Un atelier qui sèche, concentre, cristallise, congèle ou emballe sous atmosphère ne retire pas de l’eau pour le plaisir de la retirer. Il cherche à faire descendre un nombre compris entre 0 et 1, sans unité, qui ne figure sur aucune étiquette et qui décide pourtant de la durée de conservation du produit, de la réglementation qui lui sera appliquée, du croustillant qu’il aura dans trois mois et de la vitesse à laquelle sa matière grasse rancira. Ce nombre est l’activité de l’eau.
Ce n’est pas une opération unitaire : c’est une grandeur d’état, comme la température ou le pH. Elle a sa place dans cette rubrique parce qu’elle est la cible commune d’une dizaine d’opérations qui, vues de l’extérieur, n’ont rien à voir entre elles. Sécher un abricot, le confire dans un sirop, le congeler ou l’emballer sous atmosphère sèche sont quatre façons de déplacer la même grandeur, et c’est elle qui permet de les comparer.
Le malentendu le plus répandu consiste à la confondre avec la teneur en eau. Un miel contient 17 à 18 % d’eau et se garde des années ; une viande fumée peut en contenir 30 % et ne pas tenir une semaine. Le miel n’est pas plus sec : il est plus concentré. Ses sucres retiennent l’eau qu’il contient, et ce qui compte pour un micro-organisme n’est pas la quantité d’eau présente dans l’aliment mais la part de cette eau qu’il peut utiliser.
D’où le fait qui gouverne toute cette page : l’activité de l’eau ne se mesure pas en grammes d’eau mais en nombre de molécules dissoutes, de sorte qu’à masse égale un soluté deux fois plus petit abaisse deux fois plus l’activité de l’eau — et qu’un soluté de masse molaire élevée ne l’abaisse presque pas.
Trois grandeurs qu’on prend l’une pour l’autre. L’activité de l’eau (aw) est le rapport de la pression de vapeur d’eau au-dessus du produit à celle de l’eau pure à la même température : un nombre sans dimension, entre 0 et 1. La teneur en eau est une masse rapportée à une masse, exprimée en pourcentage, et deux produits de même teneur en eau peuvent avoir des activités de l’eau très différentes. L’humidité relative d’équilibre (HRE) est la même information que l’activité de l’eau, exprimée en pourcentage de l’air qui serait en équilibre avec le produit : 0,75 d’activité de l’eau, c’est 75 % d’HRE. La confusion coûteuse est la première : « sec » qualifie une teneur en eau, « stable » une activité de l’eau, et l’un n’entraîne pas l’autre.
Sur cette page
À quoi sert l’activité de l’eau
Elle fixe ce qui peut pousser dans le produit
Un micro-organisme a besoin d’eau liquide disponible pour entretenir son métabolisme, et il doit la prélever dans son milieu contre la pression osmotique de ce milieu. Chaque espèce a donc une valeur en dessous de laquelle elle ne se multiplie plus. Ces seuils sont étagés, et c’est cet étagement qui fait la valeur pratique de la grandeur : en descendant d’un dixième, on élimine des familles entières de problèmes.
| Groupe microbien | Seuil au-dessous duquel la croissance s’arrête (ordre de grandeur) | Produits concernés |
|---|---|---|
| La plupart des bactéries d’altération | 0,95 à 0,97 | Viandes et poissons frais, légumes, lait |
| Clostridium botulinum | 0,93, et jusqu’à 0,96 selon la composition | Conserves peu acides, produits sous vide |
| Bactéries pathogènes en général | 0,90 à 0,92 | Plats préparés, produits de charcuterie |
| Staphylococcus aureus, en présence d’air | 0,86 environ pour la croissance, davantage pour produire sa toxine | Salaisons, pâtisseries garnies |
| Levures et moisissures courantes | 0,80 à 0,88 | Confitures peu concentrées, fromages, pains |
| Levures osmophiles, moisissures xérophiles | 0,60 à 0,65 | Miels dilués, sirops, fruits secs, confiseries |
| Aucune croissance connue | 0,60 et au-dessous | Poudres, sucres cristallisés, produits atomisés |
Ces valeurs sont des ordres de grandeur de la littérature de microbiologie alimentaire, et non des constantes : le même germe tolère une activité de l’eau plus basse à température favorable qu’au froid, le pH déplace le seuil, et la nature du soluté qui abaisse l’activité de l’eau compte aussi — un même 0,90 obtenu par du sel ou par du glycérol ne gêne pas les mêmes espèces. Elles servent à raisonner, pas à justifier une durée de conservation ; cela se démontre par un test de vieillissement ou un test de croissance.
Elle décide du critère réglementaire qui s’applique au produit
C’est l’usage le moins connu de la grandeur, et c’est le plus lourd de conséquences. Le règlement (CE) n° 2073/2005 concernant les critères microbiologiques applicables aux denrées alimentaires range les denrées prêtes à être consommées en deux catégories selon qu’elles permettent ou non le développement de Listeria monocytogenes. La note qui accompagne la catégorie des produits qui ne le permettent pas donne deux couples de valeurs : les produits dont le pH est inférieur ou égal à 4,4 ou dont l’activité de l’eau est inférieure ou égale à 0,92, et ceux dont le pH est inférieur ou égal à 5,0 et dont l’activité de l’eau est inférieure ou égale à 0,94, appartiennent automatiquement à cette catégorie.
Ce classement n’est pas une formalité. Un produit rangé du côté de ceux qui ne permettent pas le développement doit respecter 100 unités formant colonie par gramme pendant sa durée de conservation. Un produit rangé de l’autre côté, lorsque le fabricant n’est pas en mesure de démontrer que la limite de 100 par gramme sera tenue jusqu’au bout, relève du critère d’absence : le germe ne doit pas être détecté dans 25 g. Entre les deux, il y a tout l’écart qui sépare une limite tolérée d’une exigence d’absence.
