不同盐类对固体培养基水分活度的影响

王满生 曾新安 孙大文，2

(1.华南理工大学轻工与食品学院，广东广州 510640;2.爱尔兰国立都柏林大学食品冷冻与计算机化食品技术研究所，爱尔兰都柏林 4区)

水分活度(water activity，aw)被定义为同温下液体蒸汽压与纯水蒸汽压的比值［1］。与水分含量(m/m)有所不同，水分活度体现的是样品中自由水的体积和可用性，评价范围通常是0～1。水分活度在食品保藏中有着重要的意义，其概念早在20世纪70年代就为食品界普遍所接受［2］。由于逐渐认识到水分活度与食品储藏稳定之间的密切关系［3］，故近几十年来国内外学者开展了许多有关食品与水分活度的课题研究［4－9］。

但是，只有当某组分能活跃地与环境间进行水分交换，且有可能形成微生物生长繁殖的合适培养基，它才能影响微生物生长的稳定性，从而影响食品的储藏性和货架期。一般来说，培养基是微生物生长繁殖的必需场所，也是其赖以生存的环境。因此，为充分利用或抑制微生物，往往可以通过对该微生物培养基的成分进行调控来实现，同时这也就成了微生物学专家们［10，11］研究微生物的重要手段之一。无机盐类是组成微生物培养基的六大营养要素之一［12］，因此在微生物培养基优化调控方面发挥着重要作用［13－16］。一般认为，在溶液或胶体中，无机盐类可以很有效地调节该溶液的渗透压［17］，从而对维持微生物细胞内外渗透压平衡有着重要作用［18］。另有研究［19］表明，体系中盐类的添加可以很好地调节该体系的水分活度，所以盐类往往又被用作体系中水分活度调节剂［4，20］。但目前还没有学者专门研究不同盐类对体系水分活度的影响，而且目前对盐类调节体系水分活度的内在机理也尚不清楚。鉴于此，本研究拟以固体营养琼脂培养基为研究体系，通过不同价态盐的添加，调节该体系的水分活度，探讨不同盐类对培养基水分活度的影响，为盐类作为水分活度调节剂在食品体系中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器和试剂

水分活度仪:LabMASTER-aw型，大昌华嘉商业(中国)有限公司;

麦芽汁琼脂培养基:广东环凯微生物科技有限公司;

六水合三氯化铁、无水三氯化铬、无水氯化镁、无水氯化铜、氯化钠和氯化钾等:分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 固体培养基制备

(1)按培养基产品说明书要求配制一定量的麦芽汁营养琼脂培养基，备用;

(2)不同盐类培养基的制备:麦芽汁营养琼脂培养基加热熔化，待冷却至45～50℃时，向其中加入已定量好的盐类固体，充分溶解后室温下凝固，最终得到一系列含不同盐浓度(m/V)的固体培养基，待用;

(3)用刀片从不同盐类不同浓度的上述固体培养基上切下3块大小基本一致的琼脂培养基小块(其大小为长3.0 cm×宽3.0 cm×厚1.0 cm)，用于水分活度的测定，以保证不同盐类的每个浓度下培养基的水分活度测量为3次平行测定。

1.3 固体培养基水分活度的测定

在相同条件下用水分活度仪测定每一块已切好的琼脂块的水分活度，并做好数据记录。

1.4 数据整理与统计

通过OriginPro 8.0软件进行统计并拟合分析所有测量数据。

2 结果与分析

2.1 一价盐类的浓度对培养基水分活度的影响

在微生物实验室，氯化钠和氯化钾是培养基配制中常用的无机盐类。图1显示了麦芽汁琼脂培养基中额外添加氯化钠和氯化钾后，该培养基水分活度与所加盐类的浓度的曲线关系。由图1可知:培养基的水分活度值随着盐浓度的增加而显著下降。经非线性拟合后发现，培养基的水分活度值与该培养基中额外添加的盐的浓度之间符合剂量模型，而且模型相关性非常好。

