平衡相對濕度ERH原理在水分活度測量中的應(yīng)用

柯仁楷  黃興海

(瑞士羅卓尼克上海代表處，上海 200233)

[摘要]

本文以瑞士ROTRONIC公司的水分活度儀為例，介紹目前市場上水分活度測量的主導(dǎo)產(chǎn)品和測量原理，以及水分活度在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]

水分含量;水分活度;平衡相對濕度;ERH;Aw;水分活度儀;數(shù)字化;快速測量

Application of water activity measurement based on the ERH principle

Kevin Ke    Albert Huang

(ROTRONIC ShangHai representative office，Shanghai 200233,China)

[Abstract]

The paper introduces the principle of water activity ,the popular instruments designed by ROTRONIC and the application of water activity。

[Key Words]

water content，water activity，Equilibrium relative humidity，ERH，Aw，instrument of water activity，digital，Aw quick measure

食品中的水分含量與食品的易腐性存在一定的關(guān)系，

水分含量相同的不同類型的食品，具有不同的易腐性，因而

單一水分含量不是易腐性的**可靠指標(biāo)。食品中各種微生物的生長是由其水分活度決定的，水分活度決定了微生物在食品中萌發(fā)的時(shí)間、生長速率和死亡率。不同的微生物在食品中繁殖時(shí)對水分活度的要求不同，當(dāng)水分活度低于某種微生物所需要的*低水分活度時(shí)，這種微生物就不能生長。因此水分活度成為一個(gè)指示產(chǎn)品穩(wěn)定性和微生物安全的重要參數(shù)，

水分活度已被列入涉及食品良好作業(yè)規(guī)劃的一些美國聯(lián)邦法規(guī)中。它對食品的色、香、味、組織結(jié)構(gòu)以及食品的穩(wěn)定性有著重要的影響，各種微生物的生命活動以及各種化學(xué)、生物化學(xué)變化都需要一定的水分活度值，所以水分活度值對食品保存具有重要的意義。水分活度、水活性、水活度、Aw屬于同一概念，由于作者的喜好不同，在不同的參考書中叫法不一致，不需要加以區(qū)別。

水分活度測量方法主要有擴(kuò)散法、平衡相對濕度法和冰點(diǎn)法。擴(kuò)散法的原理: 樣品在康威微量擴(kuò)散皿的密封和恒溫條件下，分別在Aw值較高和較低的標(biāo)準(zhǔn)飽和溶液中進(jìn)行擴(kuò)散平衡，根據(jù)樣品質(zhì)量的增加（在較高Aw值標(biāo)準(zhǔn)溶液中平衡）和減少（在較低Aw值標(biāo)準(zhǔn)溶液中平衡）求出樣品的Aw值。SN 0180-92

中華人民共和國進(jìn)出口商品檢驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

食品水活度測定方法(

Method for determination of water activity of food)對測量方法給予明確的描述，在此不做更多的介紹。擴(kuò)散法測量水分活度比較復(fù)雜，步驟繁瑣，耗時(shí)，無法直接得到測量結(jié)果(需要稱重、作圖、求解)，已經(jīng)慢慢從市場上淡出，在實(shí)際應(yīng)用中很少見。冰點(diǎn)法是根據(jù)冰點(diǎn)下降的數(shù)據(jù)測定水分活度，在實(shí)際應(yīng)用中更為少見，在此也不做介紹。下面重點(diǎn)介紹水分活度測量的平衡相對濕度ERH原理：

水分活度的定義：溶液中溶劑水的逸度 與純水逸度 之比。

在室溫低壓下， 與溶液或者食品中的水蒸氣分壓 和純水的蒸氣壓 之比(相對蒸氣壓RVP)近乎相等， 與 之間的差別小于1%，因而：

根據(jù)相對濕度的定義，當(dāng)食品與它周圍的環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)(既不吸濕也不散濕)，Aw與它周圍的環(huán)境百分平衡相對濕度ERH在數(shù)值上相等。

平衡相對濕度法原理:

