控制产品质量还是质量决定生产-水分活度在生产过程中的应用

AquaLab作为全球专业的水分活度解决方案领导者，采用可溯源的镜面冷凝露点方法，是中国药典、ISO、AOAC和美国USP、FDA等推荐使用的方法，能够在5分钟内快速测量样品的水分活度。目前全球有80%的用户都选择使用AquaLab水分活度仪。

如有需要，请联系AquaLab北京办事处（010）65610082。

摘要

确实，食品质量控制和安全是一个复杂的主题，并且存在不同的看法和观点。棘手的事情是能准确地找到可以提供良好决策所需结果的方法和仪器（无论批次是否合格）。当然，解释这些测试结果的专业知识对于从不同分析中获利也很重要。

水分活度是食品质量控制中最被忽视的参数之一。通常，它被用于微生物风险的测定和缓解，但其限值往往远超出实际值，如果水分活度稍微有变化，没有人会去真正关心，只要在限值范围内，一切都是没问题的。但与此同时，生产优化的机会会被错过，资金仍将被生产问题、质构不符、口味不符等浪费。不同担心，水分活度测量可解决这些问题。

介绍

在认真谈论水分活度之前，必须先知道什么事水分活度（aw）。水分活度起源于经典的热力学，定义为在相同温度下样品的蒸汽压除以纯水的蒸汽压。

aw=样品的蒸汽压/纯水的蒸汽压

实际上，它是一种物理化学意义上的活性（或潜力），与产品中游离水的量几乎没有关系。这都是关于游离水与产品的相互作用。参考是具有最高水分活度的纯水。与产品的相互作用越多，游离水的“活性”就越弱，从而水分活度下降。

另外，水分活度与水分含量不同，水分含量描述了产品中的总水分。如果水分含量为5%，那么总水分中有多少是自由的，有多少是水分？没有这些重要的信息，就无从谈起微生物的风险、质地的变化等等。

为了确定aw值，在样品中的自由水和样品上方的空气湿度达到平衡后，测量样品上方的相对空气湿度。将检测到的空气湿度除以100得到aw值。

aw=ERH%/100，其中ERH为平衡相对湿度

仅当样品在测量过程中温度恒定并且一旦建立湿度平衡后，仪器进行测量时，才能进行准确可靠的水分活度测量。因此，温度测量室和自动平衡检测时绝对必要的。

可以从aw测量得到什么？

水分活度数值本身没什么可说，需要其他信息（图表、测试等）才能将其细菌生长、氧化或其他效应联系在一起。

大多数客户每天都测量水分活度来确定微生物风险。他们有水分活度的限值，确保水分活度不高于限值，大多数水分活度限值是以避免细菌生长的方式设定的，特别是致病性细菌，但如果只是关注细菌这一点，就没有机会再化学和物理方面优化产品，从而节省了生产成本。

食品稳定性和水分活度的关系

我们可以看一下使用水分活度最常见的几个行业，并了解可以用水分活度优化生产的机会。

粉末行业（奶粉、香料、配料……）

测量粉末的水分活度是一件容易的事，但解释缺非常棘手。

更何况产品的质构突然变化、变色、氧化、结块或硬化无法进一步解释。水分活度和所有其他参数都在指标范围内。

看起来更接近物质层面上正在发生的事情。为了得到粉末，干燥步骤是至关重要，但它们也是问题的根源。在此过程中，无论使用哪种技术（喷雾干燥或鼓式干燥，甚至冻干），产品尺寸都会缩小（或成颗粒）。这将产生毛细管，其中毛细作用力会阻止自由水进入。当干燥发生在颗粒的表面时，内侧的水分要多于外侧，因此存在内部水分活度不等于表面水分活度的风险。

但是，如果必须测量产品的水分活度，会怎么做呢？一般是在干燥过程后或生产完成后立即取样。如果在这时测量水分活度，将获得颗粒的表面水分活度，没有机会从内侧测量到水分，因此要花更长时间才能达到这些颗粒中水的热力学平衡。

