基于玻璃化转变及流动特性的枸杞粉贮藏稳定性研究

2020-07-08宋慧慧陈芹芹毕金峰吴昕烨

中国食品学报 2020年6期

宋慧慧陈芹芹毕金峰吴昕烨吕健吕莹

（中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工重点实验室北京100193）

枸杞（Lycium barbarum），茄科落叶灌木，作为传统的中药以及功能性食品已有2 000 多年的历史。其果实长1～2 cm，为明亮的橙红色椭球浆果，主要种植在我国的西北部和其他亚洲国家[1]。 21世纪以来，人们的健康意识提高，枸杞在欧洲和北美国家流行起来。枸杞含有多种功能性物质[2]，包括多糖、黄酮、类胡萝卜素、有机酸、氨基酸等，具有抗氧化、抗肿瘤、保护神经、增强抵抗力、增强血糖控制能力等生物活性。枸杞鲜果的湿基含水率根据品种的不同，最高可达83%，不易储存，对95%以上的枸杞进行制干处理[3]。将枸杞加工成枸杞粉，不仅可以增加枸杞贮藏稳定性，降低运输成本，而且能丰富枸杞产品的种类。

20 世纪80年代，水分活度理论被广泛应用于食品的贮藏稳定性评价，食品在（或低于）单分子层含水率的条件下贮藏比较稳定。近年来，仅用水分活度评价贮藏稳定性出现了很多局限性[4]，例如：水分活度的定义是在平衡状态下，而食品可能处于非平衡状态；水分活度不能表征水的存在状态以及与底物的结合方式等。为了弥补这些缺陷，科学家提出了玻璃化转变理论。根据非晶态无定型聚合物的力学性质随温度变化的特征，将食品分为橡胶态和玻璃态。玻璃化转变温度即二者相互转变时的特征温度。当体系温度高于Tg时，食品处于橡胶态，体系黏度降低，自由体积和比热增大，反应加快[4-5]。反之，所处状态成为玻璃态，此时体系黏度高，分子运动能量低，稳定性最强。确定食品的水分含量，了解贮藏温度及相对湿度，避免食品从玻璃态转变为橡胶态。

状态图[6]包含平衡和非平衡状态下不同水分含量食品在不同温度下的物理信息，它结合了水分活度和玻璃化转变理论，能够预测脱水食品和冷冻食品的贮藏稳定性。已见报道的有树莓[7]、葡萄柚[8]、杏[9]、苹果、梨[10]和西红柿[11]，尚未见枸杞粉的报道。本文基于水分活度及玻璃化转变理论，系统研究了不同粒径枸杞粉的吸附等温线和玻璃化转变温度，通过构建不同粒径枸杞粉的状态图，探讨水分含量、水分活度及玻璃化转变温度的关系以及粒径对贮藏条件的影响；通过对不同水分含量的枸杞粉流动性进行定量表征，将状态图与不同状态的枸杞粉在贮藏加工中的宏观表现进行关联分析，以期为枸杞粉的贮藏稳定性提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

枸杞产地：宁夏银川；品种：宁杞五号；枸杞成熟后由顺丰冷链空运系统1 d 内运至北京，试验时选取大小均匀、成熟饱满的枸杞颗粒，去除杂质和叶柄，经质量分数2% Na2CO3溶液浸泡1 min，沥干后置于-40 ℃的冷库中保存备用。

试剂：食用碱，安琪酵母公司，Na2CO3＞99%；氯化锂、氯化镁、硝酸镁、氯化钠以及硝酸钾均为分析纯，购于北京今日经典有限公司；康卫皿、35 mm 一次性塑料培养皿，购于北京广达恒益有限公司。

