MOISTURE · CH15
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NIELSEN'S FOOD ANALYSIS · CHAPTER 15

水分分析

Moisture & Total Solids Analysis
食品分析　·　3 小時課程　·　含 6 個互動小遊戲
烘箱乾燥 · Karl Fischer · 蒸餾法 · NIR · 水活性
烘箱乾燥Karl Fischer甲苯蒸餾NIR折射率
先想一想
一片洋芋片為何要把水分壓到極低？

水分含量決定食品的保存性、口感、重量與合法性。
但水分子小又無所不在——是最重要、卻也最難測準的分析之一。

保存性品質 包裝運輸法規標準營養計算
15.1.1 為什麼重要

為什麼要分析水分

🛡️
保存與穩定
脫水蔬果、奶粉、香料：水高易壞、結塊
⭐
品質因子
果醬抑制糖結晶、穀片 4–8% 水控制口感
📦
包裝運輸
濃縮乳汁、糖漿降水分以利包裝運送
⚖️
法規標準
切達起司 ≤39% 水、濃縮麵粉 ≤15% 水
15.1.2 水的形式

食品裡的水

  • 自由水：表面、毛細、可流動，最易蒸發
  • 結合水：以氫鍵、離子吸引依附在 −OH、=O、−NH₂
  • 包埋水：陷在膠體或緻密基質中，最難移除
  • 幾乎無法把食品中所有水分完全去除
關鍵：水分子小、極性高、會跑。
取樣到秤重的每一步都可能得水或失水 → 控制溫度與時間最重要。
15.2.1 食物中的含量

食物裡的水分含量

資料：USDA (2023)，Table 15.3，% 水分（濕基）。
15.1.3 取樣與處理

誤差，常常在秤之前就發生

  • 暴露大氣的時間要越短越好
  • 研磨摩擦生熱會趕走水分，須避免
  • 儲存容器頂空要小，水會在樣品與容器間移轉
  • 控制溫度波動——水會往樣品的較冷處遷移
取樣與處理是任何分析中最大的潛在誤差來源。
整批取出、快速重新拌勻後再分取，才有代表性。
核心命題
秤水，就是秤失重

多數直接法的根基：把水蒸乾，失去的重量就是水。剩下的固體＝總固形物。

% 水分 = 濕重 − 乾重濕重 × 100
% 總固形物 = 100 − % 水分
小遊戲 ①水的三種形式0 / 6
把 6 個描述分到「自由水 / 結合水 / 包埋水」三類。
方法全覽

直接法 vs 間接法

🔥
直接法 · 去水
烘箱乾燥、蒸餾、Karl Fischer：把水移除或反應掉
📡
間接法 · 測性質
介電、密度、折射率、NIR、冰點：測與水有關的物性
⚖️
測量方式
直接法靠秤重 / 體積 / 滴定量化
🎯
校正需求
間接法快速非破壞，但須對直接法建檢量線
15.2.2 烘箱乾燥

烘箱乾燥：簡單可靠

100°C 溫控 鋁皿＋樣品（放在網架上） 循環風扇 加熱元件 強制對流烘箱（示意）：風扇讓熱風循環，箱內溫度均勻
  • 強制對流烘箱：風扇強制循環，溫差最小(≤1°C)
  • 真空烘箱：減壓(25–100 mmHg)乾燥 3–6 h；一般 95–102°C，水果/高糖 60–70°C
  • 對流(常壓)烘箱：無風扇、溫差可達 10°C，精度差
  • 失重 = 水分；需控制時間與溫度
高糖樣品改用真空烘箱 ≤70°C，避免梅納褐變與糖水解。
15.2.2 溫度與時間（Table 15.4）