通过使用吸附等温线已经发表了一些解决该问题的方法。

通过对粉末的热处理，提出了一种新的可能解决方案。这对于玻璃化转变温度（Tg）在25-60℃范围内的单一成分非常有用。

重要的是要知道，Tg取决于aw值，分别取决于周围空气的空气湿度。

一种好的方法是将样品加热到其玻璃化转变温度以上数小时，以破坏毛细管和所有内部结构。然后降温，这样，毛细管中的自由水就可以被检测到。因为没有任何东西可以保留，一旦样品完全处于热力学平衡状态，这将会得到更高但真实的水分活度值。

所有这些最好都必须在水分活度仪中完成，以避免游离水的损失，因此仪器的密封性非常重要。

肉和鱼

产品的经济性对这个行业非常重要，如果一个国家对水分活度有规定，则很有可能会先在肉制品行业实行。有一个明确的水分活度为0.92 aw的限制是专门针对李斯特菌，每个厂家的目标是在产品中尽可能使用多的水，但不能存在李斯特菌繁殖的风险。产品中每多含1kg水可降低材料成本并提高利润。基于这个事实，微生物安全是重点关注的方面。

但是，如果产品像生涩的肉或鱼非常干的话，非酶褐变又变得非常重要。特别是所谓的褐变，是蛋白质和还原糖的重组，会使产品变得非常苦涩。把水分活度降低到0.20aw左右会对减少非酶褐变反应有帮助，但是实际生产中不可能在过程中实现，所以调整干燥温度和时间可以避免这种情况。为什么水分活度很重要呢，因为自由水将所有反应物输送到作用点，如果没有自由水，就没有非酶褐变。

面包、糖果、巧克力

除了水分活度在微生物安全方面很重要以外，该行业还涉及不同成分之间的水分迁移（例如华夫巧克力夹心、饼干中的巧克力等）和脂肪氧化。虽然可以通过将水分活度值调整到0.45-0.50 aw左右进行加工和储存来减少脂肪氧化，但是水分迁移还是一个很重要的问题。事实上，自由水在不同水分活度的成分之间迁移，而不是在不同水分含量之间迁移。为了避免水分迁移问题，产品中所有的成分都必须具有相同的水分活度，但这是一个很大的挑战。降低或增加水分活度与感官/质地/颜色变化同时发生，而且不能把1kg的盐直接加到10kg的产品中。

所以这是一个需要有折中方案，但是了解水分迁移方式将带来更稳定的产品，并减少其中化学/物理变化的风险。

制药

如果片剂的水分活度在规定的范围内，或者可以确定API或制剂的吸湿性以优化生产过程（暴露于空气的时间）并找到最佳的存储条件和包装，则可以减少包衣过程中的浪费。

水分迁移在制药行业也非常重要，尤其在涉及软胶囊的情况下，知道自由水如何迁移是非常有趣的，因为胶囊壳可能会变干，变得太硬（破裂）或变软失去其物理特性。填充物的优化可以防止此类问题，但是填充物的水分活度、溶解度、质构和稳定性的变化也在改变。

使用水分吸附等温线可以将水分活度和水分含量轻松的关联在一起，就可以在药品中获得有关水动力学和自由水行为的更多详细信息。

化妆品

化妆品是水分活度测量中的一门特殊学科，化妆品的问题是大多数产品是乳业，填充有滑石粉、甘油（软化剂）、香料等，因此各种化学药品以及天然产品的混合物非常多，对于乳业和其他液体化妆品，水分活度可用于确定微生物变质的风险。不可忽视的另一方面是水和油脂的分离以及脂肪的氧化，这会破坏化妆品（光泽、秃头、乳脂/乳液等）。重要的是将水分活度值控制在严格的范围内，以免发生此类问题。

此外，水分活度非常适合HACCP概念，并在多个生产环节中用作控制参数，因此一旦指标不在限制范围内，就可以进行及时干预。