食品メーカーのための水分活性（aw）完全ガイド

なぜ水分活性なのか？

水分含有量 だけでは微生物の増殖の変動を十分に説明できないことが明らかになった際、品質および安全性の指標として水分活性の有用性が提唱されました。水分活性（aw）という概念は、数十年にわたり微生物学者や食品技術者に活用されてきました。これは、安全性と品質を評価する上で最も一般的に用いられている基準です。

水分活性：すべてはエネルギーの問題だ

水分活性とは何ですか？

コップ一杯の水と乾いたスポンジを用意してください。スポンジの端をコップの水に浸します。すると、水がコップからスポンジへと移っていきます。

水分活性とは、水がスポンジの中へ移動する原因となる力です。これをよりよく理解するために、スポンジの中の水とコップの中の水がどのように異なるかを考えてみてください。

コップの中の水は自由に動きますが、スポンジの中の水は決して自由ではありません。それは水素結合、毛細管力、そしてファンデルワールス力やロンドン力によって拘束されているからです。これらは「マトリックス効果」と呼ばれます。スポンジの中の水は、コップの中の水よりも低いエネルギー状態にあります。水はスポンジの中へ流れ込みますが、それを取り出すには、スポンジを絞って仕事を行わなければなりません。

スポンジの中の水は、コップの中の水に比べて蒸気圧が低く、凝固点が低く、沸点が高い。これらは、測定・定量化できる点で異なっている。

水は、溶質で希釈することでエネルギーを低下させることもできます。これを浸透圧効果と呼びます。水を純粋で自由な状態に戻すには仕事が必要となるため、これにより水活性も低下します。エネルギーの総変化量は、マトリックス効果と浸透圧効果の合計となります。

水分活性は食品の品質と安全性を左右する

水分含有量が20%のクラッカーと、30%のチーズフィリングを組み合わせる。これではクラッカーがベチャベチャになってしまうのでは？ いいえ、2つの原料の水分活度が同じであれば、そんなことはありません。スパイスのバッチで固まりや塊ができるのを防ぎたいですか？ 成分の水分活度を合わせれば、問題は解決します。

ビタミンの分解は水分活性に左右されます。脂質の酸化、サクサク感、噛み応え、柔らかさ、その他多くの品質要因も同様です。水分含有量は製品に含まれる水の量を示すに過ぎず、それ以上の情報は得られません。これらの品質や安全性に関する問題のいずれについても、予測することはできません。

安全性と安定性の予測

水分活性は、微生物の増殖、化学的および生化学的反応速度、ならびに物理的特性に関する安全性と安定性を予測する指標となる。図1は、水分活性の関数として、微生物の増殖限界および分解反応速度に基づく安定性を示している。

水分活度の測定と制御により、以下のことが可能になります：

• どの微生物が腐敗や感染の原因となり得るかを予測する
• 製品の化学的安定性を維持する
• 非酵素的な褐変反応および自発的な脂質酸化反応を最小限に抑える
• 酵素やビタミンの働きを長持ちさせる
• 製品の水分移動、食感、および保存期間について、その物理的特性を最適化する

水分活性はどのように測定されるのでしょうか？

試料を密閉容器に封入すると、ヘッドスペース内の空気の相対湿度は、試料の水分活度と平衡状態に達します。平衡状態では、この2つは等しくなり、ヘッドスペースの相対湿度を測定することで、試料の水分活度を知ることができます。これが、水分活度を測定する方法に関する最も信頼できる答えです。

補助的な測定方法：湿度計、静電容量式センサー

初期の水分活性計と同様に、現代の測定器のほとんどは、試料の上部空間の湿度を測定するために、静電容量式または抵抗式の湿度センサーを採用しています。

これらの測定器は間接的な手法を採用しており、電気信号と相対湿度を関連付けて測定するため、既知の塩分標準液を用いて校正する必要があります。

これらのセンサーでは、試料とセンサーの温度が同じである場合にのみ、ERH値は試料の水活度と等しくなります。正確な測定を行うには、適切な温度管理または温度測定が必要です。静電容量式センサーは構造が単純であるため、比較的安価な水活度計によく用いられています。