強制對流烘箱：各食品的溫度與時間

食品 Product先蒸氣浴預乾烘箱溫度 (°C ± 2)時間 (h)
酪奶（液態） Buttermilk, liquid✓1003
天然起司 Cheese, natural type only—10016.5 ± 0.5
巧克力與可可 Chocolate and cocoa—1003
茅屋起司 Cottage cheese—1003
鮮奶油（液態、冷凍） Cream, liquid and frozen✓1003
蛋白（液態） Egg albumin, liquid✓1300.75
蛋白（乾燥） Egg albumin, dried✓1000.75
冰淇淋與冷凍甜點 Ice cream and frozen desserts✓1003.5
乳（全脂、低脂、脫脂、濃縮脫脂） Milk✓1003
堅果（杏仁、花生、核桃） Nuts: almonds, peanuts, walnuts—1303
果乾 Fruit, dried—706
烘焙咖啡 Coffee, roasted—7016
依 Nielsen Table 15.4（節錄）整理。
  • 多數食品 100 °C，但時間差很多：多數 3 小時，天然起司要 16.5 小時
  • 液態、高水分樣品先在蒸氣浴上預乾，再進烘箱
  • 130 °C：液態蛋白（0.75 小時）、堅果（3 小時）
  • 70 °C：果乾（6 小時）、烘焙咖啡（16 小時），溫度較低、時間較長
溫度和時間是方法的一部分：換了條件，量到的「水分」就不能直接比較。
15.2.2 時間與溫度

乾燥是一場取捨

⏱️
乾不夠
時間太短、溫度太低 → 水沒走完 → 低估水分
🔥
過頭了
時間太長、溫度太高 → 成分分解生水或揮發物流失 → 誤差
技巧：液體(果汁/牛奶)先在蒸氣浴預乾避免噴濺；黏結樣品用砂皿法(乾砂+玻棒)分散、防結殼。乾燥到恆重(兩次秤重相差 < 0.1–0.2 mg)。
小遊戲 ②烘箱乾燥即時測驗0 / 4
15.2.4 Karl Fischer

KF 滴定：微量水專家

Karl Fischer 滴定 0 滴定管 KF 試劑 (I₂) 密閉蓋 · 隔絕大氣水分 密閉反應槽 樣品 + 甲醇 磁攪拌器 電位偵測電極 過量 I₂ → 偵測終點
每 1 mol 水耗 1 mol I₂：有水存在時 SO₂ 把 I₂ 還原；水耗盡後過量 I₂ 即為終點。不加熱、快速、準確，是許多低水分、高糖/高蛋白食品的首選。
15.2.3 蒸餾法

甲苯共沸：直接量水

甲苯共沸蒸餾（Bidwell–Sterling） 樣品 + 甲苯 加熱共沸 蒸氣 甲苯溢流回瓶 冷凝管 蒸氣冷凝後滴入收集管 刻度收集管 甲苯層（輕）在上 水層沉底 直接讀水的體積 (mL)
樣品與甲苯共沸，水被帶出冷凝、在收集管直接讀體積。熱分解比高溫烘箱少，是香料的官方法；須注意乳化與管壁殘水。
小遊戲 ③烘箱乾燥流程排序— / 6
用 ▲▼ 把烘箱乾燥法的 6 個步驟排成正確順序。
15.2.5 物理(間接)法

不去水，也能測水

⚡
介電/微波
水介電常數 80 ≫ 乾物 10；測電容變化。穀物、線上品管(≤35%水)
💧
密度/折射率
比重計、糖度計(°Brix)、折射儀；測液體糖漿/果汁的固形物
📡
NIR 近紅外
水的 −OH 在 1400–1450／1920–1950 nm 吸收；快速非破壞，乾燥蔬菜官方法(AOAC 967.19)
15.2.2 快速熱重法

幾分鐘 vs 幾小時

📶
微波乾燥
微波能加熱蒸水，4–8 分鐘；起司/肉製品線上調整
🔦
紅外/鹵素乾燥
紅外燈加熱穿透樣品約 10–25 分鐘；鹵素/陶瓷加熱快速水分儀數分鐘出結果
熱重分析(TGA)：連續秤質量、控溫控氣氛，可定水分、水合物計量與分解——精準但設備貴。
15.1.3 取樣的陷阱

為什麼水分最難測準？

起司在天平上 50% RH 只要 5 秒就失 0.01% 水；乾燥粉末則會從空氣吸水。取樣到秤重必須又快又密閉。
📉
會失水
高水分樣品暴露空氣 → 低估水分
📈
會吸水
低 a_w 的脆片/粉末吸收濕氣 → 高估水分
小遊戲 ④各方法「測什麼」分類0 / 6
同樣的方法，換個角度——它們實際量測的是什麼訊號？分到三類。
15.3 水活性 a_w

