过度包装侵蚀利润

为何要进行保质期测试？包装不足会导致食品中的水分活度随时间推移而升高或降低，从而引发不良的物理变化、水分迁移、化学降解，并容易滋生微生物。 另一方面，过度包装成本高昂，会侵蚀利润。如何确定产品所需的精确包装量？所有这些问题都受水分活度的控制。如果您了解水分活度的作用机制，就能开发并包装出在整个保质期内始终安全且品质优良的产品——同时避免过度支出。

保质期到底是什么？

保质期是指产品保持良好状态的时间段。在保质期内，产品可能会发生某些变化，但保质期的结束被定义为产品不再被消费者接受的时刻。不可接受的变化可能包括感官特性的改变、化学稳定性的丧失、物理性质的改变、微生物滋生、维生素降解等。

步骤 1：确定导致保质期结束的原因

确定保质期的第一步是找出导致产品保质期结束的原因。影响保质期的主要因素有三点：

• 微生物特性：产品中滋生至不安全水平的霉菌或潜在有害细菌。
• 化学变化：褐变、脂质氧化、酶促反应等
• 物理性劣化：质地变化、结块、水分迁移等。

这三个因素可能源于产品本身——即其配方。也可能源于外部因素——例如储存条件，特别是储存环境中的湿度和温度，或是包装类型。这三个因素都与水分活度密切相关，并且可以通过水分活度加以控制。

请观看下面的视频，了解如何利用水分活度来预测、预防和控制影响保质期的因素。

在这场20分钟的网络研讨会中，您将掌握水上活动的核心要点。您将了解到：

• 什么是水活度
• 它与含水率有何不同
• 它为何能抑制微生物的生长
• 了解水分活度如何帮助您控制产品中的水分。

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图1是一幅显示水分活度和含水量的稳定性图。x轴表示水分活度，y轴表示反应速率（可将含水量视为反应速率的增加）。深蓝色曲线是一条通用的吸湿等温线。吸湿等温线展示了产品中水分活度与含水量之间的关系。其他曲线则代表了各种失效模式。 可以看出，随着水分活度的增加，霉菌、酵母和细菌的生长速率呈指数级增长。酶活性的速率在略低于0.9时开始显著增加，并随水分活度的升高而持续增加。然而，脂质氧化则有所不同。在极低的水分活度下，其活性很高，但当水分活度增加到约0.3至0.5时，活性便趋于稳定。 当水活度高于0.5时，脂质氧化又开始增加。美拉德反应在约0.6时达到峰值。图1中蓝色阴影部分表明，在0.3至0.5的水活度范围内，可能会发生物理变质或质地变化：如脆度丧失、结块或食品基质的塌陷。

步骤 2：确定产品的临界水分活度

如上所述，每种产品失效模式都与特定的水分活度相关。该水分活度被称为临界水分活度，或简称 RHc。临界水分活度是指产品发生不良变化的确切水分活度值。 例如，物理变化可通过吸附性质的改变来识别，最终导致质地发生变化。这种变化将在您产品特有的特定水分活度下发生，而在该临界水分活度以下，您的产品将保持最稳定的状态。水分吸附等温线（图2）可帮助您确定_{产品的RHc值}。

图2是一幅由AQUALAB VSA生成的、展示了几种不同水分吸附等温线的图表。该图以水活度为横轴，水分含量为纵轴。 中蓝色曲线表明，奶粉的临界水分活度约为0.42。如何判断这一点？在约0.42处，随着水分活度的微小增加，水分含量出现了显著上升。此时，结块和结团现象将开始出现。

有趣的是，奶粉在0.7至0.8之间存在第二个临界水分活度，在此范围内会开始发生结晶。对于谷物（深蓝色曲线），其临界水分活度约为0.5。无谷物干粮的_{相对湿度临界值（RHc）}则更接近0.7，这是由于微生物的生长所致。宠物食品企业必须将该数值控制在此水平以下。 蔗糖的临界水分活度约为0.85，在此处，水分活度仅需微小增加，含水量便会骤然上升。