Ce que le règlement (UE) 2024/2895 a changé, et pourquoi la valeur mesurée pèse plus lourd depuis le 1er juillet 2026. Ce règlement du 20 novembre 2024, applicable depuis le 1er juillet 2026, réécrit la ligne des denrées prêtes à être consommées qui permettent le développement de Listeria monocytogenes. Auparavant, le critère d’absence dans 25 g s’appliquait avant que le produit n’ait quitté le contrôle de son fabricant ; il porte désormais sur les produits mis sur le marché, pendant toute leur durée de conservation. Les deux couples de valeurs qui définissent l’autre catégorie — pH et activité de l’eau — n’ont pas été modifiés. Conséquence pratique : la frontière n’a pas bougé, mais ce qui se joue de part et d’autre a changé d’échelle, et une mesure d’activité de l’eau qui donne 0,93 au lieu de 0,92 ne coûte plus la même chose qu’avant.
Le droit américain emploie la même grandeur à un autre endroit : un aliment dont l’activité de l’eau est maîtrisée à 0,85 ou moins dans le produit fini sort du champ de la réglementation sur les conserves peu acides et les aliments acidifiés. Là encore, une valeur mesurée fait basculer un produit d’un régime à un autre.
Elle gouverne les réactions qui n’ont rien de microbien
L’eau n’est pas seulement un milieu de culture : c’est un réactif, un solvant et un plastifiant. En fonction de l’activité de l’eau, trois familles de dégradations se succèdent et ne culminent pas au même endroit.
- L’oxydation des matières grasses est la seule qui s’aggrave quand on descend trop bas. Elle passe par un minimum vers 0,2 à 0,3, là où l’eau forme encore une couche continue qui isole la surface de l’oxygène ; en dessous, cette couche disparaît et les métaux catalyseurs se retrouvent exposés. Une poudre trop séchée rancit plus vite qu’une poudre séchée juste assez.
- La réaction de Maillard et le brunissement non enzymatique culminent dans une bande intermédiaire, de l’ordre de 0,6 à 0,8 : il faut assez d’eau pour que les réactifs se rencontrent par diffusion, et pas trop pour qu’ils ne soient pas dilués. C’est la raison pour laquelle les produits à humidité intermédiaire — fruits confits, barres, laits concentrés — brunissent au stockage alors que ni les produits frais ni les poudres ne le font.
- Les réactions enzymatiques et les hydrolyses demandent de l’eau mobile et deviennent négligeables en dessous de 0,3 à 0,4. Une enzyme dans une poudre très sèche n’est pas détruite ; elle est immobilisée, et elle reprend son travail à la réhydratation.
Elle tient la texture, et elle explique les produits composés qui ratent
Le croustillant d’un biscuit, le moelleux d’une pâte, la coulabilité d’une poudre et le collant d’un caramel sont des états mécaniques qui dépendent de l’eau disponible plus que de l’eau présente. Un biscuit perd son croustillant au-delà de 0,4 à 0,5 ; une poudre devient cohésive, puis motte, quand l’air ambiant dépasse son humidité relative critique.
Le cas des produits à deux domaines est le plus instructif. Dans un biscuit fourré, une barre enrobée, une tarte garnie, chaque phase a son activité de l’eau, et l’eau se déplace de la phase la plus élevée vers la plus basse jusqu’à ce que les deux soient égales — pas jusqu’à ce que les teneurs en eau soient égales. Le biscuit se ramollit, la garniture se dessèche, et aucune des deux phases n’a changé de recette. La seule façon d’y échapper est de formuler les deux phases à la même activité de l’eau, ou d’interposer une barrière grasse.
Elle fixe le point d’arrivée d’un séchage
Une opération de séchage ne retire pas l’eau qu’on veut : elle amène le produit en équilibre avec l’air qui le traverse. L’activité de l’eau est l’abscisse de l’isotherme de sorption, dont l’ordonnée est la teneur en eau d’équilibre : c’est elle qui dit quelle teneur en eau on peut atteindre avec un air donné, et donc si l’air doit être déshumidifié avant d’entrer. Le cours de séchage porte les isothermes, leurs trois zones et la teneur en eau critique ; cette page porte la grandeur qui en est l’entrée.
Elle décide du choix de l’emballage
Le flux de vapeur d’eau qui traverse un emballage est proportionnel à l’écart entre l’activité de l’eau du produit et l’humidité relative du lieu de stockage. Un produit à 0,25 stocké dans un entrepôt à 60 % d’humidité relative subit un écart de 0,35 ; le même produit à 0,65 ne subit presque rien. C’est ce calcul, et non une habitude de filière, qui désigne un complexe aluminium plutôt qu’un polyéthylène, et il se fait avant la mise sous atmosphère protectrice, qui règle les gaz et non la vapeur d’eau.
Les filières, et ce que chacune en attend
En industrie laitière, c’est la grandeur de conduite des poudres et celle qui situe un fromage dans son affinage. En meunerie et en biscuiterie, elle tient la coulabilité des farines et le croustillant des produits cuits. En brasserie, elle règle la conservation du malt. En salaison, elle est le paramètre central : le séchage d’un saucisson est entièrement conduit sur elle, en combinaison avec le pH. En fruits et légumes, elle sépare le fruit sec stable du fruit moelleux qui demande un autre barème. En confiserie et chez les sucriers, elle est à la fois la cible du séchage, la cause du mottage et le critère de stabilité des sirops.
