L’eau a depuis longtemps le statut d’élément clé pour déterminer de la sécurité et de la stabilité des produits. Le procédé de titrage Karl Fischer est une méthode analytique utilisée à grande échelle pour quantifier la teneur en eau d’une variété de produits pharmaceutiques. Néanmoins, la connaissance de la teneur total en eau d’un produit selon ce procédé n’est peut-être pas la méthode la plus efficace pour comprendre les effets de l’eau sur la sécurité et la stabilité. L’activité de l’eau (aw) est une autre mesure de l’eau qui fournit des informations essentielles sur l’énergie ou la disponibilité de l’eau dans un produit. De nombreuses études scientifiques démontrent que l’activité de l’eau est un meilleur indicateur de la sécurité et de la stabilité des produits que la quantité totale d’eau. L’activité de l’eau a fait ses preuves depuis de nombreuses années dans l’industrie alimentaire. Avec la publication de la méthode <1112> de la pharmacopée américaine (USP), elle est désormais considérée comme une option potentielle dans la pharmaceutique.

Toutes les eaux ne sont pas égales

L’eau dans un système peut être considérée comme présente sous trois formes générales : l’eau libre, l’eau absorbée et l’eau liée ou monocouche. L’eau libre possède la même énergie et les mêmes propriétés que l’eau pure. L’eau absorbée est retenue moins fermement, mais son énergie est réduite et ses propriétés sont différentes de celles de l’eau pure. L’eau liée présente une énergie réduite du fait de la liaison physique directe de l’eau à la matrice par liaison hydrogène ou ionique. En réalité, les molécules d’eau passent facilement d’une forme à l’autre et il est impossible de quantifier la quantité d’eau dans une forme donnée. L’état énergétique global de l’eau est plutôt déterminé par les contributions relatives de chacune de ces couches d’eau. Une réduction de l’énergie de l’eau (c’est-à-dire une baisse de l’activité de l’eau) entraîne une diminution de la quantité d’eau disponible pour influencer les réactions biologiques et chimiques. L’analyse de la teneur en eau indique la quantité totale d’eau, mais n’en différencie pas le type.

Les titrages Karl Fischer permettent de quantifier efficacement l’eau, même lorsque celle-ci est étroitement liée, et sont souvent considérés comme une meilleure méthode d’analyse de l’humidité que la perte à la dessiccation. En fait, cette eau supplémentaire mesurée par le procédé Karl Fischer est souvent appelée eau liée. Bien qu’une analyse Karl Fischer puisse permettre de déterminer plus en détail la teneur totale en eau, elle n’indique que la quantité d’eau et non l’état énergétique de l’eau. L’activité de l’eau mesure l’énergie ou la « disponibilité » de l’eau. Elle ne dépend pas de la quantité d’eau mais des contributions relatives de chaque type d’eau. Par conséquent, l’activité de l’eau fournit de meilleures corrélations avec les taux de réaction biologique et chimique que le procédé de titrage Karl Fischer.

Qu’est-ce que l’activité de l’eau ?

L’activité de l’eau décrit l’état énergétique thermodynamique de l’eau dans un système. Il peut être utile de se représenter l’activité de l’eau comme la quantité d’eau « disponible » dans un système, même si cela n’est pas scientifiquement correct. Elle n’est pas déterminée par la quantité d’eau présente dans un produit, mais représente une comparaison de la mesure dans laquelle l’eau contenue dans le produit ressemble à et se comporte comme de l’eau pure. Les valeurs d’activité de l’eau vont de 0 (os sec) à 1,0 (eau pure). Lorsque l’activité de l’eau diminue, l’eau contenue dans un produit perd de l’énergie et est moins « disponible » en tant que solvant pour la croissance microbienne, la réactivité chimique ou la migration de l’humidité. Par exemple, l’eau d’un produit dont l’activité de l’eau est de 0,80 dispose de suffisamment d’énergie pour favoriser la croissance des moisissures, alors que l’eau d’un produit dont l’activité de l’eau est inférieure à 0,60 ne peut permettre la croissance d’aucun micro-organisme. L’eau devient également plus mobile lorsque l’activité de l’eau augmente, ce qui influe sur la mobilité des molécules ainsi que sur les taux de réaction chimique et enzymatique.

Pourquoi mesurer l’activité de l’eau ?

L’activité de l’eau est le meilleur indice de la croissance microbienne. Un produit peut présenter un pourcentage relativement élevé d’humidité, mais si l’eau est chimiquement liée à des humectants ou à des solutés, tels que des sels, des sucres ou des polyols, l’eau n’est biologiquement pas disponible pour la croissance microbienne. Le concept d’activité de l’eau sert les microbiologistes et les technologues alimentaires depuis des décennies et constitue le critère le plus utilisé pour la sécurité et la qualité des aliments. Chaque micro-organisme a une activité limite de l’eau en dessous de laquelle il ne peut pas se développer. Il n’existe pas de relation directe entre la teneur en eau et la croissance microbienne.

