Wasseraktivität (a_w) in der Gastronomie: Wissenschaft und Haltbarmachung von Lebensmitteln

Die Wasseraktivität (a_w) ist ein zentraler Begriff der Lebensmittelwissenschaft: die Menge freien Wassers, das an chemischen Reaktionen und am mikrobiellen Wachstum in Lebensmitteln teilnehmen kann. Man darf sie nicht mit dem Gesamtwassergehalt verwechseln, denn die Wasseraktivität betrifft den Anteil des Wassers, der Stabilität, Haltbarkeit und Qualität der Lebensmittel tatsächlich beeinflussen kann.

Was die Wasseraktivität genau misst

Hinter dieser allgemeinen Idee steht eine genaue Definition: Die Wasseraktivität eines Lebensmittels ist das Verhältnis zwischen seinem Wasserdampfdruck und dem Dampfdruck reinen Wassers bei derselben Temperatur.

a_w = p / p₀

p ist der Wasserdampfdruck des Lebensmittels und p₀ der des reinen Wassers. Das Ergebnis ist eine einheitenlose Zahl auf einer Skala von 0 (kein verfügbares Wasser) bis 1 (reines Wasser). Da beide Drücke der Formel von der Temperatur abhängen, ist ein a_w-Wert nur mit einem anderen vergleichbar, der bei derselben Temperatur gemessen wurde.

„Wasseraktivität“ ist kein allgemeiner Wortschatz, sondern Fachvokabular der Lebensmittelwissenschaft und -technologie: Das Diccionario de la lengua española der RAE verzeichnet weder „actividad de agua“ noch „actividad acuosa“.

Freies Wasser und gebundenes Wasser

Ein Teil des Wassers eines Lebensmittels ist an seine molekulare Struktur gebunden und steht nicht zur Verfügung; die Wasseraktivität misst allein den anderen Anteil, den freien, den Mikroorganismen und die chemischen Verderbsreaktionen nutzen können.

Daher sagt der Gesamtfeuchtegehalt die Stabilität eines Erzeugnisses nicht voraus: Es kann viel Wasser enthalten und stabil sein, wenn es gebunden ist, oder wenig und unsicher, wenn es frei ist.

Woher der Begriff kommt

Die Vorstellung von der „Aktivität“ eines Stoffes, der in einer nicht idealen Lösung gelöst ist — die thermodynamische Grundlage, auf der später die Wasseraktivität aufbaut —, stammt aus der physikalischen Chemie der Lösungen, die Gilbert N. Lewis und Merle Randall zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts entwickelten.

Der eigene Meilenstein der Lebensmittelwissenschaft hat Namen und Datum: 1953 zeigte der Mikrobiologe W. J. Scott, dass das mikrobielle Wachstum in Lebensmitteln von der Wasseraktivität bestimmt wird und nicht vom Gesamtwassergehalt, ein Befund, der in der Lebensmittelmikrobiologie als grundlegend gilt. Vier Jahre später legte er den Begriff der minimalen Wasseraktivität für das mikrobielle Wachstum fest, der die Schwellentabellen bis heute ordnet. Im spanischsprachigen Raum ist der Parameter seit Jahrzehnten gefestigt: Das agrarwissenschaftliche System der FAO (AGRIS) verzeichnet Studien auf Spanisch über die Wasseraktivität in Sorten spanischen Käses und in „Lebensmitteln mittlerer Feuchte“.

Die mikrobiologischen Schwellen

Jede Gruppe von Mikroorganismen hört unter einem bekannten a_w-Wert auf zu wachsen. Die Mehrheit der Bakterien wächst nicht unter 0,91, obwohl einige halophile — an hohe Salzgehalte angepasst — bis 0,75 widerstehen. Schimmelpilze und Hefen ertragen mehr Trockenheit, und deshalb schimmelt eine gereifte Wurst, bevor sie gefährlich wird.

