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)生長的極限水分活度值?？茖W(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)營養(yǎng)、**和穩(wěn)定的寵物食品非常實(shí)用的工具，因?yàn)樗鼘ξ⑸锷L、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量，它定義了產(chǎn)品中水的能量或“可用性”。雖然兩種測量都很重要，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

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（Beuchat, 1983; Scott, 1957）。水分活度而非水分含量決定了微生物生長的“可用”水的下限。表1顯示了常見腐敗微生物的生長限值。這些水分活度限值是在理想的微生物生長條件下建立的，如pH和溫度。也就是說，他們代表了在*壞情況下增長限值的真正低水分活度。限制絕大多數(shù)致病菌生長的水分活度為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，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的有效手段。即使在比寵物食品中通?？山邮艿母咚趾恳部赡艽嬖谒?，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。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)生長霉菌，但兩種不同產(chǎn)品都不會(huì)生長致病菌。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)?？刂扑只疃瓤杀３诌m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、濕潤的食品更不美觀。柔軟、濕潤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)，它們在儲(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。

水分活度測量

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)傳感器測量空氣的露點(diǎn)溫度、紅外傳感器測量樣品溫度。根據(jù)這些測量結(jié)果，樣品頂部空氣的相對濕度為露點(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濕度處于平衡時(shí)，頂部空氣的濕度的測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)原理測量相對濕度的主要方法。儀器可在5分鐘內(nèi)完成準(zhǔn)確性為±0.003 aw的測量。由于測量基于溫度測定，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。對于某些應(yīng)用，快速讀數(shù)允許制造商對產(chǎn)品的水分活度進(jìn)行在線檢測。

其他水分活度儀器使用電阻或電容傳感器來測量相對濕度。這些傳感器由吸濕聚合物和相關(guān)電路組成?？商峁┫鄬τ谄胶庀鄬穸鹊碾娦盘?hào)。商用儀器可在整個(gè)范圍內(nèi)測量，儀器的準(zhǔn)確性不高。由于這些儀器將電信號(hào)與相對濕度相關(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，平衡相對濕度就等于樣品水分活度，所以準(zhǔn)確的測量需要有良好的溫度控制或測量。電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括設(shè)計(jì)簡單以及價(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)長期使用水分活度來研發(fā)新產(chǎn)品并預(yù)測保質(zhì)期、**性和質(zhì)量。制造過程中水分活度的測量可以嚴(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.