平衡相對(duì)濕度ERH原理在水分活度測(cè)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(chǎng)上水分活度測(cè)量的主導(dǎo)產(chǎn)品和測(cè)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(duì)濕度;ERH;Aw;水分活度儀;數(shù)字化;快速測(cè)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(lèi)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(zhǎng)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(zhǎng)速率和死亡率。不同的微生物在食品中繁殖時(shí)對(duì)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(zhǎng)。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(guó)聯(lián)邦法規(guī)中。它對(duì)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(dòng)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(duì)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(shū)中叫法不一致，不需要加以區(qū)別。

水分活度測(cè)量方法主要有擴(kuò)散法、平衡相對(duì)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(guó)進(jìn)出口商品檢驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

食品水活度測(cè)定方法(

Method for determination of water activity of food)對(duì)測(cè)量方法給予明確的描述，在此不做更多的介紹。擴(kuò)散法測(cè)量水分活度比較復(fù)雜，步驟繁瑣，耗時(shí)，無(wú)法直接得到測(cè)量結(jié)果(需要稱重、作圖、求解)，已經(jīng)慢慢從市場(chǎng)上淡出，在實(shí)際應(yīng)用中很少見(jiàn)。冰點(diǎn)法是根據(jù)冰點(diǎn)下降的數(shù)據(jù)測(cè)定水分活度，在實(shí)際應(yīng)用中更為少見(jiàn)，在此也不做介紹。下面重點(diǎn)介紹水分活度測(cè)量的平衡相對(duì)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(duì)蒸氣壓RVP)近乎相等， 與 之間的差別小于1%，因而：

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

平衡相對(duì)濕度法原理:

將被測(cè)試樣置于一個(gè)密閉的容器，被測(cè)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(cè)定容器內(nèi)的壓力（如用量壓計(jì)測(cè)定）或相對(duì)濕度（如用電子濕度計(jì)、露點(diǎn)儀測(cè)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(duì)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(cè)定水分活度的測(cè)量誤差約為±0.02aw。只要測(cè)量水分活度的儀器在精度上高于±0.02aw，就能滿足測(cè)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(duì)濕度ERH法測(cè)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(cè)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(lái)的不便和不穩(wěn)定，標(biāo)定和校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guò)程中由于信號(hào)衰減和干擾影響測(cè)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(cè)量玉米、大豆、種子等的水分活度。

技術(shù)指標(biāo)如下：

測(cè)量范圍：0...1.0aw,5...50℃

測(cè)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(hào)，同時(shí)顯示溫度和水分活度值，通過(guò)按鍵或者軟件對(duì)水分活度探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(cè)量。儀表具有趨勢(shì)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(cè)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(cè)量艙。

AW-KHS夾緊手柄：起到探頭與測(cè)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(cè)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(shuō)，被測(cè)試樣與其密閉空間的大氣的平衡建立需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，通常測(cè)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(cè)量，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)平衡后的水分活度值，使得測(cè)量在4 – 6分鐘完成，大大縮短了測(cè)量時(shí)間，又不損失測(cè)量的精度。同時(shí)具有傳統(tǒng)測(cè)量模式和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模式。傳統(tǒng)測(cè)量模式自動(dòng)完成檢測(cè)，當(dāng)平衡建立時(shí)，自動(dòng)捕捉顯示并保存測(cè)量結(jié)果；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量模式則連續(xù)跟蹤測(cè)量，隨平衡相對(duì)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(jiàn)，主要通過(guò)測(cè)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(zhǎng)所需要的*低水分活度，使微生物生長(zhǎng)的環(huán)境遭到破壞，這些微生物就不能生長(zhǎng)繁殖，從而抑制微生物的生長(zhǎng)，提高食品的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。下面給出部分微生物生長(zhǎng)所需要的*低水分活度供參考：

降低水分活度*簡(jiǎn)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(guò)配料等方法來(lái)抑制水分活度，水分活度的測(cè)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(zhǎng)的保質(zhì)期，對(duì)醬的水活性的測(cè)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(cè)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(lái)的香皂具有低水活性，研發(fā)人員會(huì)不斷通過(guò)配方來(lái)抑制和控制水活性，因此在研發(fā)過(guò)程中對(duì)水活性的測(cè)量必不可少。

水分含量的間接測(cè)量

水分活度儀還可以用來(lái)間接測(cè)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(duì)于同一物質(zhì)，MSI曲線是**的，水分含量和水分活度是對(duì)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(cè)量來(lái)測(cè)量水分含量更多地說(shuō)還是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)測(cè)量，在個(gè)別領(lǐng)域已經(jīng)有相關(guān)的數(shù)據(jù)表可以對(duì)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(cè)量不斷被新的領(lǐng)域所應(yīng)用，被越來(lái)越多的研發(fā)檢測(cè)人員所接受，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

ROTRONIC的水分活度儀價(jià)位合理，測(cè)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(guó)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(guó)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(guó)進(jìn)出口商品檢驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

食品水活度測(cè)定方法

作者簡(jiǎn)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(dòng)化儀器儀表的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，重點(diǎn)是對(duì)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。