蒸汽吸附法能告诉你的和不能告诉你的

在这场在线研讨会中，我们的AQUALAB专家将详细解析为何以及如何同时监测水分含量和水分活度——以及它们随时间的变化——从而揭示出大量宝贵的信息。

您将学习：

• 为什么MC和aW结合起来能提供比单独使用时更多的信息
• 所有绘制等温线的方法，以及每种方法的优缺点
• 如何解读和使用吸湿等温线
• 等温线为何能如此精确地预测质地变化
• 为何利用等温线能更快地做出保质期和包装决策
• 如何从等温线中挖掘商业价值——无论是在研发部门内部还是外部

主持人

玛丽·加洛韦是AQUALAB研发实验室的首席科学家。她专长于使用和测试用于测量水分活度及其对物理性质影响的仪器。她曾与众多客户合作，共同解决与水分相关的产品问题。

扎卡里·卡特赖特是AQUALAB的首席食品科学家。他协助客户对产品进行全面的水分分析，并且是蒸汽吸附分析仪（VSA）操作方面的专家。他拥有华盛顿州立大学食品科学博士学位，以及新墨西哥州立大学生物化学学士学位。

文字记录，经编辑以求清晰

布拉德·纽博尔德（网络研讨会主持人）：大家好，欢迎参加“解读等温线：蒸汽吸附法能告诉您什么，又不能告诉您什么”的讲座。今天的演讲时长约30分钟——我可以向大家保证，这将是一场内容丰富的30分钟——随后将由AQUALAB的食品科学家扎卡里·卡特赖特博士和应用科学家玛丽·加洛韦主持问答环节。 那么，不再多说，我将把话筒交给扎卡里，请他为我们开启今天的分享。

扎卡里·卡特赖特博士：大家好。非常感谢大家今天参加。能和玛丽一起在这里，我感到非常高兴。正如布拉德所说，我们今天要讨论等温线，以及蒸汽吸附法能告诉我们什么、又不能告诉我们什么。再次自我介绍，我是扎卡里·卡特赖特，此刻我正和玛丽·加洛韦坐在一起。

玛丽·加洛韦：早上好！

今天我们将讨论的内容

ZC：我们开始吧。第一张幻灯片是讲义大纲。我只想向大家展示一下今天讨论的重点。我们将首先分别探讨含水量和水活度，然后向大家展示，当我们将这两项测量数据结合起来时，能获得哪些更深入的认识。

接下来，我们将逐一介绍绘制等温线的所有不同方法，包括一些传统和经典的方法，以及DVS和DDI方法。

一旦我们了解了等温线是什么以及如何绘制，接下来我们将探讨如何解读和应用它们。虽然这些方法主要应用于食品行业，但同样适用于制药行业、建筑材料领域，甚至土壤科学。因此，我们将重点探讨如何预测质地变化、评估保质期，以及据此制定包装方案。

在本次演示的最后，我们将探讨如何从等温线中挖掘商业价值——我们将介绍几家运用等温线的公司案例，并探讨它们从中获得的商业价值。

我们会尽力控制在30分钟内。今天要分享的内容很多，我想时间可能会超时。希望大家能全程参与本次演讲。现在我把话筒交给玛丽，她将为大家讲解水分活度和含水量。

等温线成分：水分含量与水分活度

MG：好的。说到湿度测量，我们主要涉及两个方面。

首先是含水量——即水分的定量值，也就是某物中所含的水量。这对最大化产量和收益至关重要，因为如果能提高含水量，由于水成本低廉，就能增加产量和收益。 但这并不能全面反映实际情况，因为它并非工艺驱动因素。这意味着，如果发生水分迁移或其他问题，仅凭水分含量是无法提供您所需的关键信息的。

您确实需要了解的是水分活度。这是衡量水体能量状态的指标，而正是这种能量状态驱动了各种过程的发生——例如微生物生长、水分迁移等。

这对产品安全和质量至关重要。水活度有其限制，特别是在食品法规中，必须将水活度控制在特定限值以下，以确保产品不会滋生微生物等。这也是衡量产品质量的一个重要指标。

因此，如果我们进行这两项测量，实际上就是在确定制造商试图达到的目标值。如果你在测量水分含量和水分活度，那就意味着你已经确定了期望的数值范围。接下来，你只需努力达到这个目标即可。

这些目标通常源于法规要求或生产规范。法规要求的一个例子就是微生物生长限值。因此，这里的0.7是指霉菌，0.85是指潜在有害食品微生物。

另一个是用于生产规范。但这些目标值是如何确定的呢？如果我们仅仅测量水分活度和水分含量，并将它们绘制在同一张图表上，我们只会得到一个数据点。我们知道水分活度和水分含量之间存在关联，但这并非全貌。

