水活度与pH值如何协同作用以控制微生物生长

水分活度和pH值是决定产品是否会滋生腐败微生物的两个最重要的内在因素。水分活度和pH值具有协同作用，其综合作用在控制方面比各自单独的作用更为显著。这种协同作用在微生物控制的“门槛技术”中得到了详细阐述，也是美国食品药品监督管理局（FDA）对“潜在危险食品”定义中的一个关键组成部分。

以下介绍如何利用水分活度与pH值的协同作用，通过采用更温和的保鲜技术来增强微生物控制效果，从而可能改善产品的质地和品质。

水分活度如何抑制微生物生长

与所有生物一样，微生物的生长也依赖于水。它们通过将水跨过细胞膜来吸收水分。这种水分运动机制依赖于水活度梯度——即水从细胞外水活度较高的环境向细胞内水活度较低的环境流动。

当细胞外的水分活度降低到足够低时，就会引发渗透应激：细胞无法吸收水分，从而进入休眠状态。微生物并未被消灭，只是失去了繁殖能力。不同的生物应对渗透应激的方式各不相同。这就是为什么每种生物都有不同的生长极限。某些类型的霉菌和酵母已经适应了极低的水分活度水平。

每种微生物都有一个特定的水分活度阈值，超过该阈值，其生长就会停止。只要产品开发人员将水分活度控制在该阈值以下，相关微生物就不会繁殖到足以引起感染或疾病的程度。参见表1。

由于微生物生长的限制，水活度成为确保食品安全的绝佳工具，且水活度测定可作为HACCP计划中的关键控制点。

协同效应的机会

表 1 中的生长极限值假设所有其他条件（pH 值、温度等）均处于该微生物生长的最优状态。然而，如果将 pH 值降低带来的生长限制作用与水分活度的控制相结合，实际上可以在比图表所示更高的水分活度下控制微生物的生长。

什么是pH值？

pH值是衡量溶液酸碱度的指标。0至7之间的数值表示酸性；7至14之间的数值表示碱性。蒸馏水呈中性，其pH值为7。食物通常呈中性或酸性。

微生物的生长存在pH值限制

与水分活度类似，微生物也有其生长所需的pH值下限，低于该值便无法生长。表2列出了不同类型微生物生长的最低pH值。所有微生物都偏好中性pH值以达到最佳生长状态，但它们也能在更酸性的pH值条件下生长。 大多数微生物在pH值为5.0时停止生长。部分微生物可耐受低至4.6甚至4.4的pH值。历史上，pH值4.6曾被视为生长下限，但当发现某些问题微生物可在低至4.2的pH值下生长时，食品法规的相关条款便进行了修订。

pH调节的应用

由于微生物生长受限，降低pH值是保存食品、防止微生物滋生的有效方法，也可作为HACCP计划中的关键控制点。此外，一些制造商还会通过调节pH值来改变风味。这通常通过腌渍或发酵来实现，这些过程利用微生物作用、酶促反应或醋等酸性物质来诱导乳酸的生成。许多化学反应受pH值影响，可以通过调节pH值来预防或控制。

水分活度与pH值——二者结合效果更佳

可以通过“门槛技术”将水分活度和pH值的作用相结合，从而更有效地控制微生物。就水分活度和pH值而言，这两道门槛的综合效应大于各自单独作用的效果。这意味着，即使在通常仅凭pH值或水分活度单独衡量时被视为不安全的水平下，仍可实现有效的微生物控制。  现行有效的2013年食品法规中包含pH值与水分活度的交互作用表（见表3和表4），可用于判断某食品是否需要实施时间与温度控制（TCS）以确保安全。

表3适用于经过热处理以杀灭微生物后再进行包装的食品。降低水分活度和pH值并非杀菌步骤。  这些措施并不能消除微生物，而仅仅是防止微生物生长到有毒水平。由于热处理能杀灭除产孢菌以外的所有微生物，因此可以在较高的水分活度和pH值条件下进行包装。在这些条件下，水分活度为0.92且pH值为4.6或更高被认为是安全的。

交互式表 4 适用于未经热处理的产品，或经热处理但未包装的产品。通常，此类产品需满足水活度低于 0.88 或 pH 值低于 4.2 的条件，方可视为安全。不过，若将水活度与 pH 值结合考虑，较高的数值也是可以接受的。

表5列出了几种常见食品的水活度和pH值。草莓果酱的水活度非常高，但pH值却相当低。由于含有柠檬酸，即使水活度较高，其pH值也足够低，足以抑制微生物生长。芥末酱的pH值同样很低，但水活度较高。这些产品之所以安全，是因为其pH值，而非水活度。 枫糖浆含糖量高，因此水活度较低，但其pH值接近中性。在这种情况下，保障安全的是水活度，而非pH值。

图1显示，如果将水分活度和pH值绘制在同一坐标系中，二者之间并不存在直接的关联。如果向产品中添加酸以降低其pH值，这会对水分活度产生一定影响，因为酸性物质通常具有极性，且更倾向于与水发生相互作用。但本质上，降低pH值并不会直接降低水分活度。

如何控制水分活度

降低产品水分活度的最常见方法是将其干燥或烘烤。（但请注意，要正确操作，必须先了解产品的吸湿等温线。）此外，还可以通过添加盐、糖、高果糖玉米糖浆、山梨糖醇和麦芽糊精等保湿剂来控制水分活度。

控制 pH 值的常见方法

降低pH值最常见的方法是发酵。 发酵依赖于“有益”细菌产生乳酸，从而降低产品的pH值并抑制其他微生物的生长。泡菜、酸菜、发酵香肠和橄榄都采用了这种方法。此外，还可以通过直接向产品中添加酸（如醋、乳酸、柠檬酸），或添加番茄等天然酸性食材（如意面酱中的番茄）来调节pH值。

水分活度与pH值——快速简便的测量

水分活度和pH值是两个最好同时测定的指标。而且，使用市面上常见的水分活度仪和pH计，这两项指标都很容易测定。

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