水活性與微生物之測定
什麼是水活性 (water activity)?
食物的保存與易腐敗性息息相關,其中水分含量是重要的考量之一,是影響人們日常儲存食品的重要依據。在食品加工中,濃縮 (concentration) 和脫水 (dehydration) 的目的都是為了減少水分含量、提高食品中溶質 (solute) 的濃度,進而預防食品腐敗。然而,像是果醬、糖漿、蜂蜜等含水量高的食品為什麼不易腐敗,甚至可以常溫保存呢?這正是因為它們具有『水活性低』的特性;顯然,無法單純以食品的水分含量作為安定性的評斷標準。食品的水分含量 (俗稱水分,moisture),包含結合水及自由水。
- 結合水 (bound water),又稱束縛水、固定水,是與食品成分緊密結合、被抓住的水分子,不易被蒸發。
- 自由水 (free water),又稱游離水,是沒有被非水物質化學結合的水分子,容易自由移動、蒸發、散失,因此較容易與微生物、酵素 (enzyme) 或氧氣 (oxygen) 互相作用。
水活性 (water activity, aw) 指的在一相同溫度、氣壓環境的密閉空間中,某食品的飽和蒸氣壓 (P) 與純水的飽和蒸氣壓 (P0) 的比值。
因結合水無法『被蒸發』,食品的飽和蒸汽壓即是自由水蒸發的結果,所以水活性愈高代表自由水比例愈高。
水活性與微生物的關係
微生物 (microorganism) 生長需要一定程度的水分子才能夠繁殖生長、代謝,而微生物能利用的水分子就是自由水,所以當食品的水活性越高,就代表微生物越容易生長,造成食品腐敗;反之,水活性低、微生物不易生長,食品也就不易腐敗、而能夠延長其保存期限。影響食品安定性的微生物主要包含細菌 (bacteria)、酵母菌 (yeast) 和黴菌 (mold),不同微生物繁殖生長的最低水活性 (又稱最適生長水活性,optimum aw) 不盡相同,其範圍如下。由圖可知,在水活性低於 0.60 aw 時,大部份微生物無法生長。
因此,當食品的水活性降低到一定的程度以下時,就能夠有效抑制微生物滋長。食品加工過程中,可以透過乾燥、濃縮、添加潤濕劑 (humectant) 來控制、降低食品的水活性,如加熱、脫水(濕)、糖(鹽)漬等方法,延長其保存期限。上圖中的中濕性食品 (又稱半濕性食品、中度水活性食品,intermediate moisture food, IMF) 即是透過上述方法所製成的食品,其指的是水分含量約 20~40 %、水活性為 0.65~0.85 的半濕半乾食品,其水分含量仍高,但自由水及水活性皆下降,可以達到延長保存的目的,如蜜餞、義大利香腸 (salami sausage)、乾燥水果與前述所提及的果醬、糖漿、蜂蜜等。
中濕性食品的組織及風味接近天然,水分含量適量,使細菌與酵母菌無法生長,可以長期室溫儲藏、增加食品貯存性、提高產品價值。然而,中濕性食品仍易受到黴菌及部份酵母菌的感染,因此可透過加熱、添加抗黴劑 (anti-mold agent) 來改善。
中濕性食品 (intermediate moisture food, IMF) |
|
優點 |
缺點 |
•不須冷藏冷凍 •不用加水復原 •包裝要求較不嚴格 |
•無法抑制酵素作用 •無法抑制非酵素褐變 •無法抑制油脂氧化作用 •所加溶質往往無法被消費者接受,如防黴劑等 •溶質會與水分離 •會破壞食品的營養成份 |
水活性測定的原理 / 如何測定水活性?