水分量 ≠ 水的活性

  • a_w = 食品水蒸氣壓 p ÷ 純水蒸氣壓 p₀（0–1）
  • a_w = ERH/100，與平衡相對濕度相關
  • 影響微生物生長、化學/酵素反應、質地
  • 同樣水分含量，a_w 不同 → 穩定性不同
a_w 0.85 是法規對病原菌生長的分界。水分『遷移』是順著 a_w 由高到低，而非水分含量。
摻假與盲點

水分造假怎麼抓？

牛奶加水會抬高水分、稀釋固形物。因冰點是牛奶最穩定的物性，AOAC 961.07 用冰點儀(正常乳 −0.527°C)偵測加水。
🧊
冰點法
加水使冰點上升 → 算出加水量；FDA 拒收 > −0.507°C 的乳
⚠️
分解陷阱
碳水高溫分解會『生水』→ 高估；蔗糖水解會『耗水』→ 低估
小遊戲 ⑤決策挑戰：選對方法0 / 5
15.2.6 方法比較

一張表選方法（點欄位排序）

方法 ⇅量測對象 ⇅速度 ⇅主要應用 ⇅
依 Table 15.5／15.6 整理；速度星等為教學用相對評比（非課本數據）。
方法選擇

跟著決策樹走

你的樣品是什麼？ 選擇水分分析方法 一般食品? 烘箱乾燥 官方法、可多樣品 高糖改真空 ≤70°C 低水分·高糖油? Karl Fischer 不加熱、準確度高 巧克力·油脂·乾果 香料·揮發物? 甲苯蒸餾 熱分解少、直接測水 香料官方法 線上快速品管? NIR / 微波吸收 快速、非破壞 需先校正

下一頁實戰：算一份液體樣品的水分與固形物 →

15.3 水活性應用

為什麼要同時量 a_w

🦠
控制微生物
各菌種有 a_w 生長下限；a_w 0.85 是低酸/酸化食品法規分界
🔄
防止水分遷移
派皮與內餡之間，水順 a_w 由高往低跑 → 影響質地保存
📊
穩定性地圖
Labuza 圖：脂質氧化、梅納反應、酵素速率隨 a_w 變化
水分含量 + 水活性 = 完整的水分分析。降 a_w 不是殺菌步驟，只是抑制生長。
15.2.2.1.7 計算

從秤重到 % 水分與固形物

% 水分 = 濕重 − 乾重濕重 × 100
  • 先扣除乾皿+玻纖蓋的重量
  • 濕重 − 乾重 = 失去的水重
  • % 總固形物 = 乾重 ÷ 濕重 × 100
  • % 水分 + % 固形物 = 100
小遊戲 ⑥計算闖關未作答
液體樣品（Practice Problem 3）：乾皿+玻纖蓋 1.0376 g，皿+液體樣品 4.6274 g，皿+烘乾後 1.7321 g。求% 水分（濕基）。
%
延伸應用

濃縮：還要再蒸掉多少水？

  • 濃縮湯起始 1000 gal、8.67% 固形物
  • 濃到 26.54% 固形物 → 體積 = (8.67/26.54)×1000 = 326.7 gal
  • 標準要 28.63% → 體積 = (8.67/28.63)×1000 = 302.8 gal
  • 還要蒸掉 326.7 − 302.8 = 23.9 gal 水
關鍵觀念：濃縮過程固形物總量不變，用『固形物守恆』反推體積，差值就是要再移除的水。(Practice Problem 1)
重點整理

今天的五個關鍵

  • 秤水＝秤失重；% 水分=(濕−乾)/濕×100，固形物=100−水分
  • 水有自由/結合/包埋三形式，難完全去除
  • 直接法：烘箱(官方·多樣品) vs Karl Fischer(微量·不加熱)
  • 間接法：NIR/介電/折射率快速，須先校正
  • a_w 比水分更能預測微生物與穩定性(0.85 分界)
自我檢核

今天結束，你應該會…

點一下打勾——確認自己真的會了。

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把水分分析
用起來

📌 課後練習：Study Questions、Practice Problems
🔜 銜接章節：灰分分析 (Ch16)、蛋白質分析 (Ch18)
🧪 思考：你的樣品水分高嗎？含糖油嗎？要官方法還是快速品管？該選哪種方法？
烘箱乾燥Karl Fischer甲苯蒸餾NIR水活性 a_w