不同鹽類對固體培養基水分活度的影響

王滿生 曾新安 孫大文，2

(1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州 510640;2.愛爾蘭國立都柏林大學食品冷凍與計算機化食品技術研究所，愛爾蘭都柏林 4區)

水分活度(water activity，aw)被定義為同溫下液體蒸汽壓與純水蒸汽壓的比值［1］。與水分含量(m/m)有所不同，水分活度體現的是樣品中自由水的體積和可用性，評價范圍通常是0～1。水分活度在食品保藏中有著重要的意義，其概念早在20世紀70年代就為食品界普遍所接受［2］。由于逐漸認識到水分活度與食品儲藏穩定之間的密切關系［3］，故近幾十年來國內外學者開展了許多有關食品與水分活度的課題研究［4－9］。

但是，只有當某組分能活躍地與環境間進行水分交換，且有可能形成微生物生長繁殖的合適培養基，它才能影響微生物生長的穩定性，從而影響食品的儲藏性和貨架期。一般來說，培養基是微生物生長繁殖的必需場所，也是其賴以生存的環境。因此，為充分利用或抑制微生物，往往可以通過對該微生物培養基的成分進行調控來實現，同時這也就成了微生物學專家們［10，11］研究微生物的重要手段之一。無機鹽類是組成微生物培養基的六大營養要素之一［12］，因此在微生物培養基優化調控方面發揮著重要作用［13－16］。一般認為，在溶液或膠體中，無機鹽類可以很有效地調節該溶液的滲透壓［17］，從而對維持微生物細胞內外滲透壓平衡有著重要作用［18］。另有研究［19］表明，體系中鹽類的添加可以很好地調節該體系的水分活度，所以鹽類往往又被用作體系中水分活度調節劑［4，20］。但目前還沒有學者專門研究不同鹽類對體系水分活度的影響，而且目前對鹽類調節體系水分活度的內在機理也尚不清楚。鑒于此，本研究擬以固體營養瓊脂培養基為研究體系，通過不同價態鹽的添加，調節該體系的水分活度，探討不同鹽類對培養基水分活度的影響，為鹽類作為水分活度調節劑在食品體系中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

水分活度儀:LabMASTER-aw型，大昌華嘉商業(中國)有限公司;

麥芽汁瓊脂培養基:廣東環凱微生物科技有限公司;

六水合三氯化鐵、無水三氯化鉻、無水氯化鎂、無水氯化銅、氯化鈉和氯化鉀等:分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 固體培養基制備

(1)按培養基產品說明書要求配制一定量的麥芽汁營養瓊脂培養基，備用;

(2)不同鹽類培養基的制備:麥芽汁營養瓊脂培養基加熱熔化，待冷卻至45～50℃時，向其中加入已定量好的鹽類固體，充分溶解后室溫下凝固，最終得到一系列含不同鹽濃度(m/V)的固體培養基，待用;

(3)用刀片從不同鹽類不同濃度的上述固體培養基上切下3塊大小基本一致的瓊脂培養基小塊(其大小為長3.0 cm×寬3.0 cm×厚1.0 cm)，用于水分活度的測定，以保證不同鹽類的每個濃度下培養基的水分活度測量為3次平行測定。

1.3 固體培養基水分活度的測定

在相同條件下用水分活度儀測定每一塊已切好的瓊脂塊的水分活度，并做好數據記錄。

1.4 數據整理與統計

通過OriginPro 8.0軟件進行統計并擬合分析所有測量數據。

2 結果與分析

2.1 一價鹽類的濃度對培養基水分活度的影響

在微生物實驗室，氯化鈉和氯化鉀是培養基配制中常用的無機鹽類。圖1顯示了麥芽汁瓊脂培養基中額外添加氯化鈉和氯化鉀后，該培養基水分活度與所加鹽類的濃度的曲線關系。由圖1可知:培養基的水分活度值隨著鹽濃度的增加而顯著下降。經非線性擬合后發現，培養基的水分活度值與該培養基中額外添加的鹽的濃度之間符合劑量模型，而且模型相關性非常好。