另请注意，临界水分活度与温度有关。随着产品温度的升高，其临界水分活度会降低。因此，了解_{临界相对湿度（RHc）}以及产品的储存条件（温度）至关重要。这样，您就可以通过优化产品配方和包装方案，确保在整个生产过程和保质期内，产品的临界水分活度始终保持在临界值以下。

步骤 3：进行加速保质期测试（如有需要）

进行加速保质期测试时，您首先需要确定最可能发生的失效模式，然后评估其发生的时间及原因。可能存在多种失效模式。如果不确定哪种失效会首先发生，则在测试过程中需要监测所有潜在失效模式的水平。  例如，如果微生物生长是其中一种失效模式，您需要了解微生物生长的水分活度阈值（观看视频以了解微生物生长的阈值）。

如果变质是导致产品失效的主要原因，则必须测定氧化程度。如果质地变化导致保质期缩短，则需要测定吸湿等温线（见图2）。对于维生素降解，则需测定维生素含量。 颜色变化可通过色彩成像（也称为色度测量）进行评估。而酶促反应则可通过检测酶活性来评估。在确定需要收集的数据类型后，您可以进行加速保质期测试，以确定产品的理想水分活度范围。下图展示了在确定最可能的失效模式后，加速保质期测试流程可能呈现的几种情景。

如何进行加速保质期测试

加速保质期测试的目的是为您的特定产品获取实测数据。这一点至关重要。有时，保质期是通过参考市场上类似产品，并将这些产品的保质期与您自己的产品进行对比来确定的。然而，在确定保质期时，最好使用您自己的最终产品。具体做法是收集实测数据，然后将这些数据与产品失效时的特定温度_{-相对湿度（RHc）}条件相关联。

利用水分活度（_aw），加速保质期测试的基本步骤如下：

以下是设置测试的详细步骤：

“加速”测试是指提高温度和水分活度，以加快反应进程。由于_{相对湿度（RHc）}会随温度升高而降低，因此您需要选择三种不同的水分活度和三种不同的温度，并将产品分别置于这三种组合的条件下（共九个子样本），直至产品变质。 在此期间，需持续追踪所选失效模式的进展。例如，若监测脂质氧化，则需测量氧化程度直至达到消费者无法接受的水平。（“无法接受”的标准由您自行决定，因为产品在仍可接受的阶段便已发生某些变化。）随着时间推移，收集“时间与变化量”的数据以确定变化速率。 随后，将收集到的数据建模，同时考虑时间、温度和水分活度。当建立起这种相关性后，您就能针对该失效模式建立保质期和反应速率模型。

例 1：婴儿配方奶粉

为了了解其工作原理，我们将分析AQUALAB进行的一项婴儿配方奶粉测试。该研究已发表，可在2017年国际保质期会议的会议记录中查阅。该婴儿配方奶粉在三种升高的温度（30、37和45摄氏度）和三种不同的水分活度（0.43、0.50和0.65）条件下进行测试。 我们通过组合这些因素，设置了九种不同的子样本。我们将产品放入密封容器中，容器底部放置了饱和盐溶液，以产生我们所关注的特定水分活度。随后，我们将容器放入设定为相应温度的烘箱中，并监测其变化情况。

我们将脂质氧化选为婴儿配方奶粉的失效机制，并通过追踪T值来确定氧化程度何时达到不可接受的水平。在本次实验中，不可接受的水平定义为每千克含1毫克丙二醛。随后，我们考察了各种温度与水分活度组合下的反应速率。我们通过时间与T值曲线的斜率来确定这一数值，而在此情况下，两者呈线性关系。

不过，情况并非总是如此。有时这是一种一级反应，这意味着其关系更接近指数关系。但对我们而言，这是一种线性关系，这使得建立婴儿配方奶粉的水热时间模型变得非常简单（邮箱 [email protected] 获取研究副本：《用于预测婴儿配方奶粉保质期的湿热模型》，作者：Brady P. Carter、Mary T. Galloway、Gaylon S. Campbell 和 Shyam S. Sablani）。

