水分含有量の測定：想像以上に複雑です

製品の安全性や品質に関する情報を提供する水分活度は、水分含有量の測定よりも複雑であると考えられがちです。しかし、正確かつ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、水分含有率（MC）の測定は簡単です。製品に含まれる水分の量を測定し、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となる場合があります。

その理由は次のとおりです。

食品中の水分含有量は、湿重量ベースまたは乾燥重量ベースで表示されます

こうした異なる表示方法は、混乱を招くことがあります。湿重量ベースの場合、水分量は試料の総重量（固形分と水分の合計）で割って算出されます。乾燥重量ベースの場合、水分量は乾燥重量（固形分のみ）で割って算出されます。

残念ながら、含水率は多くの場合、どの測定法を用いたかという説明なしに、単にパーセンテージで報告されることがよくあります。湿基と乾基の換算自体は簡単ですが、異なる基準で報告された含水率を比較する際には、混乱や問題が生じる可能性があります。

さらに、乾燥基準で報告された含水率は、実際には100%を超える数値となる場合があり、かえって混乱を招く恐れがあります。

水分測定法は数え切れないほどあるため、それらの比較はほぼ不可能である

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、直接測定法と間接測定法に分類されます。

直接法では、試料から水分を除去（乾燥、蒸留、抽出など）した後、天秤測定や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、測定が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、赤外吸収、近赤外吸収、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。

水分含有量の測定をさらに複雑にしているのは、測定方法によって結果が必ずしも一致するとは限らないこと、そして水分含有量の数値とともに測定方法が報告されることはあまり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。加熱を伴う方法（例えば、乾燥減量法）では、特に糖分を多く含む試料の場合、有機揮発成分が失われたり、試料が分解したりする可能性があります。例えば、試料に有機揮発成分が含まれている場合や、乾燥中に試料が分解した場合、揮発成分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ります。

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。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。まず試料の重量を測定し、記録します。次に、試料をオーブンに移して乾燥させ、乾燥後の重量を測定します。水分量は、初期重量から乾燥後の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、その水分量を乾燥後の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る。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だ。その代わり、各試料ごとに、再現性のある恣意的な乾燥状態を確立しなければならない。

「乾燥」とは、しばしば減量が止まる時点と定義されます。しかし、熱重量分析のグラフを見ると、減量が頭打ちになる温度は製品によって異なることがわかります。また、製品によっては「乾燥」に至るまでの所要時間も異なり、ある製品で「乾燥」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ります。

つまり、サンプルごとに最適なオーブン温度と乾燥時間が異なります。一部の製品については、文献にこの最適な時間・温度の組み合わせが記載されていますが、記載されていない製品も数多くあります。試験実績のない製品については、どの組み合わせを採用すべきか判断が難しい場合があります。異なる時間・温度の組み合わせを使用した場合は、得られた含水率を比較すべきではありません。

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。

乾燥減量法に限って言えば、その他の変動要因として、オーブンの蒸気圧、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、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ものと受け入れられてしまう。さらに、含水率測定法同士を比較する際、その一つが乾燥減量法である場合、常に乾燥減量法による測定値が正しいとみなされる。

水分含有量の測定

「乾燥状態」を明確に定義することで、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」を定義する最良の方法は、オーブン乾燥時の水分活度レベルを特定することです。そして、乾燥重量とは、試料がこのオーブン乾燥時の水分活度レベルに達した時点での重量を指します。

一般的な周囲条件である25 °C、相対湿度30%の下では、オーブン内の水蒸気圧が外気と同じであると仮定した場合、95 °Cに設定されたオーブン内部では、オーブン乾燥状態における水分活度が0.01 awとなる。 周囲の条件にかかわらず、常に0.01 awのオーブン乾燥水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、その製品は乾燥したとみなすことができる。その水活度は0.01 awとなり、その重量は乾燥重量となる。

オーブン内の水活性を0.01 awに維持する限り、揮発性成分の放出を防ぐために、オーブンの蒸気圧と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ばらつき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、収量や生産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、水分含有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、テクスチャー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測定することは困難であり、測定方法に関する情報がなければ、その測定値をそのまま鵜呑みにすることはできません。

製品に含まれる水分量を用いて、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といった要素を暗示しようとする場合、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る必要があります。さらに、吸湿等温線を活用することで、最適な保存期間、食感、安全性、品質を実現し、維持できる条件を特定することができます。