动态露点等温线（DDI）法与其他等温线方法的比较

AQUALAB VSA采用的动态露点等温线（DDI）法是一种获取等温线的独特方法。与其他等温线方法一样，它提供了关于水分活度 与水分含量之间关系的信息。然而，正是 DDI 方法的独特性以及它所提供的信息，使其备受关注。

干燥釜法和DVS等温线法

传统的等温法依赖于样品与已知水分活度 值达到平衡，然后测量样品的平衡含水率。最简便的方法是将样品置于密封腔室中，该腔室上方放置含有过量盐分的过饱和盐浆。 通过使用不同的盐类，可以实现不同的水分活度 水平。通过调节湿空气与干空气的混合比例，同时使用传感器监测水分活度 ，也可以控制水分活度 。通过改变干空气与湿空气的比例，可以实现不同的水分活度 水平。某些仪器经过编程，能够以动态分步方式自动改变水分活度 ，这通常被称为动态蒸汽吸附法（DVS）。样品在每个水分活度 水平下保持，直到重量趋于稳定，然后才移至下一个水分活度 。

所有这些等温法的一个共同点在于，它们都依赖于达到已知的水分活度 水平，以此来确定每个数据点的水分活度 。样品与蒸汽源之间要达到真正的平衡，需要无限长的时间。实际上，当重量变化控制在可接受范围内时，就认为达到了平衡。虽然增加可接受的重量变化范围可以加快平衡过程，但水分活度 的值也会变得更加不确定。

DDI法

DDI法在通过称重法监测样品重量（水分活度 ）的同时，直接测量吸附量（ ），因此无需依赖平衡过程即可预设吸附量（水分活度 ）。这与其他所有等温线测定法截然不同。当饱和湿空气流经样品时，发生吸附；当干燥空气流经样品时，则发生脱附。当吸附量（水分活度 ）变化约0.015后，停止气流，并通过直接测量吸附量（水分活度 ）和重量，对吸附过程进行瞬时记录。

该方法之所以具有动态性，是因为在测试过程中，水活度（水分活度 ）处于持续变化之中。由于采用公认的冷镜露点法（chilled mirror dewpoint method）直接测量水活度（水分活度 ），因此样品无需达到已知的平衡水活度。DDI方法的优势在于分析速度更快——因为样品无需等待达到已知的平衡水活度（水分活度 ）——且具有无与伦比的分辨率。 此外，进行等温线测定仅需水和干燥剂。目前，AquaSorp 等温线发生器是唯一采用 DDI 方法的仪器。

方法比较

DDI 方法的动态特性在尝试将 DDI 测得的等温线与其他方法（尤其是平衡时间可能长达数周至数月的干燥器法）测得的等温线进行比较时，可能会带来一些问题。对于大多数样品类型，尤其是蒸汽扩散较快的样品，水蒸气能迅速渗透到整个样品中，因此此类产品的 DDI 等温线与其他方法测得的结果具有可比性。 图1表明，DDI法对微晶纤维素（MCC）测得的结果与COST-90项目（Wolf等人，1985）的结果相当。此外，图2表明，DDI法对玉米淀粉测得的工作等温线，既与传统的干燥器法，也与DVS等温线法相当。

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图1. 25°C下MCC的吸附等温线曲线对比：COST-90项目测得的数据（▲）与DDI方法生成的数据（■）

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图2. 25°C下使用含饱和盐的干燥器（■）、近邻平衡池（●）、DVS仪器1（♦）、DVS仪器2（▲）和DDI（X）测得的玉米淀粉工作等温线（DDI数据来自AQUALAB内部测试，其他所有方法的数据均取自Xin Yu，2007）

然而，对于扩散速率较低的样品，水分在样品中的迁移速度较慢，水分完全扩散进出样品的过程可能足够缓慢，以至于在水分活度 分析过程中，头空间看似达到了蒸汽平衡。实际上，水分尚未有时间被样品完全吸收。 对于此类样品，采用DDI法测得的等温线在吸附阶段的含水量可能低于其他方法测得的等温线，而在脱附阶段的含水量则可能高于其他方法测得的等温线，从而导致表观滞后现象更为显著。在使用DDI法时，可通过减小样品体积并降低湿空气或干空气的流速，使更多水分渗透到扩散缓慢的样品中，从而使测得的等温线与其他等温线更好地吻合。

