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水分活度监测在食品质量安全控制中的重要意义

发布时间:2016-12-26      点击次数:6775

   民以食为天,食以安为先。食品安全问题是关乎国计民生的大事,已成为政府部门、科技界和消费者高度关注的重要领域。食源性疾病不断上升,恶性食品污染事件接二连三,世界范围内由食品安全引发的贸易纠纷不断,这些问题是影响各国经济发展、贸易以及国家声誉的重要因素(我国也不能例外)。改革开放以来,我国在基本解决食物量的安全的同时,食物质的安全越来越引起全社会的关注;尤其是我国作为WTO的新成员,与世界各国间的贸易往来会日益增加;食品安全已经成为影响中国农业和食品工业竞争力的关键因素。

  从范围来看,由微生物引发的食源性疾病仍是*食品安全问题。据世界卫生组织统计,在*每年数以亿计的食源性疾病患者中70%是由于食用了被微生物污染的食品的饮用水造成的。1999年年底,美国发生了历*因食用带有李斯特菌的食品而引发的zui严重的食物中毒事件。据美国疾病控制中心的资料,在美国密歇根州,有14人因食用被该菌污染了的“热狗”和熟肉而死亡,在另外22个州也有97人因此患病,6名妇女因此流产。2000年底至2001年初,法国发生李斯特菌污染事件,有6个人因食用法国公司加工生产的肉酱和猪舌头而成为李氏杆菌的牺牲品。20021123日,由于一份样品在沙门氏菌检测中呈阳性,意大利“波利奥”奶酪公司(Pollio)召回分销到美国18个州的6600箱乳清干酪。日本除了发生“O157”大肠杆菌污染事件外还出现了血印牛奶金黄色葡萄球菌污染事件。2003418日我国湖北省武汉市水果湖*小学发生一起集体食物中毒时间。这所学校六年级三个班的近百名学生,在课余餐食用学校统一发给的“熟食”豆干后,出现中毒症状。中毒事件原因已经查明,是进食微生物总数严重超标的豆干而引起的集体细菌性食物中毒。经湖北省卫生厅卫生监督局检验,“熟食”豆干细菌总数超标19倍。

  在我国,截至2004年第二季度,卫生部共收到重大食物中毒事件报告205起,中毒6329人,死亡156人。2000-2002年,中国疾病预防控制中心(CDC)营养与食品安全研究所对全国部分省市的生肉、熟肉和乳制品、水产品、蔬菜中的致病菌污染做了连续的质量监测。结果表明微生物型食物中毒仍居*,占39.63%,化学性中毒占38.56%,动植物性和原因不明的食物中毒10%左右。表1为我国1990-1999年食物中毒状况。由此可以看出,微生物污染导致的食物中毒同时也是影响中国食品安全的主要因素。

 

1 我国1990-1999年食物中毒状况[1]

病因

中毒起数

构成(%

中毒人数

微生物性食物中毒

4175

40.04

160599

化学性食物中毒

2563

24.58

47033

有毒的动植物中毒

1753

16.81

21124

其他

696

6.67

19751

原因不明

1143

10.96

27244

 

 

  食品安全的管理模式强调“从农田到餐桌”全过程管理,即以预防为主的原则来减低微生物引起的食源性危害。在食品的加工、储存和销售过程中,食品原料受到外界环境微生物的侵染,加之杀菌不彻底、以及储运方式不得当等造成的微生物污染,是导致食品败坏变质,威胁消费者健康的主要原因。只有有效地控制食品生产各个环节中潜在的微生物污染问题,食品工业才能生产出让消费者放心的食品。水分活度的控制是阻止有害微生物生长的关键因素。在美国,联邦法规第21款中已经明确规定,水分活度是检验食品安全性的重要指标。同时,美国食品药品监督管理局(FDA)所规定的食品生产过程良好操作规范(GMP)中明确地把水分活度定义为反应食品安全性的重要指标。在危害分析关键控制点(HACCP)监测系统中明确定义:“可通过限制水分活度来控制微生物病原体的生长。”美国规定,库存食品水分活度超过0.85就不能上市销售,在日本规定,库存食品水分活度超过0.90就不能上市销售。然而,在我国还没有这样的相关规定出台。

  那么什么是食品的水分活度呢?水分活度的监测对保证控制食品质量安全具有什么样的意义呢?

