水分活度作为预测和控制宠物食品稳定性重要指标的意义

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“食品安全"是近几年非常流行的话题之一，我们可以看到，无论是美国《联邦食品、药品和化妆品法案》和国内的《食品安全法》都要求宠物食品（如人类食品）必须纯净、健康且不得含有有害物质。

消费者越来越意识到所吃食物的质量以及宠物的喂养质量。食品质量的一个重要方面是终产品的稳定性。食品的物理、化学或微生物特性的变化可被视为稳定性降低，水分活度是影响食品稳定性的几个重要参数之一。

水分活度是食品中水分的能量状态的度量。它也定义为样品的水蒸汽压除以相同温度下的蒸汽压。水分活度可以解释为用于参与物理、化学和生物反应的水的逃逸程度。

水分活度不能与水分含量相混淆。水分含量是游离水分和结合水分的总和。水分和水分活度之间的关系取决于特定的材料。例如，二氧化硅可以吸收50%的水分，并保持非常低的水分活度，而结晶蔗糖吸收的水分很少，直到水分活度达到0.80 aw。

微生物控制

水分活度在配料和终宠物食品的微生物稳定性中起很大的作用。细菌、霉菌和酵母需要水分才能生长，每种微生物都有低的水分活度，低于该水分活度微生物将不会生长。表1详细列出了抑制不同类型微生物所需的水分活度。食品的水分活度应低于0.85 aw，否则需要加强监管。水分活度低于0.85 aw时，由于没有足够的水支持病原体的生长，因此认为该食品是无害的。

表2列出了许多常见配料和宠物食品的水分活度。干的宠物食品通常在0.40-0.45 aw范围内。在如此低的可利用水分下（<0.60 aw）,微生物的稳定性不是问题。但是，罐头食品通常高于0.85 aw，因此必须作酸化食品处理。从致病菌生长的角度来看，水分活度低于0.85 aw虽然是无害的，但是仍然会有许多酵母菌和霉菌的生长。

这些微生物的生长会导致食品败坏和物理恶化。柔然的宠物食品通常在此中间范围（0.60-0.85 aw）。为了保护这些食品，必须进行诸如巴氏灭菌、控制pH值或者添加防腐剂等辅助手段。在保持湿润、耐嚼的食物与防腐剂货加工的增加成本之间，通常会选择一种配方折中方案。

表1 微生物以及低水分活度生长限值

表2 常见宠物食品和配料的水分活度

霉菌和毒素

霉菌可以在低至0.61 aw的水分活度下生长。霉菌的类型、温度和水分活度在确定生长曲线中起作用。例如，娄地青霉在25℃时在水分活度0.82 aw时开始生长，30℃时在0.86 aw时生长，而在37℃时不能生长。匍匐散囊菌在30℃时水分活度为0.70 aw时开始生长，但是在25和37℃时，低的水分活度生长是0.74 aw。这些真菌在酸性条件下比中性条件下生长的更快。

毒素，特别是宠物食品中的霉菌毒素，可能是在微生物生长过程中形成的，但水分活度不会低于0.80 aw。霉菌毒素的形成取决于霉菌的类型、基质和储存条件，包括pH值、温度和水分活度。Scudamore等人在1997年对干谷物类宠物食品和野生鸟类种子进行了曲黄霉素和赭曲霉毒素的检测，结果发现84%的这些食品所含的曲黄霉素含量低于检出限。在10%的样品中发现了含量较低的赭曲霉毒素。在水分较高的食品中，霉菌属主要有青霉属、霉菌属和曲霉菌属。

真菌毒素可以在谷物如玉米和小麦上生成。加工温度可以杀死霉菌，但不能清除已经形成的毒素。

对于原材料的监测可以帮助限制食品中的毒素含量，但是采样非常困难，因此在储存和运输过程中可能会出现霉菌生长，从而形成霉菌毒素。霉菌毒素的形成也可能发生在终的食品储存过程中。保持终水分活度在0.80 aw下可以避免霉菌毒素的产生。

侵扰

害虫是宠物食品储存过程中的另一个潜在问题，在某些情况下可以通过水分活度来控制。螨虫通常存在于某些食品成分中，并且能够在加工过程中存活下来。螨虫在水分活度0.65 aw（5℃）、0.63 aw（25℃）和0.60 aw（40℃）时活跃，低于0.60 aw的干宠物食品应该不含螨虫。

