De productie van diervoeding is een van de snelst groeiende industrieën wereldwijd en had in 2018 een waarde van 91 miljard dollar. De tijd dat huisdieren werden gevoerd met restjes van tafel is voorbij; tegenwoordig is diervoeding zorgvuldig samengesteld om gezonde diëten te bieden, allergieën te vermijden en variatie te geven. Met de toenemende waarde van diervoeding nemen ook de verwachtingen voor veiligheid, kwaliteit en consistentie toe. Tegelijkertijd is er meer intensieve overheidscontrole en regelgeving gekomen. Toen de Food Safety Modernization Act (FSMA) in 2011 werd ingevoerd, omvatte deze aanbevelingen om regelgeving voor de productie van diervoeding gelijk te stellen aan die voor menselijke voedselproductie. De laatste updates in deze regelgeving zijn in september 2018 van kracht geworden voor zeer kleine bedrijven. Het voldoen aan deze nieuwe FSMA-voorschriften, terwijl men nog steeds een veilig, kwalitatief hoogstaand en winstgevend product produceert, is de huidige uitdaging voor de diervoedingsindustrie.
FSMA en Wateractiviteit
De basis van de FSMA-aanpak voor voedselveiligheid is het gebruik van Hazard Analysis and Risk-Based Preventive Controls (HARPC)-programma’s. Het doel van deze programma’s is om het risico van voedselveiligheidsgerelateerde gevaren te beoordelen, controles voor deze gevaren te implementeren, te verifiëren dat de controles werken, en corrigerende maatregelen te nemen als dit niet het geval is.
De gevaren die geassocieerd worden met diervoeding zijn primair gericht op microbiële bederf door pathogenen, maar ook andere gevaren zoals besmetting door metalen, chemicaliën of andere verontreinigingen worden aangepakt.
De controles die worden gebruikt om deze gevaren te voorkomen, zijn afhankelijk van het specifieke gevaar. Voor microbiële bederf zijn de belangrijkste controles dodelijke behandelingen om pathogenen te doden en productformulering om microbiële groei tijdens opslag te voorkomen. Deze controles moeten vervolgens worden gemonitord door middel van testen, zoals het meten van de interne temperatuur tijdens de dodelijke behandeling of de wateractiviteit van het eindproduct, en de monitoringsmethoden moeten worden geverifieerd.
Voldoen aan de FSMA-vereisten kan een uitdaging zijn, maar dit wordt gemakkelijker gemaakt door de beschikbaarheid van goede meetinstrumenten zoals wateractiviteitinstrumenten die betrouwbaar en gemakkelijk te verifiëren zijn.
Wateractiviteitcontrole wordt al decennialang effectief gebruikt als een preventieve controle in de voedingsmiddelenindustrie en maakt een integraal onderdeel uit van de overheidsdefinitie van tijd/temperatuurcontrole voor voedselveiligheid. Hoewel deze definitie nu pas wordt toegepast voor diervoeding, wordt wateractiviteitcontrole sinds de jaren ’60 al toegepast in de productie van diervoeding.
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 oppervlakte-, colligatieve en capillaire interacties in een matrix.
In de praktijk wordt het gemeten als de partiële dampdruk van water in een headspace die in evenwicht is met het monster, gedeeld door de verzadigde dampdruk van water bij dezelfde temperatuur. De wateractiviteit varieert van 0 (extreem droge omstandigheden) tot 1,00 voor zuiver water, waarbij de partiële druk en de verzadigde druk gelijk zijn.
Wateractiviteit wordt vaak aangeduid als ‘vrij water’, wat nuttig is wanneer men verwijst naar water met hogere energie. Dit is echter niet wetenschappelijk correct, aangezien ‘vrij’ verschillend wordt geïnterpreteerd afhankelijk van de context. Een wateractiviteit van 0,50 geeft niet aan dat er 50% vrij water is, maar eerder 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 in het systeem zich gedraagt als zuiver water.
Wateractiviteit wordt 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 headspace te meten met een sensor. Veranderingen in ERH worden gevolgd door veranderingen in de elektrische weerstand van de elektrolytsensor.
Hoewel wateractiviteit een intensieve eigenschap is die de energie van het water in een systeem weergeeft, is het vochtgehalte een extensieve eigenschap die de hoeveelheid vocht in een product bepaalt. Wateractiviteit en vochtgehalte, hoewel gerelateerd, zijn niet dezelfde meting. Vochtgehalte wordt typisch bepaald door gewichtsverlies na droging als het verschil in gewicht tussen een nat en droog monster.
