2022/05/09
『食品分析における水分試験方法の基礎』
Basics of moisture test methods in food analysis
1. 食品中の水分とは
食品中の水分は，硬さ，柔らかさ等の物性並びに様々な物質を溶解することによる呈味性等，その食品の物理的，化学的性質に大きく関係する。また，微生物の生育環境に影響することで保存性にも関係している。このようなことから，食品の水分を測定することは，その食品の特性を判断する重要な指標となることから、食品分析における最も基本的な分析項目の1つとなっている。
食品の栄養成分の表示にあっては、炭水化物、糖質の差し引き計算や熱量への換算にその正確さが大きく影響する。食品中の水分含量は1％以下（凍結乾燥された加工食品など）から99％以上（お茶の飲料など）までさまざまであるうえ、共存成分は複雑であり単一ではない。自由水として存在する場合と結合水として存在する場合とがあり、通常、前者は水溶液としての蒸気圧を示し、比較的蒸発しやすい。後者は結晶水として、あるいはタンパク質や多糖類などの高分子と水素結合した状態で存在しているため比較的蒸発しにくい。従って、食品毎に乾燥条件を最適化したうえで分析することが重要である。
2. 食品に含まれる水分の分析方法
分析に用いられる代表的な方法は、加熱乾燥法とカール・フィッシャー法である。その他にも蒸留法、電気水分計法、近赤外分光分析法、ガスクロマトグラフ法及び核磁気共鳴吸収法があるが、最も代表的な「加熱乾燥法」、「カール・フィッシャー法」及び揮発性成分や油を多く含む食品に用いる「蒸留法」について解説する。
加熱乾燥法は古くから多くの食品に適用されている方法であり、加熱による重量減量分を水分と定義し、極力、水分のみが蒸発する条件を設定している。また、日本食品標準成分表や健康増進法における「栄養表示基準」（平成11年4月26日 衛新第13号）において食品毎にさまざまな乾燥条件が設定されており、最も幅広い食品に適用される方法である。
【水分の分析方法】
① 加熱乾燥法
加熱乾燥法は試料を水の沸点以上に加熱し，水分を除去した後，加熱前後の重量差から水分を求める方法である。食品には熱に不安定な成分を含有する食品も多くあり，また加熱温度により成分間の反応や成分の分解，揮散が生じ測定に影響することもあるので，このような試料は減圧下で100℃以下の温度で加熱する。水分の測定条件は食品の種類別に設定され，常圧や減圧の加熱条件，さらに温度及び時間が細かく設定されているので代表的なものを表1.に示す。
| 食品名称 | 加熱条件 | 乾燥温度（℃） | 乾燥時間（h） |
|---|---|---|---|
| 穀類 | 常圧 | 135 | 3 |
| いも類 | 常圧 | 100 | 5 |
| 大豆 | 常圧 | 130 | 3 |
| みそ | 減圧 | 70 | 5 |
| 魚介類 | 常圧 | 105 | 5 |
| 肉類 | 常圧 | 135 | 2 |
| 野菜 | 減圧 | 70 | 5 |
| 果実 | 減圧 | 70 | 5 |
加熱乾燥にあたり，試料から水分を効率よく，完全に蒸発させるためには蒸発表面積を大きくし，水蒸気が組織から抜け出る道を作って乾燥することが必要である。よって試料の形態により，使用する器具も選択する必要がある。試料が粉末状であればアルミニウム製容器に直接採取し乾燥させる。液体・粘質・ペースト状の試料は，加熱によって融解し表面に皮膜を作って乾燥を阻害することがあるので注意を必要とする。
そこで，乾燥助剤として精製ケイ砂やケイソウ土などを試料に混和し，乾燥する方法を用いる。また，プラスチックフィルムやアルミニウム箔を用いて試料を薄く伸展して表面積を大きくして乾燥させることもある。
② カール・フィッシャー法
カール・フィッシャー法は，水がピリジン，低級アルコールなどの有機塩基の存在下で，ヨウ素及び二酸化硫黄と次の式に示すように，選択的かつ定量的に反応することを利用して測定する方法である。
H2O + I2 + SO2 + 3C5H5N → 2C5H5NHI + C5H5NSO3
C5H5NSO3 + CH3OH → C5H5NHSO4CH3
測定法は2 種類あり，「容量滴定法」と「電量滴定法」である。
・容量滴定法
あらかじめヨウ素を水分測定用試液に溶解させておき，滴定する水分測定用試液が試料中の水と反応するのに要する量より水分を測定する方法
