平衡相对湿度ERH原理在水分活度测量中的应用

柯仁楷  黄兴海

(瑞士罗卓尼克上海代表处，上海 200233)

[摘要]

本文以瑞士ROTRONIC公司的水分活度仪为例，介绍目前市场上水分活度测量的主导产品和测量原理，以及水分活度在不同领域的应用。

[关键词]

水分含量;水分活度;平衡相对湿度;ERH;Aw;水分活度仪;数字化;快速测量

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

食品中的水分含量与食品的易腐性存在一定的关系，

水分含量相同的不同类型的食品，具有不同的易腐性，因而

单一水分含量不是易腐性的唯一可靠指标。食品中各种微生物的生长是由其水分活度决定的，水分活度决定了微生物在食品中萌发的时间、生长速率和死亡率。不同的微生物在食品中繁殖时对水分活度的要求不同，当水分活度低于某种微生物所需要的最低水分活度时，这种微生物就不能生长。因此水分活度成为一个指示产品稳定性和微生物安全的重要参数，

水分活度已被列入涉及食品良好作业规划的一些美国联邦法规中。它对食品的色、香、味、组织结构以及食品的稳定性有着重要的影响，各种微生物的生命活动以及各种化学、生物化学变化都需要一定的水分活度值，所以水分活度值对食品保存具有重要的意义。水分活度、水活性、水活度、Aw属于同一概念，由于作者的喜好不同，在不同的参考书中叫法不一致，不需要加以区别。

水分活度测量方法主要有扩散法、平衡相对湿度法和冰点法。扩散法的原理: 样品在康威微量扩散皿的密封和恒温条件下，分别在Aw值较高和较低的标准饱和溶液中进行扩散平衡，根据样品质量的增加（在较高Aw值标准溶液中平衡）和减少（在较低Aw值标准溶液中平衡）求出样品的Aw值。SN 0180-92

中华人民共和国进出口商品检验行业标准

食品水活度测定方法(

Method for determination of water activity of food)对测量方法给予明确的描述，在此不做更多的介绍。扩散法测量水分活度比较复杂，步骤繁琐，耗时，无法直接得到测量结果(需要称重、作图、求解)，已经慢慢从市场上淡出，在实际应用中很少见。冰点法是根据冰点下降的数据测定水分活度，在实际应用中更为少见，在此也不做介绍。下面重点介绍水分活度测量的平衡相对湿度ERH原理：

水分活度的定义：溶液中溶剂水的逸度 与纯水逸度 之比。

在室温低压下， 与溶液或者食品中的水蒸气分压 和纯水的蒸气压 之比(相对蒸气压RVP)近乎相等， 与 之间的差别小于1%，因而：

根据相对湿度的定义，当食品与它周围的环境达到平衡时(既不吸湿也不散湿)，Aw与它周围的环境百分平衡相对湿度ERH在数值上相等。

平衡相对湿度法原理:

将被测试样置于一个密闭的容器，被测试样与密闭空间中的环境之间进行水分子交换平衡，待达到表现平衡（试样恒重）后测定容器内的压力（如用量压计测定）或相对湿度（如用电子湿度计、露点仪测定）。

Aw是食品的内在品质，而ERH是与食品平衡的大气的性质，平衡的建立很费时，对于大的块状和颗粒状试样，尤其温度较低(低于50℃)，平衡几乎是不可能的。因此，该原理测定水分活度的测量误差约为±0.02aw。只要测量水分活度的仪器在精度上高于±0.02aw，就能满足测量需要。

下面以ROTRONIC的水分活度仪HygroLab 2-AW-SET/40为例重点介绍平衡相对湿度ERH法测量水分活度的应用：

产品图例

水分活度仪由以下几个部分组成：

水分活度探头AW-DIO：

水分活度探头AW-DIO为仪器的感测部分。水分活度专用电容式湿度传感器HYGROMER® WA-1作为探头的敏感元件，具有平衡更快，稳定可靠等特点。数字化技术使得校准更加方便，改善了传统的电位器校准带来的不便和不稳定，标定和校准的数据存储在探头内部的EEPROM，多点校准技术实现斜率和线性的数字校准，数字输出解决了模拟输出在传输过程中由于信号衰减和干扰影响测量的准确性，实现传感器探头和显示仪表间的完全互换。

另外，可选择HygroClip HP28-B5插入式探头测量玉米、大豆、种子等的水分活度。

技术指标如下：

测量范围：0...1.0aw,5...50℃

测量精度：±0.015aw，±0.3℃

稳定性(年漂移)：<±0.01aw，<±0.1℃

显示仪表HygroLab：

数字输入输出，读取水分活度探头的数字信号，同时显示温度和水分活度值，通过按键或者软件对水分活度探头进行校准，将校准的数据写入探头。多通道设计，最多可以同时接4路传感器探头进行多个样品的同时测量。仪表具有趋势指示和平衡指示。

