食品学 第2章：水分と水分活性

はじめに

ほとんどすべての食品には水が含まれている。牛乳はおよそ9割が水であり、しっとりしたスポンジケーキでも3割前後、乾いたクッキーでもわずかに水を含む。食品の中の水は、ただの「量」として存在しているのではない。食品の成分と強く結びついて動けない水もあれば、自由に動きまわり、微生物に利用され、蒸発していく水もある。

この「水の状態」の違いが、食品の日持ち、食感、変質のしやすさを大きく左右する。食品の水の状態を数値で表したものが水分活性（Aw）であり、製菓衛生師試験では、自由水と結合水の違い、水分活性の値と微生物の増殖、塩漬け・砂糖漬けのしくみが毎年のように出題される。

本章では、水そのものの性質から始めて、食品中の水の2つの状態（自由水と結合水）、水分活性の意味と数値、水分活性を下げて食品を保存する方法、そして微生物の増殖にかかわるもう一つの条件であるpHを学ぶ。

1. 水の性質

1-1. 水の分子と水素結合

水は、水素原子2つと酸素原子1つが結びついた分子（H₂O）である。酸素は電子を引きつける力が強いため、水分子の酸素の側はわずかにマイナス、水素の側はわずかにプラスの電気を帯びている。このため、ある水分子の水素と、となりの水分子の酸素が引き合う。この引き合いを水素結合という。

水素結合のはたらきによって、水は分子の大きさのわりに、次のような特別な性質を持つ。

性質	内容	食品とのかかわり
沸点・融点が高い	1気圧で0℃で凍り、100℃で沸騰する	加熱・冷却の基準になる
比熱が大きい	温まりにくく冷めにくい	湯せん・蒸し加熱がおだやかに伝わる
蒸発熱が大きい	蒸発するときに多くの熱をうばう	焼成中、生地の水分が蒸発している間は内部の温度が100℃前後にとどまる
ものをよく溶かす	砂糖・食塩・水溶性ビタミンなどを溶かす	シロップ、漬け込み、成分の溶け出し
固体（氷）のほうが軽い	水素結合ですき間の多い結晶をつくる	氷が浮く。凍ると体積が約1割増える

1-2. 水の状態変化

水は温度によって、固体（氷）、液体（水）、気体（水蒸気）と状態を変える。氷になると、水分子どうしが水素結合で規則正しく並び、液体のときよりも結びつきが強く、すき間の多い構造になる。このため氷は水より密度が小さく、水に浮く。「氷のほうが水素結合が弱い」という記述は誤りである。

食品を凍らせると、中の水が氷の結晶になって体積が増える。結晶が大きいと細胞や組織をこわし、解凍したときに水分が流れ出る（ドリップ）。急速に凍らせて結晶を小さくする理由はここにある（第12章参照）。

1-3. 食品の水分含量

食品の水分含量は、食品によって大きく異なる。おおよその値（可食部100gあたり、日本食品標準成分表をもとにした目安）を示す。

食品	水分（約）	食品	水分（約）
いちご	90%	練りようかん	26%
牛乳	87%	はちみつ	18%
鶏卵（全卵）	75%	バター	16%
食パン	39%	薄力粉	14%
スポンジケーキ	32%	ハードビスケット	3%
		グラニュー糖	ほぼ0%

ここで注意したいのは、水分含量が同じくらいでも、日持ちは同じではないということである。たとえば、はちみつは水分が約18%あるが、常温で長く保存できる。一方、薄力粉は水分が約14%でも、湿気を吸うとカビが生えることがある。日持ちを決めるのは水の「量」だけでなく、水の「状態」である。これを説明するのが、次に学ぶ自由水と結合水、そして水分活性である。

2. 自由水と結合水

2-1. 2つの状態

食品中の水は、成分との結びつき方によって、大きく2つに分けられる。

結合水は、たんぱく質や炭水化物などの成分の表面に、水素結合などで強く引きつけられている水である。成分にしばりつけられているため、自由に動けない。

自由水は、成分と結びついておらず、食品の組織のすき間などで自由に動ける水である。ふつうの水と同じようにふるまう。

2-2. 自由水と結合水の比較

性質	自由水	結合水
成分との結合	結合していない（自由に動ける）	強く結合している（動けない）
凍結	0℃付近で凍る	凍りにくい（−20℃以下でも凍りにくい）
蒸発・乾燥	蒸発しやすく、乾燥で除かれる	蒸発しにくく、乾燥でも除かれにくい
溶媒としての働き	ものを溶かす	ものを溶かさない
微生物の利用	利用できる（腐敗・変敗の原因）	利用できない
化学反応・酵素反応	かかわる	かかわりにくい

