Water activity Meter เครื่องวัดปริมาณน้ำอิสระ

Water activity (aw) คือความดันไอบางส่วนของน้ำในสารละลายหารด้วยความดันไอบางส่วนของน้ำในสถานะมาตรฐาน ในสาขาวิทยาศาสตร์การอาหาร สภาวะมาตรฐานมักถูกกำหนดให้เป็นน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเท่ากัน การใช้คำจำกัดความเฉพาะนี้ น้ำกลั่นบริสุทธิ์จะมีWater activityเท่ากับหนึ่งเดียว Water activityเป็นกิจกรรมทางอุณหพลศาสตร์ของน้ำในฐานะตัวทำละลายและความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศโดยรอบหลังจากการปรับสมดุล เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โดยทั่วไป aw จะเพิ่มขึ้น ยกเว้นในผลิตภัณฑ์บางอย่างที่มีเกลือหรือน้ำตาลเป็นผลึก

น้ำจะย้ายจากบริเวณที่มีความ aw สูงไปยังพื้นที่ที่มีความ aw ต่ำ ตัวอย่างเช่น หากน้ำผึ้ง (aw ≈ 0.6) สัมผัสกับอากาศชื้น (aw ≈ 0.7) น้ำผึ้งจะดูดซับน้ำจากอากาศ หากซาลามี่ (aw ≈ 0.87) สัมผัสกับอากาศแห้ง (aw ≈ 0.5) ซาลามี่จะแห้ง ซึ่งอาจเก็บรักษาไว้หรือทำให้เสียได้ สาร aw ที่ต่ำกว่ามีแนวโน้มที่จะสนับสนุนจุลินทรีย์น้อยลงเนื่องจากสิ่งเหล่านี้ถูกผึ่งให้แห้งโดยการอพยพของน้ำ

ประโยชน์

Water activityเป็นลักษณะสำคัญสำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์อาหารและความปลอดภัยของอาหาร

การออกแบบผลิตภัณฑ์อาหาร

นักออกแบบอาหารใช้Water activityเพื่อกำหนดอาหารที่มีความเสถียร หากผลิตภัณฑ์อยู่ภายใต้กิจกรรมของน้ำ การเจริญเติบโตของเชื้อราจะถูกยับยั้ง ส่งผลให้อายุการเก็บรักษานานขึ้น

ค่าWater activityยังช่วยลดการเคลื่อนตัวของความชื้นภายในผลิตภัณฑ์อาหารที่ทำจากส่วนผสมต่างๆ หากลูกเกดที่มีWater activityสูงบรรจุด้วยสะเก็ดรำที่มีWater activityต่ำกว่า น้ำจากลูกเกดจะย้ายไปยังสะเก็ดรำเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้ลูกเกดแข็งและสะเก็ดรำจะเปียก ผู้กำหนดสูตรอาหารใช้Water activityเพื่อคาดการณ์ว่าการเคลื่อนตัวของความชื้นส่งผลต่อผลิตภัณฑ์ของตนมากน้อยเพียงใด

ความปลอดภัยของอาหาร

Water activityถูกใช้ในหลายกรณีเพื่อเป็นจุดควบคุมวิกฤตสำหรับโปรแกรมการวิเคราะห์อันตรายและจุดควบคุมวิกฤต (HACCP) ตัวอย่างผลิตภัณฑ์อาหารจะถูกนำออกจากพื้นที่การผลิตเป็นระยะๆ และทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าค่าWater activityอยู่ในช่วงที่กำหนดสำหรับคุณภาพและความปลอดภัยของอาหาร การวัดสามารถทำได้ภายในเวลาเพียงห้านาที และทำอย่างสม่ำเสมอในโรงงานผลิตอาหารหลักส่วนใหญ่

หลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยพยายามเทียบศักยภาพการเติบโตของแบคทีเรียกับปริมาณน้ำ พวกเขาพบว่าค่านิยมไม่เป็นสากล แต่เฉพาะเจาะจงสำหรับผลิตภัณฑ์อาหารแต่ละชนิด ดับเบิลยู. เจ. สก็อตต์ กำหนดขึ้นครั้งแรกว่าการเติบโตของแบคทีเรียมีความสัมพันธ์กับกิจกรรมในน้ำ ไม่ใช่ปริมาณน้ำ ในปี 1953 เป็นที่ยอมรับอย่างแน่วแน่ว่าการเจริญเติบโตของแบคทีเรียถูกยับยั้งที่ค่าWater activityจำเพาะ ข้อบังคับของสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) สำหรับอาหารที่มีความชื้นปานกลางจะยึดตามค่าเหล่านี้

ไม่ควรมองว่าการลดWater activityของผลิตภัณฑ์อาหารเป็นขั้นตอนการฆ่า การศึกษาในนมผงแสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่มีชีวิตสามารถดำรงอยู่ได้โดยมีค่าWater activityที่ต่ำกว่ามาก แต่ก็ไม่เติบโต เมื่อเวลาผ่านไป ระดับแบคทีเรียจะลดลง
การวัด

