什么是水分活度？

大多數(shù)樣品中的水對(duì)于產(chǎn)品的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是非常重要的。控制產(chǎn)品中的水分有多種方法，比如干燥或者化學(xué)/結(jié)構(gòu)結(jié)合（加鹽或糖）長(zhǎng)久以來(lái)都被人類(lèi)用來(lái)保存產(chǎn)品。這不僅僅控制了微生物的繁殖，而且也使產(chǎn)品達(dá)到了化學(xué)和物理穩(wěn)定。

只用水分含量不是一個(gè)可靠的預(yù)測(cè)依據(jù)

傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，對(duì)于產(chǎn)品或者添加劑的水分的探討集中在水分含量，這是對(duì)于產(chǎn)品中的水分總量的分析測(cè)量。產(chǎn)品中的水分對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)都非常熟悉。其中測(cè)量的方法是烘干失水干燥、紅外、核磁或者卡爾費(fèi)休滴定法。水分含量的測(cè)量對(duì)于符合產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)法規(guī)的要求、特定的配方以及監(jiān)控生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)是非常基本的。然而，只用水分含量并不是一個(gè)可靠的預(yù)測(cè)依據(jù)，特別是對(duì)于微生物的反映以及化學(xué)反應(yīng)方面。

化學(xué)結(jié)合的水分不能被微生物利用

水分含量測(cè)量作為產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量保證方面的指標(biāo)的局限性主要是在于產(chǎn)品中的水分是否和其他組分的結(jié)合程度存在差異。每個(gè)產(chǎn)品的安全水分含量都是不一樣的，比如，某個(gè)產(chǎn)品的安全水分是15%，而另外一個(gè)產(chǎn)品的水分含量為8%時(shí)就有可能造成微生物生長(zhǎng)。盡管更濕的產(chǎn)品含的水更多，但是水分與其他組分結(jié)合在一起就無(wú)法為微生物所利用。只利用水分含量的數(shù)值，不可能知道產(chǎn)品中有多少水分是可以被利用來(lái)支持微生物的生長(zhǎng)或者影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

水分活度與產(chǎn)品的質(zhì)量和安全問(wèn)題更相關(guān)

水分分析另一個(gè)重要的指標(biāo)是水分活度（aw）。水分活度描述了水的能量狀態(tài)或者樣品中水的逃逸傾向性。水分活度描述了在產(chǎn)品中水是怎樣結(jié)合在一起。水分活度和水分含量?jī)烧呓Y(jié)合分析才能明確描述水的狀態(tài)。然而，水分活度是和產(chǎn)品的質(zhì)量和安全問(wèn)題zui直接相關(guān)的。水分活度與系統(tǒng)中的吉布斯自由能有很大的關(guān)系。這樣，水分活度是一個(gè)熱動(dòng)力學(xué)的概念，需要進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)需要系統(tǒng)確定在穩(wěn)定狀態(tài)以及溫度和標(biāo)準(zhǔn)的相態(tài)。純水作為一個(gè)參考值或者標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，產(chǎn)品中的水分以純水為依據(jù)。從吉布斯自由能公式可以得到，純水的化學(xué)勢(shì)等于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的化學(xué)勢(shì)，所以純水的水分活度值為1。

水分活度是蒸汽壓的比值

水分活度是在相同溫度下產(chǎn)品中水分的蒸汽壓(p)和純水的蒸汽壓(p_o)的比值。空氣的相對(duì)濕度是空氣中水分的蒸汽壓和飽和蒸汽壓的比值。當(dāng)蒸汽和溫度達(dá)到平衡時(shí)，樣品中的水分活度等于在密閉的測(cè)量空間里樣品周?chē)諝獾南鄬?duì)濕度。水分活度乘以100即為平衡相對(duì)濕度（ERH）。

a_w = p/p_o = ERH (%) / 100

從上面公式可以看到，水分活度是蒸汽壓的比值，是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值。范圍是0.0a_w到1.0a_w。

結(jié)合的水并不是*固定不動(dòng)的

水分活度有時(shí)也被理解為樣品中的“結(jié)合水”和“自由水”概念。盡管這些概念非常容易理解，但是它并不是對(duì)水分活度概念的準(zhǔn)確描述。“自由水”并沒(méi)有遇到任何阻力來(lái)減少其自身的能量，因此，食品中的所有水分是“結(jié)合水”。問(wèn)題是不是來(lái)區(qū)分哪些水是“結(jié)合水”，而是這些結(jié)合的程度如何。水分活度是測(cè)量水分結(jié)合的程度以及把水從系統(tǒng)中移除所需要的力。結(jié)合的水分不要認(rèn)為是*固定不動(dòng)的。微生物和化學(xué)過(guò)程與這些“結(jié)合”能量狀態(tài)是一個(gè)非常基本的過(guò)程。因?yàn)樗殖尸F(xiàn)出不同的能量狀態(tài)，測(cè)量樣品中所有水分含量的方法并不總是與產(chǎn)品的安全和質(zhì)量有關(guān)，而水分活度則能反映真實(shí)的情況。

