二、影響水分活度的因素

1.食品的物質組成對水分活度的影響

在同溫度下，食品中非水組分越多，并且與水結合力越強，水分活度值就越小。所以可通過增減食品成分來調節其水分狀態。

在非水組分及非水組分與水結合形式基本不變的條件下，溫度越高水分活度值越大。

非水組分與水結合強度在食品加工中必然會受到溫度的影響，因此水分活度會發生改變。

2.食品含水量對水分活度的影響

一般情況下，食品中的含水量越高，水分活度就越大。在恒溫條件下，以食品的水分活度為橫坐標，以食品的含水量（用每單位干物質質量中水的質量表示）為縱坐標繪成的曲線，稱為水分吸濕等溫線（moisture sorption isotherms，MSI），如圖2-8所示，它表示食品脫水時各種食品的水分含量范圍。當原料或食品含水量低于0.5g/g干物質時，水分活度迅速下降。這類示意圖并不實用，因為低水分區一些最重要的數據沒有詳細地表示出來，而對食品來講有意義的數據恰恰是在低水分區域。圖2-9所示的是更實用的低水分含量食品的吸濕等溫線。為了便于理解吸濕等溫線的含義和實際應用，可以將圖2-9中表示的曲線范圍分為三個不同的區間；當干燥的無水樣品產生回吸作用而重新結合水時，其水分含量、水分活度等就從區間Ⅰ（干燥）向區間Ⅲ（高水分）移動，水吸著過程中水存在狀態、性質大不相同，有一定的差別。以下分別敘述各區間水的主要特性。

等溫線區間Ⅰ的水與溶質結合最牢固，是原料或食品中最不容易移動的水，這部分水依靠水-離子或水-偶極相互作用而被強烈地吸附在極易接近的溶質的極性位置，其蒸發焓比純水大得多，這部分水就是前面所提及的化合水和鄰近水。區間Ⅰ的水只占高水分食品中總水量的很小一部分，一般為0～0.07g/g干物質，a_w為0～0.25。

在區間Ⅰ和區間Ⅱ的邊界線之間的那部分水相當于食品中的鄰近水的水分含量，單層水可以看成是在接近干物質強極性基團上形成一個單分子層所需要的近似水量，例如對于淀粉，此含量為一個葡萄糖殘基吸著一個水分子。

吸濕等溫線區間Ⅱ的水是占據固形物的第一層的剩余位置和親水基團周圍的另外幾層位置，這部分水是多層水。多層水主要靠水-水分子間的氫鍵作用和水-溶質間的締合作用。這部分水一般為0.1～0.33g/g干物質，a_w為0.25～0.8。

當水回吸到相當于等溫線區間Ⅲ和區間Ⅱ邊界之間的水含量時，所增加的這部分水能引發溶解過程，促使基質出現初期溶脹，起著增塑作用。在含水量高的食品中，這部分水的比例占總水含量的5%以下。

等溫線區間Ⅲ內的水是游離水，它是與食品中溶質結合最不牢固且最容易移動的水。區間Ⅲ內的游離水在高水分含量食品中一般占總水量的95%以上。

水分的吸濕等溫線與溫度有關，圖2-10給出了土豆片在不同溫度下的吸濕等溫線，從圖中可以看出在相同的水分含量時，溫度的升高導致水分活度的增加。一般來講，不同的食品由于其組成不同，其吸濕等溫線的形狀是不同的，并且曲線的形狀還與樣品的物理結構、樣品的預處理、溫度、測定方法等因素有關。

水分的吸濕等溫線對于了解以下信息是十分有意義的：①在濃縮和干燥過程中樣品脫水的難易程度與相對蒸汽壓（RVP）的關系；②配制混合食品必須避免水分在配料之間的轉移；③測定包裝材料的阻濕性；④測定什么樣的水分含量能夠抑制微生物的生長；⑤預測食品的化學和物理穩定性與水分含量的關系。

