巧克力行業(yè)估值超過1290億美元，是一個充滿活力且具有影響力的行業(yè)，不僅因其經(jīng)濟影響受到認可，還因其文化意義和持續(xù)創(chuàng)新而備受矚目。從手工巧克力生產(chǎn)商到跨國糖果公司，巧克力制造涵蓋了廣泛的工藝、原料和產(chǎn)品形式。隨著消費者對高品質(zhì)、清潔標簽配方、低糖含量和更長保質(zhì)期的需求不斷增加，制造商面臨著越來越大的壓力，需要優(yōu)化生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。在影響巧克力品質(zhì)的眾多因素中，水分活度在確保產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全性和感官吸引力方面起著至關(guān)重要的作用，尤其是在包含夾心、餡料或分層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜配方中。

巧克力有多種類型，并且常與其他原料混合以制作出獨特的糖果。巧克力源自可可豆的巧克力液，富含具有天然防腐劑作用的黃烷醇^[1]。巧克力本身可根據(jù)形式和可可粉含量進行分類：

•可可粉——由烘焙后的可可豆研磨而成，無額外添加劑，味道苦澀，保質(zhì)期長達3年。

•烘焙巧克力——純固體巧克力液，未添加糖或牛奶，保質(zhì)期約為2年。

•黑巧克力——加糖巧克力，可可含量較高且有所不同。可可含量越高，味道越苦，保質(zhì)期也越長。

•牛奶巧克力——約含10%的巧克力液，外加牛奶和糖，保質(zhì)期約為1年，具體取決于產(chǎn)品形式。

•白巧克力——不含任何巧克力固體，僅由可可脂與牛奶和糖混合而成，保質(zhì)期較短，約為6個月。

•利口酒巧克力——巧克力與不同類型的利口酒混合，賦予獨特風味。這類產(chǎn)品的保質(zhì)期通常較短，約為2個月或更短。

水分活度被定義為系統(tǒng)中水分的能量狀態(tài)，它通過吉布斯自由能方程與熱力學基本定律相關(guān)聯(lián)。它代表了在基質(zhì)中，由于表面、依數(shù)性和毛細管相互作用所決定的水的相對化學勢能。當水通過各種相互作用與其他分子相互作用時，水分子鍵中所蘊含的一部分能量會轉(zhuǎn)移到這種相互作用中，從而降低了水分子本身的能量。產(chǎn)品成分與水的相互作用越多，水的能量就越低。水能量的降低也會降低其逸出到氣相的能力，從而導致蒸汽壓降低。水分活度為0.50表明，產(chǎn)品中的水在相同溫度下具有純水能量的50%。水分活度越低，系統(tǒng)中的水就越不像純水那樣表現(xiàn)。請注意，這里給出的定義從未提及“自由水”這個術(shù)語，因為這個術(shù)語常被錯誤地用于定義水分活度，且沒有科學意義。

對于巧克力產(chǎn)品，水分活度的測量方法是使樣品中的液相水與密閉腔室頂部空間的氣相水達到平衡，然后使用傳感器測量頂部空間的平衡相對濕度（ERH）。可以使用電阻式電解傳感器、冷鏡傳感器、可調(diào)諧二極管激光器或電容式吸濕聚合物傳感器來測定平衡相對濕度（水分活度）。Novasina公司的儀器，如Labmaster-aw neo，利用電阻式電解傳感器來測定平衡相對濕度。通過電解質(zhì)傳感器電阻的變化來跟蹤平衡相對濕度的變化。

巧克力糖通常不含揮發(fā)性物質(zhì) —— 除非是某些以酒為基料的配方。然而，測量巧克力制品水分活度的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是巧克力糖的脂肪含量高，水分子進入氣相的過程較為緩慢，因此需要更長的平衡時間。在達到真正的平衡之前進行讀數(shù)，可能會導致測量不準確，從而潛在地影響產(chǎn)品的安全性和質(zhì)量。

