Novasina水分活度高精准测量：提升巧克力产品稳定性与安全性的关键

全球巧克力行业估值超过1290亿美元，是一个充满活力且具有影响力的行业，不仅因其经济影响受到认可，还因其文化意义和持续创新而备受瞩目。从手工巧克力生产商到跨国糖果巨头，巧克力制造涵盖了广泛的工艺、原料和产品形式。随着消费者对高品质、清洁标签配方、低糖含量和更长保质期的需求不断增加，制造商面临着越来越大的压力，需要优化生产的各个环节。在影响巧克力品质的众多因素中，水分活度在确保产品稳定性、安全性和感官吸引力方面起着至关重要的作用，尤其是在包含夹心、馅料或分层结构的复杂配方中。

巧克力有多种类型，并且常与其他原料混合以制作出独特的糖果。巧克力源自可可豆的巧克力液，富含具有天然防腐剂作用的黄烷醇^[1]。巧克力本身可根据形式和可可粉含量进行分类：

•可可粉——由烘焙后的可可豆研磨而成，无额外添加剂，味道苦涩，保质期长达3年。

•烘焙巧克力——纯固体巧克力液，未添加糖或牛奶，保质期约为2年。

•黑巧克力——加糖巧克力，可可含量较高且有所不同。可可含量越高，味道越苦，保质期也越长。

•牛奶巧克力——约含10%的巧克力液，外加牛奶和糖，保质期约为1年，具体取决于产品形式。

•白巧克力——不含任何巧克力固体，仅由可可脂与牛奶和糖混合而成，保质期较短，约为6个月。

•利口酒巧克力——巧克力与不同类型的利口酒混合，赋予独特风味。这类产品的保质期通常较短，约为2个月或更短。

水分活度被定义为系统中水分的能量状态，它通过吉布斯自由能方程与热力学基本定律相关联。它代表了在基质中，由于表面、依数性和毛细管相互作用所决定的水的相对化学势能。当水通过各种相互作用与其他分子相互作用时，水分子键中所蕴含的一部分能量会转移到这种相互作用中，从而降低了水分子本身的能量。产品成分与水的相互作用越多，水的能量就越低。水能量的降低也会降低其逸出到气相的能力，从而导致蒸汽压降低。水分活度为0.50表明，产品中的水在相同温度下具有纯水能量的50%。水分活度越低，系统中的水就越不像纯水那样表现。请注意，这里给出的定义从未提及“自由水”这个术语，因为这个术语常被错误地用于定义水分活度，且没有科学意义。

对于巧克力产品，水分活度的测量方法是使样品中的液相水与密闭腔室顶部空间的气相水达到平衡，然后使用传感器测量顶部空间的平衡相对湿度（ERH）。可以使用电阻式电解传感器、冷镜传感器、可调谐二极管激光器或电容式吸湿聚合物传感器来测定平衡相对湿度（水分活度）。Novasina公司的仪器，如Labmaster-aw neo，利用电阻式电解传感器来测定平衡相对湿度。通过电解质传感器电阻的变化来跟踪平衡相对湿度的变化。

巧克力糖通常不含挥发性物质 —— 除非是某些以酒为基料的配方。然而，测量巧克力制品水分活度的一个关键挑战是巧克力糖的脂肪含量高，水分子进入气相的过程较为缓慢，因此需要更长的平衡时间。在达到真正的平衡之前进行读数，可能会导致测量不准确，从而潜在地影响产品的安全性和质量。

为了展示因不同的平衡模式设置而产生的潜在差异，Novasina的科学家们使用Novasina LabMaster-aw neo水分活度仪，对一系列产品进行了水分活度测试，分别采用了要求较低的快速平衡模式和要求较高的慢速平衡模式设置（见表1）。快速模式旨在通过要求连续2分钟内水分活度读数差值不超过0.001 aw来更快得出结果。相比之下，慢速模式要求在6分钟内达到相同的稳定性水平，以确保实现更可靠的平衡状态。

表1. 展示了在Novasina的LabMaster-aw neo设备上，使用不太严格的“快速平衡”模式和更严格的“慢速平衡”模式对常见巧克力糖果产品进行测试时，其平均水分活度和测试时间（分钟）的测试结果。

虽然快速模式能显著缩短测试时间，但其准确性可能会有所降低。如果快速模式与慢速模式的结果差异小于 0.01 aw，通常可以接受使用快速模式以加快测试速度。然而，对于对精度要求极高的关键应用，慢速模式能更可靠地反映真实水分活度值。

在未评估结果潜在差异的情况下，绝不应随意使用较宽松的测试终点设置——这只有在仪器允许用户调整相关参数时才可行。Novasina 建议：对新产品进行水分活度测试时，应先使用快速稳定模式运行测试。之后，保持样品在仪器中（不打开盖子）静置长达一小时。在此期间，LabMaster-aw neo会实时更新水分活度读数，同时显示快速模式下的测量值。通过这种方式，用户可判断差异是否显著到需要切换至更严格的稳定模式。

