水活度用于食品質(zhì)量與安全控制的研究進展

張朦，劉峰，鄒明強，*，潘思軼

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖北武漢430070；2.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京100123）

水活度用于食品質(zhì)量與安全控制的研究進展

張朦1，2，劉峰2，鄒明強1，2，*，潘思軼1

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖北武漢430070；2.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院，北京100123）

與水分含量相比，水活度是更有效反映食品品質(zhì)的熱力學(xué)概念指標(biāo)。國外多個組織如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國公職分析化學(xué)師協(xié)會-食品藥品管理局（AOAC-FDA），將水活度作為一項指標(biāo)納入多項有關(guān)食品質(zhì)量與安全檢驗控制的標(biāo)準(zhǔn)。介紹水活度指標(biāo)與水分含量指標(biāo)的關(guān)系，并對水活度檢測方法、相關(guān)規(guī)定以及其在食品質(zhì)量與安全檢驗控制等方面的應(yīng)用和研究進展進行了綜述。我國水活度在食品安全相關(guān)應(yīng)用和研究還存在標(biāo)準(zhǔn)制定、儀器研發(fā)等方面的嚴(yán)重不足。本文旨在引起相關(guān)重視，推動水活度在食品安全中應(yīng)用的發(fā)展。

水活度；食品；質(zhì)量與安全

隨著我國廣大人民生活水平的提高，改革開放30多年以來我們的溫飽問題得到了基本解決，但是居民飲食開始面臨新的挑戰(zhàn)——食品安全問題。該問題目前已經(jīng)成為影響中國農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)競爭力的關(guān)鍵因素[1]。

食品安全的管理模式強調(diào)“從農(nóng)田到餐桌”全過程管理，只有有效地控制食品生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)中潛在的微生物污染問題，食品工業(yè)才能生產(chǎn)出讓消費者放心的食品。水分活度的控制是阻止有害微生物生長及其他不良作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。實際上，在食品制造過程中的危害控制點只是很少一部分（3%），大部分安全問題都是貯存、運輸、銷售過程中的搬運不當(dāng)引起的。而控制水活度在限量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可以有效避免食品在生產(chǎn)、流通等多個環(huán)節(jié)中存在的質(zhì)量與安全隱患[3]。

1 水活度與水分含量的關(guān)系

水分活度是指食品在密閉容器中達到平衡狀態(tài)時的水分蒸汽壓與該溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值。它對于反應(yīng)食品穩(wěn)定性是更加可靠的熱力學(xué)概念指標(biāo)，因此對于食品安全檢驗意義更大；水分含量更多是作為食品工藝和生產(chǎn)上的指標(biāo)，可反映食品的口感與營養(yǎng)價值，當(dāng)然也是食品保藏中的一個因素。

在恒定溫度下，食品的水分含量與它的水分活度之間的關(guān)系圖稱為吸濕（著）等溫線（MSI）。圖1為一條典型的吸濕等溫線（測定儀器：VAS1008，DECAGON公司），描述了MCC（微晶纖維素）從低水活度到高水活度的解吸過程（使用DVS，即電容法，該法需要較長的穩(wěn)定時間，因此該過程出現(xiàn)了個別點的偏移），與從高水活度到低水活度的回吸過程（使用DDI，即露點法）。MCC（微晶纖維素）是食品、藥品、化妝品工業(yè)中的常用輔料，結(jié)構(gòu)簡單性質(zhì)穩(wěn)定，因此也被DECAGON公司的Vapor Sorption Analyzer（水蒸汽吸附分析儀）用作自檢樣品。

