チョコレート業界の推定値は1290億ドルを超え、活気にあふれ影響力のある業界であり、その経済的影響が認められるだけでなく、その文化的意義と持続的な革新によって注目されている。手作りチョコレートメーカーから多国籍菓子まで会社チョコレート製造は広範な技術、原料、製品の形式をカバーしている。チョコレートの品質に影響を与える多くの要素の中で、水分活性は製品の安定性、安全性、官能的な吸引力を確保する上で極めて重要な役割を果たしており、特にサンドイッチ、中具、または層状構造を含む複雑な配合物の中で重要な役割を果たしている。

チョコレートにはさまざまなタイプがあり、他の原料と混ぜて独特のキャンディを作ることが多い。チョコレートはカカオ豆由来のチョコレート液で、天然防腐剤の作用を持つキサンタノールを豊富に含む^[1]。チョコレート自体は、フォームやココアパウダーの含有量に応じて分類することができます。

•カカオパウダーは焙煎したカカオ豆を研磨したもので、追加添加物がなく、味が苦く、賞味期限が3年に及ぶ。

•ベーキングチョコレート純固体チョコレート液、砂糖や牛乳を添加せず、賞味期限は約2年。

•ダークチョコレートに砂糖を加えたチョコレートは、カカオ含有量が高く、異なる。ココアの含有量が高いほど、味が苦くなり、賞味期限も長くなります。

•ミルクチョコレートは約10%のチョコレート液を含み、ミルクと砂糖を加え、製品の形態に応じて賞味期限は約1年である。

•リキュールチョコレートチョコレートと異なるタイプのリキュールをブレンドし、独特の風味を与えます。このような製品の賞味期限は通常短く、約2ヶ月またはそれ以下である。

水分活性はシステム中の水分のエネルギー状態として定義され、ギブス自由エネルギー方程式を通じて熱力学の基本法則と関連している。それは基質の中で、表面、数性と毛細管相互作用によって決定された水の相対化学ポテンシャルエネルギーを代表している。水が様々な相互作用を通じて他の分子と相互作用すると、水分子結合に含まれるエネルギーの一部がこの相互作用に移り、水分子自体のエネルギーが低下します。水エネルギーの低下はまた、気相に逃れる能力を低下させ、蒸気圧の低下をもたらす。水分活性が0.50であることは、製品中の水が同じ温度で純水エネルギーの50%を持つことを示している。水分活性が低いほど、システム中の水は純水のように表現されない。ここで与えられた定義は、水分活性の定義に誤って使用され、科学的な意味がないため、「自由水」という用語には言及されていないことに注意してください。

チョコレート製品について、水分活性の測定方法は、サンプル中の液相水と密閉チャンバ上部空間の気相水とを平衡にし、次いでセンサを用いて上部空間の平衡相対湿度（ERH）を測定することである。平衡相対湿度（水分活性）は、抵抗式電解センサ、冷鏡センサ、可変ダイオードレーザ、または容量式吸湿ポリマーセンサを用いて測定することができる。Labmaster-aw neoなどのNovasina社の機器では、抵抗式電解センサーを用いて平衡相対湿度を測定しています。平衡相対湿度の変化は、電解質センサの抵抗の変化によって追跡される。

チョコレート糖は通常、酒をベースにしたいくつかの処方でない限り揮発性物質を含まない。真のバランスに達する前に読み取りを行うと、測定が不正確になり、製品の安全性と品質に潜在的に影響を与える可能性があります。

異なる平衡モードの設定による潜在的な違いを示すために、Novasinaの科学者たちはNovasina LabMaster-aw neo水分活性計を用いて、一連の製品に対して水分活性試験を行い、それぞれ要求の低い高速平衡モードと要求の高い低速平衡モードの設定を採用した（表1参照）。高速モードは、2分間連続して水分活性度の読み取り差が0.001 awを超えないことを要求することにより、より迅速に結果を得ることを目的としている。

表1.NovasinaのLabMaster-aw neoデバイスで、あまり厳格ではない「ファストバランス」モードとより厳格な「スローバランス」モードを使用して一般的なチョコレートキャンディ製品をテストした場合の平均水分活性とテスト時間（分）のテスト結果を示した。

高速モードはテスト時間を大幅に短縮できますが、精度が低下する可能性があります。高速モードと低速モードの結果の差が0.01 aw未満の場合は、通常、高速モードを使用してテスト速度を高速化することができます。しかし、精度に対する要求が高い重要な用途では、低速モードは実際の水分活性値をより確実に反映することができる。

結果に潜在的な違いが評価されていない場合は、緩やかなテスト終点設定を勝手に使用してはいけません。これは、機器がユーザーに関連パラメータの調整を許可している場合にのみ実行できます。Novasina氏は、新製品の水分活性試験を行う際には、まず高速安定モードを使用して試験を実行することを提案している。その後、サンプルを1時間にわたって（蓋を開けずに）器具に静置した。その間、LabMaster-aw neoはリアルタイムで水分活性度の読み取りを更新し、同時に高速モードでの測定値を表示します。このようにして、ユーザは、より厳格な安定モードに切り替える必要があるほど差が顕著であるかどうかを判断することができる。