如前文数据所示（表1），部分巧克力产品（如巧克力糖浆）在快速与慢速模式下的平均水分活度差异极小（小于 0.01 aw），尽管慢速模式需要更长测试时间；而另一些产品（如巧克力榛子酱）的差异则较大，达到 0.09 aw。这些结果表明，质量控制实验室可据此判断哪些产品适合快速测试，哪些则需要更长平衡时间以确保测量准确性。

水分活度与微生物生长

微生物安全是所有食品首要关注的问题。适当的加工对于减少微生物数量和防止有害微生物的繁殖至关重要。水分活度在控制微生物生长方面起着关键作用，因为它直接影响生物体的繁殖能力。当微生物所处环境的水分活度低于其内部水平时，它会经历渗透压胁迫——随着向低能量状态转变，水分会流失到环境中^[2]。这种水分流失会降低膨压并减缓代谢活动。

为了继续繁殖，微生物必须将其内部水分活度降至低于周围环境的水平，使水分重新进入细胞。它会试图通过在细胞内浓缩溶质来实现这一点。这种策略的有效性因生物体而异，这意味着每种生物体都有一个独特的最低水分活度阈值，低于该阈值它就无法生长^[2,3]。表2列出了常见腐败微生物生长的最低水分活度限值。

表2. 常见微生物生长的水分活度（aw）限值表

巧克力糖浆的微生物问题

虽然表1中列出的硬质巧克力糖果的水分活度低于微生物生长极限，但巧克力糖浆产品的水分活度明显更高。两种糖浆的水分活度都超过了霉菌生长阈值，如果暴露在空气中的孢子下，可能会滋生霉菌。值得注意的是，零糖糖浆的水分活度比含糖糖浆高得多。含糖糖浆的水分活度为0.827 aw，低于所有致病菌的生长极限，被认为在货架期内是稳定的。相比之下，零糖糖浆的水分活度为0.937 aw，超过了金黄色葡萄球菌和李斯特菌的生长极限。根据美国食品药品监督管理局（FDA）的食品法规，水分活度达到这一水平的产品，只有当其pH值低于5.6时才能被认为在货架期内是稳定的（见图1）。

水分活度的增加凸显了配方师在开发更健康替代品时面临的挑战。虽然降低糖含量有益健康，但也可能影响产品安全。糖是一种天然的保湿剂，它通过提供多个结合水的位点来控制水分活度，从而降低产品中水分的能量。用具有不同化学性质的代糖替代糖，会减少结合水的位点。除非同时降低总水分含量，但由于糖浆等产品对粘度有要求，这通常是不切实际的，否则水分活度将会增加。如果水分活度的这种变化没有得到妥善记录，并且没有进行调整以确保产品安全，重新配方的产品可能会对健康构成风险。因此，在配方过程中必须始终监测水分活度，尤其是在去除糖或盐等极性成分时。

表3. 改编自美国FDA2017年《食品法规》中食品安全时间/温度控制定义里的表A

*PHF 指“潜在危险饲料”

** TCS 指“安全食品的时间/温度控制”

*** PA 指“需要进行产品评估”

水分活度与巧克力风味

风味是巧克力糖果最重要的品质属性之一。消费者期望产品的风味特征与产品类型相符，任何偏差都可能使产品不受欢迎，实际上也就意味着其货架期的结束。大多数巧克力糖果天然的低水分活度通过减缓可能改变风味的化学反应，有助于延长其货架期。然而，脂肪氧化仍然是一个关键问题，因为它会导致产生与酸败相关的异味。

水分活度会影响巧克力制品中脂质氧化的速率。与大多数食品反应不同，脂质氧化在低水分活度和高水分活度水平下都会加剧，如图1所示。这意味着存在一个最佳的水分活度范围，即所谓的单分子层值，在此范围内氧化速率最低。对于大多数巧克力制品而言，该值约为0.35 aw，这与表1中列出的许多产品的水分活度水平相符。为确保风味稳定并延长保质期，巧克力制品应经过加工以达到这一理想的水分活度范围。将水分活度测试纳入巧克力制造商的质量保证规程对于保持产品完整性和消费者满意度至关重要。

图1. 水分活度与脂质氧化速率之间的一般关系。

水分活度与巧克力起霜

除了风味之外，质地和外观也是巧克力糖果的关键品质属性。消费者期望巧克力外观诱人，更重要的是，要有特定的口感。黑巧克力通常口感酥脆、质地较硬，而牛奶巧克力则应口感丝滑、细腻。

