水分活性の力を理解する

水分活性は、多くの人にとって直感的に理解しにくい概念です。しかし、一度理解すれば、食品中の水分をコントロールする力が手に入ります。微生物の増殖を防ぐことは、その第一歩に過ぎません。

この20分間のウェビナーで、ウォーターアクティビティの要点をまとめて学びましょう。以下の内容をご紹介します：

• ウォーターアクティビティとは
• 水分含有量との違い
• なぜ微生物の増殖を抑制するのか
• 水分活度の理解が、製品の水分管理にどのように役立つか。

司会者

メアリー・ギャロウェイは、AQUALABの研究開発部門で8年間、主任研究員を務めています。彼女は、水分活度を測定する機器の使用と試験、およびそれが物理的特性に及ぼす影響の分析を専門としています。これまで多くの顧客と協力して、水分に関連する製品の問題を解決してきましたが、その過程で「水分活度とは何ですか？」という質問に答える機会も頻繁にあります。

水分活性入門

食品メーカーは、どのようにしてレーズンの柔らかな食感やブランフレークのサクサク感を維持し、固まりや塊の発生を防ぎ、あるいは製品が腐敗しやすいかどうかを判断しているのでしょうか？これらの課題はすべて、水分活度によって制御されています。水分活度の仕組みを理解すれば、消費者に好まれる製品を開発できるだけでなく、保管中に起こりうる問題を予測し、未然に防ぐことも可能になります。

水分活性の定義

熱力学の原理：

• エネルギーは、プロセスが進行するための原動力である
• エネルギーが増えれば、より多くのプロセスや作業（すなわち、機械的、熱的、化学的）を行うことができる
• 高エネルギー状態は、より安定した状態になるために、低エネルギー状態へと移行しようとする

水分活性（aw）とは、系内の水のエネルギー状態を表す指標です。これは熱力学の原理に基づくものであり、熱力学の法則に従います。水分活性が高いほどエネルギーが高く、微生物の増殖、水分の移動、あるいは化学的・物理的反応など、水はより多くの仕事を行うことができます。水分活性の違いによって、水分がどのように移動するかが決まります（これは濃度ではなく、エネルギーの観点からの話です）。 水活性が高い水は、水活性が低い水よりも多くのエネルギーを持っています。水はどのようにしてエネルギー状態を下げ、より安定した状態になるのでしょうか？それは、水活性が低い場所へと移動することです。

エネルギー系において、ギブズ自由エネルギー式（式1）を応用することで、特定の温度における系内の水の活度を求めることができます。系内の水のエネルギーは、純水のエネルギー（𝜇o）に、気体定数（R）と温度定数（T）の積、およびフガシティの自然対数を加えたものに等しくなります。 この式において、水のエネルギーを決定する唯一の変数は、fugacityであることに注意されたい。

フガシティとは何ですか？

フガシティ（f/f0）とは、物質が逃げ出そうとする傾向、あるいは試料からどの程度の蒸気が逃げ出せるかを示す指標である。

• f/f0 = p/p0
• p/p0 = 𝓧 °Cにおける試料上の水の蒸気圧 / 𝓧 °Cにおける純水の蒸気圧
• p/p0 = aw

フガシティは、分圧、すなわち特定の温度における試料上の水の蒸気圧を、同じ温度における純水の蒸気圧で割った値によって測定されます。そして、相対蒸気圧（分圧蒸気圧と呼ばれることもあります）は、まさに水分活性そのものです。したがって、試料の分圧蒸気圧を測定すれば、水分活性を算出することができます。

図1は、蒸気圧とは何かを示しています。左側の容器には食品の試料が入っています。 食品のサンプルから水分子がサンプル外へ逃げ出し、容器内の空間（ヘッドスペース）に充満します。これらの分子は、密閉された容器内に特定の圧力を生み出します。この圧力は、右側の容器で示されているように、純水によって生み出される圧力と比較されます。水活性は2つの圧力の比であるため、単位を持たず、0（エネルギーなし）から1（純水と同じエネルギー）までの尺度で測定されます。

圧力には平衡状態が保たれる必要があり、温度と圧力は一定でなければならないという点に留意することが重要です。25℃での水分活性は、35℃での水分活性とは異なります。一般的に、25℃での値は35℃での値よりも高くなります。したがって、ある日は25℃で測定し、翌日は異なる温度で測定した場合、水分活性は同じにはなりません。なぜなら、水分活性は温度が一定であることを前提としているからです。

水分含有量の定義

主な測定法：乾燥減量法（式2）

主な方法：滴定（式3）

エネルギー状態である水分活度とは異なり、水分含有量は水の質的な指標、すなわち水の量を示すものです。これは反応の原動力ではありません。食感には影響を及ぼしますが、製品における反応や変化の原動力となるものではありません。これを測定するには、主に2つの方法があります。

