水分可利用性（Uw）作为预测高固形物食品中耐旱微生物生长的关键指标：基于蔗糖/乳清蛋白基质的研究

【编辑推荐】针对高固形物食品中传统水分活度（aw）和玻璃化转变温度（Tg）无法准确预测微生物生长的问题，研究人员通过构建蔗糖/乳清蛋白（WPI）模型体系，提出水分可利用性（Uw）新参数，发现其比aw或Tg更能可靠预测黄曲霉（A. flavus）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）的生长行为（R2 > 0.93），为食品保质期和安全性控制提供新理论框架。

　　

在食品工业中，高固形物食品（如奶粉、糖果等）的稳定性一直是个棘手难题。这些看似干燥的食品，实则暗藏玄机——微量的水分可能成为微生物滋生的温床。传统上，科学家们依赖水分活度（a_w）和玻璃化转变温度（T_g）来预测食品稳定性，但在高固形物体系中，这两种指标常常"失灵"。比如，同样的a_w值下，水分可能被糖类牢牢束缚，也可能在蛋白质网络中自由流动，这对微生物而言意味着截然不同的生长环境。更令人头疼的是，某些"极端分子"如黄曲霉（A. flavus）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis），能在极低水分条件下缓慢生长，给食品安全带来长期隐患。

针对这一挑战，深圳的研究团队在《Food Research International》发表了一项突破性研究。他们创造性地提出"水分可利用性（U_w）"这一全新参数，通过冻干蔗糖/乳清蛋白（WPI）模型系统，首次将热力学塑化效应与动力学约束统一量化，成功破解了高固形物食品中微生物生长的预测难题。研究发现，当WPI含量增加时，水分子被氢键网络"囚禁"在微相域中，U_w值随之降低，微生物生长速率显著减缓。这一发现不仅解释了为什么传统a_w指标在高蛋白食品中频频失效，更为食品工业提供了精准控制货架期的新工具。

研究团队主要采用冻干技术构建模型体系，通过动态水蒸气吸附仪测定等温吸湿曲线，差示扫描量热法（DSC）分析T_g，并结合时域核磁共振（TD-NMR）表征分子流动性。微生物实验选用标准菌株，在30°C下进行48小时培养观测。

水吸附等温线
研究发现蔗糖/WPI混合物的吸湿行为呈现典型II型等温线。随着WPI比例增加，水分子结合能显著提高，尤其在a_w > 0.6时，蛋白质的强亲水性导致水分吸附量激增。这种差异直接影响了后续的玻璃化转变行为。

玻璃化转变特性
DSC结果显示，纯蔗糖体系T_g随水分增加急剧下降，而含WPI样品则表现出更平缓的下降曲线。特别值得注意的是，在a_w = 0.75时，30% WPI样品的T_g比纯蔗糖体系高15°C，证实蛋白质网络能有效抑制水分的塑化作用。

分子流动性
TD-NMR弛豫分析揭示关键发现：WPI通过形成纳米级疏水微区，将水分子分割成"孤立小池塘"。这种空间限制使水分子的旋转相关时间延长2-3个数量级，直接导致U_w值降低。

微生物生长响应
最引人注目的结果是微生物生长与U_w的高度相关性（R² = 0.94）。当U_w < 0.4时，A. flavus孢子延迟期延长至36小时；而B. subtilis在U_w < 0.3时完全停止生长。相比之下，单独使用a_w或T_g预测时，误差幅度高达40%。

这项研究通过U_w参数实现了对高固形物食品中水分状态的"全景扫描"。它不仅解释了为什么某些低a_w食品仍会变质（因为存在局部高U_w区域），还预示了气候变化下食品稳定的新策略——通过调控蛋白质网络密度来"锁住"水分。从更广阔的视角看，U_w框架可延伸至药品、生物材料等领域，为所有非平衡态固体材料的水分管理提供普适性方案。正如研究者强调的："在未来极端气候频发的背景下，精准控制U_w或许将成为食品防御系统的'秘密武器'。"