Le phénomène physique
Une activité thermodynamique, mesurée par une pression de vapeur
Ce qu’on appelle activité de l’eau est l’activité thermodynamique de l’eau dans le produit, c’est-à-dire la façon dont le potentiel chimique de l’eau dans ce produit s’écarte de celui de l’eau pure. Ce potentiel chimique ne se mesure pas directement. Ce qui se mesure, c’est la pression de vapeur d’eau que le produit entretient au-dessus de lui quand on l’enferme : si l’eau y est fortement retenue, elle s’échappe peu, et la pression de vapeur reste basse. Le rapport de cette pression à celle de l’eau pure à la même température est la grandeur cherchée.
Deux conséquences découlent de cette définition et sont la source de la moitié des erreurs d’interprétation. La première est que la grandeur est définie à l’équilibre : elle décrit un état stationnaire, et un produit qui vient de sortir d’un four ou d’un atomiseur n’y est pas. La seconde est qu’elle est définie à une température donnée : une valeur sans sa température est incomplète.
Il n’y a pas deux eaux, mais un continuum
Le vocabulaire courant oppose l’eau « libre » à l’eau « liée », comme s’il existait dans l’aliment deux populations distinctes. La réalité est un continuum d’énergies de liaison. Les premières molécules d’eau adsorbées sur les sites polaires des protéines et des polysaccharides sont retenues par des énergies de plusieurs dizaines de kilojoules par mole ; les suivantes s’empilent sur les premières avec des énergies décroissantes ; la dernière fraction, celle qui remplit les capillaires et dissout les solutés, se comporte presque comme de l’eau pure. L’activité de l’eau ne distingue pas ces populations : elle donne l’état énergétique moyen de l’eau du produit, tel qu’une phase gazeuse en équilibre le perçoit.
Cela explique pourquoi la même courbe se divise en trois zones. En dessous de 0,2 environ, on travaille sur l’eau de la première couche, et il faut beaucoup d’énergie pour en retirer très peu. Entre 0,2 et 0,6, on retire l’eau des couches suivantes, et la courbe est presque droite. Au-dessus de 0,6, chaque dixième d’activité de l’eau correspond à une quantité d’eau considérable : c’est la zone où le séchage avance vite et où la conservation est précaire.
Trois mécanismes abaissent l’activité de l’eau, et ils n’agissent pas au même endroit
Le premier est l’effet des solutés dissous. Une molécule de soluté en solution occupe une place dans le liquide et diminue la fraction des molécules d’eau à la surface, donc la pression de vapeur. C’est un effet colligatif : il dépend du nombre de particules dissoutes et non de leur nature ni de leur masse. Il domine dans les sirops, les confitures, les saumures et les produits à humidité intermédiaire.
Le deuxième est la capillarité. Dans un pore étroit, l’eau forme un ménisque concave dont la courbure abaisse la pression de vapeur d’équilibre. L’effet est négligeable au-dessus du micromètre et devient dominant en dessous de quelques dizaines de nanomètres : il explique la rétention d’eau des gels, des matrices poreuses et des produits atomisés.
Le troisième est l’adsorption sur les surfaces polaires des macromolécules. C’est le mécanisme de la zone basse de l’isotherme, celui qui tient l’eau des farines, des poudres de lait et des protéines, et celui qu’on ne retire qu’en chauffant.
L’hystérésis : le chemin compte
Une même valeur de teneur en eau ne correspond pas à la même activité de l’eau selon qu’on y est arrivé en séchant ou en réhydratant. La courbe de désorption est au-dessus de la courbe d’adsorption : à teneur en eau égale, un produit en cours de séchage présente une activité de l’eau plus basse qu’un produit qui reprend l’humidité. L’écart atteint couramment 0,05 à 0,10 et se referme peu à peu. En pratique, cela veut dire qu’une courbe d’isotherme doit préciser son sens, et qu’un produit réhydraté accidentellement est plus fragile que son analyse de teneur en eau ne le laisse croire.
La température déplace la valeur, et pas dans le sens qu’on attend
À teneur en eau constante, l’activité de l’eau d’un produit augmente avec la température : l’agitation thermique arrache plus facilement les molécules aux sites qui les retiennent. L’ordre de grandeur est de 0,002 à 0,01 par degré pour les produits riches en macromolécules, et il s’inverse dans les solutions sursaturées de sucres, où une élévation de température dissout du soluté supplémentaire et abaisse l’activité de l’eau. Un produit mesuré à 25 °C et stocké à 35 °C n’est donc pas forcément du bon côté de la limite réglementaire — c’est l’un des pièges les plus courants de l’exportation vers les pays chauds.
L’équilibre n’existe presque jamais, et la transition vitreuse dit pourquoi
Un produit réel est rarement homogène : une pâte cuite a une croûte à 0,3 et une mie à 0,95, et la valeur mesurée sur un broyat est une moyenne qui ne décrit aucune des deux. Surtout, la grandeur ne dit rien de la vitesse à laquelle les choses se passent. Deux produits de même activité de l’eau peuvent se comporter de façon opposée selon qu’ils sont au-dessus ou en dessous de leur température de transition vitreuse, c’est-à-dire selon que leur matrice est un liquide très visqueux ou un solide amorphe figé.
C’est la limite théorique la plus importante de la grandeur, et elle a été formulée dans les années 1980 contre son usage exclusif. Un sucre amorphe stocké en dessous de sa transition vitreuse ne cristallise pas, même à une activité de l’eau qui le permettrait, parce que les molécules ne peuvent pas se déplacer ; dix degrés au-dessus, il cristallise en quelques heures et libère l’eau qu’il contenait, ce qui fait monter l’activité de l’eau du produit entier et déclenche tout le reste. L’activité de l’eau dit ce qui est possible, l’écart à la transition vitreuse dit ce qui va effectivement arriver, et à quelle vitesse.
