水分活度：飼料質(zhì)量和**的關(guān)鍵指標(biāo)

介紹

由于*近發(fā)生了幾起引人注目的產(chǎn)品召回事件，寵物食品**是寵物食品和飼料行業(yè)的一個(gè)重要問題。隨著政府新法規(guī)的出臺(tái)，以及確保消費(fèi)者信心的需要，制造商需要新的指導(dǎo)工具來確保產(chǎn)品的**和質(zhì)量。微生物腐敗是產(chǎn)品找回*常見的原因之一。幾十年以來，水分活度已經(jīng)被用于食品生產(chǎn)確定食品是否**不受微生物生長(zhǎng)的*有效辦法。它在寵物食品工業(yè)中也得到了有效的應(yīng)用，水分活度是否應(yīng)該是制造業(yè)和未來規(guī)章制度的組成部分嗎？(Lowe和Kershaw, 1995)

事實(shí)上，自20世紀(jì)60年代以來，水分活度一直是寵物食品的一個(gè)重要參數(shù)。在Scott（1957）證明微生物具有一個(gè)不會(huì)生長(zhǎng)的極限水分活度值。科學(xué)家們正在尋找其他實(shí)際應(yīng)用。利用水分活度技術(shù)開發(fā)的首批產(chǎn)品之一是由General Foods公司生產(chǎn)的“Gaines burgers”狗糧，它是一種中等水分的寵物食品，被宣傳為“沒有罐的罐裝狗糧”。Quaker Oats公司在1960年代中期推出了一種耐貯存的中等水分五花肉寵物食品。水分活度技術(shù)提供了形成類似肉的柔軟、彈性、五花肉的產(chǎn)品的手段。據(jù)報(bào)道，這種非常成功的狗糧每平方英尺展示貨架空間產(chǎn)生的利潤(rùn)超過其他任何產(chǎn)品。

寵物食品和動(dòng)物飼料需要在指定的保質(zhì)期內(nèi)具有營(yíng)養(yǎng)、**且穩(wěn)定的指標(biāo)。就像人類食物一樣，寵物食品成分易受到微生物、化學(xué)、物理和昆蟲腐敗的影響。水分活度是開發(fā)和生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)、**和穩(wěn)定的寵物食品非常實(shí)用的工具，因?yàn)樗鼘?duì)微生物生長(zhǎng)、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味、化學(xué)反應(yīng)（例如褐變或脂質(zhì)氧化）或酶活性等至關(guān)重要。

水分分析

傳統(tǒng)上，關(guān)于控制寵物食品中的水的討論集中于水分含量或系統(tǒng)中的總水量。水分含量提供有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的有價(jià)值的信息，但是它只是完整水分分析的一部分。水分活度是一種很重要的水分測(cè)量，它定義了產(chǎn)品中水的能量或“可用性”。雖然兩種測(cè)量都很重要，但水分活度提供了*有價(jià)值的有關(guān)產(chǎn)品**和質(zhì)量的信息。

水分活度代表產(chǎn)品中水的能量狀態(tài)。它基于熱力學(xué)，定義為樣品上方水的蒸汽壓（p）除以相同溫度下純水的蒸汽壓（p0）。這有助于將水分活度描述為寵物食品中“結(jié)合”或“可用”水的量。它不是由多少水決定的，而是比較寵物食品中水的含量和純水的相似程度。水分活度數(shù)值表示是從0（**干燥）到1.0（純水）的范圍。

微生物生長(zhǎng)

幾十年來，水分活度概念一直為微生物學(xué)家和食品技術(shù)人員服務(wù)，是食品**和質(zhì)量*常用的標(biāo)準(zhǔn)。微生物具有水分活度限制，低于該水分活度不會(huì)生長(zhǎng)（Beuchat, 1983; Scott, 1957）。水分活度而非水分含量決定了微生物生長(zhǎng)的“可用”水的下限。表1顯示了常見腐敗微生物的生長(zhǎng)限值。這些水分活度限值是在理想的微生物生長(zhǎng)條件下建立的，如pH和溫度。也就是說，他們代表了在*壞情況下增長(zhǎng)限值的真正低水分活度。限制絕大多數(shù)致病菌生長(zhǎng)的水分活度為0.90 aw，水分活度為0.70 aw是腐敗霉菌的下限，并且所有微生物的限度為0.60 aw。

表1 常見腐敗微生物生長(zhǎng)的*低水分活度限值

由于**、霉菌和酵母菌需要一定的“可利用的”水來支持生長(zhǎng)，因此將寵物食品干燥至關(guān)鍵水平以下是控制微生物生長(zhǎng)的有效手段。即使在比寵物食品中通常可接受的更高水分含量也可能存在水，但如果其水分活度足夠低，微生物也不能利用水來支持它們的生長(zhǎng)。這種“沙漠狀”狀況在微生物和當(dāng)?shù)丨h(huán)境之間產(chǎn)生滲透不平衡，因此微生物變得休眠或死亡。

