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水分活性( a w ) は、溶液中の水の部分 蒸気圧を標準状態の水の部分蒸気圧で割ったものです。食品科学の分野では、標準状態はほとんどの場合、同じ温度の純水として定義されます。この特定の定義を使用すると、純粋な蒸留水の水分活性はちょうど 1 になります。水分活性は、溶媒としての水の熱力学的活性と平衡後の周囲の空気の相対湿度です。温度が上昇すると、結晶塩または結晶糖を含む一部の製品を除き、 a w は通常増加します。
水はa wの高い場所から低い場所に移動します。たとえば、蜂蜜( a w ≈ 0.6) が湿った空気( a w ≈ 0.7) にさらされると、蜂蜜は空気から水分を吸収します。サラミ( a w ≈ 0.87) が乾燥した空気 ( a w ≈ 0.5)にさらされると、サラミは乾燥し、保存することも、腐敗させることもできます。a wの低い物質は、水の移動によって乾燥するため、 微生物が少なくなる傾向があります。
式
a wの定義は、 p が溶液と平衡状態にある部分水蒸気圧、p*が同じ温度における純水の (部分) 蒸気圧である 場合です 。
別の定義としては、 l wが水の活量係数、x w が水性画分中の水のモル分率である、 というものがあります。
相対湿度との関係: サンプルと平衡状態にある空気の相対湿度 (RH) は平衡相対湿度 (ERH) とも呼ばれ、通常はパーセントで表されます。[1]これは水分活性に等しく、 21 °C での推定カビなし保存期間 (MFSL) は水分活性に依存します。[2]
用途
水分活性は食品の設計と食品の安全性にとって重要な特性です。[要出典]
食品製品のデザイン
食品デザイナーは水分活性を利用して常温保存可能な食品を配合します。製品の水分活性が一定の値以下に保たれると、カビの繁殖が抑制されます。その結果、保存期間が長くなります。[要出典]
水分活性値は、異なる原料で作られた食品内での水分移動を制限するのにも役立ちます。水分活性の高いレーズンが水分活性の低いブランフレークと一緒に包装されている場合、レーズンの水分が時間の経過とともにブランフレークに移動し、レーズンは硬くなり、ブランフレークは湿った状態になります。食品製造者は水分活性を使用して、水分移動が製品にどの程度影響するかを予測します。[引用が必要]
食品安全
水分活性は、多くの場合、危害分析重要管理点 (HACCP) プログラムの重要管理点として使用されます。食品のサンプルは定期的に生産エリアから採取され、水分活性値が食品の品質と安全性の規定範囲内にあることを確認するために検査されます。測定はわずか 5 分で完了し、ほとんどの主要な食品生産施設で定期的に行われています。[引用が必要]
研究者たちは長年、細菌の増殖能力と水分含有量を同等にしようとしてきました。その結果、その値は普遍的なものではなく、食品ごとに異なるものであることがわかりました。WJ スコットは1953 年に、細菌の増殖が水分含有量ではなく水分活性と相関していることを初めて証明しました。特定の水分活性値で細菌の増殖が抑制されることは確固たる根拠となっています。米国食品医薬品局(FDA) による中水分食品の規制は、これらの値に基づいています。
食品の水分活性を下げることは、殺菌ステップとみなされるべきではありません。粉ミルクの研究では、生細胞は水分活性値が低い場合でも存在できますが、増殖しないことが示されています。[要出典]時間の経過とともに、細菌レベルは低下します。
測定
水分活性値は、抵抗電解式、静電容量式、または露点湿度 計によって得られます。
抵抗型電解湿度計
抵抗型電解湿度計は、毛細管力によって 2 本の小さなガラス棒の間に挟まれた液体電解質の形の感知要素を使用します。電解質は、水蒸気を吸収または失うと抵抗が変化します。抵抗は相対的な空気湿度に正比例するため、サンプルの水分活性にも比例します (蒸気と液体の平衡が確立されると)。この関係は、飽和塩水混合物を使用した検証または較正によって確認できます。これにより、測定チャンバー内の空気湿度が明確かつ再現可能になります。[引用が必要]
センサーには、静電容量湿度計やセンサーで知られているような物理的に与えられたヒステリシスはなく、表面が効果的な感知要素ではないため、定期的な清掃も必要ありません。原則として、揮発性物質、特に電解質内で解離して抵抗を変える物質は、測定性能に影響を及ぼします。このような影響は、揮発性化合物をセンサーに到達する前に吸収する化学保護フィルターを使用することで簡単に回避できます。[要出典]
静電容量式湿度計
静電容量湿度計は、ポリマー膜 誘電体で分離された 2 つの帯電プレートで構成されています。膜が水を吸着すると、電荷を保持する能力が増加し、静電容量が測定されます。この値は、センサー固有の較正によって決定される水分活性にほぼ比例します。[引用が必要]
静電容量式湿度計は、ほとんどの揮発性化学物質の影響を受けず、他の代替センサーよりもはるかに小型です。洗浄は不要ですが、露点湿度計よりも精度が低くなります (+/- 0.015 a w )。定期的な校正チェックが必要であり、ポリマー膜内の残留水 (ヒステリシス) の影響を受ける可能性があります。
露点湿度計
清浄な表面に露が形成される温度は、空気の蒸気圧に直接関係しています。露点湿度計は、閉じたサンプル室の上に鏡を置くことで機能します。鏡は、光学センサーによって露点温度が測定されるまで冷却されます。次に、この温度を使用して、湿度チャートを使用して室の相対湿度を調べます。