露点は主要な手法の一つである

水分活度の測定方法として最適なのは、p / p0 の比を用いる一次測定法である。p0（飽和蒸気圧）は試料の温度のみに依存するため（添付のグラフに示す通り）、試料の温度を測定することでp0 を測定することができる。P（試料中の水の蒸気圧）は、試料の上部に設けた密閉されたヘッドスペース内の水の蒸気圧を測定することで測定できる。その蒸気圧を測定する最も正確な方法であり、第一原理に立脚した方法は、空気の露点を測定することである。

一次法とは、直接測定であり、較正を必要としないことを指します

露点（または冷却鏡式露点）法の主な利点は、測定速度と精度です。冷却鏡式露点センサーは、熱力学の基本原理に基づいた一次測定法です。冷却鏡式水分活性計は、通常約5分で高精度（±0._003aw）の測定を行います。測定は温度測定に基づいているため、校正は不要です。 ユーザーは、装置が正常に機能していることを確認するために、標準塩溶液を測定する必要があります。一部の用途では、この方法の迅速さにより、製造業者は製品の水分活度をライン上でモニタリングすることが可能になります。

AQUALAB 4TEは、文献上、市場で最も高速かつ高精度な水分活性測定法であることが実証されている「冷却鏡式露点法」を採用しています。その仕組みについては、動画をご覧ください。

政府の規制では、水分活性の活用が推奨されている

米国食品医薬品局（FDA）は、水分活度を安全規制に組み込んでいます。これらの規制では、製品が衛生的な条件下で製造され、純粋で健全かつ安全であることを保証するための具体的な要件と実施方法が定められています。水分活度の使用を推奨する米国政府の安全規制については、以下の表を参考にしてください。

水分活性は保存期間の理解を容易にする

製品ごとの正確な賞味期限が把握できていなければ、まだ食べられる期限切れ商品を廃棄してしまう可能性があります。あるいは、実際には品質が劣化しているのに、まだ期限内の商品を販売してしまうかもしれません。製品にとって効果のない包装に過剰な費用をかけている可能性もあります。あるいは、より優れた包装によって得られるはずの大幅な賞味期限の延長を、無駄にしているかもしれません。要するに、手探りの状態で事業を行っているため、確かなことは分からないのです。

では、なぜ人々は賞味期限の試験をもっと行わないのでしょうか？

一般的に、その理由は、本格的な保存期間試験を行うことが非常に困難な作業だからです。そこには、湿度、温度、および製品の劣化メカニズムとの間の複雑な関係が関わっているからです。

カビ、微生物の繁殖、酸化、食感や風味の変化、ビタミンの劣化など、さまざまな要因によって、製品が安全でなくなったり、食べられなくなったりする可能性があります。多くの企業には、社内で本格的な保存期間試験を行う専門知識がなく、外部の検査機関に依頼すると費用がかさみます。

この種の保存期間試験に代わる、科学的に根拠のある手法があります。それは「水分活度による保存期間の簡略化」です。この手法を用いれば、小規模なスタートアップ企業であっても実施可能な実験から、製品の保存期間を予測するために必要なあらゆるデータを導き出すことができます。

保存期間と水分活性

水分活性は、どのようにして保存期間を簡素化するのでしょうか？

1. これにより、不要な要素が排除されます。製品の水活度を把握すれば、その製品においてどのような不具合が発生しやすいかが分かります。
2. これにより、予測が容易になります。水分活性計と、もう1つの測定方法（どの方法を選ぶかは、具体的な劣化モードによって異なります）を組み合わせることで、社内で簡単に実験を行い、保存期間を正確に予測することができます。
3. これにより、生産工程が標準化されます。水活度の基準値を設定することで、バッチごとに最適な保存期間を確保することができます。

