水活度用于食品质量与安全控制的研究进展

张朦，刘峰，邹明强，*，潘思轶

（1.华中农业大学，湖北武汉430070；2.中国检验检疫科学研究院，北京100123）

水活度用于食品质量与安全控制的研究进展

张朦1，2，刘峰2，邹明强1，2，*，潘思轶1

（1.华中农业大学，湖北武汉430070；2.中国检验检疫科学研究院，北京100123）

与水分含量相比，水活度是更有效反映食品品质的热力学概念指标。国外多个组织如国际标准化组织（ISO）、美国公职分析化学师协会-食品药品管理局（AOAC-FDA），将水活度作为一项指标纳入多项有关食品质量与安全检验控制的标准。介绍水活度指标与水分含量指标的关系，并对水活度检测方法、相关规定以及其在食品质量与安全检验控制等方面的应用和研究进展进行了综述。我国水活度在食品安全相关应用和研究还存在标准制定、仪器研发等方面的严重不足。本文旨在引起相关重视，推动水活度在食品安全中应用的发展。

水活度；食品；质量与安全

随着我国广大人民生活水平的提高，改革开放30多年以来我们的温饱问题得到了基本解决，但是居民饮食开始面临新的挑战——食品安全问题。该问题目前已经成为影响中国农业和食品工业竞争力的关键因素[1]。

食品安全的管理模式强调“从农田到餐桌”全过程管理，只有有效地控制食品生产各个环节中潜在的微生物污染问题，食品工业才能生产出让消费者放心的食品。水分活度的控制是阻止有害微生物生长及其他不良作用的关键环节[2]。实际上，在食品制造过程中的危害控制点只是很少一部分（3%），大部分安全问题都是贮存、运输、销售过程中的搬运不当引起的。而控制水活度在限量标准范围内，可以有效避免食品在生产、流通等多个环节中存在的质量与安全隐患[3]。

1 水活度与水分含量的关系

水分活度是指食品在密闭容器中达到平衡状态时的水分蒸汽压与该温度下纯水的饱和蒸汽压的比值。它对于反应食品稳定性是更加可靠的热力学概念指标，因此对于食品安全检验意义更大；水分含量更多是作为食品工艺和生产上的指标，可反映食品的口感与营养价值，当然也是食品保藏中的一个因素。

在恒定温度下，食品的水分含量与它的水分活度之间的关系图称为吸湿（着）等温线（MSI）。图1为一条典型的吸湿等温线（测定仪器：VAS1008，DECAGON公司），描述了MCC（微晶纤维素）从低水活度到高水活度的解吸过程（使用DVS，即电容法，该法需要较长的稳定时间，因此该过程出现了个别点的偏移），与从高水活度到低水活度的回吸过程（使用DDI，即露点法）。MCC（微晶纤维素）是食品、药品、化妆品工业中的常用辅料，结构简单性质稳定，因此也被DECAGON公司的Vapor Sorption Analyzer（水蒸汽吸附分析仪）用作自检样品。

图1 典型的吸湿等温线Fig.1 The typical moisture sorption isotherm

水分测定和水活测定中，方法不同。MSI的概念对于食品生产过程中的干燥、包装和贮存等过程都有着至关重要的影响作用。CHOWDHURY等通过在可食性淀粉膜材料中添加山梨酸钾、丙酸钠、苯甲酸钠3种防腐剂，观察该材料在不同温度下的等温吸湿曲线和热量吸收等比容线的改变，从而为改善其易于滋生微生物的不良贮藏性能提供了有效的研究结果[4]。在功能性食品研究领域，MSI的作用也逐渐得到重视。需要指出的是水分含量和水分活度之间的关系并非线性关系，因此MSI曲线研究过程中建立合适的模型就显得尤为重要。MENKOV等通过研究不同温度下普通大豆粉的平衡吸湿曲线确定了最合适的水分活度与平衡水分含量以及温度相关性的模型——Oswin模型，并指出：在相同水分活度下，大豆粉的吸附能力和单分子层水湿度含量会随温度上升而下降[5]。