Microbiële Groei
Elk micro-organisme heeft een ideale wateractiviteit binnen hun celmembraan, en hun vermogen om zich voort te planten en te groeien hangt af van het behouden van die wateractiviteit. Wanneer een micro-organisme zich in een omgeving bevindt waar de wateractiviteit lager is dan hun interne wateractiviteit, ervaart het osmotische stress en begint het water te verliezen aan de omgeving, aangezien water zich verplaatst van hoge naar lage wateractiviteit. Dit verlies van water vermindert de turgordruk en remt de normale metabolische activiteit. Om zich te blijven voortplanten, moet het organisme zijn interne wateractiviteit verlagen tot onder die van de omgeving door intern opgeloste stoffen te concentreren.
De mogelijkheid om zijn 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 limieten tonen aan dat alle pathogene bacteriën stoppen met groeien bij wateractiviteiten onder 0,87, terwijl de groei van veelvoorkomende bederfgisten en schimmels stopt bij 0,70 aw, wat bekend staat als de praktische limiet.
Chemische Stabiliteit
De wateractiviteit van diervoeding met een gemiddeld vochtgehalte en droge diervoeding ligt meestal onder de 0,70 aw, wat betekent dat microbiële groei waarschijnlijk niet zal plaatsvinden. Echter, diervoeding in dit bereik heeft niet een onbeperkte houdbaarheid. Dus welke andere vormen van achteruitgang kunnen een einde aan de houdbaarheid maken?
Voor diervoeding in het bereik van 0,40-0,70 aw is chemische afbraak een belangrijk aandachtspunt, omdat de reactiesnelheden op hun maximum zijn. Chemische reacties zoals Maillard-bruining, lipide-oxidatie en enzymatische reacties kunnen de smaak, het uiterlijk en de voedingswaarde van diervoeding beïnvloeden. Wateractiviteit beïnvloedt reactiesnelheden door de activeringsenergie te verlagen, de mobiliteit te verhogen en de reactiesnelheidsconstante te vergroten. Hierdoor correleren reactiesnelheden beter met wateractiviteit dan met vochtgehalte. Over het algemeen nemen reactiesnelheden toe naarmate de wateractiviteit stijgt, hoewel specifieke correlaties afhankelijk zijn van het type product en de reactie. De meeste reacties bereiken hun maximum in het bereik van 0,70-0,80 aw vanwege verdunning bij hoge wateractiviteit, maar lipide-oxidatie is de enige reactie die toeneemt bij lage wateractiviteit.
De reactie die de kwaliteit van diervoeding waarschijnlijk het meest beïnvloedt, is lipide-oxidatie of ranzigheid. Dit is een complexe reactie die meerdere paden kan volgen en lipiden (vetten), zuurstof en vrije radicalen vereist om plaats te vinden. Dit wordt vaak beheerst door zuurstof te verwijderen via stikstofspoeling of het gebruik van zuurstofabsorbeerders. Ranzigheid treedt op wanneer lipide-oxidatie geurstoffen produceert die een muffe geur en smaak veroorzaken.
Droge diervoeding wordt vaak besproeid met een vetcoating om versheid te behouden en de voedingswaarde te verbeteren, waardoor het gevoelig wordt voor ranzigheid. Huisdieren weigeren vaak voedsel dat ranzig is geworden, of de eigenaar gooit voedsel weg dat ranzig ruikt. Zoals eerder vermeld, is lipide-oxidatie uniek omdat de snelheid niet alleen toeneemt bij een hogere wateractiviteit, maar ook bij een lage wateractiviteit, wat de algemene regel dat lagere wateractiviteit altijd beter is, tegenspreekt.
Fysieke Stabiliteit
Voor diervoeding met een lage wateractiviteit (0,20-0,40 aw), zoals droge brokjes, zijn chemische reacties en microbiële besmetting niet de meest waarschijnlijke vormen van achteruitgang. Deze producten hebben echter ook niet een onbeperkte houdbaarheid. De meest waarschijnlijke vorm van achteruitgang bij deze droge producten is een verandering in producttextuur. Veranderingen in wateractiviteit kunnen zowel structuur als textuur beïnvloeden, en elk product heeft een ideaal wateractiviteitsbereik waar de textuur optimaal is.
Om de houdbaarheid te maximaliseren, moet een product worden vervaardigd binnen het ideale wateractiviteitsbereik en tijdens transport en opslag op dat wateractiviteitsniveau blijven. Voor droge brokjes is de wateractiviteit laag en wordt een knapperige textuur verwacht, maar als de wateractiviteit buiten het ideale bereik stijgt, zullen de brokjes zacht en onaantrekkelijk worden.
