水活度入门：掌握基础知识

什么是水分活度？水分活度与水分含量是一回事吗？如何测量水分活度？能否降低水分活度？

这些是关于水分活度的一些最基本的问题。为了回答这些问题——以及更多相关问题——我们汇集了Decagon水分活度专家布雷迪·卡特博士和内特·奥尔森博士的见解，为您全面概述水分活度的基础知识。他们的回答摘自“水分活度入门”网络研讨会。

什么是水分活度？

水活度是指物质中水的蒸气压与给定温度下纯水的蒸气压之比。在0到1.0的量表上，它反映了物质中水的可利用性或“自由度”。

水活度（aw）为0表示不含游离水，而水活度为1.0则等于纯水的蒸气压。水活度并非指物质中水的含量，而是指水的能量状态。二者之间存在一个关键区别，我们稍后将详细探讨。

我们为什么要关注水分活度？

水活度之所以重要，是因为水会引发产品中的多种变化。水的存在及其可利用性可能导致：

• 微生物滋生（细菌、霉菌、酵母菌）
• 化学变化（非酶褐变）
• 物理变化（结块、流动性、质地变化）

了解产品的水分活度，就能对其稳定性和安全性有深入的了解。掌握水分活度有助于配方师和制造商控制并延长产品的保质期，同时确保产品安全。

测定水分活度

测量水分活度的最常用仪器是冷镜露点仪（例如 AQUALAB 4TE）。

冷镜露点仪的工作原理是将样品置于一个密封腔室内，腔室内由小型电风扇循环空气。腔室内有一面镜子，该镜子被冷却至其表面形成水露。当发生冷凝时，仪器会记录样品上方的空气温度以及镜子的温度。利用这两个数值计算出蒸汽压，进而确定水分活度。

其他用于测量水分活度的仪器包括电子传感器和等压法（或称重量法）。鉴于本文仅作简要介绍，我们将重点介绍冷镜露点仪。

测量水分活度的理想温度为25°C，这也是仪器默认进行自动温度校正时的温度。许多AQUALAB水分活度仪可在约五分钟内显示读数，准确性为±0.003 aw。

水活度与含水率

这两项测量结果并不相同。它们的区别如下：

水分含量——物质中所含的水量，通常以占材料总重量的百分比（湿基）或占干物质重量的百分比（干基）表示。

水活度——物质中水分的能量状态，以蒸气压比的形式表示。

水分含量与水分活度之间并不存在普遍的关联。正因如此，水分活度才是预测产品行为和稳定性的更佳指标。

举个例子，考虑纯水和饱和盐溶液。两者的含水量相同——均为100%的水——但它们的水活度却不同。纯水的水活度为1.0，而饱和盐溶液（尽管其中大部分仍是水）的水活度却低于1.0，因为盐溶液中的离子会阻碍水分子自由运动。

两者确实存在一些相似之处。随着产品中水分含量的增加，水分活度通常也会随之上升。但二者之间的关系因产品而异，并非放之四海皆准。

吸附等温线

在水活度领域，吸附等温线是指在恒定温度下，水分含量随水活度变化的曲线图。

吸附等温线在食品科学中主要有两种用途：

1. 了解产品与湿气的相互作用（包装选择、保质期）。
2. 理解并预测质量属性——从质地到稳定性再到保质期，无所不包。

要绘制吸附等温线，需要针对特定产品和温度测量一系列水活度——含水量数据点，然后将这些数据点绘制成图。吸附等温线的形状因产品而异。

有些产物的等温线呈S形（S型），有些则更趋于线性。等温线的形状与产物对水的结合亲和力有关。

吸附等温线反映的是特定产品中水分含量与水活度之间的关系，而非不同产品之间的关系。如果两种产品的吸附等温线各不相同，而将它们混合在一起，则混合物的最终水活度将取决于各组分的水活度，而非其水分含量。

