乾燥蒸留粕の品質管理における水分活性

乾燥蒸留粕（DDGS）は、穀物由来のバイオエタノール製造プロセスにおける副産物です。これは多段階の工程を経て製造されます。まず、エタノール生産の過程で残った非発酵性物質が蒸留残渣として取り除かれます。 遠心分離によりスティラージから余分な水分を取り除き、湿った穀物を凝縮した蒸留残渣可溶分と混合して乾燥させることで、DDGSが製造されます。DDGSは主に高品質な飼料添加物として販売されていますが、人間の栄養補助食品など、多くの用途が期待されています。DDGSの販売は、エタノール製造プラントの経済的存続に大きく寄与しています。したがって、DDGSの品質と保存期間の最適化は極めて重要です。

DDGSの推奨分析方法

2007年2月1日、米国飼料工業協会（AFIA）は、「可溶分を含む乾燥蒸留粕（DDGS）の分析法に関する評価」と題する研究報告書を発表した。本研究では、DDGSを評価するための分析法の有効性について検討した。研究の目的は、DDGSの物理的・化学的特性を最も適切に把握し、その安全性と品質を確保できる一連の試験法を選定することにあった。 DDGSの保存期間に関する主な懸念事項は、微生物による分解への感受性、流動性の維持、および水分移動である。

水は、これらすべての問題に影響を及ぼしています

本研究では、記載された水分分析法は水分含有量のみであった。残念ながら、水分含有量は、前述の懸念事項に対処する上で最も効果的な水分分析法とは言えない。水分活性は、微生物学的安全性、流動性、および水分の移動を予測する上で、より優れた指標となる。エタノール生産者は、品質保証試験の一つとして水分活性を採用することで、時間とコストを節約しつつ、DDGS製品の品質確保をより確実に実現できるだろう。

水分活性とは何ですか？

水分活性は、系内の水のエネルギー状態を表すものであり、密閉された容器内の試料と平衡状態にある空気の相対湿度に等しい。 これは熱力学に基づいており、特定の温度における試料上の水の蒸気圧（p）を、純水の蒸気圧（po）で割った値として定義される。科学的には正確ではないが、水分活性をDDGS中に「利用可能な」水の量として捉えると理解しやすいかもしれない。これはDDGS中にどれだけの水が存在するかによって決まるのではなく、DDGS中の水が純水にどれほど似ており、どのように振る舞うかを比較したものである。

水分活性の値は、0（完全に乾燥した状態）から1.0（純水）までの尺度を表しています

水分活度が低下するにつれて、DDGS中の水のエネルギーは低下し、利用可能量は減少し、純水としての性質はますます失われていきます。例えば、水分活度が0.80であれば、システム内の水にはカビの増殖を支えるのに十分なエネルギーがあることを示しますが、水分活度が0.60未満であれば、システム内の水は微生物の増殖を支えることができないことを意味します。 また、水分活性が高まるにつれて水の移動性が高まり、これが分子の移動性に影響を与え、化学反応や酵素反応の速度を増加させます。例えば、褐変反応の速度は水分活性0.25では最小となり、水分活性の上昇に伴い着実に増加し、約0.80 awで最大に達します。

水分活性は微生物の増殖を制御する

水分活性という概念は、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ており、食品の安全性と品質を評価する上で最も一般的に用いられる基準となっています。微生物には、それ以下では増殖できない限界水分活性があります。微生物の増殖に「利用可能な」水の下限を決定するのは、水分含有量ではなく水分活性です。細菌、酵母、カビは増殖を維持するために一定の水の利用可能性を必要とするため、DDGSを臨界水分活性レベル以下まで乾燥させることは、微生物の増殖を抑制する効果的な手段となります。 DDGSにおいて、通常許容される水準よりも高い水分含有量であっても、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利用して増殖することはできません。この「砂漠のような」状態は、微生物と周囲の環境との間に浸透圧の不均衡を生み出します。その結果、微生物は休眠状態になるか、死滅します。 大多数の病原性細菌の増殖を抑制する水分活度は0.90であり、腐敗性カビの限界値は0.70、すべての微生物の下限値は0.60である。

水分活性は、固まり、塊、崩れ、べたつきを防ぐのに役立ちます

水分活性は、貯蔵中のDDGSの物理的安定性を示す指標ともなります。取り扱いやすさに影響を与えるため、流動性はDDGSの物理的安定性における主要な懸念事項です。DDGSの水分活性を適切に管理することで、適切な構造、食感、安定性、および密度を維持することができます。DDGSがその流動特性を維持できる臨界水分活性を特定することが可能です。 この臨界水分活度を超えると、DDGSの粒子が湿潤し、互いに付着し始めます。したがって、加工、取り扱い、包装、および貯蔵の過程において、固結、塊化、崩壊、および粘着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DDGSの水分活度を把握することが不可欠です。水分活度は、DDGSの流動性低下のリスクを評価するために利用可能な、最も効果的な品質保証試験です。

水分活性は水分の移動を制御する

水分活性は水のエネルギー状態を示す指標であるため、水分活性の差が水分の移動を促す原動力となります。DDGSのロット内部で水分が吸収されるのか、あるいは脱着されるのかを知ることは、品質劣化を防ぐ上で不可欠です。したがって、水分活性は、混合されたDDGSロット内での水分の移動を制御できるため、重要なパラメータとなります。乾燥条件や添加される可溶性成分の量の違いにより、DDGSのロットごとに水分活性が異なる場合があります。 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。

その答えは、2つの荷物の水分活性によって異なります。2つの荷物の水分活性が異なる場合、たとえ含水率が同じであっても、水分が移動することになります。この水分の移動は、流動や微生物の増殖といった問題を引き起こす可能性があります。

水分活性は、効果的な品質保証の手段です

水分活度は、DDGSの安定性と安全性を維持するための効果的なプロセス管理および品質保証ツールであり、DDGSの推奨分析法として採用されるべきである。上記の理由に加え、水分活度は水分含有量よりも感度が高く正確であるため、より効果的な水分分析法である。 DDGSを含む中間水分領域では、水分含有量分析の精度の限界により検出できない程度の水分含有量の変化でも、水活度の大きな変化を引き起こし、ひいては安定性の変化につながる可能性があります。これは、DDGSが水分含有量の規定値まで乾燥されたにもかかわらず、水分含有量の変化が検出されないまま安定性に突然の変化が生じた場合、不安を招く要因となり得ます。水活度の規定値を用いれば、こうした安定性の変化を予測することが可能です。 水分活度は、DDGSの品質と安全性を確保するための迅速、低コスト、かつ正確な方法です。どのエタノールプラントでも容易に導入可能です。水分活性試験およびDDGSに関する詳細については、Aqualabサポートまでお問い合わせください。

‍