食品保存中的玻璃化转变

1、食品和食品材料的玻璃化转变在各种含水量食品中，玻璃态、玻璃化转变温度、以及玻璃化转变温度与贮藏温度的差值，同食品加工和贮存稳定性密切相关。水是一种增塑剂，对玻璃化转变温度影响很大，食品含水量越高，玻璃化转变温度越低，玻璃化的实现也越困难。一晶态和非晶态 当温度降低时，液态转变成固态。固态有两种不同的状态晶态和非晶态。晶态和非晶态在宏观上都呈现固态特征，具有确定的体积和形状。但在微观结构上存在差别。两者的本质不同在于微观粒子分子、原子或离子的排列不同。凡是物质中的微观粒子（分子、原子或离子）呈有序排列为晶态。如果物质中的微观粒子呈不规则排列，只具有“近程有序”、不具有晶态的“远程有序”的结构特征

2、。它是一种非晶态的无定形结构（non-crystalline or amorphous）。融化物质在冷却过程中不发生结晶的无机物质称为玻璃（glass），后来扩大为将其它非晶态均称为玻璃态（glassy），玻璃态也可看作是一种过冷的液体。X-ray衍射结果表明，玻璃态物质与液态曲线很相似，二者同属“近程有序，远程无序”的结构。只不过玻璃态比液态“近程有序”程度更高而已。二玻璃化过程和结晶过程1 .结晶过程结晶过程是在某一确定温度Tm（称为凝固温度或熔融温度）下进行的，结晶过程中放出相变热，相变前后体积V，熵S都发生非连续变化，体积V(T)在结晶时突然收缩。一般冷却速率比较低的时候产生结晶。所以

3、结晶相变又称为一级相变。2 .玻璃化过程当熔化物质在冷却时经过凝固点并不发生相变（即不产生结晶），液态一直可以保持到很低的温度Tg，到达Tg，液态转变为玻璃态。在玻璃化过程中，物质不放出热。此时体积V(T)变化的斜率变小，这意味着体积不会发生突然收缩，而是产生连续变化。如果冷却速率非常高，冷却过程中不会产生结晶而是形成玻璃态。因此液态冷却时形成晶态还是玻璃态，主要取决于动力学因素，即冷却速率大小，当冷却速率足够快，温度足够低，几乎所有材料都能从液态过冷转变为玻璃态。当冷却速率大于结晶的成核速率和晶体长大速率，那么液态过冷固化成玻璃态。因此玻璃化转变温度Tg不是取决于热力学因素，而是取决于动力学

4、因素。从两个方面可以证实：1. 非晶态固体（玻璃态）的形成取决于冷却速率。2. 玻璃化转变温度高低随冷却速率的变化而变化，冷却速率越高，其玻璃化转变温度越高，反之则较低。所以液体在冷却过程中，最终固化形成晶态还是玻璃态，是两种速率过程即结晶的成核速率和晶体的长大速率同冷却速率（温度下降速率）相互竞争的结果。当发生玻璃化转变时，热容Cp和体积V随温度变化的曲线的斜率发生变化，三种典型的高聚物的Tg与TM如图3、4和5所示。3.玻璃态粘度玻璃态可以看作为凝固了的过冷液体，它的粘度很大，h>10121014Pa·s。从图7中看到，横坐标是相对温度,即融化温度与实际温度之比Tm/T，纵

5、坐标是logh。一般将h>1014 Pa·s作为玻璃态的一个判断标志。而对应h=1014Pa·s的温度称为玻璃化转变温度Tg（glass transition temperature）,简称为玻化温度。当TTg时，称为玻璃态区。由于玻璃态区粘度极大，因此分子运动速率非常低（几乎为0），分子不可能进行有规则排列形成晶体。三最大冷冻浓缩溶液的玻璃化转变温度1玻璃化转变温度定义当食品中水分含量20%时，其玻璃化转变温度0，一般用Tg表示。当食品中水分含量20%时，由于冷却速率（降温速率）不可能达到很高，因此不能实现完全玻璃化。此时玻璃化转变温度指最大冷冻浓缩溶液发生玻璃化转