1.2 仪器与设备

Alphal-4L-plus 真空冷冻干燥机，德国CHRIST 公司；QDPH10-1 压差闪蒸果蔬干燥机，天津勤德新材料科技有限公司；FW100 高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；低温超微粉碎机，北京锟捷玉诚机械设备有限公司；S3500 激光粒度仪，美国Microtrac 公司；DSC-Q200 差示扫描量热仪，美国TA 仪器公司；电子天平（精度0.1 mg），赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；动态水蒸气吸附仪（Dynamic Vapour Sorption， DVS），英国SMS 公司；FT4-多功能粉末流动性测试仪，英国Freeman Technology 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 枸杞粉的制备采用冻干-压差闪蒸联合干燥的方法制备干枸杞。冻干条件设置为：冷阱温度：-55 ℃，真空度0.37 kPa，冻干14 h 至枸杞湿基水分为50%时，将枸杞转移至4 ℃环境中均湿12 h 后进行压差闪蒸联合干燥。根据前期单因素试验得到的工艺参数为：停滞时间15 min，压差闪蒸温度90 ℃，压差闪蒸压力0.1 MPa，抽空温度60℃，抽空时间1.5 h。将干枸杞放入高速万能粉碎机中，每次打粉10 s，中间间隔3 min，以降低粉碎机温度，共打粉3 次，以制成枸杞粗粉。

将枸杞粗粉投入低温超微粉碎机中，操作温度为16 ℃，分别粉碎2，12 以及24 min 制成不同粒径的枸杞微粉。采用S3500 激光粒度仪测定其粒径[13]，粒径值以D50表示。将枸杞粉置于底部装有P2O5的干燥器中静置14 d，得到近似完全干燥的样品。

1.3.2 水分含量的测定称取枸杞2 g 左右放在已烘干至恒重的铝盒内，在105 ℃下干燥至恒重。枸杞干燥前的质量和干燥后的质量差比干燥后质量，即得到干基水分含量（d.b.）[14]。

1.3.3 吸附等温线的确定动态水分吸附（Dynamic Vapor Sorption， DVS）是一种比重法测试技术，测试一种溶剂能被某种样品以多快的速度吸收多少的量，如干燥的粉末如何吸水。其使用干燥氮气和饱和水蒸气的混合气体，由气流控制器精确控制，通过改变样品周围的相对湿度（RH）并测试，因此而改变的样品质量得到试验结果。

称量样品（20～30 mg）置于DVS 仪器中，将样品放置在温度25 ℃、氮气流速200 sccm、相对湿度（RH）0%的环境下干燥至质量恒重。然后环境RH 由10%增量自0%升至90%，设置每一阶段的dm/dt 值（m：样品质量；t：时间）为0.002%/m，每分钟记录一次样品质量。以水分活度为横坐标，以不同水分活度下平衡水分含量为纵坐标，绘制吸附等温线，试验平行3 次，结果取平均值。

1.3.4 吸附等温线的模型拟合采用GAB、BET两种模型拟合枸杞粉的水分吸附等温线[16-17]，GAB如方程1 所示，BET 如方程2 所示：

式中：Xws——平衡干基含水率/g·g-1；Xm——单分子层含水率/g·g-1；aw——水分活度；C 和K 为模型参数。

模型拟合精度通过决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）、卡方检验值（χ2）统计参数来确定。 R2越高，RMSE 和χ2越低，模型拟合度越高。

1.3.5 玻璃化转变温度Tg的测定与模型拟合为了获得相应水分活度的样品，称取1.5 g 不同粒径的枸杞粉置于装有12 mL 饱和盐溶液的康卫皿中，所采用的饱和氯化锂溶液、饱和氯化镁溶液、饱和硝酸镁溶液、饱和氯化钠溶液以及饱和硝酸钾溶液的水分活度分别为0.11，0.33，0.52，0.75 和0.90。将盛有不同样品的康卫皿置于25 ℃的恒温培养箱中24 h[18]，测定其含水率。使用差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC）测定不同含水率枸杞粉的玻璃化转变温度。

采用铟（熔点156.6 ℃，ΔHm=28.44J/g）和蒸馏水（熔点0 ℃，ΔHm=333 J/g）在封闭的坩埚中对仪器进行温度和灵敏度校准。称量样品10～12 mg密封于坩埚内，放入DSC 样品池，以空坩埚作为对照。以高纯氮气为载气（50 mL/min），液氮以10℃/min 的速度冷却样品池，使其从40 ℃降到20℃。采用DSC 双扫描程序测定不同含水率枸杞粉的Tg，DSC 扫描程序为：水分活度0.11～0.52 的样品以20 ℃/min 速度由20 ℃冷却至-70 ℃，保持5 min，平衡后以20 ℃/min 加热至100 ℃；水分活度0.75～0.90 的样品以20 ℃/min 速度由20 ℃冷却至-90 ℃，保持5 min，平衡后以20 ℃/min 加热至100 ℃[17-18]。采用DSC 软件分析热流密度曲线，得到初始点（Tgi）、中点（Tgm）及终点（Tge）的玻璃化转变温度。玻璃化转变温度取其初始点即Tgi。玻璃化转变温度采用Gordon-Taylor 方程进行拟合，如方程（3）所示