En revanche, il existe une relation étroite entre l’activité de l’eau et la stabilité physique des produits. Les différences de niveaux d’activité de l’eau entre les composants ou entre un composant et l’humidité ambiante constituent une force motrice pour la migration de l’eau. Il est essentiel de savoir si l’eau absorbera ou désorbera un composant particulier pour éviter sa dégradation, surtout si l’une de ses substances est sensible à l’humidité. Par exemple, si des quantités égales de composant 1 à 2 % et de composant 2 à 10 % de teneur en eau doivent être mélangées ensemble, y aura-t-il un échange d’eau entre les composants ? La teneur en eau finale du matériau mélangé serait de 6 %, mais y a-t-il eu un échange d’eau entre les composants 1 et 2 ? La réponse dépend de l’activité de l’eau des deux composants. Si les niveaux d’activité de l’eau des deux composants sont identiques, il n’y a pas d’échange d’eau.

De même, il est possible que deux ingrédients présentant la même teneur en eau ne soient pas compatibles lorsqu’ils sont mélangés ensemble. Si deux matériaux ayant des niveaux d’activité de l’eau différents mais la même teneur en eau sont mélangés ensemble, l’eau s’ajuste entre les matériaux jusqu’à ce qu’un état d’équilibre soit atteint entre les deux. Pour empêcher la migration de l’eau dans le cas d’un produit à plusieurs composants, l’activité de l’eau de chacun des deux composants doit donc être identique à celle de l’autre. Si l’un des composants a une activité de l’eau plus élevée que l’autre, l’eau migre du composant présentant un niveau d’activité de l’eau plus élevé vers le composant dont le niveau d’activité de l’eau est plus faible. Cette migration est susceptible d’entraîner des modifications indésirables dans la qualité des deux composants. Par conséquent, l’activité de l’eau fournit des informations utiles pour la conception de la formulation, les conditions de fabrication et les exigences en matière d’emballage.

Remplacement de l’analyse Karl Fischer par l’activité de l’eau

L’analyse Karl Fischer peut produire des résultats fiables dans des conditions contrôlées, mais elle est sujette à de nombreuses sources de variation. Elle implique également l’utilisation de certains produits chimiques peu recommandables et nécessite une formation pour être effectuée correctement. Il y a donc plusieurs raisons d’y trouver une alternative probante. L’activité de l’eau peut remplacer l’analyse Karl Fischer, non pas parce qu’elle fournit les mêmes informations, mais parce qu’elle fournit des informations plus utiles. Les résultats fournis par une analyse de l’activité de l’eau n’auront rien de commun avec la teneur en eau de Karl Fischer, mais fourniront de meilleures corrélations avec la sécurité microbienne, la stabilité chimique et les propriétés physiques. Ceci est particulièrement vrai pour les produits susceptibles de subir d’importantes variations de stabilité lorsque seules de faibles modifications difficilement mesurables se produisent au niveau de la teneur en eau.

Quel est le lien entre le procédé de titrage Karl Fischer et l’activité de l’eau ?

Il existe une relation entre la teneur en eau analysée par le procédé Karl Fischer et l’activité de l’eau, mais celle-ci est complexe et propre à chaque produit. Une augmentation de l’activité de l’eau s’accompagne généralement d’une augmentation de la teneur en eau, mais de manière non linéaire. Cette relation entre l’activité de l’eau et la teneur en eau à une température donnée est appelée isotherme de sorption de l’eau. Pour la plupart des produits, l’isotherme est de forme sigmoïdale, bien que les matériaux qui contiennent de grandes quantités de molécules cristallines présentent une courbe isotherme de type J. De nombreuses équations différentes sont utilisées pour caractériser la relation isotherme d’un produit. Pour de petites plages d’activité de l’eau, la régression linéaire peut décrire une relation isotherme, mais elle fonctionne rarement pour l’ensemble de la plage d’activité de l’eau. Des équations plus complexes sont utilisées pour caractériser l’isotherme pour toute la gamme d’activité de l’eau. Les équations les plus courantes sont celles de Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) et de Brunauer-Emmett-Teller (BET). Comme la régression linéaire, ces équations sont ajustées pour trouver les coefficients qui expliquent le mieux la relation isotherme. Des logiciels d’analyse de données sont utilisés pour déterminer ces coefficients, qui peuvent ensuite être utilisés pour prévoir la teneur en eau à n’importe quel niveau d’eau et vice versa.