2.2 二價鹽類的濃度對培養基水分活度的影響

氯化銅和氯化鎂也是微生物實驗室常用于培養基配制的無機鹽類，可以提供微生物所需的微量元素銅和鎂。圖2顯示了麥芽汁瓊脂培養基中額外添加氯化銅和氯化鎂后，該培養基水分活度與所加鹽類的濃度的關系。由圖2可知，培養基的水分活度值隨著鹽濃度的增加而較顯著下降。經擬合后發現，培養基的水分活度值與培養基中額外添加的鹽的濃度存在良好的線性關系。

圖1 一價鹽的濃度對培養基水分活度的影響Figure 1 The effect of different univalent salt concentration on the water activity in medium

圖2 二價鹽的濃度對培養基水分活度的影響Figure 2 The effect of different bivalent salt concentration on the water activity in medium

2.3 三價鹽類的濃度對培養基水分活度的影響

在環境工程領域里，常用鉻離子和三價鐵離子等來研究和考察環境微生物對重金屬離子代謝的吸收能力［21］。本試驗選用三氯化鉻和三氯化鐵作為三價鹽的主要代表無機物，分析其對培養基水分活度的影響，結果見圖3。

由圖3可知:培養基的水分活度值隨著鹽濃度的增加而較顯著下降。經擬合后發現，培養基的水分活度值與培養基中額外添加的鹽的濃度也存在著良好的線性關系。此外，從擬合曲線可看出，三氯化鉻和三氯化鐵這兩種鹽類對培養基水分活度有著極為相似的影響，這可能是因為鉻元素和鐵元素的當量值非常接近，所以同濃度下培養基中所含離子的摩爾濃度也接近，根據水溶液中“依數特性”，產生的蒸汽壓下降也接近［22］。

2.4 不同鹽類對培養基水分活度的影響評價

在前面的討論中，分別考察了同一價態下不同鹽類對培養基水分活度的影響。結果發現同一價態下，不同的鹽類對培養基水分活度有著非常相似的影響，而且如果鹽類的相對分子質量越接近，則其對培養基水分活度的影響也越相似。

為了深入探究不同價態的鹽類對培養基水分活度的內在影響規律，本研究對不同價態鹽類與培養基水分活度的關系擬合曲線進行了一階求導，得到了各擬合曲線的一階導數曲線，見圖4。

由圖4可知:不同價態的鹽類對培養基水分活度的影響程度有很大的差異，即使是同一價態的鹽類，其對培養基中水分活度的影響程度也有一定的差異。究其原因，這主要是因為不同的元素其當量值(又稱為化合量)不同，見圖5。因為對于等質量的鹽類而言，元素的當量值較小的鹽類，它在體系中就擁有較多數量的鹽類分子，根據Henry定律［22］可知，該種鹽類就會產生較大的蒸汽壓降，從而對培養基水分活度產生較大程度的影響。

圖3 三價鹽的濃度對培養基水分活度的影響Figure3 The effect of different trivalent salt concentration on the water activity in medium

圖4 不同鹽類的濃度對培養基水分活度擬合曲線的一階導數Figure 4 The first derivative of fitted curve of different salt concentration on the water activity in medium

圖5 不同元素的當量值對比Figure 5 The comparison of equivalentweight for different elementals

此外，高價態鹽類如二價和三價的鹽類，其對培養基的水分活度的影響程度不會隨著鹽類濃度的增加而改變。但是，相對于高價態鹽類，低價態鹽類如氯化鈉和氯化鉀等對培養基水分活度的影響程度更大些，而且與其濃度的變化有很大的關聯性。當鹽濃度在1.5% ～5.0%時，其對培養基水分活度的影響程度很大，尤其是在3.0% ～4.0%時最為突出。因此，在實際食品應用中，低價態鹽類常被用作各種體系的水分活度降低劑［4，7］。

3 結論

本研究著重擬合分析了不同鹽類中陽離子對培養基水分活度的內在關系，并通過對擬合曲線進行一階求導，從而較清晰地揭示了不同鹽類對培養基水分活度影響的內在機理，為在實際食品工業應用中更準確高效地選擇水分活度降低劑提供了良好的理論依據。此外，為深入闡明鹽類對培養基水分活度的整體效應，在今后的研究中將就鹽類中陰離子種類也開展類似研究，以期獲得更加詳細而有說服力的理論數據。

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