DVS吸湿等温線は、食品の保存性について何を示しているのでしょうか？

等温線は、時間の経過に伴う製品の変化を予測する

食品メーカーは、自社製品がカビが生えたり、ベタついたり、風味が落ちたり、酸敗したり、固まったり、塊になったり、結晶化したりして、消費者に受け入れられなくなるまでの期間を把握する必要があります。吸湿等温線は、製品の賞味期限を予測し、その期間を延ばすための強力なツールです。これにより、以下のことが可能になります：

• 固まり、塊の形成、食感の劣化といった変化が生じる臨界水分活度の値を特定する
• 成分や配合の変更に対して、製品がどのように反応するかを予測する
• 賞味期限を正確に見積もる
• 混合モデルを作成する
• パッケージングの計算を実行する
• 単分子膜の値（製品が最も安定する状態）を求める

等温線：製剤開発の聖杯

吸湿等温線とは、一定温度に保たれた製品に水が吸着・脱着するにつれて、水分活度（_aw）がどのように変化するかを示したグラフである。この関係は複雑であり、製品ごとに異なる。 水分活度は、ほとんどの場合 、水分含有量の増加に伴い上昇しますが、その関係は直線的ではありません。実際、吸湿等温線は、ほとんどの食品ではS字型（シグモイド型）を示し、結晶性物質や高脂肪分を含む食品ではJ字型を示します。

手作業による方法は非現実的

等温線を測定する一般的な方法は、既知の水活度の塩溶液を入れたデシケーターに試料を入れ、試料の重量の変化が止まるまで放置することです。その後、試料の重量を測定して含水率を算出します。各試料は、等温線曲上の1つのデータ点となります。

この処理には非常に時間がかかるため、従来は5～6個のデータ点を用いて、GABやBETなどの曲線近似式を用いて曲線を構築していた。

等温線を作成するより簡単な方法

手作業で吸湿等温線を作成するのは骨の折れる作業だ。 この手法には自動化が必要でした。最初に採用され、現在もほとんどの蒸気吸着測定装置で使用されている手法は、DVS（動的蒸気吸着法）と呼ばれています。この手法では、試料を湿度制御された空気の流れにさらし、製品が水分を吸着または脱着する際に生じる微細な重量変化をマイクロ天秤で測定します。平衡状態に達すると、装置は動的に次の設定湿度レベルへと移行します。試験には2日から数週間を要します。

DVS法は、吸着の速度論を調査する上で有効です。つまり、特定の湿度条件下で試料にどのような変化が生じるか、また水がどの程度の速さで吸着・脱着されるかを調べることができます。しかし、各平衡段階が等温線上のたった1つのデータ点しか生成しないため、DVS法では高解像度の等温線を作成するにはあまり役立ちません。

DDI等温線は、これまで見られなかったものを明らかにする

動的露点等温線（DDI）法は、この問題を解決するために考案されました。この手法では、試料を加湿空気または乾燥空気に曝露させながら、水分活度と水分含有量の両方を（5秒ごとに）測定することで、吸着・脱着曲線の詳細を示す高解像度の等温線を作成します。 DDIグラフには数百ものデータポイントが含まれており、固結、凝集、潮解、および食感の喪失が生じる 臨界点など、これまで確認できなかった詳細な情報を示します。

臨界水分活性値を算出する

二重包装を施し、厳格な保管温度ガイドラインを策定したにもかかわらず、噴霧乾燥乳メーカーでは依然として固まりの問題が発生していた。

ガラス転移が問題となる場合

牛乳を噴霧乾燥すると、急速な蒸発によって糖分がガラス状の状態になります。ガラス状の乳糖は、結晶状の乳糖とは全く異なる性質を持っています。ガラス状の状態にある粉末は、粒子の可動性が低いため、固まったり塊になったりすることはありません。結晶構造はより低いエネルギー状態であるため、常に一部の分子がガラス状から結晶状へと移行しています。問題が発生するのは、この移行の速度が転換点に達したときです。

水分活性は遷移速度を予測する

_{水活性（aw）が}0.30の場合、乳糖がすべて結晶化するまでに数年かかる可能性があります。_{水活性が0}._40の場合、1ヶ月ほどかかるかもしれません。_水活性が0.43を超えると、数時間で結晶化が進みます。乳糖が結晶化してしまうと、粉ミルクは元に戻らないほど変化してしまいます。吸水量が劇的に変わり、水に溶けなくなり、味も変になってしまいます。つまり、台無しになってしまうのです。

DDI等温線はガラス転移点を予測する

噴霧乾燥乳粉のような粉末のガラス転移点は、高解像度のDDI等温線を用いて測定することができます。従来の等温線は、測定点間のデータをモデルを用いて補間して作成されます。一方、DDI等温線は数百もの測定点を取得するため、噴霧乾燥乳粉のガラス転移点といった相転移を特定することが可能です。