  作为热力学概念,水分活度是描述食品中的水分所处的一种能量状态,它与食品体系的吉布斯自由能(Gibbs Free Energy)有较强的相关性。它是表示水分的逃逸趋势(逸度)的指标;表示食品中的水与其他物质结合的紧密程度。虽然水分含量和水分活度都是用来描述水分存在的状态,但是水分活度是与食品的质量安全zui相关的因素。

严格意义上,我们把食品中水的逸度与纯水的逸度之比称为水分活度(water activityAw

 
  

  水分逃逸的趋势通常可以近似地用水的蒸汽压来表示,在低压或室温时,f/f0 P/P0之差非常小(<1%),故用P/P0来定义Aw是合理的。

  水分活度是食品组成和温度的函数,受前者影响较大。食品物料中水分存在的形式,通常只是简单地分为结合水和非结合水。严格地说,按照食品中的水分和物料的结合形式,可将物料中的水分分为:化学结合水,物理化学结合水(包括吸附结合水,结构结合水,渗透压结合水)和机械结合水。

长期以来,人们了解到食品的败坏变质与食品中水分含量(W)具有一定的关系。但是,仅仅知道食品中的水分含量不足以预报食品的质量安全性。有一些食品具有相同水分含量,但败坏变质的情况是明显不同的,如鲜肉与咸肉,水分含量相差不多,但保藏期却不同;这就存在一个水能否被微生物酶或化学反应所利用的问题;这与水在食品中的存在状态直接相关。

  所以,在考量食品质量安全的时候,食品中的水分含量并不是一个可靠的标准。例如,一种稳定的食品有可能包含15%的水;另一种食品有可能包含8%的水;但是,这不能断定前者更容易被微生物利用而生长,这是由于,有可能这部分水是通过化学键与其他组分结合的,是不能被微生物利用的。Rockland LB & Nishi SKFood Tech 34:42-59 1980.)认为,相对于食品中水分含量来说,AW已经被认为是更加重要的和食品及其原料的化学,物理,生物学特性都紧密的重要指标。

通过对食品水分活度的监控,可以保证食品在特定条件下(生产,储藏,流通)的卫生安全,当有准确可靠的数据证明该食品的水分活度低于既定的水分活度时,我们可以认为该食品中的水是不足以支持有害微生物生长的,食品是安全的。因此,从主动预防的角度来看,在食品生产,储藏,和市场监管的各项措施中应该把水分活度的监控当成重中之重。

  那么水分活度是如何影响微生物的呢?

  水分活度可以显著影响食品中微生物的繁殖、代谢(包括产毒)和抗性。

  首先,Aw值影响微生物的生长繁殖。大多数与食品有关的微生物在Aw值较高的情况下生长比较旺盛,只有少数能在较低Aw值下生长。因此,如果降低Aw值,食品中可繁殖的微生物种类和数量就会减少。各类微生物对Aw值要求不同,细菌对水分活度的要求zui高,Aw>0.9时才能生长繁殖;其次是酵母菌,要求Aw>0.87,再次是霉菌,在Aw0.8时就开始繁殖。另外,同属而不同种的微生物对Aw要求也不完全相同。

  其次,Aw值对微生物代谢活性也有影响。降低Aw值可以使微生物的生长速度降低,进而,食品败坏速度、微生物产毒数量以及微生物代谢活性也会降低。值得注意的是,中止不同的代谢过程所需的水分活度值不同。例如,对于细菌形成孢子所需的Aw值比它们生长的值要高。毒素的产生是与人体健康zui有关系的微生物代谢活动。当控制Aw在一定范围内可有效抑制某些产毒菌株产毒(如金黄色葡萄球菌的繁殖和肠毒素的形成)。霉菌的污染对食品的危害十分严重,一般认为产毒霉菌的生长所需的水分活度值要比其毒素形成所需的水分活度值低。另外,由于代谢水的产生,生长的霉菌可使生长环境的Aw值增加。因此,在有生毒细菌或霉菌存在的食品中,毒素的存在是极有可能的。由此可以看出对于食品水分活度的监控具有重要的现实意义。