圖1 典型的吸濕等溫線Fig.1 The typical moisture sorption isotherm

水分測定和水活測定中，方法不同。MSI的概念對于食品生產(chǎn)過程中的干燥、包裝和貯存等過程都有著至關(guān)重要的影響作用。CHOWDHURY等通過在可食性淀粉膜材料中添加山梨酸鉀、丙酸鈉、苯甲酸鈉3種防腐劑，觀察該材料在不同溫度下的等溫吸濕曲線和熱量吸收等比容線的改變，從而為改善其易于滋生微生物的不良貯藏性能提供了有效的研究結(jié)果[4]。在功能性食品研究領(lǐng)域，MSI的作用也逐漸得到重視。需要指出的是水分含量和水分活度之間的關(guān)系并非線性關(guān)系，因此MSI曲線研究過程中建立合適的模型就顯得尤為重要。MENKOV等通過研究不同溫度下普通大豆粉的平衡吸濕曲線確定了最合適的水分活度與平衡水分含量以及溫度相關(guān)性的模型——Oswin模型，并指出：在相同水分活度下，大豆粉的吸附能力和單分子層水濕度含量會隨溫度上升而下降[5]。

基于以上分析，用水活度作為食品易腐敗性的指標(biāo)比用含水量更為恰當(dāng)，而且它與食品中許多降解反應(yīng)的速率有良好的相關(guān)性。食品中的降解反應(yīng)還會受其他一些因素影響，如氧濃度、pH、水的流動性和食品的組分等[6-7]。

2 水活度研究的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 反應(yīng)機理

水活度對食品品質(zhì)的影響常常通過以下幾種形式：酶促反應(yīng)[6]、淀粉的老化、蛋白質(zhì)變性等[8]。脂質(zhì)氧化、非酶褐變和蛋白質(zhì)氧化三者之間有相互聯(lián)系，水活度的改變可以通過協(xié)同作用引起氧化變質(zhì)的加速進行[9]。在微生物生長方面，低水活度能夠有效抑制單核李斯特菌的增生[10]；在常見食源性致病菌的生長中，水活度、溫度和pH能夠起到一定的協(xié)同作用[11]，水活度和溫度對于食品貯藏品質(zhì)也有一定相關(guān)性[12]；在影響大腸桿菌失活條件研究中，許多研究者已經(jīng)做了相關(guān)工作并證明在低水活度的不同溶劑中，大腸桿菌對于高溫抗性的增大；新的研究表明在低水活度的不同溶劑中，大腸桿菌對于高壓環(huán)境的抗性也會增大[13]。在脂質(zhì)氧化方面，非適宜的水分活度等因素會促進動物性食品中膽固醇過氧化產(chǎn)物（COPs）的形成[14]。

2.2 過程控制

除了對于改善食品貯藏條件，水活度研究對于延長貨架期的其他方式也有很大意義，比如農(nóng)產(chǎn)品保鮮材料的選擇與包裝內(nèi)食品的水活度有直接關(guān)系，利用氣相色譜IGC可以快速測量水分吸附狀況，產(chǎn)品水分吸附特點與警戒濕度含量、包裝尺寸、產(chǎn)品質(zhì)量可以共同決定篩選合適的包裝材料[15]。

2.3 食品質(zhì)量指標(biāo)

水活度除了對于食品安全控制有意義，對于食品品質(zhì)影響的研究也有很大意義，例如：對不同水分活度的益生菌奶粉進行加速試驗表明，益生菌在奶粉中的存活受奶粉基料水分活度影響顯著，奶粉基料水分活度越低，益生菌在奶粉中的存活穩(wěn)定性越強；吸濕等溫曲線和熱力學(xué)模型的建立可以有效評價對于發(fā)酵茶葉水分解析行為的品質(zhì)[16]。

2.4 食品工藝改善

半干食品（水活度在0.50～0.85）加工原理通常是在不同濃度下，測試氯化鈉，乳酸鈉，丙三醇（甘油），葡萄糖，蔗糖等水溶液的Aw（水活度），并測試降低Aw的協(xié)同作用，篩選最有效的RAA（水分活度降低劑）。中等濕度的肉品（intermediate moisture meat，IMM）調(diào)解水活度可獲得最佳感官指標(biāo)并延長貨架期[17]，半干魔芋食品可通過改變水活度優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

2.5 食品標(biāo)準(zhǔn)