这只是整张水分分布图中的一个数据点。这里我们展示的是等温线上的一处数据点。您可以看到，它涵盖了整个水活度范围，这将影响样品当前的状态或未来可能发生的变化。

这是一条完整的等温线。了解您的产品在该曲线上处于何处至关重要。如果产品已非常接近霉菌滋生的临界点，或者正处于褐变反应的高发区，我们需要明确具体位置，以便您能够加以规避。

另一种思考方式是，将安全性和质量置于X轴上，而非水活度。而水分含量则可以理解为产量和收益。因此，如果我们能找到产品应处于的“最佳平衡点”，就能同时将这两项指标最大化。

接下来，扎卡里将介绍绘制蒸汽吸附等温线的经典方法。

使用干燥器或环境试验箱绘制蒸汽吸附等温线

ZC：绘制等温线的第一种方法，也就是传统方法，是使用一系列干燥器或环境试验箱。我看到很多研究生都在使用这种方法，但令我惊讶的是，仍有不少公司——甚至包括大型企业——仍在沿用这种方法。

具体操作方法是，您需要在几种不同的水活度或相对湿度条件下测定材料的平衡含水率。因此，您可能需要使用六到九个恒湿箱。保持这些箱内温度恒定至关重要。

接下来，你需要测量重量的变化，直到达到平衡状态。具体操作是：将样品放入其中一个密闭腔室中，然后大约每隔一天取出样品，测量其重量，再放回原处。你需要反复进行这一步骤，直到样品重量保持恒定。

可以想象，这种方法非常耗时，需要大量人工，而且通常只能获得几个数据点。

以下是一个使用此方法可能收集到的数据示例。你会注意到图中用红色标出的水活度与含水率的数据点。你会发现，要对这些数据拟合任何类型的模型都非常困难。这是因为使用这种方法存在很大的误差空间。

使用动态蒸汽吸附法绘制蒸汽吸附等温线

有一种较新的方法，称为DVS（动态蒸汽吸附法）。该方法由辉瑞公司于90年代初开发，用于研究药物和辅料，并了解其吸附特性。

该方法与上一张幻灯片中的方法类似，同样是将样品置于密闭腔室中，并等待达到平衡状态。不同之处在于，这是一个自动化系统，因此它会根据您设定的参数，自动在不同的湿度环境下循环测试。

这很好，因为速度更快，而且能获得更多的数据点。对于评估吸附动力学等现象，或者监测结晶等随时间变化的物理变化，这种方法非常有效。

下面是一个关于喷雾干燥奶粉的等温线示例，我经常拿它来讲解。请大家注意那条红色的曲线，也就是DVS曲线。

这条DVS曲线大约有七个点。同样，这些点中的每一个都已达到平衡状态。

我觉得，如果我们通过一张剪贴画来了解数据的采集方式，可能会更容易理解这种方法。 请想象一个密闭的实验舱。在此情境下，温度设定为25˚C，但我们也可以考察其他温度范围。现在，您将把样品放入这个密闭实验舱中。样品可以是食品样本、药品样本或土壤样本。在此情境下，水活度设定为0.3。实验装置下方放置着一台高精度天平。

在进行DVS测试时，您可能会提出这样的问题：我们的样品需要多长时间才能达到特定的水分活度？例如，从0.3的水分活度升至0.5的水分活度需要多长时间？

为了实现这一点，我们将向系统中注入湿空气。 无论是湿空气还是干空气，我们都可以进行调节，但由于需要将湿度提升至0.5，因此必须添加湿空气。具体操作是通过向腔室中泵入空气来实现的。这一过程由一种称为PID的算法进行控制。随后，我们可以通过电容传感器监测相对湿度。因此，我们将把该腔室内的相对湿度调节至50%。

现在，经过无限长的时间，该样品的水活度最终将达到0.5，并与周围的相对湿度达到平衡。

我们可以通过观察溶液的稳定性和密度来判断该实验是否结束。因此，我们将等待该样品完全达到平衡——我们可以设置一些不同的测量方法或参数来判断是否已达到平衡。

请大家记住，就DVS法而言，此时试验箱内的相对湿度是导致水分活度发生变化的主要因素。玛丽接下来会展示另一种方法的类似图表，但图中的箭头方向将与之相反。

关于DVS，我还希望大家记住，我们采用的是按重量平衡法，因为正如之前所说，我们旨在研究吸附动力学以及随时间变化的物理变化。因此，大多数设备仅采用按重量平衡法。METER这里确实有一台设备，既能按重量平衡，也能按水分活度平衡。我相信玛丽也会提到这一点。

