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水活性竟會影響食品保存期限！水活性測定儀原理與規範

水活性竟會影響食品保存期限？水活性測定儀原理與規範


內容大綱

什麼是水活性？
水活性與食品中微生物的關係
水活性測定儀的原理
如何控制包裝食品的水活性
水活性的相關政策規範
水活性測定儀的應用

 

什麼是水活性？

 

食品的保存方式與保存期限息息相關，其中，食品裡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。

 

結合水與自由水

 

食品的水分含量 (俗稱水分，moisture)，包含結合水及自由水。

 

食品中的結合水與自由水

  • 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。

而水活性就是用來檢測食品中「自由水」的比例，其與食品品質、保存期限、安定性之間有密切關係，為評估食品安全風險的重要指標。

 

食品中的水活性與飽和蒸氣壓

 

食品加工領域的水活性 (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，公式表示為：aw=P/P0

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，就代表自由水比例愈高。

食品加工中的水活性

 

 

水活性與食品中微生物的關係

 

微生物 (microorganism)的 生長需要一定量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，越容易造成食品腐敗；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。

水活性與微生物生長的關聯

 

降低水活性以抑制食品微生物生長

 

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。

 

中濕性食品的水分含量

 

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、增加食品保存期限、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/中度水活性食品 (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

添加物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

 

 

 

水活性測定儀的原理

 

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 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。

 

水活性測定儀的種類

 

水活性測定儀依其測量原理，主要可分為電阻式、電容式及露點式，其比較如下表。

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。

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

適用樣品

一般食品

含酒精的食品

實驗用樣品

*上述儀器特點，仍應以實際機型為主

SIBATA - AW - 1s 水活性測定儀

  • ± 0.01 aw 高精度
  • 獨立感測器可測量不同種類的樣品
  • 可依需求選擇電容式或電阻式感測器
  • 快速模式 6 分鐘即可得知測量結果
  • 全機可置於恆溫箱中進行量測
  • 日常例行檢測或線上快速檢測皆適用
  • 機身小巧輕便
  • 價格實惠

水活性儀

 

水活性測定儀操作注意事項

 

使用水活性測定儀之注意事項包含以下四點：

  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) (以下順序已依水活性由低至高重新排列)

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

 

如何控制包裝食品的水活性

 

  • 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。

 

水活性的相關政策規範

 

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)

*水活性高於0.85之真空包裝即食食品，經高溫滅菌，可於室溫下儲存販售

 

 

水活性測定儀的應用

 

  • 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

 

 

參考資料：