Anderzijds hebben semi-vochtige diervoeders een hogere wateractiviteit en wordt verwacht dat ze een zachte en buigzame structuur hebben. Als de wateractiviteit buiten het ideale bereik daalt, zullen deze producten hard en onaantrekkelijk worden. Onderzoek heeft veranderingen in knapperigheid gedocumenteerd wanneer knapperige producten worden geëquilibreerd naar verschillende wateractiviteitsniveaus.
Ingrediëntinspectie
Zodra een ideale wateractiviteitsspecificatie is vastgesteld, is de volgende uitdaging om consistent producten te produceren op dat ideale niveau.
Idealiter zouden productiesettings zoals oventemperatuur en bandsnelheid kunnen worden ingesteld en bij elk productieproces gelijk blijven, zodat het product telkens dezelfde wateractiviteit heeft. Helaas zijn er externe factoren die aanpassingen aan de productiesettings noodzakelijk maken. Deze factoren omvatten, maar zijn niet beperkt tot, inconsistentie in de binnenkomende ingrediënten en veranderingen in de productieomgeving.
Als de productiesettings idealiter zijn ingesteld om de gewenste wateractiviteit te bereiken met de aanname dat de binnenkomende ingrediënten een bepaalde wateractiviteit hebben, zal afwijking van deze verwachte wateractiviteit producten opleveren met een variërende wateractiviteit. Meestal wordt dit pas ontdekt wanneer het eerste product is voltooid en bij QA-testing terechtkomt.
Op dat punt, als het product niet voldoet aan de specificatie, moet het worden herwerkt of wordt het afval. Een effectieve oplossing om problemen veroorzaakt door inconsistente binnenkomende ingrediënten te vermijden, zou zijn om de wateractiviteit van de ingrediënten te monitoren en een acceptabel bereik vast te stellen dat producten oplevert die aan de specificaties voldoen met een minimale hoeveelheid aanpassingen in de productie. Dit kan eenvoudig worden gedaan door een steekproef van binnenkomende ingrediënten te nemen en een wateractiviteitstest uit te voeren. Als de test niet voldoet aan de vereiste wateractiviteit voor het ingrediënt, kan het ingrediënt worden afgewezen of kunnen de nodige aanpassingen in de productie worden gedaan in de wetenschap dat de standaardinstellingen niet zullen werken. Veel diervoedingsfabrikanten meten de wateractiviteit van hun eindproduct, maar het idee om wateractiviteit te gebruiken voor het screenen van binnenkomende ingrediënten kan nieuw maar potentieel nuttig zijn.
De Belangrijkste Specificatie
Voor diervoeding is het vaststellen van een ideale wateractiviteitsspecificatie een cruciale stap in het formuleren voor veiligheid en kwaliteit. De specificatie kan worden ingesteld om microbiële groei, chemische reacties, fysische en structurele degradatie, en vochtmigratie te vermijden. De ideale waarde kan worden bepaald op basis van de meest waarschijnlijke vorm van achteruitgang, zoals textuurverlies voor droge producten, chemische afbraak voor semi-vochtige producten en microbiële groei voor natte diervoeding. Zodra de ideale wateractiviteit is bepaald, kan een combinatie van verwerking en formulering worden gebruikt om deze ideale wateractiviteit te bereiken.
De meest voorkomende verwerkingsstappen om producten te produceren die voldoen aan de wateractiviteitsspecificatie zijn het verwijderen van vocht door koken of drogen. Diervoeding wordt echter meestal op basis van gewicht verkocht, dus water verwijderen vermindert ook het gewicht van het product en resulteert in omzetverlies. Formulering kan de hoeveelheid vocht in diervoeding maximaliseren bij de wateractiviteitsspecificatie door het toevoegen van humectanten zoals suiker, zout en glycerine, die de wateractiviteit verlagen.
Het nauwkeurig monitoren van de wateractiviteit van het product op de productielijn zal onnodige energieverspilling en gewichtsverlies door verwerking tot een lagere dan ideale wateractiviteit elimineren, wat de omzet maximaliseert. Kortom, het vaststellen van een ideale wateractiviteitsspecificatie, het formuleren om aan die specificatie te voldoen en het monitoren van de productie met regelmatige wateractiviteitstesten zullen zorgen voor een veilig, kwalitatief hoogwaardig product met een optimale houdbaarheid en maximale omzet. Kort samengevat, wateractiviteit is de belangrijkste specificatie voor diervoeding.