  再次,Aw值对微生物抗热性同样具有影响。加热是抑制或杀死食品中微生物的常用有效方法,不同微生物及其孢子的抗热性不同。决定细菌的抗热性的诸因素中,热溶剂的物理性质、化学组成和Aw值等都是很重要的。一般来说,细菌孢子的抗热性随Aw值的降低而增强,在Aw0.20.4的范围内zui强。有时,在高浓度溶液中细菌的热抗性比在稀溶液中低,因为溶质本身在加热过程中会加重细胞的热毁坏。

  所以,通过对预杀菌的食品物料水分活度的检测,可初步判断热杀菌的效果。

  第四,Aw值对微生物存活能力有明显的影响。不能生长的微生物会逐渐死亡。因此,如果食物的Aw值低于微生物生长的zui低值,那么微生物的数量就会慢慢减少。通过对沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等食物毒性微生物的生存与Aw之间的关系的研究证明:在Aw值较低的食品中细菌孢子数会降低,这样的食品在储藏过程中甚至会变成无菌的。食物中带有的寄生虫的生存也受低Aw值的影响,这些寄生虫在冷冻或干燥过程中可被杀死。在研究肉中旋毛虫在干燥过程中的生存情况时观察到:在发酵香肠中当Aw值降低到一定数值时,这些寄生虫就会失活,从以上所述可以得出这样的结论:通过选择合适的条件(Aw值、pH 值、湿度、保鲜剂等),可减少或杀死微生物,从而提高食品稳定性和安全性。

  通过以上的论述,我们可以看出,水分活度对微生物的影响十分显著,水分活度是食品质量控制中的一个重要指标。在食品领域及时监控水分活度,可有效地估价食品的安全性和稳定性。一般,Aw值在1.0-0.9间的食品属高湿食品,Aw0.90.6属于中湿食品,Aw0.6-0.0属低湿食品。高湿食品败坏是由于细菌,中湿食品败坏主要是由于霉菌和酵母,在低湿食品上,微生物一般不生长,但低湿食品质量方面也依赖于Aw。另外,水分活度可用于高湿和中湿食品微生物安全和质量稳定性的预测[9-12]

 

2 水分活度与食品中微生物的生长

Aw范围

Aw的低限下不能生长的微生物

食品

1.000.95

假单胞菌、埃希氏菌、变形菌、贺氏菌、克雷伯氏菌、芽孢杆菌、魏氏杆菌、一部分酵母

极易败坏的新鲜食品、水果、蔬菜、肉、鱼和乳制品罐头、熟香肠和面包。含约40 %( W/W) 蔗糖或7 %NaCl 的食品

0.950.91

沙门氏菌、副溶血性弧菌、沙雷氏菌、乳杆菌、球菌、赤酵母、红酵母、部分霉菌

奶酪、咸肉和火腿、某些浓缩果汁、蔗糖含量为55 %( W/W) 或含12 % NaCl 的食品

0.910.87

多酵母、微球菌

发酵香肠、蛋糕、干奶酪、人造黄油及含65 %蔗糖( W/W) 或含15 % NaCl 的食品

0.870.80

大部分霉菌、金黄色葡萄球菌、拜耳酵母、德巴利酵母

大多数果汁浓缩物、甜冻乳、巧克力糖、枫糖浆、果汁糖

浆、面粉、大米、含15~17 %水分的豆类、水果糕点、火腿、软糖

0.800.75

大部分嗜盐细菌

果酱、马莱兰、橘子果酱、杏仁软糖、果汁软糖

0.750.65

嗜旱霉菌

10 %水分的燕麦片、牛扎糖块、勿奇糖( 一种软质奶糖) 、果冻、棉花糖、糖蜜、某些干果,坚果、蔗糖

0.650.60

高渗酵母、少数霉菌

15~20 %水分的干果, 某些太妃糖和焦糖、蜂蜜

0.5

任何微生物都不能生长

 

  在预测食品的安全性和预测有关微生物生长、生化反应速率等方面,水分活度扮演着极其重要的角色。通过测定和控制食品的水分活度,可以做到以下几点:(1)预测哪种微生物是潜在的败坏和污染源;(2)确保食品的物理,化学稳定性;(3)使非酶氧化反应和脂肪非酶氧化降到zui小;(4)延长酶的活性;(5)优化食品的物理性质,如质构和货架期[13]

