了解水分活度的作用

对于大多数人来说，水分活度并不是一个直观的概念。但一旦理解了它，你就能掌握控制食品中水分的能力。抑制微生物生长仅仅是开始。

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。

主持人

玛丽·加洛韦在AQUALAB研发实验室担任首席科学家已有八年。她专长于使用和测试用于测量水分活度及其对物理性质影响的仪器。她曾与众多客户合作解决其产品中的水分相关问题，并经常被问及“什么是水分活度？”这一问题。

水分活度入门

食品制造商如何保持软糯葡萄干和酥脆麦片片的质地，避免结块，或判断产品是否容易变质？所有这些问题都取决于水分活度。如果了解水分活度的作用原理，您就能开发出符合消费者期待的产品，并预测及预防潜在的储存问题。

水活度的定义

热力学原理：

• 能量是促使过程发生的驱动力
• 能量越大，意味着可以进行更多的过程或工作（即机械、热力、化学过程）
• 高能态希望转变为低能态，从而变得更加稳定

水活度（aw）是衡量系统中水能量状态的指标。它遵循热力学原理，并受其规则约束。水活度越高，意味着能量越大，水就能完成更多工作，例如微生物生长、水分迁移，或化学及物理反应。水活度的差异将决定水分的迁移方式（从能量角度而非浓度角度而言）。 水活度较高的水比水活度较低的水具有更高的能量。水将如何降低其能量状态以达到更稳定的状态？它会向水活度较低的方向迁移。

在能量系统中，我们可以应用吉布斯自由能方程（方程 1）来确定给定温度下系统中水的活度。系统中水的能量等于纯水的能量（𝜇o）加上气体常数（R）乘以温度常数（T）再乘以逃逸度的自然对数。 请注意，该方程中唯一用于确定水能量的变量是逃逸度。

什么是挥发度？

逸度（f/f0）是指物质的逸出倾向，即样品中能逸出的蒸汽量。

• f/f0 = p/p0
• p/p0 = 样品上方水在 𝓧 °C 时的蒸气压 / 纯水在 𝓧 °C 时的蒸气压
• p/p0 = aw

水活度通过分压来测定，即特定温度下样品上方水的蒸气压除以同温度下纯水的蒸气压。而相对蒸气压（有时也称为分压）恰好就是水活度。因此，如果测定样品的分压，就可以计算出水活度。

图1说明了什么是蒸气压。左侧容器中装有一份食品样品。 水分子从样品中逸出，进入容器顶部的空间。这些分子在密封容器内产生了一定的压力。该压力与右侧容器中纯水产生的压力进行比较。由于水活度是两种压力的比值，因此它没有单位，其测量范围为0（无能量）到1（与纯水具有相同的能量）。

需要特别指出的是，必须让压力达到平衡，且温度和压力需保持恒定。25℃时的水分活度与35℃时的水分活度会有所不同，通常前者会更高。因此，如果某天在25℃下进行测量，而第二天在不同温度下进行测量，所得的水分活度将不一致，因为水分活度取决于温度的恒定性。

水分含量的定义

主要方法：干燥减量法（公式2）

主要方法：滴定法（方程式 3）

与作为能量状态的水活度不同，水分含量是对水分的定性衡量，即水分的数量。它并非驱动力。虽然它会影响质地，但并非引发产品反应或变化的驱动力。测量水分含量主要有两种方法。

干燥减量：计算干燥减量时，需先取样品的湿重减去干重，再除以干重（即干基）或湿重（即湿基），最后将结果乘以100得出百分比。明确采用哪种基准至关重要，因为两种基准会得出不同的结果。这是由于除法的基数不同所致。遗憾的是，干燥减量数据中通常不会注明基准。 通常仅标注为含水率百分比。在METER，我们采用湿基法，因为干基法可能会得出负含水率，这不符合实际情况。干燥减量法的另一个问题是，除水以外的物质（如醇类和其他挥发物）可能会随水蒸发，从而导致含水率升高。

滴定法：（也称为卡尔·费歇尔法）这是一种利用水、碘及某些溶剂进行的化学反应。反应持续进行直至所有水分耗尽，此时溶液的电导率会发生变化。通过测量电导率，进而计算出水分含量百分比。 该方法存在潜在问题，其中之一是所有水分必须被溶解并处于可反应状态，若样品非液体，则难以实现。 要实现这一点，必须明确选用何种溶剂，且并不存在万能的通用溶剂。虽然有一种主要溶剂适用于多种样品，但并非对所有样品都有效。此外，溶剂可能引发副反应，从而影响测量结果。

测量含水率的一个问题在于缺乏标准。没有任何物质具有固定的X%含水率供我们参照。虽然我们可以测得含水率的数值，但无法确定其准确性。

水活度演示

比较饼干和蜂蜜的含水率，你可能会认为蜂蜜的含水率更高。事实确实如此：蜂蜜的含水率为18%，而饼干为5%。 但这两种产品的水分活度（0.60 aw）却相同，这意味着即使将饼干浸入蜂蜜中一周，饼干也不会变软。为什么？因为推动反应（在此情况下指水分迁移）的驱动力是水分活度，而非含水率。由于两者的能量（即水分活度）相同，因此不会发生任何变化。