式中： Tgi——样品的玻璃化转变温度/℃；Tgs——溶质的玻璃化转变温度/℃；Tgw——水的玻璃化转变温度（-135 ℃）；Xw——干基含水率[19]/%；Xs——溶质湿基含量/%；k——模型参数。

1.3.6 不同水分含量枸杞粉的行为特征测试将不同粒径分布的枸杞粉置于75%湿度下1 h，测定枸杞粉吸湿前后水分含量及总流动能的变化，结合水分活度和玻璃化转变理论，分析粉体的行为特征变化。粉体流动能采用FT4 多功能粉质分析仪测定。测试方法为：将枸杞粉置于玻璃器皿中，采用23.5 mm 螺旋桨以-60 mm/s，螺旋角为5°自动对样品进行预处理1 次，以消除在测试前残存于粉体颗粒间的残余应力和过量空气，使堆积应力在整个样品中均匀分布。当螺旋桨下行穿过粉体，通过测量轴向阻力以及转矩所做的功，来计算不同高度下粉体的能量变化以及粉体流动所需要的能量-能量变化曲线。其中，螺旋角为-5°，叶片直径为23.5 mm，叶片尖端线速度为100 mm/s，样品体积为25 mL。

图1a 为FT4 多功能粉质分析仪原理图，FT4多功能粉质分析仪的动力学原理要求叶片垂直的向下/向上移动、旋转。因此，叶片会同时遇到旋转阻力和垂直阻力。 FT4 以扭矩和力的形式分别测量旋转阻力和垂直阻力，以此来共同表征粉末在流动时的总阻力；b 图是总流动能（TFE）的计算原理图，当叶片穿过粉末时，扭矩和力的值不断变化，需要计算叶片在非常微小的行进距离内移动粉末所需的能量，即能量梯度曲线下的面积表示粉末的总流动能。

图1 FT4 流动能测试原理图（a）和能量梯度曲线（b）Fig.1 Schematic of a FT4 powder rheometer （a）and energy gradient curve （b）

1.4 数据分析

本试验中采用Excel 2007 及SPSS 19.0 软件进行数据分析处理，采用Duncan’s 进行多重比较检验；试验分析图及模型拟合采用Origin9.0 绘制，所有试验均重复3 次。

2 结果与分析

2.1 低温超微粉碎时间对枸杞粉粒径的影响

冻干-压差闪蒸联合干燥枸杞经低温超微粉碎后粒径如图2 所示。由图可知，不同低温超微粉碎时间对枸杞粉的D50值有显著影响。随着低温超微粉碎时间的延长，枸杞粉粒径的D50值从82.63 μm 降低到11.23 μm。低温超微粉碎12 min 时，枸杞粉粒径已降到25 μm 以下，达到超微粉的标准，且粉碎后的枸杞粉分布更加均匀。说明低温超微粉碎技术可以制备出粒径小且分布均匀的枸杞粉。

2.2 不同粒径枸杞粉的吸附等温线及模型拟合

不同粒径枸杞粉的吸附等温线如图3 所示。可以看出，枸杞粉的平衡干基含水率随水分活度的增加而增大，主要是因为存在于食品中水分的蒸气压随着周围环境压力的增加而增大[20]。其水分吸附等温线为典型的“J”型曲线，水分活度在0.1～0.4 的多分子层含水区域，此时干基含水率随着水分活度的增加而线性增长。而在高水分活度（>0.4）毛细管凝聚区域，含水率随着水分活度增加而快速增长[9]，此现象的出现是因为食品中的可溶性物质，例如糖类在水中的溶解性[20]。水果、糖制品等含有大量糖和其它可溶性小分子物质而且多聚物含量不高，并且与糖溶解相关的溶质-溶剂相互作用[8]也是吸附等温线呈“J”型的原因。这与Talens 等[8]、Djendoubi 等[9]、Mrad 等[10]报道的葡萄柚、杏和梨结果一致。

