二、影响水分活度的因素

1.食品的物质组成对水分活度的影响

在同温度下，食品中非水组分越多，并且与水结合力越强，水分活度值就越小。所以可通过增减食品成分来调节其水分状态。

在非水组分及非水组分与水结合形式基本不变的条件下，温度越高水分活度值越大。

非水组分与水结合强度在食品加工中必然会受到温度的影响，因此水分活度会发生改变。

2.食品含水量对水分活度的影响

一般情况下，食品中的含水量越高，水分活度就越大。在恒温条件下，以食品的水分活度为横坐标，以食品的含水量（用每单位干物质质量中水的质量表示）为纵坐标绘成的曲线，称为水分吸湿等温线（moisture sorption isotherms，MSI），如图2-8所示，它表示食品脱水时各种食品的水分含量范围。当原料或食品含水量低于0.5g/g干物质时，水分活度迅速下降。这类示意图并不实用，因为低水分区一些最重要的数据没有详细地表示出来，而对食品来讲有意义的数据恰恰是在低水分区域。图2-9所示的是更实用的低水分含量食品的吸湿等温线。为了便于理解吸湿等温线的含义和实际应用，可以将图2-9中表示的曲线范围分为三个不同的区间；当干燥的无水样品产生回吸作用而重新结合水时，其水分含量、水分活度等就从区间Ⅰ（干燥）向区间Ⅲ（高水分）移动，水吸着过程中水存在状态、性质大不相同，有一定的差别。以下分别叙述各区间水的主要特性。

等温线区间Ⅰ的水与溶质结合最牢固，是原料或食品中最不容易移动的水，这部分水依靠水-离子或水-偶极相互作用而被强烈地吸附在极易接近的溶质的极性位置，其蒸发焓比纯水大得多，这部分水就是前面所提及的化合水和邻近水。区间Ⅰ的水只占高水分食品中总水量的很小一部分，一般为0～0.07g/g干物质，a_w为0～0.25。

在区间Ⅰ和区间Ⅱ的边界线之间的那部分水相当于食品中的邻近水的水分含量，单层水可以看成是在接近干物质强极性基团上形成一个单分子层所需要的近似水量，例如对于淀粉，此含量为一个葡萄糖残基吸着一个水分子。

吸湿等温线区间Ⅱ的水是占据固形物的第一层的剩余位置和亲水基团周围的另外几层位置，这部分水是多层水。多层水主要靠水-水分子间的氢键作用和水-溶质间的缔合作用。这部分水一般为0.1～0.33g/g干物质，a_w为0.25～0.8。

当水回吸到相当于等温线区间Ⅲ和区间Ⅱ边界之间的水含量时，所增加的这部分水能引发溶解过程，促使基质出现初期溶胀，起着增塑作用。在含水量高的食品中，这部分水的比例占总水含量的5%以下。

等温线区间Ⅲ内的水是游离水，它是与食品中溶质结合最不牢固且最容易移动的水。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。

水分的吸湿等温线与温度有关，图2-10给出了土豆片在不同温度下的吸湿等温线，从图中可以看出在相同的水分含量时，温度的升高导致水分活度的增加。一般来讲，不同的食品由于其组成不同，其吸湿等温线的形状是不同的，并且曲线的形状还与样品的物理结构、样品的预处理、温度、测定方法等因素有关。

水分的吸湿等温线对于了解以下信息是十分有意义的：①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；②配制混合食品必须避免水分在配料之间的转移；③测定包装材料的阻湿性；④测定什么样的水分含量能够抑制微生物的生长；⑤预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系。

对于吸湿产物来讲，需要用吸湿等温线来研究；对于干燥过程来讲，就需用解吸等温线来研究。吸湿等温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（回吸），解吸等温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。理论上二者应该是重合的，但实际上二者之间有一个滞后现象，如图2-11所示。滞后所形成的环状区域（滞后环）随着食品品种、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吸湿过程中的水分含量。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时发生的物理变化等均能够影响滞后环的形状。

3.温度对水分活度的影响

测定样品水分活度时，必须标明温度，因为a_w值随温度而改变。下式精确地表示了a_w对温度的相依性。

　　（2-4）

式中，T为绝对温度；R为气体常数；ΔH为样品中水分的等量净吸着热。显然，以lna_w对1/T作图（当水分含量一定时）应该是一条直线。图2-12表示不同含水量（每克干淀粉中水的质量数，即图2-12中线段右侧数据）的马铃薯淀粉的水分活度与温度的克劳修斯-克拉伯龙关系，可以说明两者间有良好的线性关系。一般来说，温度每变化10℃，a_w变化0.03～0.2。因此，温度变化对水分活度产生的效应会影响密封袋装或罐装食品的稳定性。

在冰点温度以下时，水分活度的定义需要重新考虑。实验结果证明，应该用过冷纯水的蒸汽压来表示p₀。原因如下。

①只有用过冷纯水的蒸汽压来表示p₀，冰点温度以下的a_w值才能与冰点温度以上的a_w值精确比较。

②如果冰的蒸汽压用p₀表示，那么含有冰晶的样品在冰点温度以下时是没有意义的，因为在冰点温度以下的a_w值都是相同的。另一方面，冷冻食品中水的蒸汽压与同一温度下冰的蒸汽压相等（过冷纯水的蒸汽是在温度降低至-15℃时测定的，而测定冰的蒸汽压、温度比前者要低得多），所以可以按下式准确地计算冷冻食品的水分活度。

　　（2-5）

式中，p_ff为未完全冷冻的食品中水的蒸汽分压；p_0（SCW）为过冷的纯水的蒸汽压；p_ice为纯冰的蒸汽压。

图2-13所示为以a_w 的对数值对1000/T作图所得的直线。图中说明如下。

①在低于冻结温度时，a_w的对数位与1/T呈线性关系。

②在低于冻结温度时，温度对水活性的影响比在冻结温度以上要大得多。

③样品在冰点时，图中直线陡然不连续并出现断点。

在比较高于和低于冻结温度下的水分活度时得到三个重要区别。

第一，在冻结温度以上，a_w是样品组分和温度的函数，前者是主要的因素。但在冻结温度以下时，a_w与样品中的组分无关，只取决于温度，也就是说在有冰相存在时，a_w不受体系中所含溶质种类和比例的影响。所以，在低于冻结温度时用a_w值作为食品体系中可能发生的物理化学和生理变化的指标，远不如在冻结温度以上更有应用价值。

第二，冻结温度以上和冻结温度以下水分活度对食品稳定性的影响是不同的。例如，一种食品在-15℃和a_w 0.86 时，微生物不生长，化学反应进行缓慢，可是，在 20℃，a_w同样为 0.86时，则出现相反的情况，有些化学反应将迅速地进行，某些微生物也能生长。

第三，低于冻结温度时的a_w不能用来预测冻结温度以上的同一种食品的a_w，因为低于冻结温度时a_w值与样品的组成无关，而只取决于温度。