水分活性の定義

水分活度（_aw）は、熱力学および物理化学の基本原理に基づいています。熱力学の原理として、水分活度を定義する際には満たすべき要件があります。これらの要件とは、純水（_aw= 1.0）を標準状態とすること、系が平衡状態にあること、および温度が定義されていることです。

平衡状態において

μ = μ₀ + RT ln (f/f₀)

ここで、μ(J mol⁻¹) は系の化学ポテンシャル、すなわち熱力学的活性または物質1モルあたりのエネルギーである。μ₀は温度T(K) における純物質の化学ポテンシャルである。Rは気体定数（8.314 J mol⁻¹ K⁻¹）である；fは物質のフガシティ、すなわち脱出傾向である；そしてfoは純物質の脱出傾向である（van den Berg and Bruin, 1981）。ある種の活度はa = f/fo と定義される。水を扱う場合、物質には下付き文字が付けられる

_aw= f/fo

_awとは、水の活性度、すなわち系内における水の脱出傾向を、曲率半径を持たない純水の脱出傾向で割った値である。実用上、食品が存在するほとんどの条件下では、フガシティは蒸気圧によって近似される（f ≈ p）ため、

_aw= f/fo ≅ p/po

系内のあらゆる場所でμが等しくなると、その系は平衡状態に達する。液体相と気体相の間の平衡とは、両相においてμが等しいことを意味する。この事実により、気体相を測定することで試料の水活度を決定することができる。

水分活性とは、物質中の水の蒸気圧（p）を、同じ温度における純水の蒸気圧（po）で割った値として定義される。 空気の相対湿度は、空気の蒸気圧とその飽和蒸気圧の比として定義される。蒸気と温度の平衡が達成されたとき、密閉された測定チャンバー内の試料の水活性は、試料を取り巻く空気の相対湿度と等しくなる。水活性に100を掛けると、平衡相対湿度（ERH）がパーセント単位で得られる。

_aw= p/po = ERH（％）÷100

水分活性とは、系内の水のエネルギー状態を表す指標である。系内の水分活性を左右する要因はいくつかある：

1. 溶質（塩や砂糖など）の浸透圧効果は、双極子間相互作用、イオン結合、および水素結合を通じて水と相互作用する
2. 毛細管現象とは、液面の湾曲したメニスカス上部の水の蒸気圧が、水分子間の水素結合の変化により、純水の場合よりも低くなる現象である
3. 表面相互作用とは、水が、双極子間力、イオン結合（HOまたはOH）、ファンデルワールス力（疎水性結合）、および水素結合を介して、未溶解成分（デンプンやタンパク質など）上の化学基と直接相互作用する現象である3–

食品に含まれるこれら3つの要因が相まって、水のエネルギーを低下させ、その結果、純水と比較して相対湿度が低下する。これらの要因は、大きく分けて「浸透圧効果」と「マトリックス効果」の2つのカテゴリーに分類できる。

浸透圧やマトリックスとの相互作用の程度が異なるため、水分活性は系内の水のエネルギー状態の連続体を表しています。水は、力の作用によってさまざまな程度で「結合」しているように見えます。これは、静的な「結合度」というよりも、エネルギー状態の連続体であると言えます。 水活性は、系内の「自由水」、「結合水」、あるいは「利用可能水」として定義されることがある。これらの用語は概念として捉えやすいものの、水活性という概念のあらゆる側面を適切に定義するには至っていない。

水分活性は温度に依存する。 温度は、水の結合状態の変化、水の解離、水中の溶質の溶解度、あるいはマトリックスの状態の変化によって、水分活度を変化させます。溶質の溶解度が支配的な要因となることもありますが、通常はマトリックスの状態によって制御されます。マトリックスの状態（ガラス状対ゴム状）は温度に依存するため、温度が食品の水分活度に影響を与えることは驚くべきことではありません。 温度が食品の水分活度に及ぼす影響は、製品ごとに異なります。温度の上昇に伴い水分活度が上昇する製品もあれば、温度_{の上昇に伴いawが} 低下する製品もあります。一方、高水分食品の多くは、温度による変化がごくわずかです。したがって、温度が食品内の水分活度を制御する要因にどのように影響するかによって異なるため、温度に伴う水分活度の変化の方向さえも予測することはできません。

潜在エネルギーの一種として、これは水活度の高い領域から低い領域への水の移動を促す原動力となります。 この水分活性の動的性質の例としては、多層構造食品（クラッカーとチーズのサンドイッチなど）における水分の移動、土壌から植物の葉への水の移動、および細胞の膨圧などが挙げられる。微生物細胞は半透膜に囲まれた高濃度の溶質であるため、水の自由エネルギーに対する浸透圧の影響は、微生物の水分関係、ひいては増殖速度を決定する上で重要である。

基本をマスターする

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。