基于以上分析，用水活度作为食品易腐败性的指标比用含水量更为恰当，而且它与食品中许多降解反应的速率有良好的相关性。食品中的降解反应还会受其他一些因素影响，如氧浓度、pH、水的流动性和食品的组分等[6-7]。

2 水活度研究的应用领域

2.1 反应机理

水活度对食品品质的影响常常通过以下几种形式：酶促反应[6]、淀粉的老化、蛋白质变性等[8]。脂质氧化、非酶褐变和蛋白质氧化三者之间有相互联系，水活度的改变可以通过协同作用引起氧化变质的加速进行[9]。在微生物生长方面，低水活度能够有效抑制单核李斯特菌的增生[10]；在常见食源性致病菌的生长中，水活度、温度和pH能够起到一定的协同作用[11]，水活度和温度对于食品贮藏品质也有一定相关性[12]；在影响大肠杆菌失活条件研究中，许多研究者已经做了相关工作并证明在低水活度的不同溶剂中，大肠杆菌对于高温抗性的增大；新的研究表明在低水活度的不同溶剂中，大肠杆菌对于高压环境的抗性也会增大[13]。在脂质氧化方面，非适宜的水分活度等因素会促进动物性食品中胆固醇过氧化产物（COPs）的形成[14]。

2.2 过程控制

除了对于改善食品贮藏条件，水活度研究对于延长货架期的其他方式也有很大意义，比如农产品保鲜材料的选择与包装内食品的水活度有直接关系，利用气相色谱IGC可以快速测量水分吸附状况，产品水分吸附特点与警戒湿度含量、包装尺寸、产品质量可以共同决定筛选合适的包装材料[15]。

2.3 食品质量指标

水活度除了对于食品安全控制有意义，对于食品品质影响的研究也有很大意义，例如：对不同水分活度的益生菌奶粉进行加速试验表明，益生菌在奶粉中的存活受奶粉基料水分活度影响显著，奶粉基料水分活度越低，益生菌在奶粉中的存活稳定性越强；吸湿等温曲线和热力学模型的建立可以有效评价对于发酵茶叶水分解析行为的品质[16]。

2.4 食品工艺改善

半干食品（水活度在0.50～0.85）加工原理通常是在不同浓度下，测试氯化钠，乳酸钠，丙三醇（甘油），葡萄糖，蔗糖等水溶液的Aw（水活度），并测试降低Aw的协同作用，筛选最有效的RAA（水分活度降低剂）。中等湿度的肉品（intermediate moisture meat，IMM）调解水活度可获得最佳感官指标并延长货架期[17]，半干魔芋食品可通过改变水活度优化生产工艺。

2.5 食品标准

国外在蛋糕、面包和派等具体食品的保藏要求主要有一下几点：水活度＜0.85；炸薯条、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；新鲜鲶鱼的贮藏期和消费者可接受度（感官评定）：小苏打在一定浓度范围内对水活度的改变很小[18-21]。

国内关于水分活度的强制性规定基本还处于空白阶段。之前对于水活度的研究主要应用在粮食贮藏方面，对于食品质量相关标准仍多沿用含水量指标。而目前，美国日本欧洲等地区在进口我国农产品及食品（如核桃、烟草、肉制品等）时，均要求在水活度指标上达到其本国标准。因此为达到国际贸易的要求，水活度指标在食品质量与安全检测控制等领域的应用应该越来越被重视。国家粮食局科学研究院2012年已经把“粮油检验粮食籽粒水分活度的测定”作为立项制定的国家标准，正在征求意见稿过程中，预计标准将于2013年出台。

