技术文章

强调水分活度在食品中的作用对于食品质量、稳定性和安全性至关重要。水活度是可用于预测食品在微生物生长、变质反应速率和物理性质方面的稳定性和安全性的重要属性。纵观整个历史，通过干燥、冷冻或添加糖/盐控制食品中的水分来保持和控制食品质量的重要性已得到认可。水分活度是系统中水的能量状态（或水“受约束”的程度）的量度。它可以用作溶剂并参与微生物的化学和生化反应以及微生物的生长。水分活度的概念已被各种监管机构纳入，以定义有关不佳的微生物生长的安全法规、潜在危险食品的定义、关键控制点、几种腌制食品的标准以及包装要求。

食品中的水具有两个基本属性：水分含量和水分活度。水分含量描述的是食品系统中水的总量;而水分活度描述的是产品中水的能量状态或逸出趋势。产品的水分活度等于在密闭的测量室中与产品平衡的空气相对湿度。只有同时规定水分含量和水分活度两个指标才可充分描述产品中水的状态。其中，水分活度是食品质量和安全问题中较重要的属性。

图一展示了以降解反应速率表示的食品稳定性与水分活度的关系。水分活度可预测食品在微生物生长、化学和生化反应速率以及物理性质方面的安全性和稳定性。通过测量和控制食品中的水分活度，可以：

1）预测哪些微生物将成为腐坏和感染的潜在来源;

2）保持食品的化学稳定性;

3）非酶促褐变反应和自发的自催化脂质氧化反应;

4）延长食品中的酶和维生素的所需活性；

5）优化食品的物理特性，例如质地和保质期。

图一 水分活度——稳定性关系图

Lipid Oxidation脂质氧化      Browning Reactions褐变反应      Moisture Sorption Isotherm水分吸附等温线    

Enzyme Activity酶活性         Mold Growth霉菌生长          Yeast Growth酵母生长          Bacteria细 菌

微生物安全

食品安全的内容之一是防止有害微生物的生长和毒素的产生。美国一项调查显示，1995年以来美国消费者对其食品供应安全的信心有所提高，有77％的购物者现在已*或大体上对超市食品的安全性感到满意。但是，变质和细菌污染仍被认为是危害食品安全的问题所在。

斯科特（Scott）研究发现，微生物生长具有一定的极限水分活度要求，低于此水平它们将不会生长。因此，水分活度——而不是水分含量，决定了微生物生长可用水的下限。绝大多数食物腐坏细菌能生长的水分活度水平约0.90。在厌氧条件下，金黄色葡萄球菌的生长在0.91的水分活度下即会受到抑制，但是在有氧条件下，抑菌水分活度水平是0.86。霉菌和酵母菌的水分活度极限约为0.61，而产毒素霉菌的生长水分活度极限为0.78。表一列出了对公众健康具有重要意义的微生物生长的水分活度极限，以及通常具备该水分活度水平的食品实例。

表一 食物中的水分活度和微生物生长

化学和生化反应活性

水分活度不仅影响微生物腐坏，还影响食品中的化学和酶促反应。在食品系统中，水可能充当溶剂、反应物，或通过影响食物系统的粘度而改变反应物的流动性。因此，水分活度影响非酶促褐变、脂质氧化、维生素降解、酶促反应、蛋白质变性、淀粉糊化和淀粉降解的速率和程度。

非酶褐变速率随水分活度的增加而增加，在水分活度为0.6-0.7时达到达值（见图一）。当水分活度处于中间范围时，脂质氧化率小，在高水分活度和低水分活度时氧化率都将增加（氧化率的变化由不同的机制造成的）。这些反应会导致食品产生非常令人讨厌的味道。食物系统中水溶性维生素的降解随着水分活度水平的增加而增加。大多数酶和蛋白质必须保持构象才能保持活性，而酶和蛋白质的稳定性受水分活度的影响较大，因此，保持关键的水分活度水平以防止或诱使构象变化对食品质量很重要。大多数酶反应在水分活度低于0.8时会减慢，但即使在非常低的水分活度水平下某些反应也会发生，例如0.2-0.3。水分活度也会影响淀粉的糊化温度和回生速率。

物理性质

除预测各种化学和酶促反应的速率外，水分活度还会影响食品的质地。水分活度高的食品具有被描述为湿润、多汁、细嫩和耐嚼的质地。当这些产品的水分活度降低时，则会产生发干发硬的质地属性。通常，水分活度低的食物具有被描述为酥脆的质地特征，而较高的水分活度可能会使质地变得湿软。

干燥的谷物类食品和淀粉类的休闲食品（例如薄脆饼干、土豆片、膨化的玉米卷和爆米花）会随着水分活度的增加而失去感官脆性。干燥休闲食品的脆性强度和口感是水分活度的函数。当产品从感官角度变得不可接受时，可以发现关键水分活度水平，此时产品进入的水分活度范围是在简单糖食品系统中发生从无定形到结晶的转变，并开始动员可溶性食品成分的活度水平。过度和快速干燥或玻璃质材料吸收水分会导致不好的后果，例如因开裂和过度断裂造成产品的损失。