前述のデータに示すように（表1）、一部のチョコレート製品（チョコレートシロップなど）の高速モードと低速モードでの平均水分活性の差は極めて小さく（0.01 aw未満）、低速モードはより長い試験時間を必要とするが、一方、チョコレートヘーゼルナッツソースなどの他の製品の違いは0.09 awに達している。これらの結果は、品質管理実験室がこれに基づいて、どの製品が迅速なテストに適しているか、どれが測定の正確性を確保するためにより長いバランス時間を必要とするかを判断できることを示している。

水分活性と微生物成長

微生物の安全はすべての食品が最も注目すべき問題である。水分活性は微生物の成長を制御する上で重要な役割を果たしている。それは生体の繁殖能力に直接影響するからである。微生物が位置する環境の水分活性がその内部レベルより低い場合、浸透圧ストレスを受ける低エネルギー状態への移行に伴い、水分が環境中に流出する^[2]。この水分流失は膨圧を低下させ、代謝活動を遅らせる。

増殖を続けるためには、微生物はその内部の水分活性を周囲の環境より低いレベルに下げ、水分を細胞に再投入しなければならない。細胞内で溶質を濃縮することで実現しようとします。この戦略の有効性は生体によって異なり、これは各生体に固有の最低水分活性閾値があり、この閾値を下回ると成長できないことを意味する^[2,3]。表2は、一般的な腐敗微生物の成長の最低水分活性限界値を示す。

表2.一般微生物成長の水分活性（aw）限界値表

チョコレートシロップの微生物問題

両方のシロップの水分活性はカビの成長閾値を超えており、空気中の胞子に暴露するとカビが繁殖する可能性がある。注目すべきは、砂糖ゼロシロップの水分活性は砂糖含有シロップよりずっと高いことです。糖含有シロップの水分活性は0.827 awであり、すべての病原菌の成長限界を下回り、棚期内で安定していると考えられている。対照的に、糖類ゼロシロップの水分活性は0.937 awであり、黄色ブドウ球菌とリステリア菌の成長限界を超えている。米国食品医薬品監督管理局（FDA）の食品法規によると、水分活性がこのレベルに達している製品は、そのpH値が5.6を下回っている場合にのみ棚期内で安定していると考えられる（図1参照）。

水分活性の増加は、より健康な代替品を開発する際に処方師が直面する課題を浮き彫りにした。砂糖の含有量を下げることは健康に良いが、製品の安全にも影響を与える可能性がある。糖は天然の保湿剤であり、水を結合する複数の部位を提供することで水分活性を制御し、製品中の水分のエネルギーを低下させる。糖の代わりに異なる化学的性質を持つ代糖を用いると、結合水の部位が減少する。水分活性のこのような変化が適切に記録されておらず、製品の安全を確保するための調整が行われていない場合、再配合された製品は健康にリスクをもたらす可能性があります。したがって、配合中は常に水分活性を監視しなければならず、特に砂糖や塩などの極性成分を除去する際には。

表3.米国FDAの2017年「食品法規」における食品安全時間／温度制御定義における表Aを改編

*PHFとは「潜在的危険飼料」のこと

**TCSとは、「安全な食品の時間／温度制御」

***PAとは「製品評価が必要」

水分活性とチョコレート風味

風味はチョコレートキャンディの最も重要な品質属性の一つである。消費者は製品の風味特徴が製品タイプと一致することを期待しており、どのような偏差でも製品が人気を失う可能性があり、実際にはその棚期の終了を意味している。ほとんどのチョコレートキャンディの天然の低水分活性は、風味を変える可能性のある化学反応を緩和することで、その棚期を延長するのに役立ちます。

水分活性はチョコレート製品中の脂質酸化の速度に影響を与える。ほとんどの食品反応と異なり、脂質酸化は図1に示すように低水分活性と高水分活性レベルで進行する。これは、酸化速度がこの範囲内で最も低い、いわゆる単分子層値の水分活性範囲が存在することを意味する。ほとんどのチョコレート製品では、この値は約0.35 awであり、これは表1に記載された多くの製品の水分活性レベルと一致している。風味の安定を確保し、賞味期限を延長するために、チョコレート製品はこの理想的な水分活性範囲を達成するために加工されなければならない。水分活性試験をチョコレートメーカーの品質保証規程に組み入れることは、製品の完全性と消費者満足度を維持するために重要である。

図1.水分活性と脂質酸化速度との一般的な関係。

水分活性とチョコレートクリーム

風味のほか、生地や見た目もチョコレートキャンディの重要な品質属性である。ブラックチョコレートは通常、カリッとした食感と硬い質感がありますが、ミルクチョコレートは滑らかで繊細な食感が必要です。