將被測試樣置于一個(gè)密閉的容器，被測試樣與密閉空間中的環(huán)境之間進(jìn)行水分子交換平衡，待達(dá)到表現(xiàn)平衡（試樣恒重）后測定容器內(nèi)的壓力（如用量壓計(jì)測定）或相對濕度（如用電子濕度計(jì)、露點(diǎn)儀測定）。

Aw是食品的內(nèi)在品質(zhì)，而ERH是與食品平衡的大氣的性質(zhì)，平衡的建立很費(fèi)時(shí)，對于大的塊狀和顆粒狀試樣，尤其溫度較低(低于50℃)，平衡幾乎是不可能的。因此，該原理測定水分活度的測量誤差約為±0.02aw。只要測量水分活度的儀器在精度上高于±0.02aw，就能滿足測量需要。

下面以ROTRONIC的水分活度儀HygroLab 2-AW-SET/40為例重點(diǎn)介紹平衡相對濕度ERH法測量水分活度的應(yīng)用：

產(chǎn)品圖例

水分活度儀由以下幾個(gè)部分組成：

水分活度探頭AW-DIO：

水分活度探頭AW-DIO為儀器的感測部分。水分活度專用電容式濕度傳感器HYGROMER® WA-1作為探頭的敏感元件，具有平衡更快，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。數(shù)字化技術(shù)使得校準(zhǔn)更加方便，改善了傳統(tǒng)的電位器校準(zhǔn)帶來的不便和不穩(wěn)定，標(biāo)定和校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存儲在探頭內(nèi)部的EEPROM，多點(diǎn)校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)斜率和線性的數(shù)字校準(zhǔn)，數(shù)字輸出解決了模擬輸出在傳輸過程中由于信號衰減和干擾影響測量的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)傳感器探頭和顯示儀表間的完全互換。

另外，可選擇HygroClip HP28-B5插入式探頭測量玉米、大豆、種子等的水分活度。

技術(shù)指標(biāo)如下：

測量范圍：0...1.0aw,5...50℃

測量精度：±0.015aw，±0.3℃

穩(wěn)定性(年漂移)：<±0.01aw，<±0.1℃

顯示儀表HygroLab：

數(shù)字輸入輸出，讀取水分活度探頭的數(shù)字信號，同時(shí)顯示溫度和水分活度值，通過按鍵或者軟件對水分活度探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)寫入探頭。多通道設(shè)計(jì)，*多可以同時(shí)接4路傳感器探頭進(jìn)行多個(gè)樣品的同時(shí)測量。儀表具有趨勢指示和平衡指示。

相關(guān)附件：

PS-40取樣杯：方便取樣和樣品的保存，防止樣品的交叉污染。

WP-40測量艙：密封和隔熱作用，隔絕樣品與外界環(huán)境的交換，可選WP-40TH循環(huán)水控溫測量艙。

AW-KHS夾緊手柄：起到探頭與測量艙之間更好的密封的作用。

EA-××-SCS標(biāo)準(zhǔn)溶液：校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液，定期校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，××=10、35、50、80代表不同標(biāo)準(zhǔn)值。

軟件包HygroData Lab

軟件實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)曲線的描繪，數(shù)據(jù)的記錄，歷史曲線的描繪。

便攜式快速水分活度儀套裝HygroPalm AW1-Set/40

如前所說，被測試樣與其密閉空間的大氣的平衡建立需要相當(dāng)長的時(shí)間，通常測量水分活度需要40 – 60分鐘。HygroPalm AW1-Set/40集成Aw Quick軟件包實(shí)現(xiàn)了水分活度的快速測量，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地預(yù)測平衡后的水分活度值，使得測量在4 – 6分鐘完成，大大縮短了測量時(shí)間，又不損失測量的精度。同時(shí)具有傳統(tǒng)測量模式和標(biāo)準(zhǔn)測量模式。傳統(tǒng)測量模式自動完成檢測，當(dāng)平衡建立時(shí)，自動捕捉顯示并保存測量結(jié)果；標(biāo)準(zhǔn)測量模式則連續(xù)跟蹤測量，隨平衡相對濕度的改變而改變。