為了展示因不同的平衡模式設(shè)置而產(chǎn)生的潛在差異，Novasina的科學家們使用Novasina LabMaster-aw neo水分活度儀，對一系列產(chǎn)品進行了水分活度測試，分別采用了要求較低的快速平衡模式和要求較高的慢速平衡模式設(shè)置（見表1）。快速模式旨在通過要求連續(xù)2分鐘內(nèi)水分活度讀數(shù)差值不超過0.001 aw來更快得出結(jié)果。相比之下，慢速模式要求在6分鐘內(nèi)達到相同的穩(wěn)定性水平，以確保實現(xiàn)更可靠的平衡狀態(tài)。

表1. 展示了在Novasina的LabMaster-aw neo設(shè)備上，使用不太嚴格的“快速平衡”模式和更嚴格的“慢速平衡”模式對常見巧克力糖果產(chǎn)品進行測試時，其平均水分活度和測試時間（分鐘）的測試結(jié)果。

雖然快速模式能顯著縮短測試時間，但其準確性可能會有所降低。如果快速模式與慢速模式的結(jié)果差異小于 0.01 aw，通常可以接受使用快速模式以加快測試速度。然而，對于對精度要求較高的關(guān)鍵應(yīng)用，慢速模式能更可靠地反映真實水分活度值。

在未評估結(jié)果潛在差異的情況下，絕不應(yīng)隨意使用較寬松的測試終點設(shè)置——這只有在儀器允許用戶調(diào)整相關(guān)參數(shù)時才可行。Novasina 建議：對新產(chǎn)品進行水分活度測試時，應(yīng)先使用快速穩(wěn)定模式運行測試。之后，保持樣品在儀器中（不打開蓋子）靜置長達一小時。在此期間，LabMaster-aw neo會實時更新水分活度讀數(shù)，同時顯示快速模式下的測量值。通過這種方式，用戶可判斷差異是否顯著到需要切換至更嚴格的穩(wěn)定模式。

如前文數(shù)據(jù)所示（表1），部分巧克力產(chǎn)品（如巧克力糖漿）在快速與慢速模式下的平均水分活度差異極小（小于 0.01 aw），盡管慢速模式需要更長測試時間；而另一些產(chǎn)品（如巧克力榛子醬）的差異則較大，達到 0.09 aw。這些結(jié)果表明，質(zhì)量控制實驗室可據(jù)此判斷哪些產(chǎn)品適合快速測試，哪些則需要更長平衡時間以確保測量準確性。

水分活度與微生物生長

微生物安全是所有食品首要關(guān)注的問題。適當?shù)募庸τ跍p少微生物數(shù)量和防止有害微生物的繁殖至關(guān)重要。水分活度在控制微生物生長方面起著關(guān)鍵作用，因為它直接影響生物體的繁殖能力。當微生物所處環(huán)境的水分活度低于其內(nèi)部水平時，它會經(jīng)歷滲透壓脅迫——隨著向低能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變，水分會流失到環(huán)境中^[2]。這種水分流失會降低膨壓并減緩代謝活動。

為了繼續(xù)繁殖，微生物必須將其內(nèi)部水分活度降至低于周圍環(huán)境的水平，使水分重新進入細胞。它會試圖通過在細胞內(nèi)濃縮溶質(zhì)來實現(xiàn)這一點。這種策略的有效性因生物體而異，這意味著每種生物體都有一個獨特的最低水分活度閾值，低于該閾值它就無法生長^[2,3]。表2列出了常見腐敗微生物生長的最低水分活度限值。

表2. 常見微生物生長的水分活度（aw）限值表

巧克力糖漿的微生物問題

雖然表1中列出的硬質(zhì)巧克力糖果的水分活度低于微生物生長極限，但巧克力糖漿產(chǎn)品的水分活度明顯更高。兩種糖漿的水分活度都超過了霉菌生長閾值，如果暴露在空氣中的孢子下，可能會滋生霉菌。值得注意的是，零糖糖漿的水分活度比含糖糖漿高得多。含糖糖漿的水分活度為0.827 aw，低于所有致病菌的生長極限，被認為在貨架期內(nèi)是穩(wěn)定的。相比之下，零糖糖漿的水分活度為0.937 aw，超過了金黃色葡萄球菌和李斯特菌的生長極限。根據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的食品法規(guī)，水分活度達到這一水平的產(chǎn)品，只有當其pH值低于5.6時才能被認為在貨架期內(nèi)是穩(wěn)定的（見圖1）。

