基于玻璃化转变理论的蓝莓粉吸湿机制

楚文靖，孙 悦，肖柳柳，陈安弟，陶雅妮

（黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041）

蓝莓营养丰富、风味独特，富含花色苷、黄酮醇、酚酸等生物活性物质，具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤和保护心脏等保健功能[1]。蓝莓脱水制品是其主要的加工产品，蓝莓粉可以作为营养强化剂、风味增强剂、天然色素等添加到食品中，提升食品的营养价值和感官品质，在食品工业有广泛的应用。然而，蓝莓粉在加工贮藏过程中很容易吸湿黏聚，甚至结块、液化，严重影响产品品质。因此，揭示蓝莓粉吸湿机制是高品质蓝莓果粉加工贮藏亟需解决的重要问题。

果粉是一种无定形的干粉状颗粒，易从周围环境中吸收水分，具有高度的吸湿性。玻璃化转变温度（Tg）是指非晶态聚合物从玻璃态转变至橡胶态时对应的温度，是影响粉体的吸湿结块性质的重要因素[2]。当温度高于Tg时，粉体处于橡胶态，分子流动性增加，从而促进溶剂（水）和溶质的扩散，加速结块倾向[3]；
反之，粉体处于玻璃态，分子运动能量低，受分子扩散运动控制的变化反应减慢，稳定性增强，可避免吸湿结块[4]。已有报道通过玻璃化转变与水分活度（aw）构建状态图来评价和预测食品的贮藏稳定性。Shi Qilong等[5]通过构建状态图发现冻干双孢蘑菇的湿基水分含量由0.029 g/g增加至0.298 g/g时，Tg由－11.4 ℃降至－68.3 ℃，同时根据状态图预测了双孢蘑菇最适贮藏条件及货架期。状态图也被用于预测圣女果粉[6]、枣粉[7]和枸杞粉[8]等果粉体系的稳定性。熵焓互补理论可用来进一步分析促使水分吸附的熵焓驱动情况。有研究表明枣粉的水分吸附过程主要是熵驱动[9]，而最新研究则发现冬枣粉的吸湿过程则为焓驱动的非自发反应[10]。

本实验基于玻璃化转变理论系统研究两品种蓝莓粉的吸湿等温线和玻璃化转变温度，通过构建状态图，探讨两品种蓝莓粉水分含量、水分活度及玻璃化转变温度的关系；
通过动力学和热力学分析阐述蓝莓粉的吸湿机制，以期为蓝莓粉的稳态化贮藏提供理论支持。

1.1 材料与试剂

‘珠宝’蓝莓和‘海岸’蓝莓采自安徽省黄山市蓝莓生态园，挑选成熟度一致，大小均匀的果实置于－18 ℃冰箱备用。

溴化锂、氯化锂、氯化镁、碳酸钾、氯化钴、氯化钠、氯化钾、碳酸钾、碳酸钠、Folin-Ciocalteu试剂、没食子酸、麝香草酚等（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Spectra Max-190全波长酶标仪 美国Molecular Devices公司；
Discovery DSC 250差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 美国TA仪器；
S-3400N扫描电子显微镜 日本日立公司；
DX612C定温干燥箱、IN812C型低温恒温培养箱 重庆雅马拓科技有限公司；
CR-10plus色差仪 日本柯尼卡美能达公司；
HE83水分测定仪 梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蓝莓粉的制备

两种蓝莓室温下解冻，70 ℃热风干燥至恒质量。然后用低温超微粉碎机研磨成粉。置于底部装有P2O5的干燥器中约30 d，得到近似完全干燥的蓝莓粉，记为绝干蓝莓粉。

1.3.2 蓝莓粉品质相关指标的测定

将绝干蓝莓粉在25 ℃、相对湿度75%条件下吸湿至恒质量，即为吸湿后的蓝莓粉。

色泽：采用CR-10 plus手持色差仪分别测定绝干蓝莓粉的色泽（L0*、a0*、b0*值）和吸湿后蓝莓粉的色泽（L*、a*、b*值），L*值代表亮度从黑（L*＝0）到白（L*＝100），a*值代表从绿（－）到红（＋），b*值代表从蓝（－）到黄（＋）。按式（1）计算吸湿处理前后的色差ΔE。

