基于玻璃化轉變理論的藍莓粉吸濕機制

楚文靖，孫 悅，肖柳柳，陳安弟，陶雅妮

（黃山學院生命與環境科學學院，安徽 黃山 245041）

藍莓營養豐富、風味獨特，富含花色苷、黃酮醇、酚酸等生物活性物質，具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤和保護心臟等保健功能[1]。藍莓脫水制品是其主要的加工產品，藍莓粉可以作為營養強化劑、風味增強劑、天然色素等添加到食品中，提升食品的營養價值和感官品質，在食品工業有廣泛的應用。然而，藍莓粉在加工貯藏過程中很容易吸濕黏聚，甚至結塊、液化，嚴重影響產品品質。因此，揭示藍莓粉吸濕機制是高品質藍莓果粉加工貯藏亟需解決的重要問題。

果粉是一種無定形的干粉狀顆粒，易從周圍環境中吸收水分，具有高度的吸濕性。玻璃化轉變溫度（Tg）是指非晶態聚合物從玻璃態轉變至橡膠態時對應的溫度，是影響粉體的吸濕結塊性質的重要因素[2]。當溫度高于Tg時，粉體處于橡膠態，分子流動性增加，從而促進溶劑（水）和溶質的擴散，加速結塊傾向[3]；反之，粉體處于玻璃態，分子運動能量低，受分子擴散運動控制的變化反應減慢，穩定性增強，可避免吸濕結塊[4]。已有報道通過玻璃化轉變與水分活度（aw）構建狀態圖來評價和預測食品的貯藏穩定性。Shi Qilong等[5]通過構建狀態圖發現凍干雙孢蘑菇的濕基水分含量由0.029 g/g增加至0.298 g/g時，Tg由－11.4 ℃降至－68.3 ℃，同時根據狀態圖預測了雙孢蘑菇最適貯藏條件及貨架期。狀態圖也被用于預測圣女果粉[6]、棗粉[7]和枸杞粉[8]等果粉體系的穩定性。熵焓互補理論可用來進一步分析促使水分吸附的熵焓驅動情況。有研究表明棗粉的水分吸附過程主要是熵驅動[9]，而最新研究則發現冬棗粉的吸濕過程則為焓驅動的非自發反應[10]。

本實驗基于玻璃化轉變理論系統研究兩品種藍莓粉的吸濕等溫線和玻璃化轉變溫度，通過構建狀態圖，探討兩品種藍莓粉水分含量、水分活度及玻璃化轉變溫度的關系；通過動力學和熱力學分析闡述藍莓粉的吸濕機制，以期為藍莓粉的穩態化貯藏提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘珠寶’藍莓和‘海岸’藍莓采自安徽省黃山市藍莓生態園，挑選成熟度一致，大小均勻的果實置于－18 ℃冰箱備用。

溴化鋰、氯化鋰、氯化鎂、碳酸鉀、氯化鈷、氯化鈉、氯化鉀、碳酸鉀、碳酸鈉、Folin-Ciocalteu試劑、沒食子酸、麝香草酚等（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Spectra Max-190全波長酶標儀 美國Molecular Devices公司；Discovery DSC 250差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國TA儀器；S-3400N掃描電子顯微鏡 日本日立公司；DX612C定溫干燥箱、IN812C型低溫恒溫培養箱 重慶雅馬拓科技有限公司；CR-10plus色差儀 日本柯尼卡美能達公司；HE83水分測定儀 梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 藍莓粉的制備

兩種藍莓室溫下解凍，70 ℃熱風干燥至恒質量。然后用低溫超微粉碎機研磨成粉。置于底部裝有P2O5的干燥器中約30 d，得到近似完全干燥的藍莓粉，記為絕干藍莓粉。

1.3.2 藍莓粉品質相關指標的測定

將絕干藍莓粉在25 ℃、相對濕度75%條件下吸濕至恒質量，即為吸濕后的藍莓粉。

色澤：采用CR-10 plus手持色差儀分別測定絕干藍莓粉的色澤（L0*、a0*、b0*值）和吸濕后藍莓粉的色澤（L*、a*、b*值），L*值代表亮度從黑（L*＝0）到白（L*＝100），a*值代表從綠（－）到紅（＋），b*值代表從藍（－）到黃（＋）。按式（1）計算吸濕處理前后的色差ΔE。

