過剰包装は利益を圧迫する

なぜ保存期間試験を行うのか？ 包装が不十分だと、食品中の水分活性が時間の経過とともに上昇または低下し、望ましくない物理的変化、水分移動、化学的劣化、そして微生物増殖のリスクを引き起こす。 一方、過剰な包装はコストがかさみ、利益を圧迫する可能性があります。では、製品に必要な包装量を正確に把握するにはどうすればよいのでしょうか？これらの問題はすべて、水分活性によって制御されています。水分活性の仕組みを理解すれば、過剰なコストをかけずに、賞味期限全体を通じて安全で品質が保たれた製品を開発・包装することが可能になります。

賞味期限とは、具体的にはどのようなものなのでしょうか？

賞味期限とは、製品が望ましい状態を保つ期間のことです。賞味期限の間に製品に何らかの変化が生じる場合がありますが、賞味期限の終了とは、その製品が消費者にとって受け入れられなくなる時点を指します。受け入れられない変化としては、官能特性の変化、化学的安定性の喪失、物理的性質の変化、微生物の増殖、ビタミンの劣化などが挙げられます。

ステップ1：保存期間を左右する要因を特定する

賞味期限を決定する第一歩は、製品の賞味期限を終わらせる要因を特定することです。賞味期限に影響を与える主な要因は、以下の3つです：

• 微生物に関する特性：製品内でカビや潜在的に有害な細菌が、安全基準を超えるレベルまで増殖すること。
• 化学的変化：褐変、脂質酸化、酵素反応など
• 物理的な劣化：質感の変化、固まりや塊の発生、水分移動など。

これら3つの要因は、製品そのもの（その配合）に内在するものであったり、あるいは保管条件、特に保管時の湿度や温度、あるいは包装の種類といった外的な要因であったりします。これら3つの要因はすべて水分活度と関連しており、水分活度によって制御することが可能です。

以下の動画をご覧いただき、水分活性が、製品の賞味期限を縮める要因を予測・予防・管理するためにどのように活用されているかをご確認ください。

この20分間のウェビナーで、ウォーターアクティビティの要点をまとめて学びましょう。以下の内容をご紹介します：

• ウォーターアクティビティとは
• 水分含有量との違い
• なぜ微生物の増殖を抑制するのか
• 水分活度の理解が、製品の水分管理にどのように役立つか。

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図1は、水分活性と含水率を示した安定性図です。x軸には水分活性が、y軸には反応速度が示されています（含水率が高いほど反応速度が速くなると考えてください）。濃い青色の曲線は、一般的な吸湿等温線です。吸湿等温線は、製品中の水分活性と含水率の関係を表しています。その他の曲線は、劣化の様式を表しています。 水活度が上昇するにつれて、カビ、酵母、細菌の増殖速度が指数関数的に増加していることがわかります。酵素活性の速度は、0.9をわずかに下回るあたりから著しく上昇し始め、水活度の増加に伴いさらに高まります。しかし、脂質酸化は異なります。水活度が非常に低い範囲では高い値を示しますが、水活度が約0.3～0.5まで上昇すると、安定します。 0.5を超えると、脂質酸化は再び増加し始めます。褐変反応は約0.6でピークに達します。図1の青色で塗りつぶされた部分は、水分活性が0.3～0.5の範囲にあると、物理的な劣化や食感の変化（サクサク感の喪失、固まり、食品マトリックスの崩壊など）が生じ得ることを示しています。

ステップ2：製品の臨界水分活度を調べる

前述の通り、製品の不具合の各形態には、特定の水分活度が関連しています。この水分活度は「臨界水分活度（RHc）」として知られています。臨界水分活度とは、製品に望ましくない変化が生じる正確な水分活度のことです。 例えば、物理的変化は吸湿特性の変化によって識別され、最終的には食感の変化につながります。この変化は、製品ごとに固有の特定の水分活性で発生し、その臨界水分活性以下であれば、製品は最も安定した状態を保ちます。吸湿等温線（図2）を利用することで、製品の_RHcを特定することができます。

