利用“水分活度”指標對糖果制品進行預測和質量控制

 當今，糖果產品制造商面臨的最重要任務之一是確保產品在整個規定的保質期內的質量和安全，這一保質期在法規或技術文件中有明確規定。

產品的水分含量顯著影響其中微生物的發展，以及化學化合物的結合，這會改變產品的一致性和結構。隨著產品水分含量的減少，微生物的繁殖率會降低。然而，對于微生物的發展而言，更重要的不是濕度的絕對值，而是其在一系列生化過程和微生物發展中的可用性。

由于糖果產品是多相濃縮系統，具有特定的指標特征（分散性、固相顆粒的形狀和結構、組分的均勻分布），控制和過程預測（包括物理化學和生化過程）對于確保其與水分遷移相關的儲存穩定性至關重要（圖1）。

圖1 與水分遷移相關過程的實施和預測的動作流程

一種用于定量評估這些過程以預測和調節食品穩定性的可靠工具是“水分活度"指標（英文為water activity，簡稱Aw），它具有熱力學性質。該指標被納入ISO 9000標準體系，并在分析關鍵控制點的風險時進行監控（危害分析與關鍵控制點，HACCP）。在歐盟國家和美國，檢查某些產品時，水分活度是強制性的。水分活度是通過最著名的美國METER公司的AquaLab 4TE水分活度儀進行測量的。

水分活度與食品的平衡相對濕度（ERH，%）相關，當產品既不吸收也不向大氣中失去水分時，ERH等于Aw乘以100。產品與環境之間水分遷移的原因是產品平衡相對濕度與儲存期間環境相對濕度（RH）之間的差異。Aw以0到1的無量綱單位表示，并根據以下公式計算為產品上方蒸汽壓Ps與相同溫度下純水上方蒸汽壓Pw的比值：

Aw = Ps / Pw = ERH / 100，

其中Ps是產品上方系統中的水蒸氣壓力；Pw是純水上方的水蒸氣壓力。

控制Aw指標可以預測產品在儲存期間發生的過程。例如，ERH超過環境RH的產品（如軟糖和杏仁糖）在儲存期間會變干，而ERH低于環境RH的產品（如糖果、餅干、威化餅）則會從空氣中吸收水分。當復合產品中各個組分的ERH不同，或者產品的ERH與環境RH之間的差異超過2%時，就會發生水分遷移。在不同的ERH下，水分也可能在產品內部遷移，這在多組分產品中經常觀察到（例如，帶有水基餡料的巧克力涂層餅干）。差異越大，相鄰組分（例如餅干和餡料）之間的ERH差異越大，水分遷移就越強烈，保質期也就越短。

產品在儲存期間的吸附和解吸過程取決于許多因素：環境空氣的溫度和相對濕度、原材料和產品的化學結構、Aw的變化。糖果產品可能會吸收或釋放水分，這取決于環境條件。對于某些產品，吸附起到積極作用，而對于其他產品則起到消極作用，水分解吸也是如此。例如，對于果凍軟糖、軟糖、牛奶糖、酒心糖、姜餅等產品，在儲存期間的水分解吸過程與水分遷移、蔗糖結晶和產品硬化過程相關，起到消極作用。為了防止這些過程，配方中會引入保水成分或添加劑（例如酶轉化劑、糖類——果糖、木糖醇、山梨醇、可轉化添加劑——含有轉化酶的干啤酒和面包酵母），這些成分增強了水合性能并具有可轉化能力，同時建議使用聚丙烯和金屬化聚丙烯薄膜進行產品包裝。

糖果產品的Aw值在很大程度上取決于其配方中的水分和糖分含量。除了防腐效果外，糖還參與形成產品的感官和功能技術特性，調節其酸度，降低Aw，這有助于增加材料中水的結合能并減少微生物發展的可能性。為了降低產品的糖分強度，白蔗糖被其他糖類、糖替代品或“新一代"甜味劑所取代，這些甜味劑在化學性質、甜度和技術特性（包括水結合能力）上有所不同。因此，含有甜味劑的糖果在儲存期間表現不同。例如，文獻表明，在谷物棒中用山梨醇和麥芽糖醇或山梨醇和nutriose的組合取代蔗糖，可以獲得更穩定的產品。這是因為與含糖谷物棒相比，含有甜味劑的產品具有更接近正常環境條件的相對濕度平衡值。

為了獲得具有特定消費者特性的特定糖果產品，有必要對最合適的原材料和半成品進行技術上的合理選擇（需要了解化學成分、濕度和Aw值）。鑒于上述情況，我們制定了研究的目的。

2. 研究目的 

本研究的目的是對科技文獻中關于原材料、半成品和糖果產品的水分活度指標值的信息進行概括和系統化；獲取俄羅斯市場上銷售的“新一代"甜味劑水分活度指數值的新實驗數據。 

3. 研究對象 

文獻檢索通過PubMed數據庫進行，使用的關鍵詞包括：“食品中的水分活度（Aw）"、“水分活度"，以及電子科學圖書館https://elibrary.ru。實驗研究的對象為糖類（甜菜糖、葡萄糖、果糖）、甜味劑（異麥芽酮糖醇、麥芽糖醇、赤蘚糖醇、木糖醇、山梨醇、甜菊糖苷）和糖替代品（麥芽糊精、菊粉）。 