國外在蛋糕、面包和派等具體食品的保藏要求主要有一下幾點：水活度＜0.85；炸薯條、苞米花、泡芙、咸味小零食等食品中：提出了Ac（Critical Aw），其本身可降至0.35～0.50；新鮮鯰魚的貯藏期和消費者可接受度（感官評定）：小蘇打在一定濃度范圍內(nèi)對水活度的改變很小[18-21]。

國內(nèi)關(guān)于水分活度的強制性規(guī)定基本還處于空白階段。之前對于水活度的研究主要應(yīng)用在糧食貯藏方面，對于食品質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍多沿用含水量指標(biāo)。而目前，美國日本歐洲等地區(qū)在進口我國農(nóng)產(chǎn)品及食品（如核桃、煙草、肉制品等）時，均要求在水活度指標(biāo)上達到其本國標(biāo)準(zhǔn)。因此為達到國際貿(mào)易的要求，水活度指標(biāo)在食品質(zhì)量與安全檢測控制等領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該越來越被重視。國家糧食局科學(xué)研究院2012年已經(jīng)把“糧油檢驗糧食籽粒水分活度的測定”作為立項制定的國家標(biāo)準(zhǔn)，正在征求意見稿過程中，預(yù)計標(biāo)準(zhǔn)將于2013年出臺。

3 水活度的測量方法及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 冰點測定法與鏡面露點冷凝法

冰點測定法的原理：溶液的冰點比純水低，通過冰點下降值，求出溶質(zhì)摩爾數(shù)，然后通過拉烏爾定律求出Aw。鏡面露點冷凝法的原理：露點在鏡面冷凝，通過觀測飽和蒸汽在冷凝面（鏡面）的溫度來確定水活度。后者的優(yōu)點更加明顯：最高的精確度±0.003；最快的檢測速度＜5min；檢測范圍：0.03 Aw～1.00 Aw；準(zhǔn)確度高；穩(wěn)定性好[22-23]。

ISO21807[24]和AOAC-FDA[25]對水活度的露點測定方法做了類似的具體要求，主要集中在操作范圍（0.600～0.999）和統(tǒng)計誤差（0.002）以及鹽溶液的導(dǎo)電性控制、測壓系統(tǒng)的水分蒸汽壓的穩(wěn)定性。

3.2 恒定相對濕度平衡法與電子濕度計法

恒定相對濕度平衡法的原理：樣品在密閉和恒溫條件下，分別在Aw較高和較低的標(biāo)準(zhǔn)飽和溶液中擴散平衡后，根據(jù)樣品質(zhì)量的上升或減少的量，求出樣品Aw。這種測量方法因其操作步驟繁瑣、測量時間較長已經(jīng)逐漸被以露點法為原理的儀器測量所取代。

電子濕度計法的原理：通過達到平衡狀態(tài)時樣品上方的飽和蒸汽壓的變化對濕度傳感器導(dǎo)電特性的變化來確定水活度，分為電容式和電阻式。該法將已知含水量的樣品置于恒溫密閉容器中，使其達到平衡；然后用電子傳感器或濕度測定儀測樣品和環(huán)境空氣的平衡相對濕度，即可得到Aw=ERH/100[22]。國內(nèi)生產(chǎn)的水活儀和部分歐美生產(chǎn)的水活儀使用此原理。

3.3 各國水活度測量儀器標(biāo)準(zhǔn)的比較

我國國標(biāo)規(guī)定關(guān)于水活度儀測試的規(guī)定較為簡單[22]，只對以下指標(biāo)做了說明：要求測量精度達到±0.02Aw，間隔5min相鄰2次測量響應(yīng)值差小于±0.005，密閉測糧倉溫度在20℃～25℃，濕度在50%～80%。

日本食品安全法[26]中沒有明確具體的水活指標(biāo)，重點側(cè)重于法案條例上的責(zé)任規(guī)定，而非技術(shù)指標(biāo)。這與我國食品安全法的大致情況相同。另外，日本食品安全法中規(guī)定的測量水活的方法有兩種，總體基于康氏皿法（即恒定相對濕度平衡法）和電容法。

