Die Bedeutung der Wasseraktivität für die Aufrechterhaltung der Sicherheit und Qualität von
Tabakprodukten

Wie Lebensmittel sind auch Tabakprodukte anfällig für Qualitäts- und Sicherheitsprobleme und erfordern daher gut konzipierte Produktsicherheitsprogramme. Die Wasseraktivität spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit und Qualität von Lebensmitteln mit mittlerem und niedrigem Wassergehalt – und bietet denselben Schutzvorteil für Tabakprodukte. Angesichts der Vielzahl an verfügbaren Tabakprodukten kann jedes unterschiedliche Wasseraktivitätswerte aufweisen, die wiederum mit unterschiedlichen Risikostufen und Sicherheitsanforderungen einhergehen. Die Überwachung und Kontrolle der Wasseraktivität ist daher unerlässlich, um die Integrität und Sicherheit von Tabakprodukten während der gesamten Lagerdauer zu gewährleisten.

Grundlagen der Wasseraktivität

Die Wasseraktivität beschreibt den energetischen Zustand des Wassers in einem System und basiert auf den thermodynamischen Gesetzen der Gibbs’schen freien Energie. Sie stellt das relative chemische Potenzial des Wassers dar, das durch Oberflächen-, kollektive und kapillare Wechselwirkungen innerhalb einer Matrix bestimmt wird. Wenn Wasser mit anderen Molekülen wechselwirkt, wird ein Teil seiner Bindungsenergie auf diese Wechselwirkungen übertragen – die Energie des Wassermoleküls sinkt dadurch. Je mehr Wechselwirkungen zwischen Wasser und den Inhaltsstoffen eines Produkts bestehen, desto niedriger ist die Energie des Wassers. Die Abnahme der Wasserenergie reduziert gleichzeitig den Dampfdruck, also die Neigung des Wassers, in die Dampfphase überzutreten. Eine Wasseraktivität von 0,50 bedeutet, dass das Wasser im Produkt 50 % der Energie von reinem Wasser besitzt. Je niedriger die Wasseraktivität, desto weniger verhält sich das Wasser wie reines Wasser. Der häufig verwendete Begriff „freies Wasser“ sollte vermieden werden, da er wissenschaftlich nicht definiert ist und zu Missverständnissen führt.

Messung der Wasseraktivität

Zur Prüfung tabakbezogener Produkte wird die Wasseraktivität gemessen, indem das Wasser in der flüssigen Phase mit der Wasserdampfphase in einem geschlossenen System ins Gleichgewicht gebracht und anschließend die Gleichgewichtsrelative Luftfeuchtigkeit (ERH) gemessen wird.
Zur Messung der ERH können verschiedene Sensortypen eingesetzt werden:

Resistive elektrolytische Sensoren (RES)
Taupunktspiegel-Sensoren (chilled mirror)
Abstimmbare Diodenlaser (TDL)
Kapazitive hygroskopische Polymersensoren

Instrumente von Novasina, wie der LabMaster NEO, verwenden einen resistiven elektrolytischen Sensor (RES), um die ERH zu bestimmen. Änderungen in der ERH werden durch Änderungen im elektrischen Widerstand des Sensors erfasst.

Eine der größten Herausforderungen bei der Wasseraktivitätsmessung von Tabakprodukten ist das Vorhandensein vieler flüchtiger Verbindungen, die das typische Tabakaroma erzeugen.

Im Januar 2019 veröffentlichte die Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco (CORESTA) die Empfohlene Methode Nr. 88, in der die Verwendung der TDL-Technologie (Tunable Diode Laser) für die Bestimmung der Wasseraktivität in Tabak vorgeschrieben wird. Diese Methode geht davon aus, dass andere Technologien aufgrund von Interferenzen durch flüchtige Stoffe ungeeignet sind.

Zwar kann die TDL-Technologie solche Interferenzen bewältigen, sie ist jedoch kostspielig und wartungsintensiv. Der Resistive Elektrolytische Sensor (RES) hingegen kann – in Kombination mit dem eVALC-Schutzfilter – die Wasseraktivität von Tabak präzise messen, selbst bei Vorhandensein flüchtiger Verbindungen, die andere Sensortypen stören würden.

Vergleichsdaten (siehe Tabelle 1) zeigen, dass die Ergebnisse des RES statistisch gleichwertig mit denen der TDL-Methode sind. Somit bietet der RES eine zuverlässige, wartungsarme und kostengünstige Alternative zur TDL-Technologie. Diese Ergebnisse wurden 2022 bei CORESTA eingereicht mit der Bitte, Methode Nr. 88 zu überarbeiten – die Organisation lehnte eine Aktualisierung jedoch ab.