図2は、AQUALAB VSAによって生成されたいくつかの異なる吸湿等温線を示すグラフです。横軸に水分活度、縦軸に水分含有量をプロットしています。 中程度の青色の曲線は、粉乳の臨界水分活度が約0.42であることを示しています。なぜそう言えるのでしょうか？約0.42の地点で、水分活度がわずかに上昇しただけで、水分含有量が大幅に増加しているのがわかります。この地点から、固結や塊状化が生じ始めます。

興味深いことに、粉ミルクには0.7から0.8の間に第2の臨界水分活度があり、この範囲で結晶化が始まります。シリアル（濃い青の曲線）の場合、臨界水分活度は約0.5です。穀物不使用のドライフードの_{相対湿度（RHc）は}、微生物の増殖により0.7に近い値になります。ペットフードメーカーはこの水準を下回らなければなりません。 ショ糖の臨界水分活度は約0.85であり、この値では水分活度がわずかに上昇するだけで、水分含有量が急激に増加する。

また、臨界水分活性は温度に依存することに留意してください。製品の温度を上げると、臨界水分活性は低下します。したがって、_RHc（相対湿度）と製品の保管条件（温度）を把握することが重要です。そうすることで、製品の配合と包装を適切に組み合わせ、製造工程から賞味期限に至るまで、臨界水分活性の閾値を下回った状態を維持することができます。

ステップ3：加速保存試験を実施する（必要な場合）

加速劣化試験では、まずどの故障モードが最も発生しやすいかを特定し、それがいつ、なぜ発生するかを評価する必要があります。故障モードが複数存在する可能性もあります。どの故障が最初に発生するか不明な場合は、試験中にすべての潜在的な故障モードを監視する必要があります。  例えば、微生物の増殖が故障モードの一つである場合、微生物の増殖に関する水分活性の限界値を理解する必要があります（微生物の増殖限界については、動画をご覧ください）。

劣化の原因が酸敗である場合は、酸化レベルを測定する必要があります。食感の変化によって保存期間が短縮される場合は、吸湿等温線（図2参照）の測定が必要となります。ビタミンの分解については、ビタミン含有量を測定します。 色の変化は、色画像（測色法とも呼ばれる）を用いて評価できます。また、酵素反応は酵素活性を調べることで評価できます。収集すべきデータの種類を特定した後、加速保存期間試験を実施し、製品にとって理想的な水分活性の範囲を特定することができます。以下の図は、最も可能性の高い劣化モードを特定した後の、加速保存期間試験プロセスのいくつかのシナリオを示しています。

加速保存試験の実施方法

加速保存試験の目的は、貴社の製品に特化した実証データを得ることにあります。これは非常に重要です。保存期間の決定にあたっては、市場に出回っている類似製品を参考にし、その保存期間を自社製品に当てはめる場合もありますが、保存期間を決定する際には、自社製品の最終製品を使用するのが最善です。具体的には、実証データを収集し、そのデータを、製品が劣化し始める特定の温度依存性_{相対湿度（RHc）}と関連づけることで行われます。

水分活性（_aw）を用いた、保存期間短縮試験の基本的な手順は以下の通りです：

テストの設定方法の詳細は以下の通りです：

「加速試験」とは、温度と水分活性を上昇させて、変化をより早く観察することを意味します。温度が上昇すると_{相対湿度（RHc）が}低下するため、3つの異なる水分活性と3つの異なる温度を選択し、製品が許容できない状態になるまで、これら3つの組み合わせ（計9つの試料）の各条件で製品を保持します。 この間、選択した劣化モードの進行状況を追跡します。例えば、脂質酸化を追跡する場合、消費者が許容できないレベルになるまで酸化度を測定します。（製品がまだ許容範囲内である段階でも変化が生じるため、「許容できない」基準は自ら決定する必要があります。）時間の経過とともに、変化の量と時間の関係データを収集し、変化速度を算出します。 次に、収集したデータを時間、温度、水分活性のすべてを考慮に入れてモデル化します。この相関関係が確立されれば、その劣化モードにおける保存期間と反応速度をモデル化できるようになります。

