ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีและความคงตัวของอาหาร

ค่าวอเตอร์แอคทิวิตี (water activity) คือการวัดสถานะพลังงานของน้ำในอาหาร ซึ่งแสดงให้เห็นว่าน้ำนั้นพร้อมที่จะสนับสนุนการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และปฏิกิริยาเคมีได้มากน้อยเพียงใด มากกว่าที่จะเป็นเพียงปริมาณน้ำที่มีอยู่ ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุดที่กำหนดความปลอดภัยทางจุลินทรีย์ ความคงตัวทางเคมี และอายุการเก็บรักษาของอาหาร

Definition

ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีคืออัตราส่วนของความดันไอของน้ำในอาหารต่อความดันไอของน้ำบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ถึงความพร้อมของน้ำในการมีส่วนร่วมในการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและกายภาพ

Scope

บทความนี้อธิบายว่าค่าวอเตอร์แอคทิวิตีคืออะไร แตกต่างจากปริมาณความชื้นอย่างไร และควบคุมการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ ปฏิกิริยาการเสื่อมสภาพ และเนื้อสัมผัสอย่างไร รวมถึงบทบาทของเส้นโค้งการดูดซับความชื้น (sorption isotherms) บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงและหัวข้อการศึกษาเกี่ยวกับความคงตัวของอาหาร ไม่ใช่คำแนะนำในการปฏิบัติงานหรือคำแนะนำด้านโภชนาการ

Core questions

• ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีคืออะไร และแตกต่างจากปริมาณความชื้นอย่างไร?
• ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีควบคุมการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และการเสื่อมสภาพทางเคมีได้อย่างไร?
• เส้นโค้งการดูดซับความชื้นคืออะไร และมีความสำคัญอย่างไร?
• มีการใช้ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีในการออกแบบอาหารที่คงตัวและปลอดภัยได้อย่างไร?

Key concepts

• ค่าวอเตอร์แอคทิวิตี (aw)
• ปริมาณความชื้นเทียบกับความพร้อมของน้ำ
• เส้นโค้งการดูดซับความชื้น
• ขีดจำกัดการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์
• อัตราปฏิกิริยาเคมีและเอนไซม์
• การออกซิเดชันของไขมันและการเกิดสีน้ำตาลที่ไม่ได้เกิดจากเอนไซม์
• การเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วและเนื้อสัมผัส

Mechanisms

ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีสะท้อนว่าน้ำถูกยึดเหนี่ยวภายในอาหารแน่นหนาเพียงใด และด้วยเหตุนี้จึงพร้อมที่จะขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงได้มากน้อยเพียงใด จุลินทรีย์มีค่าวอเตอร์แอคทิวิตีขั้นต่ำเฉพาะตัวที่ต่ำกว่านั้นแล้วพวกมันจะไม่สามารถเจริญเติบโตได้ ดังนั้นการลดค่าวอเตอร์แอคทิวิตีโดยการทำให้แห้ง การใส่เกลือ หรือการเติมสารละลายจะช่วยยับยั้งการเน่าเสียและเชื้อโรค ความพร้อมของน้ำยังควบคุมอัตราของปฏิกิริยาเคมี: ปฏิกิริยาการเสื่อมสภาพส่วนใหญ่ เช่น การเกิดสีน้ำตาลที่ไม่ได้เกิดจากเอนไซม์ (non-enzymatic browning) และกิจกรรมของเอนไซม์ แสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาค่าวอเตอร์แอคทิวิตีที่เฉพาะเจาะจง ในขณะที่การออกซิเดชันของไขมันอาจมีพฤติกรรมที่ไม่เป็นไปในทิศทางเดียว ความสัมพันธ์ระหว่างค่าวอเตอร์แอคทิวิตีและปริมาณความชื้นถูกแสดงโดยเส้นโค้งการดูดซับความชื้น (sorption isotherm) ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการคาดการณ์ความคงตัว และการพึ่งพาอุณหภูมิของปฏิกิริยา เช่น การเสื่อมสภาพของวิตามิน ก็ถูกปรับเปลี่ยนโดยค่าวอเตอร์แอคทิวิตีด้วยเช่นกัน