保存期間に関するデータは、製品の不具合を未然に防ぎ、保存期間を予測・延長し、最も費用対効果の高い包装を選択するなど、貴重な知見をもたらします。

賞味期限を縮める要因

保存期間に影響を与える主な要因は、微生物の特性、化学的変化、および物理的劣化の3つです。これらの要因はすべて、水分活性と関連しています。

微生物の増殖

微生物には、その値を下回ると増殖しなくなる限界水分活度があります。微生物の増殖に「利用可能な」水分の下限を決定するのは、水分含有量ではなく水分活度です。細菌、酵母、カビは増殖を維持するために一定量の「利用可能な」水分を必要とするため、製品を臨界水分活度以下に設計することは、増殖を抑制する効果的な手段となります。

製品中に水分が、たとえ高濃度で含まれていても、そのエネルギーレベルが十分に低ければ、微生物はその水分を取り込んで増殖を維持することができません。この「砂漠のような」状態により、微生物と周囲の環境との間に浸透圧の不均衡が生じます。その結果、微生物は増殖できなくなります。

カビや微生物の増殖は、保存期間にとって最も危険な脅威です。水分活度を制御することで、微生物の増殖を抑制または防止し、保存期間を延長できるほか、一部の製品については冷蔵なしで安全に保管できるようになります。明確に定義された表を用いることで、製品ごとの水分活度の基準値を設定し、これを保存期間試験に活用することができます。

化学的劣化

水分活性は、水が溶媒として作用したり、それ自体が反応物となったり、あるいは粘度を通じて反応物の移動度を変化させたりするため、劣化を招く化学反応速度に影響を及ぼします。 例えば、非酵素的褐変反応は水分活性の上昇に伴い増加し、0.6～0._{7 awで}最大値に達し、脂質酸化は約0.2～0.3_awで最小となる。水分吸着等温線から決定される単分子層水分含有量付近で、一般的に最適な化学的安定性が得られる。

身体機能の低下

湿度が高い環境や（比較的稀ですが）湿度が低い環境は、製品の水分活度に影響を与え、製品の食感や物理的特性に望ましくない変化をもたらし、賞味期限を短縮させる可能性があります。具体的な問題としては、乾燥食品のサクサク感が失われること、粉末製品の固まりや塊ができること、そして湿り気のある食品が硬くなったり噛み応えが強くなったりすることが挙げられます。製品に適した臨界水分活度を見極めるにはある程度の調査が必要ですが、水分活度を活用すれば、その作業がはるかに容易になります。

梱包、発送、保管

輸送や保管中の水分活性の変化は、賞味期限に大きな影響を及ぼす可能性があります。水分活性は温度に依存するため、輸送や保管時の温度は、パッケージ内の水分活性に影響を与える可能性があります。簡易的な賞味期限試験を行うことで、最適な包装を決定し、輸送や保管条件が製品の賞味期限に与える影響を評価することができます。

等温線は、水分活性の最適範囲を特定します

時間の経過に伴う製品の変更を予測する

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水分含有量を算出します。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。

等温線はどのように作成されるのか

AQUALAB VSAは、製品に対する理解を一新する、高速かつ高解像度のDDIおよびDVS等温線グラフを自動的に生成します。2つの試験モードと高度なモデリングソフトウェアにより、データを有効活用し、優れた製品の製造、監視、保管、出荷に必要なソリューションへと変換します。

等温線データをソリューションに変える

VSAには、直感的で多機能なモデリングソフトウェアが付属しています。「Moisture Analysis Toolkit」は、研究で実証された予測モデルを用いて、データをソリューションへと変換する方法を示します。必要なすべてのモデルが、使いやすいプログラム内に一箇所にまとめられています。  ガラス転移の臨界湿度を特定したり、包装性能を評価したり、吸湿性を判定したり、ヒステリシスを追跡したり、コーティングの劣化を予測したり、固結・凝集の発生傾向を把握したりするなど、さまざまな分析が可能です。

等温線は、臨界水分活度の値を特定する

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。

動的露点等温線（DDI）を用いた研究

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付録：

水分活性と水分含有量

水分活性は、水分含有量よりも測定が複雑だと考えられがちです。しかし、正確で再現性のある水分含有量の測定を行うことは、一見したほど簡単ではありません。

理論上、水分含有量の測定は簡単です。製品に含まれる水分量を測定し、それを製品に含まれるその他の成分の重量と比較するだけです。しかし実際には、製品中の正確な水分含有率を算出するのは、困難で複雑なプロセスです。その理由は以下の通りです。

