Définition de l’activité de l’eau

Parmi les personnes qui utilisent le terme « activité de l’eau », peu sont celles qui comprennent réellement les équations et les principes thermodynamiques qui la rendent si utile. Examinons cela de plus près.

L’activité de l’eau (aw) est dérivée des principes fondamentaux de la thermodynamique et de la chimie physique. En tant que principe thermodynamique, la définition de l’activité de l’eau doit satisfaire à certaines conditions. Ces conditions sont les suivantes : l’eau pure (aw = 1,0) est l’état standard, le système est en équilibre et la température est définie.

À l’état d’équilibre

où : μ (J mol-1) est le potentiel chimique du système, c’est-à-dire l’activité thermodynamique ou l’énergie par mole de substance ; μo est le potentiel chimique de la matière pure à la température T (°K) ; R est la constante des gaz (8,314 J mol-1 K-1) ; f est la fugacité ou la tendance à l’échappement d’une substance ; et fo est la tendance à l’échappement de la matière pure (van den Berg et Bruin, 1981). L’activité d’une espèce est définie comme a = f/fo. Lorsqu’il s’agit d’eau, un indice est désigné pour la substance

aw est l’activité de l’eau, ou la tendance à l’échappement de l’eau dans un système divisée par la tendance à l’échappement de l’eau pure sans rayon de courbure. En pratique, dans la plupart des conditions dans lesquelles se trouvent les aliments, la fugacité est très proche de la pression de vapeur (f ≈ p), de sorte que

Un équilibre est atteint dans un système lorsque μ est identique en tout endroit du système. L’équilibre entre les phases liquide et vapeur implique que μ est identique dans les deux phases. C’est ce fait qui permet de mesurer la phase vapeur pour déterminer l’activité de l’eau de l’échantillon.

L’activité de l’eau est définie comme le rapport entre la pression de vapeur de l’eau dans un matériau (p) et la pression de vapeur de l’eau pure (po) à la même température. L’humidité relative de l’air est définie comme le rapport entre la pression de vapeur de l’air et sa pression de vapeur saturante. Lorsque l’équilibre entre la vapeur et la température est atteint, l’activité de l’eau de l’échantillon est égale à l’humidité relative de l’air entourant l’échantillon dans une chambre de mesure hermétique. La multiplication de l’activité de l’eau par 100 donne l’humidité relative d’équilibre (ERH) en pourcentage.

L’activité de l’eau est une mesure de l’état énergétique de l’eau dans un système. Plusieurs facteurs contrôlent l’activité de l’eau dans un système :

Les effets colligatifs des espèces dissoutes (telles que le sel ou le sucre) interagissent avec l’eau par le biais de liaisons dipôle-dipôle, ioniques et hydrogène
Effet capillaire, à savoir la pression de vapeur de l’eau au-dessus d’un ménisque liquide incurvé est inférieure à celle de l’eau pure en raison de variations dans la liaison hydrogène entre les molécules d’eau
Les interactions de surface, dans lesquelles l’eau interagit directement avec les groupes chimiques des ingrédients non dissous (par exemple, les amidons et les protéines) par le biais de forces dipôle-dipôle, de liaisons ioniques (H3O+ ou OH-), de forces de van der Waals (liaisons hydrophobes) et de liaisons hydrogène

C’est la combinaison de ces trois facteurs dans un produit alimentaire qui réduit l’énergie de l’eau et donc l’humidité relative par rapport à l’eau pure. Ces facteurs peuvent être regroupés en deux grandes catégories : les effets osmotiques et les effets matriciels.

En raison de divers degrés d’interactions osmotiques et matricielles, l’activité de l’eau décrit le continuum des états énergétiques de l’eau dans un système. L’eau semble « liée » par des forces à des degrés divers. Il s’agit d’un continuum des états énergétiques plutôt que d’une « limite » statique. L’activité de l’eau est parfois définie comme l’eau « libre », « liée » ou « disponible » dans un système. Bien que ces termes soient plus faciles à conceptualiser, ils ne définissent pas de manière adéquate tous les aspects du concept d’activité liée à l’eau.

L’activité de l’eau dépend de la température. La température modifie l’activité de l’eau en raison de changements dans la liaison à l’eau, la dissociation de l’eau, la solubilité des solutés dans l’eau ou l’état de la matrice. Bien que la solubilité des solutés puisse être un facteur de contrôle, le contrôle provient généralement de l’état de la matrice. Étant donné que l’état de la matrice (vitreuse ou caoutchouteuse) dépend de la température, il n’est pas surprenant que la température affecte l’activité de l’eau de l’aliment. L’effet de la température sur l’activité de l’eau d’un aliment est spécifique au produit. Lorsque la température augmente, certains produits augmentent l’activité de l’eau, d’autres la diminuent, tandis que la plupart des aliments à forte teneur en eau ne subissent que des variations négligeables en fonction de la température. On ne peut donc même pas prévoir le sens de variation de l’activité de l’eau en fonction de la température, puisque cela dépend de la façon dont la température affecte les facteurs qui contrôlent l’activité de l’eau dans l’aliment.

En tant que mesure de l’énergie potentielle, il s’agit d’une force motrice pour le mouvement de l’eau des zones à forte activité de l’eau vers les zones à faible activité de l’eau. La migration de l’eau dans les aliments multi-domaines (ex. : sandwich fait de crackers et fromage), le mouvement de l’eau du sol vers les feuilles des plantes, et la pression de turgescence des cellules constituent quelques exemples de cette propriété dynamique de l’activité de l’eau. Les cellules microbiennes étant constituées de fortes concentrations de solutés entourées de membranes semi-perméables, l’effet osmotique sur l’énergie libre de l’eau est important pour déterminer les relations hydriques des microbes et donc leur taux de croissance.