不同粒径枸杞粉水分吸附等温线随着粒径的降低而下移，吸水速度减慢。随着粒径降低到某一临界值时，附着性和聚集作用使微粉间相互粘附、互相团聚，使得枸杞粉与空气的接触面积减小，水分子较难进入[21-22]。另外，在低温超微粉碎机的粉碎力作用下，枸杞粉的蛋白结构和大分子纤维素被破坏，粉体对水的吸附能力降低，因此大颗粒枸杞粉比小颗粒更易吸湿。

表1 为枸杞粉的GAB 和BET 两种模型通过回归分析得到的模型统计参数。由表1 可知，GAB和BET 的决定系数R2均大于0.95，均能较好的拟合枸杞粉的吸附等温线。对比这两个模型，选择R2更大、RMSE 和χ2更小的GAB 模型作为最适拟合模型，这与Mclaughlin[23]报道的土豆吸附等温线拟合结果一致。图4 为LB1 的GAB 模型拟合的吸附等温线，由图也可知，GAB 模型拟合的精度较高。

图2 不同粉碎时间枸杞粉的D50 值Fig.2 The D50 value of Goji powder under different crushing time

图3 枸杞粉的水分吸附等温线Fig.3 Moisture sorption isotherms of Goji powder

2.3 不同粒径枸杞粉玻璃化转变温度的模型拟合

利用Universal Aanlysis 软件分析升温过程中枸杞粉的DSC 曲线，玻璃化转变温度的初始点（Tgi）和终点（Tge）是热流密度曲线的基线变化前后曲线切线与基线的交点所对应的温度。典型的DSC 曲线如图5 所示，热流密度曲线呈典型的二阶转变，即在相变温度下由于热容的变化而产生阶跃变化的非晶材料的玻璃化转变[11]，升温过程中没有出现冰溶解峰，说明对于枸杞粉来说只含有非冻结水。这与前人报道的其它水果蔬菜结果一致[11，17]。

表1 LB1 水分吸附模型拟合的统计参数值Table 1 Model parameters of water sorption isotherms of LB1

图4 GAB 模型拟合的LB1 吸附等温线Fig.4 GAB model fitting water sorption isotherm of LB1

食品的玻璃化转变温度主要取决于水分含量、成分和溶质的分子质量[24]。表2 为枸杞粉在不同条件下的玻璃化转变温度。随着含水率的增加，玻璃化转变温度降低。以LB1 枸杞粉为例，当干基含水率从13.3 g/100 g 增加到53.0 g/100 g 时，玻璃化转变温度从10.82 ℃降低到-59.71 ℃。在相同水分活度（aw=0.11）下，随着枸杞粉粒径的降低，干基含水率从13.3 g/100 g （LB1）降低到13.1 g/100 g（LB4），相应的玻璃化转变温度从10.8 ℃升高到12.7 ℃。水分对无定形基质的塑化作用是Tg降低的主要原因。Kilburn 等[25]认为，水在碳水化合物中的增塑作用是通过氢键的形成和破坏以及基体自由体积变化的复杂机理形成的。水是极性分子，能与碳水化合物中的羟基形成氢键而使分子刚性增大。当水分含量增大，碳水化合物等与水相溶，氢键结合作用降低，使得刚性下降而柔性增加，从而玻璃化转变温度随着水分含量的增加而降低[6]。

图5 LB1 枸杞粉样品的DSC 曲线Fig.5 Typical DSC thermogram for Goji powder （LB1）

采用Gordon-Taylor 方程对LB1、LB2、LB3 以及LB4 的Tgi数据进行非线性拟合，表3 为模型参数。由表可知，Gordon-Taylor 方程拟合的相关系数（R2）均在0.93 以上，粒径越小，模型拟合效果越好（LB4，R2>0.99）；Tgs随着枸杞粉粒径的降低而增大，相反的，k 值则随着粒径降低而略有降低。

2.4 不同粒径枸杞粉状态图

当贮藏环境温度高于玻璃化转变温度时，粉末会从玻璃态转变为橡胶态，此时粉末会出现吸湿、粘结以及结块等现象。状态图是玻璃化转变温度的应用，它定义了物理状态参数以及生物材料的状态转换，能够预测脱水食品和冷冻食品的贮藏稳定性以及确定加工过程中的最适温度和最适含水率[7]。图6 为不同粒径枸杞粉的状态图，用玻璃化转变温度以及吸附等温线共同预测枸杞粉的贮藏稳定性，其中GAB 模型预测不同干基含水率下的水分活度、Gordon-Taylor 模型预测不同干基含水率下的玻璃化转变温度。