动态蒸汽吸附（DVS）法的缺点

因此，该方法存在以下一些缺点：

1. 达到真正的平衡可能需要无限长的时间。虽然可以采取一些措施来加快测试进程，但一旦这样做，就会让人对所获得结果的有效性产生质疑。 此外，正如我刚才提到的，大多数仪器仅依赖于重量。因此，大多数仪器并未直接测量水分活度。这意味着它们假设箱内的相对湿度等于样品的水分活度，但实际情况并非总是如此。
2. 第二个主要缺点是无法识别相变。因此，如果你想检测玻璃化转变点或某种质地变化，使用我们刚才介绍的这两种方法几乎是不可能做到的。
3. 最后，这些方法存在的第三个问题是，它们并不能真正反映现实世界中的情况，因为在现实世界中，情况通常变化多端，而非一成不变。因此，您收集到的数据并不能真正反映产品离开工厂后将面临的情况。

接下来，我们将介绍第三种方法，即动态露点等温线法。玛丽将为大家讲解这一方法。

使用动态露点等温线法绘制蒸汽吸附等温线

MG：关于DDI法，我将使用一个与扎卡里之前类似的例子。 我们的样品置于该箱内，水分活度为0.3。箱底还配有一台高精度测量天平。目前样品静置于此，我们并未对其进行任何操作。因此，它将主导箱内的湿度。目前系统已处于平衡状态。即样品水分活度为0.3，箱内相对湿度为30%。

在研究DDI时，我们提出的问题其实与研究DVS时有所不同。例如，“我的样品在不断变化的环境中是如何吸收或释放水分的？”这正是我们所评估的、在真实世界中的实时吸附性能。

因此，如果我们想动态地了解样品会发生什么变化，我们就从这里开始测试。正如扎卡里之前所说，我们将向其中注入湿空气。我们也可以注入干空气来干燥样品，但在本例中，我们将使用湿空气。

我们首先向测试舱内注入湿空气。通常我们会指定湿空气的流量。如果增加流量，意味着大气和测试舱内可用的水分更多，样品就能吸收更多的水分。

如果我们降低速度，就等于减缓了这个过程。通常，对于吸湿性较强的样品，我们会降低速度；而对于吸湿能力较强的样品，则会稍微加快速度。

我们还设定了水活度分辨率。通常我们将其设为0.01的水活度。这样仪器就知道何时需要进行读数。

那么，我们就从这里开始测试。我们需要等待一段时间。正如我刚才所说，该仪器将测定水分活度，并试图达到其预设的分辨率。因此，这可能需要五分钟到两小时不等。这就是它的采样频率范围。

假设时间流逝，现在我们准备进行读数。此时一切都暂停。我们不再向腔室输送湿空气。我们让腔室与样品达到平衡，然后进行读数。

我们可以看到水活度上升了0.01。这正是我们想要的结果，因为这就是我们的分辨率。这也推动了反应室内的平衡过程——我们的反应室水活度也达到了31%。我们将同时进行一次称重测量。

在此，我们将使用一款精度极高的露点传感器来测量水分活度。在这种情况下，样品是驱动腔室达到平衡的关键因素。我们不会让样品重量达到平衡，因为我们希望放大正在发生的任何转变。我们将持续进行评估，并在测试过程中实时获取水分数据。

当我们开始解析扎卡里即将介绍的结合位点时，我们会观察到质量发生显著变化，这可以作为过渡点。这有助于我们实时了解样品中将发生什么。

我觉得展示一下这两组数据的随时间变化的曲线图可能会很有帮助。这是关于微晶纤维素的。X轴上我们只关注时间。 我们分别进行了DVS和DDI测量，因为微晶纤维素与水之间的相互作用非常可预测——它会以相当均匀的方式吸水和释水，因此我们实际上没有明显的相变过程可供观察。从这个意义上说，这个图表可能有些枯燥，但它很好地展示了这两种数据类型的差异。

这里，红色曲线代表重量，蓝色曲线代表水分活度。在第一部分，我们进行了静态DVS测试。你会看到，曲线显示了我们如何将湿度和水分活度保持在恒定状态，等待重量达到平衡。一旦达到平衡，我们就移至下一个测试点。你可以看到重量先上升，然后趋于平稳，接着我们进入下一部分。

