食品の安全、品質のための水分活性
水分活性（aw）はどう役立つのだろうか？微生物の生育を抑制する、固化・凝集を防止する、水分移動を予測する、化学・生化学反応に影響を与える、ハードル技術と相乗効果を起こす、保存期間を決定するなど、水分活性はさまざまなことに役立ちます。もしかしたら、役に立たないことを考えた方が早いかもしれません。
例えば、クラッカーの水分含量が20％、チーズフィリングの水分含量が30％だとします。クラッカーにチーズフィリングを載せるとクラッカーが湿気てしまうでしょうか。いいえ、必ずしも。この2つの原料の水分活性が同じであれば、湿気ることはないのです。
粉末の香辛料が固化・凝集するのを防ぐにはどうしたらいいでしょうか？そうです。成分の水分活性を同じにすれば、問題は解決します。
ビタミンの劣化は水分活性の働きによるものです。脂質の酸化、歯ざわり、噛みごたえ、柔らかさ、その他多くの品質に関わる要素も同様です。水分含量は、製品に含まれる水分の量を教えてくれますが、それだけです。水分量では、こうした品質や安全性の問題を予測することはできないのです。
なぜ水分活性なのか？
以上から、水分含量では微生物の生育の変動を十分に説明できないことが明らかとなり、水分活性が品質と安全性の測定に有用であることが分かります。このように、水分活性はシステム内の水のエネルギー状態を示す指標なのです。
水分活性の概念は何十年もの間、微生物学者や食品技術者に用いられてきました。今では、安全性と品質に関する最も一般的な基準となっています。
安全性と安定性の予測
水分活性は、微生物の生育、化学・生化学反応速度、および物理的特性に関して、安全性と安定性を予測することができます。図1は、微生物の増殖限界と分解反応の速度から見た安定性を、水分活性の働きとして示したものです。
水分活性を測定し、制御することで、以下のことが可能になります。
- スピオラージや感染症の原因となる微生物の生育を予測する
- 製品の化学的安定性を維持する
- 非酵素的な褐変反応や自発的な自己触媒的脂質酸化反応を最小化する
- 酵素とビタミンの活性を持続させる
- 水分移行,食感,保存性など製品の物理的特性の最適化を図る
微生物の生育限界
微生物には、それ以下では生育できない限界の水分活性があります。微生物の生育に「利用できる」水の下限を決定するのは、水分含量ではなく、水分活性です。細菌、酵母菌、カビは生育を維持するために一定量の「利用可能な」水を必要とするので、限界水分活性を下回る食品を設計することは、微生物の生育を制御するための有効な手段となります。
食品に含まれる水の量が多くても、そのエネルギーレベルが十分に低ければ、微生物は生育に必要な水を取り込むことができません。この水分活性の低い、言わば「砂漠のような」状態は、微生物とその周辺の環境との間に浸透圧の不均衡を生じさせます。その結果、微生物が生育できなくなります。
ハードル技術
微生物が生育するかどうかは、温度やpHなどさまざまな要因に左右されますが、最も重要なのは水分活性です。水分活性は、温度、pH、酸化還元電位などの他の防腐要因（ハードル）と組み合わせることで、微生物の生育を抑制する条件を設定することができます。大多数の病原性細菌の増殖を制限する水分活性レベルは 0.90aw（カビは 0.70aw）です。0.60awを下回ると、どのような微生物でも生育できなくなります。
| aw | 細菌 | カビ | 酵母 | 代表的な食品 |
|---|---|---|---|---|
| 0.97 | ボツリヌス菌 E型 （Clostridium botulinum E ） シュードモナス・フルオレッセンス （Pseudomonas fluorescens） |
生肉、果物、野菜、果物や野菜の缶詰 | ||
| 0.95 | 大腸菌 ウェルシュ菌 （Clostridium perfringens） サルモネラ属菌 （Salmonella spp.） コレラ菌 （Vibrio cholerae） |
減塩ベーコン、調理したソーセージ、点鼻薬、目薬 | ||
| 0.94 | ボツリヌス菌 A型、B型 （Clostridium botulinum A, B） 腸炎ビブリオ菌 （Vibrio parahaemolyticus） |
糸状菌 （Stachybotrys atra） |
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| 0.93 | セレウス菌 （Bacillus cereus |
糸状菌 （Rhizopus nigricans） |
一部のチーズ、生肉（ハム）、ベーカリー製品、 エバミルク、外用ローション |
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| 0.92 | リステリア菌 （Listeria monocytogenes） |
