水分活性とpH：製品安全のための相乗効果

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しかし、どちらの変数がより効果的な制御をもたらすのでしょうか？水分活性でしょうか？それともpHでしょうか？あるいはその両方の組み合わせでしょうか？本稿では、水分活性とpHとは何か、それらが単独で微生物学的安定性にどのような影響を与えるか、そして微生物汚染の抑制において、両者が組み合わさることでどのように相乗効果を発揮するかについて探っていきます。

最初のハードル：水分活性とは何か？

水活性とは、系内の水のエネルギー状態を表す指標である。熱力学第一法則からギブズ自由エネルギー方程式を導き出すことができ、この方程式はあらゆる物質（この場合は水）のエネルギーまたは化学ポテンシャルに関する情報を提供する。試料中の水活性はエネルギーポテンシャルと直接的な相関関係にあり、そのエネルギーポテンシャルは、水が気相へと移行しようとする傾向、すなわちフガシティと直接的な相関関係にある。

実用的な観点から言えば、製品の水分活度を求めるには、試料を密閉容器に入れ、試料から水蒸気が蒸発して容器上部のヘッドスペースに溜まるようにします。その水蒸気は容器内に圧力を生じさせ、これを測定して試料の分圧（P）として算出することができます。 次に、その数値を同じ温度における純水の蒸気圧で割ることで、試料中の最終的な水分活度を0（水分が全くない状態）から1（純水）のスケールで求めることができます。

水活性は水分含有量と関連はありますが、異なる測定値です。水分含有量は試料中に存在する水の量を定量的に示す指標であるのに対し、水活性は系内の水のエネルギー状態を定性的に示す指標です。試料中にどれだけの水が存在するかを知ることは有用ですが、微生物が利用できるのは、実際に利用可能な水に限られます。

なぜ水分活性が重要なのか

微生物はそれぞれ、増殖を停止する非常に特定の水分活度を持っています。これは、微生物の半透膜を通る水の自由な流れが阻害されることで生じる浸透圧ストレスによって引き起こされます。システムの水分活度をこの閾値以下に下げることで、微生物を休眠状態に導き、増殖を停止させることができます。これにより、下表に示すように、安定かつ安全な環境を実現できます：

ただし、水分活性は殺菌工程ではありません。それは単に微生物の増殖を防ぐに過ぎません。水分活性を低下させること、適正製造基準（GMP）の遵守、そして殺菌工程を組み合わせることこそが、製品から微生物を完全に除去し、それらが再侵入して増殖するのを防ぐ唯一の方法です。

製品中の水分活度の測定と追跡は、製品の安全性を確保するための優れた手段であり、適切なHACCP計画における管理点の検証としても有効です。安定した水分活度は、製造工程における一貫性を保証するものであり、加工工程が終了したことを示す良い指標となります。

2つ目の課題：pH

化学において、pHとは物質の相対的な酸性度（または塩基性度）を測定するための尺度です。pHは1から14までの尺度で表され、7は蒸留水の中性点となります。7より小さい数値は酸性度が高く（クエン酸、酢酸など）、7より大きい数値はアルカリ性または塩基性が高くなります（重曹、漂白剤など）。

pHを目視で測定する大まかな方法として、指示紙があります。指示紙は色が変わり、対応する色見本表を用いることで、その液体のpHを大まかに把握することができます。より正確な測定を行うには、分光光度計を用いた分光測定、あるいはpH電極を用いた電気化学的測定を行うことができます。

水分活度と同様に、pH値を指標として、さまざまな生物の最小増殖レベルを特定することができます。

最近、食品衛生基準の一部が改正され、従来の最低pH値4.6から、pH4.2まで低下しても増殖し続ける特に厄介な菌株も対象に含まれるようになった。

ハードル・テクノロジー：水分活性とpHの組み合わせ

水分活性やpH値のいずれか一つだけでも細菌の増殖を抑制することは可能ですが、その効果を組み合わせることで、「ハードル技術」と呼ばれる手法により、より効果的な微生物制御を実現できます。温度、水分活性、酸度、保存料など、さまざまな要因が微生物の増殖に影響を及ぼしますが、これらを組み合わせて「ハードル」を設けることで、その増殖を防ぐことができます。

場合によっては、成分間の相乗効果により、溶液全体の効果が各成分の合計を上回り、pHや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においても、効果的な制御が可能となります。以下の表は、水分活性レベルとpHレベルとの間のこの相互作用を示しています。

水活性とpHの値は、それぞれ単独で同じ結果を得る場合よりも、両方を組み合わせた方が低くなることに気づくでしょう。PAで示されているように、製品評価を行う必要があるのは、それぞれの値が最高レベルに達した場合に限られます。

水分活性とpH値を変える方法

では、製品中の水分活性をどのように制御すればよいのでしょうか。最も一般的な方法は、製品を乾燥または脱水させて水分活性を下げることです。水分が除去されるにつれて、水分活性は低下します。しかし、すべての製品で脱水が可能なわけではないため、そのような場合には保湿剤が用いられます。

保湿剤とは、食品中の水分含量を減らすことなく、利用可能な水分を結合させることで水分活度を低下させる物質のことです。最も一般的に使用されるのは、高果糖コーンシロップなどの糖類や塩です。その他にもソルビトール、マルトデキストリン、グリセリン、さらには一部のデンプンなどもありますが、これらの成分は溶解度が制限要因となります。

METER Groupでは、特定の水分活度レベルを達成するために必要な各保湿剤の量を算出するのに役立つツールを販売しています。これにより、添加剤とその効果を測定・試験するための良い出発点を得ることができます。

では、pH値はどのように調整するのでしょうか？一般的な方法は、さまざまな酸（酢酸、クエン酸、乳酸など）を加えることです。また、もともと酸味のある食材そのものを加える場合もあります。例えばスパゲッティソースの場合、トマトがソースのpH値を下げ、安定するほど十分に酸性を高めます。

pHを調整するもう一つの方法は、発酵プロセスを利用することです。特定の細菌が増殖し、その過程で乳酸が生成されます。これにより食品のpHが低下し、他の微生物の増殖が抑制されます。発酵食品の例としては、漬物、ザワークラウト、オリーブなどが挙げられます。

これらの要素は単独でも十分に機能しますが、組み合わせることでさらに高い効果が得られます。水分活性やpH値を管理ポイントとしたHACCP計画を策定し、定期的な検査を行うことで、製造プロセスの一貫性を確保し、ひいては製品の安全性を保証することができます。

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