虽然这里的数据看起来很多，但我们真正关注的是这些协作点。在DVS等温线上，我们实际关注的只有10个数据点，其中5个代表吸附，5个代表脱附。

如果我们向右看，可以看到DDI。它看起来像一条平滑的曲线，但每一处都是一个宝贵的数据点。 因此，在测试进行过程中，我们可以实时观察这一过程。DDI技术（即向样品通入干燥或加湿空气）是METER集团的一项专利技术。它还通过称重法进行监测，既能测量重量，又能直接测定水分活度。这样，我们就能在处理过程中实时掌握这两个数值，从而了解吸附特性。这对我们所讨论的许多应用场景都大有裨益。

在这里，我们只需几天就能得到结果，而不是几周或几个月；我们将获得大量数据点，且分辨率高达0.01——如果需要，我们还可以进一步提高分辨率，只是需要多花一点时间。通常情况下，我们采用0.01的分辨率。

如果我们回到扎卡里展示的喷雾干燥奶粉的例子，可以看到红色部分是DVS，但请注意深蓝色部分的DDI。你会发现两个转折点。

特别是对于喷雾干燥奶粉而言，其玻璃化转变发生在略高于0.4的温度处，随后还会经历一个结晶阶段。因此，如果仅依赖DVS，我们将无法捕捉到这些转变。

接下来，扎卡里将讲解质地的变化。

吸湿等温线与产品质地变化

ZC：谢谢，玛丽。

谈到这种动态露点等温线法，自然就引出了质地变化的话题。正如您指出的，喷雾干燥奶粉会经历几次相变。让我们来谈谈如何确定这些相变发生的位置。

要改变质地，我们需要确定所谓的“临界水分活度”。这些是您为了保持所需质地而必须避免的水分活度值。对于粉末类等非常干燥的产品，这指的是为防止结块、结团或失去流动性而需要保持在一定水平以下的水分活度；但对于零食类产品，这同样适用，目的是防止变质、失去酥脆感，或是单纯地保持其应有的质地。

我们还可以讨论水分含量更高、水活度更高的产品，比如烘焙食品，甚至是冷压皂条——这些产品需要防止渗出或保持理想的质地。这实际上取决于您关注的产品类型，以及您希望实现的吸水或失水方向。

请注意，为了精确定位这些纹理过渡的位置，您确实需要使用高分辨率的等温线——即动态露点法。

让我向您详细说明原因。这是一项利用动态露点等温线进行的粉末吸附等温线分析。您首先会注意到的是该粉末的曲线形状。

你会发现，即使水分含量发生微小变化——比如仅1%的变动——水活度也可能随之发生30%或40%的变化。许多产品都具有这一特性。这正是测量水活度至关重要的一个关键原因——因为这种测量具有极高的分辨率。

现在，如果我们观察这条等温线并分析其二阶导数，二阶导数本质上是对该曲线斜率变化速率的分析。通过二阶导数，我们可以识别出曲线上的峰值。这些峰值对应于水分活度变化最剧烈的区域，即含水量变化最快的区域。

因此，如果我们点击该峰值或将其高亮显示，可以看到其水活度为0.67。这意味着，对于该产品，该等温线是在25摄氏度下测得的。因此，在水活度为0.67或相对湿度为60%时，这就是该粉末的玻璃化转变点。

现在让我们仔细看看这条等温线。接下来这张幻灯片展示的正是同一条等温线。该生产商最初是在0.24的水活度下生产这种粉末的。因此，在水活度如此之低的情况下，水结合位点数量十分有限。但一旦水活度上升到0.67，产品就会开始大量结合水分。 随着水活度沿等温线进一步升高，该产品将出现严重的结块和团聚现象。因此，如果我是与这家粉末生产商合作，我甚至可能会建议他们适当提高产品的水活度，因为他们可以在安全范围内提高水活度并略微增加水分含量，同时仍能保持在质地转变点远低于该临界值。

利用吸附等温线检测薄膜和涂层对湿气的吸附或排斥性能

我在这里还列举了几个其他例子，涉及质地转变或涂层、薄膜等内容。接下来的这个例子是蓝莓的等温线。这里我们观察的是脱附曲线。因此，我们试图了解这些蓝莓是如何锁住水分的。

因此，如果你看最右边，这条曲线代表的是未裹任何薄膜的蓝莓。可以看到，在曲线顶部，它们的含水量略低。接着你会注意到，它们的临界点约为0.27的水活度。这意味着，一旦这些蓝莓所处的相对湿度达到约27%，其含水量就会突然急剧下降。