等温線の2階微分プロット上のピーク値から、臨界相転移値は0.43_awであることが判明した。

生産ラインでの定期的かつ正確な検査と、より適切な管理基準値の設定により、メーカーは出荷合格率を向上させることができた。

混合モデルを作成する

あるケーキメーカーが、クリーム入りケーキのレシピを開発していた。そのレシピの構成要素は、フロスティング（水分約7％）、クリームフィリング（12％）、そしてケーキ本体（15％）であった。これまで、保存期間中の水分移動により、ケーキのパサつき、フロスティングのゴムのような食感、クリームフィリングの液化によるケーキへの滲み出しといった食感の問題が発生していた。

部品間で水分がどのように移動するかを確認してください

各成分の吸湿等温線から、最も乾燥した成分であるフロスティングの水活度が0.79と最も高いことが分かった。クリームとケーキの水活度はそれぞれ0.66と0.61で、ほぼ同程度であった。

最終製品の水活度を予測する

等温線をカイ・プロットに変換した結果、最終製品の水分活度は0.67と予測され、これはケーキにとって微生物学的に安全な値である 。

予期せぬトラブルを避ける

その後、製菓業者は、平衡水分活性（0.67）の条件下でケーキを焼き上げ、試食テストを成功裏に実施した。

パッケージを選択

1回分入りの粉末ドリンクミックスは、成長著しい市場セグメントです。この製品の原材料費のうち、50%以上を包装費が占めています。包装の主な目的は、製品の目標保存期間を通じて、ドリンクミックスの_{水和活性（aw）を}臨界値以下に維持することです。

包装計算は、臨界水分活性値から始まります。動的露点等温線（DDI）から正確な点を求めることができるため、この種の包装計算が可能となります。

この曲線は、ある特定の飲料の配合におけるガラス転移点を示しています：

このドリンクミックスの臨界水分活性（正確な変曲点）は、25°Cで0.618である。

パッケージのコンダクタンスを計算する

簡略化された包装計算（『等温線の基礎』およびソフトウェアツールで利用可能）を用いて、このドリンクミックスの4種類の包装（元の包装と3つの代替案）を評価しました。高湿度環境（25°C、湿度75%）下での結果は以下の通りです：

配合の変更を理解する

あるペットフードメーカーは、水分活度を管理することで保存料不使用の製品を製造するため、配合を変更した。しかし、製品発売後まもなく、腐敗による返品が発生し始めた。

初期の評価によると、腐敗の予測は、異常に低い温度である15℃で行われた水分活性試験に基づいていたことが判明した。15℃、25℃、40℃で測定した等温線から、ペットフードがしばしば置かれるような過酷な条件下で保管された場合、腐敗が生じる可能性が高いことが示された。

等温線により、問題を完全に予測できる全体像が得られ、顧客は新しい配合で問題を解決することができました。

製品の不具合を調査する

13シーズンにわたって何の問題もなかったが、あるピーカンナッツ農家の作物がカビの問題を理由に受け入れ拒否された。この問題を調査するため、等温線が作成された。

微生物の増殖を防ぐためには、ピーカンナッツを0._{60 awまで}乾燥させる必要があります。等温線図が示すように、0.60_awはピーカンナッツの含水率4.8%に相当します。また、この重要な管理領域においてピーカンナッツの等温線は非常に平坦であるため、含水率のわずかな変動が、水活度の大幅かつ潜在的に危険な変化につながります。

Isothermによると、設定値が低すぎたことが判明した

この等温線図から、このピーカン生産者の工程では、作物の安全性と品質を保証するには不十分であったことがわかります。この生産者は、乾燥減量法を用いて水分含有量を測定していました。出荷基準が5％で、測定精度が±0.5％であったため、乾燥後の作物の実際の水分含有量は4.5％から5.5％の範囲内であった可能性があります。

高湿度での保管から不適切な包装に至るまで、あらゆる要因がピーカンナッツの水分含有量を危険なレベルまで上昇させ、腐敗を引き起こした可能性があります。

賞味期限について詳しく知る

この30分間のウェビナーでは、食品科学者のメアリー・ギャロウェイ氏とザカリー・カートライト氏が、保存期間に関する疑問の解決策について解説します。以下の内容を学びましょう：

- 問題や苦情を調査し、賞味期限が予想より早く切れてしまう原因を特定する

-レシピの変更が賞味期限にどのような影響を与えるかを予測する

- さまざまな原材料の選択肢による効果を比較する

-特定の包装方法が、製品の保存期間の達成または延長に役立つかどうかを評価する

動的露点等温線（DDI）を用いた研究

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