Auch das europäische Recht rechnet in a_w

Eine dieser Schwellen ist nicht nur technische Orientierung: Sie ist gesetzliches Kriterium und seit Jahren in Kraft. Die Verordnung (EG) Nr. 2073/2005 über mikrobiologische Kriterien für Lebensmittel betrachtet in Anmerkung 8 des Kapitels 1 ihres Anhangs I ein verzehrfertiges Lebensmittel als eines, das das Wachstum von Listeria monocytogenes nicht begünstigt, wenn es einen pH von 4,4 oder darunter oder eine Wasseraktivität von 0,92 oder darunter aufweist, und auch, wenn es einen pH von 5,0 oder darunter mit einer a_w von 0,94 oder darunter verbindet. Diese Verbindung erklärt, warum Säuerung und Trocknung zusammen eingesetzt werden: Jede Hürde für sich kann zu kurz greifen. Die übrigen Werte der vorigen Tabelle sind technische Referenz der Lebensmittelmikrobiologie, keine gesetzlichen Kriterien.

Bei gereiften Erzeugnissen schärft die Forschung diese Werte. Eine begutachtete Studie über den Parmaschinken kam zu dem Schluss, dass die Verringerung des verfügbaren Wassers, durch Salzdiffusion verbunden mit der Trocknung, der hauptsächliche begrenzende Faktor für das Wachstum von Clostridium botulinum ist: Keine der Proben mit einer a_w unter 0,97 zeigte Wachstum, und die Sicherheitsschwelle am Ende der traditionellen Ruhe des Schinkens liegt bei 0,96.

Werte nach Lebensmittel

Honig ist der lehrreichste Fall: Er enthält Wasser, doch seine Zucker halten es fest, bis der freie Anteil zwischen 0,5 und 0,7 liegt. Die Nüsse kommen auf dem Weg der Trocknung an denselben Ort.

Bedeutung der Wasseraktivität in der Gastronomie

In der Gastronomie ist das Verstehen der Wasseraktivität wesentlich, um Lebensmittelsicherheit und -qualität zu gewährleisten. Die Werte der Wasseraktivität wirken unmittelbar auf die Vermehrung von Mikroorganismen und auf die enzymatischen Reaktionen, die zum Abbau der Lebensmittel führen können. Die Wasseraktivität zu steuern erlaubt Köchen und Lebensmitteltechnologen deshalb, wirksamere Haltbarmachungsverfahren zu entwerfen und die Haltbarkeit der Erzeugnisse zu verlängern.

Steuerung der Wasseraktivität

Die Steuerung der Wasseraktivität gelingt durch verschiedene Techniken, etwa die Trocknung, die Zugabe gelöster Stoffe (zum Beispiel Salz oder Zucker) und die Einstellung des pH. Diese Verfahren verringern die Menge freien Wassers, hemmen das Wachstum von Krankheitserregern und die Enzymaktivität, ohne zwangsläufig den Gesamtwassergehalt zu verändern. Diese Strategie ist der Schlüssel zur Herstellung sicherer Erzeugnisse von hoher Qualität.

• Trocknung und Dörren, an der Luft, in der Sonne oder im Ofen: Dem Lebensmittel wird Wasser entzogen.
• Gefriertrocknung: Das Erzeugnis wird gefroren und das Eis sublimiert im Vakuum; das Wasser geht, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen, und die Struktur fällt nicht zusammen.
• Salzen und Zuckern: Das Salz der Salzungen und der Zucker von Sirup, Marmeladen und Konfekt halten das verbleibende Wasser fest und machen es unverfügbar.
• Räuchern: Es fügt der Trocknung die Ablagerung von Verbindungen mit einer gewissen antimikrobiellen Wirkung hinzu.

Auf halbem Weg stehen zu bleiben ist der häufige Fehler: Ein bis 0,93 getrocknetes Erzeugnis ist nicht mehr frisch, aber auch nicht stabil, denn dort fühlen sich Schimmelpilze und Hefen wohl. Entweder man geht unter die Schwelle oder man fügt eine weitere Hürde hinzu — Kälte, Säure, Verpackung —.