3 水活度的测量方法及其相关标准

3.1 冰点测定法与镜面露点冷凝法

冰点测定法的原理：溶液的冰点比纯水低，通过冰点下降值，求出溶质摩尔数，然后通过拉乌尔定律求出Aw。镜面露点冷凝法的原理：露点在镜面冷凝，通过观测饱和蒸汽在冷凝面（镜面）的温度来确定水活度。后者的优点更加明显：最高的精确度±0.003；最快的检测速度＜5min；检测范围：0.03 Aw～1.00 Aw；准确度高；稳定性好[22-23]。

ISO21807[24]和AOAC-FDA[25]对水活度的露点测定方法做了类似的具体要求，主要集中在操作范围（0.600～0.999）和统计误差（0.002）以及盐溶液的导电性控制、测压系统的水分蒸汽压的稳定性。

3.2 恒定相对湿度平衡法与电子湿度计法

恒定相对湿度平衡法的原理：样品在密闭和恒温条件下，分别在Aw较高和较低的标准饱和溶液中扩散平衡后，根据样品质量的上升或减少的量，求出样品Aw。这种测量方法因其操作步骤繁琐、测量时间较长已经逐渐被以露点法为原理的仪器测量所取代。

电子湿度计法的原理：通过达到平衡状态时样品上方的饱和蒸汽压的变化对湿度传感器导电特性的变化来确定水活度，分为电容式和电阻式。该法将已知含水量的样品置于恒温密闭容器中，使其达到平衡；然后用电子传感器或湿度测定仪测样品和环境空气的平衡相对湿度，即可得到Aw=ERH/100[22]。国内生产的水活仪和部分欧美生产的水活仪使用此原理。

3.3 各国水活度测量仪器标准的比较

我国国标规定关于水活度仪测试的规定较为简单[22]，只对以下指标做了说明：要求测量精度达到±0.02Aw，间隔5min相邻2次测量响应值差小于±0.005，密闭测粮仓温度在20℃～25℃，湿度在50%～80%。

日本食品安全法[26]中没有明确具体的水活指标，重点侧重于法案条例上的责任规定，而非技术指标。这与我国食品安全法的大致情况相同。另外，日本食品安全法中规定的测量水活的方法有两种，总体基于康氏皿法（即恒定相对湿度平衡法）和电容法。

HACCP，CAC/RAP，GAP，GMP，FSIS，FDA，ISO的相关水分活度标准[24-32]的整理基本可以达到一致化。主要是在仪器要求上的不同。FDA，ISO和日本的相关标准要求水活指标测量仪器的测量的指标主要有以下几个：保证测量环境的温度在（25±2）℃；测量电导率（电容法）；局部水分蒸汽压；密闭系统的温度变化和开放系统的冰点（露点冷凝法）。

3.4 水活度测量仪器在我国的销售使用情况

由于各国标准能够影响到国际进出口贸易，可根据水活仪的销售情况大致得出该指标目前的应用情况。据笔者统计，2010年到2012年，我国水活仪销量呈50%的增长趋势。截至2012年，水活仪的年销售量已经达到100余台。其中购买单位主要为高校、科研院所、食品企业、进出口检验检疫部门；购买单位绝大部分分布在北京、上海、广东、浙江，中西部省市较少。其中，食品企业占据了购买单位的49.6%，以大型食品企业的生产及研发部门为主；高校及农业系统相关科研单位占据了30.1%；值得提出的是，出入境和第三方质检部门也在水活度指标检测上予以了重视，占到了购买单位的6.2%；其他例如石油化工、生物制药、美容化妆品、烟草等行业单位也有购买水活仪用于生产研发及产品质量控制。

4 国外各类食品中水活度的相关指标

4.1 美国政府的水活标准

相关标准详细论述了水活对于食品贮藏长期保存的重要意义，包括对于食品中有害微生物生长的影响，还对低酸性食品和酸性食品做了分类说明。

CFR对各种食品（谷物、玉米、水产品等）的水活都做了具体的分析说明，但是并未提供具体指标。CFR指出：低酸性食品（pH4.6以上），酸性食品（pH4.6以下，像土豆番茄制品这样虽然pH测出来在4.7以下，都要算作酸性食品而非低酸性）的划分，并指出了Aw0.85的界限。

