第八节 分子流动性与食品稳定性

一、概述

除了a_w是预测、控制食品稳定性的关键指标外，分子流动性（Molecular mobility，Mm，移动或转动）也是一个重要的参数。分子流动性是分子的旋转移动和平动移动性的总度量（不包括分子的振动），它与食品中许多重要的扩散限制性质有关。决定分子流动性关键成分是水和食品中占支配地位的非水成分。这类食品包括含淀粉食品、蛋白质类食品、中等水分含量食品、干燥或冷冻干燥食品。表2-9所示为食品中与分子流动性相关的某些性质。

在深入讨论分子流动性和食品稳定性的关系之前，先介绍几个相关的专业术语：

（1）无定形（Amorphous）这是一种物质的非平衡、非结晶状态。当饱和条件占优势并且溶质保持非结晶时，此过饱和溶液可被称为无定形。此时微观粒子无规则排列，近程有序，远程无序。

（2）玻璃态（Glass state，Glassy）是聚合物的一种状态，它既像固体一样有一定的形状和体积，又像液体一样分子间排列只是近程有序，因此是非晶态或无定形态。处于此状态的聚合物的链段运动被冻结，只允许小尺寸的运动。其形变很小，类似于坚硬的玻璃，因此称为玻璃态。

（3）玻璃化转变温度（Glass transition temperatureT_g，）高聚物转变为柔软而具有弹性的固体，称为橡胶态。无定形食品从玻璃态到橡胶态的转变称为玻璃化转变，此时的温度称为玻璃化转变温度。是特殊的T_g，仅适用于含有冰的试样。对于一个复杂试样，当温度低于T_g或时，除水分子外的所有分子停止移动，仅保留有限的转动和振动。当食品发生玻璃化转变时，其物理和力学性能都发生急剧变化，如比热容、膨胀系数等发生突变。该变化可用差示扫描量热法测定。

（4）大分子缠结（Macromoleculer entanglement）这是指大的聚合物以随机的方式相互作用，没有形成化学键，有或者没有形成氢键。当大分子缠结很广泛时（需要达到大分子的一个最低临界浓度和时间），会形成黏弹性缠结网。

当一个食品被冷却或水分含量减少，以至于全部或部分转变成玻璃化状态时，Mm显著降低，食品的扩散限制的性质也将变得稳定。在大多数情况下，a_w和Mm方法对研究食品稳定性有较好的互补性。a_w方法主要用于反映食品中水的可利用性，如水作为溶剂的能力，而Mm方法则主要用于衡量食品的微观黏度（Microviscosity）和化学组分的扩散能力。因此，从a_w与Mm方法适用对象来看，二者各有优劣：就预测不含冰的产品中微生物生长和非扩散限制的化学反应速度而言，应用a_w法更有效；针对扩散限制的性质（如冷冻食品物理性质、冷冻干燥的最佳条件和结晶、胶凝等物理变化）评估，Mm方法更有效。

二、状态图

状态图（State diagrams）可用于说明冷冻或水分含量减少的食品的Mm和稳定性之间的关系。通常以水和在食品中占支配地位的溶质作为二元物质体系绘制食品的状态图。在恒压下，以溶质含量为横坐标，以温度为纵坐标作出的二元体系的简化温度-组成状态图，如图2-25所示。

图中粗虚线代表介稳定平衡，所有其他的线代表平衡状态，如果食品状态处于玻璃化曲线（T_g线）的左上方又不在其他稳态或介稳态线上，食品就处于不平衡状态。

三、分子流动性与食品属性的关系

（一）许多食品含有无定形组分并且以介稳平衡或非平衡状态存在

复杂的食品往往含有无定形区（非结晶固体或过饱和液体），参与形成这些区域的组分包括蛋白质（例如明胶、弹性蛋白和面筋蛋白）和碳水化合物（支链淀粉和直链淀粉）；许多小分子，如蔗糖也能以无定形状态存在。所有干燥、部分干燥、冷冻和冷冻干燥食品都含有无定形区。

