玻璃化转变温度及其对干燥食品加工贮藏稳定性的影响

玻璃化转变温度及其对干燥食品加工贮藏稳定性的影响

周顺华,陶乐仁,刘宝林(上海理工大学制冷及低温技术研究所,上海200093) 摘要: 在玻璃化转变的相关基础理论上,综述了影响玻璃化转变温度的主要因素,指出了玻璃化转变温度作为建立在动力控制过程的非平衡态基础上的物理化学参数,与水分含量和水分活度两重要指标相结合,可以用来解释干燥食品加工贮藏中引起食品腐败变质的各种动力学过程。

关键词: 玻璃化转变温度; 水分活度; 干燥食品

中图分类号:TS205文献标识码:A文章编号:1006-7086(2002)01-0046-05

GLASS TRANSITION TEMPERATURE AND ITS IMPLICATION FOR DRYING AND STABILITY OF DRIED FOODS

ZHOU Shun-hua,TAO Le-ren,LIU Bao-lin(Institute of Cryogenic Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract: On the basis of the related essential glass transition theory, the main effects on glass transition temperature including composition, molecular weight and plasticization were debated. The importance of the glass transition temperature as a physicochemical parameter in food systems was alsoemphasized. Together with the two indices of the moisture content and the water activity, the application of the glass transition temperature in the process and storage of drying food was also explicated in detail.

Key words: glass transition temperature; water activity; drying food

1 引言

用玻璃化转变温度预测干燥食品加工贮藏稳定性是一种新方法。玻璃化转变温度结合水分含量、水分活度两个重要指标,可以判断、预测食品的货架期和贮藏期,帮助择定有效的食品加工与贮藏条件,确保食品系统贮藏质量、安全性和稳定性。作者从影响玻璃化转变温度的主要因素出发,阐述了玻璃化转变温度这个物理化学参数在干燥食品加工贮藏稳定性中的重要性。

2 相关理论

2.1 玻璃化转变

聚合物科学中,玻璃化转变是指非晶态聚合物(包括晶态聚合物中的非晶部分)从玻璃态到橡胶态或从橡胶态到玻璃态的转变,此时链段的微布朗运动在冷却时被冻结或在升温时被解冻,其特征温度称为玻璃化转变温度,用T g表示。当T1014Pa·s),自由体积份额很小,仅为0.020~0.113[1,2,4,5],各种受扩散控制的松弛过程进行得十分缓慢,甚至不会发生。相反,当T>T g时,体系所处的状态为橡胶态,此时可能出现整个聚合物链的平动,体系黏度急剧降低,自由体积由于热膨胀系数的增大而显著增大,各种受分子扩散运动控制的变化反应相当快。

2.2 玻璃化转变温度的影响因素

影响聚合物体系玻璃化转变温度的主要因素包括体系的组成成分、平均分子量及增塑剂等[1,6~12]具体阐述如下:

(1) 组成成分对T g的影响。

Gordon-Taylor方程[1~6,9,11~16]表达了聚合物体系的组成成分对其T g的影响。该方程适用于二元溶液系统,形式如下

(1)

式中 w 1、w 2分别是组分1和2的质量分数;T g1、T g2分别是组分1和2的玻璃化转变温度;k 为实验常数。Couchman 和Karasz [1~4,9]对上述方程进行了改进,定义k=Δc p2/Δc p1,Δc p1和Δc p2分别为组分1和组分2在Tg1和Tg2时的比热容变化。此外,Roos[21]提出对于碳氢化合物,k 可以运用下式估算

(2)

式中,T gs 是体系中固体成分干燥态时的玻璃化转变温度。Roos(1995)、Blanshard(1993)等[2]认为Couchman 和Karasz 方程还可推广并应用到多组分系统中,对于一个n 组分的系统,Couchman 和Karasz 方程形式为 (3) (2) 平均分子量对T g 的影响。

T g 对分子量的依赖性最早是由Fox 和Flory [1,2,11]提出来的。他们认为:在低分子量时,高聚物的T g 值与其分子量有关,随平均分子量的增加而增大,当分子量超过某一临界值(临界分子量)时,T 不再依赖于分子量,趋于一个常数。Roos 和Karel [11]针对麦芽糖及麦芽糊精进行研究,进一步证实了上述结论,即

(4)

式中M e ’为有效分子量,它对T g 的影响可以从分子结构来解释。在低分子量时,每个链的中间部分和它末端部分的活动性是不一样的。中间部分的两边都受其它的单体单元牵制,而链的末端只受一个单体单元牵制,链端的活动性大于链中间部分的活动性。因此对含有较多末端的低分子量高聚物,在较低温度时便能达到含有较少链末端的高分子量高聚物相同的链活动性。故分子量越低,链端链段的比例越高,所以T g 也越低。随着分子量的逐渐增大,链端链段比例不断减少,所以T g 不断升高。可见,化学结构也是影响T g 的重要因素,对于具有相同分子量n n

i=1 i=1