水分活度概念和测量技术

什么是水分活度？

大多数样品中的水对于产品的稳定性来说是非常重要的。控制产品中的水分有多种方法，比如干燥或者化学/结构结合（加盐或糖）长久以来都被人类用来保存产品。这不仅仅控制了微生物的繁殖，而且也使产品达到了化学和物理稳定。

只用水分含量不是一个可靠的预测依据

传统上来说，对于产品或者添加剂的水分的探讨集中在水分含量，这是对于产品中的水分总量的分析测量。产品中的水分对于大多数人来说都非常熟悉。其中测量的方法是烘干失水干燥、红外、核磁或者卡尔费休滴定法。水分含量的测量对于符合产品营养法规的要求、特定的配方以及监控生产工艺来说是非常基本的。然而，只用水分含量并不是一个可靠的预测依据，特别是对于微生物的反映以及化学反应方面。

化学结合的水分不能被微生物利用

水分含量测量作为产品的安全性和质量保证方面的指标的局限性主要是在于产品中的水分是否和其他组分的结合程度存在差异。每个产品的安全水分含量都是不一样的，比如，某个产品的安全水分是15%，而另外一个产品的水分含量为8%时就有可能造成微生物生长。尽管更湿的产品含的水更多，但是水分与其他组分结合在一起就无法为微生物所利用。只利用水分含量的数值，不可能知道产品中有多少水分是可以被利用来支持微生物的生长或者影响产品的质量。

水分活度与产品的质量和安全问题更相关

水分分析另一个重要的指标是水分活度（aw）。水分活度描述了水的能量状态或者样品中水的逃逸倾向性。水分活度描述了在产品中水是怎样结合在一起。水分活度和水分含量两者结合分析才能明确描述水的状态。然而，水分活度是和产品的质量和安全问题最直接相关的。水分活度与系统中的吉布斯自由能有很大的关系。这样，水分活度是一个热动力学的概念，需要进行测量。测量时需要系统确定在稳定状态以及温度和标准的相态。纯水作为一个参考值或者标准态，产品中的水分以纯水为依据。从吉布斯自由能公式可以得到，纯水的化学势等于标准态的化学势，所以纯水的水分活度值为1。

水分活度是蒸汽压的比值

水分活度是在相同温度下产品中水分的蒸汽压(p)和纯水的蒸汽压(p_o)的比值。空气的相对湿度是空气中水分的蒸汽压和饱和蒸汽压的比值。当蒸汽和温度达到平衡时，样品中的水分活度等于在密闭的测量空间里样品周围空气的相对湿度。水分活度乘以100即为平衡相对湿度（ERH）。

a_w = p/p_o = ERH (%) / 100

从上面公式可以看到，水分活度是蒸汽压的比值，是一个无量纲的数值。范围是0.0a_w到1.0a_w。

结合的水并不是完全固定不动的

水分活度有时也被理解为样品中的“结合水”和“自由水”概念。尽管这些概念非常容易理解，但是它并不是对水分活度概念的准确描述。“自由水”并没有遇到任何阻力来减少其自身的能量，因此，食品中的所有水分是“结合水”。问题是不是来区分哪些水是“结合水”，而是这些结合的程度如何。水分活度是测量水分结合的程度以及把水从系统中移除所需要的力。结合的水分不要认为是完全固定不动的。微生物和化学过程与这些“结合”能量状态是一个非常基本的过程。因为水分呈现出不同的能量状态，测量样品中所有水分含量的方法并不总是与产品的安全和质量有关，而水分活度则能反映真实情况。

“结合水”和“自由水”不是非常有用的描述

系统中有多种因素影响水分活度，比如渗透、基质以及毛细现象等。水分活度是所有这些因素的综合表现，这些因素会降低水分的能量，从而相比于纯水而言，降低样品上方的蒸汽压。由于渗透和基质情况不一样，水分活度描述的是系统中水的能量状态连续性，而不是静态的“结合”。“自由水”和“结合水”不是一个非常有用的概念，因为它试图用离散态的概念来对连续性进行描述。

两种不同分析方法的水分活度仪

目前没有设备能够直接把仪器放到样品中来测量水分活度。然而，水分活度可以通过间接测量的方法得到。水分活度通过对样品中的水分进行平衡后测量密闭空间中空气的相对湿度得到。水分活度的测量方法在AOAC的分析方法中有详细说明。新技术的发展在水分活度测量速度、准确性和重复性方面得到了很大的提高。可靠的实验室仪器用于保证产品的安全以及加强政府的法规要求。目前有两种不同类型的水分活度仪可以提供，一个是镜面冷凝露点技术，另外一个是利用相对湿度传感器来改变电阻或电容得到。每种技术都有优势和缺点。各种方法在准确性、重复性、测量速度、稳定性、线性以及使用方便性方面有很大的区别。

镜面冷凝露点技术

在镜面冷凝露点技术中，样品放在样品杯中并在一个有传感器的密闭空间中，里面有露点传感器、红外温度传感器以及风扇。露点传感器测量气体中的露点温度、样品温度通过红外传感器测量。通过测量这两个温度可以计算得到空气中的相对湿度。通过计算露点温度饱和蒸汽压和在相同温度下的饱和蒸汽压的比值得到。当样品中的水分活度和空气中的相对湿度达到平衡时，气体的相对湿度测量就是样品的水分活度。风扇的作用是加快平衡以及控制露点传感器边界层的传导性。

5分钟内测量水分活度

镜面冷凝露点法的最大优势是在于测量速度和准确性。镜面冷凝露点是基于基本的热动力学原理，是测量相对湿度的首选方法。镜面冷凝露点仪器可以在5分钟内测量得到的准确性为±0.003a_w。由于测量是基于温度的测量，这样无需进行校准，但是建议在测量样品前做一次标准盐溶液来检查确认仪器是否正常工作。如果测量结果有问题，需要对镜面和仪器进行清洁。对于大多数应用而言，快速的测量可以使工厂能够在现场快速的检测样品的水分活度。

电子湿度计

另外一种水分活度测量仪器是利用电阻或电容传感器来测量相对湿度。这些传感器的材料是吸水性聚合物以及相关的线圈，可以得到平衡相对湿度的电流信号。商品化仪器测量全范围水分活度，准确性为±0.015aw。由于这些仪器测量相对湿度所对应的电流变化，所以必须要用已知的标准盐溶液进行校准。另外，平衡相对湿度等于样品水分活度是需要在样品和传感器温度一致的情况。正确的测量水分活度需要有一个很好的控温技术或者准确的测量。电容传感器的优势在于设计简单以及价格便宜。