水分活性とpHがどのように相互に作用して微生物の増殖を抑制するのか

水分活性とpHは、製品が腐敗微生物の増殖を許容するかどうかを決定する、最も重要な2つの内在的要因である。水分活性とpHは相乗的に作用し、その複合的な効果は個々の効果よりも強力な抑制力を発揮する。この相乗効果は、微生物制御におけるハードル技術によって詳細に説明されており、FDAによる「潜在的に有害な食品」の定義において重要な要素となっている。

水分活性とpHの相乗効果を活用することで、より穏やかな保存技術を用いて微生物の増殖を抑制し、その結果、製品の食感や品質を向上させることができます。

水分活性が微生物の増殖をどのように防ぐのか

他のすべての生物と同様、微生物も成長するために水に依存しています。微生物は、細胞膜を介して水を移動させることで水分を取り込みます。この水の移動メカニズムは、水活性勾配、すなわち細胞外の水分活性が高い環境から、細胞内の水分活性が低い環境へと水が移動することに依存しています。

細胞外の水分活性が十分に低くなると、浸透圧ストレスが生じます。これにより、細胞は水分を取り込むことができなくなり、休眠状態になります。微生物が死滅するわけではなく、単に繁殖できなくなるだけです。生物によって浸透圧ストレスへの対処法は異なります。そのため、生物ごとに増殖の限界が異なるのです。一部のカビや酵母は、非常に低い水分活性レベルにも耐えられるように適応しています。

生物にはそれぞれ、成長が止まる特定の水分活度があります。製品開発者が水分活度をこの限界値以下に保ちさえすれば、当該微生物は感染や病気を引き起こすほど増殖することはありません。表1を参照してください。

微生物の増殖を抑制する上で、水分活性は食品の安全性を確保するための優れた指標となり、その測定値はHACCP計画における重要管理点として活用することができる。

相乗効果を生み出す機会

表1の増殖限界値は、その他の条件（pH、温度など）がすべて当該微生物の増殖にとって最適な状態であることを前提としています。しかし、pHの低下による増殖抑制効果と水分活性の制御を組み合わせれば、実際には、図表に示されているよりも高い水分活性条件下でも微生物の増殖を抑制することが可能です。

pHとは何ですか？

pHは、溶液の酸性度またはアルカリ性の度合いを示す指標です。0から7までの値は酸性、7から14までの値はアルカリ性を示します。中性である蒸留水のpHは7です。食品は、中性か酸性のいずれかである傾向があります。

微生物にはpHによる増殖の限界がある

水分活性と同様に、微生物にも、それ以下のpHでは増殖しない限界値があります。表2は、さまざまな種類の微生物の増殖に必要な最低pH値を示しています。すべての微生物は、最適な増殖には中性pHを好みますが、より酸性のpH値でも増殖することは可能です。 その多くはpH 5.0で増殖を停止します。一部の微生物はpH 4.6、さらには4.4まで耐えることができます。従来、pH 4.6は増殖の下限値と考えられていましたが、問題となる一部の微生物がpH 4.2という低い値でも増殖することが判明したため、食品衛生基準の一部が改訂されました。

pH調整の用途

微生物の増殖には限界があるため、pHを下げることは食品の保存や微生物の増殖を防ぐ効果的な方法であり、HACCP計画における重要管理点としても活用できます。さらに、一部のメーカーでは、風味を変えるためにpHを調整しています。これは多くの場合、微生物の働きや酵素反応、あるいは酢などの酸を利用して乳酸の生成を促す、漬物作りや発酵によって行われます。多くの化学反応はpHに依存しており、pHを調整することでその反応を防止または制御することが可能です。

水分活性とpH――組み合わせることでさらなる効果を発揮

水分活性とpHの影響は、ハードル技術を通じて組み合わせることで、微生物をより効果的に制御することができます。水分活性とpHの場合、両方のハードルを組み合わせた効果は、それぞれのハードルを単独で用いた場合の効果よりも大きくなります。これは、pHまたは水分活性のいずれか単独では通常安全とはみなされないレベルであっても、効果的な微生物制御が可能であることを意味します。  現在有効な2013年版食品コードには、表3および表4に示すpHと水分活性の相互作用表が含まれており、食品の安全性を確保するために時間・温度管理（TCS）が必要かどうかを判断するために利用できます。

表3は、微生物を死滅させるために加熱処理を施した後、包装された食品に適用されます。水分活性やpHの低下は、殺菌工程ではありません。  これらは微生物を死滅させるものではありません。単に、微生物が有害なレベルまで増殖するのを防ぐだけです。熱処理により、胞子形成菌を除くすべての微生物が死滅するため、より高い水分活性およびpH値で包装することが可能です。これらの条件下では、水分活性0.92、pH4.6以上であれば安全であるとみなされます。

「対話型表4」は、加熱処理されていない製品、あるいは加熱処理済みだが包装されていない製品に適用されます。通常、これらの製品が安全であるとみなされるためには、水分活度が0.88未満、またはpHが4.2未満である必要があります。ただし、水分活度とpHを組み合わせて考慮した場合、より高い値でも許容されることがあります。

表5は、一般的な食品の水分活性とpHを示しています。イチゴジャムは水分活性が非常に高いですが、pHはかなり低くなっています。クエン酸が含まれているため、水分活性は高いものの、pHが十分に低いため微生物の増殖が抑制されています。マスタードもpHが非常に低く、水分活性が高いという特徴があります。これらの製品は、水分活性ではなくpHのおかげで安全が保たれています。 メープルシロップは糖分が多いため、水分活性は低くなりますが、pHはほぼ中性です。この場合、安全性を確保するのはpHではなく、水分活性です。

図1からわかるように、水分活性とpHをプロットしても、両者の間に直接的な関係は見られません。pHを下げるために製品に酸を加えると、酸性物質は極性を持つ傾向があり、水と優先的に相互作用するため、水分活性にある程度の影響を与えます。しかし、基本的に、pHを下げても水分活性は直接的には低下しません。

水分活度の制御方法

製品の水分活度を下げる最も一般的な方法は、乾燥または加熱処理を行うことです（ただし、これを適切に行うには、まず製品の吸湿等温線を理解しておく必要があります）。また、塩、砂糖、高果糖コーンシロップ、ソルビトール、マルトデキストリンなどの保湿剤を添加することで、水分活度を調整することも可能です。

pHを調整する一般的な方法

pHを下げる最も一般的な方法は発酵です。 発酵は「善玉菌」が乳酸を生成することに依存しており、これにより製品のpHが低下し、他の微生物の増殖が抑制されます。ピクルス、ザワークラウト、発酵ソーセージ、オリーブなどはすべてこの手法を用いています。また、製品に酸（酢、乳酸、クエン酸）を直接加えることや、スパゲッティソースにトマトのような天然の酸味成分を加えることによっても、pHを調整することができます。

水分活性とpH――迅速かつ簡単な測定

水分活性とpHは、併せて測定する方がより効果的です。また、市販の水分活性計やpH計を使えば、どちらも簡単に測定できます。

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