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主營產品： 水分吸附分析儀,水分吸附等溫線,蒸汽吸附分析儀 |
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2017-2-21 閱讀(3550)
水活度測量及其溯源性
易洪
（中國計量科學研究院，北京100029）
摘 要：水活度是食品質量控制中的一個重要指標。通過測定水活度，可有效地評估食品的安全性和穩定性，降低食品水活度，可以延長食品的貨架期。本文介紹了幾種水活度的測量方法，從水活度的定義探討了水活度測量的溯源性問題，對于在食品生產、儲藏、流通和市場監管等方面水活度的準確測量和監控具有參考意義。
關鍵詞：水活度；相對濕度；水分；露點；溯源性
中圖分類號：TB943 文獻標識碼：B 文章編號：1674 -5795（2014）S1 -0064 -03
0 引言
水是地球上廣泛存在的物質，水也是人體和動植物中zui豐富的物質之一。水分含量對食品的穩定性是非常重要的參數。很久以前，人們就通過干燥的方法、化學的方法（例如加鹽或加糖）來控制食品里的水分，這種方法既控制了微生物的繁殖，同時也控制了食品的物理和化學穩定性。在食品中，水為生化反應提供了一個適宜的環境，水對食品的結構、外觀、味道以及對變質有著直接的影響，水分含量影響到食品的貯藏性能和消費者的接受程度[1-2]。
食品中的水分可分為自由水和結合水。相比較水分含量而言，水活度aw（ 水分活度） 對食品的物理、化學及微生物特性有著更為密切的關系。水活度主要反應食品平衡狀態下的自由水分的多少，反映食品的穩定性和微生物繁殖的可能性，以及能引起食品品質變化的化學及物理變化的情況。通過測量控制食品的水活度，選擇合理的包裝和儲藏方法，可以減少食品防腐劑的使用，可以保證食品、糧食、果蔬的貨架壽命[1-2]。
上，水分活度是食品質量控制中的一個重要指標[3]。通過測定水分活度，可有效地評估食品的安全性和穩定性。食品的水活度與病原性細菌的存活相關。科學證明，水活度低于0. 85 不會支持病源性細菌的生長。因此，在食品生產、儲藏、流通和市場監管等各環節中，水活度的檢測和監控都是重中之重。美國食品藥品監督管理局（ FDA） 所規定的食品生產過程良好操作規范（ GMP） 中明確地把水分活度定義為反應食品安全性的重要指標。在危害分析關鍵控制點（HACCP）監測系統中明確定義[4]：“可通過限制水分活度來控制微生物病原體的生長。0. 85 這個點的水活度低于葡萄球菌生長及危險物產生的水活度值。當食品的水活度低于0. 85 時，被認為是非潛在危險食物”。
1 水活度的測量方法
水活度aw 是指在一定溫度下樣品中水的蒸氣壓p與相同溫度下純水飽和蒸汽壓p0 的比值，該水蒸氣壓是和樣品中的水達到動態平衡時圍繞在樣品周圍的水蒸氣分壓。因此，水活度實際上就是樣品周圍空氣的相對濕度，只不過要求這時的相對濕度是和樣品中的水分達到動態平衡狀態，即樣品的水分含量和樣品周圍的空氣的相對濕度都有確定的值，不再發生變化。水活度是水蒸氣壓的一個比值，沒有單位。該比值范圍在0. 0 ~ 1. 0 之間，0. 0 是全干狀態的水活度，1. 0是純水的水活度。
aw = p / p0 = ERH（%） /100
水活度是一個熱力學狀態量。在水活度測量時，要求樣品系統達到熱力學平衡狀態。
水活度主要測量方法有[1-2,5]：冰點下降法；相對濕度傳感器測定法；冷鏡露點法；恒定相對濕度平衡法。這些方法各有特點。
1. 1 冰點下降法[1]
通過測量樣品中的水分含量，樣品冰點下降溫度，通過已知的水摩爾冰點下降常數我們就可以算出樣品的水活度。由于該方法是根據理想溶液的拉烏爾定律，有諸多條件限制，鑒于實際樣品形態的多樣性，加之測量樣品冰點過程比較繁復難于測準冰點溫度，建議謹慎使用冰點下降法測量水活度。
1. 2 相對濕度傳感器測定法
將樣品置于恒溫密閉的小容器中，用相對濕度傳感器測量樣品縫隙間的平衡相對濕度，即為水活度。注意使用的相對濕度傳感器不要帶有可能引起發熱的測量電路，測量其中的多個點，把測量平均值當做樣品的水活度。相對濕度傳感器的相對濕度量值必須經國家濕度標準裝置進行校準，即相對濕度的測量結果可溯源到國家濕度標準。
1. 3 冷鏡露點法
將樣品置于恒溫密閉的小容器中，用冷鏡露點儀測量樣品縫隙間的平衡水蒸汽壓即露點值，同時用溫度計測量樣品的溫度，然后計算平衡相對濕度，即為水活度。該方法由于測量準確迅速是目前許多使用的水活度測量方法。但采用冷鏡露點儀測量水活度時，應注意其他雜質可能對測量鏡面的干擾。
1. 4 恒定相對濕度平衡法[1-2,5]
恒定相對濕度平衡法是在恒定溫度下，把樣品放在一個小的密閉室內，使用適當的飽和鹽溶液濕度源，使密閉室內樣品的環境空氣保持在恒定的相對濕度下，測定樣品中的水分含量，zui后讓樣品水分含量達到一個恒定的平衡值。這時的恒定的相對濕度就是水活度。該方法是一個真正讓樣品和其周圍環境得到水分平衡的實驗途徑。該實驗要求在幾周的時間里持續檢測樣品中水分含量的變化，樣品測量時間長，工作量大，樣品水分zui終接近平衡狀態。但需要注意樣品在這幾周的時間里不會腐爛變質。
2 水蒸氣吸（脫）濕等溫線