另外，对食品存在危害的微生物的生长，通常由水活度通常与pH的交互作用而决定。在适宜的酸碱度条件下，微生物能够快速增殖；过酸或过碱的pH条件都能够抑制微生物的生长。对此，美国食品药品监督管理局提出了关于潜在有害食品的pH和水活度的交互作用表（FDA-Potentially Hazardous Food Interaction Tables），见表1、表2。

美国食品安全法中规定：干燥的混合料、坚果、中等水分食品、脱水食品，以及其他同类通过控制水分活度（Aw）以防止有害微生物生长繁殖的食品，必须加工至保持安全的水分含量，采用下列一种或者多种有效措施即可达到这一要求：监测食品的水分活度（Aw）；控制成品食品中可溶性固形物与水的比例；采用密封隔绝水分或其他手段防止食品吸收水分，使其水分活度（Aw）达到安全水平。

表1 pH和水活度的交互作用表（为了控制食品热处理后的孢子，食品热处理和包装往往会破坏食物生长性细胞）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（为了控制非加热食品或加热不包装食品的生长性细胞和孢子）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（花生豆类作物）

安全的水分活度是指带壳或去壳的花生中的水活度标准，这个标准要满足能够防止微生物的生长从而影响花生收获、加工和贮藏环境。水分活度是对产品中自由湿度的测量，即在相同温度下某物质的溶液水分蒸汽压除以纯水的蒸汽压的值。25℃（华氏77度）环境下超过0.70的水分活度被认为是不安全的[27]。

4.3 CAC/RCP 55（花生）

25℃（华氏77度）环境下超过0.70的水分活度被认为是不安全的。原因是，一旦超过此标准就会有黄曲霉毒素和寄生曲霉等有可能的曲霉微生物产生[28]。

4.4 CAC/RCP 51（谷物类作物）

真菌毒素和作物的关系中，镰刀菌素的感染能够导致谷物的延期收获。谷物类作物的含水量应该降低到霉菌能够生长需要的湿度以下（一般是低于15%）。这样有利于进一步防止真菌特别是镰刀霉菌的生长来保证谷物的新鲜。避免堆放粮食产生湿度，尽快在段时间内对谷物进行干燥、脱粒，能够有效防止其中真菌生长[29]。

4.5 FDA/CFSAN鱼类食品

对各种菌类的生长和失活的水活、pH、含盐量、温度、含氧量都做了具体规定。水活度需要＜0.83（金葡）。特别规定了李斯特菌[30]和肉毒梭菌[31]。

4.6 FSIS肉禽类干制食品

对于直接接触空气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长，不过霉菌主要生长于水果（细菌霉菌竞争）、粮食作物中[32]。

5 小结

水活度是一个食品安全控制和质量控制的重要指标，通过以上对国内外标准的探讨，可以看出我国在水活度具体指标等方面的研究进展存在严重不足，还不能与此需求相适应，亟待进行相关研究结果。这一现象产生的原因，不仅在于研究层面不够深入、水分活度的检验成本较之于水分含量较高，生产力水平、消费水平相对国外较低所决定的市场导向更是不可忽视的因素。该问题应该引起相关部门的重视，国内也应逐步展开水分活度和吸湿等温曲线的研究。

本文较全面综述了水活度对食品质量与安全的影响、国内外相关标准，阐述了水活度在食品生产、运输、贮藏等环节的重要作用，指出了水活度在食品生产过程中的关键控制作用，这对进一步研究食品中水活度和食品品质、食品安全之间的相互关系具有重要的指导意义。

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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

张朦（1989—），女（汉），硕士，食品安全检验。

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