乾燥減量： 乾燥減量は、試料の湿重量から乾燥重量を差し引き、その値を乾燥基準の場合は乾燥重量で、湿基準の場合は湿重量で除算し、その結果に100を掛けて百分率を算出します。基準によって答えが異なるため、どちらの基準を使用しているかを知ることが重要です。これは、異なる重量で除算を行うためです。残念ながら、乾燥減量では基準が明記されていないことがよくあります。 通常は単に水分含有率（％）として表記されるだけです。METERでは、乾燥基準では現実にはあり得ない負の水分含有率となる可能性があるため、湿潤基準を採用しています。乾燥減量法のもう一つの問題は、水以外の物質（アルコールやその他の揮発性物質など）が蒸発してしまうことで、結果として水分含有率が高くなってしまう点です。

滴定：（カール・フィッシャー法とも呼ばれる）これは、水、ヨウ素、および一部の溶媒を用いた化学反応である。反応は水が無くなるまで続き、その時点で溶液の電気伝導度が変化する。この伝導度を測定し、それを基に水分含有率を算出する。 この方法には潜在的な問題があり、その一つは、水分のすべてが溶解して反応可能な状態にならなければならないという点です。製品が液体でない場合、これは困難になる可能性があります。 これを実現するにはどの溶媒を使用すべきかを知る必要がありますが、万能な溶媒は存在しません。多くの種類の試料に対応できる主要な溶媒はありますが、すべての試料に対して有効というわけではありません。また、溶媒との間で副反応が起こり、測定結果に影響を与える可能性があります。

水分含有量を測定する際の問題の一つは、基準が存在しないことです。比較対象となる「本質的な水分含有量がXである」という基準となるものが何もないのです。水分含有率の値は得られますが、それが正確かどうかは分かりません。

水分活性の実演

クッキーとハチミツの水分含有量を比較すると、ハチミツの方が水分含有量が高いと予想されるでしょう。実際、ハチミツの水分含有量は18％、クッキーは5％です。 しかし、これら2つの製品の水分活度は同じ（0.60aw）です。つまり、クッキーをハチミツに1週間浸しても、クッキーは柔らかくなりません。なぜでしょうか？ 反応（この場合は水分の移動）の原動力となるのは、水分含有量ではなく水分活性だからです。エネルギー（つまり水分活性）が同じであるため、何も起こらないのです。

水分活性および水分含有量の測定

水分活性と水分含有量の両方に用途があります（表2）。 水分活性は、保存上の問題を予測・防止する上でより正確な方法ですが、水分含有量は食感に影響を与える点に留意してください。求める製品の種類によっては、水分含有量を利用して食感を改善することも可能です。また、表示要件において重要な成分濃度や栄養成分を決定するためにも利用できます。さらに、製品に水分含有量の制限がある場合（例えばペットフードの10%など）、製品が基準を満たしているかどうかを確認するためには、水分含有量を測定する必要があります。

吸湿等温線

製品ごとに、水分活性と水分含有量の関係はそれぞれ異なります。図2は、当社が試験した製品における水分活性と水分含有量の関係を示しています。これらはすべて全く異なり、各グラフの形状もそれぞれ異なります。

水分活性と水分含有量の関係は「吸湿等温線」と呼ばれ、これを利用して臨界水分活性を決定することができます。これは、吸湿特性が物理的に変化し、より多くの水分を取り込めるようになる点です。臨界水分活性は、曲線の傾きの変化によって決定されます。傾きが変化する水分活性において、製品の食感が変化したり、その他の反応が生じたりします。

ある配合と別の配合の等温線を比較することで、配合が及ぼす影響を判断することができます。 例えば、乾燥原料の混合をモデル化することで、2つの新しい原料を混合した際の水分活度を予測できます。また、温度管理の不備による影響を評価することも可能です。製品が高温のトラックや倉庫で輸送・保管された場合、小売店に到着した時点で製品にどのような変化が生じるでしょうか？異なる温度で等温線を測定し、その影響を予測することができます。等温線は、保存期間の予測においても不可欠なものです。

微生物の増殖

微生物は成長するために水を必要とし、周囲から水分を摂取します。生物が、その内部よりも低い水分活度環境に囲まれている場合、浸透圧ストレスを受けます。図3では、細胞内の水分活度は0.95 awです。 細胞の外側の水活性は0.90 awである。水活性が高い状態は低い状態へと移行しようとするため、細胞内の水分は外へ移動し、その結果、細胞は膨圧を失う。細胞は、代謝プロセスを変化させて内部の水活性を低下させることで、この状況に適応しようとする。もし環境と一致させることができれば、細胞は成長や繁殖に必要な水分やエネルギーを確保できる。