Anwendungen in der modernen Küche

Die Steuerung der a_w dient nicht nur der Haltbarmachung: Sie arbeitet auch an Textur und Geschmack.

Texturen und Geschmäcker. Indem man die a_w steuert, verändert man die sensorische Wahrnehmung eines Lebensmittels — von knusprig und luftig zu weich und cremig —, ohne andere Aspekte des Erzeugnisses anzurühren, und da sie zu senken heißt, gelöste Stoffe zu konzentrieren, verstärkt die Reduktion den Geschmack. In Konditorei und Konfekt, wo die Textur von einem genauen Punkt verfügbarer Feuchte abhängt, trennt diese Genauigkeit ein stabiles Erzeugnis von einem, das zusammenfällt.

Haltbarmachung ohne Konservierungsstoffe. Das mikrobielle Wachstum auf physikalischem Weg zu hemmen verlängert die Haltbarkeit ohne künstliche Konservierungsstoffe und bewahrt die natürlichen Aromen. Die Gefriertrocknung ergibt Zutaten, die Form, Farbe und Geschmack bei sehr niedriger a_w behalten und sich beim Anrichten rehydrieren.

Experimentelle Küche. Die Avantgarde nutzt denselben Parameter in Sphärifizierungen und „falschem Kaviar“ aus Säften oder Brühen, demselben Feld, auf dem Xanthan, Agar-Agar und die Gelatine eines Aspic arbeiten.

Nachhaltigkeit. Die Haltbarkeit auf physikalischem Weg zu verlängern verringert die Verschwendung und bringt das Erzeugnis näher an seine natürlichste Fassung.

Auf den Kanaren: Jareas, Tollos und Ziegenkäse

Die Wasseraktivität ist kein kanarischer Begriff: Es ist ein universeller Parameter, ohne lokalen Namen und ohne eigene insulare Bedeutung. Kanarisch ist der jahrhundertealte Gebrauch des Prinzips, das er beschreibt.

Die Inseln haben eine belegte Tradition der Haltbarmachung von Fisch durch Trocknen in der Sonne und durch Salzen. Die Jareas sind Fische, am Bauch in zwei Hälften geöffnet, mit Meerwasser gewaschen und an Luft und Wind zum Trocknen gelegt; die Tollos, Streifen von Glatthai (Cazón) oder anderen Haien, in der Sonne getrocknet. Beide Techniken sind besonders auf Fuerteventura, Lanzarote und La Graciosa verwurzelt, trockenen Inseln, auf denen Fisch ein wesentlicher Teil der Ernährung war und es weder Kühlung noch Gefrieren gab. Salz, Sonne und Wind: die drei Werkzeuge, die die a_w senken. Etwas Ähnliches geschieht mit den beiden kanarischen Ziegenmilchkäsen mit geschützter Ursprungsbezeichnung, dem Queso Majorero (Fuerteventura, cabra mayorera) und dem Queso Palmero oder Queso de La Palma (La Palma, cabra palmera, Rohmilch): Ihre Reifung hängt von der Steuerung der Feuchte und des Salzes ab.

Diese Beziehung ist begrifflich, nicht wörtlich: Keine der konsultierten Quellen beschreibt die Jareas, die Tollos oder diese Käse mit dem Ausdruck „Wasseraktivität“, und keine institutionelle oder akademische Quelle veröffentlicht eine a_w-Zahl für den Majorero oder den Palmero. Am nächsten kommt eine Studie von 2021 von Forschern des Instituto Canario de Investigaciones Agrarias (ICIA) über den Queso Palmero im Verlauf von 90 Tagen Reifung, mit Messungen an den Tagen 15, 30, 60 und 90: Sie verzeichnete einen Rückgang der Feuchte von 36,93 % auf 29,20 % zusammen mit einem Anstieg von Härte, Brüchigkeit und Gummiartigkeit, maß aber Feuchte, nicht Wasseraktivität. Es sind verwandte Parameter, keine austauschbaren.