濕基水分含量：采用快速水分測定儀測定。

休止角和結塊度：采用馬占強[11]的方法進行測定。

花色苷含量：采用pH示差法[12]進行測定，單位為mg/100 g。

總酚含量：采用Folin-Ciocalteu法[13]測定，單位為mg/100 g。

微觀結構：采用掃描電子顯微鏡觀察吸濕前后藍莓粉的微觀組織形態，加速電壓15 kV，放大倍數500 倍。

1.3.3 藍莓粉吸濕等溫線測定及模型擬合

采用靜態稱量法分別測定兩種絕干藍莓粉在不同溫度（5、15、25、35、45 ℃）和不同水分活度下（0.057～0.985）的水分吸附數據。稱取1.000 0 g樣品于康威皿內室，外室分別放入不同飽和鹽溶液以設置不同水分活度（表1）。當aw＞0.75時，康威皿中放置適量的麝香草酚抑制霉菌生長。然后置于不同溫度的恒溫培養箱中，每24 h稱量1 次質量，直至連續兩次質量差不超過1 mg，即為樣品吸濕平衡。吸濕后藍莓粉的平衡干基水分含量按照式（2）計算，繪制不同溫度下兩種藍莓粉的吸濕等溫線。

表1 不同溫度下飽和鹽溶液對應的水分活度Table 1 Water activity of saturated salt solution at different temperatures

式中：Xeq是平衡干基水分含量/（g/g）；me是吸濕平衡樣品的質量/g；md是絕干樣品的質量/g。

采用8 種數學模型（表2）[14-15]對藍莓粉吸濕等溫線進行擬合，根據決定系數（R2）、誤差平方和（sum of squared errors，SSE）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）確定模型擬合精度，其中R2越大、RSS與RMSE越小，表明模型的擬合精度越高。將實際平衡干基水分含量與GAB模型預測值進行線性回歸擬合，分析二者的相關性。

表2 吸濕等溫線的擬合模型Table 2 Fitting models for moisture sorption isotherms

1.3.4 藍莓粉玻璃化轉變溫度測定及模型擬合

采用DSC儀測定25 ℃不同水分活度（0.06、0.11、0.33、0.43、0.65、0.75）下吸濕平衡樣品的玻璃化轉變溫度（Tg）。aw為0.06～0.50的樣品DSC掃描程序為：掃描溫度20～－70 ℃，掃描速率20 ℃/min，保持5 min，然后以相同速率加熱至100 ℃[8]；aw為0.50～0.75的樣品DSC掃描程序為：掃描溫度20～－90 ℃，掃描速率20 ℃/min，保持5 min，然后以相同速率加熱至100 ℃[16]。

分析熱流曲線，得到玻璃化轉變的初始點（Tgi）、中點（Tgm）、終點（Tge），其中Tgm即樣品的玻璃化轉變溫度[13]。對樣品的Tgm和aw進行線性回歸分析，采用Gordon-Taylor方程（式（3））擬合兩種藍莓粉的Tgm和干基水分含量，根據GAB模型和Gordon-Taylor方程擬合結果，繪制‘珠寶’和‘海岸’兩種藍莓粉25 ℃下的狀態圖。

式中：Tgm、Tgs、Tgw分別為樣品、溶質和水的玻璃化轉變溫度/℃，Tgw為－135 ℃；Xs、Xw分別為溶質濕基水分含量/（g/g）和平衡水分含量/（g/g）；K為Gordon-Taylor方程擬合參數。

1.3.5 藍莓粉凈等量吸附熱和微分熵

根據Peleg模型擬合的結果計算兩種藍莓粉的凈等量吸附熱qst和微分熵ΔSd。

凈等量吸附熱qst是指在給定的溫度條件下，吸附等溫熱超出純水蒸發潛熱的部分。主要反映水分子與固體基質吸附位點作用力的強弱，可依據Clausius-Clapeyron方程（式（4））[17]計算。

從式（4）中可以看到，若物料的平衡水分含量是一定的，即可根據lnaw與1/T之間的關系，進行線性回歸擬合，可以通過所求得的斜率確定所研究物料的凈等量吸附熱qst。

ΔSd的大小與水分子和物料之間的吸引力或排斥力有關，ΔSd主要用于量化水分吸附過程中吸附位點數目的變化，為了解物料基質內部結構變化提供參考。可根據Gibbs-Helmholtz方程（式（5））計算得到。