・電量滴定法
ヨウ化物イオンを水分測定用試液に溶解させておき，電気分解によって発生するヨウ 素が試料中の水と反応することから，電気分解に要する電気量を求めて水分量に換算(10.71クーロン＝ 水1mg )する方法
カール・フィッシャー法は，加熱乾燥法，蒸留法などに比べ，加熱操作がないため，加熱操作による分解や揮散して測定に影響を与える物質を含む試料の精確な水分定量法として利用することができる。 だだし，アスコルビン酸（ビタミンC）やアルデヒドなどの還元性を示す成分は，ヨウ素を消費するので，これらを含む試料には適さない。
③ 蒸留法
蒸留法は、水と混合しない有機溶媒中に試料を投入して加熱し，溶媒との共沸混合蒸気として蒸留される試料中の水を冷却して分離し，その容量を量る方法である。溶媒は水より軽い物，重い物のいずれも用いることができ，水と溶媒の共沸混合物の点は，水の割合が少なくなるに従って溶媒の沸点に移行するので，熱に不安定な成分を多く含む食品では，できるだけ沸点の低い溶媒を選ぶ必要がある。
この方法は水以外の揮発性成分や油を多く含む食品、異種素材を複合した調理食品等に用いることができる。特に香辛料によく用いられてる。測定に際し，クロロホルム，ベンゼン，トルエン等の有機溶媒を用いるため，溶媒の管理，測定環境には十分な注意が必要である。水と溶剤の共沸混合物の代表的な例を表2.に示す。
| 有機溶剤名称 | 溶剤沸点と水の割合 | 共沸点（℃） |
|---|---|---|
| クロロホルム | 沸点(61℃)と水(2.8％) | 56.1 |
| ベンゼン | 沸点(80℃)と水(8.8％) | 69.3 |
| トルエン | 沸点(111℃)と水(19.6％) | 84.1 |
3. 水分測定における留意点
水分の分析方法は、天秤、恒温乾燥器及びデシケータがあれば簡単に分析可能な項目であるが、前処理（粉砕）、加熱条件、乾燥温度及び時間とさまざまな組み合わせがあり、条件選定には経験が必要である。また、試料を均一に調製する際には注意が必要である。調製した試料は、その食品全体の代表でなければならず、粉砕による吸湿も水分に影響するからである。
試料を保存した容器の蓋を長時間開けたまま放置したり、試料採取のために時間をかけ過ぎないことも必要である。また、保管室内の温湿度などの保存環境にも十分に注意を払う必要がある。さらに、水分以外の揮発成分であるアルコール類、酢酸などの揮発酸、香辛料中の香気成分は加熱によって蒸発してしまい水分として測り込まれてしまうため、適切な検査方法を選択し、場合によっては、各成分を個々に分析して考慮した後、水分を算出する必要がある。
例えばアルコール又は酢酸を含む場合は，それらも同時に揮発し正確な水分値の測定が難しい。このような場合は，以下の式に示したとおり，加熱により減少した重量（通常、乾燥減量と呼ぶ）から，別に測定したアルコール，酢酸の含量を差し引き，水分の含量を求める手法を用いる。
水分(g/100g) ＝ 乾燥減量(g/100g) － アルコール，酢酸(g/100g)
近年、特に健康食品について注意が必要である。健康食品には、食品添加物や機能性成分を高濃度に含有させた食品が多く、適切な検査方法を選定できなければ水分を過大または過小評価してしまう恐れがある。そのため、検査方法の選定には原材料の情報が不可欠であり、その情報を基に適切な条件を選定できるかが重要ポイントとなる。
水分分析における測定は，試料に見合った方法を選択しないと適切な試験はできない。さらに試験前や途中での吸湿や乾燥などにも留意し測定を行うなど注意しなければならない。
4. 食品に含まれる水分量の例
乳製品類、油脂類及び調理加工食品類の水分量（参考値）を表3.に示す。
| 【乳製品類】 | 【油脂類】 | 【調理加工食品類】 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 食品名 | 水分（％） | 食品名 | 水分（％） | 食品名 | 水分（％） |
| 普通牛乳 | 87.4 | 植物油 | 0 | ビーフカレー (レトルト) |
77.9 |
| 脱脂乳 | 91.1 | 牛脂 | 0.2 | ぎょうざ (冷凍) |
59.3 |
| クリーム (乳脂肪) |
49.5 | ラード | 0 | コーンスープ (粉末) |
2.1 |
| ヨーグルト (全脂無糖) |
