水分含有量と水分活性：適切な測定方法の選択

水分含有量入門：水分含有量とは何か、そしてどのように活用されるのか？

水は至る所に存在します。私たちが口にする食べ物、呼吸する空気、そして身の回りの物にも含まれており、これらすべての物理的特性に大きな影響を与えています。大工から石油科学者まで、あらゆる分野の専門家が「この材料にはどれだけの水分が含まれているのか」と知りたがるのも不思議ではありません。

これは単純な質問です。単純な答えがあるように思えます。しかし残念ながら、明確で正確な答えを得ることは非常に困難です。

（課題は数多くありますが）最大の課題は、材料の他の成分を無視して水分だけを測定しようとする点にあります。一度材料内部に水が浸透してしまうと、簡単には排出されないことが多く、そのため水分を除去して測定することが困難になります。また、材料から取り出さずに水分を測定するといった他の方法にも、さまざまな課題が伴います。

どの測定方法を選ぶかは、必要な精度と、どこまで妥協できるかという2つの要素にかかっています。

• もしあなたが、石油やプラスチック中に含まれるごく微量の水分を研究している石油科学者なら、滴定に必要な時間（と費用）を惜しまないかもしれません。
• 現場で大工や施工業者として、木材が適しているかどうかを判断しようとしている場合、実験室レベルの精度よりも、手持ちの小型機器で簡単に含水率を概算できる利便性を優先したいと思うかもしれません。
• 食品や大麻の生産に携わっている場合、その中間の方法、例えば「乾燥減量法」のような、妥当な時間内で比較的高い精度で測定できる手法が適しているかもしれません。

上記の例は、水分含有量測定の用途のすべてを網羅しているわけではありませんが、業界を問わず、その利点と欠点は似通っています。どの測定法を選択する場合でも、水分含有量から何が分かるか、何が分からないかについて、多くの誤解があることに注意してください。覚えておくべき簡単なルールとして、水分含有量は「量」の測定値であるということです。

例えば、水分含有量は収量を測る上で重要な指標となります。多くの製品は重量で販売されるため、水は安価（かつ重い）な成分であることから、水分含有量を測定・管理することは、利益に極めて大きな影響を与える可能性があります。

水分含有量は、テクスチャーに関する情報も提供します。なぜなら、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からです。

水分含有量からは何がわからないのでしょうか？ それは、均一性、微生物学的安全性、水分の移動、栄養素の劣化といった「品質」に関する指標については、ほとんど何も教えてくれません。こうした重要な要素については、別の指標である「水分活性」で評価するほうが適切です。

水分活性入門：水分活性（Aw）とは何か、そしてどのように活用されるのか？

物質に含まれる水分量だけでは、水が製品に与える影響を完全に把握することはできません。そこが、水分活性の真価が発揮される点です。

水活性をあまり深く掘り下げすぎると、非常に複雑な概念のように思えてしまうかもしれません。幸いなことに、その仕組みを証明する熱力学や難解な数式を知る必要はありません。ほとんどの人にとっては、以下の基本的な原則を理解していれば十分です。

1. 水分活性とは、水がどれほど活発で利用可能な状態にあるかを示す指標です。物質によっては 、大量の水分を含んでいるものの、その水分が分子間結合によって固定されている場合があります。そのため、水分が外部に漏れ出たり、周囲の環境と相互作用したりする能力は低くなります。このような状態は、たとえ大量の水分が存在していても、「低水分活性」と呼ばれます。その逆のケースもあります。つまり、水分含有量は非常に少ないものの、その水分が極めて利用しやすい状態にある物質もあるのです。
2. 水は平衡状態を求めます。 乾燥した気候の中で柔らかいクッキーを屋外に放置すると 、水活性の低い周囲の空気が、水活性の高いクッキーから水分を引き抜こうとし、平衡状態を作ろうとします。一方、同じ水活性を持つ2つの物質――例えば、ケーキとその表面を覆うアイシング――の間では、水分が相互に交換されることはありません。つまり、水活性は、水がどの方向へ移動しようとしているかを示す指標となるのです。
3. 水のエネルギーレベルは、多くの重要な予測の根拠となります。例えば、 ある物質上でどの微生物が繁殖するか、時間の経過とともにその質感がどのように変化するか、いつ分解するか、他の物質とどのように反応するかなど、その例は枚挙にいとまがありません。