將吉布斯自由能計算公式ΔG＝－RTlnaw代入式（5），可以得到凈等量吸附熱與微分熵之間的關系式（式（6））。

式（4）～（6）中：qst為凈等量吸附熱/（kJ/mol）；ΔSd為微分熵/（kJ/（mol·K））；ΔG為吉布斯自由能/（kJ/mol）；R為氣體常數（8.314×10－3kJ/（mol·K））；aw為水分活度；Me為干基水分含量/（g/g）；T為絕對溫度/K。

1.3.6 藍莓粉吸濕過程的熵焓互補理論分析

熵焓互補理論可用于評估水分吸附過程中發生的理化現象，qst與ΔSd關系如式（7）所示。

式中：Tβ為等速溫度/K，即吸濕過程中所有反應都以相同速度進行的溫度；ΔGβ為Tβ時的吉布斯自由能/（kJ/mol）。

當調和溫度Thm≠Tβ時，熵焓互補理論才適用；若Thm＜Tβ，水分吸附過程為焓控制，反之，則為熵驅動[18]。調和溫度Thm按式（8）計算。

式中：n為等溫線總數；Ti為水分吸附實驗設定溫度/℃。

1.4 數據處理與分析

所有實驗均重復3 次，結果以平均值±標準差表示。采用SPSS 26軟件進行t檢驗，P＜0.05表示差異顯著，采用Origin 2019b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 吸濕對藍莓粉品質的影響

由表3可知，吸濕后兩個品種藍莓粉濕基水分含量明顯增加，吸濕前后兩個品種藍莓粉的總酚、總花色苷、色澤、流動性等指標均發生明顯變化，吸濕后花色苷和總酚含量顯著減少（P＜0.05），休止角和結塊度顯著增加（P＜0.05），粉體的流動性顯著變差。如圖1所示，吸濕前絕干的藍莓粉表面較光滑，顆粒分散，而吸濕后顆粒黏聚，甚至結塊。有研究表明環境相對濕度提高，芒果粉表面會出現糖結晶化現象，表面出現的粗糙顆粒為糖晶體[19]，與本研究結果相似。

表3 吸濕對‘珠寶’和‘海岸’藍莓粉品質特性的影響Table 3 Effect of moisture sorption on quality characteristics of‘Jewelry’ and ‘Coast’ blueberry powder

圖1 干燥藍莓粉與吸濕藍莓粉微觀結構對比Fig.1 Changes in the microstructure of blueberry powder before and after moisture sorption

2.2 兩種藍莓粉的吸濕等溫線及模型擬合結果

2.2.1 不同溫度藍莓粉的吸濕等溫線

兩品種藍莓粉在5、15、25、35、45 ℃下的吸濕等溫線如圖2所示，藍莓粉的平衡水分含量隨著水分活度的增大而逐漸增大，呈現出典型的“J”型，屬于III型等溫線[20]。aw為0.06～0.6時，平衡干基水分含量變化較小，溫度對水分含量影響不明顯；aw高于0.6時，溫度升高，水分含量則表現為快速增加。此現象的出現原因是藍莓粉中含有大量糖酸類物質，在高水分活度的條件下糖酸表面吸附位點增多，能夠吸收更多水分[21]。這一現象與Fabra[22]和Range-Marrón[23]等研究葡萄柚和凍干芒果片的水分吸附特性結果一致。對比‘海岸’和‘珠寶’藍莓粉的吸濕等溫線，可以看出在aw較高時，‘海岸’的平衡干基水分含量較高于珠寶，說明‘海岸’藍莓粉的吸濕能力更強。

圖2 ‘海岸’（A）和‘珠寶’（B）藍莓粉在不同溫度下的吸濕等溫線Fig.2 Moisture sorption isotherms of ‘Coast’ (A) and ‘Jewelry’ (B)blueberry powder at different temperatures

2.2.2 吸濕等溫線模型擬合

采用8 種吸濕等溫線模型對兩種藍莓粉的aw和Xeq數據進行非線性回歸統計，其中擬合精度最高的GAB和Peleg模型擬合參數值如表4所示，Peleg模型和GAB模型擬合精度相當，但Peleg模型常數無實際意義。GAB模型廣泛應用于水果吸濕等溫線模型，且能夠得出果粉的單分子層水含量[24]；另一方面，兩品種藍莓粉吸濕后水分含量的實驗測定結果與GAB模型預測值均呈現較高的相關性（圖3）。因此，描述藍莓粉水分吸附特性最適模型為GAB模型。

