利用水活度来测试水分含量

利用水活度来测试水分含量 前言： 水分含量或含水量用于反映水在产品中占有率，二者是一致的。通过水分含量可以显示出产量和收益等重要信息，从金融的观点来看非常重要。另外，通过水分含量可以显示产品的感官状况，因为，逐渐提高水分含量可以影响水分迁移率同时可以降低产品的玻璃态转变温度。 水活度反映出水在一个体系中的能量状态。水活度等于在密闭空间内样品与空气达到水分平衡后的空气相对湿度值。因此水活度定义为在相同温度下密闭空间内样品的水蒸气分压与纯水的水蒸气分压的比值。水活度反映了样品的物理稳定性、化学稳定性以及微生物污染程度等重要信息。完整的水分测试应该包括水活度和水分含量两方面内容。 目前，水活度和水分含量的测试分别利用不同的仪器和技术。水活度的测试基于电容和镜面原理的两类仪器，而水分含量的方法可以利用AOAC中列出的35种官方测试方法。如将二者的测试过程合二为一，既省时又省力。利用Decagon公司的新型AquaLab Series 4TE DUO水活度测试仪，并结合Decagon公司成熟的水活度测试技术可以上述目标。 要通过测试水活度得知水分含量需要准确理解二者之间的关系。这种关系又称之为吸湿（解湿）等温线，不同的样品吸湿等温线是唯一的，且较为复杂，需要得到在不同的水活度下水分含量值。上述曲线可以利用饱和盐溶液和干燥剂手动制作，也可以利用仪器自动完成。Aqualab VSA吸湿（解湿）等温线绘制仪强大的数据处理能力可以快速准确的建立完整的吸湿（解湿）等温线。 图一：利用Aqualab VSA绘制的干宠物食品的吸湿等温线 利用建立好的等温线和水活度值可以间接的测量水分含量。最简单方法是利用符合该吸湿等温线的模型来计算。吸湿等温线的模型有很多，最常见到的是GAB和BET。 Decagon开发出另外一种特殊的模型称之为DLP，该模型在处理复杂样品的吸湿等温线时功能更强大。根据经验这些模型在水分含量的测试过程中被证实，可以作为利用水活度求解水分含量的方法。 Decagon公司最新开发的AquaLab Series 4TE DUO镜面冷凝露点水活度测试仪可以用于水分含量的测量。通过样品特定的吸湿等温线方程利用水活度数据得出水分含量。在测试过程中一定要在仪器菜单中选择与被测样品相对应的吸湿等温线方程。由于水分含量的测试温度应与吸湿等温线的测试温度应一致，于是， AquaLab Series 4TE DUO系列可控温水活度仪是一种很好的选择。 显然，这种水分含量的测试方法的准确性取决于吸湿等温线的准确性以及水活度测试的重现性，为了更深入研究利用水活度测试水分含量的可行性，Decagon利用大量不同种类的产品进行了研究开发。 材料和方法： 过程中选用了九种具有代表性材不同种类材料包括性状均一的配料和成分复杂的终端产品，分别为：奶粉、面粉、干燥的狗粮、巧克力糖浆、条装的麦片、薯片、片剂成药、麦粒、牛肉干等。用Aqualab VSA吸湿（解吸）等温线绘制仪，按照相同的程序分别绘制各种样品完整的等温线以及工作等温线，从各种产品的等温线中选取最适宜的等温线用于水分含量的测试。所有样品水分含量的“实际值”都是通过烘箱法平行测定三次得到的。在应用中具体的烘箱的时间、温度等参数都是按照AOAC标准来设定。所有样品水分含量都以其在干物质中所占比例来计算。 每种被测材料选取十个样品用以制作不同水分含量的样品，其中五个置于相对湿度为100%的密闭干燥器中，同时另外五个样品置于预先干燥后的的密闭干燥器中。将这些样品分别于不同的时间从密闭容器中取出，用于制作不同水分含量的样品。将这些样品在不同的时间从干燥器中取出，并置于密封的广口瓶中待用，直至五个样品于不同时间全部转移出干燥器。干湿样品从干燥器取出样品的时间分别根据各种样品的自身特点来决定。每个样品的水活度和水分含量数据平行测定三次。水分含量的测试方法采用传统方法、水活度采用Decagon’s AquaLab Series 4TE DUO。 等温线的测试结果分别用GAB, BET, DLP,以及直线等模型来模拟。吸湿、解吸以及工作曲线的等温线应分别进行绘制。测试点之间的时间间隔越短绘制出的等温线越能代表样品的真实情况。利用在置信度为95时预测值与真值之间的偏差（越小越好）以及R2(越接近1越好)的情况下得到的标准预测误差作为各种模型下的等温线优劣的判别标准。利用相关度作为与第二方法与标准参考方法之间差异性的判别标准。通过上诉方法的研究,可以利用标准预测值作为判别水活度法测定的水分含量值与参考值之间误差的方法。 由于我们无法通过测量得到水分含量的真值，所以无从得知测试数据的精确（Isengard, 2001）。在水分含量的相关文献精密度和精确度通常被混淆，但是只有精密度才可以真正得到。因此，判别水分含量测定方法优劣的最好途径是通过比较测试的重现性。可以认为两种方法下各种材料中各个样品的三次测量结果的平均标准偏差就是该方法的精密度。 结果与讨论： 根据相对较低的SEP值(标准预测误差)以及相对较高的R2值（表一中数据）来看，利用水活度值结合吸湿等温线方程计算得出的水分含量值与烘箱干燥法的结果非常吻合。水活度方法下，SEP最高为牛肉干（0.49%）、SEP最低为药片（0.05%）。当SEP值在0.05%或以下时，该第二方法可以被认为是可行的，因此，通过水活度法得出的水分含量值是可行的。图表二列举的数据说明了水活度法和烘箱干燥法分别得出的结果之间很好的一致性。由于在制样过程中药片的水分含量没有显著变化，故该材料的R2一般都偏低。根据图表一来看，没有一条完全适用于所有被测产品的等温线与模型的组合。 表一、各种产品最低SEP值的等温线与模型组合 *SEP值的单位是%相对水分含量 表二列举并比较了烘箱干燥法和水活度法用于测试水分含量精密度，通过对各种产品的水分含量测试的精密度的研究可以看出，尽管烘箱法作为标准方法，但是，水活度法效果更好。表三列举了经报道的水分含量测试的其他方法，其精密度较水活度法更低。 表二：十种产品分别利用烘箱法和水活度法测试数据的精密度比较 表3：水分含量常用测试方法的精密度（亦称精确度）比较 结论： 通过测试水活度得出水分含量是测试水分含量的一种很好的选择，特别是在水活度和水分含量需要同时测量的情况下。利用该方法测试水分含量需要绘制产品样品的特征等温线，等温线的绘制可以采样手动或自动的方法。水活度法是测试水分含量非标方法中的最佳方法。由于目前为止还没有任何一种方法可以测得水分含量的真实值，所以，该方法的精确度无法给出。 参考文件： AOAC. 1995. Official Methods of Analysis of AOAC International. p. 42-1-42-2. In T.R.Mulvaney (ed.) AOAC International, Arlington, VA. Isengard,H.D. 2001. Water content, one of the most important properties of food. Food Control 12:395-400.