水分活度：宠物食品（饲料）质量和安全的关键指标

发生微生物腐败现象是产品召回最常见的原因之一。在这几十年以来，水分活度已经成为微生物能否在食品中生长的有效指标，这一指标在宠物食品工业中也得到了有效的应用。那么，水分活度是否是制造业和未来规章制度的组成部分吗？

事实上，自20世纪60年代以来，水分活度一直是宠物食品的一个重要参数。在Scott证明微生物具有一个不会生长的极限水分活度值后，科学家们正在寻找其他实际应用。利用水分活度技术开发的首批产品之一是由General Foods公司生产的“Gaines burgers”狗粮，它是一种中等水分活度的宠物食品，被称为“没有罐的罐装狗粮”。而Quaker Oats公司在1960年代中期同样推出了一种耐贮存的中等水分活度五花肉宠物食品。水分活度技术为生产出具有类似肉的柔软、弹性、五花肉的产品提供了手段。据报道，这种非常成功的狗粮在每平方英尺展示货架空间内产生的利润超过其他任何产品。

宠物食品和动物饲料需要在指定的保质期内保证其营养、安全且稳定的指标。如同人类食物一样，宠物食品成分易受到微生物、化学、物理和昆虫腐败的影响。水分活度是开发和生产营养、安全、稳定的宠物食品非常实用的工具，因为它对微生物生长、质构、风味、化学反应（例如褐变或脂质氧化）或酶活性等方面起到至关重要的作用。

水分分析

传统上，关于控制宠物食品中的水的讨论集中在水分含量或系统中的总水量方面。水分含量虽然提供了不少有关有价值的产品质量信息，但是它只是完整水分分析的一部分。

水分活度同样是一种很重要的水分测量方式，它定义了产品中水的能量或“可用性”。虽然两种测量都很重要，但水分活度提供了最有价值的有关产品安全和质量的信息。

水分活度代表产品中水的能量状态。它基于热力学，定义为样品上方水的蒸汽压（p）除以相同温度下纯水的蒸汽压（p0）。这有助于将水分活度描述为宠物食品中“结合”或“可用”水的量。它不是由多少水决定的，而是比较宠物食品中水的含量和纯水的相似程度。水分活度数值表示是从0（绝对干燥）到1.0（纯水）的范围。

微生物生长

几十年来，水分活度概念一直为微生物学家和食品技术人员服务，是食品安全和质量最常用的标准。微生物具有水分活度限制，低于该水分活度则不会生长。水分活度决定了微生物生长的“可用”水的下限，而非水分含量。

下表显示了常见腐败微生物的生长限值。这些水分活度限值是在理想的微生物生长条件下建立的，如pH和温度。也就是说，他们代表了在最坏情况下增长限值的真正低水分活度。限制绝大多数致病菌生长的水分活度为0.90 aw，水分活度为0.70 aw是腐败霉菌的下限，并且所有微生物的限度为0.60aw。

由于细菌、霉菌和酵母菌需要一定的“可利用的”水来支持生长，因此将宠物食品干燥至关键水平以下是控制微生物生长的有效手段。即使在比宠物食品中通常可接受的更高水分含量，但如果其水分活度足够低，微生物也不能利用水来支持它们的生长。这种“沙漠状”状况在微生物和环境之间产生渗透不平衡，造成微生物休眠或死亡。

下表显示了不同宠物食品的几种不同样品的水分活度和水分含量的数据。使用AquaLab镜面冷凝露点水分活度仪（Decagon Devices）测量这些水分活度。

将所有样品切成足够小以适合仪器的样品杯，并且每个样品分成两份测量。这些结果表明，水分活度/水分含量组合取决于宠物食品的配方。下表和上表中的值的比较结果表明这些产品的水分活度对宠物食品腐败的敏感性。比较两个表格还说明了为什么水分含量不是微生物腐败敏感性的良好指标。

例如，中等水分活度宠物食品1会生长霉菌，而中等水分宠物食品4则不会，即使它们的水分含量基本相同。中等水分活度宠物食品4具有另外的优点是，即不需要额外的防腐剂来防止霉菌腐败。虽然中等水分宠物食品1和2都会生长霉菌，但两种不同产品都不会生长致病菌。

因此，如果产品受到监管，那么这两种产品在2005食品法典框架下都不会被认为是潜在危害食品。然而，即使具有较低的水分活度，中等水分活度宠物食品2也具有较高的水分含量。这是通过使用称为保湿剂的成分来实现的。一些常用的保湿剂包括盐、糖、丙二醇、甘油等。较高的水分含量对于生产和质构品质都是有利的。