水蒸氣吸（ 脫） 濕等溫線是指在一定溫度下，樣品中的水分含量和樣品水活度的關系曲線。它是以樣品水分含量為縱坐標，水活度為橫坐標作圖所得到的等溫關系曲線。以此可以判斷食品在加濕（吸濕） 和干燥（脫濕） 過程中，樣品水活度的變化趨勢。吸濕（脫濕）等溫線可以通過在一定溫度下不斷定量加水或干燥樣品后樣品中的水分達到平衡時的樣品含水量和平衡相對濕度的測量獲得[6-7]。如果結合食品中的其它性能指標如微生物含量和防腐劑含量的測量[8-10]，人們就可以了解食品中水活度大小與微生物和防腐劑含量之間的定量關系。
在食品行業中水活度的測量是產品加工和儲存和包裝的基礎。通過測量和控制水活度實現食品防腐（不加防腐劑）是現代健康加工工藝理念，其理論依據是食品微生物生存與水活度密切相關，通過控制食品中水活度的大小可以達到添加防腐劑抑制微生物生長的同樣效果。因此，通過建立食品水活度和等溫吸濕線準確測量方法，結合食源性病原微生物和食品防腐劑檢測研究，人們就可能找到控制食品在一定水分活度時，在保證食品微生物處于安全區域情況下，盡量減少防腐劑使用量的技術依據，為國家制定更加先進的食品和藥品微生物安全關鍵技術指標提供技術支撐。
3 水活度測量的溯源性
根據水活度的定義，我們知道，水活度實際上就是樣品周圍空氣的平衡相對濕度，相對濕度的測量可溯源到國家濕度標準[11-12]。準確測量水蒸氣壓的標準方法是冷鏡露點法，冷鏡式精密露點儀采用露點溫度的定義，即在等壓的條件下使氣體中水蒸氣冷卻至凝聚相出現，通過測量與氣體中的水蒸氣呈熱力學相平衡狀態的水或冰平展表面的溫度，即得到該氣體的露點溫度[13]，由此來測量水蒸氣壓的大小。在相對濕度測量中，冷鏡露點法是上普遍采用的可溯源到SI單位的標準方法[11]。在食品水活度測量中冷鏡露點法也是各國推薦使用的方法。采用冷鏡露點法測量食品中的水活度應溯源到國家濕度標準和溫度標準。若微生物和防腐劑含量測量也采用國家有關標準物質定值，則水活度、病原微生物和防腐劑含量測量均可溯源到國家標準方法和國家標準物質，確保所有測量結果準確可靠有效。
根據食品中水的兩相平衡原理，如果將食品置于恒定的相對濕度環境中，只要時間足夠長，食品中的水分含量將保持不變，這時環境相對濕度和食品中的水分含量存在對應關系，這就是恒定相對濕度平衡法原理。水活度的測量中假設食品體系是處于平衡狀態，也就是說，食品體系的內外蒸汽壓相等。但實際大多數食品體系是非平衡的，在加工和儲藏過程中這些體系通常處于熱力學非穩定狀態，這種狀態持續時間還相當長，因此實際水活度測量結果難以反映平衡狀況。使得測量結果產生一定的偏差，在這種情況下采用恒定相對濕度平衡法進行測量就比較準確。無論如何該環境相對濕度測量也應該溯源到國家濕度標準。
在冰點以下溫度的冷凍食品中水活度和食品微生物的關系研究較少，這里首先需要解決低于冰點溫度下的水活度定義和測量問題，在冰點以下水的穩定形態是固體冰，在一些情況下冰點以下的水也可以是過冷水狀態。但是，冰點以下冰的飽和蒸汽壓和過冷水的飽和蒸汽壓是不同的[14]，計算水活度時要注意是采用冰的飽和蒸汽壓還是過冷水的飽和蒸汽壓。建立低溫下水活度的測量方法，對于研究低溫下食品中水活度和食品微生物生長的關系，了解食品中水的存在形態及變化規律具有重要意義。
參考文獻
［1］謝明勇，胡曉波，王遠興. 食品化學［ M］. 北京：化學工業出版社，2011.
［2］謝筆鈞. 食品化學［M］. 北京：科學出版社，2011.
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［4］ FDA，CFR. Water Activity and Government Regulations，Application Note［ M］ . Washington：U. S. Government Printing Office，1998.
［5］鄭藝華，華澤釗，馬永志. 食品中水分活度的測量［ J］. 現代儀器，2006 12（2）：11 -14.
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［7］中華人民共和國衛生部，國家標準化委員會. GB/ T5009. 3-2003 食品中水分的測定［ S］. 北京：中國標準出版社，2003.
［8］中華人民共和國衛生部. GB 5009. 33 - 2010 食品中亞硝酸鹽和硝酸鹽的測定［S］. 北京：中國標準出版社，2010.
［9］中華人民共和國衛生部，國家標準化委員會. GB 5009. 29-2003 食品中山梨酸、苯甲酸的測定［ S］. 北京：中國標準出版社，2003.
［10］國家質量監督檢驗檢疫總局. GB 2726 - 2005 熟肉制品衛生標準［S］. 北京：中國標準出版社，2005.
［11］國家技術監督局. JJG2046 - 90 濕度計量器具檢定系統［S］. 北京：中國計量出版社，1990.
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［13］國家質量監督檢驗檢疫總局. JJG499 -2004 精密露點儀檢定規程［S］. 北京：中國計量出版社，2004.
［14］李英干，范金鵬. 濕度測量［ M］ . 北京：氣象出版社，1990.
