食品稳定性与水分活度

从以上的分析可以看出：虽然食品水分含量相同，但如果体相水和结合水所占比例不同，那么水与各种非水组分的缔合程度也就不同，从而导致水分活度Aw不同，食品的稳定性也就不同。在此从以下几个方面讨论这个问题。

一、水分活度与微生物生命活动的关系

在表2-5中列出了各种常见的微生物能够生长的Aw范围，同时也将常见食品按它们的Aw分类列于表中。

表2-5　食品中水分活度与微生物生长

续表

在许多情况下食品稳定性与Aw是紧密相关的，表2-5和图2-22（1）中的数据提供了能说明这些关系的实例。不同的微生物在食品中繁殖时对Aw的要求不同。一般来说，Aw＜0.9，细菌不生长；Aw＜0.87，大多数酵母菌受到抑制；Aw＜0.8，大多数霉菌不生长；Aw＜0.6，绝大多数微生物都无法生长。我们把微生物生长所需的最低水分活度称为阈值，Aw低于阈值，微生物生长受限。

二、水分活度与食品化学反应的关系

图2-22中的数据是在25～45℃范围反应速度和Aw的定性关系。为了便于比较，在图2-22（6）中还加上一条典型的水分吸着等温线。试样的成分、试样的物理状态和结构、大气的成分（尤其是氧的含量）、温度和滞后效应都会改变确切的反应速度和曲线的位置和形状[图2-22（1～5）]。

在图2-22中，所有化学反应在解吸过程中首次出现最低反应速度是在等温线区Ⅰ和区Ⅱ的边界（Aw为0.20～0.30），除氧化反应外的所有反应当Aw进一步降低时仍保持此最低反应速度。在解吸过程中，在首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET单分子层”水分含量。

在Aw很低时，脂肪氧化速度和Aw的变化与其他反应不同[图2-22（3）]。从等温线的左端开始，加入水至BET单分子层水值，脂肪氧化速度逐渐下降。显然，经受氧化的试样过分干燥会导致稳定性低于最佳稳定性。对这个现象可以作如下解释：最初加入至非常干燥样品的水与氢过氧化物结合，妨碍了它们的分解，从而阻碍氧化进程。此外，这部分水还同金属离子水合，降低它们催化氧化的效率。继续加入水超过区Ⅰ和区Ⅱ的边界[图2-22（3）和图2-22（6）]会导致氧化速度的增加，加入至等温线此区域的水提高了氧的溶解度和促使大分子肿胀，从而暴露更多的催化部分，加速氧化反应。在Aw（＞0.80）较高时，加入的水会稀释催化剂，降低其效率，因而阻止氧化。

图2-22　几类重要反应的速度与Aw的关系

三、降低水分活度提高食品稳定性的机理

从图2-22（1）、（4）、（5）可以看出美拉德反应、维生素B1的降解和微生物的生长曲线都在中等至高Aw时显示最高反应速度。对于在中等至高水分含量食品中反应速度随Aw提高而下降的现象，有以下两种解释：

①在这些反应中水是一个产物，水含量的增加导致产物抑制作用。(www.xing528.com)

②当试样中水分含量已达到这样的水平，使能够促进反应速度的成分的溶解度、可接近性（大分子表面）和流动性不再是速度限制因素，进一步加水将稀释速度限制成分和降低反应速度。

由于根据食品的BET单分子层水分含量值能很快地对干燥产品具有最高稳定性时的水分含量做出最初的估计，因此有关此值的知识具有重要的实际意义。如果能得到食品水分吸着等温线低水分端的数据，那么就比较容易测定BET单分子层水值。我们可以采用由Brunauer等推出的BET方程式来计算此单分子层水值。

（2-7）

式中：Aw是水分活度，m是水分含量（g H2O/g干物质），m1是BET单分子层水值，C是与吸附热有关的常数。实际上，在方程2-7中使用得更多的是P/P0而不是Aw。

根据此式，可作Aw/m（1-Aw）—Aw图，即BET图，显然是一条直线。图2-23是天然马铃薯的BET图，一般认为Aw大于0.35时此线性关系变差。

图2-23　天然马铃薯淀粉的BET图（回吸温度为20℃）

可按下述方法计算BET单分子层水值：

（2-8）

从图2-23得到Y截距为0.6，斜率为10.7，于是：

（2-9）

在这个特定的实例中，BET单分子层水值相当于0.2 Aw。

除了化学反应和微生物生长外，Aw也影响干燥和半干食品的质构。例如，为了保持饼干、爆米花和马铃薯片的脆性，避免颗粒状蔗糖、乳粉和速溶咖啡的结块和防止硬糖果的黏结，有必要将这些产品保持在较低的Aw下。0.35～0.5是不使干物质的期望性质造成损失所允许的最高Aw范围。不过，软质构食品需要较高的水分活度才可避免不期望的质地变硬，这是由于它们的水分活度大于环境空气的相对湿度，保存时需要防止水分蒸发。通过各种各样的包装可以赋予维持食品质构的小环境，满足不同食品对水分活度的要求。