无定形区是以介稳平衡或非平衡状态存在，此时食品稳定性不会很高。但是优良品质往往需要食品处于非平衡态，例如硬糖果（无定形固体）是一个常见的介稳状态食品的例子。所以食品加工的重要目标是使食品在非平衡状态下能达到可接受的稳定性，同时最大限度地使食品具有好的品质。

（二）大多数物理变化和一些化学变化的速度由分子流动性（Mm）决定

由于大多数食品是以介稳或非平衡状态存在的，所以动力学方法比热力学方法更适于了解、预测和控制它们的性质。因为当物质处于完全的玻璃态时，其Mm值几乎为零，即此时体系的自由体积很小，使分子的移动和转动变得困难。因此，当食品保藏的温度低于T_g时，由扩散限制的食品性质的稳定性一般是很好的。

然而，基于分子流动性评价食品性质时，在以下情况下该方法仍有待商榷。这些情况包括：

（1）其反应速度未显著受扩散影响的化学反应；

（2）通过特定的化合物的作用（例如改变pH或氧分压）所达到的期望或不期望的效应；

（3）试样的Mm是根据一个聚合物组分（聚合物的T_g）估计的，而渗透进入聚合物基质的小分子的Mm才是决定产品重要性质的关键因素；

（4）微生物细胞的生长（a_w是比Mm更可靠的估计指标）。

在温度和压力恒定时，3个主要因子决定着化学反应的速度。它们是：①扩散因子D（反应物相互接触的状况）；②碰撞频率因子A（单位时间碰撞的次数）；③化学活化能因子E_e（反应物能量必须超过活化能）。如果D对反应的限制性大于A和E_e，那么反应就是扩散限制反应，例如质子转移反应、自由基重新结合反应、酸-碱反应（包括H+和OH-的输送）、许多酶催化反应、蛋白质折叠反应、聚合物链增长反应以及血红蛋白和肌红蛋白的氧合/去氧等。

此外，当温度下降至低于冰点或水分减少至溶质饱和/过饱和时，许多非扩散限制反应可能转变为扩散限制反应。这可能是由于温度的下降也提高了黏度，水分含量的减少也会导致黏度的显著提高。因此，用分子流动性预测具有扩散限制反应的速率很有用，而对那些不受扩散限制的反应变化（如微生物的生长），应用分子流动性是不恰当的。

（三）自由体积在机制上与Mm相关

自由体积（Free volume）是指没有被分子占据的空间。当温度下降时，自由体积减少，使分子移动和转动（Mm）更加困难，这对聚合物链段的运动和食品中局部的黏度有直接的影响。当冷却至T_g时，自由体积变得非常小，以至于聚合物链段的移动停止。于是，当温度＜T_g时，食品扩散限制性质的稳定性一般是好的。

加入一种低相对分子质量的溶剂，例如水，或者提高温度，或同时采取这两个措施，可以增加自由体积（通常是不期望的），这不利于食品的稳定性。自由体积与Mm呈正相关，减少自由体积在某种意义上有利于食品的稳定性，但不是绝对的，而且，迄今为止自由体积还不能作为预测食品稳定性的定量指标。

四、分子流动性与状态图的关系

（一）大多数食品具有玻璃化相变温度（T_g或T_g′）或范围

食品一般都具有无定形区。在生物体系中，溶质很少在冷却或干燥时结晶，所以无定形区和玻璃化相变是常见的。Mm和所有扩散限制的变化，包括许多变质反应，在低于T_g时通常受到严格的限制。然而，许多食品保藏的温度T高于T_g，比起保藏温度低于T_g的食品，其Mm要高得多且稳定性差得多。

对于仅含有几个组分的试样，已有几个方程式可用来计算它们的T_g，当试样的成分和各个组分的T_g已知时，这个方法能提供一个有价值的估计。应用于二元体系的最早、最简单的方程式是由Gordon和Taylor提出的：