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| 0.91 | 枯草菌 （Bacillus subtilis） |
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| 0.90 | 嫌気性 黄色ブドウ球菌 （Staphylococcus aureus） |
バラ色カビ病菌 （Trichothecium roseum） |
出芽酵母 （Saccharomyces cerevisiae） |
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| 0.88 | カンジダ菌（Candida） | |||
| 0.87 | 好気性 黄色ブドウ球菌 （Staphylococcus aureus） |
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| 0.85 | アスペルギルス・クラバタス （Aspergillus clavatus） |
加糖練乳、熟成チーズ（チェダーチーズ）、 発酵させたソーセージ（サラミ）。 乾燥肉（ジャーキー）、ベーコン、ほとんどの濃縮果汁、 チョコレートシロップ、フルーツケーキ、フォンダン、 咳止めシロップ、経口鎮痛剤懸濁液 |
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| 0.84 | 耐熱性カビ （Byssochlamys nivea） |
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| 0.83 | ペニシリウム属菌 （Penicillium expansum、Penicillium islandicum, Penicillium viridicatum ） |
デハリモセス・ハンセニー （Deharymoces hansenii） |
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| 0.82 | アスペルギルス属菌 （Aspergillus fumigatus、Aspergillus parasiticus） |
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| 0.81 | ペニシリウム属菌 （Penicillium、Penicillium cyclopium、Penicillium patulum） |
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| 0.80 | サッカロマイセス・バイリ （Saccharomyces bailii） |
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| 0.79 | ペニシリウム・マルテンシ （Penicillium martensii） |
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| 0.78 | アスペルギルス・フラバス （Aspergillus flavus） |
ジャム、マーマレード、マジパン、グラッセフルーツ、 糖蜜、ドライイチジク、魚の塩漬け |
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| 0.77 | アスペルギルス属菌 （Aspergillus niger、Aspergillus ochraceous） |
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| 0.75 | アスペルギルス属菌 （Aspergillus restrictus、Aspergillus candidus） |
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| 0.71 | ユーロティウム・シェヴァリエリ （Eurotium chevalieri） |
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| 0.70 | ユーロティウム・アムステロダミ （Eurotium amstelodami） |
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| 0.62 | サッカロマイセス・ローキシィ （Saccharomyces rouxii） |
ドライフルーツ、コーンシロップ、甘草、マシュマロ、 チューインガム、乾燥ペットフード |