報告方法が異なると混乱を招く

含水率は、湿重量基準または乾燥重量基準のいずれかで報告されます。湿重量基準では、水分量を試料の総重量（固形分と水分の合計）で割ります。乾燥重量基準では、水分量を乾燥重量（固形分のみ）で割ります。 残念ながら、水分含有量は、どの方法が用いられたかについての明示なしに、単にパーセンテージとして報告されることがよくあります。湿基と乾基の間での換算は容易ですが、異なる基準で報告された水分含有量を比較する際には、混乱や潜在的な問題が生じます。さらに、乾基で報告された水分含有量は、実際には100%を超えるパーセンテージ値となることもあり、さらなる混乱を招く原因となります。

測定方法が様々であるため、比較することは不可能である

AOACは、水分含有量を測定するための35種類の方法を掲載しています。これらは、直接法と間接法に分類されます。直接法では、製品から水分を除去（乾燥、蒸留、抽出など）した後、秤量または滴定によって水分量を測定します。直接法は最も信頼性の高い結果が得られますが、通常、手間と時間がかかります。 その例としては、空気乾燥、真空乾燥、凍結乾燥、蒸留、カール・フィッシャー法、熱重量分析、化学的乾燥、ガスクロマトグラフィーなどが挙げられます。

間接法では、試料から水分を取り除くことはありません。その代わりに、水分含有量の変化に伴って変化する食品の何らかの特性を測定します。これらの方法では、一次法または直接法による較正が必要です。その精度は、一次法の精度によって制限されます。 間接法は通常、迅速で試料の前処理もほとんど必要としませんが、直接測定法に比べて信頼性は低くなります。間接測定法の例としては、屈折率測定、IR吸収、NIR吸収、マイクロ波吸収、誘電容量、導電率、超音波吸収などが挙げられます。

水分含有量の測定プロセスをさらに複雑にしているのは、ある測定方法が必ずしも別の測定方法と同じ結果をもたらすとは限らないこと、そして通常、水分含有量の数値とともに測定方法が報告されないという点である。

直接測定法であっても、一貫した結果が得られるとは限りません。試料を加熱する必要がある方法（すなわち、乾燥減量法）では、有機揮発成分の損失や試料の分解（特に糖分を多く含む試料の場合）が生じる可能性があります。 例えば、試料中に有機揮発性物質が含まれている場合や、乾燥中に試料が分解する場合、揮発性物質の損失や分解の影響を受けにくいカール・フィッシャー法による分析結果は、乾燥減量法による分析結果とは異なるものとなる。

変動は避けがたい

これらの問題に対する一つの解決策は、一貫した方法を採用し、同じ方法で得られた値のみを比較することです。しかし残念ながら、水分含有量分析における測定方法の一貫性だけでは、すべての問題を解消することはできません。例えば、乾燥減量法を考えてみましょう。この方法は一見単純に見えます。 試料の重量を測定し、記録します。その後、試料を乾燥炉に移し、乾燥させた後、乾燥重量を測定します。水分量は、初期重量から乾燥重量を差し引くことで求められ、その後、報告方法に応じて、水分量を乾燥重量または総重量で割ることで含水率が算出されます。

この単純な乾燥減量法でさえ、潜在的な変動要因が潜んでいます。最も根本的な問題は、「乾燥」という言葉に実際の科学的意味がなく、これまで明確に定義されたことがないという点です。その代わり、各試料について、再現性のある恣意的な乾燥状態を確立する必要があります。 「乾燥状態」は、しばしば重量減少が止まる時点として定義される。しかし、熱重量分析のグラフを見ると、製品によって重量減少が平坦化する温度は異なることがわかる。また、製品によっては「乾燥状態」に達するまでに要する時間も異なり、ある製品で「乾燥状態」をもたらす温度が、別の製品では分解を引き起こすこともある。 つまり、各試料には固有の理想的なオーブン温度と乾燥時間があるということだ。一部の製品については、この理想的な時間・温度の組み合わせが文献に記載されているが、記載されていない製品も数多く存在する。未検証の製品に対してどの組み合わせを用いるべきか判断するのは困難である。同じ時間・温度の組み合わせを使用しない場合、得られた含水率を比較すべきではない。