チョコレートの外観と生地に影響を与える最も一般的な分解反応はチョコレートクリームであり、砂糖クリームと脂肪クリームに分けることができる。水分活性は糖霜の形成と最も密接な関係がある。水分活性が上昇すると、糖は溶液に溶解し、水分活性が低下するにつれて、糖は表面で再結晶する。これにより、チョコレートの表面に白色で粉末状の糖結晶が形成され、チョコレートの生地が粗くなり、視覚的な魅力に影響を与えることがあります。また、これは食べる際のチョコレートの溶解特性を変え、予想される滑らかな食感に影響を与える。

糖霜の形成を防止するためには、水分活性試験によりチョコレート製品の理想的な水分活性度を決定し、この基準に従って加工しなければならない。また、安定した貯蔵条件を維持することも重要であり、水分活性の変動による霜発生を防止することができる。

水分活性と水分移動

チョコレートキャンディーは、通常、チョコレート固体と他の成分（例えば、牛圧延糖、ピーナッツバター、ナッツ、または果物）とを混合したものである。これらの組み合わせは、純チョコレートを除く様々な食感と風味を提供することにより、消費者への魅力を高めている。しかし、多成分製品の安定性は、水分移動が望ましくない食感変化を引き起こす可能性があるため、各層間の水分移動を防止することに依存し、さらに深刻なことに、微生物の安全性にも影響を与える。

水分移動を防止する最も効果的な戦略は、すべての成分が最終的に同じ水分活性を持つようにすることである。水分は水分含量に基づくのではなく、水分活性が高い（エネルギーが高い）領域から水分活性が低い領域へ移動する。これは重要な違いです：水分移動を駆動するのは水分活性であり、水分濃度ではありません。

例えば、表1に示すチョコレートピーナッツバタースティックでは、チョコレートの水分活性を0.455 aw、ピーナッツバターの水分活性を0.450 awと測定した。これらのほぼ同じ値は、この製品が良好なバランスに達しており、時間が経つにつれて水分移動が起こりにくく、長期安定性に寄与していることを示している。

包装の役割

先日述べたように、チョコレート製品の賞味期限を延長するのは3つの重要なステップに依存する：製品を理想的な水分活性範囲に生産し、水分活性の規格と品質保証テストを通じてこの点を検証し、水分の移動や異なる貯蔵条件への暴露による水分活性の変化を防止する。水分移動については前述したが、環境暴露による水分活性の変化を防止する主な手段は包装である。

包装材料の有効性は通常、その水蒸気透過率（WVTR）によって測定され、WVTRが低いほど防湿バリア効果が高い。WVTRが高いことは、水がパッケージを透過しやすいことを意味し、これは製品の水分活性を変え、品質に影響を与える可能性がある。

適切な包装材料を選択するには、性能とコストのバランスが必要です。WVTR値が低い材料は保護効果が高いが、高価であることが多い。WVTRが実際の需要より低いパッケージを選択すると、不必要なコストが増加し、収益性が低下します。目的は、手頃な価格で予想される貯蔵条件下で製品の安定性を維持できるパッケージを見つけることです。

製品の水分活性、吸湿特性の知識と数学モデルを利用して、この製品に適した理想的な包装を予測することができる。このホワイトペーパーはモデリングの詳細な手順については言及していませんが、ノバルティスはこの方法を採用することに興味のあるメーカーをサポートし、指導することができます。

まとめ

チョコレート製品の賞味期限を延長する鍵は、理想的な水分活性範囲を確定し、維持することにあり、この範囲内で、製品の生地、風味、外観、食感はすべて状態に達することができる。研究者と処方師は、実験と水分活性試験を通じてこの理想的な範囲を決定する責任があり、特に水分活性成分を制御するためのより健康的な代替品を開発する際には。この理想的な水分活性を確定すると、それは製品の規格基準となり、通常の品質保証テストは各製品が目標要求を達成できることを保証することができる。最後に、輸送と貯蔵の過程で製品の水分活性を維持することが重要である。これは、環境湿度や水分移動による変化を防止するために、水分を効果的に遮断する包装材料を選択することによって実現することができる。処方、生産、流通の全過程で水分活性を制御することにより、メーカーは製品の品質、安全性を確保し、賞味期限を延長することができる。Novasinaは、チョコレートキャンディにおける水分活性の応用に関する知識を提供するとともに、製品の品質と安全を維持するために必要な機器の性能を提供することができる。

参考文献

1.ガイガー、M.2023。チョコレート——賞味期限、貯蔵、開花。アイオワ州立大学分校。

2.Beuchat、L.1983年。酵母とカビの成長、代謝活性、生存に対する水分活性の影響。

3.スコット、W.1957。食品腐敗微生物の水分関係。『食品研究の進展』7：83-127。

4.Sutar、A.A.、Dashpute、R.S.、Shinde、Y.D.ら。サルモネラ菌の動的環境における適応性と生存率及びその緩和方法のシステム総説。インドの微生物学誌64267-286（2024）。