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| 0.61 | モナスカス・ビスポラス （Monascus bisporus） |
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| 0.60 | 微生物生育なし | |||
| 0.50 | 微生物生育なし | キャラメル、タフィー、蜂蜜、麺類、外用軟膏 | ||
| 0.40 | 微生物生育なし | 全卵粉、ココア、液体咳止め | ||
| 0.30 | 微生物生育なし | クラッカー、でんぷん系スナック、ケーキミックス、ビタミン剤、座薬 | ||
| 0.20 | 微生物増殖なし | ゆで菓子、粉ミルク、乳児用粉ミルク |
どの水分活性計が適しているか？
化学・生化学反応性
水分活性は微生物の腐敗だけでなく、化学的反応性や酵素反応性にも影響を与えます。水は様々な形で化学反応性に影響を与える可能性があります。溶媒や反応物質として作用したり、系の粘性に影響を与えることで反応物質の移動性を変化させたりすることがあります。水分活性は非酵素的な褐変、脂質の酸化、ビタミンやその他の栄養素の分解、酵素反応、タンパク質の変性、デンプンのゼラチン化、およびデンプンの逆分解に影響を与えます。一般的に、水分活性が低くなると、化学分解反応の速度が低下します。
物理的性質
水分活性は様々な化学反応や酵素反応の速度を予測するだけでなく、食品の食感特性にも影響を与えます。水分活性が高い食品は、しっとり、ジューシー、柔らかい、噛み応えがあるなどと表現される食感を持ちます。食品の水分活性が低くなると、硬さ、乾燥、膠着、靭性などの好ましくない食感属性が観察されます。低水分活性の製品は通常、パリッとした歯ごたえと表現される食感属性を持っていますが、それらの食品の水分活性が高くなると、ベチャベチャした食感に変化してしまいます。食品が官能的な観点から受け入れられなくなる境界を限界水分活性と呼びます。
固化、凝集、崩壊、粘着性
水分活性は、保存中の粉末製品や脱水製品の安定性に影響を与える重要な要因です。粉末製品の水分活性を制御することで、製品の構造、食感、安定性、密度、および再水和特性を適切に維持することができます。固化、凝集、崩壊、粘着性などの有害な現象を防ぐためには、加工、取り扱い、包装、保管の際に、水分含量と温度の変化に応じた水分活性を知ることが不可欠です。固化は水分活性、時間、温度に依存し、重力による粉体の崩壊現象に関係します。
水分移動
水分活性は水のエネルギー状態を表す指標であるため、原料間の水分活性の違いは、システムが平衡状態になる際の水分移動の原動力となります。従って、水分活性は多原料製品の水分移動を制御する上で重要なパラメータとなります。食品には、スナックやドライフルーツ入りシリアルなど、水分活性が異なる原料を含むものがあります。水分活性の定義によれば、水分は水分活性の高い場所から低い場所へ移動しますが、移動の速度は多くの要因に依存します。多原料の食品では、水分の移動により、好ましくない食感の変化が生じることがあります。例えば、水分活性の高いドライフルーツから水分活性の低いシリアルに水分が移行すると、フルーツは硬く乾燥し、シリアルはベトベトになります。
原料間の水分活性の違い、あるいは原料と環境湿度との違いが水分移動の原動力となります。特に、湿度に敏感な原料の場合、特定の原料から水が吸収されるか放出されるかを知ることは、劣化を防ぐために必要不可欠です。例えば、水分含量2％の原料1と、10％の原料2を等量配合しなければならない場合、原料間で水分の移動は発生するでしょうか。原料１と原料2との間で最終的な混合物の水分含量が6％になるまで水分の移動が起こるのでしょうか。答えは、2つの原料の水分活性によります。2つの原料の水分活性が同じであれば、原料間で水分の移動は起こりません。しかし逆に、たとえ2つの原料の水分含量が同じでも水分活性が異なっていれば、平衡水分活性が得られるまで原料間で水分が移動し、調整が行われることになるのです。
保存性／包装
水分活性は製品の保存期間を決定する重要な要素です。食品の微生物、食感、風味、外観、香り、栄養および調理の品質に関して、水分活性の上限と下限を設定することができます。パッケージ内の水分移動の割合と、食品の水分活性が臨界値まで変化する割合によって、製品の賞味期限が決定されます。温度、環境相対湿度、水分活性の限界値を知ることは適切なバリア特性を持つパッケージを選択することにつながり、品質と保存性の最適化に役立ちます。
基本をマスターする
この20分間のウェビナーでは、水分活性の基本を凝縮してお伝えします。学ぶ内容は以下の通りです。
- 水分活性とは何か
- 水分活性と水分含量の違い
- なぜ水分活性は微生物の育成を制御するのか
- 水分活性を理解することで、どのように食品の水分管理を行うことができるのか