现在，如果我们在这些蓝莓表面添加一层薄膜或涂层，你会注意到两点。 首先，初始含水量会略微升高，而关键水分活度则会降低。因此，这些蓝莓需要处于相对湿度约为24%的更干燥环境中，才会开始失水。所以我认为，如果你正在考虑如何将水分锁在产品内部，这真是一个非常好的例子。

现在，我们可以看看完全相反的情况，即设法防止水分进入产品。这是关于种子收集的一个例子或一些数据。

因此，在蓝色区域，你会看到未涂层种子，水能够渗透到这些种子内部，与带有不同涂层的种子相比，在相同的水分活度下，其含水量更高。因此，无论你是想让水分留在产品中，还是想阻止水分进入，等温线都是评估涂层或薄膜效果的绝佳方法。

接下来，我们将讨论保质期和包装选择，所以现在我把话筒交给玛丽。

利用蒸汽吸附等温线分析保质期和包装性能

MG：人们经常问我如何计算保质期。

进行计算时，您需要考虑产品的吸附特性（尤其是吸附等温线）以及储存条件。我们需要了解该产品将面临哪些环境因素，包括：温度、相对湿度、大气压力，以及包装情况。因此，我们需要知道产品的表面积、包装内产品的质量，以及至关重要的水蒸气透过率。

因此，包装的作用就是保护产品免受外界环境的影响。所以，如果包装质量过关，就能有效限制水蒸气的渗透。

那么，让我们开始讲解我是如何进行这项计算的。首先，我生成一条等温线。这是格兰诺拉麦片的等温线。具体来说，我只关注吸湿部分。 因此，我制作了这份仅包含吸湿过程的数据文件。现在，我想了解我的产品——格兰诺拉能量棒——其保质期将受限于质地变化。这是一款酥脆的格兰诺拉能量棒，我们不希望它变干、变软或出现其他问题。因此，质地变化将成为决定其保质期的关键因素。

因此，当我们观察这幅等温线图时，可能很难辨别出正在发生的具体相变。为此，我们使用萨维茨基-戈莱二阶导数。简而言之，它通过评估斜率的变化，并在下方图表中用蓝色标出这些峰值和谷值。

现在，我也经常被问到这个问题，因为你会发现这里有两个峰值。峰值意味着吸水率的上升，也就是水分含量在增加。人们常问我：该选哪个？一个是较小的峰值，大约在0.4稍高一点的位置；另一个是更大的峰值，位于0.7以上。

人们可能会倾向于选择数值较高的那个，但实际上我们想知道的是它何时会首先发生转变。这款格兰诺拉能量棒的原始水分活度约为0.2。因此，随着水分活度的升高，我们需要知道它何时会首次达到那个转变点。

所以我想使用第一个转变点。而第一个转变点就在水活度为0.42处。因此，这就是我将在计算中使用的那个值。我不会使用那个更大的值，因为等到达到那个值时，情况已经发生了变化。

好的。这就是我们在METER使用的计算器。你可以看到一些信息。接下来，我们将简要回顾一下我之前提到的内容。

所以，对于我的格兰诺拉能量棒，我选择的湿度是65%的相对湿度。 大气压为C级，即100 kPa，温度设定为25摄氏度。由于这只是一小块格兰诺拉能量棒，样本量非常小，仅35克。其表面积也相当小，但单位是平方米。所以这些条件都符合要求。

然后我选定了一个数值作为水蒸气透过率，这个单位是克/平方米·天，其实挺好记的。接着，我们将从我之前提到的初始水分活度开始。其初始值是0.2。然后是临界保质期。一旦水分活度达到该点，产品就会过期。 我设定为0.42，主要是为了便于追踪。大家应该能看出这个数据点的来源。我同意扎卡里的观点，实际上我可能不会真的设定为0.42，因为当水活度达到这个数值时，产品已经开始出现一些变化。我们不希望让情况发展到那么接近临界点。

因此，我建议将这个关键的水活度稍微调低一点，也许降到0.4，或者0.38，大概这个水平，以确保我们不会接近那个临界点。但在这个例子中，我们将保持在0.42。

在这条等温线上，我已经进行了裁剪。你可以看到，它不包含水活度较高的部分。我将重点关注我感兴趣的区域。也就是我关注的水活度范围，并且我要确保在起始点到临界点之间能进行非常精确的建模，这样才能很好地呈现这些数据。