典型應(yīng)用：

食品加工

水分活度的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在食品行業(yè)的應(yīng)用處處可見，主要通過測量水分活度和控制水分活度，使水分活度低于某些微生物生長所需要的*低水分活度，使微生物生長的環(huán)境遭到破壞，這些微生物就不能生長繁殖，從而抑制微生物的生長，提高食品的穩(wěn)定性，延長食品的保質(zhì)期。下面給出部分微生物生長所需要的*低水分活度供參考：

降低水分活度*簡單的辦法就是降低食品的水分含量，但降低水分含量，影響了食品的色、香、味和組織結(jié)構(gòu)。很多情況下，人們總是希望水分含量高，水分活度低，這樣能防止食品中水分的流失，保持良好的口感，因此就要通過配料等方法來抑制水分活度，水分活度的測量為食品研發(fā)和生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)，在食品的研發(fā)和生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。

如方便面的存貯中，*重要的環(huán)節(jié)就是方便面醬包的存貯，尤其現(xiàn)在眾多廠家紛紛推出高湯面，醬包要求更稀，含水量更高，又要較長的保質(zhì)期，對醬的水活性的測量和控制是品質(zhì)保證部考慮的重要指標(biāo)之一。

日用化工

水分活度的測量和控制在日用化工領(lǐng)域的應(yīng)用也相當(dāng)?shù)膹V泛，日用化妝品要求具有高保濕性，防止水分的揮發(fā)，使用更加舒適，更好地保養(yǎng)皮膚，因此希望水分含量高而水分活度低。

如香皂的研發(fā)和生產(chǎn)要求具有較高的含水量，為防止香皂在空氣中存放造成干裂，要求香皂具有高保濕性，也就要求生產(chǎn)出來的香皂具有低水活性，研發(fā)人員會不斷通過配方來抑制和控制水活性，因此在研發(fā)過程中對水活性的測量必不可少。

水分含量的間接測量

水分活度儀還可以用來間接測量水分含量，根據(jù)水分吸著等溫線MSI(Moisture Sorption Isotherms),MSI給出了在同一溫度下水分含量與水分活度的關(guān)系，如右圖，MSI通常成S型曲線。溫度固定，對于同一物質(zhì)，MSI曲線是**的，水分含量和水分活度是對應(yīng)的。但事實(shí)上，很多天然原料和食品的成分、化學(xué)性質(zhì)都不可能完全一致，因此用水分活度測量來測量水分含量更多地說還是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)測量，在個(gè)別領(lǐng)域已經(jīng)有相關(guān)的數(shù)據(jù)表可以對照。

此外水分活度在生物、醫(yī)藥、檢驗(yàn)檢疫、**、造紙、園林等行業(yè)也具有廣泛的應(yīng)用。水分活性測量不斷被新的領(lǐng)域所應(yīng)用，被越來越多的研發(fā)檢測人員所接受，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

ROTRONIC的水分活度儀價(jià)位合理，測量準(zhǔn)確穩(wěn)定，在上述的各個(gè)領(lǐng)域都有相應(yīng)的應(yīng)用，受到國際眾多知名公司的青睞。

參考文獻(xiàn)：

1、[美]Owen R.Fennema 《食品化學(xué)》第三版  中國輕工業(yè)出版社 2003年

2、杜克生《食品生物化學(xué)》  化學(xué)工業(yè)出版社 2002年1月

3、SN 0180-92

中華人民共和國進(jìn)出口商品檢驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

食品水活度測定方法

作者簡介：

    柯仁楷，(1978.6-)，男，福建省三明市人，畢業(yè)于大連理工大學(xué)物理系，現(xiàn)為瑞士羅卓尼克上海代表處工程師，主要從事傳感器、變送器、工業(yè)自動化儀器儀表的研究、開發(fā)與應(yīng)用，重點(diǎn)是對濕度傳感器、濕度表送器、水分活度分析儀器的理論研究和應(yīng)用。