de omgeving, omdat water zich verplaatst van hoge naar lage wateractiviteit (energie). Dit waterverlies vermindert de turgordruk en vertraagt de normale metabolische activiteit. Om zich te blijven voortplanten, moet het organisme zijn interne wateractiviteit verlagen tot onder die van de omgeving, wat het probeert te bereiken door intern opgeloste stoffen te concentreren.
Het vermogen om de interne wateractiviteit te verlagen, verschilt per organisme. Elk micro-organisme heeft daarom een unieke limiet voor wateractiviteit waar beneden ze niet kunnen groeien. Een lijst met de limieten voor wateractiviteit voor de groei van veelvoorkomende bederfveroorzakende organismen is te vinden in Tabel 2. Deze groeilimieten tonen 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 bekend staat 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.
Voor een SSM-product om als niet-potentieel gevaarlijk te worden beschouwd, moet de wateractiviteit lager zijn dan 0,86 aw of de pH lager dan 4,2 om ervoor te zorgen dat geen pathogene bacteriën zich op het product kunnen ontwikkelen tijdens opslag. Wateractiviteit en pH werken ook synergistisch om microbiële bescherming te bieden bij waarden hoger dan de vereisten wanneer slechts één controlefactor wordt overwogen.
SSM met een wateractiviteit hoger dan 0,70 aw maar lager dan 0,86 aw worden als houdbaar beschouwd, maar kunnen nog steeds de groei van schimmels en gisten ondersteunen. Deze producten worden niet als onveilig beschouwd, omdat de groei van schimmels en gisten geen voedselvergiftiging veroorzaakt. De groei van niet-pathogene organismen maakt het product echter onaantrekkelijk voor de consument en wordt beschouwd als het einde van de houdbaarheid van het product. Daarom moet de wateractiviteit worden verlaagd tot onder 0,70 aw, of moeten andere interventies worden toegepast, zoals een conserveringssysteem of vacuümverpakking om schimmelgroei te voorkomen.
Chemische Stabiliteit
De wateractiviteit van vlees met een gemiddeld vochtgehalte en gedroogde SSM ligt meestal onder de 0,70 aw, wat aangeeft dat microbiële groei waarschijnlijk niet zal optreden. SSM binnen dit bereik hebben echter niet een onbeperkte houdbaarheid. Dus welke andere vormen van achteruitgang zijn waarschijnlijk verantwoordelijk voor het einde van de houdbaarheid? Voor producten in het bereik van 0,40-0,70 aw is chemische afbraak een belangrijke factor omdat reactiesnelheden maximaal zijn. Vanwege hun hoge vetgehalte is de chemische reactie die het meest waarschijnlijk problemen veroorzaakt voor SSM lipide-oxidatie, wat leidt tot de onaangename geuren en smaken die gepaard gaan met ranzigheid.
Wateractiviteit beïnvloedt de snelheid van lipide-oxidatie door de activeringsenergie te verlagen, de mobiliteit te verhogen en de reactiesnelheidsconstante te vergroten. In het algemeen nemen reactiesnelheden toe naarmate de wateractiviteit stijgt, maar lipide-oxidatie is uniek omdat de reactiesnelheid ook toeneemt bij zeer lage wateractiviteit. Aangezien SSM een hoge genoeg wateractiviteit nodig hebben om een vochtig mondgevoel te behouden, is het niet mogelijk om de snelheid van oxidatie te vertragen door de wateractiviteit sterk te verlagen. In plaats daarvan worden doorgaans andere interventies toegepast, zoals het toevoegen van zuurstofabsorbeerders of het gebruik van een aangepaste atmosfeer in de verpakking, wat het bijkomende voordeel heeft dat het de schimmelgroei vertraagt.