湿基水分含量：采用快速水分测定仪测定。

休止角和结块度：采用马占强[11]的方法进行测定。

花色苷含量：采用pH示差法[12]进行测定，单位为mg/100 g。

总酚含量：采用Folin-Ciocalteu法[13]测定，单位为mg/100 g。

微观结构：采用扫描电子显微镜观察吸湿前后蓝莓粉的微观组织形态，加速电压15 kV，放大倍数500 倍。

1.3.3 蓝莓粉吸湿等温线测定及模型拟合

采用静态称量法分别测定两种绝干蓝莓粉在不同温度（5、15、25、35、45 ℃）和不同水分活度下（0.057～0.985）的水分吸附数据。称取1.000 0 g样品于康威皿内室，外室分别放入不同饱和盐溶液以设置不同水分活度（表1）。当aw＞0.75时，康威皿中放置适量的麝香草酚抑制霉菌生长。然后置于不同温度的恒温培养箱中，每24 h称量1 次质量，直至连续两次质量差不超过1 mg，即为样品吸湿平衡。吸湿后蓝莓粉的平衡干基水分含量按照式（2）计算，绘制不同温度下两种蓝莓粉的吸湿等温线。

表1 不同温度下饱和盐溶液对应的水分活度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是吸湿平衡样品的质量/g；
md是绝干样品的质量/g。

采用8 种数学模型（表2）[14-15]对蓝莓粉吸湿等温线进行拟合，根据决定系数（R2）、误差平方和（sum of squared errors，SSE）、均方根误差（root mean square error，RMSE）确定模型拟合精度，其中R2越大、RSS与RMSE越小，表明模型的拟合精度越高。将实际平衡干基水分含量与GAB模型预测值进行线性回归拟合，分析二者的相关性。

表2 吸湿等温线的拟合模型Table 2 Fitting models for moisture sorption isotherms

1.3.4 蓝莓粉玻璃化转变温度测定及模型拟合

采用DSC仪测定25 ℃不同水分活度（0.06、0.11、0.33、0.43、0.65、0.75）下吸湿平衡样品的玻璃化转变温度（Tg）。aw为0.06～0.50的样品DSC扫描程序为：扫描温度20～－70 ℃，扫描速率20 ℃/min，保持5 min，然后以相同速率加热至100 ℃[8]；
aw为0.50～0.75的样品DSC扫描程序为：扫描温度20～－90 ℃，扫描速率20 ℃/min，保持5 min，然后以相同速率加热至100 ℃[16]。

分析热流曲线，得到玻璃化转变的初始点（Tgi）、中点（Tgm）、终点（Tge），其中Tgm即样品的玻璃化转变温度[13]。对样品的Tgm和aw进行线性回归分析，采用Gordon-Taylor方程（式（3））拟合两种蓝莓粉的Tgm和干基水分含量，根据GAB模型和Gordon-Taylor方程拟合结果，绘制‘珠宝’和‘海岸’两种蓝莓粉25 ℃下的状态图。

式中：Tgm、Tgs、Tgw分别为样品、溶质和水的玻璃化转变温度/℃，Tgw为－135 ℃；
Xs、Xw分别为溶质湿基水分含量/（g/g）和平衡水分含量/（g/g）；
K为Gordon-Taylor方程拟合参数。

1.3.5 蓝莓粉净等量吸附热和微分熵

根据Peleg模型拟合的结果计算两种蓝莓粉的净等量吸附热qst和微分熵ΔSd。

净等量吸附热qst是指在给定的温度条件下，吸附等温热超出纯水蒸发潜热的部分。主要反映水分子与固体基质吸附位点作用力的强弱，可依据Clausius-Clapeyron方程（式（4））[17]计算。

从式（4）中可以看到，若物料的平衡水分含量是一定的，即可根据lnaw与1/T之间的关系，进行线性回归拟合，可以通过所求得的斜率确定所研究物料的净等量吸附热qst。

ΔSd的大小与水分子和物料之间的吸引力或排斥力有关，ΔSd主要用于量化水分吸附过程中吸附位点数目的变化，为了解物料基质内部结构变化提供参考。可根据Gibbs-Helmholtz方程（式（5））计算得到。