2.2 二价盐类的浓度对培养基水分活度的影响

氯化铜和氯化镁也是微生物实验室常用于培养基配制的无机盐类，可以提供微生物所需的微量元素铜和镁。图2显示了麦芽汁琼脂培养基中额外添加氯化铜和氯化镁后，该培养基水分活度与所加盐类的浓度的关系。由图2可知，培养基的水分活度值随着盐浓度的增加而较显著下降。经拟合后发现，培养基的水分活度值与培养基中额外添加的盐的浓度存在良好的线性关系。

图1 一价盐的浓度对培养基水分活度的影响Figure 1 The effect of different univalent salt concentration on the water activity in medium

图2 二价盐的浓度对培养基水分活度的影响Figure 2 The effect of different bivalent salt concentration on the water activity in medium

2.3 三价盐类的浓度对培养基水分活度的影响

在环境工程领域里，常用铬离子和三价铁离子等来研究和考察环境微生物对重金属离子代谢的吸收能力［21］。本试验选用三氯化铬和三氯化铁作为三价盐的主要代表无机物，分析其对培养基水分活度的影响，结果见图3。

由图3可知:培养基的水分活度值随着盐浓度的增加而较显著下降。经拟合后发现，培养基的水分活度值与培养基中额外添加的盐的浓度也存在着良好的线性关系。此外，从拟合曲线可看出，三氯化铬和三氯化铁这两种盐类对培养基水分活度有着极为相似的影响，这可能是因为铬元素和铁元素的当量值非常接近，所以同浓度下培养基中所含离子的摩尔浓度也接近，根据水溶液中“依数特性”，产生的蒸汽压下降也接近［22］。

2.4 不同盐类对培养基水分活度的影响评价

在前面的讨论中，分别考察了同一价态下不同盐类对培养基水分活度的影响。结果发现同一价态下，不同的盐类对培养基水分活度有着非常相似的影响，而且如果盐类的相对分子质量越接近，则其对培养基水分活度的影响也越相似。

为了深入探究不同价态的盐类对培养基水分活度的内在影响规律，本研究对不同价态盐类与培养基水分活度的关系拟合曲线进行了一阶求导，得到了各拟合曲线的一阶导数曲线，见图4。

由图4可知:不同价态的盐类对培养基水分活度的影响程度有很大的差异，即使是同一价态的盐类，其对培养基中水分活度的影响程度也有一定的差异。究其原因，这主要是因为不同的元素其当量值(又称为化合量)不同，见图5。因为对于等质量的盐类而言，元素的当量值较小的盐类，它在体系中就拥有较多数量的盐类分子，根据Henry定律［22］可知，该种盐类就会产生较大的蒸汽压降，从而对培养基水分活度产生较大程度的影响。

图3 三价盐的浓度对培养基水分活度的影响Figure3 The effect of different trivalent salt concentration on the water activity in medium

图4 不同盐类的浓度对培养基水分活度拟合曲线的一阶导数Figure 4 The first derivative of fitted curve of different salt concentration on the water activity in medium

图5 不同元素的当量值对比Figure 5 The comparison of equivalentweight for different elementals

此外，高价态盐类如二价和三价的盐类，其对培养基的水分活度的影响程度不会随着盐类浓度的增加而改变。但是，相对于高价态盐类，低价态盐类如氯化钠和氯化钾等对培养基水分活度的影响程度更大些，而且与其浓度的变化有很大的关联性。当盐浓度在1.5% ～5.0%时，其对培养基水分活度的影响程度很大，尤其是在3.0% ～4.0%时最为突出。因此，在实际食品应用中，低价态盐类常被用作各种体系的水分活度降低剂［4，7］。

3 结论

本研究着重拟合分析了不同盐类中阳离子对培养基水分活度的内在关系，并通过对拟合曲线进行一阶求导，从而较清晰地揭示了不同盐类对培养基水分活度影响的内在机理，为在实际食品工业应用中更准确高效地选择水分活度降低剂提供了良好的理论依据。此外，为深入阐明盐类对培养基水分活度的整体效应，在今后的研究中将就盐类中阴离子种类也开展类似研究，以期获得更加详细而有说服力的理论数据。

1 Rockland L B，Nishi S K.Influence ofwater activity on food product quality and stability［J］.Food Technology，1980，34:42 ～51.