水分活性はいくつかの方法で測定可能ですが、最も一般的なのは静電容量式センサーと冷却ミラー式装置の2つです。静電容量式センサーは比較的安価ですが、その代償として精度や正確性に欠ける傾向があります。一方、冷却ミラー式装置はより高精度であり、一般的に食品業界の標準とされています。その他、よりニッチな方法としては、抵抗式電解センサーや波長可変ダイオードレーザーなどがあります。

水分含有量とは異なり、水分活性は物質や製品の「量」ではなく、「品質」と「安全性」の管理において最も有用です。そのため、食品、医薬品、および大麻産業において広く採用されています。

どちらを使うべきでしょうか？

それは、何を達成しようとしているかによります。どちらの測定方法が他方よりも優れているというわけではありません。これらは全く異なる概念を測定するものであり、それぞれの環境において大きなメリットをもたらします。

利益を最大化するために製品の適正重量を正確に把握したいなら、水分含有量が重要な指標となります。スナック菓子を店頭に並べて数ヶ月間サクサク・カリカリの状態を保ちたい場合や、スナックケーキの中にゼリーを詰め込んでもケーキがベチャベチャにならないようにしたい場合は、水分活性を基準に選定してください。‍

これら2つの測定値の科学的背景についてさらに詳しく知りたい方は、当社のナレッジベースをご覧ください —>

水分含有量は食感に影響を与えるため、量と質の両方を把握するには水分含有量だけを測定すれば十分だと主張する人もいるかもしれません。しかし、実際にその方法を試してみると、水分含有量だけを用いて微生物の増殖やその他の品質関連の問題を管理することは非効率的であり、ほぼ不可能であることがすぐにわかるでしょう。

吸湿等温線：含水率と水分活性の相互関係

水分活性と水分含有量は、それぞれ単独でも有用ですが、この2つを結びつけることで、水分に関連する数多くの謎を解き明かす具体的な方法が明らかになります。

「水分マップ」とも呼ばれる水分吸着等温線は、一定温度に保たれた材料から水分が吸着・脱着されるにつれて、水分含有量と水分活度がどのように変化するかをグラフ化したものです。

もっと簡単に言えば、等温線図は、同じグラフ上で含水率と水分活度の両方の変化を示すものである。

物質ごとに等温線が異なり、含水率と水分活性の関係は直線的ではなく、複雑で予測困難なものになりがちです。もっとも、それを等温線上にプロットして見れば話は別ですが。

かつては、等温線は実用性に乏しいものでした。なぜなら、1枚のグラフを作成するのに1か月以上もの実験作業を要したからです。そのプロセスでは、試料を乾燥器に入れ、1つのデータポイントを得るために数日あるいは数週間にわたり繰り返し計量する必要がありました。しかし、新しい技術によってこのプロセスが自動化され、等温線はより身近で実用的なものとなりました。

今日では、食品業界において、固結や塊の発生、食感の劣化といった変化が生じる正確なレベルを特定したり、配合変更に対する製品の反応を予測したり、賞味期限を見積もったりするなど、多岐にわたる用途で頻繁に利用されています。また、木材、建築資材、繊維製品の分析にも広く活用されています。

自分なりの結論を出す

水分含有量と水分活性には、それぞれ異なる特徴があります。これらを等温線として併せて可視化することで、単独で見るよりも有益な知見が得られます。

多くの場合、どちらの測定方法も万能というわけではありません。すべては用途次第です。最終的な判断はユーザー次第です。

どの製品がご自身に合っているか、あるいはどのような楽器が必要かお悩みの方は、ぜひお問い合わせください。当社の専門家が、皆様からのご連絡を心よりお待ちしております。

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