将吉布斯自由能计算公式ΔG＝－RTlnaw代入式（5），可以得到净等量吸附热与微分熵之间的关系式（式（6））。

式（4）～（6）中：qst为净等量吸附热/（kJ/mol）；
ΔSd为微分熵/（kJ/（mol·K））；
ΔG为吉布斯自由能/（kJ/mol）；
R为气体常数（8.314×10－3kJ/（mol·K））；
aw为水分活度；
Me为干基水分含量/（g/g）；
T为绝对温度/K。

1.3.6 蓝莓粉吸湿过程的熵焓互补理论分析

熵焓互补理论可用于评估水分吸附过程中发生的理化现象，qst与ΔSd关系如式（7）所示。

式中：Tβ为等速温度/K，即吸湿过程中所有反应都以相同速度进行的温度；
ΔGβ为Tβ时的吉布斯自由能/（kJ/mol）。

当调和温度Thm≠Tβ时，熵焓互补理论才适用；
若Thm＜Tβ，水分吸附过程为焓控制，反之，则为熵驱动[18]。调和温度Thm按式（8）计算。

式中：n为等温线总数；
Ti为水分吸附实验设定温度/℃。

1.4 数据处理与分析

所有实验均重复3 次，结果以平均值±标准差表示。采用SPSS 26软件进行t检验，P＜0.05表示差异显著，采用Origin 2019b软件作图。

2.1 吸湿对蓝莓粉品质的影响

由表3可知，吸湿后两个品种蓝莓粉湿基水分含量明显增加，吸湿前后两个品种蓝莓粉的总酚、总花色苷、色泽、流动性等指标均发生明显变化，吸湿后花色苷和总酚含量显著减少（P＜0.05），休止角和结块度显著增加（P＜0.05），粉体的流动性显著变差。如图1所示，吸湿前绝干的蓝莓粉表面较光滑，颗粒分散，而吸湿后颗粒黏聚，甚至结块。有研究表明环境相对湿度提高，芒果粉表面会出现糖结晶化现象，表面出现的粗糙颗粒为糖晶体[19]，与本研究结果相似。

表3 吸湿对‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉品质特性的影响Table 3 Effect of moisture sorption on quality characteristics of‘Jewelry’ and ‘Coast’ blueberry powder

图1 干燥蓝莓粉与吸湿蓝莓粉微观结构对比Fig.1 Changes in the microstructure of blueberry powder before and after moisture sorption

2.2 两种蓝莓粉的吸湿等温线及模型拟合结果

2.2.1 不同温度蓝莓粉的吸湿等温线

两品种蓝莓粉在5、15、25、35、45 ℃下的吸湿等温线如图2所示，蓝莓粉的平衡水分含量随着水分活度的增大而逐渐增大，呈现出典型的“J”型，属于III型等温线[20]。aw为0.06～0.6时，平衡干基水分含量变化较小，温度对水分含量影响不明显；
aw高于0.6时，温度升高，水分含量则表现为快速增加。此现象的出现原因是蓝莓粉中含有大量糖酸类物质，在高水分活度的条件下糖酸表面吸附位点增多，能够吸收更多水分[21]。这一现象与Fabra[22]和Range-Marrón[23]等研究葡萄柚和冻干芒果片的水分吸附特性结果一致。对比‘海岸’和‘珠宝’蓝莓粉的吸湿等温线，可以看出在aw较高时，‘海岸’的平衡干基水分含量较高于珠宝，说明‘海岸’蓝莓粉的吸湿能力更强。

图2 ‘海岸’（A）和‘珠宝’（B）蓝莓粉在不同温度下的吸湿等温线Fig.2 Moisture sorption isotherms of ‘Coast’ (A) and ‘Jewelry’ (B)blueberry powder at different temperatures

2.2.2 吸湿等温线模型拟合

采用8 种吸湿等温线模型对两种蓝莓粉的aw和Xeq数据进行非线性回归统计，其中拟合精度最高的GAB和Peleg模型拟合参数值如表4所示，Peleg模型和GAB模型拟合精度相当，但Peleg模型常数无实际意义。GAB模型广泛应用于水果吸湿等温线模型，且能够得出果粉的单分子层水含量[24]；
另一方面，两品种蓝莓粉吸湿后水分含量的实验测定结果与GAB模型预测值均呈现较高的相关性（图3）。因此，描述蓝莓粉水分吸附特性最适模型为GAB模型。