水活度与水分含量的应用

水活度和水分含量都有其应用场景（表2）。 水活度是预测和预防储存问题的一种更准确的方法，但请注意，水分含量确实会影响质地。您可以根据所需的产品类型，利用水分含量来改善质地。它还可以用于确定配料浓度或营养成分，这对标签要求至关重要。此外，如果您的产品有水分含量限制（例如宠物食品为10%），您必须测定水分含量以确认产品是否符合规定。

吸湿等温线

每种产品在水分活度与含水量之间都存在独特的关联。图2展示了我们所测试产品中水分活度与含水量的关系。这些关系各不相同，每条曲线呈现的形状也各异。

水活度与水分含量之间的关系称为水分吸附等温线，可用于确定临界水活度。此时，产品的水分吸附特性会发生物理变化，从而能够吸收更多的水分。临界水活度由曲线的斜率变化来确定。当水活度达到斜率发生变化的点时，产品的质地会发生改变，或发生其他类型的反应。

您可以通过比较不同配方之间的等温线，来确定配方的影响。 例如，您可以建立干性成分混合的模型，以预测混合两种新成分时的水分活度。您还可以评估温度滥用的影响；如果产品在运输和储存过程中被放置在高温卡车或仓库中，当产品到达零售商处时会发生什么情况？您可以在不同温度下进行等温线测试并预测其影响。等温线对于预测保质期也至关重要。

微生物生长

微生物生长需要水分，它们从周围环境中获取水分。当生物体所处的环境水活度低于其内部时，就会产生渗透应激。如图3所示，细胞内部的水活度为0.95 aw。 细胞外部的水活度为0.90 aw。由于高水活度区域倾向于向低水活度区域转移，细胞内的水分将向外流动，此时细胞会失去膨压。细胞将通过改变代谢过程来降低其内部水活度，以此适应环境。如果能与环境达到平衡，细胞便会拥有足够的水分或能量进行生长和繁殖。

但如果它无法适应环境呢？图3中的另一个细胞的水活度为0.93，但与0.90的环境条件不匹配。在这种情况下，该细胞没有足够的能量进行生长和繁殖，因此会进入休眠状态。

微生物的适应能力及其降低水分活度的能力，决定了其水分活度极限。20世纪50年代，威廉·詹姆斯·斯科特博士证明，微生物存在一个水分活度阈值，低于该阈值时它们便无法生长（表3）。每种微生物都有一个特定的水分活度阈值，低于该阈值时其生长就会受到抑制，且无法在低于该阈值的环境中生长。

表3显示，沙门氏菌的水活度极限为0.95。这意味着，如果某种产品的水活度为0.95，且pH值、温度、营养条件均处于理想状态，同时没有竞争性菌种存在，沙门氏菌就无法生长。 如果上述任何条件发生变化，或对微生物生长而言不再理想，则限制水活度可能会提高。细菌可以在高于该限值的水活度下生长，但绝不可能在低于该限值的水活度下生长。无论细菌存在于何种基质中——无论是饼干、粉末还是宠物食品——只要这些细菌存在，它们在低于该限值的水活度下就不会生长。

请注意，水分活度并非杀菌步骤，也无法去除细菌。它是一种控制措施，旨在抑制微生物的生长，这意味着产品是安全的，但并非无菌。细菌仍然存在。如果这些食品所处的水分活度高于其耐受极限，细菌就可能繁殖。这确实是一个潜在问题，但如果在配方设计时能将水分活度控制在足够低的水平，就不会有问题。

表3还显示，需氧葡萄球菌的最低水分活度为0.86。这意味着水分活度高于0.86的食品均被视为潜在危险食品。如果这些细菌开始繁殖，就会导致人体不适，因此水分活度高于该值的食品被视为潜在危险食品。水分活度低于0.85的食品则不会发生这种情况。

表4是一张图表，展示了包括霉菌和酵母在内的各种微生物在整个水分活度范围内的分布情况。该表还列出了各水分活度范围内常见的典型食品。 请注意，水活度高于0.85的范围属于潜在危险食品。虽然霉菌的水活度下限较低，但通常导致食品变质的霉菌其水活度在0.7或以上。当水活度低于0.6时，任何微生物均无法生长。您可以利用这些信息来生产既不属于潜在危险食品，也不易受变质霉菌影响的产品。

水活度的实际应用

防止发霉

一位种植者将他的山核桃烘干至4%的含水率。他不确定4%是否足够干燥以防止微生物滋生，但从以往经验来看，他从未因这一指标出现过问题。如果他参考吸湿等温线来确定水分活度与含水率之间的关系，就会发现山核桃中0.68的水分活度对应于4%的含水率。 0.68低于霉菌生长的微生物阈值。因此，只要水分活度保持在0.68，4%的含水率就足以防止霉菌滋生。

