食品の安全性と品質における水分活性

水分含有量20%のクラッカーと、30%のチーズフィリングを混ぜ合わせます。これではクラッカーがベチャベチャになってしまうのでしょうか？ もしこの2つの材料の水分活度が同じであれば、そんなことはありません。

スパイスの一括分において、塊や固まりを防ぐにはどうすればよいでしょうか？成分の水分活性を一致させれば、問題は解決します。

ビタミンの分解は水分活性に左右されます。脂質の酸化、サクサク感、モチモチ感、柔らかさ、その他多くの品質要因も同様です。水分含有量は製品に含まれる水の量を示すだけであり、それ以上の情報は得られません。これらの品質や安全性に関する問題については、何も予測することはできません。

なぜ水分活性なのか？

水分含有量だけでは微生物の増殖の変動を十分に説明できないことが明らかになった際、品質および安全性の指標としての水分活性の有用性が示唆された。水分活性とは、系内の水のエネルギー状態を表す指標である。

水分活性（aw）という概念は、数十年にわたり微生物学者や食品技術者に活用されてきました。これは、安全性と品質を評価する上で最も一般的に用いられる指標です。

安全性と安定性の予測

水分活性は、微生物の増殖、化学的および生化学的反応速度、ならびに物理的特性に関する安全性と安定性を予測する指標となる。図1は、水分活性の関数として、微生物の増殖限界および分解反応速度に基づく安定性を示している。

水分活度の測定と制御により、以下のことが可能になります：

• どの微生物が腐敗や感染の原因となり得るかを予測する
• 製品の化学的安定性を維持する
• 非酵素的な褐変反応および自発的な脂質酸化反応を最小限に抑える
• 酵素やビタミンの働きを長持ちさせる
• 製品の水分移動、食感、および保存期間について、その物理的特性を最適化する

微生物の増殖を抑制する

微生物には、その値を下回ると増殖しなくなる限界の水分活度があります。微生物の増殖に「利用可能な」水分の下限を決定するのは、水分含有量ではなく水分活度です。細菌、酵母、カビは増殖を維持するために一定量の「利用可能な」水分を必要とするため、製品を臨界水分活度以下に設計することは、増殖を抑制する効果的な手段となります。

製品中に水分が、たとえ高濃度で含まれていても、そのエネルギーレベルが十分に低ければ、微生物はその水分を取り込んで増殖を維持することができません。この「砂漠のような」状態により、微生物と周囲の環境との間に浸透圧の不均衡が生じます。その結果、微生物は増殖できなくなります。

ハードル技術

温度、pH、およびその他のいくつかの要因が微生物の増殖の有無や速度に影響を与える可能性がありますが、多くの場合、水分活性が最も重要な要因となります。 水分活性は、温度、pH、酸化還元電位などの他の保存要因（ハードル）と組み合わせて、微生物の増殖を抑制する条件を確立することができます。大多数の病原菌の増殖を制限する水分活性レベルは0._90aw（腐敗カビの場合は0._70aw）です。すべての微生物に対する下限値は0._60awです。

水分活度が0.85を超える製品でも、他の保存要因が考慮されていれば、常温保存が可能でしょうか？

はい、酸性化（pH 4.6未満）、加熱処理、または抗菌剤の添加といった複数の要因が相まって病原菌の増殖を抑制する場合、水分活性（aw）が0.85以上の製品は冷蔵保存なしでも常温保存が可能となります。ただし、水分活性のみが安全性の確保要因ではなくなっているため、これにはFSMA（食品安全現代化法）の予防的管理措置に基づく、検証済みの配合データおよび文書化が必要です。

どの水活動度計があなたに適していますか？

化学的／生化学的反応性

水分活性は、微生物による腐敗だけでなく、化学的および酵素的反応性にも影響を及ぼします。水は、さまざまな形で化学的反応性に影響を与える可能性があります。水は溶媒や反応物として作用したり、系全体の粘度に影響を与えることで反応物の移動性を変化させたりすることがあります。 水分活性は、非酵素的褐変、脂質酸化、ビタミンやその他の栄養素の分解、酵素反応、タンパク質の変性、デンプンの糊化、およびデンプンの再結晶化に影響を及ぼします。一般的に、水分活性が低下するにつれて、化学的分解反応の速度は低下します。

物理的性質

水分活性は、さまざまな化学反応や酵素反応の速度を予測するだけでなく、食品の食感にも影響を及ぼします。水分活性の高い食品は、しっとり、ジューシー、柔らかく、噛み応えがあるといった食感を持っています。これらの製品の水分活性を下げると、硬さ、乾燥感、パサつき、硬さといった好ましくない食感が生じます。 通常、低水分活性の製品はサクサクとした食感やカリッとした食感を持つと表現されますが、水分活性が高くなると、ベタベタした食感に変化します。臨界水分活性は、製品が官能的な観点から許容できない状態になる境界点を決定します。