表4 GAB和Peleg模型拟合参数值Table 4 Fitting parameters of GAB and Peleg models

图3 平衡水分含量实测值与GAB模型预测值线性回归拟合结果Fig.3 Comparison of the measured value of equilibrium moisture content with the predicted value of GAB model

2.3 两种蓝莓粉的玻璃化转变温度及状态图

2.3.1 玻璃化温度的测定结果及模型拟合

温度25 ℃、aw为0.432条件下吸湿平衡的‘海岸’和‘珠宝’蓝莓粉的玻璃化转变温度如图4所示。当aw≤0.75时，海岸和珠宝的DSC曲线均出现明显的玻璃化转变，未出现熔融峰，说明仅有非冻结水，无冻结水。这与Chen Qinqin[25]、Rahman[26]等的测定结果相似。

图4 ‘海岸’（A）和‘珠宝’（B）蓝莓粉的DSC曲线（aw＝0.432）Fig.4 Differential scanning calorimetry (DSC) curves of ‘Jewelry’ (A)and ‘Coast’ (B) blueberry powder (aw=0.432)

不同水分含量蓝莓粉的玻璃化转变温度如表5所示，随着‘海岸’和‘珠宝’蓝莓粉的水分含量不断增加，其Tgm明显降低。当‘海岸’蓝莓粉的干基水分含量由0.003 g/g增加到0.285 g/g时，Tgm由－2.24 ℃降低到－63.80 ℃；
当‘珠宝’蓝莓粉的干基水分含量由0.002 g/g增加到0.297 g/g时，Tgm由－4.53 ℃降低到－63.21 ℃。样品的Tgm随着水分含量的增加而显著降低，这是由于水在无基质组分中的塑化效应造成的[27]。对样品的Tgm和aw进行线性回归分析，发现Tgm与aw具有显著相关性，‘海岸’和‘珠宝’蓝莓粉的Tgm对aw的线性回归方程分别为：Tgm＝－218.7aw－3.389（R2＝0.990），Tgm＝－200.4aw－4.827（R2＝0.999）。

表5 两种蓝莓粉在不同水分含量下的玻璃化转变温度Table 5 Glass transition temperatures of the two blueberry powders at different moisture contents

采用Gordon-Taylor方程对两种蓝莓粉的Tgm和干基水分含量进行拟合，如图5所示，‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉拟合曲线的R2分别为0.977 4、0.973 9，RMSE分别为2.564 4、2.875 8，说明Gordon-Taylor方程拟合精度较好。

图5 ‘海岸’和‘珠宝’蓝莓粉的Tgm与干基水分含量的关系Fig.5 Relationship between glass transition temperatures and moisture content based on dry basis of ‘Jewelry’ and ‘Coast’ blueberry powder

2.3.2 状态图分析结果

如图6所示，当蓝莓粉贮藏温度为25 ℃时，通过GAB模型得到‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉的单分子层水含量分别为0.104 5 g/g和0.107 7 g/g，对应的aw分别为0.478 7和0.503 0，并从Gordon-Taylor方程拟合曲线上得出Tgm分别为－30.30 ℃和－32.66 ℃。根据玻璃化转变理论，温度低于Tgm时，体系处于玻璃态，最稳定。因此，‘珠宝’‘海岸’蓝莓粉分别在干基水分含量≤0.104 5 g/g，贮藏温度≤－30.30 ℃以及干基水分含量≤0.107 7 g/g、贮藏温度≤－32.66 ℃的条件下，有较好的贮藏稳定性。通过对比发现，本实验中蓝莓粉的Tgm比枸杞粉[8]和圣女果粉[6]的Tgm低，这可能与不同原料果实的组成成分有关，蓝莓粉富含小分子糖和有机酸等物质，这些富含羟基的小分子物质与水分子更容易形成氢键，导致蓝莓粉吸湿性更强，玻璃化转变温度更低。

图6 ‘珠宝’（A）和‘海岸’（B）蓝莓粉的状态图Fig.6 State diagrams of ‘Jewelry’ (A) and ‘Coast’ (B) blueberry powder