那么我们来看看这里。我们倾向于使用DLP模型，即双对数多项式模型。这里的R²值高达0.9996，拟合效果非常出色。 您也可以使用其他建模方程，比如GAB或BET。这些方法存在一些局限性。但特别需要注意的是，我们真正关注的是能否很好地拟合数据，因为这直接关系到预测的准确性。因此，只要能正确建模您的数据，具体使用哪种方法其实并不重要。

回到刚才的地方。现在，当我插入这条等温线时，我会插入经过修剪的那条。我想插入那条模型拟合效果非常好的等温线。然后，我将以此为基础计算保质期。

现在，如果我在这些条件下对这款格兰诺拉能量棒进行测试，其保质期为151天。大约五个月。这个结果还算不错，但假设这还不是你期望的。 也许你希望这款格兰诺拉能量棒能保存整整一年。那么我们该如何实现呢？需要调整什么？在这种情况下，其实很简单。我们需要调整的是水蒸气透过率。因此，我们可以利用这个参数来确定哪种包装能满足我们所需的保质期。

因此，这是一个类似的计算，但这次使用的是之前输入的相同数据，只不过这次不再输入水蒸气透过率，而是输入我们期望达到的保质期。我们将输入那条经过修剪且模型拟合良好的等温线，然后点击“计算”。

现在我们知道，如果包装的水蒸气透过率为0.42，那么在这些条件下，产品就能保持一整年的保质期。这与铝箔复合膜包装的效果非常相似。因此，这一结果与预期非常吻合。

接下来，扎卡里将探讨等温线所带来的商业价值。

如何利用蒸汽吸附等温线将含水率最大化以获取利润

ZC：好的。那么，这就是我们今天网络研讨会的最后一个环节了。

利用等温线创造商业价值的方法多种多样。今天我们主要探讨了保质期中的质地问题。但我试图将客户使用等温线的方式总结为以下三个要点。

因此，创造商业价值的第一步，就是通过最大化水分含量来提升利润。您可以利用等温线来了解产品在保持质量和安全的前提下所能含有的最大水分量。也就是说，在保持理想质地、防止某些化学反应发生的同时，还要确保安全，并将微生物含量控制在限值以下。

许多产品都是按重量销售的，尤其是在食品行业。因此，卖出的水越多，收入就越高。

这很简单。水是配方中最便宜的原料。因此，如果你能增加水的用量，就能帮助提高收益。

下面是一个具体操作示例。第一步是设定控制阈值。我的意思是，要设定可接受的水活度和含水量范围。这是一个大麻的示例。我们正在观察脱附曲线。其理想水活度范围大约在0.56到0.63之间。 我们之所以知道这一点，是因为对于这种特定产品，如果水活度低于该范围，就会导致品质下降。您会开始流失萜烯，花蕾的品质也会随之下降。如果水活度高于该范围，则会影响产品安全性。因为在这个范围内，可能会开始滋生霉菌和微生物。

因此，一旦我们确定了理想的水活度范围，并利用脱附等温线进行分析，就能将其与含水率建立关联。这一点至关重要，因为低于该理想含水率的任何情况都将导致产量损失和收入损失。

因此，通过利用这条等温线并结合对水分活度的了解，我们能够找到最佳平衡点，从而优化所有需要考虑的因素。

接下来，第二步是减少生产过程中的波动。因此，一旦我们利用等温线确定了目标含水率，就必须在生产过程中加强对产品的监测。这样做将带来三方面的好处：减少波动、提高含水率，以及确保产品更安全。

那么，让我具体向您说明一下我的意思。这里有一个例子，平均含水率正好是9%。我们可以看到，其波动幅度大约在正负1%之间。您会注意到，部分产品的含水率已超出安全限值，而且生产过程中的波动范围也相当大。

现在，如果你开始监测这一点并提高含水量，结果可能会像这样。

因此，现在产品的平均含水率为0.95%，波动范围较小，可能在±0.5%左右。同时，这也防止了部分产品超过该安全限值。

那么，让我们来看一个现实中的例子。这是一个关于美国某宠物食品公司的商业价值案例。该公司的年产量非常庞大。当我们最初与该公司合作时，他们的水分含量目标值就在10%左右。

因此，通过分析等温线并设定新的水分活度目标，我们向该公司证明，他们在保持安全和质量的前提下，可以将生产目标设定为10.4%。这仅仅是水分含量的一点微调。

但让我们来看看其财务影响。这里有一张与上一张幻灯片非常相似的图表，从中可以看出含水率的增加以及波动幅度的减小。虽然这张图表未能充分体现这一点，但它还能防止产品超过其安全限值。