微生物が増殖や生命活動に使えるのは自由水だけである。自由水が多い食品ほど、微生物が増えやすく、腐敗しやすい。

2-3. 自由水を結合水に変える

食品に砂糖や食塩を加えると、これらが水に溶けて水分子を引きつけ、自由水の一部が結合水に近い状態に変わる。水の総量は変わらなくても、微生物が使える水が減るため、食品は腐りにくくなる。これが砂糖漬け（糖蔵）や塩漬け（塩蔵）のしくみである。

試験では「砂糖漬けや塩漬けは自由水を増やして保存性を高める」という誤った記述がよく出る。正しくは、自由水を減らし、結合水を増やすことで保存性を高める。

3. 水分活性（Aw）

3-1. 水分活性とは

自由水の多さ、つまり「微生物や化学反応が利用できる水がどれだけあるか」を数値で表したものが水分活性である。記号はAw（Water activity）で表す。

水分活性（Aw）＝ 食品の水蒸気圧（P）÷ 同じ温度の純水の水蒸気圧（P₀）

密閉した容器に食品を入れておくと、容器の中の空気の湿度は、食品の水の状態に応じた一定の値に落ち着く。このときの湿度（平衡相対湿度）を100で割った値が、その食品の水分活性にほぼ等しい。

• 純水の水分活性は 1.00（最大値）
• 食品の水分活性は 0〜1.00 の範囲にある
• 自由水が多いほど1.00に近づき、結合水の割合が多いほど低くなる

水分活性は割合を表す数値であり、最大値は1.00である。「最大値は100」という記述は誤りである。

3-2. 水分活性と微生物の増殖

微生物は、種類ごとに増殖できる水分活性の下限が決まっている。

微生物	増殖できる水分活性の下限（目安）
一般的な細菌	約0.90
一般的な酵母	約0.88
一般的なカビ	約0.80
黄色ブドウ球菌（食中毒菌）	約0.86
好塩細菌	約0.75
耐乾性カビ	約0.65
耐浸透圧性酵母	約0.60

この表から、次のことがわかる。

• 微生物の中で、細菌が最も多くの水を必要とし、カビは乾燥に強い
• 水分活性が0.60未満になると、ほとんどの微生物が増殖できない
• 水分活性が低いほど微生物は増殖しにくく、保存性が高い

「水分活性が高いほど微生物は増殖しにくい」は逆であり、頻出のひっかけである。

3-3. 食品の水分活性

主な食品の水分活性の目安を示す。

水分活性（目安）	食品の例	増殖できる主な微生物
0.98以上	生の肉・魚、果実、野菜、牛乳	ほとんどの微生物
0.93〜0.98	パン、カスタードクリーム、生菓子	多くの細菌、酵母、カビ
0.85〜0.93	熟成チーズ、生ハム、サラミ	酵母、カビ、一部の細菌（黄色ブドウ球菌など）
0.60〜0.85	ジャム、ドライフルーツ、加糖練乳、ようかん、半生菓子	カビ、酵母
0.60未満	はちみつ（約0.6）、ビスケット・クッキー、チョコレート、粉乳、乾燥麺	ほとんど増殖しない

3-4. 中間水分食品

水分活性が0.65〜0.85程度の食品を中間水分食品という。水分をある程度含むため、しっとりとやわらかい食感を持ちながら、冷蔵しなくても比較的長く保存できる。ジャム、ドライフルーツ、ようかん、甘納豆、半生菓子などがこれにあたる。

中間水分食品は、砂糖・水あめ・食塩・グリセリンなどを加えて水分活性を下げ、カビ・酵母に対しては包装（脱酸素剤など）や保存料などを組み合わせて保存性を確保していることが多い。

3-5. 加える物質による水分活性の下がり方の違い

水に溶けた物質が水分活性を下げる力は、おおまかにいうと、溶けている分子（またはイオン）の数に関係する。同じ重さを加えた場合、分子の小さいものほど分子の数が多くなるため、水分活性を下げる力が大きい。