但这位种植者的产品确实发霉了。为什么？

他的含水率测量精度仅为0.5%。当测得山核桃含水率为4%时，其实际值其实更接近4.5%，这意味着水分活度已超过了霉菌滋生的安全限值。含水率并非一个合适的质量指标，因为山核桃的含水率可能在3.5%到4.5%之间，而种植者对此一无所知。

如果山核桃种植者的含水率在3.5%到4.5%之间波动，不仅山核桃容易发霉，还会导致利润减少。 水分含量过低会导致坚果质量下降（变硬），并且每袋装入的坚果数量会增加（超量装袋）。然而，如果他采用更精确的水活度规格，本可以避免这两个问题。通过设定0.68的水活度规格，他就能将水分含量精确控制在4%。

预测结块和结团

某干汤制造商将混合料加工至3%的含水率。他收到一批新的胡椒粉准备加入混合料中，测得其含水率也是3%。然而，当他将这两种原料混合在一起时，整批产品却结块了。这是怎么回事？尽管两者的含水率相同，但水分活度却不同。

汤料混合物的水活度为0.28 aw，而辣椒的水活度为0.69 aw，高于汤料的临界水活度。水活度较高的物质总是向水活度较低的物质迁移，因此水分从辣椒迁移到汤中，导致混合物结块。 如果制造商在将辣椒加入汤料前测量了其水活度，本可以预见到结块现象，因为他们知道0.69 aw已超过了汤料的临界限值。通过追踪进料原料的水活度，制造商可以监控供应商的质量，并设定低于临界水活度的验收标准。他们可以利用这些信息来确保进料原料的一致性。

制定成功之道

水分活度对产品配方也至关重要。如果你生产一种零食蛋糕，并分别绘制了糖霜、奶油馅和蛋糕本体的等温线，你会发现每种原料的水分活度与含水量之间存在不同的关系。每条曲线呈现出不同的形状（图4）。

当水分活度略低于0.7（垂直线）时，各配料的含水量各不相同。糖霜含水量为5%，奶油馅接近15%，蛋糕本体则为20%。当顾客咬下一口这款点心蛋糕时，不同的含水量会带来各异的口感。 您可以将每种配料精确调配至这一水分活度，这样各组分就能保持其水分含量和质地。由于所有组分的水分活度相同，水分不会在组分之间迁移。

减少过度包装，提高利润

某宠物食品制造商将产品水分含量控制在6.5%，因为按照这一标准，他从未遇到过变质问题。他绘制了一条等温线，发现当水分含量为6.5%时，其产品的水分活度为0.4，远低于任何微生物限值。 但他的水分标准是否过低了？鉴于宠物食品允许的最高水分含量为10%，他完全可以安全地提高水分含量和水分活度，从而增加利润率并改善产品质地。

在利用等温线数据确定临界水分活度限值并进行保质期计算后，这家宠物食品制造商将新的水分活度规格设定为0.6，这相当于9.5%的水分含量。 这两个数值均在安全及法规允许的范围内。通过提高水活度和水分含量标准，他降低了原料成本。生产同等数量的宠物食品所需原料更少，实质上是用水替代了部分原料。此外，由于烘箱烘烤时间缩短，电力和热能消耗也随之减少。而且由于水分含量更高，产品品质也得到了提升。通过深入理解水活度，该制造商得以在不牺牲质量或安全的前提下，持续提升利润。

提高化学/生物化学稳定性

水分活度会影响食品和药品中发生的各类化学反应的速率。

图5是由Ted Labuza博士绘制的图表，显示在水活度接近0.6时，大多数反应速率都会增加。该图表展示了细菌、酵母和霉菌的生长范围。 该图还显示了酶活性的增强范围。美拉德反应在水活度约为0.6时达到峰值，随后开始下降，因为此时基质中的水分增多，导致反应被稀释。脂质氧化则呈现出一种特殊趋势：在低水活度时活性较高，而在较高水活度时活性再次升高。值得注意的是，在0.3-0.4的水活度范围内，脂质氧化反应更为稳定，这对薯片等含大量油脂的产品尤为重要。

为什么需要水分活度

水活度是系统中水的活性。它是一种定性指标，是产品本身固有的特性。它是推动微生物生长、水分迁移以及物理和化学变化等现象发生的驱动力。而水分含量仅仅指水的数量。它本身并非驱动力，因此无法预示水将产生何种作用，只能说明其中含有多少水。

水活度是防止微生物生长、维持物理和化学稳定性、进行产品配方设计以及预测保质期的关键指标。

参考文献

Labuza, Ted P., K. Acott, S. R. TatiNl, R. Y. Lee, Jv Flink 和 W. McCall. “水分活度的测定：不同方法的协作研究。”《食品科学杂志》第41卷第4期（1976年）：910-917页。

斯科特，W. J. 《食品腐败微生物的水合关系》。载于《食品研究进展》第7卷，第83-127页。学术出版社，1957年。

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