  水分活度检测在肉类质量控制中的作用。

  水分活度是影响肉品保鲜的重要栅栏因子。*,微生物可在各种肉与肉制品上生长繁殖,微生物的污染和繁殖可直接导致肉品的败坏变质,从而影响肉品的卫生质量,严重时还可引起食物中毒,微生物与肉品保鲜的关系不言而喻。微生物的正常生长繁殖必须满足三个主要条件:(1)营养条件,肉和肉制品是微生物生长繁殖的培养基之一;(2)温度,一般来说,温度高,生长繁殖快,反之就慢;{3)适量的水(一定的水分活度)。三者具备,微生物便可很好地生长繁殖,否则微生物的生长繁殖都将受到影响。在这三个主要条件中,水分活度与微生物的关系极为密切,因为任何一种微生物在食品(包括肉与肉制品)中进行正常的生长繁殖,都要求有一个zui低的水分活度值,在该值以下微生物不能正常生长繁殖。换言之,一种肉制品的Aw值直接影响着该肉制品可能污染的微生物的种类和数量,进而影响着对该肉制品采取的防腐保鲜措施。因而,一直以来水分活度都披视为肉制品保鲜的重要栅拦因子,在同等条件下,Aw值低,肉品保存期长。Aw值与肉品保鲜期的关系宏观上可以下图表示:

  自从水分活度概念被引入食品科学研究领域后,水分活度理论被广泛用于指导生产。目前生产实践中的许多措施都是降低肉制品的Aw值来抑制微生物的正常生长繁殖,以达到保鲜的目的,如干燥法、冻结法、腌渍法等[14]。在肉制品中,肉干、肉脯、肉松等干肉制品的Aw多为0.600.67,故被看作是低Aw的安全食品。除了这几类干肉制品外,其他肉制品的水分活度通常高于0.75。而这些肉制品占市场份额较大,因此,及时检测水分活度,对控制肉制品在贮存期的品质变化有重要意义。夏大勇等人在调查中采到一袋超过了保质期有10个月的肉松,检测水分活度值为0.45,感官检查:色择褐黄,比正常黄色深一些,肉香昧减弱,无腐化败坏现象。不难看出, Aw值更能反映干制品内在质量变化的趋势[15]

水分活度检测在水产品质量控制中的作用

  根据文献资料,新鲜水产原料的Aw一般在0.980.99,腌制品为0.800.95,干制品为0.600.75Aw <0.9时,细菌不能生长;Aw<0.8时,大多数霉菌不能生长;Aw<0.75时,大多数嗜盐菌生长受抑制;Aw<0.6时,霉菌的生长完全受抑制。通常对烤鱼片、鱼糜干制品等方便食品要求水分活度在0.700.75范围之间,在这一水分活度下,细菌已很难存活,能生长的有一些耐干燥霉菌,只要在加工 、包装、运输过程中采取防霉措施,就能达到较长时间贮藏的目的。由于在较低水分活度条件下,食品中的微生物数量有下降趋势。现在,食品科技界正在探索按预定要求控制一些食品的Aw值,以达到免杀菌保存食品的可能性。虾仁制品的干制是通过降低虾肉中的含水量与水分活度(Aw),以抑制微生物的繁殖,达到长期保存的目的。一般Aw<0.69时,贮存更加安全,但虾肉干制到Aw<0.69时,水分含量已降至15%以下,得到的产品干硬,食用品质变差。为维持其相对较高的含水量同时还能防止腐化败坏,需要找到一个适当的平衡点。江南大学食品科学与安全教育部重点实验室的伍玉洁等人进行了水分活度对干制虾仁产品的货架寿命和质构的影响试验,研究表明,通过分析比较Aw与水分含量的关系、保藏过程中细菌菌落总数的变化以及南美白对虾虾体的弹性和硬度等质构参数,发现当Aw控制在0.860.9范围,水分含量在25(WW)时,常温保藏的南美白对虾干制产品在口感及微生物指标等方面可取得较好的平衡。