Clinical relevance

ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีกำหนดความปลอดภัยทางจุลินทรีย์และความคงตัวทางเคมีของอาหาร และมีอิทธิพลต่อการคงอยู่ของสารอาหารระหว่างการเก็บรักษา ซึ่งเป็นบริบทที่เกี่ยวข้องสำหรับการทำความเข้าใจคุณภาพอาหารในสาขาวิทยาศาสตร์สุขภาพ บทความนี้อธิบายคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของอาหารและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจด้านอาหารหรือการรักษาทางคลินิกของแต่ละบุคคล

Evidence & guidelines

หลักฐานอ้างอิงจากการวิจัยเคมีอาหารเกี่ยวกับความสัมพันธ์ของน้ำ รวมถึงบทวิจารณ์พื้นฐานเกี่ยวกับการจับตัวของน้ำในอาหารและการศึกษาเชิงทดลองที่แสดงให้เห็นว่าค่าวอเตอร์แอคทิวิตีร่วมกับอุณหภูมิควบคุมปฏิกิริยาต่างๆ เช่น การเสื่อมสภาพของวิตามินได้อย่างไร เกณฑ์ความคงตัวเฉพาะเจาะจงนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของอาหารและปฏิกิริยา ดังนั้นหลักการทั่วไปจึงต้องนำไปใช้โดยอ้างอิงถึงผลิตภัณฑ์เฉพาะ

History

แนวคิดเรื่องค่าวอเตอร์แอคทิวิตีเกิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ในสาขาวิทยาศาสตร์การอาหาร เมื่อนักวิจัยตระหนักว่าความคงตัวทางจุลินทรีย์และเคมีติดตามความพร้อมของน้ำมากกว่าปริมาณความชื้นทั้งหมด บทวิจารณ์และการศึกษาเชิงทดลองของ Labuza เกี่ยวกับการจับตัวของน้ำและอัตราปฏิกิริยาที่ขึ้นอยู่กับค่าวอเตอร์แอคทิวิตีมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างค่าวอเตอร์แอคทิวิตีและเส้นโค้งการดูดซับความชื้นให้เป็นเครื่องมือหลักในการออกแบบอาหารที่คงตัว

Debates

ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีเทียบกับแนวคิดความคงตัวทางเลือก

แม้ว่าค่าวอเตอร์แอคทิวิตีจะเป็นตัวทำนายความคงตัวที่ใช้กันมานาน แต่ปฏิกิริยาบางอย่าง เช่น การออกซิเดชันของไขมัน ไม่ได้เป็นไปตามค่าวอเตอร์แอคทิวิตีอย่างง่ายๆ และแนวคิดที่เน้นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลและสถานะแก้วได้ถูกเสนอขึ้นมาเพื่อเสริม ซึ่งประโยชน์สัมพัทธ์ของกรอบแนวคิดเหล่านี้ในการทำนายความคงตัวยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Theodore P. Labuza

Seminal works

• labuza-1977
• labuza-1982-thiamin

Frequently asked questions

ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีเหมือนกับปริมาณน้ำในอาหารหรือไม่?

ไม่เหมือนกัน ปริมาณน้ำคือปริมาณน้ำที่มีอยู่ ในขณะที่ค่าวอเตอร์แอคทิวิตีอธิบายว่าน้ำนั้นพร้อมที่จะสนับสนุนการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และปฏิกิริยาต่างๆ ได้มากน้อยเพียงใด อาหารสองชนิดที่มีปริมาณความชื้นเท่ากันอาจมีค่าวอเตอร์แอคทิวิตีและความคงตัวที่แตกต่างกันมาก

ทำไมการลดค่าวอเตอร์แอคทิวิตีจึงช่วยถนอมอาหาร?

จุลินทรีย์ไม่สามารถเจริญเติบโตได้ต่ำกว่าค่าวอเตอร์แอคทิวิตีขั้นต่ำเฉพาะตัว และปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพหลายอย่างจะช้าลงเมื่อน้ำมีความพร้อมน้อยลง ดังนั้นการลดค่าวอเตอร์แอคทิวิตีโดยการทำให้แห้ง การใส่เกลือ หรือการเติมสารละลายจะช่วยยืดอายุความคงตัวและอายุการเก็บรักษา