Les grandeurs et les équations
La définition est une mesure de pression de vapeur, et les trois expressions qui suivent sont des façons de la prévoir à partir de la composition — ce qui est l’exercice quotidien de la formulation.
La définition elle-même. p est la pression partielle de vapeur d’eau à l’équilibre au-dessus du produit, p0 celle de l’eau pure à la même température. L’égalité avec l’humidité relative d’équilibre divisée par cent est ce qui rend la mesure possible : on n’a pas besoin de connaître les deux pressions, il suffit de mesurer l’humidité de l’air qui s’équilibre avec le produit dans une enceinte fermée. Tout le principe des appareils de mesure est là.
La loi de Raoult, valable pour une solution idéale. ne est le nombre de moles d’eau, ni celui de chaque soluté, νi le nombre de particules que le soluté libère en se dissolvant — 1 pour un sucre ou un polyol, 2 pour le chlorure de sodium. Le levier est tout entier dans le dénominateur : ce qui abaisse l’activité de l’eau, c’est un nombre de moles. Un gramme de sel apporte autant de particules que six grammes de saccharose, et c’est pour cela que les salaisons descendent où les confitures ne descendent pas.
L’application au cas qui intéresse ce site se calcule en deux lignes. Dans 100 g d’eau, 30 g de saccharose (342,30 g/mol) apportent 0,088 mol et donnent une activité de l’eau idéale de 0,984 ; 30 g de xylitol (152,15 g/mol) apportent 0,197 mol et donnent 0,966 ; 30 g d’érythritol (122,12 g/mol) apportent 0,246 mol et donnent 0,958. Mais 30 g de maltitol (344,31 g/mol) donnent 0,984, exactement comme le saccharose, et 30 g d’un polydextrose de masse molaire moyenne voisine de 2 000 g/mol donnent 0,997, c’est-à-dire presque rien. Ce n’est donc pas « les polyols abaissent l’activité de l’eau » qui est vrai, c’est « les petites molécules l’abaissent » ; le maltitol, polyol construit sur un disaccharide, fait ce que fait le sucre, et un agent de charge polymère ne fait pratiquement rien — ce qui est d’ailleurs ce qu’on lui demande, puisqu’il est là pour occuper le volume du sucre et garder du moelleux, non pour dessécher la pâte.
Le rapport s’écrit directement : à masse d’eau fixée, atteindre la même activité de l’eau demande des masses inversement proportionnelles aux masses molaires. Pour égaler 57 g de saccharose, il faut 57 × 152,15 / 342,30, soit 25 g de xylitol — le rapport est de 2,25, et il ne dépend que des deux masses molaires. Ce calcul ne vaut qu’à l’idéalité, et le paragraphe suivant dit de combien la réalité s’en écarte.
L’équation de Norrish, proposée en 1966 pour les sirops de confiserie. xs est la fraction molaire du soluté et K une constante propre à ce soluté, déterminée expérimentalement et d’autant plus grande en valeur absolue que le soluté s’écarte du comportement idéal. Le terme correctif en xs2 est négligeable en solution diluée et devient dominant dans les sirops concentrés : c’est pourquoi la loi de Raoult suffit pour classer des solutés mais pas pour prévoir la valeur d’un sirop à 70 % de matière sèche, où elle surestime l’activité de l’eau de plusieurs centièmes.
L’équation de Ross, publiée en 1975 pour les aliments à humidité intermédiaire. Elle dit que l’activité de l’eau d’un mélange est, en première approximation, le produit des activités de l’eau que chaque soluté donnerait seul dans toute l’eau du système. Sa valeur est pratique : elle permet d’estimer une formulation à plusieurs solutés sans mesurer chaque combinaison, et elle montre que les effets se multiplient au lieu de s’ajouter. Un sucre à 0,97 et un sel à 0,96 donnent ensemble 0,93, et non 0,93 par hasard mais par construction. Elle est optimiste quand les solutés interagissent, et elle sert de première estimation avant mesure.
Le modèle GAB, qui relie la teneur en eau d’équilibre m à l’activité de l’eau. m0 est la teneur en eau de la monocouche, C et K deux constantes liées aux chaleurs de sorption des couches. C’est le modèle de référence pour décrire une isotherme sur l’intervalle 0,05 à 0,90, là où le modèle BET plus ancien se limite à 0,45. Ce qu’il apporte à l’atelier n’est pas la courbe mais m0 : la teneur en eau de la monocouche est la teneur à viser pour un produit sec, celle où l’oxydation est la plus lente et où l’on ne dépense plus d’énergie pour rien.
L’équation de Kelvin, pour la part capillaire. γ est la tension superficielle de l’eau, Vm son volume molaire, r le rayon du ménisque, R la constante des gaz et T la température absolue. Elle donne l’ordre de grandeur utile : il faut descendre à un rayon de pore de l’ordre de 10 nm pour abaisser l’activité de l’eau à 0,90 par la seule capillarité. Au-dessus du micromètre, l’effet est inférieur à 0,001, ce qui règle une question fréquente : la porosité d’un produit ne le stabilise pas, seule sa composition le fait.
