粉末の安定性評価：物理的、化学的、および微生物学的

しかし、ほとんどの粉末は分子構造によって、非晶質、結晶質、あるいはその両方の組み合わせに分類することができます。結晶質と非晶質の比率、および両者の相互作用は、粉末のほぼすべての特性に影響を及ぼします。

さらに、粒子径は粉末の特性（およびそれに伴う一般的な問題）に大きな影響を及ぼします。粉末粒子が互いに接触する場所では、固着や凝集の第一段階であるブリッジングが生じ始める可能性があります。 粒子径が小さければ小さいほどブリッジングが発生しやすくなり、これが付着、さらには凝集、そしてさらなる問題へとつながります。結晶性粉末は特に扱いが難しい場合があります。なぜなら（ある程度の範囲内では）、その規則的な構造により、水分が構造の表面にしか付着できないからです。

研究によると、粒子径の異なる2種類の結晶性粉末を混合すると、個々の粉末が溶融するよりも低い水分活性レベルで、混合物が溶融（固体から液体へ変化）することがある。

非晶質の粉末は、隙間や不規則な形状を持つ傾向があり、そのため水が粒子に結合しやすくなります。

水分含有量、水分活性、および粉末の等温線

水分に関連する主要な指標として、水分含有量と水分活性の2つがあります。粉末の物理的、化学的、あるいは微生物学的安定性に関する問題を管理したいのであれば、これら両方を理解することが重要です。

食品業界や製薬業界に携わる人々の多くは、水分含有量という概念に馴染みがあるでしょう。一方、水分活性という概念は、初めて耳にするという人もいるかもしれません。水分含有量は水の量を測定するものです。一方、水分活性は水のエネルギー、つまり「水がどのような働きができるか」を測定するものです。これら2つのパラメータは、まったく異なる方法で測定されます。

水分含有量は、総質量に対する割合（％）で表されます。つまり、重量ベースで、試料のうちどれだけが水であるかを示すものです。

水分含有量の測定は一般的な方法ですが、特に正確とは言えません。そのため、問題の発見や解決が難しくなることがあります。特に粉末の場合、水分含有量だけでは全体像を把握することはできません。

水分活度を測定するには、装置を用いて蒸気圧を測定します。水分活度を、試料が放出する平衡状態の湿度と捉えると理解しやすくなります。

水活性は、しばしば「水の利用可能性」と誤解されがちです。しかし、これは正確ではありません。水活性は熱力学の原理であり、水のエネルギーそのものです。このエネルギーは化学反応や食感の変化、その他の反応に利用される可能性があるため、この点を理解しておくことが重要です。

水分活性と水分含有量の関係をグラフ化すると、その結果は等温線と呼ばれます。適切に活用すれば、等温線は多くの貴重な情報を提供してくれます。具体的には、次のようなことが可能です：

• テクスチャーや構造の変化が始まる水分活度のレベルを明らかにする（DDI等温線）
• 製品がより多くの水分をより速く吸収し始める時点を示す
• 分子構造（非晶質か結晶質か）を特定する
• 特定の変化や反応に要する時間、あるいはそれらがどのくらいの速さで起こるかを決定する（DVS等温線）

物理的安定性の主な要因

粉末の物理的安定性を理解するには、水分、温度、時間の3つの主要な要因を考慮する必要があります。

水分

水分は化学的安定性に大きな影響を及ぼします。水は溶媒や反応物となり得るほか、化学反応を緩衝する役割も果たします。一般に、水分が多いほど反応は速くなりますが、等温線を用いることで、個々のケースに応じた具体的な情報を得ることができます。

温度

温度の影響は水の場合と同様です。温度が上昇すると変化の速度は速くなります（上の図を参照）。温度を上げるということは、系にエネルギーを加えることを意味し、それによって、より低い水分活性レベルでもより多くの物理的変化が起こるようになります。

時間

十分な時間があれば、あらゆる変化は完結する。中には、非常に古いガラス窓のガラスが歪むように、あまりにもゆっくりと進行するため気づかないような変化もあるが、たとえ温度や湿度といった要因が管理されていたとしても、そうした変化は確実に起きているのだ。

物理的安定性に関する事例研究：スパイスミックスの固結と塊化

水分活度が物質間の水分の移動を左右することは周知の事実です。しかし、実際にはどの程度の移動が起きるのか、その移動を予測するためにどのような式やモデルが用いられるのか、そしてその予測の精度はどの程度なのか。

METERフードR&Dラボでは、上記の疑問に対する答えを示すため、6種類のスパイスブレンドについて以下の調査を実施しました。

プロセスの概要：

1. 各原材料ごとに等温線を生成した
2. 既知の質量比で材料を混ぜ合わせた（下表参照）
3. 等温線、数式、および係数を用いて、各ブレンドの予測最終水分活度を算出する
4. 平衡状態に達した後、各スパイスブレンドの水分活度を測定した
5. 予測値と測定値を比較した

