DVS吸湿等温线对食品稳定性有何启示？

等温线可预测产品随时间的变化

食品制造商需要了解产品在发霉、变软、变质、变酸、结块、结疙瘩、结晶以及不再被消费者接受之前，还能保存多长时间。吸湿等温线是预测和延长产品保质期的有力工具。它能帮助您：

• 找出导致结块、结团和质地变差等变化的临界水分活度值
• 预测产品对成分和配方调整的反应
• 准确估算保质期
• 创建混合模型
• 执行包装计算
• 找出单分子层浓度（即产品最稳定的浓度）

等温线：配方研发的圣杯

水分吸附等温线是一幅图表，显示了在恒定温度下，随着水分被产品吸附和脱附，水分活度（_aw）如何变化。这种关系非常复杂，且每种产品都有其独特性。 水分活度几乎 总是随着水分含量的增加而升高，但这种关系并非线性。事实上，大多数食品的吸湿等温线呈S形（ sigmoidal），而含有结晶物质或高脂肪含量的食品则呈J形。

手工制作的方法不切实际

绘制等温线的经典方法是将样品置于装有水活度已知的盐溶液的干燥器中，直至样品重量不再变化。随后称量样品以测定其含水量。每个样品在等温线曲线上对应一个数据点。

由于该过程耗时较长，传统上通常使用五到六个数据点，结合GAB或BET等曲线拟合方程来构建曲线。

一种更快捷的等温线绘制方法

手动绘制吸湿等温线是一项费时费力的工作。 该方法亟需实现自动化。最初采用的方法——至今仍被大多数蒸汽吸附仪所采用——被称为DVS，即动态蒸汽吸附法。在该方法中，样品暴露于湿度受控的气流中，同时微天平会测量样品在吸附或脱附水分时产生的微小重量变化。一旦达到平衡，仪器便会动态地切换到下一个预设的湿度水平。测试时间从两天到数周不等。

DVS法在研究吸附动力学方面效果显著——即产品在接触特定湿度时会发生什么变化，以及其吸附或脱附水分的速度如何。然而，DVS法在绘制高分辨率等温线时并不十分有效，因为每个平衡步骤在等温线上仅产生一个数据点。

DDI等温线揭示了前所未见的景象

动态露点等温线（DDI）法正是为解决这一问题而设计的。该方法通过在样品暴露于加湿或干燥空气时，每5秒对水分活度和含水量进行一次采样，从而生成高分辨率等温线，清晰呈现吸附和脱附曲线的细节。 DDI图包含数百个数据点，并揭示了此前无法观察到的细节，例如发生 结块、结团、潮解以及质地丧失 的关键点。

查找临界水分活度值

尽管采用了双层包装并制定了严格的储存温度指南，一家喷雾干燥奶粉生产商仍面临结块问题。

当玻璃化转变成为问题时

在喷雾干燥过程中，牛奶中的糖分因快速蒸发而处于玻璃态。玻璃态乳糖与结晶态乳糖的性质截然不同。由于粒子移动性低，粉末处于玻璃态时，粒子不会结块或聚集成团。结晶结构属于低能态，因此总会有部分分子处于从玻璃态向结晶态的过渡过程中。当这种过渡速率达到临界点时，问题便会出现。

水活度可预测转变速率

_{当水活度（aw）}为0.30时，所有乳糖可能需要数年时间才能结晶；_{当水活度为}0.40时，可能只需一个月；_{而当水活度}超过0.43时，这一转变将在数小时内发生。一旦乳糖结晶，奶粉的性质就会发生永久性改变。其吸水能力会发生剧烈变化，无法溶解，且口感也会变差。本质上，它已经变质了。

DDI等温线可预测玻璃化转变点

对于喷雾干燥奶粉等粉末，可通过高分辨率DDI等温线测定其玻璃化转变点。传统的等温线依赖于模型来填补测量点之间的间隙。DDI等温线可测量数百个数据点，并能识别诸如喷雾干燥奶粉的玻璃化转变点等相变现象。

等温线二阶导数曲线的峰值表明，临界相变值为0.43_aw。

通过在生产线上进行常规、准确的检测并采用更优的控制值，该制造商成功提高了出货合格率。

创建混合模型

某蛋糕制造商正在研制一款夹心蛋糕的配方。该配方的组成包括糖霜（含水量约7%）、奶油馅（12%）和蛋糕体（15%）。此前，在保质期内发生的水分迁移曾导致质地问题，例如蛋糕变干、糖霜变硬，以及液化的奶油馅渗入蛋糕体。

了解水分在组件之间如何流动

各配料的吸湿等温线显示，糖霜（最干燥的配料）的水活度最高，为0.79。奶油和蛋糕的水活度相近，分别为0.66和0.61。

预测最终产品的水分活度

将等温线转换为chi图后，预测最终产品的水分活度为0.67，这对蛋糕而言是一个微生物安全的数值 。

避免意外情况

随后，蛋糕师成功地在平衡水分活度（0.67）下烘焙并品尝了这款蛋糕。

选择包装

单份装粉末饮料混合剂是一个正在增长的市场细分领域。包装成本占该产品原材料成本的50%以上。包装的主要目的是在产品的目标保质期内，将饮料混合剂的_{相对湿度（aw）}维持在临界值以下。

包装计算始于一个关键水分活度值。能够从动态露点等温线（DDI）中精确确定该点，使得此类包装计算成为可能。

该曲线显示了某款饮料配方玻璃化转变点的分布：

该饮料粉的关键水分活度——即确切的转折点——在25°C时为0.618。

计算包线电导率

我们利用简化的包装计算方法（可在《等温线基础》中查阅，也可作为软件工具使用），对这款饮料粉的四种不同包装进行了评估——包括其原包装和三种可能的替代方案。在高湿度条件下（25°C，75%湿度），结果如下：

了解配方变更

某宠物食品公司调整了配方，推出了一款通过水分活度控制的无防腐剂产品。产品上市不久后，便因变质问题开始出现退货。

初步评估表明，变质预测是基于在异常低的温度（15℃）下进行的水分活度测试得出的。在15℃、25℃和40℃下测得的等温线显示，如果在不当条件下储存（宠物食品往往如此），则极有可能发生变质。

等温线提供了完整的预测图景，使客户能够通过新的配方来解决问题。

调查产品故障

在连续13个种植季未出现任何问题后，一位山核桃种植户的作物因霉变问题被拒收。为此，研究人员绘制了一张等温线图以调查该问题。

为了防止微生物滋生，山核桃必须干燥至0.60_aw。如等温线所示，0.60_{aw对应的山核桃}含水率为4.8%。此外，山核桃的等温线在此关键控制区域内相当平缓，因此含水率的微小变化会导致水活度的显著且潜在危险的变化。

等温线显示设定值过低

完整的等温线表明，该山核桃种植者的加工流程不足以保证其农产品的安全与质量。该种植者通过干燥减量法测定水分含量。由于其出厂标准为5%，且测量精度为±0.5%，因此干燥后农产品的实际水分含量可能在4.5%至5.5%之间。

无论是高湿度环境下的储存，还是包装不当，都可能导致山核桃吸收过多的水分，从而变质。

了解保质期的更多信息

在这场30分钟的网络研讨会上，食品科学家玛丽·加洛韦和扎卡里·卡特赖特将探讨如何解答您关于保质期的疑问。您将学习如何：

-排查问题和投诉，以查明保质期为何比预期更短

-预测配方变更对保质期的影响

-比较不同配料选项的效果

-评估特定的包装方案是否有助于延长或改善产品的保质期

采用动态露点等温线（DDI）的研究

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