La relation de Clausius-Clapeyron appliquée à la sorption, qui chiffre la dérive en température décrite plus haut. Qs est la chaleur isostérique de sorption, en J·mol−1 : c’est l’énergie à fournir pour retirer une mole d’eau au produit, au-delà de la chaleur latente de vaporisation de l’eau pure. Elle est forte dans la zone de la monocouche, où elle peut dépasser de 20 à 50 kJ·mol−1 la chaleur latente, et tend vers zéro au-dessus de 0,8. C’est la grandeur qui chiffre, au sens strict, le coût énergétique des derniers points de séchage.
| Symbole | Grandeur | Unité | Ordre de grandeur en agroalimentaire |
|---|---|---|---|
| aw | Activité de l’eau | sans dimension | 0,10 (poudre atomisée) à 0,99 (lait, légume frais) |
| HRE | Humidité relative d’équilibre | % | 100 × aw |
| m | Teneur en eau d’équilibre | kg d’eau par kg de matière sèche | 0,02 à 0,30 selon le produit |
| m0 | Teneur en eau de la monocouche | kg·kg−1 de matière sèche | 0,03 à 0,10 |
| xe, xs | Fractions molaires de l’eau et du soluté | sans dimension | somme égale à 1 |
| K (Norrish) | Constante d’écart à l’idéalité | sans dimension | propre à chaque soluté, déterminée par mesure |
| Qs | Chaleur isostérique de sorption | J·mol−1 | 0 au-dessus de 0,8 ; 20 000 à 50 000 en zone monocouche |
| r | Rayon de ménisque capillaire | m | 10−9 à 10−6 |
| daw/dT | Dérive en température | K−1 | 0,002 à 0,01, signe variable selon le produit |
Les matériels
Tous les appareils font la même chose : ils enferment un échantillon dans une petite enceinte et mesurent l’humidité relative de l’air qui s’y équilibre. Ils se distinguent par la façon de mesurer cette humidité, et c’est de là que viennent leurs exactitudes et leurs durées de mesure.
| Appareil | Principe | Exactitude et durée | Ce qui le fait choisir |
|---|---|---|---|
| Hygromètre à miroir refroidi | Un miroir est refroidi par effet Peltier jusqu’à l’apparition de rosée, détectée optiquement ; la température de rosée donne la pression de vapeur | ± 0,003, en 5 à 10 minutes | Méthode primaire, sans étalonnage de la mesure elle-même ; appareil de laboratoire et d’arbitrage |
| Capteur capacitif à polymère | Un film polymère absorbe l’eau et sa constante diélectrique change ; la capacité est mesurée | ± 0,01 à 0,015, en 10 à 30 minutes | Robuste, peu coûteux, acceptable en contrôle de production ; dérive et demande un étalonnage régulier |
| Capteur résistif à électrolyte | La résistance d’un sel hygroscopique varie avec l’humidité | ± 0,02, quelques dizaines de minutes | Ancien, encore présent ; sensible aux contaminations |
| Psychromètre à thermocouple | Mesure de l’écart entre température sèche et température humide dans l’enceinte | ± 0,01, mais peu fiable au-dessus de 0,95 | Utilisé en science du sol et en recherche |
| Méthode des solutions salines saturées | L’échantillon est placé au-dessus de plusieurs sels d’humidité connue ; on relève sa prise ou sa perte de masse et on interpole le point d’équilibre | ± 0,01, mais plusieurs jours | Sans appareil, et c’est la méthode qui donne une isotherme complète ; indispensable pour tracer une courbe de sorption |
La norme ISO 18787:2017, Foodstuffs — Determination of water activity, encadre ces mesures et constitue la référence méthodologique pour un résultat opposable. Elle a été confirmée lors de son réexamen en 2023.
L’étalonnage, qui est le vrai sujet
Un appareil à capteur capacitif ou résistif ne mesure rien d’absolu : il est comparé à des atmosphères d’humidité connue, obtenues par des solutions salines saturées. Les valeurs usuelles à 25 °C sont le chlorure de lithium à 0,113, le chlorure de magnésium à 0,328, le nitrate de magnésium à 0,529, le chlorure de sodium à 0,753, le chlorure de potassium à 0,843 et le sulfate de potassium à 0,973. Ces valeurs dépendent de la température : un étalonnage fait à 20 °C et utilisé à 25 °C introduit une erreur du même ordre que la précision annoncée de l’appareil.
La bonne pratique qui règle la plupart des litiges. On étalonne avec deux sels encadrant la valeur attendue, et non avec un seul. Un produit visé à 0,92 se contrôle entre le chlorure de sodium (0,753) et le sulfate de potassium (0,973) : un appareil juste sur 0,75 peut être faux de deux centièmes sur 0,92, et deux centièmes sont exactement ce qui sépare les deux catégories du règlement sur les critères microbiologiques.
Les paramètres de conduite
Deux familles de réglages se présentent, et il faut les distinguer : ce qu’on règle sur l’appareil pour que la mesure soit juste, et ce qu’on règle sur la recette pour que la valeur mesurée soit celle qu’on veut.