この方法は理論的には最も正確 (+/- 0.003 a w ) で、多くの場合最も高速です。ミラーにゴミがたまったら、センサーをクリーニングする必要があります。
平衡
どちらの方法でも、サンプルチャンバー内で気液平衡を確立する必要があります。これは時間の経過とともに起こりますが、チャンバー内にファンを追加することで促進することもできます。サンプル温度を測定しない場合は、熱平衡も達成する必要があります。[引用が必要]
水分含有量
水分活性は水分含有量と非線形の関係にあり、水分吸着等温線として知られています。これらの等温線は物質と温度に固有です。等温線は、さまざまな保管条件での製品の経時的な安定性を予測するのに役立ちます。[引用が必要]
湿度制御に使用
周囲の相対湿度よりも水分活性が高い溶液からは、正味の蒸発が起こります。周囲の相対湿度よりも水分活性が低い溶液からは、正味の水分吸収が起こります。したがって、密閉された空間では、水溶液を使用して湿度を調節することができます。[3]
選択したわ価値観
太陽系惑星の居住可能性
水は、現在地球上で知られているあらゆる形態の生命にとって必要不可欠です。水がなければ、微生物の活動は不可能です。たとえ一部の微生物が乾燥状態で保存できたとしても（例えば、凍結乾燥後）、水がなければその成長は不可能です。[要出典]
微生物も、成長するために十分な空間を必要とする。高度に圧縮されたベントナイトや深層粘土層では、空間不足により微生物の活動が制限され、細菌への栄養素の輸送や、細菌の代謝によって生成される毒素の除去は、間隙水中の拡散によって制御される。したがって、「空間と水の制限」は、深層堆積物における微生物活動の2つの制限要因である。[11]微生物活動（硫酸塩還元細菌など）によって駆動される海底直下の堆積物の初期の生物的続成作用は、圧縮の程度が微生物の生命の発達を許さないほど重要になったときに終わる。[12]
惑星の表面と大気圏では空間制限は適用されないため、最終的な制限要因は水の利用可能性、つまり水の活性となる。[要出典]
ほとんどの極限環境微生物は、活動するために十分な水を必要とする。それらの発達のための水分活性の閾値は約0.6である。同じルールは地球以外の惑星にも当てはまるはずである。金星の大気中にホスフィン（PH 3）が検出された興味深い事実があるが、この分子の形成を説明できる既知でもっともらしい化学的メカニズムが存在しないことから、金星の大気中に浮遊する微生物の存在が疑われ、微生物によるホスフィン形成の仮説がカーディフ大学のGreavesら（2020）によって定式化され、微生物の生命にとって許容できる温度範囲のある特定の高度に金星の雲の中に生存可能な窓がある可能性が想定された。[13]
ベルファストのクイーンズ大学生物科学部のホールズワースら（2021）は、好ましい温度条件が優勢である可能性のある金星の大気の高高度の雲の中で極限環境微生物の生命を維持するために必要な条件を研究した。ほとんどの微生物の生存にとってすでに大きな課題となっている雲内の硫酸の存在に加え、彼らは金星の大気は微生物の生命を宿すには乾燥しすぎているという結論に達した。実際、ホールズワースら（2021）は水分活性を≤ 0.004と判定したが、これは既知の極限環境微生物の限界値0.585よりも2桁低い。[14]つまり、金星の雲の水分活性は地球の条件で知られている閾値0.6の100倍低いため、グリーブスらが想定した仮説は正しいと言える。（2020）金星大気中のホスフィンの生物起源を説明できる可能性は排除されている。[要出典]
宇宙探査機による金星の大気の直接測定は、非常に過酷な条件を示しており、地球上で知られている最も極端な形態の生命にとっても、金星は居住不可能な世界である可能性が高い。乾燥した金星の大気の極度に低い水分活性は、生命にとって非常に厳しい制限要因であり、地獄のような温度と圧力、または硫酸の存在よりもはるかに厳しい。
宇宙生物学者は現在、生命に必要な他の条件（無毒な媒体での十分な栄養素とエネルギーの供給）が同じ環境で満たされていれば、木星の雲の中では大気中に十分な水分活性が行き渡るより好ましい条件に遭遇する可能性があると考えている。[15] [16]
参考文献
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- ^ 「ベーコンと食品の安全性」。米国農務省食品安全検査局。2013年10月29日。 2017年6月18日閲覧。
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- ^ エイモス、ジョナサン（2021年6月29日）。「金星の雲は生命を維持するには『乾燥しすぎている』」BBCニュース。 2021年7月1日閲覧。
さらに読む
- レイネチウス、ゲイリー（1998年）。『ソースブック・オブ・フレーバーズ』ベルリン：シュプリンガー。ISBN 978-0-8342-1307-4。
- Fennema, OR, ed. (1985).食品化学(第2版). ニューヨーク: Marcell Dekker, Inc. pp. 46–50.
- Bell, LN; Labuza, TP (2000)。水分吸着等温線の測定と使用の実際的側面(第 2 版)。Egan、MN: AACC Egan Press。
外部リンク
- 同位体効果
- 測定
- http://ac.els-cdn.com/ [リンク切れ ]
- 水分活性を測定する理由、Syntilab
- 水分活性を測定する方法、Syntilab