水分活度的增加凸顯了配方師在開發(fā)更健康替代品時面臨的挑戰(zhàn)。雖然降低糖含量有益健康，但也可能影響產(chǎn)品安全。糖是一種天然的保濕劑，它通過提供多個結(jié)合水的位點來控制水分活度，從而降低產(chǎn)品中水分的能量。用具有不同化學性質(zhì)的代糖替代糖，會減少結(jié)合水的位點。除非同時降低總水分含量，但由于糖漿等產(chǎn)品對粘度有要求，這通常是不切實際的，否則水分活度將會增加。如果水分活度的這種變化沒有得到妥善記錄，并且沒有進行調(diào)整以確保產(chǎn)品安全，重新配方的產(chǎn)品可能會對健康構(gòu)成風險。因此，在配方過程中必須始終監(jiān)測水分活度，尤其是在去除糖或鹽等極性成分時。

表3. 改編自美國FDA2017年《食品法規(guī)》中食品安全時間/溫度控制定義里的表A

*PHF 指“潛在危險飼料”

** TCS 指“安全食品的時間/溫度控制”

*** PA 指“需要進行產(chǎn)品評估”

水分活度與巧克力風味

風味是巧克力糖果最重要的品質(zhì)屬性之一。消費者期望產(chǎn)品的風味特征與產(chǎn)品類型相符，任何偏差都可能使產(chǎn)品不受歡迎，實際上也就意味著其貨架期的結(jié)束。大多數(shù)巧克力糖果天然的低水分活度通過減緩可能改變風味的化學反應(yīng)，有助于延長其貨架期。然而，脂肪氧化仍然是一個關(guān)鍵問題，因為它會導致產(chǎn)生與酸敗相關(guān)的異味。

水分活度會影響巧克力制品中脂質(zhì)氧化的速率。與大多數(shù)食品反應(yīng)不同，脂質(zhì)氧化在低水分活度和高水分活度水平下都會加劇，如圖1所示。這意味著存在一個的水分活度范圍，即所謂的單分子層值，在此范圍內(nèi)氧化速率最低。對于大多數(shù)巧克力制品而言，該值約為0.35 aw，這與表1中列出的許多產(chǎn)品的水分活度水平相符。為確保風味穩(wěn)定并延長保質(zhì)期，巧克力制品應(yīng)經(jīng)過加工以達到這一理想的水分活度范圍。將水分活度測試納入巧克力制造商的質(zhì)量保證規(guī)程對于保持產(chǎn)品完整性和消費者滿意度至關(guān)重要。

圖1. 水分活度與脂質(zhì)氧化速率之間的一般關(guān)系。

水分活度與巧克力起霜

除了風味之外，質(zhì)地和外觀也是巧克力糖果的關(guān)鍵品質(zhì)屬性。消費者期望巧克力外觀誘人，更重要的是，要有特定的口感。黑巧克力通常口感酥脆、質(zhì)地較硬，而牛奶巧克力則應(yīng)口感絲滑、細膩。

影響巧克力外觀和質(zhì)地的最常見降解反應(yīng)是巧克力起霜，可分為糖霜和脂霜。水分活度與糖霜的形成關(guān)系最為密切。當巧克力暴露在高濕度環(huán)境中，其表面水分活度增加，隨后又恢復(fù)到原來的水平時，就會出現(xiàn)糖霜。在水分活度升高時，糖會溶解成溶液，隨著水分活度下降，糖會在表面重新結(jié)晶。這會導致巧克力表面形成一層白色、類似粉末狀的糖晶體，使巧克力質(zhì)地粗糙，影響其視覺吸引力。此外，這還會改變巧克力在食用時的融化特性，影響預(yù)期的絲滑口感。

為防止糖霜形成，必須通過水分活度測試確定巧克力產(chǎn)品的理想水分活度，并按照該標準進行加工。此外，保持穩(wěn)定的儲存條件也至關(guān)重要，這樣可以防止水分活度波動引發(fā)起霜現(xiàn)象。