化学稳定性

水分活度也会影响化学稳定性。非酶褐变称之为美拉德反应，是单糖和氨基酸之间的化学反应，导致颜色增加。如图1所示，非酶褐变发生在水分活度为0.30-0.80aw之间。褐变会导致外观的变化，也会导致口感的变化。酶也能引起食品中的反应，导致食物变味。当水分活度为0.80 aw或更低时，酶的反应大大减慢。

图1 水分活度影响化学反应速率

物理稳定性

物理稳定性极大地依赖于水分活度。干宠物食品将于他们的环境达到后的平衡。如果环境相对湿度高于产品的平衡水分活度，产品就会吸水，直到与环境达到平衡。如果这种新的水分活度超过了食品的临界水分活度，它就会开始结块，这是所有消费者不能接受的。

每个新产品都应该确定一个临界水分活度值，这可以通过一条水分吸附等温线来确定（图2）。水分吸附等温线是在设定的温度下，通过测量水分活度和水分含量含得到的。

从水分吸附等温线可以确定产品在一定能温度下达到一定的水分活度时的水分含量。如果注意到产品的临界水分活度（物理特性变化）相关的水分含量，就可以建立储存和包装条件。具有高于实际储存条件的临界水分活度的产品不需要特殊包装，临界水分活度较低的产品可能需要密封。

图2 典型的水分吸附等温线

每个组分都会影响终产品的稳定性。不同初始水分活度的组分在产品中会达到终平衡。一种成分的初始水分活度为0.20 aw，中间成分的水分活度为0.50 aw的喷雾干燥产物将在两者之间达到平衡。水分活度高的组分中的水分会迁移到水分活度低的组分，这样，每种组分的特性都可能发生变化。

同样，这也取决于每种原料的临界水分活度，以及终产品的临界水分活度。Salwin在1963年开发了一个使用水分活度和水分含量从单个组分水分吸附等温线方程来预测混合物的水分活度（图3）。为了预测代表实际情况，等温线必须在终产品的温度下得到。在环境湿度下的包装不是一个影响因素。

图3 Salwin方程预测平衡时的水分活度

典型的一些宠物食品是软嚼片和硬片的混合物。坚硬的宠物食品对宠物的牙齿保持清洁是非常有价值的，而柔软的食品会更美味。当这两种混合时，可以两者兼顾。

为了使这种混合食品保持稳定，必须开发单独组分和终产品，使终的平衡水分活度允许这两种组分保持它们原有的特性。

在宠物食品方面，这是许多利专聚焦的方向。

另外，专业的包装、加工和配料都是为了达到保持终产品稳定的目的。

配料之间水分的不稳定是宠物食品结块的常见原因。水从水分活度高的组分转移到水分活度较低的组分，使其中一种成分达到临界水分活度后就会开始结块。温度等储存因素可以改变反应的速率。温度越低反应速率越慢，温度越高反应速率越快。

宠物食品的开发

食品技术人员在开发新产品时将利用上述所有信息。第个一目标是确定要生产的产品类型（高、中、低水分）。低水分食品的厂家不需要担心微生物问题。水分活度将是这种食品物理特性的一个因素。图3中的Salwin方程在预测混合成分的终水分活度时非常有用。添加盐、糖和二氧化硅等可以帮助调整终的水分活度以达到预期的终点。

就病原体污染而言，中等水分的食品是安全的，但它会受到受到变质生物体、酶和非酶分解以及物理变化的影响。《美国联邦法规法典》规定，依赖于控制水分活度以防止有害微生物生长的中等水分食品应加工并保持在安全水分水平。

对水分活度进行监控，调整可溶性固形物和水的比例或控制包装可以做到这一点。进一步干燥，或使用盐、蔗糖或山梨醇等溶质可以降低水分活度，然而，这可能不会产生期望的终产品特征。

防腐剂如苯甲酸钠、丙酸和山梨酸钾可以用来控制微生物的生长。pH值、目标微生物、口感和成本的因素可以用来决定选用合适的防腐剂。可以使用水分吸附等温线来预测产品的物理稳定性，并考虑到所需特性的临界水分活度值。

高水分食品（>0.85 aw），如罐头宠物食品，必须按照低酸罐头食品法规进行加工。规定了水分活度等关键因素必须与热处理结合使用。

结论

为了生产既具有商业可行性有安全的宠物食品，水分活度必须用做产品开发的重要指标和质量保证机制。

水分活度在任何类型的宠物食品中都是非常重要的考虑因素，因为水分活度在产品的物理、化学和生物稳定性中起着重要作用。

宠物食品行业面临的挑战是如何使用正确的配料、加工个包装组合，开发出符合安全和质量标准、符合成本参数、同时又能保持设计完整性的产品，以满足消费者的需求。