水分含有量の測定：想像以上に複雑です

水分含有量とは、食品やその他の物質に含まれる水の割合のことで、その物質の湿重量または乾燥重量に対する割合として表されます。

材料に含まれる水分量は製品の品質や保存期間に影響を与えますが、水分含有量だけでは製品の安全性や安定性を予測するには不十分です。製品が安全か、あるいは安定しているかを判断するには、水分活性についても把握する必要があります。

水分含有量とは何ですか？

水分含有量とは、単に物質に含まれる水の量のことです。これは、物質の総重量に対する割合（湿重量基準）または乾燥物質に対する割合（乾燥重量基準）として表されます。

どちらの方法も同一の試料を測定するものの、基準重量が異なるため、結果に違いが生じます。湿重量の場合、基準重量は総重量（水分＋乾物）となります。一方、乾重量の場合、基準重量は乾物のみとなります。つまり、乾重量の値は常に湿重量の値よりも高くなります。

食品において、水分含有量は食感、重量、粘度、外観、および微生物による腐敗への感受性に影響を与えます。水分は通常、食品の中で最も多く含まれる成分であり、食品組成における主要な変数となっています。

含水率の測定方法

水分含有量は通常、以下の3つの主要な方法のいずれかを用いて測定されます：

• 乾燥減量（熱重量分析法とも呼ばれる）
• 近赤外分光法（NIR）
• カール・フィッシャー滴定

各手法は異なる原理に基づいており、それぞれ異なる種類の試料に適しています。

1. 乾燥減量

この方法は、乾燥前後の試料の重量を測定することで行われます。試料は、質量が一定になるまで設定温度で乾燥させます。水分含有量は、乾燥中に失われた重量を計算することで求められます。

乾燥減量法は、固体および半固体の水分含有量を測定するための一般的な分析法である。AOAC規格930.15、935.29、950.46、984.25などに記載されているオーブン法は、必要な設備が最小限で済むため、食品の水分測定において最も広く用いられている方法である。

オーブン法における欠点の一つは、試料を乾燥させるために用いる熱によって、短鎖脂肪酸やアルコールなどの他の揮発性化合物が揮発してしまう可能性があることです。つまり、オーブン法では、一部の試料において水分含有量が過大評価されてしまうことがあります。

水分分析装置（水分天秤とも呼ばれる）は、乾燥による重量減少を自動的に測定・記録する、オーブン法の近代版である。操作が簡単で迅速であり、別途計量機器を必要としないため、品質管理の現場で広く利用されている。

2. 近赤外分光法

近赤外分光法は、物質が近赤外スペクトル領域の光をどのように吸収・反射するかに基づいて、その組成を特定する手法です。水は近赤外光を特有のパターンで吸収するため、近赤外分光法を用いることで、水分含有量を迅速に推定することができます。

水分測定におけるNIRの主な利点は、測定速度の速さ（数秒で結果が得られること）、非破壊検査である点、そして製造工程中のインラインまたはアットラインでの導入が容易である点です。

NIRは間接的な測定法であり、既知のサンプルを用いて学習させた統計モデルに基づいて水分含有量を推定します。その精度は、校正モデルの品質と妥当性に左右されます。NIRシステムは、日常的な運用に導入する前に、各製品の種類ごとに校正を行い、一次測定法との照合による検証を行う必要があります。

3. カール・フィッシャー滴定

カール・フィッシャー滴定は、ごく微量の水であっても直接かつ特異的に測定できる化学的方法です。オーブン法とは異なり、他の揮発性化合物の存在による影響を受けません。

カール・フィッシャー滴定法は、医薬品製造（USP 921に準拠）を含む多くの産業において、水分含有量の測定における標準的な方法となっています。この方法は、高い精度が求められる製品や、オーブン乾燥では精度が得られない、あるいは実用的でない場合に特に適しています。

水分含有量の計算式

使用する計算式は、報告する基準（湿式または乾式）によって異なります。

湿基水分含有量の計算式

湿潤基準水分率（%）＝【（湿重量－乾重量）÷ 湿重量】× 100

湿基は、食品や農業の分野でより一般的に用いられます。これは、水分の含有量を、原料の受入時の重量に対する割合として表すためです。また、「現状水分」と呼ばれることもあります。

乾物基準の水分含有率の計算式

乾燥基準水分率（%）＝【（湿重量－乾燥重量）÷ 乾燥重量】× 100

乾燥基準の水分含有率は、研究分野や穀物・飼料業界などで一般的であり、これらは異なる水分含有率のサンプルを比較する必要がある分野です。乾燥基準で報告する場合、数値が100%を超えることがあるため、時に混乱を招くことがあります。

より正確な水分分析

含水率の測定は、材料の特性を把握するための有用な第一歩です。しかし、含水率だけでは、その水分が微生物の増殖を助長したり、品質を低下させる反応を引き起こしたりする余地があるかどうかは判断できません。

そのためには、水分活性の測定が必要です。

水分活性（aw）は、材料中の水のエネルギー状態、すなわちその水が反応物や溶媒としてどの程度利用可能であるかを示します。同じ水分含有量を持つ製品でも、水分活性は大きく異なる場合があり、水分活性の違いは、腐敗リスクや保存期間の挙動の違いにつながります。

製品中の水分を完全に把握するには、水分含有量と水分活度の両方を測定する必要があります。これらを組み合わせることで、水分の量と利用可能性の両方が明らかになり、配合、加工、包装、および保存期間について、十分な情報に基づいた判断を下すことができます。

よくある質問

水分含有量とは何ですか？

水分含有量とは、物質に含まれる水の割合のことで、総重量（湿重量基準）または乾燥重量（乾燥重量基準）に対する割合として表されます。これは、どの程度の水分が含まれているかを示しますが、その水分が腐敗や品質問題を引き起こす可能性のある遊離水であるかどうかは示しません。

食品における水分含有量と水分量は同じものですか？

食品科学の分野では、これらの用語は互換的に使用されています。どちらも、物質中の水分含有率（重量比）を表すものです。重要な違いは、両者の用語そのものではなく、表示の基準にあります。すなわち、「湿重量基準」では水分を総重量に対する割合として表すのに対し、「乾重量基準」では水分を乾物量に対する割合として表します。

食品が常温保存可能となる水分含有量はどの程度ですか？

保存安定性に関して、信頼できる水分含有量の閾値は存在しません。なぜなら、同じ水分含有量であっても、水が糖類、塩類、あるいはタンパク質にどれほど強く結合しているかによって、水活性が大幅に異なる場合があるからです。微生物の増殖、腐敗、あるいは食感の劣化が発生するかどうかを予測する指標となるのは、水分含有量ではなく、水活性です。

異なる測定方法を使用している2つのサプライヤーの含水率値を比較することは可能ですか？

必ずしもそうとは限りません。なぜなら、測定方法によって測定対象が異なり、検証済みの換算係数がなければ互換性がないからです。たとえ両方の供給業者が直接法を採用していたとしても、一方が空気乾燥法を用い、もう一方がカール・フィッシャー法を用いる場合、同じ製品であっても結果には体系的な違いが生じます。

食品の微生物学的安全性は、水分含有量だけで決まるのでしょうか？

いいえ、水分含有量だけでは、溶質に強く結合している水と、微生物の増殖を助長する遊離水とを区別できないからです。微生物リスクを判断する指標となるのは水分活性であり、FSMAのような食品安全規制は、この水分活性を基に策定されています。