相关附件：

PS-40取样杯：方便取样和样品的保存，防止样品的交叉污染。

WP-40测量舱：密封和隔热作用，隔绝样品与外界环境的交换，可选WP-40TH循环水控温测量舱。

AW-KHS夹紧手柄：起到探头与测量舱之间更好的密封的作用。

EA-××-SCS标准溶液：校准用标准溶液，定期校验的标准，××=10、35、50、80代表不同标准值。

软件包HygroData Lab

软件实现测量数据的实时显示，实时曲线的描绘，数据的记录，历史曲线的描绘。

便携式快速水分活度仪套装HygroPalm AW1-Set/40

如前所说，被测试样与其密闭空间的大气的平衡建立需要相当长的时间，通常测量水分活度需要40 – 60分钟。HygroPalm AW1-Set/40集成Aw Quick软件包实现了水分活度的快速测量，优化的数学模型准确地预测平衡后的水分活度值，使得测量在4 – 6分钟完成，大大缩短了测量时间，又不损失测量的精度。同时具有传统测量模式和标准测量模式。传统测量模式自动完成检测，当平衡建立时，自动捕捉显示并保存测量结果；标准测量模式则连续跟踪测量，随平衡相对湿度的改变而改变。

典型应用：

食品加工

水分活度的应用已经非常广泛，在食品行业的应用处处可见，主要通过测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长所需要的最低水分活度，使微生物生长的环境遭到破坏，这些微生物就不能生长繁殖，从而抑制微生物的生长，提高食品的稳定性，延长食品的保质期。下面给出部分微生物生长所需要的最低水分活度供参考：

降低水分活度最简单的办法就是降低食品的水分含量，但降低水分含量，影响了食品的色、香、味和组织结构。很多情况下，人们总是希望水分含量高，水分活度低，这样能防止食品中水分的流失，保持良好的口感，因此就要通过配料等方法来抑制水分活度，水分活度的测量为食品研发和生产提供可靠的依据，在食品的研发和生产中具有广泛的应用。

如方便面的存贮中，最重要的环节就是方便面酱包的存贮，尤其现在众多厂家纷纷推出高汤面，酱包要求更稀，含水量更高，又要较长的保质期，对酱的水活性的测量和控制是品质保证部考虑的重要指标之一。

日用化工

水分活度的测量和控制在日用化工领域的应用也相当的广泛，日用化妆品要求具有高保湿性，防止水分的挥发，使用更加舒适，更好地保养皮肤，因此希望水分含量高而水分活度低。

如香皂的研发和生产要求具有较高的含水量，为防止香皂在空气中存放造成干裂，要求香皂具有高保湿性，也就要求生产出来的香皂具有低水活性，研发人员会不断通过配方来抑制和控制水活性，因此在研发过程中对水活性的测量必不可少。

水分含量的间接测量

水分活度仪还可以用来间接测量水分含量，根据水分吸着等温线MSI(Moisture Sorption Isotherms),MSI给出了在同一温度下水分含量与水分活度的关系，如右图，MSI通常成S型曲线。温度固定，对于同一物质，MSI曲线是唯一的，水分含量和水分活度是对应的。但事实上，很多天然原料和食品的成分、化学性质都不可能完全一致，因此用水分活度测量来测量水分含量更多地说还是一个经验测量，在个别领域已经有相关的数据表可以对照。

此外水分活度在生物、医药、检验检疫、烟草、造纸、园林等行业也具有广泛的应用。水分活性测量不断被新的领域所应用，被越来越多的研发检测人员所接受，产生了良好的经济效益和社会效益。

ROTRONIC的水分活度仪价位合理，测量准确稳定，在上述的各个领域都有相应的应用，受到国际众多知名公司的青睐。

参考文献：

1、[美]Owen R.Fennema 《食品化学》第三版  中国轻工业出版社 2003年

2、杜克生《食品生物化学》  化学工业出版社 2002年1月

3、SN 0180-92

中华人民共和国进出口商品检验行业标准

食品水活度测定方法

作者简介：

    柯仁楷，(1978.6-)，男，福建省三明市人，毕业于大连理工大学物理系，现为瑞士罗卓尼克上海代表处工程师，主要从事传感器、变送器、工业自动化仪器仪表的研究、开发与应用，重点是对湿度传感器、湿度表送器、水分活度分析仪器的理论研究和应用。