調査結果：

• コーンスターチとオニオンソルトを用いた予測値は、最終的に測定された水分活性値と極めて近いものでした。
  • どちらの成分も粒子が微細であるため、粒子間の接触面積が増え、平衡状態がより早く達成される傾向があります。
• その他のスパイスミックスの予測も非常に正確だった。
• 今回の試験で最も精度が低かったのは、セージ、クミン、オレガノのブレンドでした。とはいえ、最終的な測定値より0.05低いという結果であり、依然として驚くほど近い数値でした。

本ケーススタディで解説したプロセスは、あらゆる食品科学者、特に新製品の迅速な開発を迫られている方々にとって有益です。これらのモデル、ツール、および数式を活用することで、乾燥原料の混合前に、その最終的な特性について洞察を得ることができます。

等温線ライブラリを構築するには、初期段階で時間がかかる場合があります。しかし、一度構築されてしまえば、製品開発者は、実際の試験を行うことなく、デスク上で自由に配合の調整を試みたり、最終的な保存期間や平衡水分活度の予測を行ったり、包装に関する決定を下したりすることができるようになります。

化学的安定性の主な要因

メーカーは、水分活性が化学反応速度にどのような影響を与えるか、またどの反応が製品の保存期間を縮めることになるかを認識しておく必要があります。化学的安定性について十分な理解がなければ、製品が実際に提供できる以上の効果を約束してしまうことになりかねません。

化学反応速度の追跡は複雑になることもありますが、不可能ではありません。保存期限がいつになるかは、多くの場合、製造業者によって決定されます。その時点を正確に特定するには、前述の事例研究で言及された保存期間予測情報の一部が必要となります。

化学的安定性に関する事例研究：ビタミンCの分解

栄養補助食品メーカーは、どのようにして理想的な保存条件を決定すればよいのでしょうか？特定の成分はどの程度の速度で劣化していくのか、また、製品はいつからラベルに記載された効能を満たさなくなるのでしょうか？

以下に紹介するMETER Food R&D Labによる研究は、こうした疑問の解明に役立つものです。この研究はビタミンC（アスコルビン酸）を対象として行われましたが、その原理や手法は、時間の経過とともに劣化や反応を起こす可能性のあるあらゆる物質に適用できます。

本研究では、アスコルビン酸を2種類の水分活度および3種類の温度条件下で曝露した。UV-Vis分光法を用いて分解を追跡し、分解速度を算出した。その目的は、温度と水分活度が分解速度にどのような影響を与えるかを明らかにすることである。

まず、チームは目標とする温度（30℃、40℃、50℃）と水分活性（0.76 aw、0.948 aw）を決定しました。次に、保存期間の終了時期を定義しました。このケースでは、ビタミンCの初期含有量の75%が残っている時点としました。 チームは必要な情報を「Moisture Analysis Toolkit」に入力し、加速保存試験を実施したところ、以下の結果が得られました：

微生物学的安定性の主な要因

水分活性は、微生物の増殖を抑えるための優れた方法です。水分活性が0.6未満であれば、微生物は増殖しません。

この事実により、多くの製造業者は誤った安心感を抱いてしまっています。彼らは、自社製品の水活性が低ければ、微生物汚染を心配する必要はないと考えているのです。これは危険な認識であり、ピーナッツバター、小麦粉、粉ミルクなどの食品において、数多くのリコールや食中毒の発生を招いてきました。

水分活性は微生物の増殖を防ぐことはできますが、殺菌工程ではありません。水分活性が低い環境下では、微生物は休眠状態で生き延びることができます。もし、より高い水分活性の環境にさらされると――例えば、クッキー生地に小麦粉を混ぜるといった場合――微生物は増殖し始め、危険な状態になる可能性があります。

水分活性が低い製品は安全である可能性がありますが、必ずしも無菌であるとは限りません。

微生物管理には多くの課題や講じられるべき予防策があるものの、この問題は依然として複雑で困難なものです。低水分食品の殺菌や低温殺菌に関する研究は現在も精力的に進められています。現時点では、厳格な衛生管理方針こそが、汚染を防ぎ、微生物学的安定性を確保するための最も効果的な手段です。

その他のリソース

粉末科学についてさらに詳しく知りたい方は、以下の無料オンデマンドウェビナーをご覧ください。このウェビナーでは、ザカリー・カートライト博士とメアリー・ギャロウェイ氏が、粉末の流動、固着、分子構造、および等温線についてさらに詳しく解説しています。