表2顯示了不同寵物食品的幾種不同樣品的水分活度和水分含量的數(shù)據(jù)。使用AquaLab鏡面冷凝露點(diǎn)水分活度儀（Decagon Devices）測(cè)量這些水分活度。將所有樣品切成足夠小以適合儀器的樣品杯，并且每個(gè)樣品分成兩份測(cè)量。這些結(jié)果表明，一系列水分活度/水分含量組合取決于寵物食品的配方。表2和表1中的值的比較表明這些產(chǎn)品的水分活度對(duì)寵物食品腐敗的敏感性。比較兩個(gè)表格還說明了為什么水分含量不是微生物腐敗敏感性的良好指標(biāo)。例如，中等水分活度寵物食品1會(huì)生長(zhǎng)霉菌，而中等水分寵物食品4則不會(huì)，即使它們的水分含量金幣恩相同。中等水分活度寵物食品4具有另外的優(yōu)點(diǎn)是，即不需要額外的防腐劑來防止霉菌腐敗。雖然中等水分寵物食品1和2都會(huì)生長(zhǎng)霉菌，但兩種不同產(chǎn)品都不會(huì)生長(zhǎng)致病菌。因此，如果產(chǎn)品受到監(jiān)管，那么這兩種產(chǎn)品在2005食品法典框架下都不會(huì)被認(rèn)為是潛在危害食品。然而，即使具有較低的水分活度，中等水分活度寵物食品2也具有較高的水分含量。這是通過使用稱為保濕劑的成分來實(shí)現(xiàn)的。一些常用的保濕劑包括鹽、糖、丙二醇、甘油等。較高的水分含量對(duì)于生產(chǎn)和質(zhì)構(gòu)品質(zhì)都是有利的。

表2 常見寵物食品的水分活度（AquaLab儀器測(cè)量）和水分含量

產(chǎn)品質(zhì)量

水分活度也是寵物食品物理特性和穩(wěn)定性的指標(biāo)。控制水分活度可保持適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)、穩(wěn)定性和密度（Katz和Labuza, 1981）。寵物食品低于臨界水分活度會(huì)保持硬脆特點(diǎn)，而高于該指標(biāo)寵物食品會(huì)變得柔軟。相反，具有柔軟質(zhì)地的中等水分寵物食品必須具有足夠高的水分活度以保持柔軟質(zhì)構(gòu)，但需要足夠低以防止變質(zhì)。因此，在加工、處理、包裝和儲(chǔ)存過程中維持質(zhì)構(gòu)特性，必須了解寵物食品的水分活度與水分含量和溫度的關(guān)系。

由于水分活度是水的能量狀態(tài)的測(cè)量，因此水分活度的差異是水分遷移的驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)定義，水分活度決定水分將從較高的aw區(qū)域遷移到較低的aw區(qū)域，但遷移速率取決于許多因素。許多寵物食品是具有不同性質(zhì)區(qū)域的多祖墳產(chǎn)品。如果這些區(qū)域處于不同的水分活度，水將在組分之間遷移，直到他們達(dá)到水分活度平衡，而不管它們的水分含量如何（Brandt, 1996; Katz和Labuza, 1981）。例如，如果多組分寵物食品的兩種組分都具有15%的水分含量，但具有不同的水分活度，即使它們的水分含量相同，也會(huì)交換水分。這種水分遷移可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或微生物腐敗問題。

市場(chǎng)上有許多產(chǎn)品利用水分活度的多質(zhì)構(gòu)特征。這些產(chǎn)品結(jié)合了堅(jiān)硬、干燥的寵物食品和柔軟、濕潤(rùn)的寵物食品。堅(jiān)硬、干燥的組分具有牙齒清潔的優(yōu)點(diǎn)，但比柔軟、濕潤(rùn)的食品更不美觀。柔軟、濕潤(rùn)的組分可能是高度可口的，但缺乏磨牙清潔性能。當(dāng)兩種組分混合時(shí)，它們?cè)趦?chǔ)存期間平衡至共同的平衡水分活度。這種平衡必須使干燥組分保持堅(jiān)硬和松脆、同時(shí)使柔軟組分保持濕潤(rùn)。

水分活度測(cè)量

通過使樣品中的水分與密閉頂部空間中氣體的水分平衡并且測(cè)量頂部空間的蒸汽壓來得到水分活度。新的儀器技術(shù)極大地提高了測(cè)量的速度、準(zhǔn)確性和可靠性。目前市面上有兩種不同類型的水分活度儀器。一個(gè)是使用鏡面冷凝露點(diǎn)技術(shù)，另一種是使用改變電阻或電容的相對(duì)濕度傳感器。每種技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)，這些方法的準(zhǔn)確性、重復(fù)性、測(cè)量速度、校準(zhǔn)穩(wěn)定性、線性和使用方便性各不相同。

