速冻食品加工理论基础

虽然食品体系中的Tg通常采用DSC、DMA和 DMTA等方法测定，但这些方法对一些具有特殊 尺寸和形状的样品使用时受到一定的限制。如 以上所述的：DSC使用的样品量非常少，对那些 非均相食品，所取得的样品可能不具有代表性。 DMA和DMTA方法要求样品为可变形固体样品，因 而不适宜测定粉末和半固态样品。因此DSC、 DMA和DMTA等方法测定食品体系中的Tg时，有时 具有一定的困难。NMR可以快速、实时、全方位、 定量的研究样品，并对样品不具侵入和破坏性， 灵敏度高，在研究食品的玻璃态转变和Tg中得 到了较好的应用。
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核磁共振法(NMR)测定Tg
NMR是一种通过分析活性核的 弛豫特性而测定分子运动特性的 技术。聚合物玻璃化转变的基础 是分子运动。聚合物由玻璃态转 变为橡胶态时，含有质子的基团 运动频率增加。质子活动性的改 变可以用NMR测定。用这种方法 研究和测定食品体系的玻璃化转 变及Tg是非常有效的。
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当前DMA在测定食品体系中玻璃化转变温 度时有着较为广泛的应用。相比于DSC， DMA在测定热固性食品时具有较高的灵敏 度，但DMA在使用时也受到一定的限制， 由于它测定的样品必须为可变形的固体 样品， 因而不能用于测定粉末和半固态 样品。另外，由于DMA对样品的物理尺寸 相当敏感，因此为了得到重复性较好的 结果，必须对样品进行严格的预处理。
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玻璃化转变温度没有固定的数值，往往随测 定方法和条件而变。因此，在标出某种材料的 玻璃化转变温度时，必须注明测定的方法和条 件。研究者在利用玻璃化转变温度对材料性能 进行研究时，应考虑其测试条件和方法。目前 人们大多是测定食品的各个组成成分的Tg值， 然后按照下列方法来确定食品系统的Tg值。 Tg=W1Tg1+K W2Tg2/W1+KW2 W1、W2为样品的质量分数，Tg1，Tg2为样品1 和样品2的玻璃化转变值，K是经验常数。
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差示扫描量热法(DSC)测定Tg
DSC是传统的测定玻璃化转变温度的方法， 也是目前被广泛采用的一种测定食品Tg 的方法，DSC用于研究食品体系的玻璃化 转变是当样品发生相变、玻璃化转变和 化学反应时，会吸收和释放热量，补偿 器就可以测量出如何增加或减少热流才 能保持样品和参照物温度一致。
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差示扫描量热计
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因此，今后的玻璃化转变温度的测量方 法的发展趋势应该是考虑将几种用来测 定玻璃化转变温度的设备联合使用以弥 补单一的测定方法的不足的方向发展。
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玻璃化理论在速冻食品加工保藏中 的应用展望
冷冻玻璃化加工与保藏食品是保持食品 长时间质构和化学组成稳定性的有效手段。 通过冷冻条件控制和添加剂的合理使用可 以改善玻璃化保藏食品的质量，达到理想 的保藏效果。另外食品的各种成分对于其 体系的玻璃化转变温度会产生重要的影响， 了解食品体系的玻璃化转变温度与食品中 各成分的关系对于食品加工和贮藏都有极 好的指导意义。
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玻璃化转变温度的测量方法的发展趋势
研究表明，不同的测定技术只对溶液相应 的热、机械、力、电等性质具有敏感性， 所以各种不同的仪器在测定食品材料的 Tg时，存在各自的缺点。
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Reid等人认为, 仅仅依靠一种仪器来确定Tg.是 不准确的，最有利的工具是几种仪器的组合。为 此，许多人用两种或两种以上的仪器来测定同一 溶液的Tg，如Kalickevsky等人用DSC、DMTA和 NMR测定了原淀粉、谷朊粉－蔗糖混合溶液的Tg 值；Sahagian等人用DSC、TMA和NMR测定了黄原 胶对冻结蔗糖溶液的Tg值的影响；Ollett等人用 DSC和粘度计测定了葡萄糖过冷溶融物的Tg值等。 这些研究表明，各种不同的仪器在测定食品材料 的Tg时，存在各自的缺点。但把这些技术结合起 来，就可以从各个方面反映玻璃化转变这一动力 过程，测定结果比单一仪器有较大的改善。
近年来，广大食品科学工作者对此也进行 了大量的研究，基本思想是：食品材料的分子 与人工合成聚合物的分子间具有相似性。如果 聚合物分子结构变化了，则其宏观性质也将发 生变化，在聚合物科学中，这种结构与性质的 关系已经形成较为完善的理论体系。由此我们 根据食品材料的状态，就能预测其加工及保藏 的性质。
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在加热扫描过程中，当体系发生相转 变时，吸热曲线会出现一个台阶，此时 的温度就是玻璃化转变温度。DSC对食品 体系中Tg的测定在研究和实践中有非常 重要的作用 。
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目前在食品方面主要是用于研究谷物和淀粉 的玻璃化转变。近年来在果蔬保藏、鱼肉制品 加工保藏，以及蜂蜜制品方面的应用也越来越 多。这些方面的研究可以为生产实践提供更好 的加工保藏工艺参数。但是用DSC也有两个不 足之处:主要表现在用DSC法测量Tg.时灵敏度 比热机械方法小, 表现在DSC曲线上玻璃化转 变的台阶较小; 另外在一些复杂的食品体系中, 会出现玻璃化转变的DSC曲线上有几个突变,可 能引起对Tg.的误判。
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温度继续升高，不仅链段可以运动，整 个分子链都可运动，无定形聚合物表现 出粘性流动的状态，即粘流态。
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随着温度的升高，当聚合物发生由玻璃 态向高弹态的转变时，即玻璃化转变， 其转变温度为玻璃化转变温度，用Tg表 示。