式中 T_g1和T_g2—分别代表试样中组分1（水）和组分2的玻璃化相变温度，K；

W₁和W₂—试样中组分1和组分2的质量分数；

K—经验常数。

（二）在T_m（融化或溶解温度）和T_g之间，分子流动性、扩散限制性食品的性质与温度的相关性很强

在10～100℃的温度范围内，含有无定形区的食品的Mm和黏弹性质显示出较强的温度依赖性。大多数分子的流动性在T_m时很强，而在T_g或低于T_g时被抑制。Mm的温度依赖性和与Mm相关的食品性质的温度依赖性，在T_m-T_g区间内远强于此范围以外的温度。

（三）水的增塑作用及对T_g的影响

对于亲水性和含有无定形区的食品材料，水是一种特别有效的增塑剂，并且显著地影响着T_g。一方面，水的分子质量较食品中其他成分（蛋白质、糖等）小得多，可以方便地提供分子链活动所需的空间，进而降低体系T_g。另一方面，当组分与水相溶后，水可以与其他成分分子上的极性基团相互作用，减少本身分子内外的氢键作用，从而刚性降低、柔性增强，T_g降低。一般情况下，每加入1%（质量分数）水，T_g降低5～10℃。需注意的是，水必须被吸收至无定形区时才会发挥增塑作用。

（四）溶质的类型和相对分子质量对T_g和T_g′的影响

是特定溶质的最大冷冻浓缩溶液的玻璃化转变温度，是T_g的一个特定值。溶质的类型和水分含量显著影响T_g，而主要取决于溶质的类型，水分含量（起始）对的影响较小。

对于蔗糖、糖苷和多元醇，随着溶质相对分子质量（M_r）增加，（和T_g）成比例提高。这是由于分子的移动随分子质量增大而降低，因此大分子质量的分子需要更高的温度才能运动。然而，当溶质的M_r大于3000（淀粉水解产物的葡萄糖当量DE＜～6）时，T_g与M_r无关。图2-26所示为不同水解程度的淀粉水解产物的数均相对分子质量M_n和的关系图。由图可见，不同水解产品的功能性质与其平均分子质量及相关。

绝大多数高M_r的生物聚合物具有类似的玻璃化曲线，并且它们的都在-10℃左右。多糖（如淀粉、糊精、纤维素、半纤维素、羧甲基纤维素、葡聚糖和黄原胶）及蛋白质（如面筋蛋白、麦谷蛋白、麦醇溶蛋白、玉米醇溶蛋白、胶原、明胶、弹性蛋白、角蛋白、清蛋白、球蛋白和酪蛋白），它们的都在此范围。

一般当温度在低于T_g而高于这一范围内，食品能更好地保留其性质，尤其是物理性质。相比之下，采用T_g预测化学性质的稳定性时可靠性较低。温度低于试样的T_g时，一些化学反应的速度被抑制。例如，某温度（T）下，试样中非酶褐变的反应速度随T与T_g差值（T-T_g）的增加而提高；当温度远低于试样的T_g时，反应终止（图2-27）。

（五）分子的缠结能显著地影响食品的性质

当溶质分子足够大（以碳水化合物为例，M_r＞～3000，DE＜～6）并且溶质浓度超过临界值时，在足够的时间内大分子的缠结能形成缠结网状结构（EN）。除碳水化合物，蛋白质也能形成EN，这方面的实例包括面团中的面筋蛋白和仿制马苏里拉奶酪（Mozzarella）中的酪蛋白酸钠。

EN对食品性质产生显著的影响。例如，一些实验证据显示EN能减缓冷冻食品的结晶速度，阻滞焙烤食品中水分的迁移，这些有助于保留早餐谷物食品的脆性，减少糕点和馅饼外壳的湿润性，以及促进干燥、凝胶形成和胶囊化过程。一旦形成EN，进一步提高M_r不仅会使T_g或的进一步提高，而且会产生坚硬的网状结构。