さらに問題となるのは、設定温度が同じオーブンでも、時間の経過とともにその温度から最大15℃もずれることがあり、また、同じ温度に設定された2台のオーブン間でも、最大40℃もの差が生じることがあるという点だ。

乾燥減量法特有の変動要因としては、オーブンの水蒸気圧、試料調製法、試料の粒子径、試料の計量、および乾燥後の処理などが挙げられる。興味深いことに、こうした潜在的な落とし穴があるにもかかわらず、文献で乾燥減量法による含水率が報告されると、それは即座に正しい値として受け入れられてしまう。 さらに、各種含水率測定法同士を比較する際、その中に乾燥減量法が含まれていると、常に乾燥減量法による測定値が正しいとみなされる。

「ドライ」とは何ですか？

「乾燥」を定義することは、水分測定に伴う不一致の一部を解消するのに役立つでしょう。「乾燥」を定義する最善の方法は、オーブン乾燥時の水分活度を特定することです。 そうすれば、乾燥重量とは、試料がこのオーブン乾燥水活度に達した際の重量となります。25 °C、相対湿度30%という一般的な周囲条件下において、95 °Cに設定されたオーブンは、オーブン内の水蒸気圧が外気と同じであると仮定すれば、オーブン内部で0.01 awのオーブン乾燥水活度を作り出すことになります。 周囲の条件にかかわらず、常に0.01 awのオーブン乾燥水分活度を維持するオーブンは、科学的に「乾燥」した状態を作り出すことになる。この種のオーブンでは、製品の重量の変化が止まった時点で、その製品は乾燥していると宣言できる。その水分活度は0.01 awとなり、その重量が乾燥重量となる。 オーブン内の水活度が0.01 awに維持されている限り、揮発性物質の放出を防ぐために、オーブンの蒸気圧や温度を調整することも可能です。この方法を用いれば、複数の測定方法や「乾燥」の定義が不明確であることに起因する不整合を解消することができます。

より正確な水分分析

水分含有量は、収量や数量に関する貴重な情報を提供するため、経済的な観点からも重要です。また、水分量が増加すると流動性が高まり、ガラス転移温度が低下するため、食感に関する情報も得られます。しかし、正確かつ一貫性のある水分含有量値を得ることは困難であり、その測定方法に関する情報なしに、水分含有量の測定値をそのまま鵜呑みにすることはできません。  さらに、製品中の水分量を用いて、実際には示されていない製品の一貫性、品質、あるいは微生物学的安全性に関する情報を伝えようとする場合、さらなる問題が生じます。こうした場合やその他のケースにおいては、水分活性の方がより正確な測定指標となります。完全な水分分析を行うためには、食品および医薬品の開発者は、水分含有量と水分活性の両方を測定すべきです。さらに、吸湿等温線を用いることで、最適な保存期間、食感、安全性、品質を達成し、維持できる条件を特定することができます。

水分活性の科学的定義

水分活性は、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、水分活性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。これは、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。温度の変化は、水の結合状態の変化、水の解離、水への溶質の溶解度、あるいはマトリックスの状態の変化によって、水分活性に影響を与える。溶質の溶解度が支配的な要因となり得るものの、通常はマトリックスの状態によって制御される。マトリックスの状態（ガラス状とゴム状）は温度に依存するため、温度が食品の水分活性に影響を与えることは驚くべきことではない。 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、温度の上昇に伴い水分活度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。

品質保証（QA）および品質管理（QC）、ならびに製剤開発における強力な評価手法

水分活性とは、製品中の水のエネルギーを表す熱力学的指標です。なぜ貴社は水分活性の測定方法を学ぶべきなのでしょうか？それは、食品の微生物に対する感受性と直接的な関係があるからです。また、食品の保存期間を縮める多くの反応とも直接的な関係があります。既知の標準値を用いて測定されるため、安全性や品質の基準として特に適しています。

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