产品质量

水分活度也是宠物食品物理特性和稳定性的指标。控制水分活度可保持适当的结构、质构、稳定性和密度。宠物食品低于临界水分活度会保持硬脆特点，而高于该指标宠物食品会变得柔软。相反，具有柔软质地的中等水分宠物食品必须具有足够高的水分活度以保持柔软质地，但是也不能过高导致发生变质现象。因此，在加工、处理、包装和储存过程中维持质构特性，必须了解宠物食品的水分活度、水分含量以及温度的关系。

由于水分活度是水的能量状态的测量，因此水分活度的差异是水分迁移的驱动力。根据定义，水分活度决定水分将从较高的水分活度区域迁移到较低的水分活度区域，但迁移速率取决于许多因素。许多宠物食品是具有不同性质区域的多组分产品。如果这些区域处于不同的水分活度，水将在组分之间迁移，直到他们达到水分活度平衡，而不管它们的水分含量如何。

例如，如果多组分宠物食品的两种组分都具有15%的水分含量，但具有不同的水分活度，即使它们的水分含量相同，也会交换水分。这种水分迁移可能导致结构或微生物腐败问题。

市场上有许多产品利用水分活度的多质构特征。坚硬、干燥的组分具有牙齿清洁的优点，但比柔软、湿润的食品更不美观。柔软、湿润的组分可能是高度可口的，但缺乏磨牙清洁性能。当两种组分混合时，它们在储存期间平衡至共同的平衡水分活度。这种平衡必须使干燥组分保持坚硬和松脆、同时使柔软组分保持湿润。

水分活度测量

通过使样品中的水分与密闭顶部空间中气体的水分平衡并且测量顶部空间的蒸汽压来得到水分活度。目前市面上有两种不同类型的水分活度仪器。一个是使用镜面冷凝露点技术，另一种是通过改变电阻或电容的相对湿度传感器来进行测量。每种技术都有优缺点，这些方法的准确性、重复性、测量速度、校准稳定性、线性和使用方便性各不相同。

在镜面冷凝露点仪器中，将样品置于样品杯中，然后将样品杯放在有传感器的密封空间中。传感器组件内部是露点传感器、红外温度传感器和风扇。露点传感器测量空气的露点温度、红外传感器测量样品温度。根据这些测量结果，样品顶部空气的相对湿度为露点温度饱和蒸汽压和样品温度的饱和蒸汽压比值。当样品的水分活度和空气的相对湿度处于平衡时，顶部空气的湿度的测量为样品的水分活度。风扇用于加速平衡并控制露点传感器的边界层导度。

镜面冷凝露点法的主要优点是速度和准确性。

• 该方法是基于基本热力学原理测量相对湿度的主要方法。

• 仪器可在5分钟内完成准确性为±0.003 aw的测量。

• 由于测量基于温度测定，因此无需校准，可以用标准盐溶液检查仪器的性能。

• 如果出现问题，可以在几分钟内清洁仪器。

• 对于某些应用，快速读数允许制造商对产品的水分活度进行在线检测。

  
  

其他水分活度仪器使用电阻或电容传感器来测量相对湿度。这些传感器由吸湿聚合物和相关电路组成。可提供相对于平衡相对湿度的电信号。

商用仪器可在整个范围内测量，但是仪器的准确性不高。

由于这些仪器将电信号与相对湿度相关联，因此传感器必须使用已知的盐标准溶液进行校准。

此外，只要样品和传感器温度相同，平衡相对湿度就等于样品水分活度，所以准确的测量需要有良好的温度控制或测量。

相比镜面冷凝露点法仪器来说，电容传感器的优点设计简单以及价格便宜。

总结

水分活度是维持宠物食品稳定性、质量和安全的有效工具。在包括大部分宠物食品的中等水分区域中，由于水分含量分析的准确性有限，水分含量的细微变化不能被准确检测可以会导致水分活度的很大变化，从而导致稳定性发生变化。当宠物食品干燥至规定的水分含量指标，但是在水分含量变化检测不明显而稳定性发生很大变化时，这会影响产品的安全性。如果使用水分活度指标，则可以很好的预测这些稳定性的变化。水分活度是一种快速、低成本且准确的方法，可确保宠物食品的质量和安全。它可以很容易地被任何生产设施或者QC实验室采用。

宠物食品和饲料行业长期使用水分活度来研发新产品并预测保质期、安全性和质量。制造过程中水分活度的测量可以严格控制并发现变质风险高的产品。如果不使用水分活度，宠物食品行业将很难开发出营养丰富、质量稳定的食品。