水分活度與水分遷移

巧克力糖果通常由巧克力固體與其他成分（如牛軋?zhí)恰⒒ㄉu、堅果或水果）混合而成。這些組合通過提供除純巧克力之外的各種口感和風味，增強了對消費者的吸引力。然而，多成分產(chǎn)品的穩(wěn)定性取決于防止各層之間的水分遷移，因為水分遷移可能導致不理想的口感變化，更嚴重的是，還會影響微生物安全性。

雖然巧克力涂層因其高脂肪含量可以作為天然的水分屏障，但巧克力本身水分活度的變化會影響其保護性能和整體品質(zhì)。防止水分遷移最有效的策略是使所有成分最終具有相同的水分活度。水分從水分活度較高（能量較高）的區(qū)域向水分活度較低的區(qū)域移動，而不是基于水分含量。這是一個關(guān)鍵的區(qū)別：驅(qū)動水分遷移的是水分活度，而不是水分濃度。

例如，在表1所示的巧克力花生醬棒中，巧克力的水分活度測得為0.455 aw，花生醬的水分活度為0.450 aw。這些幾乎相同的值表明該產(chǎn)品達到了良好的平衡，隨著時間的推移不太可能發(fā)生水分遷移，有助于其長期穩(wěn)定性。

包裝的作用

如前幾節(jié)所述，延長巧克力產(chǎn)品的保質(zhì)期取決于三個關(guān)鍵步驟：將產(chǎn)品生產(chǎn)至理想的水分活度范圍，通過水分活度放行規(guī)格和質(zhì)量保證測試來驗證這一點，以及防止因水分遷移或暴露于不同儲存條件而導致水分活度發(fā)生變化。雖然前面已經(jīng)討論過水分遷移問題，但防止因環(huán)境暴露導致水分活度變化的主要手段是包裝。

包裝起到防潮屏障的作用，當周圍濕度與產(chǎn)品的水分活度不同時，可保護巧克力產(chǎn)品不吸收或失去水分。包裝材料的有效性通常通過其水蒸氣透過率（WVTR）來衡量，WVTR越低，防潮屏障效果越好。WVTR高意味著水更容易透過包裝，這可能會改變產(chǎn)品的水分活度并影響質(zhì)量。

選擇合適的包裝材料需要在性能和成本之間取得平衡。雖然WVTR值較低的材料防護效果更好，但它們往往也更昂貴。選擇WVTR低于實際需求的包裝會導致不必要的成本增加，降低盈利能力。目標是找到包裝——一種既經(jīng)濟實惠又能在預(yù)期儲存條件下保持產(chǎn)品穩(wěn)定性的包裝。

利用產(chǎn)品的水分活度、吸濕特性知識和數(shù)學模型，可以預(yù)測適合該產(chǎn)品的理想包裝。雖然本白皮書不涉及該建模的詳細步驟，但諾華賽公司可為有興趣采用這種方法的制造商提供支持和指導。

總結(jié)

延長巧克力產(chǎn)品保質(zhì)期的關(guān)鍵在于確定并維持理想的水分活度范圍，在此范圍內(nèi)，產(chǎn)品的質(zhì)地、風味、外觀和口感都能達到狀態(tài)。研究人員和配方師有責任通過實驗和水分活度測試來確定這個理想范圍，尤其是在開發(fā)可能改變控制水分活度成分的更健康替代品時。一旦確定了這個理想的水分活度，它就成為了產(chǎn)品放行的規(guī)格標準，常規(guī)的質(zhì)量保證測試可確保每一批產(chǎn)品都能達到目標要求。最后，在運輸和儲存過程中保持產(chǎn)品的水分活度至關(guān)重要。這可以通過選擇能有效阻隔水分的包裝材料來實現(xiàn)，防止因環(huán)境濕度或水分遷移而導致的變化。通過在配方、生產(chǎn)和分銷的全過程中控制水分活度，制造商可以確保產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性并延長保質(zhì)期。Novasina既能提供有關(guān)水分活度在巧克力糖果中應(yīng)用的知識，又能提供維持產(chǎn)品質(zhì)量和安全所需的儀器性能。

參考文獻

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