對于吸濕產物來講，需要用吸濕等溫線來研究；對于干燥過程來講，就需用解吸等溫線來研究。吸濕等溫線是根據把完全干燥的樣品放置在相對濕度不斷增加的環境里，樣品所增加的重量數據繪制而成（回吸），解吸等溫線是根據把潮濕樣品放置在同一相對濕度下，測定樣品重量減輕數據繪制而成。理論上二者應該是重合的，但實際上二者之間有一個滯后現象，如圖2-11所示。滯后所形成的環狀區域（滯后環）隨著食品品種、溫度的不同而異，但總的趨勢是在食品的解吸過程中水分的含量大于吸濕過程中的水分含量。另外其他的一些因素如食品除去水分程度、解吸的速度、食品中加入水分或除去水分時發生的物理變化等均能夠影響滯后環的形狀。

3.溫度對水分活度的影響

測定樣品水分活度時，必須標明溫度，因為a_w值隨溫度而改變。下式精確地表示了a_w對溫度的相依性。

　　（2-4）

式中，T為絕對溫度；R為氣體常數；ΔH為樣品中水分的等量凈吸著熱。顯然，以lna_w對1/T作圖（當水分含量一定時）應該是一條直線。圖2-12表示不同含水量（每克干淀粉中水的質量數，即圖2-12中線段右側數據）的馬鈴薯淀粉的水分活度與溫度的克勞修斯-克拉伯龍關系，可以說明兩者間有良好的線性關系。一般來說，溫度每變化10℃，a_w變化0.03～0.2。因此，溫度變化對水分活度產生的效應會影響密封袋裝或罐裝食品的穩定性。

在冰點溫度以下時，水分活度的定義需要重新考慮。實驗結果證明，應該用過冷純水的蒸汽壓來表示p₀。原因如下。

①只有用過冷純水的蒸汽壓來表示p₀，冰點溫度以下的a_w值才能與冰點溫度以上的a_w值精確比較。

②如果冰的蒸汽壓用p₀表示，那么含有冰晶的樣品在冰點溫度以下時是沒有意義的，因為在冰點溫度以下的a_w值都是相同的。另一方面，冷凍食品中水的蒸汽壓與同一溫度下冰的蒸汽壓相等（過冷純水的蒸汽是在溫度降低至-15℃時測定的，而測定冰的蒸汽壓、溫度比前者要低得多），所以可以按下式準確地計算冷凍食品的水分活度。

　　（2-5）

式中，p_ff為未完全冷凍的食品中水的蒸汽分壓；p_0（SCW）為過冷的純水的蒸汽壓；p_ice為純冰的蒸汽壓。

圖2-13所示為以a_w 的對數值對1000/T作圖所得的直線。圖中說明如下。

①在低于凍結溫度時，a_w的對數位與1/T呈線性關系。

②在低于凍結溫度時，溫度對水活性的影響比在凍結溫度以上要大得多。

③樣品在冰點時，圖中直線陡然不連續并出現斷點。

在比較高于和低于凍結溫度下的水分活度時得到三個重要區別。

第一，在凍結溫度以上，a_w是樣品組分和溫度的函數，前者是主要的因素。但在凍結溫度以下時，a_w與樣品中的組分無關，只取決于溫度，也就是說在有冰相存在時，a_w不受體系中所含溶質種類和比例的影響。所以，在低于凍結溫度時用a_w值作為食品體系中可能發生的物理化學和生理變化的指標，遠不如在凍結溫度以上更有應用價值。

第二，凍結溫度以上和凍結溫度以下水分活度對食品穩定性的影響是不同的。例如，一種食品在-15℃和a_w 0.86 時，微生物不生長，化學反應進行緩慢，可是，在 20℃，a_w同樣為 0.86時，則出現相反的情況，有些化學反應將迅速地進行，某些微生物也能生長。

第三，低于凍結溫度時的a_w不能用來預測凍結溫度以上的同一種食品的a_w，因為低于凍結溫度時a_w值與樣品的組成無關，而只取決于溫度。