“結(jié)合水”和“自由水”不是非常有用的描述

系統(tǒng)中有多種因素影響水分活度，比如滲透、基質(zhì)以及毛細(xì)現(xiàn)象等。水分活度是所有這些因素的綜合表現(xiàn)，這些因素會(huì)降低水分的能量，從而相比于純水而言，降低樣品上方的蒸汽壓。由于滲透和基質(zhì)情況不一樣，水分活度描述的是系統(tǒng)中水的能量狀態(tài)連續(xù)性，而不是靜態(tài)的“結(jié)合”。“自由水”和“結(jié)合水”不是一個(gè)非常有用的概念，因?yàn)樗噲D用離散態(tài)的概念來(lái)對(duì)連續(xù)性進(jìn)行描述。

兩種分析方法的水分活度儀

目前沒(méi)有設(shè)備能夠直接把儀器放到樣品中來(lái)測(cè)量水分活度。然而，水分活度可以通過(guò)間接測(cè)量的方法得到。水分活度通過(guò)對(duì)樣品中的水分進(jìn)行平衡后測(cè)量密閉空間中空氣的相對(duì)濕度得到。水分活度的測(cè)量方法在AOAC的分析方法中有詳細(xì)說(shuō)明。新技術(shù)的發(fā)展在水分活度測(cè)量速度、準(zhǔn)確性和重復(fù)性方面得到了很大的提高。可靠的實(shí)驗(yàn)室儀器用于保證產(chǎn)品的安全以及加強(qiáng)政府的法規(guī)要求。目前有兩種不同類(lèi)型的水分活度儀可以提供，一個(gè)是鏡面冷凝露點(diǎn)技術(shù)，另外一個(gè)是利用相對(duì)濕度傳感器來(lái)改變電阻或電容得到。每種技術(shù)都有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。各種方法在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、測(cè)量速度、穩(wěn)定性、線性以及使用方便性方面有很大的區(qū)別。

鏡面冷凝露點(diǎn)方法

在鏡面冷凝露點(diǎn)法中，樣品放在樣品杯中并在一個(gè)有傳感器的密閉空間中，里面有露點(diǎn)傳感器、紅外溫度傳感器以及風(fēng)扇。露點(diǎn)傳感器測(cè)量氣體中的露點(diǎn)溫度、樣品溫度通過(guò)紅外傳感器測(cè)量。通過(guò)測(cè)量這兩個(gè)溫度可以計(jì)算得到空氣中的相對(duì)濕度。通過(guò)計(jì)算露點(diǎn)溫度飽和蒸汽壓和在相同溫度下的飽和蒸汽壓的比值得到。當(dāng)樣品中的水分活度和空氣中的相對(duì)濕度達(dá)到平衡時(shí)，氣體的相對(duì)濕度測(cè)量就是樣品的水分活度。風(fēng)扇的作用是加快平衡以及控制露點(diǎn)傳感器邊界層的傳導(dǎo)性。

5分鐘內(nèi)測(cè)量水分活度

鏡面冷凝露點(diǎn)法的zui大優(yōu)勢(shì)是在于測(cè)量速度和準(zhǔn)確性。鏡面冷凝露點(diǎn)是基于基本的熱動(dòng)力學(xué)原理，是測(cè)量相對(duì)濕度的方法。鏡面冷凝露點(diǎn)儀器可以在5分鐘內(nèi)測(cè)量得到的準(zhǔn)確性為±0.003a_w。由于測(cè)量是基于溫度的測(cè)量，這樣無(wú)需進(jìn)行校準(zhǔn)，但是建議在測(cè)量樣品前做一次標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液來(lái)檢查確認(rèn)儀器是否正常工作。如果測(cè)量結(jié)果有問(wèn)題，需要對(duì)鏡面和儀器進(jìn)行清潔。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，快速的測(cè)量可以使工廠能夠在現(xiàn)場(chǎng)快速的檢測(cè)樣品的水分活度。

電子濕度計(jì)

另外一種水分活度測(cè)量?jī)x器是利用電阻或電容傳感器來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度。這些傳感器的材料是吸水性聚合物以及相關(guān)的線圈，可以得到平衡相對(duì)濕度的電流信號(hào)。商品化儀器測(cè)量全范圍水分活度，準(zhǔn)確性為±0.01w。由于這些儀器測(cè)量相對(duì)濕度所對(duì)應(yīng)的電流變化，所以必須要用已知的標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，平衡相對(duì)濕度等于樣品水分活度是需要在樣品和傳感器溫度一致的情況。正確的測(cè)量水分活度需要有一個(gè)很好的控溫技術(shù)或者準(zhǔn)確的測(cè)量。電容傳感器的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及價(jià)格便宜。