Fysieke Stabiliteit
Elke soort SSM heeft een specifieke mondgevoel en textuur die gewenst is door de consument, en producten worden als onaantrekkelijk beschouwd wanneer ze niet aan deze fysieke kenmerken voldoen. Producten die een stevigere textuur moeten hebben, vereisen een lagere wateractiviteit, terwijl producten die zacht moeten zijn een hogere wateractiviteit nodig hebben. Als een van beide producttypes wordt verwerkt met de verkeerde wateractiviteit, zullen ze niet de gewenste eigenschappen hebben en door de consument worden afgekeurd. Wanneer SSM worden verwerkt en op de juiste wateractiviteit worden gehouden, is het onwaarschijnlijk dat textuur de vorm van achteruitgang zal zijn die het einde van de houdbaarheid bepaalt. Voor stevigere SSM met een lage wateractiviteit zal de waarschijnlijke vorm van achteruitgang smaakgerelateerd zijn, terwijl voor zachte SSM microbiologisch bederf de meest waarschijnlijke oorzaak is, zoals eerder beschreven.
Echter, één situatie waarin textuurveranderingen wel de vorm van achteruitgang zouden kunnen zijn voor SSM, is als de wateractiviteit verandert door blootstelling aan omgevingsluchtvochtigheid die lager of hoger is dan de ideale wateractiviteit. Zoals eerder beschreven, is wateractiviteit ook de evenwichtsrelatieve vochtigheid en wordt het daardoor beïnvloed door de opslagvochtigheid. Als een zacht SSM-product met een wateractiviteit van 0,80 aw wordt blootgesteld aan een relatieve opslagvochtigheid van 60%, zal het product vocht verliezen aan de omgeving totdat de wateractiviteit is gedaald tot 0,60 aw. Dit proces kost tijd, maar als het product niet wordt beschermd, zal de wateractiviteit buiten het ideale bereik dalen en stijf en hard worden. Het plaatsen van het product in een vochtafdichtende verpakking zal de verandering in wateractiviteit vertragen. De snelheid van de wateractiviteitsverandering binnen een verpakking met een bekende vochtpermeabiliteit kan worden gemodelleerd met Fickiaanse diffusie, evenals de vereiste permeabiliteit van de verpakking om een gewenste houdbaarheid te bereiken.
De Belangrijkste Specificatie
Voor SSM is het vaststellen van een ideale wateractiviteitsspecificatie een cruciale stap om veiligheid en kwaliteit te waarborgen. De specificatie kan worden ingesteld om microbiële groei te voorkomen, chemische reacties te minimaliseren en de gewenste textuureigenschappen te bieden. De ideale waarde kan worden bepaald op basis van de meest waarschijnlijke vorm van achteruitgang, zoals textuurverandering voor SSM met lage wateractiviteit, chemische afbraak voor semi-vochtige SSM en microbiële groei voor vochtige SSM. Zodra de ideale wateractiviteit is bepaald, kan een combinatie van verwerking en formulering worden gebruikt om deze ideale wateractiviteit te bereiken.
De meest gebruikelijke verwerkingsstappen om SSM te produceren die voldoen aan de wateractiviteitsspecificatie, zijn het verwijderen van vocht door middel van drogen. SSM worden echter meestal op basis van gewicht verkocht, dus het verwijderen van water vermindert ook het gewicht van het product en resulteert in verlies aan omzet. Formuleringen kunnen worden aangepast om de hoeveelheid vocht in SSM te maximaliseren binnen de wateractiviteitsspecificatie door het toevoegen van humectanten zoals suiker, zout en glycerine, die de wateractiviteit verlagen zonder vocht te verwijderen. De hoeveelheid humectant die nodig is om de wateractiviteit tot het gewenste niveau te verlagen, kan worden voorspeld met behulp van de Norrish- en Ross-vergelijkingen. Wateractiviteitspecialisten kunnen helpen bij het opzetten van een eenvoudig voorspellend hulpmiddel ter ondersteuning van formulering.
Daarnaast kan het nauwkeurig monitoren van de wateractiviteit van SSM tijdens de productie onnodige energiekosten en ongewenst gewichtsverlies door verwerking tot onder de ideale wateractiviteit verminderen. Dit zal verspilling van energie verminderen en de opbrengst maximaliseren. Kortom, het vaststellen van een ideale wateractiviteitsspecificatie, het formuleren om aan die specificatie te voldoen, en het regelmatig testen van wateractiviteit tijdens de productie zal zorgen voor een veilig, kwalitatief hoogwaardig product met een optimale houdbaarheid en maximale opbrengst. Kortom, het succes van SSM door de geschiedenis heen is rechtstreeks verbonden met een erfenis van wateractiviteitcontrole.