表4 GAB和Peleg模型擬合參數值Table 4 Fitting parameters of GAB and Peleg models

圖3 平衡水分含量實測值與GAB模型預測值線性回歸擬合結果Fig.3 Comparison of the measured value of equilibrium moisture content with the predicted value of GAB model

2.3 兩種藍莓粉的玻璃化轉變溫度及狀態圖

2.3.1 玻璃化溫度的測定結果及模型擬合

溫度25 ℃、aw為0.432條件下吸濕平衡的‘海岸’和‘珠寶’藍莓粉的玻璃化轉變溫度如圖4所示。當aw≤0.75時，海岸和珠寶的DSC曲線均出現明顯的玻璃化轉變，未出現熔融峰，說明僅有非凍結水，無凍結水。這與Chen Qinqin[25]、Rahman[26]等的測定結果相似。

圖4 ‘海岸’（A）和‘珠寶’（B）藍莓粉的DSC曲線（aw＝0.432）Fig.4 Differential scanning calorimetry (DSC) curves of ‘Jewelry’ (A)and ‘Coast’ (B) blueberry powder (aw=0.432)

不同水分含量藍莓粉的玻璃化轉變溫度如表5所示，隨著‘海岸’和‘珠寶’藍莓粉的水分含量不斷增加，其Tgm明顯降低。當‘海岸’藍莓粉的干基水分含量由0.003 g/g增加到0.285 g/g時，Tgm由－2.24 ℃降低到－63.80 ℃；當‘珠寶’藍莓粉的干基水分含量由0.002 g/g增加到0.297 g/g時，Tgm由－4.53 ℃降低到－63.21 ℃。樣品的Tgm隨著水分含量的增加而顯著降低，這是由于水在無基質組分中的塑化效應造成的[27]。對樣品的Tgm和aw進行線性回歸分析，發現Tgm與aw具有顯著相關性，‘海岸’和‘珠寶’藍莓粉的Tgm對aw的線性回歸方程分別為：Tgm＝－218.7aw－3.389（R2＝0.990），Tgm＝－200.4aw－4.827（R2＝0.999）。

表5 兩種藍莓粉在不同水分含量下的玻璃化轉變溫度Table 5 Glass transition temperatures of the two blueberry powders at different moisture contents

采用Gordon-Taylor方程對兩種藍莓粉的Tgm和干基水分含量進行擬合，如圖5所示，‘珠寶’和‘海岸’藍莓粉擬合曲線的R2分別為0.977 4、0.973 9，RMSE分別為2.564 4、2.875 8，說明Gordon-Taylor方程擬合精度較好。

圖5 ‘海岸’和‘珠寶’藍莓粉的Tgm與干基水分含量的關系Fig.5 Relationship between glass transition temperatures and moisture content based on dry basis of ‘Jewelry’ and ‘Coast’ blueberry powder

2.3.2 狀態圖分析結果

如圖6所示，當藍莓粉貯藏溫度為25 ℃時，通過GAB模型得到‘珠寶’和‘海岸’藍莓粉的單分子層水含量分別為0.104 5 g/g和0.107 7 g/g，對應的aw分別為0.478 7和0.503 0，并從Gordon-Taylor方程擬合曲線上得出Tgm分別為－30.30 ℃和－32.66 ℃。根據玻璃化轉變理論，溫度低于Tgm時，體系處于玻璃態，最穩定。因此，‘珠寶’‘海岸’藍莓粉分別在干基水分含量≤0.104 5 g/g，貯藏溫度≤－30.30 ℃以及干基水分含量≤0.107 7 g/g、貯藏溫度≤－32.66 ℃的條件下，有較好的貯藏穩定性。通過對比發現，本實驗中藍莓粉的Tgm比枸杞粉[8]和圣女果粉[6]的Tgm低，這可能與不同原料果實的組成成分有關，藍莓粉富含小分子糖和有機酸等物質，這些富含羥基的小分子物質與水分子更容易形成氫鍵，導致藍莓粉吸濕性更強，玻璃化轉變溫度更低。

圖6 ‘珠寶’（A）和‘海岸’（B）藍莓粉的狀態圖Fig.6 State diagrams of ‘Jewelry’ (A) and ‘Coast’ (B) blueberry powder