どの程度の水分活性になると、サクサクした食品はパサついたり、ベチャベチャになったりするのでしょうか？

ほとんどのサクサクしたスナック菓子は、水分吸着度（aw）が0.40～0.45の範囲であれば適度な歯ごたえを維持できますが、0.60～0.65を超えると周囲の湿気を吸収して明らかに柔らかくなり始めます。この変化の正確な転換点は配合や包装によって異なるため、メーカーは製品開発の段階で吸着等温線を測定し、検証済みの賞味期限や包装仕様を決定しています。

固まり、塊、崩れ、べたつき

水分活性は、保管中の粉末や脱水製品の安定性に影響を与える重要な要因です。粉末製品における水分活性を適切に管理することで、製品の構造、食感、安定性、密度、および再水和特性を維持することができます。加工、取り扱い、包装、保管の過程において、結塊、固まり、崩壊、べたつきといった有害な現象を防ぐためには、水分含有量や温度に応じた粉末の水分活性に関する知識が不可欠です。 固結は、水分活性、時間、温度に依存し、重力下における粉末の崩壊現象と関連しています。

水分の移動

水分活性は水のエネルギー状態を表す指標であるため、系が平衡状態に向かう際、成分間の水分活性の差が水分移動の原動力となります。したがって、水分活性は多成分製品の水分移動を制御する上で重要なパラメータとなります。詰め物入りスナックやドライフルーツ入りのシリアルなど、一部の食品には、異なる水分活性レベルを持つ成分が含まれています。 定義上、水分活性は水分が水分活性の高い領域から低い領域へと移動することを示すが、その移動速度は多くの要因に依存する。多成分食品における水分の移動は、望ましくない食感の変化を引き起こすことがある。例えば、水分活性の高いドライフルーツから水分活性の低いシリアルへと水分が移動すると、フルーツは硬く乾燥し、シリアルはふやけてしまう。

成分間、あるいは成分と周囲の湿度との間の水分活性の差は、水分の移動を促す要因となります。特に物質が湿気に敏感な場合、劣化を防ぐためには、特定の成分から水分が吸収されるのか、あるいは放出されるのかを知ることは不可欠です。例えば、水分含有量が2％の成分1と10％の成分2を同量ずつ混合しなければならない場合、成分間で水分の交換は起こるでしょうか？ 混合物の最終的な水分含有量は6%になりますが、成分1と成分2の間で水分交換は起こったのでしょうか？その答えは、2つの成分の水活度に依存します。2つの成分の水活度が同じであれば、両成分の間で水分交換は起こりません。 また、水分含有量が同じであっても、2つの原料を混合すると互いに相容れない場合があります。水活度が異なるが水分含有量が同じ2つの材料を混合すると、平衡水活度が得られるまで、材料間で水分が調整されます。

保存期間／包装

水分活性は、製品の保存期間を決定する上で極めて重要な要素です。食品の微生物学的特性、食感、風味、外観、香り、栄養価、および調理特性について、水分活性の上限値と下限値を設定することができます。 包装を通じた水分の交換速度と、食品の水分活度が限界値に向かって変化する速度によって、製品の保存期間が決定されます。温度、周囲の相対湿度、および限界水分活度値を把握することで、品質と保存期間を最適化するための適切なバリア性能を持つ包装材の選定に役立ちます。

基本をマスターする

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。

よくある質問

なぜ水分活性は食品の安全性にとって重要なのでしょうか？

水分活性は、食品が病原菌の増殖を許容するかどうかを予測する上で最も信頼性の高い指標である。そのため、FDA（米国食品医薬品局）およびUSDA（米国農務省）は、総水分量ではなく水分活性を規制管理パラメータとして採用している。水分活性（aw）が0.85以下の製品は、TCS食品には分類されず、一般的に冷蔵保存を必要とせずに常温保存が可能である。

食品にとって安全な水活動レベルとは何ですか？

awが0.85未満であれば、FDAが定める冷蔵不要食品の基準を満たします。awが0.70未満であれば、ほとんどのカビは増殖できず、awが0.60未満であれば、いかなる微生物の増殖も起こりません。適切な目標値は、具体的な製品や対象となる微生物によって異なるため、多くの製造業者は規制上の最低基準に頼るのではなく、検証済みのaw規格を設定しています。

製造業者は、生産工程においてどのくらいの頻度で水分活度を測定すべきでしょうか？

臨界aw閾値に近い製品（例えばaw 0.83～0.87の範囲）については、すべてのバッチまたは生産シフトごとに工程内検査を行う必要があります。一方、安全閾値を大幅に下回る製品については、定期的な完成品検査により、より少ない頻度で検証を行うことが可能です。AQUALAB 4TEは約5分で結果を表示し、AQUALABのラボサービスでは、お客様の具体的なリスクプロファイルに合わせた検査プログラムの策定を支援いたします。