例1：粉ミルク

その仕組みを理解するために、AQUALABで実施された乳児用粉ミルクの試験を例に挙げてみましょう。この研究は2017年の「Shelf-Life International Meeting」で発表されており、同会議の資料で閲覧可能です。乳児用粉ミルクは、3つの高温条件（30、37、45℃）と3つの異なる水分活度（0.43、0.50、0.65）の下で保管されました。 これらの要因を組み合わせて、9種類のサブサンプルを設定しました。対象製品を密閉容器に入れ、その下に目的の特定の水活度を生成する飽和塩溶液を敷きました。その後、容器を適切な温度に設定したオーブンに入れ、変化を観察しました。

乳児用調製粉乳の劣化メカニズムとして脂質酸化を選択し、酸化が許容できないレベルに達した時点を特定するためにTバーを追跡しました。この実験において、許容できないレベルとは、1キログラムあたり1ミリグラムのマロンジアルデヒドと定義しました。次に、各温度と水分活性の組み合わせにおける反応速度を調べました。これは、時間対Tバー値のグラフの傾きを用いて算出しましたが、このケースでは直線的な関係が認められました。

しかし、必ずしもそうとは限りません。場合によっては一次反応であることもあり、その場合はより指数関数的な関係になります。しかし、今回のケースでは線形関係であったため、粉ミルクの水熱時間モデルを作成するのは非常に簡単でした（メール [email protected] までご連絡ください。研究論文『A Hygrothermal Model for Predicting Shelf Life in Infant Formula』（著者：Brady P. Carter、Mary T. Galloway、Gaylon S. Campbell、Shyam S. Sablani）のコピーをお送りいたします）。

例2：ケールチップス

あるケールチップのメーカーでは、食感が失われ、カビが生えるため、賞味期限がわずか30日しか持たないという事態に直面しました。30日という短さのため、遠方への出荷が困難になっていました。どうすれば賞味期限を延ばすことができるでしょうか？

そのためには、チップがどの程度の水分活性で微生物の増殖リスクにさらされるかを特定しなければならない。文献に掲載されている微生物増殖の水分活性限界値（表1参照）によると、製品の水分活性を0.7未満に保てば、微生物の増殖は見られない。それを上回ると、カビが発生するリスクがある。

次のステップは、チップの食感が失われる水分活度を特定することです。これを明らかにするためには、製造業者は吸湿等温線が必要であり、それによって食感が変化する正確なタイミングを特定することができます（図4）。

図4は、ケールチップの等温線であり、横軸に水分活度、縦軸に水分含有量が示されている。 視覚的には、吸着特性が劇的に増加する曲線の変曲点で食感が失われると推測できるかもしれない。しかし、その点を正確に特定するのは難しいため、最も簡単な方法は、その勾配に対して二階微分評価を行うことである。二階微分評価では、勾配の変化を検知することで、吸水量の変化を示す時点を特定する（図5）。

図5の右側にある2次微分曲線において、最初のピークが_RHcとなります。左側の等温線と比較すると、両者がよく一致していることがわかります。したがって、ケールチップの製造業者がチップの水分活度をこの臨界値である0.57以下に保つことができれば、サクサクとした食感を維持でき、微生物の増殖の影響を受けなくなるでしょう。AQUALAB 4TE水分活性計を使用すれば、適切な水分活性レベルを維持するのは簡単です（その仕組みについては動画をご覧ください）。

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手順4および5：希望する保存期間を決定し、包装量を算出する

臨界水分活度を算出すれば、保存期間の計算を行うことができます。保存期間の算出式では、いくつかの異なる要因が考慮されます。その第一の要因の一つが、製品の包装です。あらゆる包装には水蒸気透過率があります（図6）。