4. 材料與方法 

根據研究目的，使用的材料包括： 

- 糖類：符合俄羅斯國家標準№33222-2015的甜菜白砂糖；符合俄羅斯國家標準№975-88的食品級葡萄糖（一水合葡萄糖）；符合俄羅斯技術條件№9197-010-72315488-2011的果糖。 

- 甜味劑：符合技術條件№20.14.23-037-60381327-2018的麥芽糖醇（中國山東魯健生物科技有限公司）；符合技術條件№24.14.23-021-94446794的赤蘚糖醇（德國嘉吉公司）；符合技術條件№9111-073-00334675的異麥芽酮糖醇（德國嘉吉公司）；符合技術條件№9197-009-72315488-2011的木糖醇（俄羅斯“甜蜜世界"公司）；符合技術條件№9197-008-72315488-2010的山梨醇（俄羅斯“甜蜜世界"公司）；符合技術條件№9199-003-90836854-13的甜菊糖苷（馬來西亞“PURE CIRCLE Sdn. Bhd."公司）。 

- 糖替代品：符合技術條件№9199-005-50876759-15的麥芽糊精（中國東曉公司）和菊粉（比利時BIONOVA公司）。 

水分活度是通過最著名的美國METER公司的AquaLab 4TE水分活度儀進行測量的。將測試樣品置于密封測量室中，控制空氣溫度并保持至達到平衡狀態。穩定過程通過使用相對濕度傳感器測量樣品表面上的空氣濕度（% RH = 100 · Aw）來控制。所有測量均在標準模式下進行，重復7次，結果通過數學統計方法并使用Microsoft Excel標準程序進行處理。

Aw值可以在0.98到0.1的廣泛范圍內變化，具體取決于原材料、半成品和成品的組成及物理化學特性。所有糖果產品分為三組： 

- **I組**：低濕度產品（1%至11%），Aw值低于0.5； 

- **II組**：中等濕度產品（11%至40%），0.87?Aw?0.50； 

- **III組**：高濕度產品（超過40%），Aw值超過0.87 。 

一些用于蛋糕和糕點的烘焙半成品（如海綿蛋糕、松糕）具有較高的Aw值，但其濕度值大致相同（例如，海綿蛋糕半成品的Aw為0.8，松糕為0.95，濕度分別為22.8%和23.7%）。酥皮和酥餅半成品的Aw值處于中等濕度產品的典型水平（0.6-0.5）。 

然而，需要注意的是，不僅糖的定量含量重要，其定性組成也至關重要。例如，半成品糖果——果醬的濕度為32.6%，其Aw值為0.83，低于濕度為15.2%的黃油奶油（Aw = 0.85）。軟糖中還原糖（如果糖、葡萄糖、麥芽糖）的存在導致其Aw值顯著降低至0.84，濕度為10-12% 。 

高濕度的糖果產品極易受到微生物變質的影響。在Aw = 0.87-0.98時，所有類型的微生物（細菌和真菌）都可能繁殖。中等濕度產品中可能發生氧化、微生物和酶促過程，酵母、霉菌和某些細菌最有可能繁殖，并在儲存期間變質。在Aw = 0.88-0.60時，微生物的繁殖受到限制。在低濕度產品中，微生物活動被抑制，生物過程不會進行，這些產品可以長期保持其特性，但在儲存期間會發生脂肪氧化、維生素損失、酶促和非酶促褐變等過程，此類產品在儲存期間可能會受潮；當Aw <0.6時，細菌、霉菌和酵母幾乎不會繁殖。然而，已知某些類型的霉菌和嗜滲酵母可以在Aw = 0.62時繁殖。 

微生物的生長還受到pH值和氧化還原電位的顯著影響。只有在pH值低于3.7的低酸性產品中，乳酸菌和某些類型的酵母和霉菌才能繁殖。pH值在5.0至7.0之間的產品容易受到病原微生物繁殖的風險；而在pH值4.0至2.0之間時，產品不會面臨此類風險。 

表2中列出了各種糖類、甜味劑和糖替代品的Aw測定實驗數據。

6. 結論 

Aw指標具有重要的理論和應用價值，在儲存、原材料加工、半成品生產、開發具有特定化學成分的創新產品以及儲存期間（符合海關聯盟技術法規021/2011《食品安全》的要求）中起著重要作用。通過控制產品的水分含量和Aw值，可以預測產品儲存期間各種物理化學、生化和微生物過程的強度，從而創建“基于水分活度的糖果產品穩定性圖"，并生產具有所需保質期的產品。這種方法使我們能夠評估個別技術變化對產品安全性的影響。