| Paramètre | Plage usuelle | Effet |
|---|---|---|
| Température de la cellule de mesure | 20 à 25 °C, régulée à ± 0,2 °C | La valeur mesurée dérive de 0,002 à 0,01 par degré : sans régulation, la mesure n’est pas comparable d’un jour à l’autre |
| Remplissage de la coupelle | La moitié à deux tiers, surface plane, sans tasser | Un échantillon trop mince s’équilibre vite mais se dessèche à l’ouverture ; trop épais, il n’est pas à l’équilibre à l’intérieur |
| Préparation de l’échantillon | Produit entier pour un contrôle de surface, broyé pour une valeur moyenne | Le broyage détruit l’hétérogénéité : il donne la moyenne et masque la phase la plus humide, qui est celle qui décide de la pousse |
| Temps d’équilibrage | 5 à 30 minutes selon l’appareil, davantage pour les produits gras | Une mesure arrêtée trop tôt sur un produit qui se dessèche donne une valeur trop haute, et trop basse sur un produit qui reprend l’humidité |
| Matière sèche de la formule | Levier principal des sirops et des confitures | C’est le nombre de moles par unité d’eau qui compte : passer de 60 à 70 % de matière sèche fait descendre un sirop de saccharose d’environ 0,89 à 0,84 |
| Choix du soluté | Sel, sucres, polyols, glycérol | À masse égale, l’abaissement suit l’inverse de la masse molaire, et le sel compte double parce qu’il se dissocie |
| Teneur en sel | 0,5 à 3 % en plats préparés, davantage en salaison | Le levier le plus puissant par unité de masse, et le plus contraint par le goût et par les recommandations nutritionnelles |
| Hydrocolloïdes et amidons | 0,1 à 2 % | Ils immobilisent l’eau et modifient la texture, mais ne déplacent presque pas l’activité de l’eau : ce sont des macromolécules, donc très peu de moles |
| Humidité relative du stockage | À caler sous l’activité de l’eau du produit | Un produit stocké au-dessus de sa propre valeur reprend l’eau, quel que soit le soin apporté à sa fabrication |
Pourquoi un épaississant ne stabilise pas un produit. La question revient à chaque reformulation : si la gomme xanthane « retient l’eau », pourquoi n’abaisse-t-elle pas l’activité de l’eau ? Parce que l’effet est colligatif. Une gomme de masse molaire de l’ordre du million apporte, à 1 % de la formule, un nombre de moles inférieur d’un facteur cent mille à ce que le même pourcentage de sel apporterait. Elle empêche l’eau de couler, ce qui change la texture et ralentit les migrations ; elle ne la rend pas moins disponible pour un micro-organisme, qui ne consomme pas l’eau au litre mais la prélève molécule par molécule.
Ce qui se dérègle
Les défauts liés à cette grandeur ont une signature commune : ils apparaissent longtemps après la fabrication, dans l’entrepôt ou chez le client, et l’atelier n’a aucune trace de ce qui les a produits.
| Symptôme | Cause probable | Correction |
|---|---|---|
| Deux mesures du même lot séparées par trois centièmes | Cellule non régulée en température, ou étalonnage fait sur un seul sel éloigné de la valeur mesurée | Réguler la cellule, étalonner avec deux sels encadrants, refaire la série dans la même séance |
| Valeur conforme au laboratoire, moisissures en entrepôt | Mesure faite sur broyat : la moyenne masque une phase locale plus humide (garniture, cœur, zone de contact) | Mesurer chaque phase séparément, et retenir la plus élevée comme valeur de pilotage |
| Valeur qui monte de deux à trois centièmes en trois mois de stockage | Cristallisation d’un sucre amorphe, qui libère l’eau qu’il retenait, ou franchissement de la transition vitreuse en été | Mesurer la transition vitreuse, abaisser la température de stockage, ou provoquer la cristallisation avant conditionnement |
| Biscuit ramolli et garniture durcie dans le même produit | Écart d’activité de l’eau entre les deux phases : l’eau migre jusqu’à égalité des activités, pas des teneurs | Formuler les deux phases à la même valeur, ou interposer une barrière grasse continue |
| Poudre coulante à la sortie, mottée au client | Humidité relative de l’air ambiant supérieure à l’humidité relative critique de la poudre pendant le conditionnement ou le transport | Conditionner en ambiance maîtrisée, resserrer la barrière vapeur de l’emballage, voir le cours sur le transport et le stockage des poudres |
| Produit atomisé qui rancit plus vite que prévu | Séchage poussé en dessous de la teneur en eau de la monocouche : la couche d’eau protectrice a disparu | Remonter la consigne de sortie vers la monocouche donnée par le modèle GAB, ce qui économise en outre de la vapeur |
| Mesure anormalement basse sur un produit alcoolisé ou parfumé | Les composés volatils saturent un capteur capacitif ou condensent sur le miroir : l’appareil ne mesure plus seulement l’eau | Employer un appareil doté d’un filtre à volatils, ou la méthode des solutions salines, et signaler la nature du produit au laboratoire |
| Produit conforme en France, non conforme à l’arrivée en zone chaude | Dérive en température : une valeur mesurée à 25 °C n’est pas celle du produit à 35 °C | Mesurer à la température de la chaîne logistique réelle, et prendre une marge sur la limite réglementaire |
| Valeur juste après fabrication, hors limite deux jours plus tard | Produit mesuré avant équilibrage interne : la croûte et le cœur n’étaient pas au même état | Différer la mesure de 24 à 48 heures après fabrication, et le fixer dans le plan de contrôle |
Énergie, coût et environnement
Abaisser l’activité de l’eau coûte de l’énergie, et le coût n’est pas proportionnel au chemin parcouru : il explose dans les derniers centièmes. La chaleur isostérique de sorption en est la mesure exacte. Au-dessus de 0,8, retirer l’eau d’un produit coûte à peu près la chaleur latente de vaporisation de l’eau pure, soit environ 2 260 kJ par kilogramme d’eau évaporée à pression atmosphérique. En dessous de 0,3, il faut y ajouter de 20 à 50 kJ par mole d’eau, soit de 1 100 à 2 800 kJ par kilogramme : l’énergie à fournir fait pratiquement le double.
De là trois conclusions d’ordre économique, qui gouvernent le choix des procédés.
- Il ne faut pas sécher plus bas que nécessaire. Chaque centième d’activité de l’eau gagné en dessous de la monocouche se paie deux fois : en vapeur, et en oxydation accélérée du produit. La consigne juste est la teneur en eau de la monocouche, pas la teneur en eau la plus basse atteignable.