水活性的測定方法,可參考 CNS 5255 食品水分活性測定法。傳統方法是將樣品與飽和鹽溶液 (亦可稱為校正鹽,saturated salt solution; saturated standard salt solution) 置於密閉容器中,如康威氏皿 (Conway dish; Conway’s dish) 或小型乾燥器等,再將密閉容器放入恆溫箱中進行蒸發,最後以校正鹽之相對濕度 (relative humidity, RH) 與樣品的重量增減百分率換算水活性。不過傳統方法操作複雜且耗時,所以目前大多數實驗室皆是採用水活性儀 (又稱水活性測定儀,water activity meter) 來取代傳統方法進行水活性的測定。水活性儀依其測量原理,主要可分為電阻式、電容式及露點式,其比較如下表。
測量原理 |
電阻式 |
電容式 |
露點式 |
測量精度 |
高,±0.01 aw |
高,±0.01 aw |
最高,±0.003 aw |
感測速度 |
慢 |
較快 |
最快 |
耐酒精性 |
高 |
濃度高時,易受影響 |
濃度高時,易受影響 |
成本 |
便宜 |
便宜 |
昂貴 |
除了測量的原理外,環境中的溫度、濕度以及樣品的組成特性也會直接影響水活性的測量結果,因此結果應以實際結果為主。
使用水活性儀之注意事項
1. 請避免環境溫度及濕度變化過大,以免影響測量結果。2. 若樣品為冷藏狀態,請先行解凍,並待回復室溫後再進行測量。
3. 若為固態樣品,請將樣品切碎、均勻混合,以增加反應表面積。
4. 使用校正鹽校正時,請以 25 ℃ 時之水活性為基準進行比對。
25 ℃ 時,飽和鹽溶液之水活性 (ISO 18787, Annex A)
鹽類 |
化學式 |
水活性 |
溴化鋰 |
LiBr |
0.064 |
氯化鋰 |
LiCl |
0.113 |
溴化鈣 |
CaBr |
0.165 |
醋酸鉀 |
CH3CO2K |
0.225 |
氯化鎂 |
MgCl2 |
0.328 |
碘化鈉 |
Nal |
0.382 |
醋酸鉀 |
K2CO3 |
0.432 |
硝酸鎂 |
Mg(NO3)2 |
0.529 |
溴化鈉 |
NaBr |
0.576 |
碘化鉀 |
KI |
0.689 |
氯化鍶 |
SrCl2 |
0.709 |
硝酸鈉 |
NaNO3 |
0.743 |
氯化鈉 |
NaCl |
0.753 |
溴化鉀 |
KBr |
0.809 |
硫酸銨 |
(NH4)2SO4 |
0.810 |
氯化鉀 |
KCl |
0.843 |
硝酸鍶 |
Sr(NO3)2 |
0.851 |
氯化鋇 |
BaCl2 |
0.902 |
硝酸鉀 |
KNO3 |
0.936 |
硫酸鉀 |
K2SO4 |
0.973 |
如何控制食品的水活性呢?
- 糖漬與鹽漬:增加溶質濃度及滲透壓,減少水含量,降低水活性。
- 添加保濕劑:多元醇 (山梨醇、甘油、己六醇、丙二醇),不僅降低水活性,且能抑菌及改善食品口感。
- 乾燥、濃縮:去除水分,如熱風乾燥、冷風乾燥、噴霧乾燥、冷凍乾燥、烘焙、擠壓、油炸、薄膜分離等。
- 冷藏或冷凍:冷藏或冷凍使得食品總含水量不變,但水活性下降。
- 良好之包裝:真空、充氮等,降低水分通透,降低水活性。
水活性相關規範
根據真空包裝即食食品良好衛生規範 (現存相關法規為食品良好衛生規範準則-第九章-真空包裝即食食品製造業,衛生福利部部授食字第 1031301901 號) 市售真空包裝食品應儲存販售之條件範例如下表所示。
食品之水活性 |
可儲存販售條件 |
舉例之產品 (水活性測定值) |
小於0.85 |
常溫 |
魯香口味蒟蒻干 (0.694) 蜜汁碳烤豬肉乾 (0.761) 香辣豬肉乾 (0.783) |
介於0.85及0.94之間 |
冷藏大於10天 |
八寶豆 (0.923) 起司 (0.937) |
大於0.94 |
冷藏小於等於10天 |
鳥鹹蛋 (0.975) 素食大補湯 (0.977) 原味鐵蛋 (0.98) 豆乾 (0.979) 鵪鶉皮蛋 (0.986) |
相關應用
- 加工食品,如蜜餞、肉乾、肉鬆、乾酪、果醬、XO 醬等
- 食品安全
- 烘焙業,如餅乾、麵包等
- 寵物食品
- 製藥業,如保健食品、健康食品
- 化妝品
- 學術研究,如食品加工學、食品衛生、微生物學
- CNS 5255 食品水分活性測定法
- ISO 18787, Foodstuffs - Determination of water activity
- 水活性控制與食品儲存,陳文賢,科學發展,2004年7月
- 食品化學,第2章-水分,第二版,2007
- 食品脫水乾燥,蔡敏郎
- 食品良好衛生規範準則,部授食字第 1031301901 號