In der Arbeit von Diego Schattenhofer

Der hier im Haus belegte Gebrauch ist nicht traditionell, sondern aus dem Labor, und der Koch selbst schreibt ihn. In Die Wissenschaft hinter der Fleischreifung erklärt Diego Schattenhofer, dass die Anpassung der Reifetechniken an das Fleisch der Kanarischen Ziege eine „ständige Überwachung der Wasseraktivität (Aw) verlangt, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten“, und nennt sie erneut unter den Sicherheitsprotokollen des Verfahrens, als „regelmäßige Überwachung… um das mikrobielle Wachstum zu verhindern“.

Diese Kontrolle steht neben zwei weiteren Parametern: Die Reifezeiten der Kanarischen Ziege betragen 14 bis 21 Tage, kürzer als die des Rindes, mit eigenen Einstellungen von Temperatur und Feuchte. Es sind Reifetechniken, gedacht für ein Tier, das sich nicht wie ein Rind verhält. Die wissenschaftliche Sicht bringt Dr. Fresno vom ICIA ein, die mit dem Koch an der Studie zum gereiften Ziegenfleisch arbeitet, mit der Genetik und der Ernährung der kanarischen Ziegenrassen: dieselbe Einrichtung, die die oben zitierte Studie zum Palmero zeichnet.

Schluss

Die Wasseraktivität ist eine Säule der kulinarischen Wissenschaft und bietet einen wissenschaftlichen Zugang zu Herausforderungen der Lebensmittelsicherheit, der Haltbarmachung und der Qualität der Lebensmittel. Ihr Verständnis und ihre sachgerechte Steuerung öffnen die Tür zu kulinarischen Neuerungen und zur Verbesserung der Haltbarmachungspraxis in der gastronomischen Industrie.

Verwandte Begriffe

• Säuerung — die andere große Hürde; das europäische Recht verbindet pH und a_w in einem Kriterium.
• Xanthan — natürliches Polysaccharid, verwendet als Verdickungsmittel und Stabilisator.
• Agar-Agar — natürliches Geliermittel, aus Rotalgen gewonnen.
• Aspic — salzige Gallerte aus Fleisch- oder Fischbrühe, geklärt und mit kollagenreichen Knochen geliert.
• Albumin — Protein, das Wasser bindet und in der Küche Texturen aufbaut.

Konsultierte Quellen

• Encyclopaedia Britannica, „water activity“
• Real Academia Española, Diccionario de la lengua española, „agua“ (ohne Eintrag für „actividad de agua“ oder „actividad acuosa“)
• Wikipedia (en), „Thermodynamic activity“
• Water Activity in Foods: Fundamentals and Applications, historische Einleitung (Wiley Online Library)
• Fundación Aquae, „Efecto de la actividad de agua de los alimentos en su conservación“
• Higiene Ambiental, „Actividad del agua y seguridad alimentaria“
• Higiene Ambiental, „Cómo incide la presencia de agua en la vida útil de los alimentos“
• EUR-Lex, Verordnung (EG) Nr. 2073/2005 über mikrobiologische Kriterien für Lebensmittel (konsolidierter Text)
• Merialdi et al. (2016), „Study on Potential Clostridium botulinum Growth and Toxin Production in Parma Ham“, PMC
• Wikipedia (es), „Actividad acuosa“
• AGRIS (FAO), Einträge zur Wasseraktivität in Lebensmitteln
• Álvarez, S. und Fresno, M. (2021), Queso Palmero während der Reifung, Animals (MDPI), DOI 10.3390/ani11010058
• Pellagofio, „Con las jareas, al sol y el viento la mar entera“
• CanariWiki (Gobierno de Canarias), „Tollos“
• Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, Datenblatt DOP Queso Palmero