- Il faut retirer l’eau facile par le procédé le moins cher. C’est toute la logique de la chaîne usuelle : concentrer d’abord, par évaporation à multiple effet ou par membrane, où le kilogramme d’eau retiré coûte quelques centaines de kilojoules, et ne passer au séchage que pour la fraction qui ne s’enlève pas autrement. Inverser l’ordre multiplie la facture par cinq ou dix.
- Un abaissement par formulation ne coûte aucune énergie. Ajouter du soluté déplace l’activité de l’eau sans évaporer un gramme : c’est le principe des produits à humidité intermédiaire et de la déshydratation osmotique. Le coût se déplace alors vers la matière première et vers le profil nutritionnel du produit, ce qui est un arbitrage et non une économie.
Sur le plan environnemental, la grandeur est un levier de réduction des pertes alimentaires : un demi-centième d’écart décide parfois d’une durée de conservation annoncée, donc du volume de produits retirés de la vente. Et comme elle permet de remplacer un traitement thermique par une maîtrise de formulation, elle évite de la vapeur là où elle s’applique — un produit stabilisé à 0,85 n’a pas besoin du barème qu’exigerait le même produit à 0,97. La mesure elle-même ne consomme presque rien : un appareil de contrôle de production tire quelques dizaines de watts, et la méthode des solutions salines ne consomme que du temps.
L’activité de l’eau dans la fabrication des sucrants
C’est la grandeur la plus présente de toute la rubrique dans cette famille de produits, et elle y joue trois rôles successifs : elle conduit la cristallisation, elle fixe les conditions de stockage de la poudre obtenue, et elle décide de ce qu’un sucrant apporte ou n’apporte pas à la conservation des préparations où il entre.
À la cristallisation, c’est l’autre nom de la sursaturation
Une cristallisation se conduit sur l’écart entre la concentration de la solution et sa concentration de saturation. Cet écart se lit aussi en activité de l’eau : plus la solution est concentrée, plus son activité de l’eau est basse, et une solution saturée a l’activité de l’eau la plus basse qu’un soluté donné puisse produire. Pour le xylitol comme pour le sorbitol, c’est la raison pour laquelle le cristallisoir travaille dans une plage étroite : la solution mère y est à la fois très concentrée, très visqueuse et proche de la transition vitreuse, et c’est la mobilité moléculaire — non la force motrice thermodynamique — qui limite la croissance des cristaux.
Le même nombre explique le pouvoir conservateur et l’hygroscopicité
L’activité de l’eau de la solution saturée d’un sucrant est aussi l’humidité relative au-dessus de laquelle sa poudre capte l’eau de l’air : c’est son humidité relative critique. Un seul nombre commande donc deux comportements que l’on traite d’habitude séparément — et il les commande en sens contraire.
Le calcul à l’idéalité, qui donne l’ordre sans donner la valeur exacte, le montre bien. Une solution saturée de saccharose, autour de 67 % en masse, contient 0,196 mol de soluté pour 1,83 mol d’eau et plafonne vers 0,90 ; une solution saturée de xylitol, autour de 63 % en masse, contient 0,414 mol pour 2,05 mol d’eau et descend vers 0,83 ; une solution saturée d’érythritol, dont la solubilité s’arrête autour de 37 % en masse, ne dépasse pas vers le bas 0,92. Les valeurs réellement mesurées sont plus basses que ces calculs, l’écart à l’idéalité jouant dans ce sens, mais le classement est le bon et il se vérifie sur les humidités relatives critiques, dont le cours sur le transport et le stockage des poudres porte le tableau mesuré.
Ce classement dit ce que chacun réussit, et il n’y a pas de gagnant à désigner. Le xylitol descend le plus bas en solution saturée : à masse égale il abaisse plus l’activité de l’eau d’un sirop ou d’une confiture, et c’est un avantage de conservation. La même propriété fait que sa poudre capte l’humidité dès que l’air dépasse les quatre cinquièmes d’humidité relative, ce qui impose une ambiance maîtrisée au conditionnement. L’érythritol est à l’inverse : sa faible solubilité plafonne l’abaissement qu’il peut produire en solution, et cette même faible affinité pour l’eau rend sa poudre la plus facile à stocker de la famille. Le maltitol, construit sur un disaccharide, se comporte sur ce point comme le saccharose. Quant au saccharose, il reste la référence des barèmes de confiserie et le seul de la liste à conjuguer un abaissement notable avec une structure cristalline, un brunissement et un comportement en cuisson parfaitement documentés.
Un édulcorant intense n’abaisse pas l’activité de l’eau, et ce n’est pas un défaut mais une conséquence de la dose. Un glycoside de stéviol, un sucralose ou un acésulfame de potassium s’emploie à quelques centaines de milligrammes par kilogramme. À cette dose, le nombre de moles apporté est inférieur d’un facteur mille à ce qu’apporterait le sucre remplacé : l’effet sur l’activité de l’eau est nul à la quatrième décimale. Ce que ces produits réussissent — sucrer sans apporter ni masse ni énergie — est exactement ce qui les empêche d’agir sur cette grandeur, qui ne répond qu’à la matière dissoute. Une préparation qui tenait par son sucre et dont le sucre est remplacé par un édulcorant intense perd donc sa conservation en même temps que ses calories, et la durée de vie doit être reconstruite autrement — par le froid, par l’acidité, par un traitement thermique ou par la pasteurisation du contenant fermé. Les pages de confiture et de condiment du site montrent ce que cela change concrètement : une confiture à la stévia ne se garde pas comme une confiture à 60 % de sucre, et un chutney au xylitol dont la dose a été ramenée à un tiers demande que le vinaigre reprenne une part du travail.