Tabelle 1.

Wasseraktivität von vier verschiedenen Tabakprodukten, gemessen mit Tunable Diode Laser (TDL) und resistivem elektrolytischem Sensor (RES) bei 25 °C. Die Ergebnisse zeigen keine signifikanten Unterschiede (P-Wert aus gepaartem t-Test).

Tabakprodukt	Resistiver Elektrolytischer Sensor	Tunable Diode Laser	P-Wert
NP1	0,3894	0,3872	0,272
NP2	0,8175	0,8241	0,129
NP3	0,6346	0,6459	0,153
NP4	0,90685	0,8994	0,225

Wasseraktivität und mikrobielles Wachstum

Bei Tabakprodukten steht die mikrobielle Sicherheit im Vordergrund. Sie müssen so verarbeitet werden, dass die mikrobielle Belastung minimiert und das Wachstum von Mikroorganismen verhindert wird. Die Wasseraktivität steuert das mikrobielle Wachstum, da sie die Fähigkeit der Mikroorganismen zur Vermehrung beeinflusst.

Befindet sich ein Mikroorganismus in einer Umgebung mit niedrigerer Wasseraktivität als seiner eigenen inneren, erleidet er osmotischen Stress und verliert Wasser an die Umgebung. Dies verringert den Turgordruck und hemmt den Stoffwechsel.

Um weiter wachsen zu können, muss der Mikroorganismus seine innere Wasseraktivität unter das Niveau der Umgebung senken, indem er gelöste Stoffe anreichert. Diese Fähigkeit ist artspezifisch – daher hat jeder Mikroorganismus eine individuelle Grenzwasseraktivität, unterhalb derer kein Wachstum mehr möglich ist.

Tabelle 2.

Grenzwerte der Wasseraktivität für das Wachstum häufiger Verderbserreger

Mikroorganismus	aw-Grenze	Mikroorganismus	aw-Grenze
Clostridium botulinum E	0.97	Penicillum expansum	0.83
Pseudomonas fluorescens	0.97	Penicillum islandicum	0.83
Escherichia coli	0.95	Debarymoces hansenii	0.83
Clostridium perfringens	0.95	Aspergillus fumigatus	0.82
Salmonella spp.	0.95	Penicillum cyclopium	0.81
Clostridium botulinum A B	0.94	Saccharomyces bailii	0.8
Vibrio parahaemoliticus	0.94	Penicillum martensii	0.79
Bacillus cereus	0.93	Aspergillus niger	0.77
Rhizopus nigricans	0.93	Aspergillus ochraceous	0.77
Listeria monocytogenes	0.92	Aspergillus restrictus	0.75
Bacillus subtilis	0.91	Aspergillus candidus	0.75
Staphylococcus aureus (anaerobic)	0.9	Eurotium chevalieri	0.71
Saccharomyces cerevisiae	0.9	Eurotium amstelodami	0.7
Candida	0.88	Zygosaccharomyces rouxii	0.62
Staphylococcus aureus (aerobic)	0.86	Monascus bisporus	0.61

Wasseraktivität und mikrobiologische Risiken bei Tabak

Tabakprodukte existieren in vielen Formen und weisen daher ein breites Spektrum an Wasseraktivitäten auf (siehe Tabelle 1). Produkte mit Wasseraktivität über 0,70 aw stellen die größte mikrobiologische Gefahr dar, da sie das Wachstum von Mikroorganismen begünstigen können. Daher sollten alle Tabakprodukte auf Wasseraktivität geprüft und Freigabespezifikationen entsprechend definiert werden. Produkte mit Wasseraktivität über 0,70 aw erfordern zusätzliche Kontrollmaßnahmen – etwa Temperaturregulierung, pH-Anpassung oder Konservierungsmittel. Diese Kontrollen sollten im Sicherheitsprogramm berücksichtigt und mit den Freigabespezifikationen abgestimmt werden.