HACCP，CAC/RAP，GAP，GMP，F(xiàn)SIS，F(xiàn)DA，ISO的相關(guān)水分活度標(biāo)準(zhǔn)[24-32]的整理基本可以達到一致化。主要是在儀器要求上的不同。FDA，ISO和日本的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求水活指標(biāo)測量儀器的測量的指標(biāo)主要有以下幾個：保證測量環(huán)境的溫度在（25±2）℃；測量電導(dǎo)率（電容法）；局部水分蒸汽壓；密閉系統(tǒng)的溫度變化和開放系統(tǒng)的冰點（露點冷凝法）。

3.4 水活度測量儀器在我國的銷售使用情況

由于各國標(biāo)準(zhǔn)能夠影響到國際進出口貿(mào)易，可根據(jù)水活儀的銷售情況大致得出該指標(biāo)目前的應(yīng)用情況。據(jù)筆者統(tǒng)計，2010年到2012年，我國水活儀銷量呈50%的增長趨勢。截至2012年，水活儀的年銷售量已經(jīng)達到100余臺。其中購買單位主要為高校、科研院所、食品企業(yè)、進出口檢驗檢疫部門；購買單位絕大部分分布在北京、上海、廣東、浙江，中西部省市較少。其中，食品企業(yè)占據(jù)了購買單位的49.6%，以大型食品企業(yè)的生產(chǎn)及研發(fā)部門為主；高校及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相關(guān)科研單位占據(jù)了30.1%；值得提出的是，出入境和第三方質(zhì)檢部門也在水活度指標(biāo)檢測上予以了重視，占到了購買單位的6.2%；其他例如石油化工、生物制藥、美容化妝品、煙草等行業(yè)單位也有購買水活儀用于生產(chǎn)研發(fā)及產(chǎn)品質(zhì)量控制。

4 國外各類食品中水活度的相關(guān)指標(biāo)

4.1 美國政府的水活標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)詳細論述了水活對于食品貯藏長期保存的重要意義，包括對于食品中有害微生物生長的影響，還對低酸性食品和酸性食品做了分類說明。

CFR對各種食品（谷物、玉米、水產(chǎn)品等）的水活都做了具體的分析說明，但是并未提供具體指標(biāo)。CFR指出：低酸性食品（pH4.6以上），酸性食品（pH4.6以下，像土豆番茄制品這樣雖然pH測出來在4.7以下，都要算作酸性食品而非低酸性）的劃分，并指出了Aw0.85的界限。

另外，對食品存在危害的微生物的生長，通常由水活度通常與pH的交互作用而決定。在適宜的酸堿度條件下，微生物能夠快速增殖；過酸或過堿的pH條件都能夠抑制微生物的生長。對此，美國食品藥品監(jiān)督管理局提出了關(guān)于潛在有害食品的pH和水活度的交互作用表（FDA-Potentially Hazardous Food Interaction Tables），見表1、表2。

美國食品安全法中規(guī)定：干燥的混合料、堅果、中等水分食品、脫水食品，以及其他同類通過控制水分活度（Aw）以防止有害微生物生長繁殖的食品，必須加工至保持安全的水分含量，采用下列一種或者多種有效措施即可達到這一要求：監(jiān)測食品的水分活度（Aw）；控制成品食品中可溶性固形物與水的比例；采用密封隔絕水分或其他手段防止食品吸收水分，使其水分活度（Aw）達到安全水平。

表1 pH和水活度的交互作用表（為了控制食品熱處理后的孢子，食品熱處理和包裝往往會破壞食物生長性細胞）Table1 Interaction of pH and Aw for control of spores in food heat-treated to destroy vegetative cells and subsequently packaged

表2 pH和水活度的交互作用表（為了控制非加熱食品或加熱不包裝食品的生長性細胞和孢子）Table2 Interaction of pH and Aw for control of vegetative cells and spores in food not heat-treated or heat-treated but not packaged