6、变时的温度，定义为Tg。由于玻璃态固体的形成主要取决于动力学因素，即冷却速率的大小。因此只要冷却速率足够快，且达到足够低的温度。几乎所有材料都能从液体过冷到玻璃态的固体。“足够低”是指在冷却过程中，迅速通过Tg<T<Tm这个区域而不发生结晶，这种玻璃化为完全的玻璃化。完全玻璃态是指整个样品都形成了玻璃态，这是食品材料和食品低温玻璃态保存的最理想的状态。因为此时细胞内外完全避免了结晶。但在不同的冷却条件下（即不同的冷却速率）、不同的初始浓度下，可达到两种不同的玻璃态，一种是完全的玻璃态，一种是部分结晶的玻璃态。溶液浓度对玻璃化转变温度的影响较大，如图8所示：溶液浓度为0时（即纯水），

7、Tg= -135，随溶液浓度增大，Tg也随之提高。当初始浓度为F的溶液（F点），从室温开始冷却时，随温度的下降，溶液过冷达到P点后开始析出冰晶，由于结晶放热，使溶液局部温度升高，由于冰晶不断析出，剩下溶液的浓度不断提高，因此冰点不断下降，这样，溶液就沿着平衡的熔融曲线（凝固曲线）不断析出冰晶，而冰晶周围剩余的未冻结溶液的浓度随温度下降而不断升高。当温度一直下降到熔融线与玻璃化转变曲线的交点时，溶液中剩余的水分将不再结晶（称不可结冰的水），此时的溶液达到最大冷冻浓缩状态（maxmally frozen-concentrated state）。这种状态下，溶液浓度较高，它们以非晶态基质（matri

8、x）的形式包围在冰晶周围，不需要很大的冷却速率即可使最大冻结浓缩溶液实现玻璃化，最终形成镶嵌着冰晶的玻璃态，这是一种具有部分冰晶的玻璃态，这个过程称为部分玻璃化过程。Tg称为最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度，也可称为部分玻璃化转变温度，相应的溶液浓度为Cg， Tg和Cg这两个参数在食品研究中被广泛地应用，成为当今人们研究的热点。因此玻璃化转变主要取决于冷却速率和溶液浓度，最终可得到两种不同的玻璃化结果，一种是形成部分结晶的玻璃态，另一种是形成完全的玻璃态。实现完全玻璃化转变有两条途径，一是采用快速冷却方法，另一是在低浓度下实现玻璃化。在高聚物科学中，一般小于玻璃化转变温度时所处的状态称为玻璃态

9、，大于玻璃化转变温度时所处的状态称为橡胶态，如图9所示：2玻璃态与橡胶态的区别从客观上讲，玻璃态与橡胶态存在显著的差别：a玻璃态的粘度1012 Pa·s橡胶态的粘度：103 Pa·s粘度的差别在于聚合物链运动的差别引起。b玻璃态的自由体积很小，而橡胶态的自由体积较大。所谓自由体积是指分子已占体积外的体积。由于橡胶态的自由体积大大增加，使较大的分子也能发生移动，分子扩散速率随之增大，反应速率非常快。而在玻璃态中，受扩散控制的反应速率十分缓慢，几乎为0。3WLF方程和Arrhenuis方程玻璃态和橡胶态的反应速率可用定量的形式描述，即采用WLF方程和Arrhenuis方程进行定

10、量描述。Arrhenuis方程：h=h0exp(-Ea/RT)h：粘度h0：温度为T0时的h值Ea：活化能R：理想气体常数T：绝对温度适用于玻璃态及Tg+100温度范围内。WLF方程：lg（h/rT）/(hg/rgTg)= -C1(T-Tg)/C2+(T-Tg)r：密度rg，hg：分别为Tg时的密度和粘度C1，C2：物质常数C1=17.44 C2=51.6适用于橡胶态。在玻璃态下冰晶的生长速率为1mm/103年，在橡胶态，冰晶的生长速率为1mm/3.6天。因此当溶液处于比玻璃化转变温度高21的橡胶态时，反应速率为玻璃态的105倍，因此在橡胶态冰晶生长的速率是很大的，极易造成食品质量的下降。图1

11、0说明了WLF方程和Arrhenuis方程所描述反应速度差异。如果将食品保存在玻璃态下，避免了结晶产生，使得食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态。例如细胞的低温保存，可使细胞存活率提高。随温度下降，细胞外不断析出冰晶，细胞外溶液浓度增大，细胞内的水分不断渗透到细胞外并继续析出冰晶，这样致使细胞外剩余溶液及细胞内溶液浓度不断提高。直至达到Tg，避免产生冰晶，到达玻璃态后，细胞外冰晶不足以挤伤细胞，而玻璃态又抑制了扩散速率，使细胞存活率大大提高。四玻璃化转变温度的测定方法由于在玻璃化转变过程中会发生热、力、电性质的变化，因此测定玻璃化转变的方法很多，如DSC（Differential Scannin