しかし、もし環境に適応できなければどうなるだろうか。図3にある別の細胞は、水分活度が0.93であるにもかかわらず、0.90という環境条件に適応できていない。この場合、その細胞が成長・増殖するためのエネルギーが不足しているため、休眠状態に入る。

微生物がどの程度適応し、水分活度を低下させることができるかによって、その微生物の水分活度限界が決まります。1950年代、ウィリアム・ジェームズ・スコット博士は、微生物にはそれ以下では増殖しない水分活度の閾値が存在することを示しました（表3）。微生物ごとに増殖を阻害する特定の水分活度があり、その限界値を下回る環境では増殖することができません。

表3によると、サルモネラ菌の水分活性限界値は0.95である。これは、製品の水分活性が0.95であり、pH、温度、栄養分などの条件が理想的であり、競合する微生物が存在しない場合、サルモネラ菌は増殖できないことを意味する。 これらの条件のいずれかが変化したり、微生物の増殖にとって理想的でない状態になった場合、限界水分活度は上昇する可能性があります。細菌はこの限界値よりも高い水分活度では増殖できますが、それよりも低い水分活度では決して増殖できません。また、細菌が存在するマトリックスがクッキー、粉末、ペットフードのいずれであっても、その限界値以下では増殖しません。

なお、水分活性は殺菌工程や細菌の除去を目的としたものではありません。これは微生物の増殖を防ぐための管理工程であり、製品は安全ですが無菌状態ではないことを意味します。細菌は依然として存在しています。もしこれらの食品が、許容限度を超える高い水分活性環境に置かれた場合、細菌が増殖する可能性があります。これは潜在的な問題ですが、水分活性を十分に低く保つように配合すれば、問題はありません。

表3からも、好気性ブドウ球菌の最小水分活度は0.86であることがわかります。つまり、水分活度が0.86を超える食品はすべて、潜在的に有害な食品とみなされます。これらの細菌が増殖し始めると、人々に病気を引き起こすため、その水分活度を超える食品は潜在的に有害であると見なされます。水分活度が0.85未満であれば、そのような事態は起こり得ないという基準となります。

表4は、カビや酵母を含むさまざまな微生物の水分活性の全範囲を示したグラフです。また、各水分活性範囲に見られる代表的な食品も示されています。 0.85以上の範囲には、潜在的に有害な食品が含まれていることにご留意ください。カビの水分活性の下限はより低いですが、一般的に腐敗に関与するカビは0.7以上です。0.6未満では、いかなる微生物も増殖しません。この情報を活用することで、潜在的な危険性や腐敗性カビの影響を受けにくい製品を製造することができます。

水活度の実例

カビの発生を防ぐ

ある生産者は、ピーカンナッツを水分含有量4%まで乾燥させた。彼は、4%という数値が微生物の増殖を防ぐのに十分な乾燥度であるかどうか確信が持てなかったが、これまでの経験上、この基準値で問題が生じたことは一度もなかった。もし彼が水分吸着等温線を参照して水分活度と水分含有量の関係を確認すれば、彼のピーカンナッツにおける水分活度0.68が、水分含有量4%に対応していることがわかるだろう。 0.68は、カビの増殖における微生物の限界値を下回っています。したがって、水分活度が0.68に保たれていれば、4%の水分含有量でカビの発生を防ぐのに十分です。

しかし、その生産者の製品にはカビが生えてしまった。なぜだろうか？

彼の水分含有量の測定精度は、0.5%程度にとどまっていた。測定値が4%と出たピーカンナッツは、実際には4.5%に近い状態であり、これは水分活性がカビの発生許容限界を超えていることを意味していた。ピーカンナッツの水分含有量は3.5%から4.5%の間で変動する可能性があり、生産者にはその実態が全く把握できないため、水分含有量は適切な品質基準とはなり得なかった。

ピーカンナッツ生産者の水分含有量が3.5%から4.5%の間で変動すると、ピーカンナッツがカビに侵されやすくなるだけでなく、利益も減少する可能性があります。 水分含有率が低いと、ナッツの品質が低下（硬くなる）し、1袋あたりの収量が増える（詰め過ぎ）ことになります。しかし、より正確な水分活度基準を使用していれば、これらの問題を両方とも防ぐことができたはずです。水分活度0.68の基準を使用すれば、水分含有率を正確に4%に保つことができたでしょう。

固まりや塊の発生を予測する

ある乾燥スープの製造業者は、混合物の水分含有量を3%に調整しました。その後、その混合物に加えるために新しい唐辛子を受け取りましたが、これも水分含有量は3%でした。しかし、この2つの材料を混ぜ合わせたところ、バッチ全体が固まってしまいました。一体何が起きたのでしょうか？水分含有量は同じであっても、水分活性が異なっていたのです。

