什么是水分活度？

大多數(shù)樣品中的水對于產(chǎn)品的穩(wěn)定性來說是非常重要的?？刂飘a(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）長久以來都被人類用來保存產(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)測依據(jù)

傳統(tǒng)上來說，對于產(chǎn)品或者添加劑的水分的探討集中在水分含量，這是對于產(chǎn)品中的水分總量的分析測量。產(chǎn)品中的水分對于大多數(shù)人來說都非常熟悉。其中測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。水分含量的測量對于符合產(chǎn)品營養(yǎng)法規(guī)的要求、特定的配方以及監(jiān)控生產(chǎn)工藝來說是非常基本的。然而，只用水分含量并不是一個(gè)可靠的預(yù)測依據(jù)，特別是對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。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支持微生物的生長或者影響產(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兩者結(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)熱動力學(xué)的概念，需要進(jìn)行測量。測量時(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)勢等于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的化學(xué)勢，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?？諝獾南鄬穸仁强諝庵兴值恼羝麎汉惋柡驼羝麎旱谋戎怠．?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量空間里樣品周圍空氣的相對濕度。水分活度乘以100即為平衡相對濕度（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，但是它并不是對水分活度概念的準(zhǔn)確描述。“自由水”并沒有遇到任何阻力來減少其自身的能量，因此，食品中的所有水分是“結(jié)合水”。問題是不是來區(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*固定不動的。微生物和化學(xué)過程與這些“結(jié)合”能量狀態(tài)是一個(gè)非常基本的過程。因?yàn)樗殖尸F(xiàn)出不同的能量狀態(tài)，測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)的概念來對連續(xù)性進(jìn)行描述。

兩種分析方法的水分活度儀

目前沒有設(shè)備能夠直接把儀器放到樣品中來測量水分活度。然而，水分活度可以通過間接測量的方法得到。水分活度通過對樣品中的水分進(jìn)行平衡后測量密閉空間中空氣的相對濕度得到。水分活度的測量方法在AOAC的分析方法中有詳細(xì)說明。新技術(shù)的發(fā)展在水分活度測量速度、準(zhǔn)確性和重復(fù)性方面得到了很大的提高?？煽康膶?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)是利用相對濕度傳感器來改變電阻或電容得到。每種技術(shù)都有優(yōu)勢和缺點(diǎn)。各種方法在準(zhǔn)確性、重復(fù)性、測量速度、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)傳感器測量氣體中的露點(diǎn)溫度、樣品溫度通過紅外傳感器測量。通過測量這兩個(gè)溫度可以計(jì)算得到空氣中的相對濕度。通過計(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濕度達(dá)到平衡時(shí)，氣體的相對濕度測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)測量水分活度

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

電子濕度計(jì)

另外一種水分活度測量儀器是利用電阻或電容傳感器來測量相對濕度。這些傳感器的材料是吸水性聚合物以及相關(guān)的線圈，可以得到平衡相對濕度的電流信號。商品化儀器測量全范圍水分活度，準(zhǔn)確性為±0.01w。由于這些儀器測量相對濕度所對應(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)確的測量。電容傳感器的優(yōu)勢在于設(shè)計(jì)簡單以及價(jià)格便宜。