在鏡面冷凝露點(diǎn)儀器中，將樣品置于樣品杯中，然后將樣品杯放在有傳感器的密封空間中。傳感器組件內(nèi)部是露點(diǎn)傳感器、紅外溫度傳感器和風(fēng)扇。露點(diǎn)傳感器測(cè)量空氣的露點(diǎn)溫度、紅外傳感器測(cè)量樣品溫度。根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，樣品頂部空氣的相對(duì)濕度為露點(diǎn)溫度飽和蒸汽壓和樣品溫度的飽和蒸汽壓比值。當(dāng)樣品的水分活度和空氣的相對(duì)濕度處于平衡時(shí)，頂部空氣的濕度的測(cè)量為樣品的水分活度。風(fēng)扇用于加速平衡并控制露點(diǎn)傳感器的邊界層導(dǎo)度。

鏡面冷凝露點(diǎn)法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度和準(zhǔn)確性。該方法是基于基本熱力學(xué)原理測(cè)量相對(duì)濕度的主要方法。儀器可在5分鐘內(nèi)完成準(zhǔn)確性為±0.003 aw的測(cè)量。由于測(cè)量基于溫度測(cè)定，因此無需校準(zhǔn)，可以用標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液檢查儀器的性能。如果出現(xiàn)問題，可以在幾分鐘內(nèi)清潔儀器。對(duì)于某些應(yīng)用，快速讀數(shù)允許制造商對(duì)產(chǎn)品的水分活度進(jìn)行在線檢測(cè)。

其他水分活度儀器使用電阻或電容傳感器來測(cè)量相對(duì)濕度。這些傳感器由吸濕聚合物和相關(guān)電路組成。可提供相對(duì)于平衡相對(duì)濕度的電信號(hào)。商用儀器可在整個(gè)范圍內(nèi)測(cè)量，儀器的準(zhǔn)確性不高。由于這些儀器將電信號(hào)與相對(duì)濕度相關(guān)聯(lián)，因此傳感器必須使用已知的鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，只要樣品和傳感器溫度相同，平衡相對(duì)濕度就等于樣品水分活度，所以準(zhǔn)確的測(cè)量需要有良好的溫度控制或測(cè)量。電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及價(jià)格便宜。

總結(jié)

水分活度是維持寵物食品穩(wěn)定性、質(zhì)量和**的有效工具。另外，在包括大部分寵物食品的中等水分區(qū)域中，由于水分含量分析的準(zhǔn)確性有限，水分含量的細(xì)微變化不能被準(zhǔn)確檢測(cè)可以會(huì)導(dǎo)致水分活度的很大變化，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性發(fā)生變化。當(dāng)寵物食品干燥至規(guī)定的水分含量指標(biāo)，但是在水分含量變化檢測(cè)不明顯而穩(wěn)定性發(fā)生很大變化時(shí)，這可能會(huì)令人不安。如果使用水分活度指標(biāo)，則可以很好的預(yù)測(cè)這些穩(wěn)定性的變化。水分活度是一種快速、低成本且準(zhǔn)確的方法，可確保寵物食品的質(zhì)量和**。它可以很容易地被任何生產(chǎn)設(shè)施或者QC實(shí)驗(yàn)室采用。

寵物食品和飼料行業(yè)長(zhǎng)期使用水分活度來研發(fā)新產(chǎn)品并預(yù)測(cè)保質(zhì)期、**性和質(zhì)量。制造過程中水分活度的測(cè)量可以嚴(yán)格控制并發(fā)現(xiàn)變質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高的產(chǎn)品。如果不使用水分活度，寵物食品行業(yè)將很難開發(fā)新穎的新產(chǎn)品貨生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)豐富、質(zhì)量穩(wěn)定的食品。

參考文獻(xiàn)

Beuchat,L.R. 1983. Influence of water activity on growth, metabolic activities, and survival of yeasts and molds. J Food Prot 46:135-141,150.

Brandt,L. 1996. Bound for success. Controlling water activity gives technologists the edge in developing safe, shelf-stable foods. Food Formulating 2:41-48.

Katz,E.E. and T.P.Labuza. 1981. Effect of water activity on the sensory crispness and mechanical deformation of snack food products. J Food Sci 46:403-409.

Lowe,J.A. and S.J.Kershaw. 1995. Water activity-moisture content relationship as a predictive indicator for control of spoilage in commercial pet diet components. Animal Feed Science and Technology 56:187-194.

Scott,W.J. 1957. Water relations of food spoilage microorganisms. Adv Food Res 7:83-127.