どのような環境においても、空気中には一定量の水蒸気、すなわち相対湿度（RH）が存在します。選択した包装材は、その水蒸気のうち一定量のみを通過させ、製品と接触させるように設計されています。これは一般的に、1日あたり1平方メートル当たりのグラム数で測定されます。 包装メーカーは、特定の条件（通常は摂氏約38度、相対湿度90%）下で包装材の試験を行います。これらの条件は、製品の保存期間の算出において考慮されます。さらに、包装材の表面積（平方メートル単位）と、包装内の製品の質量を把握しておく必要があります。

その他に必要な情報として、製品の保管条件（温度、湿度、気圧）があります。気圧は標高によって異なり、天候の変化によっても変動することがあります。

最後に、製品の水分活度を把握しておく必要があります。これには、初期の水分活度と臨界水分活度の両方が含まれます。

保存期間の計算式が簡単に

保存期間の計算にはいくつかの式が用いられますが、それらは本記事の範囲を超えています（詳細はこちらをご覧ください）。しかし、もっと簡単な方法があります。  「Moisture Analysis Toolkit」というソフトウェアを使えば、これらの計算を自動的に行うことができます**。** 製品の変数を入力するだけで、このツールキットが最適な包装条件を算出します。さらに、分析パラメータを変更して、投資対効果が最も高い包装を見つけることも可能です。以下に、その仕組みを示すためにソフトウェアから直接取得したスクリーンショットを掲載します。

ソフトウェアでは、水蒸気透過率、試験温度、および湿度（通常は摂氏38度、湿度90％程度）の入力が求められます。次に、製品の保管条件と製品自体に関する情報を入力します。図7では、湿度60％、気圧100キロパスカルの環境に製品を配置しました。 製品の重量は454グラムで、30℃の環境下で保管されています。包装の表面積を計算し、初期水活度と臨界水活度を入力します。ソフトウェアを使用すれば、以前に保存した等温線ファイルを素早く選択できます（製品の等温線は、AQUALAB VSA装置を使用して自動的に計算され、ソフトウェア内に保存されます）。

情報を入力したら、「計算」をクリックしてください。すると、ソフトウェアが推定保存期間（この場合は30日）を表示します。保存期間を変更または延長するには、水蒸気透過率がより低い包装材を探してください。

保存期間を延ばしたい場合は、このシナリオ専用に設計された水分分析ツールキット内の別の計算ツールをご利用いただけます（図8）。

図8から、保存期間を180日にするには、包装材のWVTRが1.3である必要があることがわかります。この情報を包装業者に伝え、希望する保存期間を実現するためにこのWVTRの包装材が必要であることを伝えてください。

表2は、一般的な包装材料の比較表である。

これらの水蒸気透過率は、38℃、相対湿度90％の条件下で測定されたものであることを知っておくことが重要です。しかし、常にそうであるとは限りません。30℃、相対湿度75％の条件下で測定される場合もあります。また、この表はメートル法単位で表示されており、ソフトウェアもその単位で計算しますが、WVTRが「24時間あたりの平方メートルあたりグラム」で表記される場合もあります。 あるいは、平方インチなどの標準単位で表記される場合もあります。したがって、包装材料のWVTRを入力する際は、単位が正しいことを確認することが重要です。ポリプロピレンのWVTRは8.2ですが、配向加工され、金属蒸着層を持つポリプロピレンの場合、WVTRは1.0に低下することに注意してください。 包装が不十分になることを避けるためにも、どのような包装が必要かを理解しておくことが重要です。ケールチップスを例にとると、図8に示すように、包装のWVTRが7.5の場合、食品メーカーは製品を30日間しか保存できません。しかし、WVTRが1.3の包装を選べば、製品は6ヶ月間保存可能になります。 ただし、WVTRが低いほどコストは高くなるため、過剰な包装は避け、不要な包装費用を支払わないように注意してください。