Wasseraktivität und Lagerstabilität

Geernteter Tabak muss ausreichend getrocknet werden, um eine sichere Lagerung und den Transport zu gewährleisten. Während der Lagerung ist die Wasseraktivität der entscheidende Faktor, der bestimmt, ob sich Schimmel, Hefen oder Bakterien entwickeln können. Getrocknete Tabakballen werden bei der Verarbeitung häufig befeuchtet (ca. 85 % rF), um sie geschmeidiger zu machen. Nach der Verarbeitung (Entfernung der Stängel, Aromatisierung) liegt die Wasseraktivität typischerweise zwischen 0,60 und 0,70 aw. Die größte Gefahr in verarbeitetem Tabak sind Schimmelpilze. Die meisten Schimmelarten wachsen nicht mehr unterhalb von 0,70 aw. Einige seltene xerophile Arten können jedoch auch bei niedrigeren Werten überleben. Obwohl Schimmel selbst nicht hochgiftig ist, können Mykotoxine entstehen, die für empfindliche Personen gefährlich sind. Zudem können Schimmelsporen, insbesondere bei Inhalation, Atemwegsprobleme auslösen. Daher sollte die Wasseraktivität von gelagertem Tabak unter 0,70 aw bleiben. Das zeigt, wie wichtig Wasseraktivitätsmessungen bereits bei Ernte und Verarbeitung sind.

Wasseraktivität in der Tabakproduktion

Eine kontrollierte Wasseraktivität während der Produktion ist entscheidend, um Prozessstörungen und Materialverluste zu vermeiden. Beispielsweise müssen Filterstäbe in der Zigarettenherstellung mindestens 0,50 aw aufweisen, um statische Aufladung zu verhindern. Zudem sollten Tabak und Filter ähnliche Wasseraktivitätswerte haben, um Feuchtigkeitsmigration zu vermeiden – ein Ungleichgewicht kann zu Schrumpfung, Rissen oder mikrobiellen Problemen führen.

Wasseraktivität und Tabakqualität

Die Haltbarkeit von Tabakprodukten hängt nicht nur von der mikrobiellen Sicherheit, sondern auch von der Erhaltung der Produktqualität ab, etwa in Bezug auf Textur und Raucheigenschaften. Bei Wasseraktivitäten unter 0,70 aw wird chemischer Abbau zum Hauptproblem, insbesondere Oxidation und Hydrolyse, die durch Wasseraktivität und Temperatur beeinflusst werden. Das Ziel ist, eine optimale Wasseraktivität zu finden, die chemische Reaktionen verlangsamt und gleichzeitig die gewünschte Textur erhält. Zur Bestimmung dieses optimalen Werts können Shelf-Life-Modelle verwendet werden, die Wasseraktivität und Temperatur berücksichtigen. Das wichtigste Modell ist das hygrothermische Zeitmodell, das auf der Eyring-Gleichung und der Gibbs’schen freien Energie basiert.

Hierbei gilt:

• T = Temperatur (K)
• R = Gaskonstante
• Eₐ = Aktivierungsenergie
• B = Molekularvolumenverhältnis
• a_w = Wasseraktivität
• r₀ = Reaktionsrate im Standardzustand

Sind die Konstanten B, Eₐ/R und r₀ bekannt, kann die Reaktionsrate unter verschiedenen Bedingungen vorhergesagt werden – und damit die optimale Wasseraktivität, die chemischen Abbau minimiert.

Schlussfolgerung

Die Wasseraktivität ist ein grundlegender Faktor für die Sicherheit und Qualität von Tabakprodukten. Sie dient als kritischer Kontrollpunkt in Produktsicherheitsprogrammen und ist wesentlich zur Einhaltung regulatorischer Anforderungen. Darüber hinaus ermöglicht sie die Optimierung von Haltbarkeit, Textur und Raucherlebnis. Novasina-Instrumente mit resistiven elektrolytischen Sensoren und eVALC-Schutzfiltern bieten eine präzise, zuverlässige und kosteneffiziente Alternative zur TDL-Technologie für Wasseraktivitätsmessungen in Tabakprodukten.

References

1. Beuchat, L. 1983. Influence of water activity on growth, metabolic activities and survival of yeasts and molds. Journal of Food Protection 46(2):135-141.
2. Scott, W. 1957. Water relations of food spoilage microorganisms. Advances in Food Research 7:83-127.
3. Carter, B. P., Syamaladevi, R. M., Galloway, M. T., Campbell, G. S., & Sablani, S. S. 2017. A Hygrothermal Time Model to Predict Shelf Life of Infant Formula. In U. Klinkesorn (Ed.), Proceedings for the 8th Shelf Life International Meeting (pp. 40–45). Bangkok, Thailand: Kasetsart University.
4. Eyring, H. 1936. Viscosity, plasticity, and diffusion as examples of absolute reaction rates. J. Chem. Phys. 4:283.