物質	分子の大きさ	同じ重さでの水分活性を下げる力
食塩	小さく、水中でナトリウムと塩化物のイオンに分かれる	非常に大きい
ブドウ糖・果糖（転化糖）	単糖で、ショ糖の約半分の大きさ	大きい
ショ糖（砂糖）	二糖	中程度
水あめ（でんぷん分解物）	大きな分子を含む	小さめ

少量でも水分活性を大きく下げられるため、食塩は塩蔵に使われる。菓子では、ショ糖の一部を転化糖やブドウ糖、ソルビトールなどに置きかえることで、甘さを抑えながら水分活性を下げ、しっとり感を保つ工夫が行われる。

3-6. 水分活性と化学反応

水分活性は、微生物の増殖だけでなく、食品の中で起こる化学反応の速さにもかかわる。

反応	水分活性との関係（目安）
微生物の増殖	約0.6以上で起こり、高いほど盛ん
酵素反応	水分活性が高いほど進みやすい
非酵素的褐変（メイラード反応）	中程度（約0.6〜0.8）で最も進みやすい。水が多すぎても少なすぎても遅くなる
脂質の酸化	水分活性が極端に低い（約0.2以下）と、かえって進みやすい。中程度（約0.3〜0.4）で最も遅い

脂質の酸化が、水分の少ない食品でかえって進みやすいことは重要である。揚げ菓子、ナッツ、ポテトチップスのような水分が少なく油脂の多い食品は、「乾いているから傷まない」のではなく、酸化による劣化（油の変敗）に注意が必要な食品である（第5章参照）。

3-7. 等温吸湿曲線

一定の温度で、食品の水分含量と水分活性の関係を表したグラフを等温吸湿曲線（等温吸湿脱湿曲線）という。食品の種類によって曲線の形が異なるため、水分含量が同じでも、食品が違えば水分活性は異なる。前に述べた「はちみつは水分約18%でも日持ちするが、薄力粉は水分約14%でも湿気るとカビる」という違いは、この関係で説明できる。はちみつは糖が水をしっかり引きつけているため水分活性が低く、薄力粉は湿気を吸うとすぐに水分活性が上がる。

4. 水分活性を下げて保存する方法

水分活性を下げることは、食品を保存する基本的な方法の一つである。

方法	しくみ	例
乾燥	水そのものを取り除く	干し柿、ドライフルーツ、乾燥卵白、粉乳、寒天
糖蔵（砂糖漬け）	砂糖が水を引きつけ、自由水を減らす	ジャム、マーマレード、砂糖漬け（コンフィ）、ようかん、甘納豆
塩蔵（塩漬け）	食塩が水を引きつけ、自由水を減らす	塩漬けの桜の花・葉、漬物、塩辛
冷凍	自由水が氷になり、微生物が使える水がなくなる	冷凍生地、冷凍フルーツ
中間水分食品化	糖・グリセリンなどを加えてAwを中程度に下げる	半生菓子、ソフトクッキー

冷凍は、低温で微生物の活動を止めるとともに、自由水を氷にすることで水分活性を下げる方法でもある。ただし、冷凍で多くの微生物は死滅しないため、解凍すると再び増殖を始める。保存方法の全体は第12章で学ぶ。

5. pH（水素イオン濃度）

5-1. pHとは

水分活性と並んで、微生物の増殖を左右するもう一つの条件がpHである。pHは、溶液の酸性・アルカリ性の強さを0〜14の数値で表したもので、7が中性、7より小さいと酸性、7より大きいとアルカリ性である。

pH（目安）	食品の例
2〜3	レモン果汁、食酢
3〜4	りんご、いちご、オレンジ、ジャム、ヨーグルト
4〜5	トマト、バナナ、ワイン
6〜7	牛乳、卵黄（約6）、多くの野菜、肉、魚、パン、小麦粉
7〜9	卵白（産みたては7.5前後。古くなると二酸化炭素が抜けて9以上）
8以上	重曹の水溶液

5-2. pHと微生物

微生物	増殖しやすいpH（至適pH）
多くの細菌	中性付近（6.5〜7.5）
酵母・カビ	弱酸性（4〜6）
乳酸菌・酢酸菌	酸性

多くの細菌は中性付近でよく増え、酸性になると増えにくくなる。pH4.6以下では、食中毒菌を含む多くの細菌が増殖しにくくなる。一方で、乳酸菌・酢酸菌・酵母・カビは酸性にも比較的強い。