87.7 | バター (有塩) |
16.2 | ピラフ (冷凍) |
62.1 |
| アイスクリーム(高脂肪) | 61.3 | マーガリン (家庭用) |
14.7 | ミートボール (冷凍) |
57.6 |
| 加糖練乳 | 26.1 | ごま油 | 0 | ほうれん草 (ゆで) |
94 |
| チーズ (モッツァレラ) |
56.3 | オリーブ オイル |
0 | トマト ベースト |
94.2 |
| プロセスチーズ | 43.5 | バター オイル |
0.5 | かぼちゃ (ゆで） |
84 |
5. 食品の水分量活用例
クリーム(乳脂肪)をパン生地に混ぜ込む場合、食品の水分量を考慮する必要がある。家庭でのパン作りで、水分をクリーム(乳脂肪)に全量置き換えたい場合の計算例を以下に示す。
例えば150gの水を全量クリームで置き換えるとしたとき、クリームは何g必要になるか？
（クリームの水分量 ＝ 49.5 ％）
クリームの分量をMとして、考えると以下の計算のようになる。
M×0.495＝150
M＝150/0.495
M＝303.03 g
ゆえに303.03 gとなる。この場合クリームをパン生地に混ぜ込む場合は水の2倍程度の分量が必要になるということになる。
家庭でパンを作るレベルでは、分量的に問題とならない場合であっても製パン製造工程では、生産量が多くなってくると、この水分量を考慮していないと混練作業など次工程で不具合が発生する可能性があるので注意する必要がある。
6. インラインでの水分量測定例
食品業界においては製粉、製麺、製パンあるいは製糖などを扱う粉体ハンドリングでは水分量が製品品質に影響するので、非接触の製造ライン組込みタイプ(インライン型近赤外水分計 型式：KJT-700 ケツト科学研究所製)を用いたリアルタイムでの水分監視システム事例を図1.示す。
・水の吸光原理
近赤外線領域の光を、水分を含んだ物質に照射すると特定の波長帯において、水分量により、吸収率（吸光度）が変化する。この現象は水の分子が固有の波長の光に共振し、吸収するためで、水の分子の構造に起因している。近赤外線領域においては1.2㎛、1.45㎛、1.94㎛など固有の吸収帯があるので水の吸光原理に活用されている。
・水分表示方法
ウエットベースとドライベースがあり、それぞれパーセント［％］で表示する。
・測定例
インライン計測による食品(水分)測定事例を表4.に示す。
| 対象物 | 測定場所 | 測定項目 | 範囲 (％) | SEP (％) |
|---|---|---|---|---|
| 生小麦粉 | コンベア上 | 水分 | 20 ～ 40 | 0.8 |
| 乾燥小麦粉 | コンベア上 | 8 ～ 20 | 0.4 | |
| 小麦粉 | 配管 | 8 ～ 18 | 0.2 | |
| コーングリッツ | コンベア上 | 6 ～ 19 | 0.3 | |
| 脱脂粉乳 | 配管 | 2 ～ 8 | 0.1 | |
| バター | コンベア上 | 13 ～ 20 | 0.2 | |
| 砂糖 | 振動コンベア上 | 0 ～ 5 | 0.05 | |
| 食塩 | コンベア上 | 0 ～ 5 | 0.02 | |
| 乾燥海苔 | コンベア上 | 7 ～ 12 | 0.2 |
・測定用途
事例紹介したインライン型成分計/水分計は、穀物･豆類・酪農製品・加工品の水分・タンパク質・脂肪分、食塩の水分・マグネシウム濃度、フライオイルの酸価（AV値）、繊維中の水分・油分、コーティング紙の塗布量、不織布の水分･坪量などにも活用できる。
将来的にはインライン計測にAI技術を組込み検査の自動化を可能にするシステムを期待する。
以上
【参考文献・引用先】
- 「新・食品分析法」日本食品科学工学会 新・食品分析法編集委員会編 光琳
- 「分析実務者が解説 栄養表示のための成分分析のポイント」日本食品分析センター 中央法規出版
- 「栄養表示基準における栄養成分等の分析方法等について」(平成11年4月26日 衛新第13号)（厚生労働省 通知）
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(株)ケツト科学研究所「近赤外成分計/水分計（インライン型）」カタログ
kjt_in-line_series_catalog_rev0101_web-2.pdf (kett.co.jp)