12、g Calorimetry）曲线反映玻璃化转变过程中热容（Cp）变化，DMA（Dynamic Mechanical Analysis）反映样品在玻璃化转变过程中的流变性质变化，TDEA(Thermal Dielectrical Analysis)反映了样品在玻璃化转变过程中介电性质的变化。1DSC方法DSC是最为常用的测定玻璃化转变温度的方法。但DSC测量时存在缺陷，由于玻璃化转变时吸热强度低，因而DSC曲线上发生玻璃化转变的台阶小。判断玻璃化转变的一个标准是看Cp是否发生突变，例如图11中，在A种情况下，DSC曲线回到了基线。这说明不是玻璃化转变，在B种情况下，DSC曲线不再与基线相交，这是

13、发生了玻璃化转变的一个特征。2Tg的确定方法玻璃化转变一般是在一个温度区域，而不是一确定的温度。所以玻璃化转变温度Tg的确定，目前尚无统一的方法，不同的研究者具有不同的观点。1995年，Roos总结了三种根据DSC加热曲线判定玻璃化转变温度的方法。如图12所示，整个玻璃化过程发生在-46-35范围内。第一种方法是取始点温度为玻璃化转变温度Tg0，第二种方法是取中点温度Tgm为玻璃化转变温度，第三种方法是取终点温度Tgc为玻璃化转变温度，实际上习惯取Tg0或Tgm。3退火处理对Tg的影响DSC加热曲线的玻璃化转变的台阶一般不太明显，主要原因有两个，一是与被测物质本身性质有关，有的物质玻璃化转变较

14、明显，有的物质玻璃化转变不明显或根本测不到。二是没有经过退火处理。退火处理将对DSC曲线有很大的影响，例如，25%浓度的蔗糖溶液，经退火处理与未经退火处理的DSC加热曲线有一定的差异。1. 以5/min降温至-80，然后以 5/min升温至25，2. 以5/min降温至-80。经退火处理：以5/min升温至-25，以5/min降温至-50，在此温度下恒温60min，以5/min升温至25。两种情况DSC曲线如下：从图13和14可以看出，玻璃化转变的台阶不同，未退火的台阶较低，经退火的台阶较大。而且两条曲线上Tg值分别为-36.4和-34.8，有一定差异。不论是液体，还是固体，体积包括两个部分，

15、一部分是分子已占体积，另一部分为“自由”体积（未被占据的体积），它由空穴造成，或是由分子的无序排列引起分子堆砌缺陷造成的，这部分自由体积可提供分子活动的空间，以使分子从一种构象转变到另一种构象。自由体积是可供高聚物链段运动所需的体积，玻璃化转变温度是这样一个温度，当其温度降低时，自由体积收缩，当自由体积收缩到没有足够的空间供分子链段运动时的临界温度，即为玻璃化转变温度。在玻璃化转变温度下，分子链段运动基本冻结，当升温到达Tg后，分子链段才开始运动，热容变大，因而基线向吸热一侧偏移。在玻璃化转变时，自由体积虽较冻结，但冻结程度受转变过程中冷却条件的影响，如在玻璃化转变温度附近处理较长时间，体积收

16、缩完全，组织致密，当再度升温时，自由体积增大，热容产生变化，处理时间越长，则自由体积越小，组织越致密，热容变化也越大，因此玻璃化转变的台阶越明显。由于玻璃化转变主要是基线的偏移。要求仪器的稳定性好，基线平直，并有较高的灵敏度。如果转变不明显，样品进行退火处理可以强化转变前后自由体积的差别。经过退火处理的溶液已达到最大冻结浓缩状态，即A点，其玻璃化转变温度为Tg，而未经退火处理的溶液中尚有部分水没有来得及结晶，可能处于图中某一点B，B点虽然没有达到最大冻结浓缩状态，但该溶液浓度（w/w%）也较高，也能实现玻璃化转变。其玻化温度是TgB< Tg（图15）。五、 玻璃态保存1995年Reid采用DSC测量了近二十种水果、蔬菜及鱼类的Tg，果蔬中含水量高达90%左右，如草莓汁液的Tg为-42.5（图16）。低温保存分为冷藏（Chilling storage）和冻藏（Frozen storage），在冷藏条件下草莓的质量下降很快，例如草莓贮藏在0-5，湿度9095%，则其贮藏期为57天。如果草莓在-18或更低温度下冻藏，贮藏期达12个月。如果将草莓在玻璃态下保存，那么草莓质量有更大程度的提