5-3. 酸を利用した保存

食品のpHを下げる（酸性にする）ことで、細菌の増殖を抑えることができる。これが酢漬けの原理である。ピクルスやマリネは、酢によってpHを3〜4程度まで下げている。ジャムに果実の酸やレモン果汁が含まれることも、砂糖による水分活性の低下と合わせて保存性を高めている。

「酢漬けはpHを上げて微生物の繁殖を抑える」という記述は誤りである。

6. 製菓とのつながり

6-1. 砂糖は「水を抱える」材料

菓子に使う砂糖は、甘味をつけるだけでなく、水を引きつけて離さない性質（保水性・吸湿性）を持つ。この性質によって、次のような効果が生まれる。

• 日持ちがよくなる：ジャム、砂糖漬け、ようかん、甘納豆は、糖が自由水を減らして水分活性を下げている
• しっとりした状態が続く：スポンジケーキやカステラは、砂糖が水を抱えることで乾燥しにくい
• やわらかさが続く：求肥は、もち粉に砂糖や水あめを加えて練ることで、時間がたってもかたくなりにくい（でんぷんの老化を抑える。第3章参照）

6-2. 生菓子と焼き菓子の日持ちの違い

カスタードクリームや生クリームを使った洋生菓子、餅や餡を使った和生菓子は、水分活性が高く、微生物が増えやすい。そのため冷蔵保存が必要で、消費期限を表示する。一方、クッキーやサブレのような水分の少ない焼き菓子は、水分活性が低くカビにくいため、賞味期限を表示する（第13章参照）。

ただし、焼き菓子でも、湿気を吸えば水分活性が上がり、食感が悪くなり、カビの原因にもなる。焼き菓子の包装に乾燥剤を入れたり、防湿性の高い袋を使ったりするのはこのためである。また、油脂の多い焼き菓子は、乾燥しているほど脂質の酸化が進みやすいため、脱酸素剤を組み合わせることも多い。

6-3. 組み合わせた菓子での水の移動

水は、水分活性の高いところから低いところへ移動する。タルトの生地にクリームを詰めたり、パイにフルーツをのせたりすると、時間とともにクリームや果実の水が生地に移り、さくさくした食感が失われる。生地の内側にチョコレートやココアバターを塗ったり、焼き込んだりするのは、水の移動を防ぐための工夫である。同じように、焼き菓子どうしを同じ袋に入れる場合も、しっとりしたものと乾いたものを一緒にすると、乾いたほうが湿気る。

6-4. 酸と色・保存性

ジャムやコンフィチュールでは、果実の酸（クエン酸・リンゴ酸）が、pHを下げて保存性を高めるとともに、ペクチンのゲル化を助ける（第8章参照）。レモン果汁を加えるのは、香りづけだけが目的ではない。

試験対策：よくある間違いポイント

まとめ

食品中の水は、成分と強く結びついて動けない結合水と、自由に動ける自由水に分けられる。結合水は凍りにくく、蒸発しにくく、微生物に利用されない。微生物が利用できるのは自由水だけであり、自由水が多い食品ほど腐敗しやすい。

自由水の多さを数値で表したものが水分活性（Aw）で、食品の水蒸気圧を純水の水蒸気圧で割って求める。最大値は1.00で、値が低いほど微生物は増殖しにくい。細菌は約0.90、酵母は約0.88、カビは約0.80が増殖の下限の目安で、0.60未満ではほとんどの微生物が増殖できない。水分活性は化学反応にもかかわり、メイラード反応は中程度で、脂質の酸化は極端に低い水分活性でかえって進みやすい。

乾燥・糖蔵・塩蔵・冷凍は、いずれも自由水を減らして水分活性を下げる保存法である。糖蔵・塩蔵は自由水を「増やす」のではなく「減らす」方法である点に注意する。また、多くの細菌は中性付近で増えやすく、酢漬けはpHを下げて保存性を高める。

菓子では、砂糖が水を抱えることで、ジャムやようかんの日持ち、スポンジやカステラのしっとり感、求肥のやわらかさが生まれる。生菓子と焼き菓子の日持ちの違い、乾燥剤や脱酸素剤の使い分け、タルト生地が湿気る理由も、水分活性で説明できる。次章では、水以外の成分である炭水化物・たんぱく質・脂質などを、食品の側から見ていく。

※ 本書は、日本食品標準成分表（八訂）増補2023年、令和7年度の食料自給率（令和8年8月公表）、令和8年4月施行の改正食品表示基準にもとづいています。