2.4 兩種藍莓粉吸濕過程中的凈等量吸附熱及微分熵

根據Peleg模型擬合的結果計算兩種藍莓粉的凈等量吸附熱qst和微分熵ΔSd，二者與干基水分含量關系分別如圖7、8所示。由圖7可以看出，在低水分含量下，qst隨著水分含量的增加呈指數下降。當干基水分含量從0.01 g/g升到0.30 g/g，‘珠寶’和‘海岸’藍莓粉的qst分別從13.24、10.91 kJ/mol下降至0.95、1.16 kJ/mol；當干基水分含量高于0.30 g/g時，兩個品種藍莓粉的qst分別趨于穩定。這表明在低水分含量下除去藍莓粉中存在的水分需要更高的能量，藍莓粉活性極性吸附位點通過較強的作用力吸附水分子，形成單分子層水；隨著水分含量的增加，藍莓粉進一步吸附更多的多層水，當qst逐漸恒定時，吸附的水分大部分是自由水[28-29]。ΔSd的變化趨勢與qst相似，當粉體干基水分含量從0.01 g/g升到0.30 g/g，ΔSd迅速下降，在高水分含量下ΔSd趨于穩定。這說明藍莓粉在吸濕過程中吸附水分子的位點逐漸減少，在高水分含量下，活性位點趨于飽和[28-29]。Tao Yang等[30]通過對比3 種形式的藍莓粉發現，ΔSd的變化與藍莓粉中的有效吸附位點相關，在藍莓粉吸附過程中，隨著吸附的水分子的增多，水的流動性增大，ΔSd減小。

圖7 海岸’和‘珠寶’藍莓粉qst隨干基水分含量變化的曲線Fig.7 Variation in net isosteric heat of sorption of ‘Jewelry’ and ‘Coast’blueberry powder with moisture content based on dry basis

圖8 ‘珠寶’‘海岸’藍莓粉ΔSd隨干基水分含量變化的曲線Fig.8 Variation in differential entropy of ‘Jewelry’ and ‘Coast’blueberry powder with moisture content based on dry basis

2.5 藍莓粉吸濕過程中的熵焓互補理論分析結果

qst和ΔSd的關系如圖9所示。兩品種藍莓粉的qst和ΔSd均呈線性關系，說明熵與焓的互補情況存在?！閷殹汀０丁{莓粉的Tβ值分別為213.43、184.03 K。經式（8）計算得到的Thm為297.48 K。Tβ≠Thm，說明本實驗的熵焓互補理論成立，即該理論適用于藍莓粉的水分吸附過程。此外，Tβ＜Thm，表明藍莓粉的吸濕過程屬于熵驅動。兩品種藍莓粉的ΔGβ均大于0，說明該吸濕過程是非自發的，由此可知，可以通過控制環境能量水平以實現藍莓粉的良好貯藏，延緩各種不良反應的發生。

圖9 ‘珠寶’和‘海岸’藍莓粉微分熵與凈等量吸附熱之間的關系Fig.9 Relationship between differential entropy and net isosteric heat of sorption of ‘Jewelry’ and ‘Coast’ blueberry powder

3 結論

吸濕導致藍莓粉品質劣變，粉體黏聚。本研究表明，‘珠寶’和‘海岸’藍莓粉水分吸濕等溫線均呈“J”型，描述其水分吸附特性的最適模型是GAB模型，‘海岸’比‘珠寶’的吸濕力更強。兩品種藍莓粉的玻璃化轉變溫度均隨水分含量增加而降低，當‘珠寶’藍莓粉的干基水分含量由0.002 g/g增加到0.297g/g時，Tgm由－4.53 ℃降低到－63.21 ℃；‘海岸’藍莓粉的干基水分含量由0.000 3 g/g增加至0.285 g/g時，Tgm由－2.24 ℃降低到－63.80 ℃。由狀態圖可知，‘珠寶’藍莓粉在干基水分含量≤0.104 5 g/g、溫度≤－30.30 ℃的條件下，‘海岸’藍莓粉在干基水分含量≤0.107 7 g/g、溫度≤－32.66 ℃的條件下貯藏有較好的穩定性。藍莓粉的qst與ΔSd隨著水分含量的增加而降低，最后趨于平衡。因此，熵焓互補理論適用于藍莓粉吸濕過程，該過程為熵驅動、非自發的變化。