水分活度是控制多组分产品水分迁移的重要参数。某些食品包含不同水分活度水平的组分，例如夹心奶油点心蛋糕或干果谷物。在这些食品中，水分会从水分活度高的区域迁移到水分活度低的区域。多组分食品中的水分迁移可能会导致不佳的质地变化，例如，水分从水分活度较高的干果迁移到水分活度较低的谷物从而导致水果变得干硬，而谷物变得湿软。

水分活度也是影响粉末和脱水产品在储存稳定性的重要因素。控制粉末产品中的水分活度可保持适当的产品结构、质地、稳定性、密度和再水合性能。了解粉末的水分活度与水分含量和温度的关系对在加工、处理、包装和储存过程中防止结块、塌陷和发粘等有害现象至关重要。其中，结块不仅与水分活度、时间和温度有关，还与粉末在重力作用下塌陷现象有关。

货架期/保质期和包装

水分活度还决定了产品的保质期。影响食品的微生物、质地、风味、外观、香气、营养和烹饪品质方面的关键的较高和较低的水分活度水平可以被确定下来。包装中的水分交换速率和食物的水分活度向临界极限变化的速率决定了产品的保质期。温度、环境相对湿度和临界水分活度水平的知识可帮助我们选择具有正确阻隔性能的包装，从而优化产品质量和保质期。

政府规章

美国FDA的食品药品生产质量管理规范（GMP）法规在定义食品安全法规时纳入了水分活度的准则。GMP法规旨在详细说明行业应遵循的特定要求和规范，以确保食品在卫生条件下生产、纯净、健康且食用安全。但是，单独的GMP法规或监管机构的活动都不能百分一百保证食品的供应安全。因此，利用危害分析和关键控制点（HACCP）等基于科学的系统帮助我们提高食品安全性并减少食源性病的发生率是必要的。甚至，HACCP计划对于食品行业的某些部门是强制性的。

HACCP的理念是，通过从头到尾监控生产过程来控制或预防食品安全问题，而不是单单依靠对成品的检测。HACCP可以识别出食品生产过程中可能发生潜在危害的地方，并确定预防问题的关键控制点。例如，建立目标水分活度以防止有害微生物的生长。通过控制主要食品风险，例如微生物、化学和物理污染物，食品行业可以更好地确保产品安全。

水分活度测量

企业需要可靠的实验室仪器来保证食品的安全并执行政府法规。过去，测量食品的水分活度是一个耗时且困难的过程。新的仪器技术显著提高了测量的速度、准确性和可靠性。测定水分活度的方法在AOAC International的*分析方法中进行了详细说明。当前市售的两种水分活度测量仪器，一种使用冷镜露点技术，另一种则使用检测电阻或电容变化的传感器来测量相对湿度。两种方法各有优点和缺点，并且在精度、重复性、测量速度、校准稳定性、线性度和便利性等方面各不相同。

露点法是蒸气压的主要测量方法，已经使用了数十年。采用冷镜露点技术的水分活度仪具有准确、快速、易于使用的特点。市售露点法水分活度仪的测量范围为0.030至1.000，分辨率为±0.001，精度为±0.003，测量时间通常小于5分钟。

露点法测定空气中蒸气压的基本原理是，空气可以在不改变水分含量的情况下冷却直到空气饱和为止，露点温度则是空气达到饱和时的温度。当冷凝开始时，通过测量冷镜的温度可以确定露点温度。样品的水分活度是露点温度下的饱和蒸气压与产品温度下的饱和蒸气压的比值。

在露点法水分活度仪（AquaLab）中，样品在一个装有反射镜、光学传感器、内部风扇和红外温度传感器的密闭腔室内达到平衡。平衡时，腔室内空气的相对湿度与样品的水分活度相同。一个热电冷却器准确地控制反射镜温度；一个光学反射率传感器检测*出现凝结的确切点，一束红外光被引导到反射镜上并反射回光电探测器，当反射镜上发生冷凝时，探测器检测反射率的变化；连接到反射镜的热电偶准确测量露点温度；内部风扇使空气循环，这减少了蒸汽平衡时间并控制了反射镜表面的边界层电导；红外测温仪测量样品表面温度。露点温度和样品温度均用于确定水分活度。测量水分活度时，要反复确定露点温度，直到达到蒸汽平衡为止。由于测量是基于温度确定的，因此无需进行校准，但是可以运行标准盐溶液来检查仪器的功能是否正常。如有问题，可以通过检查反射镜并快速对其进行清洁从而解决。

其他用于测量水分活度的仪器使用电阻或电容传感器来测量相对湿度。这些传感器由吸湿性聚合物及其相关电路制成，该电路会产生与平衡相对湿度（ERH）相关的信号。市售的仪器可测量整个水活度范围，精度为±0.015。由于这些仪器将电信号与相对湿度相关联，因此必须使用少五个已知的标准盐溶液校准传感器。 当样品和传感器温度相同时，ERH等于样品的水分活度。电容式传感器的优点包括简单的设计和廉价的功能实现。但电容式传感器通常需要30至90分钟才能达到*的温度和蒸汽平衡，且实现准确的测量需要良好的温度控制。

对于许多食品来说，水分活度是食品质量和安全的一项重要属性。它可以预测食品在微生物生长、化学和生化反应速率以及物理性质方面的安全性和稳定性。 FDA将水分活度原理纳入联邦法规中说明了测量食品中水分活度的必要性。而新的仪器技术显著提高了水分活度测量的速度、准确性和可靠性。