因此，由于该公司现在能够开始用水分来替代原材料，他们在原材料成本上节省了大量开支；鉴于他们此前在原材料或配料上的支出相当高，一年后，该产品或该配方带来的年收益增长超过了100万美元。

所以我非常喜欢这个例子，因为它说明了含水率的微小变化，对公司的财务状况竟会产生如此巨大的影响。

如何利用蒸汽吸附等温线加快产品配方开发进程并降低研发成本

等温线创造商业价值的第二种方式是加速配方开发流程，同时降低研发成本。

所以我很高兴玛丽回去向你展示了那个模型，因为这个模型可以用来量化新产品的水分迁移，可视化新配方的等温线，还能预测平衡水分活度。所以，在最终产品尚未制成之前，这些工作都可以完成。这只需要你为每种原料都准备一份等温线数据。

这是一个使用DLP配料混合工具的示例。在此示例中，我们将重点介绍冷压香皂条。

假设你要制作一款冷压能量棒。为了简单起见，这里我们只用三种原料，但你也可以根据喜好添加任意数量的原料。这里我们选用的是椰枣泥、蓝莓和腰果。你只需输入它们的水活度以及初始含水率。此外，你还可以输入质量值，这样我们就能分析不同的质量配比。

当您进入此界面并点击“计算”按钮时，系统将显示等温线。这里展示了日期果酱、蓝莓以及腰果的等温线。通过利用这些信息并进行建模，我们可以得到一条综合等温线。这样，我们甚至在制作之前就能初步了解最终产品的状态。此外，我们还能获得平衡状态或最终的水活度。

在这张图表下方，还有一些补充信息。您会再次看到最终的水活度以及等温线的系数。这些系数之前在玛丽展示建模时曾出现在屏幕上，但实际上，这些系数可以用于玛丽演示过的保质期计算器中，这样您甚至可以预测保质期，并开始为尚未生产的产品规划包装需求。

最后，在右侧这里，显示的是关于水分含量的信息。这样您就能了解水分在食材之间流动的方向。下面是一个采用此类技术的公司的案例或说明。

我经常听到研发科学家们这么说。新产品推向市场所需的时间实在太长了。因此，通过使用等温线，您可以更快地了解这些产品，并在问题发生之前就预先发现可能遇到的困难。而这带来的商业价值，就是能够更快地推出产品。

因此，这家具体的公司表示，他们能够将产品上市速度提升约五倍，新产品的生产周期从大约五个月缩短至一个月。在许多情况下，这使他们能够率先将新产品或新口味推向市场。

蒸汽吸附等温线如何帮助避免产品召回及其他安全与质量问题

好的。最后，利用等温线为公司创造商业价值的第三个例子，就是能够高枕无忧，确信产品一旦离开工厂，其安全性和质量都能得到保障。

因此，等温线分析能帮助企业防止产品质地发生不希望的变化——正如我们之前所讨论的——避免因微生物问题引发的召回，并再次就保质期和包装方案做出决策，正如我们之前所提到的。

下面就对这些内容做个简要说明。

第一个案例涉及一家蛋白粉公司。我们经常遇到这种情况。许多公司都深受结块、结团或流动性下降的困扰。在这个案例中，该公司约有5%至10%的总产量存在这一问题。结果是，他们要么对产品进行返工，要么直接报废。这在许多情况下都损害了他们的声誉。 解决方案是他们开始采用等温线分析。他们意识到生产温度离玻璃化转变点过于接近。通过掌握这一信息并利用等温线数据做出正确的包装决策，如今他们的结块率已降至0.1%以下。此前这一问题每年造成超过50万美元的产品损失，但如今凭借准确的数据和洞察，这一损失已大幅减少。

下一个例子涉及一家健康零食公司。该公司因收到客户关于产品发霉的投诉而进行了召回。于是我们对该产品进行了等温线分析，发现温度在35摄氏度左右时，水分活度实际上会超过0.7。因此，如果这家公司此前就采用了等温线分析，本可以真正理解水分活度与温度之间的关系。 如今，该公司正利用等温线来制定产品规格，并准确掌握需要避开的温度范围。那次召回事件造成的损失超过700美元和5万美元。如果研发团队能提前掌握这些洞察，这种情况本可以完全避免。

最后一个例子涉及一家包装公司。这家公司当时正与一位客户合作，该客户希望采用更环保的包装方案。通过利用等温线，他们能够快速确定维持目标保质期所需的水蒸气透过率。

这确实非常棒，因为这家公司能够帮助客户放心地更换包装，不仅能为他们节省大量研发时间，还能避免日后出现任何问题。我经常看到这种情况，尤其是现在很多公司都在更换包装，无论是因为想采用更环保的方案，还是因为无法获得所需的包装而不得不转向新的方案。