スープのミックスは0.28 awでしたが、唐辛子の水分活性は0.69 awであり、これはスープの臨界水分活性を上回っていました。水分活性が高いものは常に低いものへと移動するため、唐辛子からスープへと水分が移動し、混合物が固まってしまいました。 もし製造業者がペッパーをスープに加える前に水分活度を測定していれば、0.69 awがスープの臨界値を上回っていることを知っていたため、固まりや塊の発生を予測できたはずである。仕入れ原料の水分活度を追跡することで、製造業者はサプライヤーの品質を監視し、臨界水分活度を下回る受入基準を設定することが可能となる。この情報を活用することで、仕入れ原料の品質を安定させることができる。

成功への道筋を立てる

水分活性は製品の配合においても極めて重要です。スナックケーキを製造し、アイシング、クリームフィリング、ケーキの各成分について等温線を測定した場合、各成分において水分活性と水分含有量の関係が異なることがわかります。それぞれの曲線は異なる形状をしています（図4）。

水分活性が0.7をわずかに下回る値（縦線）では、各原料の水分含有量はそれぞれ異なります。アイシングは5％、クリームフィリングは15％近く、ケーキ本体は20％です。これらの異なる水分含有量により、お客様がスナックケーキを口にした際に、それぞれ異なる食感が生まれます。 各原料をこの正確な水分活性に調整すれば、各成分はその水分含有量と食感を維持します。すべての成分の水分活性が同じであるため、水分が成分間で移動することはありません。

過剰包装を減らし、利益を増やす

あるペットフードメーカーは、これまでその規格で腐敗が発生したことがなかったため、水分含有量を6.5%に設定して製造していました。同社は等温線を測定したところ、水分含有量6.5%の時点で製品の水分活度が0.4であることが判明し、これはあらゆる微生物の許容限度を大幅に下回る値でした。 しかし、その水分含有率の基準は低すぎたのだろうか？ペットフードの水分含有率の上限は10％と定められているため、水分含有率と水分活度を安全に高めて、利益率を向上させ、食感を改善することも可能だったはずだ。

等温線データを用いて臨界水分活度の限界値を特定し、保存期間の計算を行った後、このペットフードメーカーは、水分活度0.6（水分含有率9.5％に相当）という新たな規格を設定しました。 これらの値はいずれも、安全性および規制上の基準範囲内でした。水活性と水分含有量の基準値を上げることで、同社は原材料コストを削減しました。同じ量のペットフードを製造するために使用する原材料の量を減らし、実質的にそれらの原材料を水で置き換えたのです。また、オーブンでの加熱時間が短縮されたため、電力と熱の消費も削減されました。さらに、水分含有量が高くなったことで製品の品質も向上しました。水活性を理解することで、このメーカーは品質や安全性を損なうことなく、一貫して利益を向上させることができたのです。

化学的・生化学的安定性を高める

水分活性は、食品や医薬品において起こるさまざまな化学反応の反応速度に影響を与える可能性があります。

図5はテッド・ラブザ博士が作成したグラフで、水活度が0.6付近になるとほとんどの反応速度が増加することを示しています。このグラフは、細菌、酵母、カビが繁殖する範囲を示しています。 また、酵素活性が高まる範囲も示しています。褐変反応は0.6付近でピークに達した後、その時点ではマトリックス内の水分量が増加し、反応が希釈されるため、減少します。脂質酸化は特異な傾向を示し、低水分活性で高くなり、高水分活性でも再び高くなります。興味深いことに、0.3～0.4の水分活性範囲ではより安定しており、これは脂肪や油を多く含むポテトチップスなどの製品にとって重要な点です。

なぜ水分活性が必要なのか

水分活性とは、系内における水のエネルギーを指します。これは定性的な指標であり、製品そのものに内在する性質です。微生物の増殖、水分の移動、あるいは物理的・化学的変化といった現象を引き起こす原動力となります。一方、水分含有量は単に水の量を示すに過ぎません。これは原動力ではないため、水がどのような作用を及ぼすかを示すものではなく、単にどの程度の量が存在するかを示すだけです。

水分活性は、微生物の増殖を抑制し、物理的・化学的安定性を維持し、製品の配合を行い、保存期間を予測するための適切な指標です。

参考文献

Labuza, Ted P., K. Acott, S. R. TatiNl, R. Y. Lee, Jv Flink, および W. McCall. 「水分活性の測定：さまざまな手法に関する共同研究」『Journal of Food Science』41巻4号（1976年）：910-917頁。

スコット, W. J. 「食品腐敗微生物の水関係」『食品研究の進展』第7巻、83-127頁。アカデミック・プレス、1957年。

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