2 Holdsworth SD.Dehydration of food products A review［J］.International Journal of Food Science＆ Technology，1971，6(4):331～370.

3 卞科.水分活度与食品储藏稳定的关系［J］.郑州粮食学院学报，1997，18(4):41～48.

4 易翠平，钟春梅.水分活度降低剂在腌腊鳡鱼中的应用［J］.食品科学，2013，34(16):358～361.

5 Mohamed S，Mo L，FlintS，etal.Effectofwater activity and temperature on the germination and growth ofAspergillusTamariiisolated from“Maldive Fish”［J］.International Journal of Food Microbiology，2012，160(2):119～123.

6 Collell C，Gou P，Arnau J，etal.Non-destructive estimation ofmoisture，water activity and NaCl at ham surface during resting and drying using NIR spectroscopy［J］.Food Chemistry，2011，129(2):601 ～607.

7 黄泽元，汪芳安.果蔬脯水分活度降低剂选择研究［J］.食品工业科技，2000，21(2):16～17.

8 Medina A，Magan N.Temperature and water activity effects on production of T-2 and HT-2 by Fusarium Langsethiae strains from north european countries［J］.Food Microbiology，2011，28(3):392 ～398.

9 Li Man，Zhu Kexue，Guo Xu，etal.Effectofwater activity(aw)and irradiation on the shelf-life of fresh noodles［J］.Innovative Food Science＆ Emerging Technologies，2011，12(4):526 ～530.

10 Mu Wanmeng，Chen Chao，Li Xingfeng，et al.Optimization of culturemedium for the production of phenyllactic acid by Lactobacillus sp.SK007［J］.Bioresource Technology，2009，100(3):1 366 ～1 370.

11 王友湘，陈庆森，阎亚丽.用于乳酸菌分离鉴定的几种培养基的筛选及应用［J］.食品科学，2007，28(9):374～378.

12 沈萍.微生物学［M］.北京:高等教育出版社，2000:78～79.

13 唐棠，黄乾明，杨群峰.红酵母Y-5产类胡萝卜素培养基无机盐组分的优化［J］.食品科学，2011，32(3):130～133.

14 Gao Jian，Xu Hong，Li Qiujie，et al.Optimization of medium for one-step fermentation of inulin extract fromjerusalemartichoketubers usingPaenibacilluspolymyxaZJ-9 to produceR，R-2，3-butanediol［J］.Bioresource Technology，2010，101(18):7 076 ～7 082.

15 Lin En-Shyh.Production of exopolysaccharides by submerged mycelial culture of Grifola frondosa TFRI1073 and their antioxidant and antiproliferative activities［J］.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2010，27(3):555 ～561.

16 Zhou Guoying，Zhang Huaiyun，He Yuanhao，etal.Identification of a chitin deacetylase producing bacteria isolated from soil and its fermentation optimization［J］.African Journal of Microbiology Research，2010，4(23):2 597～2 603.

17 Luo Yun，Roux Benot.Simulation of osmotic pressure in concentrated aqueous salt solutions［J］.The Journal of Physical Chemistry Letters，2009，1(1):183 ～189.

18 王悦如，李二超，龙丽娜，等.中华绒螯蟹对盐度变化的适应及其渗透压调节的研究进展［J］.海洋渔业，2011，33(3):352 ～360.

19 李方，蒲小林，罗兴树，等.几种有机盐溶液活度及抑制性实验研究［J］.西南石油大学学报(自然科学版)，2009，31(3):134～137.

20 Halling P J.Salt hydrates for water activity control with biocatalysts in organicmedia［J］.Biotechnology Techniques，1992，6(3):271～276.

21 邓红艳，陈刚才.铬污染土壤的微生物修复技术研究进展［J］.地球与环境，2012，40(3):466～472

22 傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学(上册)［M］.第5版.北京:高等教育出版社，2005:225.