第七节 水分活度和食品稳定性

与食品质量密切相关的微生物生长、生物及化学反应（脂类自动氧化、非酶褐变和酶促反应）等往往需要在合适的水分活度范围才会发生。图2-23所示为在25～45℃范围内几类重要反应的速度和a_w的关系。试样的成分、物理状态和结构、大气组成（尤其是氧的含量）、温度和滞后效应都会改变反应速度、曲线的位置及形状。如图2-23所示，在解吸过程中，最低反应速度均在等温线区I和区Ⅱ的边界（a_w=0.20～0.30）处首次出现。当a_w进一步降低时，除氧化反应外的所有反应仍保持此最低反应速度。在解吸过程中，首次出现最低反应速度时的水分含量相当于“BET单层”水分含量。因此，控制水分活度，可以提高食品的稳定性。

一、食品中水分活度与微生物生长的关系

在食品的加工、贮存和销售过程中，微生物可能在其中生长繁殖，影响食品质量。在中等至高a_w条件下，微生物生长曲线表现出最高反应速度（图2-23），因此水分活度的控制是阻止微生物生长的关键因素。表2-8中列出了各种常见微生物可以生长的a_w范围和相应范围内的部分食品。一般说来，当a_w＜0.90，细菌不生长；当a_w＜0.87时，大多数酵母菌受到抑制；当a_w＜0.80时，大多数霉菌不生长；在a_w＜0.60时，绝大多数微生物都无法生长。

二、食品中水分活度与组分变化的关系

1.对脂肪氧化的影响

富含脂肪的食品易受空气中氧的作用而发生自动氧化。食品中水分对脂肪氧化既有促进作用，又有抑制作用。在很低的a_w时，脂肪氧化速度和a_w之间展现出不寻常的关系[图2-23（3）]。从等温线的最左端开始，随着水分活度上升至BET单层值，体系脂肪氧化速度逐渐下降。这表明具有氧化特性的样品在过分干燥状态下的稳定性并非最佳。原因可能有以下几方面：①最初加入至干燥样品的水会与氢过氧化物结合，妨碍它们的分解，从而阻碍氧化进程。②这部分水还能水合催化氧化的金属离子，从而降低其催化效率。

继续加水并超过区Ⅰ和区Ⅱ边界[图2-23（3）和图2-23（6）]导致氧化速度增加。此等温线区域的水能提高氧的溶解度和促使大分子溶胀，从而暴露更多的氧化部位，有利于氧化作用的形成。在更高的a_w（＞～0.80）加入的水能阻滞氧化，主要是因为水会稀释催化剂导致催化效率降低。

2.对其他反应的影响

美拉德反应、维生素B₁降解等反应在中等至高a_w条件下表现出最高反应速度（图2-23）。在中等至高水分含量食品中，反应速度随a_w升高而下降的原因可能是：

（1）在这些反应中水是反应产物之一，水含量的增加导致产物抑制作用；

（2）当样品的水分含量已使组分的溶解度、可接近性（大分子表面）以及速率限制组分的流动性不再是反应速度限制因素，进一步加水将稀释速度限制成分并降低反应速度。

3.BET单层值的量化

基于上述实例分析，在食品化学反应中，最低反应速度一般出现在等温线区Ⅰ和区Ⅱ的边界附近。当水分含量进一步降低时，除了氧化反应外，其他反应速度全都保持在最小值，这时的水分含量是BET单分子层水分含量。因此，干燥产品具有最高稳定性时的水分含量可以通过BET单层值很快作出最初的估计，这具有重要的实际意义。

基于食品水分吸着等温线低水分末端的数据，采用Brunauer等建立的下述BET方程式可以计算出相应的BET单层值：

式中 a_w—水分活度；

m—每克干物质吸附水的量，gH₂O/g干物质；

m₁—每克干物质吸附水的单层值，或BET单层值；

c—与吸附热有关的常数。

根据此式，将a_w/m（1-a_w）对a_w作图可以得到一条直线，称为BET曲线。图2-24所示为天然马铃薯淀粉的BET图，当a_w约大于0.35时，此线性关系开始出现偏差。

BET单层值按下式计算：

从图2-24得到Y_截距为0.6，k_斜率为10.7，于是可求出m₁：

在此实例中，BET单层值所对应的a_w为0.2。

三、食品中水分活度与质构的关系

水分活度对保持干燥食品和半干燥食品的质构具有重要作用。例如，饼干、爆米花和马铃薯片等各种脆性食品，必须保持在较低的a_w下，才能维持其酥脆的口感。砂糖、奶粉和速溶咖啡也需要保存在较低的a_w下，才能避免结块。使干燥产品保持期望性质所允许的最高a_w范围在0.35～0.5。另外，对含水较多的食品，如布丁、果糕等，为避免软质构变硬需要保持适度较高的a_w，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。