水分活度与食品含水量的关系

二、水分活度与食品含水量的关系

（一）吸湿等温线

食品水分活度与食品含水量是两个不同的概念，食品的含水量是指在一定温度、湿度等外界条件下，处于平衡状态时食品的水分含量；而水分活度主要决定于自由水的含量。在一定温度条件下以食品的含水量对其水分活度的曲线图，称为吸湿等温线（Moisture sorption isotherms, MSI）。吸湿等温线对于了解以下信息是十分有意义的：在浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与相对蒸汽压（RVP）的关系；应当如何组合食品才能防止水分在组合食品的各配料之间的转移；测定包装材料的阻湿性；可以预测多大水分含量时才能够抑制微生物的生长；预测食品的化学和物理稳定性与水分的含量的关系；可以看出不同食品中非水组分与水结合能力的强弱。

图1-1是高含水量食品的吸湿等温线示意图，包括了从正常到干燥状态的整个水分含量范围的情况，但在图1-1中并没有详细地表示出低水分区域的情况。因此，这类示意图并不是很有用，因为对食品来讲有意义的数据是在低水分区域。把水分含量低的区域扩大，忽略去高水分区就可得到一张更有价值的吸湿等温线，见图1-2。

为了便于理解吸湿等温线的含义和实际应用，可以人为地将图1-2中表示的曲线范围分为三个不同的区间，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区。

Ⅰ区：是食品中水分子与非水组分中的羧基和氨基等离子基团以水—离子或水—偶极相互作用而牢固结合的部分，是食品中最不容易移动的水。它不能作为溶剂，在-40℃不结冰，对食品固体没有显著的增塑作用，可以简单地看作是食品固体的一部分。在区间Ⅰ的高水分末端（区间Ⅰ和区间Ⅱ的分界线）位置的这部分水相当于食品的“单分子层”水含量，这部分水可看成是在干物质可接近的强极性基团周围形成一个单分子层所需水的近似量。区间Ⅰ的水只占高水分食品中总水分含量的很小一部分，一般为0～0.07g/g干物质，Aw一般为0～0.25。(https://www.daowen.com)

Ⅱ区：包括了区间Ⅰ的水和区间Ⅱ内增加的水。区间Ⅱ内增加的水分占据非水组分吸附水的第一层剩余位置和亲水基团（如氨基、羟基等）周围的另外几层位置，形成多分子层结合水，主要靠水—水和水—溶质的氢键与邻近的分子缔合，同时还包括直径＜1μm的毛细管中的水。它们的移动性比游离水差，蒸发焓比纯水大，大部分在-40℃不结冰。当食品中的水分含量达到相当于区间Ⅲ和区间Ⅱ的边界时，其水将引起溶解过程，引起体系中反应物流动，加速了大多数反应的速率。

Ⅲ区：包括了区间Ⅰ和区间Ⅱ内的水及区间Ⅲ界内增加的水。实际上就是游离水，是食品中结合最不牢固和最容易移动的水。在凝胶和细胞体系中，因为游离水以物理方式被截留，所以宏观流动性受到阻碍，但它与稀盐溶液中水的性质相似。从区间Ⅲ增加或被除去的水，其蒸发焓基本上与纯水相同，这部分水既可以结冰也可作为溶剂，并且还有利于化学反应的进行和微生物的生长。区间Ⅲ内的游离水在高水分含量食品中一般占总水量的95%以上。

虽然等温线划分为三个区间，但还不能准确地确定各区间分界线的位置，而且除化合水外，等温线区间内和区间与区间之间的水都能发生相互交换。另外，向干燥食品中增加水时，虽然能够稍微改变原来所含水的性质，如产生溶胀和溶解过程，但在区间Ⅱ增加水时，区间Ⅰ水的性质几乎保持不变。同样，在区间Ⅲ内增加水，区间Ⅱ水的性质也几乎保持不变。以上可以说明，对食品稳定性产生影响的水是体系中受束缚最小的那部分水，即游离水（体相水）。

（二）吸湿等温线的滞后现象

对于吸湿过程，需要用回吸曲线来研究，对于干燥过程，就需用解吸曲线来研究。回吸曲线是根据把完全干燥的样品放置在相对湿度不断增加的环境里，样品所增加的重量数据绘制而成，解吸曲线是根据把潮湿样品放置在同一相对湿度下，测定样品重量减轻数据绘制而成。理论上它们应该是一致的，但实际上二者之间有一个滞后现象（Hysteresis），不能重叠，如图1-3所示。这种滞后所形成的环状区域（滞后环）随着食品品种的不同、温度的不同而异，但总的趋势是在食品的解吸过程中水分的含量大于回吸过程中的水分含量（即解吸曲线在回吸曲线之上）。