影响巧克力外观和质地的最常见降解反应是巧克力起霜，可分为糖霜和脂霜。水分活度与糖霜的形成关系最为密切。当巧克力暴露在高湿度环境中，其表面水分活度增加，随后又恢复到原来的水平时，就会出现糖霜。在水分活度升高时，糖会溶解成溶液，随着水分活度下降，糖会在表面重新结晶。这会导致巧克力表面形成一层白色、类似粉末状的糖晶体，使巧克力质地粗糙，影响其视觉吸引力。此外，这还会改变巧克力在食用时的融化特性，影响预期的丝滑口感。

为防止糖霜形成，必须通过水分活度测试确定巧克力产品的理想水分活度，并按照该标准进行加工。此外，保持稳定的储存条件也至关重要，这样可以防止水分活度波动引发起霜现象。

水分活度与水分迁移

巧克力糖果通常由巧克力固体与其他成分（如牛轧糖、花生酱、坚果或水果）混合而成。这些组合通过提供除纯巧克力之外的各种口感和风味，增强了对消费者的吸引力。然而，多成分产品的稳定性取决于防止各层之间的水分迁移，因为水分迁移可能导致不理想的口感变化，更严重的是，还会影响微生物安全性。

虽然巧克力涂层因其高脂肪含量可以作为天然的水分屏障，但巧克力本身水分活度的变化会影响其保护性能和整体品质。防止水分迁移最有效的策略是使所有成分最终具有相同的水分活度。水分从水分活度较高（能量较高）的区域向水分活度较低的区域移动，而不是基于水分含量。这是一个关键的区别：驱动水分迁移的是水分活度，而不是水分浓度。

例如，在表1所示的巧克力花生酱棒中，巧克力的水分活度测得为0.455 aw，花生酱的水分活度为0.450 aw。这些几乎相同的值表明该产品达到了良好的平衡，随着时间的推移不太可能发生水分迁移，有助于其长期稳定性。

包装的作用

如前几节所述，延长巧克力产品的保质期取决于三个关键步骤：将产品生产至理想的水分活度范围，通过水分活度放行规格和质量保证测试来验证这一点，以及防止因水分迁移或暴露于不同储存条件而导致水分活度发生变化。虽然前面已经讨论过水分迁移问题，但防止因环境暴露导致水分活度变化的主要手段是包装。

包装起到防潮屏障的作用，当周围湿度与产品的水分活度不同时，可保护巧克力产品不吸收或失去水分。包装材料的有效性通常通过其水蒸气透过率（WVTR）来衡量，WVTR越低，防潮屏障效果越好。WVTR高意味着水更容易透过包装，这可能会改变产品的水分活度并影响质量。

选择合适的包装材料需要在性能和成本之间取得平衡。虽然WVTR值较低的材料防护效果更好，但它们往往也更昂贵。选择WVTR低于实际需求的包装会导致不必要的成本增加，降低盈利能力。目标是找到最佳包装——一种既经济实惠又能在预期储存条件下保持产品稳定性的包装。

利用产品的水分活度、吸湿特性知识和数学模型，可以预测适合该产品的理想包装。虽然本白皮书不涉及该建模的详细步骤，但诺华赛公司可为有兴趣采用这种方法的制造商提供支持和指导。

总结

延长巧克力产品保质期的关键在于确定并维持理想的水分活度范围，在此范围内，产品的质地、风味、外观和口感都能达到最佳状态。研究人员和配方师有责任通过实验和水分活度测试来确定这个理想范围，尤其是在开发可能改变控制水分活度成分的更健康替代品时。一旦确定了这个理想的水分活度，它就成为了产品放行的规格标准，常规的质量保证测试可确保每一批产品都能达到目标要求。最后，在运输和储存过程中保持产品的水分活度至关重要。这可以通过选择能有效阻隔水分的最佳包装材料来实现，防止因环境湿度或水分迁移而导致的变化。通过在配方、生产和分销的全过程中控制水分活度，制造商可以确保产品的质量、安全性并延长保质期。Novasina既能提供有关水分活度在巧克力糖果中应用的知识，又能提供维持产品质量和安全所需的卓越仪器性能。

参考文献

1. Geiger, M. 2023. Chocolate – Shelf Life, Storage, and Bloom. Iowa State University Extension. https:// blogs.extension.iastate.edu/answerline/2023/11/07/chocolate-shelf-life-storage-and-bloom/

2. Beuchat, L. 1983. Influence of water activity on growth, metabolic activities and survival of yeasts and molds. Journal of Food Protection 46(2):135-141.

3. Scott, W. 1957. Water relations of food spoilage microorganisms. Advances in Food Research 7:83-127.

4. Sutar, A.A., Dashpute, R.S., Shinde, Y.D. et al. A Systemic Review on Fitness and Survival of Salmonella in Dynamic Environment and Conceivable Ways of Its Mitigation. Indian J Microbiol 64, 267–286 (2024).