4.2 CAC/RCP 22（花生豆類作物）

安全的水分活度是指帶殼或去殼的花生中的水活度標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)要滿足能夠防止微生物的生長從而影響花生收獲、加工和貯藏環(huán)境。水分活度是對產(chǎn)品中自由濕度的測量，即在相同溫度下某物質(zhì)的溶液水分蒸汽壓除以純水的蒸汽壓的值。25℃（華氏77度）環(huán)境下超過0.70的水分活度被認(rèn)為是不安全的[27]。

4.3 CAC/RCP 55（花生）

25℃（華氏77度）環(huán)境下超過0.70的水分活度被認(rèn)為是不安全的。原因是，一旦超過此標(biāo)準(zhǔn)就會有黃曲霉毒素和寄生曲霉等有可能的曲霉微生物產(chǎn)生[28]。

4.4 CAC/RCP 51（谷物類作物）

真菌毒素和作物的關(guān)系中，鐮刀菌素的感染能夠?qū)е鹿任锏难悠谑斋@。谷物類作物的含水量應(yīng)該降低到霉菌能夠生長需要的濕度以下（一般是低于15%）。這樣有利于進一步防止真菌特別是鐮刀霉菌的生長來保證谷物的新鮮。避免堆放糧食產(chǎn)生濕度，盡快在段時間內(nèi)對谷物進行干燥、脫粒，能夠有效防止其中真菌生長[29]。

4.5 FDA/CFSAN魚類食品

對各種菌類的生長和失活的水活、pH、含鹽量、溫度、含氧量都做了具體規(guī)定。水活度需要＜0.83（金葡）。特別規(guī)定了李斯特菌[30]和肉毒梭菌[31]。

4.6 FSIS肉禽類干制食品

對于直接接觸空氣的肉干食品水活度需要＜0.70，一般性食品＜0.85（金葡）。需要指出的是0.85并不能抑制霉菌的生長，不過霉菌主要生長于水果（細菌霉菌競爭）、糧食作物中[32]。

5 小結(jié)

水活度是一個食品安全控制和質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，通過以上對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的探討，可以看出我國在水活度具體指標(biāo)等方面的研究進展存在嚴(yán)重不足，還不能與此需求相適應(yīng)，亟待進行相關(guān)研究結(jié)果。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，不僅在于研究層面不夠深入、水分活度的檢驗成本較之于水分含量較高，生產(chǎn)力水平、消費水平相對國外較低所決定的市場導(dǎo)向更是不可忽視的因素。該問題應(yīng)該引起相關(guān)部門的重視，國內(nèi)也應(yīng)逐步展開水分活度和吸濕等溫曲線的研究。

本文較全面綜述了水活度對食品質(zhì)量與安全的影響、國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，闡述了水活度在食品生產(chǎn)、運輸、貯藏等環(huán)節(jié)的重要作用，指出了水活度在食品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵控制作用，這對進一步研究食品中水活度和食品品質(zhì)、食品安全之間的相互關(guān)系具有重要的指導(dǎo)意義。

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A Review on the Water Activity Used in Food Quality and Safety Control

ZHANG Meng1，2，LIU Feng2，ZOU Ming-qiang1，2，*，PAN Si-yi1
（1.Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，Hubei，China；2.Chinese Academy of Inspection and Quarantine，Beijing100123，China）

Compared with water content，water activity is an index of thermodynamics concept which could reflect the food quality more effectively.Many foreign organizations，like International Standardization Organization（ISO）and Association of Official Analytical Chemists-Food and Drug Administration（AOACFDA），brought water activity as a index into many criteria related with food quality and safety inspection control. This paper introduced the relationship between the water activity index and moisture content index，summarized the detection methods of water activity，related laws，applications and research progresses about food quality and safety inspection control.The applications and researches of water activity in food safety were lack in standards setting and instruments development in China.This paper aimed to bring some attention，promotes the development the application of water activity in food safety.

water activity；food；quality and safety

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.03.034

2012-10-23

張朦（1989—），女（漢），碩士，食品安全檢驗。

*