ค่าWater activityได้มาจากอิเล็กโทรไลต์ต้านทาน ความจุ หรือไฮโกรมิเตอร์จุดน้ำค้าง

Resistive electrolytic hygrometers

ไฮโกรมิเตอร์อิเล็กโทรไลต์แบบต้านทานใช้องค์ประกอบการตรวจจับในรูปแบบของอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ยึดระหว่างแท่งแก้วขนาดเล็กสองอันโดยแรงของเส้นเลือดฝอย อิเล็กโทรไลต์จะเปลี่ยนความต้านทานหากดูดซับหรือสูญเสียไอน้ำ ความต้านทานเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความชื้นในอากาศสัมพัทธ์ และดังนั้น ยังรวมถึงWater activityของตัวอย่างด้วย (เมื่อสร้างสมดุลของไอ-ของเหลว) ความสัมพันธ์นี้สามารถตรวจสอบได้โดยการตรวจสอบหรือสอบเทียบโดยใช้ส่วนผสมน้ำเกลืออิ่มตัว ซึ่งให้ความชื้นในอากาศที่กำหนดไว้อย่างดีและทำซ้ำได้ในห้องตรวจวัด

เซ็นเซอร์ไม่มีฮิสเทรีซิสที่ได้รับทางกายภาพตามที่ทราบจากไฮโกรมิเตอร์และเซ็นเซอร์ความจุ และไม่จำเป็นต้องทำความสะอาดเป็นประจำเนื่องจากพื้นผิวไม่ใช่องค์ประกอบการตรวจจับที่มีประสิทธิภาพ โดยหลักการแล้ว สารระเหยจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการตรวจวัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารที่แยกตัวออกจากอิเล็กโทรไลต์และด้วยเหตุนี้จึงเปลี่ยนความต้านทาน สามารถหลีกเลี่ยงอิทธิพลดังกล่าวได้อย่างง่ายดายโดยใช้ตัวกรองป้องกันสารเคมีที่ดูดซับสารประกอบระเหยง่ายก่อนที่จะมาถึงเซ็นเซอร์

Capacitance hygrometers

ตัวเก็บประจุไฮโกรมิเตอร์ประกอบด้วยแผ่นประจุสองแผ่นคั่นด้วยไดอิเล็กตริกเมมเบรนโพลีเมอร์ เมื่อเมมเบรนดูดซับน้ำ ความสามารถในการเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นและวัดค่าความจุ ค่านี้เป็นสัดส่วนโดยประมาณกับWater activityตามที่กำหนดโดยการสอบเทียบเฉพาะเซ็นเซอร์

ตัวเก็บประจุแบบไฮโกรมิเตอร์ไม่ได้รับผลกระทบจากสารเคมีระเหยง่าย และอาจมีขนาดเล็กกว่าเซ็นเซอร์อื่นๆ มาก ไม่จำเป็นต้องทำความสะอาด แต่มีความแม่นยำน้อยกว่าเครื่องวัดความชื้นแบบจุดน้ำค้าง (+/- 0.015 aw) ควรมีการตรวจสอบการสอบเทียบเป็นประจำและอาจได้รับผลกระทบจากน้ำที่ตกค้างในเมมเบรนพอลิเมอร์ (hysteresis)

Dew point hygrometers

อุณหภูมิที่น้ำค้างก่อตัวบนพื้นผิวที่สะอาดนั้นสัมพันธ์โดยตรงกับความดันไอของอากาศ ไฮโกรมิเตอร์จุดน้ำค้างทำงานโดยวางกระจกไว้เหนือห้องเก็บตัวอย่างแบบปิด กระจกจะเย็นลงจนกระทั่งอุณหภูมิจุดน้ำค้างวัดโดยใช้เซ็นเซอร์ออปติคัล จากนั้นใช้อุณหภูมินี้เพื่อค้นหาความชื้นสัมพัทธ์ของห้องเพาะเลี้ยงโดยใช้แผนภูมิไซโครเมทริก

วิธีนี้เป็นวิธีที่แม่นยำที่สุด (+/- 0.003 aw) ในทางทฤษฎี และมักจะเร็วที่สุด เซ็นเซอร์ต้องทำความสะอาดหากมีสิ่งสกปรกสะสมอยู่บนกระจก

Equilibration

ด้วยวิธีการใดวิธีหนึ่ง จะต้องสร้างสมดุลของไอ-ของเหลวในห้องตัวอย่าง สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปหรือสามารถช่วยได้ด้วยการเพิ่มพัดลมในห้องเพาะเลี้ยง จะต้องบรรลุสมดุลทางความร้อนด้วย เว้นแต่จะมีการวัดอุณหภูมิของตัวอย่าง