那么，我们就到此结束，先做个总结。接下来就请你来回顾一下，玛丽。

摘要与结论

MG：是的。希望您能明白，如果仅仅测量其中一项数据，相比之下，同时分析水分含量和水分活度能为您提供更多信息。

希望您现在已经了解了创建等温线的方法，并开始思考如何解读和运用它们。令人惊讶的是，尽管我知道这篇内容很长、信息量很大，但扎克和我甚至还没讲完等温线的所有应用场景。因此，请访问我们的网站，您可以查阅更多关于具体产品的信息，或者直接联系我们。

我们希望重点关注质地变化的预测以及保质期的预测，因为这些正是我们最常被问到的问题。

希望您也已经开始思考如何从等温线中挖掘出商业价值。

问答 #1：是否可以在 METER 软件内对等温线数据进行裁剪，还是需要使用外部程序？

MG：不，功能就在软件里，这点非常棒。你不需要导出文件。虽然可以导出，但软件本身就能完成大量操作。

因此，无论是对数据进行裁剪、确定模型拟合，还是生成转折点分析，所有这些功能都已集成在软件中。这非常方便，您无需将数据导出到Excel中重新处理。

问答 #2：如果由于包装材料优良，面包产品的水分含量保持稳定，但同时存在水分迁移现象，应如何绘制其等温线？

MG：这是一个非常好的问题，因为产品内部确实存在水分迁移。最终，这种现象会达到平衡。

但如果你遇到这样的问题：在包装完成后，这种状态并不理想，而且一旦达到平衡状态，那么我们可以采取的措施——也是我建议的——是分别对面包屑和面包皮进行等温线测试。这样，你就能分别观察到它们各自的临界点，从而有望据此进行配方调整。

这需要一点时间，但你可以调整配方，使其最终形成一种平衡的产物，让这两种成分都能达到理想状态。实际上，这种情况下，你可以参考扎卡里之前提到的关于能量棒的混合配料示例。

问答 #3：我真的需要等温线吗？我们采用试错法，通过这种方法可以大致掌握成品的外观、口感等应该是什么样子的。

ZC：所以我觉得，如果你直接从等温线入手并确定那个临界点，就能节省大量时间。

我们进行过大量分析：一旦确定了某个关键点——比如可可粉之类的——我们就会将该粉末置于会引发质地变化的相对湿度条件下。随后，我们会请感官评测小组进行品鉴，观察他们能否察觉到差异。通常情况下，两者的结果完全吻合。因此，我们确实观察到了感官评测结果与将产品置于该关键点条件下的表现之间存在相关性。

因此，总体而言，我观察到两者之间确实存在相关性。如果从等温线入手，我希望本次网络研讨会能向您展示：通过动态方法，您可以精确定位并准确掌握导致该产品发生关键变化、质地变化或任何其他类型变化的具体温度和相对湿度。

所以我认为，只要从等温线入手，就能为你节省大量时间。玛丽，你还有什么要补充的吗？

MG：嗯，我只想补充一点，我们在开头展示的那张水分分布图中，已经说明了水分活度是如何与某些可能发生的反应相关联，并加剧这些反应的。

因此，如果你清楚当前状况，就能将所有这些信息纳入考量。你可以进行等温线测定，确定临界活度。也许你的粉末存在脂质氧化问题，或者存在褐变问题。然后，你可以将这些信息综合起来，尝试配制出一种具有长期稳定性的产品。

问答第4期：关于蛋白质棒的加固处理，在考虑保质期的前提下，针对水分含量和水分活度方面有什么建议吗？

ZC：是的。所以，如果你的蛋白质棒变硬了，那很可能是因为棒体在失去水分。这可能需要通过脱附曲线来分析。如果你还记得那个蓝莓的例子，就会知道产品在某个临界点开始大量失水。

对于这根柱子来说，情况可能类似：当进行脱附时，你正接近一个临界点，必须保持在该临界点之上。因此，尽管我们今天讨论的大部分内容是吸附，但即使在玛丽分析的保质期计算中，我们也可以反向进行分析。 我们可以利用脱附曲线，评估不同条件如何导致产品中的水分被去除。无论是吸附还是脱附，无论是吸水还是脱水，我们都能进行分析。我们只需进行正确的测试并收集相应的数据即可。

下一步

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参见 AQUALAB VSA 完整吸湿等温线分析

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