ステップ6：処方の変更後に再評価を行う

水分分析ツールキットを使えば、原材料の変更が保存期間に与える影響を簡単に算出できます。製品を実際に製造することなく、混合物やレシピの最終的な水分活度を算出することが可能です。これを行うには、各原材料の等温線データが必要です。図9は、最終製品に調味料を加えた場合の最終的な水分活度を、水分分析ツールキットがどのように予測するかを示しています。

左上には、さまざまな材料を入力します。左下には結果が表示されます。ケールチップス1ポンドについて、初期の水分活性と質量を入力し、ガーリックパウダー5グラムを加えた場合に水分活性がどのように変化するかを確認しました。情報を入力した後、「計算」をクリックすると、ソフトウェアがその混合物の新しい最終水分活性を算出します。 図9では、水分活度がわずかに低下しました。また、ソフトウェアはケールチップスとガーリックの最終水分含有量も表示します。右側のグラフは、等温線がどのように結合されているかを示しています（ケールチップスは青の曲線、ガーリックは緑の曲線です）。赤の曲線は結合された等温線であり、プログラムは混合物の最終水分活度となる平衡水分活度（0.449）も表示します。

ステップ7：実証試験により保存期間の予測を検証する

上記の例は、VSAと水分分析ツールキットが、研究開発プロセスをいかに加速させ、製品中の水分活性がどのように変化するかを予測できるかを示しています。しかし、保存期間試験を実施していない場合は、その予測を検証する必要があります。水分分析ツールキットのソフトウェアは、パラメータの操作や迅速な応答に優れていますが、これらはあくまで数式を用いた予測に過ぎません。 配合や包装がまさに必要とするものであることを証明するためには、実証試験を行う必要があります。

なぜ保存期間試験を行うのか？

これまで、科学的根拠に基づいて包装や保存期間を決定してきたメーカーはごくわずかでした。多くの企業は、トラブルを避けるために過剰な包装を行い、問題が発生して初めて変更を加える傾向にあります。しかし、過剰な包装は利益を大幅に圧迫する可能性があります。したがって、コストと品質のバランスを巧みに調整する必要がある場合、正確な科学的情報は収益の向上に役立ちます。ここで、保存期間と包装を決定するための手順を改めて確認しておきましょう。

1. 賞味期限を短縮させる要因を特定する（劣化のメカニズム：詳細については『食品製造業者のための賞味期限完全ガイド』をご覧ください）
2. 臨界水分活性（_RHc）を特定する
3. 必要に応じて、加速保存試験を実施する
4. 希望する保存期間を決定する
5. 適切な梱包量を算出する
6. 処方の変更後に再評価を行う
7. 実証試験により保存期間の予測を検証する

保存期間に関する情報

• 乳児用調製粉乳の保存期間を予測するための温湿度モデル　著者：Brady P. Carter、Mary T. Galloway、Gaylon S. Campbell、および Shyam S. Sablani
• 食品の保存期間と安定性：化学的、生化学的、および微生物学的変化（編：N.A. マイケル・エスキン）
• 食品乾燥の科学と技術：微生物学、化学、応用（Y.H. Hui 編）
• 『食品の鮮度と保存期間』キース・R・カダワラダー、ヒューゴ・ウィーネン編
• 『食品の年代測定』 テオドア・P・ラブザ、リン・M・シビスト 著
• 賞味期限：ドミニク・マンによる食品業界レポート
• 『食品の保存期間評価』第2版（ドミニク・マン、エイドリアン・ジョーンズ編）
• R. スティール編『食品の保存期間の理解と測定』
• 『食品の安定性と保存期間』デイヴィッド・キルキャスト、パーシス・スブラマニアム編
• S. Ghazala 編『食品産業におけるスー・ヴィードおよびクック・チル加工』
• レトルトパウチ入り食品の殺菌――A.G. アブドゥル・ガニ・アル・バアリ

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