2.4 两种蓝莓粉吸湿过程中的净等量吸附热及微分熵

根据Peleg模型拟合的结果计算两种蓝莓粉的净等量吸附热qst和微分熵ΔSd，二者与干基水分含量关系分别如图7、8所示。由图7可以看出，在低水分含量下，qst随着水分含量的增加呈指数下降。当干基水分含量从0.01 g/g升到0.30 g/g，‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉的qst分别从13.24、10.91 kJ/mol下降至0.95、1.16 kJ/mol；
当干基水分含量高于0.30 g/g时，两个品种蓝莓粉的qst分别趋于稳定。这表明在低水分含量下除去蓝莓粉中存在的水分需要更高的能量，蓝莓粉活性极性吸附位点通过较强的作用力吸附水分子，形成单分子层水；
随着水分含量的增加，蓝莓粉进一步吸附更多的多层水，当qst逐渐恒定时，吸附的水分大部分是自由水[28-29]。ΔSd的变化趋势与qst相似，当粉体干基水分含量从0.01 g/g升到0.30 g/g，ΔSd迅速下降，在高水分含量下ΔSd趋于稳定。这说明蓝莓粉在吸湿过程中吸附水分子的位点逐渐减少，在高水分含量下，活性位点趋于饱和[28-29]。Tao Yang等[30]通过对比3 种形式的蓝莓粉发现，ΔSd的变化与蓝莓粉中的有效吸附位点相关，在蓝莓粉吸附过程中，随着吸附的水分子的增多，水的流动性增大，ΔSd减小。

图7 海岸’和‘珠宝’蓝莓粉qst随干基水分含量变化的曲线Fig.7 Variation in net isosteric heat of sorption of ‘Jewelry’ and ‘Coast’blueberry powder with moisture content based on dry basis

图8 ‘珠宝’‘海岸’蓝莓粉ΔSd随干基水分含量变化的曲线Fig.8 Variation in differential entropy of ‘Jewelry’ and ‘Coast’blueberry powder with moisture content based on dry basis

2.5 蓝莓粉吸湿过程中的熵焓互补理论分析结果

qst和ΔSd的关系如图9所示。两品种蓝莓粉的qst和ΔSd均呈线性关系，说明熵与焓的互补情况存在。‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉的Tβ值分别为213.43、184.03 K。经式（8）计算得到的Thm为297.48 K。Tβ≠Thm，说明本实验的熵焓互补理论成立，即该理论适用于蓝莓粉的水分吸附过程。此外，Tβ＜Thm，表明蓝莓粉的吸湿过程属于熵驱动。两品种蓝莓粉的ΔGβ均大于0，说明该吸湿过程是非自发的，由此可知，可以通过控制环境能量水平以实现蓝莓粉的良好贮藏，延缓各种不良反应的发生。

图9 ‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉微分熵与净等量吸附热之间的关系Fig.9 Relationship between differential entropy and net isosteric heat of sorption of ‘Jewelry’ and ‘Coast’ blueberry powder

吸湿导致蓝莓粉品质劣变，粉体黏聚。本研究表明，‘珠宝’和‘海岸’蓝莓粉水分吸湿等温线均呈“J”型，描述其水分吸附特性的最适模型是GAB模型，‘海岸’比‘珠宝’的吸湿力更强。两品种蓝莓粉的玻璃化转变温度均随水分含量增加而降低，当‘珠宝’蓝莓粉的干基水分含量由0.002 g/g增加到0.297g/g时，Tgm由－4.53 ℃降低到－63.21 ℃；
‘海岸’蓝莓粉的干基水分含量由0.000 3 g/g增加至0.285 g/g时，Tgm由－2.24 ℃降低到－63.80 ℃。由状态图可知，‘珠宝’蓝莓粉在干基水分含量≤0.104 5 g/g、温度≤－30.30 ℃的条件下，‘海岸’蓝莓粉在干基水分含量≤0.107 7 g/g、温度≤－32.66 ℃的条件下贮藏有较好的稳定性。蓝莓粉的qst与ΔSd随着水分含量的增加而降低，最后趋于平衡。因此，熵焓互补理论适用于蓝莓粉吸湿过程，该过程为熵驱动、非自发的变化。