温度的影响

水分活度随温度变化而变化。随着温度升高，水分活度也会增加。这种关系因产品而异，但一般而言，温度每升高10℃，水分活度约增加0.03 aw。

温度对水分活度的影响是加工和储存过程中需要重点考虑的因素。如果产品在高温下生产后进行冷却，随着温度的降低，水分活度也会随之下降。这可能会导致冷凝，进而引发结块、结团及其他质量问题。

水分活度与微生物生长

水分活度与微生物的生长直接相关。每种微生物都有一个最低水分活度要求，低于该值，微生物便无法生长。

微生物生长的常见水分活度阈值：

• 0.97：如肉毒杆菌E型、荧光假单胞菌等细菌
• 0.95：沙门氏菌属、大肠杆菌等细菌
• 0.91：大多数细菌，包括枯草芽孢杆菌
• 0.87：金黄色葡萄球菌（需氧菌）
• 0.70–0.85：大多数模具
• 0.60：所有微生物生长的下限

这些数值是微生物生长的最低要求。如果某种产品的水分活度低于特定微生物的最低要求，该微生物就无法生长。

水活度的实际应用

我们之前提到，水分活度与微生物生长、化学变化和物理变化密切相关。下面让我们看看在实际操作中如何利用水分活度来控制这些变量：

微生物生长——通过设计水活度低于病原体最低生长要求的产品，配方师可以开发出无需冷藏即可长期保存的产品。美国食品药品监督管理局（FDA）将水活度0.85作为安全阈值，低于该阈值的产品无需冷藏即可确保安全。

化学变化——水分活度会影响非酶褐变、脂质氧化及其他化学反应的速率。了解水分活度与化学反应之间的关系，有助于配方师优化产品的保质期和风味稳定性。

物理变化——水分活度会影响质地、结块和粉体流动性等物理特性。了解水分活度如何影响这些特性，有助于制造商生产出物理特性稳定的产品。

水活度是配方师设计出安全性、稳定性和质量可预测产品的关键工具。通过理解和控制水活度，制造商能够生产出保质期更长、质量缺陷更少的产品，从而有助于减少食物浪费并提升可持续性。研究人员还利用水活度作为预测微生物生长、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依据。

常见问题

如何测量食品中的水分活度？

水活度的测定方法是将少量样品密封在密闭腔室中，并读取腔室顶部空间的平衡相对湿度，该数值即为样品在平衡状态下的水活度。最精确的仪器采用冷镜露点传感器（如 AQUALAB 4TE），约五分钟即可得出读数，且无需参照标准品进行校准。

水活度达到多少才算属于常温保存食品？

美国食品药品监督管理局（FDA）将水活度（aw）0.85作为阈值，低于该值的产品通常无需冷藏即可确保安全——水活度等于或低于该值的产品被认为能抵抗大多数病原体，具有常温保存稳定性。当水活度低于0.70时，霉菌生长会停止；而低于0.60时，任何微生物都不会生长，这就是为什么低水分零食和干货在配方设计上都力求保持在这个范围内。

温度会影响水分活度的读数吗？

是的，随着温度升高，水分活度也会增加，因为温度较高的水分子会产生更高的蒸汽压。这意味着在25℃下测量的同一产品，其水分活度会高于在15℃下测量的数值。测量结果应始终注明测量温度，而AQUALAB水分仪默认会进行自动温度校正。

水分活度能否预测褐变或脂质氧化等化学反应？

是的——水分活度直接决定了食品中非酶褐变、脂质氧化、维生素降解以及酶促反应的速率。大多数化学降解速率在水分活度为0.2至0.4时最低，而在水分活度超过0.6时则显著增加，因此水分活度是预测风味稳定性、色泽稳定性、营养素保留以及微生物安全性的关键变量。

水分活度是否受美国食品药品监督管理局（FDA）监管？

是的，美国食品药品监督管理局（FDA）在《联邦法规》第21篇第117部分以及《食品安全现代化法案》（FSMA）预防性控制措施中，将水分活度作为控制参数，并规定当水分活度（aw）低于0.85时，产品通常无需冷藏即可确保安全。将水分活度作为预防性控制措施的制造商，必须对目标值进行验证、制定监测程序，并记录成品验证情况。

参考文献

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