粉末稳定性检测：物理、化学及微生物

然而，大多数粉末可根据分子结构分为三类：非晶态、晶态或两者的混合。晶态与非晶态的比例及其相互作用将影响粉末的几乎所有特性。

此外，粒径对粉末特性（及其常见问题）有着显著影响。只要粉末颗粒相互接触，就会开始发生桥接——这是结块和团聚的第一步。 粒径越小，桥接现象发生的概率就越高，这会导致粉体粘连，进而形成团聚，并引发进一步的问题。结晶性粉末尤其棘手，因为（在某种程度上）其有序结构仅允许水分附着在结构外部。

研究表明，将两种粒径不同的结晶粉末混合，会导致混合物在比任一种单独粉末更低的水分活度下发生潮解（即从固态转变为液态）。

非晶态粉末通常具有缝隙和不规则形状，这使得水更容易与颗粒结合。

水分含量、水分活度与粉末等温线

与水分相关的关键指标有两个：水分含量和水分活度。若想控制粉末的物理、化学或微生物稳定性问题，了解这两项指标至关重要。

食品或制药行业的大多数人都熟悉水分含量。但对某些人来说，水分活度可能是一个新概念。水分含量衡量的是水的含量，而水分活度衡量的是水的活性——即水能够发挥什么作用。这两个参数的测量方法截然不同。

水分含量以占总质量的百分比表示——简而言之，即根据重量计算，样品中水分所占的比例。

尽管测定水分含量是一种常见的方法，但其精度并不高。这可能会导致难以发现和解决问题。仅靠水分含量无法全面反映情况，在粉末中尤其如此。

要检测水分活度，通常会使用仪器测量蒸气压。将水分活度理解为样品释放出的平衡湿度，这样理解会更有帮助。

水活度常被误解为“水可用性”。这种说法并不完全准确。水活度是一种热力学原理——它代表水的能量。这一点很重要，因为这种能量可用于化学反应、质地变化及其他反应。

将水分活度与含水率的关系绘制成图时，所得结果称为等温线。若能善加利用，等温线可提供大量有价值的信息。其作用包括：

• 揭示质地和结构开始发生变化的水分活度水平（DDI等温线）
• 显示产品开始更快吸收更多水分的临界点
• 确定分子结构（非晶态或晶态）
• 确定特定变化或反应所需的时间，或其发生的速度（DVS等温线）

物理稳定性的关键因素

要了解粉末的物理稳定性，需要考虑三个主要因素：水分、温度和时间。

湿度

水分对物理稳定性有重大影响。水既可以是溶剂，也可以是反应物——它甚至能缓冲化学反应。一般而言，水分越多，反应速度越快，但等温线能提供具体情况下的详细信息。

温度

温度的影响与水的作用类似：温度升高时，变化速度会加快（见上图）。提高温度意味着向系统中输入能量，从而使物质在较低的水活度条件下也能发生更多的物理变化。

时间

只要时间足够长，任何过程都会最终完成。有些过程可能进行得极其缓慢，以至于难以察觉——例如老式玻璃窗上的玻璃板发生变形——但它们确实仍在发生，即使温度和湿度等因素得到了控制。

物理稳定性案例研究：调味料混合物中的结块与结团现象

我们知道，水分活度水平决定了物质间水分的迁移。但水分究竟会迁移多少？可以使用哪些方程和模型来预测这种迁移？预测的准确度又如何？

METER食品研发实验室针对六种不同的香料混合物开展了以下研究，以解答上述问题。

流程概述：

1. 为每种原料分别生成等温线
2. 按已知的质量比混合原料（见下表）
3. 利用等温线、数学方程和系数预测每种混合物的最终水分活度
4. 在达到平衡后，测量了每种香料混合物的水分活度
5. 将预测值与测量值进行了比较

研究结果：

• 玉米淀粉和洋葱盐的预测值与最终测得的水活度极为接近。
  • 这两种成分的颗粒尺寸都很细，这通常意味着颗粒间的接触面积更大，达到平衡的速度也更快。
• 对其他香料混合物的预测同样非常准确。
• 在本次测试中，准确度最低的预测来自鼠尾草、孜然和牛至的混合物。不过，其预测值仍与最终测得的水分活度值极为接近，仅低了0.05。

本案例研究中描述的方法对任何食品科学家都有帮助，特别是那些面临快速开发新产品压力的研究人员。这些模型、工具和方程能够帮助预判干配料混合物在混合前的最终特性。

建立等温线库初期可能需要花费一些时间。但一旦建立完成，配方师便可以自由地尝试调整配方、预测最终保质期和平衡水分活度，并直接在办公桌前做出包装决策——无需进行实物研究。

化学稳定性的关键因素

制造商需要了解水分活度如何影响化学反应速率——以及哪些反应会导致产品保质期缩短。如果不充分了解化学稳定性，就很容易对产品做出超出其实际功效的承诺。

追踪化学反应速率可能比较复杂，但并非不可行。通常由制造商来决定产品何时达到保质期上限。要精确定位这一时刻，需要借助上述案例研究中提到的部分保质期预测信息。

化学稳定性案例研究：维生素C的降解

营养补充剂制造商如何确定理想的储存条件？某种特定成分的降解速度是多少？产品何时会不再符合标签上的宣称？

下文所述的研究由METER食品研发实验室完成，有助于解答这些问题。该研究以维生素C（抗坏血酸）为对象，但其原理和技术同样适用于任何可能随时间推移而降解或发生反应的物质。

在研究过程中，将抗坏血酸置于两种不同的水分活度条件下及三种不同的温度下。通过紫外-可见光谱法监测其降解情况，并计算出降解速率。该研究旨在探究温度和水分活度对降解速率的影响。

首先，研究团队确定了目标温度（30℃、40℃和50℃）及水分活度水平（0.76 aw和0.948 aw）。随后，他们界定了保质期的结束标准——即维生素C残留量降至初始量的75%时。 他们将必要信息输入“水分分析工具包”，并进行了一项加速保质期研究，结果如下：

微生物稳定性的关键因素

水活度是抑制微生物生长的绝佳方法。当水活度低于0.6时，任何微生物都无法生长。

这一事实让许多制造商产生了虚假的安全感——他们认为，只要产品的水活度较低，就无需担心微生物污染。这种危险的认知已导致花生酱、面粉和婴儿配方奶粉等食品多次召回及疫情爆发。

水分活度可以抑制微生物生长，但并非杀菌步骤。在低水分活度条件下，微生物可以处于休眠状态。如果它们暴露在水分活度较高的环境中——例如将面粉拌入曲奇面团中——它们就会开始繁殖并变得危险。

水活度较低的产品可能安全，但并不一定无菌。

尽管在微生物控制方面存在诸多障碍且可采取多种预防措施，但这一课题依然复杂且充满挑战。目前，针对低水分食品的灭菌或巴氏杀菌技术，相关研究仍在持续进行中。就目前而言，严格的卫生政策仍是预防污染、确保微生物稳定性的最有效途径。

更多资源

如需深入了解粉末科学，请观看下方的免费点播网络研讨会。在本次研讨会中，扎卡里·卡特赖特博士和玛丽·加洛韦将进一步探讨粉末流动、结块、分子结构以及等温线。