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目前，国内外关于冷冻食品低温稳定性的研 究焦点是未冻结的冷冻浓缩相的玻璃化转变。 冷冻食品中未冻结水的存在加剧了酶促反应和 重结晶现象，缩短了食品的货架寿命。在较高 的冷藏温度、较大的温度波动和较长的贮存期 间下，产品质量的下降会更加严重，尤其是那 些含有较多未冻结水，易形成结晶的食品。
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玻璃态、高弹态和粘流态被称为无定形
聚合物的三种力学状态。
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玻璃态
玻璃态是指当非晶高聚物的温度低于玻璃
化转变温度（Tg）时，高分子链段运动既缺乏 足够的能量以越过内旋转所要克服的能量壁垒， 又没有足够的自由体积，链段运动被冻结，高 分子材料失去柔性，成为类似玻璃状的无定形 的固体。表现为高分子构象被冻结，体系与环 境之间由扩散控制的物质交换及化学反应在动 力学上受阻，因而体系具有良好的结构和化学 稳定性。
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为了克服这些不足，食品研究人员开始 采用一种新的方法，低温显微DSC系统测 定食品的Tg，该法同时用低温显微的光 学信息和DSC的热学信息两种方法来测定 Tg，取得了良好的效果。
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动力机械分析法(DMA)测定Tg
DMA是在程控温度和振动负荷下测定物质 的动态模量和力学损耗与温度的关系的 一项技术, 力学损耗峰对应的温度可看 作是物质的玻璃化转变温度(Tg)。用DMA 测定热固性材料的Tg时非常灵敏, 因此 它是测定热固性材料玻璃化转变的有效 工具, 同时也被广泛用于研究食品体系 中的玻璃化转变。
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动力机械热分析法(DMTA)测定Tg
DMTA是测定材料在交变应力(或应变)作 用下，作出的应力(或应变)响应随频率 变化的现代科学分析方法。它是通过分 子运动的状态来表征材料的特性。对样 品施加一个可变振幅的正弦交变应力作 用时，将产生一个预选振幅的正弦应变， 对粘弹性样品的应变会滞后一定的相位 角。
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但食品体系的玻璃化前 关于如何准确测量实际食品玻璃化转变温度的 方法仍处于发展阶段。如何将玻璃化转变温度、 水分含量、水分活度等重要临界参数和现有的 技术手段综合考虑，并应用于对各类食品的加 工和贮藏过程的优化，深入研究食品体系的玻 璃化转变动力学、热力学以及食品在加工贮藏 期间品质的变化，以便确定货架稳定的动力学 模型，有效地提高速冻食品的品质及稳定性将 是今后研究的重点之一。
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可以预见，如果将食品在其玻璃化温度下保 藏，体系中诸如由蛋白质、多糖等具有结构功能 性大分子的构象重排所引起的食品质构的变化以 及风味物质的散失等现象就会被抑制，从而大大 提高食品质构、结构和化学组成的稳定性。
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当处于玻璃态的物质温度升高至某一个温度 时，链段的运动受到激发，但整个分子链仍处于 冻结状态。受到外力作用时，无定形聚合物表现 出很大的形变。外力解除后又能恢复原来的状态， 这种状态叫做高弹态。
速冻食品加工的理论基础
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速冻食品加工的理论基础
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试管婴儿
卵子从母体取出 后，培养5-6天形 成囊胚，囊胚经 过玻璃化冷冻后， 随后解冻再进行 囊胚移植，将使 妊娠率达到 60%～70%甚至 以上。
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速冻食品加工的理论基础
速冻食品是20世纪60年代发展起 来的新型食品，由于它具有方便、卫 生、价廉质优等优点，故进入70年代 后迅速发展，到90年代已成为世界上 发展最迅速的食品产业之一。
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但当处于玻璃态时，食品体系具有 很高的粘度，分子扩散速率极低， 体系处于亚稳态，对酶促反应和重 结晶现象都很稳定。因此，可以通 过在玻璃化温度以下贮存食品，或 提高食品体系的玻璃化温度来缓解 冷冻食品品质的劣变。
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玻璃化转变温度的测定及预测
要进行食品的玻璃化加工与保藏，就 要确定食品体系的玻璃化转变温度值， 目前准确的测定玻璃化转变温度通常都 是非常困难的，而且所得值通常受样品 的组成、样品的热历史、设备类型等试 验条件的影响，目前还没有一种简单快 捷的方法准确测定某一种物质的玻璃化 转变温度 。
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玻璃态及玻璃化转变理论
1966年，White和Cokebread首次讲述了含有 糖分的食品的玻璃态及玻璃化转变温度问题。主 要包括：在各种含水的食品体系中，玻璃态、玻 璃化转变温度、以及玻璃化转变温度与储藏温度 的差别，对于食品加工、储藏的安全性与稳定性 都是十分重要的。 其中，水作为一种增塑剂，对食品体系的玻 璃化转变温度影响很大，食品体系中的含水量越 大，其玻璃化转变温度越低，在加工与保藏的过 程中其玻璃化也越难实现。以上的有关食品的玻 璃态及玻璃化转变温度问题一直以来被看作是 6 “食品聚合物科学”的先导。
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食品速冻技术是目前国际公认的食品最 佳保藏技术, 食品的低温玻璃化保存是近 十年发展起来的一门新学科。由于食品是 多相、多组分、非均质且是物理化学性质 不稳定的极其复杂的系统, 另外在食品冻 结和贮藏过程中涉及到生物化学、物理化 学等方面的变化，所以目前从整个行业来 看，对速冻食品并没有进行很深入很透彻 的剖析和研究。