表2 不同条件下枸杞粉的玻璃化转变温度Table 2 Glass transition temperature of Goji powder at different conditions

表3 枸杞粉Gordon-Taylor 模型拟合决定系数以及拟合方程Table 3 GT Model R2 and equation of Goji powder

由图可知，LB1 通过GAB 模型拟合其单分子层含水率M0为0.1281 g/g，该水分活度下对应的玻璃化转变温度为6.96 ℃。当LB1 贮藏在高于此温度的环境下，样品的分子迁移速率增加，可与水分子发生位置互换，枸杞粉会处于亚稳定状态，发生结构崩塌，出现结块、粘结等现象。 LB2、LB3 和LB4 的单分子层含水率对应的玻璃化转变温度分别为7.87，9.92 和14.36 ℃。可见随着枸杞粉粒径的降低，单分子层含水率对应的玻璃化转变温度升高，对贮藏环境的要求越来越宽松，即更易贮藏。

临界水分含量（Cwc），即玻璃化转变温度（25℃）下对应样品的干基含水量。由图可知，LB1、LB2、LB3 和LB4 的临界水分含量分别为0.0833，0.0906，0.0992 以及0.1059 g/g。随着枸杞粉粒径的降低，临界水分含量升高。玻璃化转变理论认为：当样品的干基含水量低于临界水分含量时，样品处于玻璃态，较稳定，不易发生结构的改变。在本研究中，样品的临界水分含量要低于单分子层含水率，为保证样品处于稳定的玻璃态，临界水分含量应作为预测样品加工及贮藏过程中最佳含水率的依据。 Talens 等[8]、Mrad 等[10]对葡萄柚和梨的研究也有类似的报道。因此，为抑制微生物的生长以及化学反应的发生，在25 ℃的环境温度下，LB1、LB2、LB3 以及LB4 的干基含水率应分别低于0.0833，0.0906，0.0992 以及0.1059 g/g。

2.5 不同粒径枸杞粉的行为特征测试

采用多功能粉质分析仪对枸杞粉吸湿前后的行为特征变化进行了测定。由图7a 可知，随着枸杞粉粒径的降低，使其发生流动所需要的能量越大。将枸杞粉放在75%的相对湿度中1 h 后，从图7b 可知，使LB1 发生流动的能量对比于吸湿前增加最多，其次为LB2，LB3 和LB4 相差不大。即随着枸杞粉粒径的增大，吸湿越来越严重。这可能是因为粒径大的粉体密度较小，粉体颗粒之间的空隙较大，在高湿度下，水分子更易向粉体颗粒床内部迁移，枸杞粉颗粒与颗粒之间更易发生粘结，从而使流动能量显著增加。

从图8 可知，吸湿前4 种粉体的总流动能（TFE）值有显著性差别，趋势和能量变化曲线相同，随着粒径的降低，TFE 值从82.11 mJ 增大到118.27 mJ，说明粉体从静止状态过渡到流动状态所需要的能量增大，粉体越不易发生流动。 Fitzpatrick 等[12]认为随着粉体粒径的降低，其比表面积增大，颗粒间的黏性增大从而阻碍流动。

图6 枸杞粉的状态图Fig.6 State diagrams of Goji powder

图7 吸湿前后枸杞粉能量变化图Fig.7 The energy change of Goji powder before and after caking

吸湿前后，枸杞粉对应的水分含量如表4 所示。由表可知，吸湿前4 种枸杞粉的水分含量均低于其对应的单分子层含水率，此时枸杞粉处于相对稳定的状态。吸湿后，LB1 粉体水分含量增加得最多（16.8 g/100 g），对应玻璃化转变温度下降最快，发生玻璃化转变的现象最严重。粉体此时处于橡胶态，体系反应加快，自由体积和比热增大，黏度降低，这些因素控制着各种与时间相关的结构转换，例如在贮藏和加工过程中，食品的结块及结构坍塌，因此使LB1 枸杞粉发生流动所需能量显著增加。随着粒径的降低，吸湿现象相对减缓但宏观表现均为4 种粉体的TFE 值显著增加，粉体出现粘结现象，使其发生流动所需要的能量远高于吸湿前。LB1、LB2、LB3 和LB4 的TFE 值分别增加了4.26 倍、2.38 倍、1.21 倍和1.10 倍。