Le cas des sirops de fruit et des jus concentrés
Un sirop de yacon donne le cas inverse du précédent, et il est instructif parce que la contrainte ne vient pas du sucrant mais de la molécule qu’on veut préserver. Les fructo-oligosaccharides qui font l’intérêt de ce jus s’hydrolysent à la chaleur et en milieu acide : on ne peut donc pas pousser la concentration aussi loin qu’on le ferait pour un sirop de sucre, sous peine de détruire ce qu’on concentre. Le produit fini s’arrête à une activité de l’eau plus élevée que celle d’un sirop de saccharose de même consistance, et sa conservation doit s’appuyer sur autre chose — le froid après ouverture, la limitation de la durée de vie, ou un traitement thermique court. C’est un arbitrage de procédé, et il se lit entièrement sur cette grandeur.
Le miel, qui est l’exemple naturel de tout ce qui précède
Un miel contient 17 à 18 % d’eau, ce qui en fait, en teneur en eau, un produit humide ; son activité de l’eau se situe pourtant entre 0,55 et 0,65, parce que ses sucres sont des monosaccharides. Le glucose et le fructose pèsent 180 g par mole, soit un peu plus de la moitié du saccharose : à masse égale, ils apportent près de deux fois plus de particules. Un miel est donc une solution sursaturée de petites molécules, et c’est la raison pour laquelle il se conserve sans aucun traitement tant qu’il n’a pas repris d’humidité. Son défaut classique — la fermentation par les levures osmophiles — apparaît précisément quand son activité de l’eau remonte au-delà de 0,60 à 0,65, c’est-à-dire quand il a capté de l’eau dans une miellerie trop humide ou qu’il a été récolté trop tôt.
Les opérations de la chaîne du xylitol, et celles que la grandeur ne concerne pas
Dans la fabrication du xylitol, l’activité de l’eau n’intervient ni à l’hydrolyse, ni à l’hydrogénation, ni à la chromatographie : ces trois opérations travaillent en phase aqueuse diluée, où l’activité de l’eau reste au-dessus de 0,98 et ne commande rien. Elle devient le paramètre de conduite à partir de l’évaporation, puis elle commande la cristallisation, le séchage, le conditionnement et la durée de vie du produit en sac. C’est une illustration générale : cette grandeur n’a de sens que dans la seconde moitié d’un procédé, celle où l’on quitte les solutions diluées. Pour les polyols comme pour les sucres, le passage de la zone où elle ne dit rien à la zone où elle décide de tout se fait autour de 50 % de matière sèche.
Pour aller plus loin
- Le séchage — les isothermes de sorption dont l’activité de l’eau est l’abscisse, les trois zones de la courbe et la teneur en eau critique.
- La concentration — le premier levier d’abaissement, et le moins cher par kilogramme d’eau retiré.
- La déshydratation osmotique — abaisser l’activité de l’eau sans chauffer, en faisant entrer du soluté plutôt qu’en sortant de l’eau.
- La cristallisation — où la sursaturation et l’activité de l’eau sont deux lectures du même état de la solution.
- L’atomisation — comment on obtient en quelques secondes une poudre dont l’activité de l’eau est inférieure à 0,2, et pourquoi elle reprend l’humidité aussitôt.
- La lyophilisation — le seul procédé qui descende très bas sans passer par l’état liquide, et le plus coûteux.
- La congélation — où l’activité de l’eau du produit non gelé s’abaisse à mesure que la glace se forme et concentre les solutés.
- La stérilisation — le barème que l’on peut alléger, ou non, selon la valeur atteinte par formulation.
- L’emballage sous atmosphère protectrice — ce que l’emballage règle, et ce qu’il ne règle pas : les gaz, pas la vapeur d’eau.
- Le xylitol et la cuisson — ce que la chaleur change au comportement d’un polyol en préparation, et ce qu’elle ne change pas.
- L’érythritol — la fiche du polyol dont la faible solubilité plafonne l’abaissement qu’il peut produire.
- Toute la rubrique — les opérations unitaires du génie alimentaire, de la réception de la matière au conditionnement.
Sources
- Fellows, P. J., Food Processing Technology: Principles and Practice, 4e éd., Woodhead Publishing, 2017.
- Bimbenet, J.-J., Duquenoy, A., Trystram, G., Génie des procédés alimentaires : des bases aux applications, Dunod, 2e éd., 2007.
- Singh, R. P., Heldman, D. R., Introduction to Food Engineering, 5e éd., Academic Press, 2014.
- Mafart, P., Béliard, E., Génie industriel alimentaire, Tec & Doc Lavoisier.
- Norrish, R. S., « An equation for the activity coefficients and equilibrium relative humidities of water in confectionery syrups », Journal of Food Technology, 1966.
- Ross, K. D., « Estimation of water activity in intermediate moisture foods », Food Technology, 1975.
- Norme ISO 18787:2017, Foodstuffs — Determination of water activity, comité technique ISO/TC 34, confirmée au réexamen de 2023.
- Règlement (CE) n° 2073/2005 de la Commission du 15 novembre 2005 concernant les critères microbiologiques applicables aux denrées alimentaires, annexe I, chapitre 1 (texte consolidé consulté au 8 mars 2020).
- Règlement (UE) 2024/2895 de la Commission du 20 novembre 2024 modifiant le règlement (CE) n° 2073/2005 en ce qui concerne Listeria monocytogenes, applicable depuis le 1er juillet 2026.
- Food and Drug Administration, Inspection Technical Guide — Water Activity (aw) in Foods, pour le seuil de 0,85 du titre 21 du Code of Federal Regulations, parties 108, 113 et 114.