什么是水分活度？

大多數(shù)樣品中的水對于產品的穩(wěn)定性來說是非常重要的。控制產品中的水分有多種方法，比如干燥或者化學/結構結合（加鹽或糖）長久以來都被人類用來保存產品。這不僅僅控制了微生物的繁殖，而且也使產品達到了化學和物理穩(wěn)定。

只用水分含量不是一個可靠的預測依據(jù)

傳統(tǒng)上來說，對于產品或者添加劑的水分的探討集中在水分含量，這是對于產品中的水分總量的分析測量。產品中的水分對于大多數(shù)人來說都非常熟悉。其中測量的方法是烘干失水干燥、紅外、核磁或者卡爾費休滴定法。水分含量的測量對于符合產品營養(yǎng)法規(guī)的要求、特定的配方以及監(jiān)控生產工藝來說是非?；镜?。然而，只用水分含量并不是一個可靠的預測依據(jù)，特別是對于微生物的反映以及化學反應方面。

化學結合的水分不能被微生物利用

水分含量測量作為產品的安全性和質量保證方面的指標的局限性主要是在于產品中的水分是否和其他組分的結合程度存在差異。每個產品的安全水分含量都是不一樣的，比如，某個產品的安全水分是15%，而另外一個產品的水分含量為8%時就有可能造成微生物生長。盡管更濕的產品含的水更多，但是水分與其他組分結合在一起就無法為微生物所利用。只利用水分含量的數(shù)值，不可能知道產品中有多少水分是可以被利用來支持微生物的生長或者影響產品的質量。

水分活度與產品的質量和安全問題更相關

水分分析另一個重要的指標是水分活度（aw）。水分活度描述了水的能量狀態(tài)或者樣品中水的逃逸傾向性。水分活度描述了在產品中水是怎樣結合在一起。水分活度和水分含量兩者結合分析才能明確描述水的狀態(tài)。然而，水分活度是和產品的質量和安全問題zui直接相關的。水分活度與系統(tǒng)中的吉布斯自由能有很大的關系。這樣，水分活度是一個熱動力學的概念，需要進行測量。測量時需要系統(tǒng)確定在穩(wěn)定狀態(tài)以及溫度和標準的相態(tài)。純水作為一個參考值或者標準態(tài)，產品中的水分以純水為依據(jù)。從吉布斯自由能公式可以得到，純水的化學勢等于標準態(tài)的化學勢，所以純水的水分活度值為1。

水分活度是蒸汽壓的比值

水分活度是在相同溫度下產品中水分的蒸汽壓(p)和純水的蒸汽壓(p_o)的比值。空氣的相對濕度是空氣中水分的蒸汽壓和飽和蒸汽壓的比值。當蒸汽和溫度達到平衡時，樣品中的水分活度等于在密閉的測量空間里樣品周圍空氣的相對濕度。水分活度乘以100即為平衡相對濕度（ERH）。

a_w = p/p_o = ERH (%) / 100

從上面公式可以看到，水分活度是蒸汽壓的比值，是一個無量綱的數(shù)值。范圍是0.0a_w到1.0a_w。

結合的水并不是*固定不動的

水分活度有時也被理解為樣品中的“結合水”和“自由水”概念。盡管這些概念非常容易理解，但是它并不是對水分活度概念的準確描述。“自由水”并沒有遇到任何阻力來減少其自身的能量，因此，食品中的所有水分是“結合水”。問題是不是來區(qū)分哪些水是“結合水”，而是這些結合的程度如何。水分活度是測量水分結合的程度以及把水從系統(tǒng)中移除所需要的力。結合的水分不要認為是*固定不動的。微生物和化學過程與這些“結合”能量狀態(tài)是一個非?；镜倪^程。因為水分呈現(xiàn)出不同的能量狀態(tài)，測量樣品中所有水分含量的方法并不總是與產品的安全和質量有關，而水分活度則能反映真實的情況。

“結合水”和“自由水”不是非常有用的描述

系統(tǒng)中有多種因素影響水分活度，比如滲透、基質以及毛細現(xiàn)象等。水分活度是所有這些因素的綜合表現(xiàn)，這些因素會降低水分的能量，從而相比于純水而言，降低樣品上方的蒸汽壓。由于滲透和基質情況不一樣，水分活度描述的是系統(tǒng)中水的能量狀態(tài)連續(xù)性，而不是靜態(tài)的“結合”。“自由水”和“結合水”不是一個非常有用的概念，因為它試圖用離散態(tài)的概念來對連續(xù)性進行描述。

兩種分析方法的水分活度儀

目前沒有設備能夠直接把儀器放到樣品中來測量水分活度。然而，水分活度可以通過間接測量的方法得到。水分活度通過對樣品中的水分進行平衡后測量密閉空間中空氣的相對濕度得到。水分活度的測量方法在AOAC的分析方法中有詳細說明。新技術的發(fā)展在水分活度測量速度、準確性和重復性方面得到了很大的提高。可靠的實驗室儀器用于保證產品的安全以及加強政府的法規(guī)要求。目前有兩種不同類型的水分活度儀可以提供，一個是鏡面冷凝露點技術，另外一個是利用相對濕度傳感器來改變電阻或電容得到。每種技術都有優(yōu)勢和缺點。各種方法在準確性、重復性、測量速度、穩(wěn)定性、線性以及使用方便性方面有很大的區(qū)別。

鏡面冷凝露點方法

在鏡面冷凝露點法中，樣品放在樣品杯中并在一個有傳感器的密閉空間中，里面有露點傳感器、紅外溫度傳感器以及風扇。露點傳感器測量氣體中的露點溫度、樣品溫度通過紅外傳感器測量。通過測量這兩個溫度可以計算得到空氣中的相對濕度。通過計算露點溫度飽和蒸汽壓和在相同溫度下的飽和蒸汽壓的比值得到。當樣品中的水分活度和空氣中的相對濕度達到平衡時，氣體的相對濕度測量就是樣品的水分活度。風扇的作用是加快平衡以及控制露點傳感器邊界層的傳導性。

5分鐘內測量水分活度

鏡面冷凝露點法的zui大優(yōu)勢是在于測量速度和準確性。鏡面冷凝露點是基于基本的熱動力學原理，是測量相對濕度的方法。鏡面冷凝露點儀器可以在5分鐘內測量得到的準確性為±0.003a_w。由于測量是基于溫度的測量，這樣無需進行校準，但是建議在測量樣品前做一次標準鹽溶液來檢查確認儀器是否正常工作。如果測量結果有問題，需要對鏡面和儀器進行清潔。對于大多數(shù)應用而言，快速的測量可以使工廠能夠在現(xiàn)場快速的檢測樣品的水分活度。

電子濕度計

另外一種水分活度測量儀器是利用電阻或電容傳感器來測量相對濕度。這些傳感器的材料是吸水性聚合物以及相關的線圈，可以得到平衡相對濕度的電流信號。商品化儀器測量全范圍水分活度，準確性為±0.01w。由于這些儀器測量相對濕度所對應的電流變化，所以必須要用已知的標準鹽溶液進行校準。另外，平衡相對濕度等于樣品水分活度是需要在樣品和傳感器溫度一致的情況。正確的測量水分活度需要有一個很好的控溫技術或者準確的測量。電容傳感器的優(yōu)勢在于設計簡單以及價格便宜。