例 2：羽衣甘蓝脆片

某家羽衣甘蓝脆片制造商发现，由于口感变差和霉菌滋生，其产品的保质期仅为30天。30天的保质期使得他难以将产品运往远方。他该如何延长产品的保质期？

为此，他必须确定在何种水分活度下，薯片会面临微生物滋生的风险。根据文献中公布的微生物滋生水分活度限值（见表1），如果将产品的水分活度控制在0.7以下，就不会出现微生物滋生。一旦超过该数值，就会有发霉的风险。

下一步是确定薯片在何种水分活度下会失去口感。为了弄清这一点，制造商需要绘制一份吸湿等温线，从而精确确定口感发生变化的具体时刻（图4）。

图4是一张羽衣甘蓝脆片的等温线图，其中x轴表示水分活度，y轴表示含水量。 从直观上看，您可能会推测，质地损失发生在曲线拐点处，即吸附性能急剧增加的位置。然而，要精确确定该点并不容易，因此最简单的方法是对该斜率进行二阶导数分析。二阶导数分析通过观察斜率来确定斜率发生变化的时刻，这表明吸湿速率发生了变化（图5）。

在图5右侧的二阶导数曲线上，第一个峰值即_为RHc。与左侧的等温线相比，两者呈现出良好的相关性。因此，如果羽衣甘蓝脆片制造商能将脆片的水分活度控制在0.57这一临界值以下，产品便能保持酥脆的口感，且不再容易滋生微生物。 使用AQUALAB 4TE 水活度仪即可轻松维持正确的水活度水平（观看视频了解其工作原理）。

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步骤 4 和 5：确定期望的保质期并计算包装规格

一旦确定了产品的临界水分活度，就可以进行保质期计算。保质期计算公式会考虑多个不同因素。首要因素之一是产品的包装。每种包装都有其水蒸气透过率（图6）。

在任何环境中，空气中都含有一定量的水分，即相对湿度（RH）。您选择的包装仅允许其中一定量的水分透过并与产品发生相互作用。这一数值通常以“每平方米每天克”为单位进行测量。 您的包装供应商会在特定条件下（通常约为 38 摄氏度、相对湿度 90%）对包装进行测试。这些条件将影响您的保质期计算。此外，您还需要了解包装的表面积（单位：平方米）以及包装内产品的质量。

还需要提供产品的储存条件：温度、湿度和大气压力。大气压力取决于所在海拔高度，也会因天气变化而有所不同。

最后，您需要了解产品的水分活度。这包括初始水分活度和临界水分活度。

保质期计算公式轻松掌握

保质期计算涉及多个方程式，这些内容超出了本文的讨论范围（点击此处了解详情）。不过，还有一种更简单的方法。  一款名为“水分分析工具包”（Moisture Analysis Toolkit）的软件可以自动为您完成这些计算**。**只需输入产品的相关参数，该工具包便能确定最适合您产品的包装方案，甚至允许您调整分析参数，从而找到投资回报率最高的包装方案。以下是直接从软件中截取的屏幕截图，向您展示其工作原理。

该软件会要求您输入水蒸气透过率、测试温度和湿度（通常为38摄氏度、90%湿度）。接下来，您需要输入产品的储存条件以及产品本身的一些信息。在图7中，我们将产品放置在湿度为60%、大气压为100千帕的环境中。 该产品重454克，储存环境温度为30摄氏度。您需计算包装的表面积，然后输入初始水活度和临界水活度。借助该软件，您可以快速调用之前保存的等温线文件（您的产品等温线会通过AQUALAB VSA仪器自动计算并存储在软件中）。

输入信息后，点击“计算”，软件会为您提供预计保质期（本例中为30天）。若要更改或延长保质期，请选用水蒸气透过率更低的包装材料。

如果您想延长保质期，可以使用水分分析工具包中专为这种情况设计的另一款计算器（图 8）。

图8显示，要达到180天的保质期，包装材料的透湿率（WVTR）需为1.3。您可以将此信息告知您的包装供应商，并说明需要透湿率为1.3的包装材料才能达到预期的保质期。