水分活度检测在粮油制品质量控制中的作用

  蛋糕等粮油制品在保藏过程中会因微生物的滋生而不能食用,微生物的滋生又包括两个方面,即发霉和腐化败坏。蛋糕发霉主要是指霉菌在蛋糕上大量繁殖,可从外表观察到呈绒毛状的各种颜色的斑点,而且有些霉菌会产生对人体有害的毒素。污染蛋糕的霉菌群种类很多,有青霉菌、青曲菌、根霉菌、精曲菌及白霉菌等。蛋糕败坏,主要是指蛋糕受到细菌中的马铃薯杆菌等的侵袭繁殖而引起的败坏变质。霉菌的作用在粮油制品的败坏变质中起到了主要的作用。微生物的控制有诸多方法,国内外有很多人做过研究,比如控制原料成分,活性包装材料,充气包装,添加脱氧剂,选择保藏环境等。然而,zui有效的方法还是将蛋糕制成不适合微生物生长的体系,也就是调整蛋糕的水分活度再辅以抗菌剂[16]。中国农业大学胡胜群等进行了pH,抗菌剂浓度以及水分活度对奶油蛋糕(磅蛋糕)模拟培养基中微生物生长的影响试验,结果说明,微生物生长速度随水分活度升高而加快,通过降低蛋糕的水分活度(0.88左右)微生物的生长受到明显抑制。

水分活度监测在冰淇淋品质控制中的作用

  在冰淇淋浆料中,水分含量为60 70%,但水分活度却较低,冰淇淋浆料的总固形物含量越多,则水分活度越低。水分活度影响冰淇淋的抗融化度、抗变形度、质地的松软度或坚实度,影响冰晶的数量、颗粒度、结构、分布位置和定向。要控制冰淇淋品质首先要控制水分活度。天津商学院食品系的杨湘庆,沈悦玉通过试验证明控制浆料中的水分活度可以很好的控制冰淇淋品质。

  总之,对水分活度的监控在保证食品质量安全上具有十分重要的意义。

  我国加入世界贸易组织后,食品进出口贸易将是我国重要的经济活动。然而,它也对我国食品安全性保证问题提出了新的挑战;即使在国内生产和消费的食品也面临着新的挑战。城市化进程加快,人们对食品的运输和加工需求变得更大,农业生产与食品工业融为一体。食品生产和流通模式发生改变,食物比以往流通得更远,需要运输的时间也相对更长。食品从生产到保藏,再从流通到消费;这样一系列的过程,都要求有效及时的质量监测。无论是站在生产者的角度还是站在政府的角度来看,有效的预防措施是保证食品安全性的关键所在。因此,食品工业在实施HACCP体系的同时,应该对食品水分活度给予高度的重视,因为进行水分活度的实时检测是确保食品质量安全的有效过程控制手段。

 

参考文献:

[1] 陈锡文,邓楠.中国食品安全战略研究[M],北京:化学工业出版社,2004.7941-945

[2] 陈锡文,邓楠.中国食品安全战略研究[M],北京:化学工业出版社,2004.710

[4] 李琳,万素英.水分活度(Aw)与食品防腐,中国食品添加剂,20004):33-36

[5]  Food preservatives NJRwsell G.W Gould著.1991

[6]  Preservatives in the foodpharmaceutical and environmental industriesRGBoardM CAllwoodJGBanks著,1987

[7]  Fungicidesbiocides and preservatives for industrial and agricultural applicationsEmest W Flick 著, 1987

[8]  食品化学.韩雅珊主编,1996

[9]  莱斯特.水分活性与食品保藏.肉类研究,19963):44-49

[10] 卞科.水分活度与食品储藏稳定的关系[J].郑州粮食学院学报,1997(4)4148

[11] 曾庆孝.食品加工与保藏原理[M].化学工业出版社,2002158164

[12] 曹玉兰. 水分活性对控制食品安全和质量的稳定作用. 食品研究与开发,20064),27165-166

[13]  Decagon DevicesIncAbout Water Activity

[14] 安虹. 肉品保鲜与水分活性理论的应用.乡镇经济,20002):61-62.

[15] 夏大勇,蒋树芹. 水分活性(Aw)值应是监督肉类干制中的重要指标. 肉品卫生,1997,(3):13-15

[16] 胡胜群,钱平,胡小松,何锦风.pH,抗菌剂浓度以及水分活度对奶油蛋糕(磅蛋糕)模拟培养基中微生物生长的影响.食品工业科技,20065),2794-96

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