是否应该对这些方法进行比较？

当DDI法测得的结果与传统方法不一致时，有些人可能会感到担忧，并认为DDI法测得的含水率并非真正的平衡含水率。然而，由于所有等温线测定法都可能产生不同的基质状态，其中任何一种都可能并非真正的平衡状态，因此很难确定哪种方法最为准确。 需要明确的是，虽然DDI法、DVS法和干燥器法都能绘制吸附等温线，但DDI法在原理上截然不同，因此将DDI法视为一种独特且独立的分析方法或许更为恰当。

此外，虽然如图1和图2所示，对于许多样品而言，这两种方法得出的结果一致，但正是当结果不一致时，才最能引发人们的兴趣。对于某些材料，在经过数周的平衡时间后，其在给定水分活度 下的含水量与快速暴露于高湿度或低湿度环境后的含水量会大不相同。 当产品在数周内于不同的水分活度 水平下达到平衡时，可能会发生随时间变化的物理变化，而使用DDI方法时则可能不会出现这些变化。这两种方法之所以产生不同的结果，是因为它们在本质上存在差异。

对于此类材料，将这些方法进行比较并不恰当，因为它们提供的信息各不相同。这并不意味着DDI方法是错误的，而其他方法是正确的。事实上，由于样品很少会经历分阶段的湿度变化，而是处于动态变化过程中，因此DDI方法的动态特性或许能让我们更深入地了解此类产品在实际条件下的吸附特性。

DDI方法的价值

DDI方法的动态特性还使得能够在短短1至2天内生成前所未有的高分辨率数据，而这在其他等温线方法中实际上是无法实现的（将耗费不切实际的时间）。这种分辨率消除了对外推或插值的需求，并能详细展现吸附过程。

图3展示了采用干燥器法和DDI法生产的喷雾干燥奶粉的等温线。由于干燥器法在较长的平衡时间内发生了随时间变化的现象，因此两种方法测得的水分含量存在差异。此外，受时间和人力限制，干燥器法生成的数据点数量有限，需要使用GAB方程进行插值才能完成曲线绘制。 DDI法的高分辨率可生成完整的等温线曲线，无需通过模型进行插值。事实上，若使用平滑曲线模型来描述该等温线，将忽略分析中最关键的结果。DDI数据表明，在0.42 aw、0.559 aw和0.724 aw处，吸附速率发生剧烈变化，这表明基质正在发生重要变化。

图3. 采用传统干燥器法（■）和DDI法（▲）测定的喷雾干燥奶粉在25°C下的吸附等温线比较。图中还显示了根据传统干燥器法数据拟合的GAB方程曲线（DDI数据来自AQUALAB内部测试，干燥器法数据改编自Warburton和Pixton，1978）。

如果图3中仅提供干燥釜法测得的数据以及拟合GAB模型的数据，将无法识别任何相变。这解释了为何此前许多人认为等温线数据无法用于识别玻璃化转变等基质相变点。然而，通过DDI法获得的数据中，基质相变是可以识别的。

结论

DDI法是一种获取等温线的独特方法，能够提供以往无法从吸附等温线中获得的宝贵信息。对于许多产品而言，DDI法生成的等温线与其他等温线测定方法的结果相当。然而，对于其他类型的产品，尤其是那些会发生随时间变化的基质变化的产品，DDI法得出的结果可能与其他方法不同，因为它提供的吸附信息有所不同。 最后，DDI方法的高分辨率使其能够观测到此前无法观测到的吸附事件。

参考文献列表

1. 沃伯顿（Warburton），S.，及 S.W. 皮克斯顿（Pixton）。1978。《喷雾干燥脱脂乳的水分关系》。《储藏产品研究杂志》14:143-158。

2. Wolf, W., W.E.L. Spiess 和 G. Jung. 1985. 《等温线测量的标准化》（COST 90 和 90 BIS 项目）。第 661-679 页。 收录于 D. Simatos 与 J.L. Multon（编）《食品中水的性质及其与质量和稳定性的关系》。马丁努斯·尼霍夫出版社，波士顿。

3. 辛宇。2007。《利用饱和盐溶液和湿度生成技术研究食品材料的吸湿性能》。博士学位论文，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校。

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