表2是对一些常见包装材料的比较。

需要注意的是，这些水蒸气透过率是在38摄氏度和90%相对湿度条件下测得的。但实际情况并非总是如此。有时这些数据是在30摄氏度和75%相对湿度下测得的。此外，请注意本表采用公制单位，这也是软件进行计算时使用的单位，但有时WVTR也会以“每平方米每24小时克数”的形式列出。 或者可能采用标准单位，例如平方英寸。因此，在输入包装材料的WVTR值时，确保单位正确至关重要。请注意，普通聚丙烯的WVTR为8.2，但经过取向处理并带有金属化层的聚丙烯，其WVTR会降至1.0。 了解您需要何种包装非常重要，因为您不希望包装不足。以羽衣甘蓝脆片为例，图8显示，若包装材料的WVTR为7.5，食品制造商只能将产品保质期维持在30天。但如果制造商选择WVTR为1.3的包装，产品保质期将延长至六个月。 不过需注意，WVTR值越低，成本越高，因此切勿过度包装，否则将为不必要的包装买单。

第 6 步：配方调整后重新评估

水分分析工具包使计算原料变化对保质期的影响变得轻而易举。您无需实际制作产品，即可计算出混合物或配方最终的水活度。要做到这一点，需要为每种原料提供相应的等温线。图9展示了水分分析工具包如何预测在最终产品中添加调味料时其最终的水活度。

在左上角，您可以添加不同的原料。左下角则显示计算结果。以一磅羽衣甘蓝脆片为例，我们输入了初始水分活度和质量，以探究添加5克大蒜粉后水分活度会发生怎样的变化。输入信息后点击“计算”，软件便会给出该混合物的最终水分活度。 如图9所示，水分活度略有下降。软件还会显示羽衣甘蓝脆片和蒜粉的最终含水量。右侧图表展示了等温线的合并情况（羽衣甘蓝脆片为蓝色曲线，蒜粉为绿色曲线）。红色曲线即为合并后的等温线，程序同时给出了平衡水分活度（0.449），这也将是混合物的最终水分活度。

第 7 步：通过实证测试验证保质期预测

上述示例说明了VSA和水分分析工具包如何能够加快研发进程，并预测产品中水分活度的变化。但如果您尚未进行保质期测试，则需要对预测结果进行验证。水分分析工具包软件在调整参数和提供快速响应方面表现出色，但这些结果确实只是基于数学方程的预测。 您需要进行实证测试，以验证您的配方和包装方案是否完全符合需求。

为什么要进行保质期测试？

从历史上看，很少有制造商会基于科学依据来制定包装和保质期的决策。许多公司为了规避风险而过度包装，只有在出现问题时才会做出调整。然而，过度包装会显著侵蚀利润。因此，当需要在成本与质量之间进行精妙权衡时，精准的科学信息有助于提升利润。作为回顾，以下是确定保质期和包装方案的步骤。

1. 确定导致保质期缩短的原因（失效模式：更多相关内容请参阅《食品制造商保质期完全指南》）
2. 确定临界水分活度（_RHc）
3. 如有必要，进行加速保质期测试
4. 确定期望的保质期
5. 计算合适的包装
6. 配方变更后重新评估
7. 通过实证测试验证保质期预测

保质期相关资源

• 布雷迪·P·卡特、玛丽·T·加洛韦、盖隆·S·坎贝尔和夏姆·S·萨布拉尼合著的《用于预测婴儿配方奶粉保质期的湿热模型》
• 《食品保质期稳定性：化学、生化及微生物学变化》，N.A. Michael Eskin 主编
• 《食品干燥科学与技术：微生物学、化学及应用》 编者：Y.H. Hui
• 《食品的新鲜度与保质期》，基思·R·卡达瓦拉德与雨果·维嫩 编
• 《食品年代测定》 作者：西奥多·P·拉布扎、琳恩·M·希比斯特
• 保质期：多米尼克·曼撰写的《食品行业简报》
• 《食品保质期评估》（第二版），多米尼克·曼与阿德里安·琼斯 编
• 《食品保质期的理解与测定》，R. Steele 编
• 《食品的稳定性与保质期》，戴维·基尔卡斯特与佩尔西斯·苏布拉马尼安 编
• 《食品工业中的真空低温烹饪与冷制工艺》，S. Ghazala 主编
• A.G. 阿卜杜勒·加尼·阿尔·巴利 著：《高压灭菌袋中食品的灭菌》

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