五、与分子流动性有关的工艺过程

（一）冷冻过程和冷冻食品

冷冻法是长期保藏大多数食品的最有效方法之一，其作用主要来自低温而不是形成冰。在具有细胞结构的食品或凝胶食品中，冰晶的形成会导致两个非常不利的后果：①未冻结相中非水组分的浓度变大；②水结成冰时，体系体积增加9%。

1.水的冷冻曲线

水的冷冻曲线即液态水的温度-时间曲线。将曲线的水平部分YZ外延至与线WX相交（图2-28），此点即为纯水的冰点（T_fp）。冷冻曲线下降至冰点以下表明存在过冷现象。在水的晶核以及接下来的冰结晶形成之前，存在着一个短促的温度下降时期，随后温度上升，这是由水的熔化潜热所导致。水溶液的冷冻曲线在熔化潜热释放后一般不出现一个水平部分，这是因为冰结晶形成时溶液逐渐被浓缩，导致冰点T_fp逐渐下降。

虽然过冷和熔化潜热的释放也出现在食品的冷冻过程中，但是食品中水的实际冷冻曲线是很少与图2-28中所示的理想冷冻曲线相同。纯水的冰点为0℃，而大多数食品由于存在着各种溶质，冰点范围为-5～0℃。

随着冷冻浓缩的进行，未冻结相的诸多性质，包括pH、离子强度、黏度、冰点、张力和氧化还原电位等都将发生明显的变化。此外，还将形成低共熔混合物，溶液中过饱和的氧和二氧化碳逸出，水的结构、水-溶质相互作用也剧烈的发生改变，同时大分子之间互相靠近可能会导致聚集的发生，有利于提高反应速度。

由此可见，冷冻对反应速度会产生两个相反的效果：降低温度使反应速度下降，而冷冻浓缩效应有时却使反应速度提高。因此，在冰点以下温度时，反应速度不能很好地符合Arrhenius关系。

2.复杂食品的缓慢冷冻状态图

结合状态图能够更为详细地解释冷冻食品的冻结过程。因为缓慢冷冻会使体系更好地遵循液-固平衡曲线变化，并最终接近最大冷冻浓缩状态，所以首先考虑一个复杂食品的缓慢冷冻过程，如图2-29所示。

（1）从A点出发，除去显热后产品移至B，即试样的初始平衡冰点。

（2）由于晶核形成困难，进一步的热量除去会导致过冷而非冻结，直至到达C点体系才开始形成晶核。

（3）晶核形成后晶体会立即长大，在释放结晶潜热的同时温度升高至D。

（4）进一步除去热导致更多的冰形成，非冻结相浓缩，试样的冰点下降和试样的组成沿着D至T_E路线改变。对于复杂食品，T_E是具有最高低共熔点的溶质的T_Emax。在复杂的冷冻食品中，溶质很少在它们的低共熔点或低于此温度时结晶。在冷冻甜食中乳糖低共熔混合物的形成是一个例外，乳糖结晶会导致产品“砂质感”的质构缺陷。

（5）假定没有形成低共熔混合物，冰的进一步形成导致许多溶质的介稳定过饱和，未冻结相的组成沿着T_E至E的途径变化。E点对应温度是推荐的大多数冷冻食品的保藏温度，即-20℃。但是，E点温度高于玻璃化相变温度，因而在此温度下，Mm较强，受扩散限制的食品物理化学特性仍然具有较高的温度依赖性。

（6）从E点继续冷却，会有更多的冰形成，同时未冻结相进一步冷冻浓缩，直至温度到达。在，大部分过饱和未冻结相转变成包含冰晶的玻璃化状态。

（7）继续冷却不会导致进一步冷冻浓缩，仅仅是除去显热和朝着F点的方向改变产品的温度。低于，分子流动性Mm大大地降低，且扩散限制的性质通常是非常稳定的。

3.一些食品组分或食品的相变参数

在表2-10、表2-11、表2-12和表2-13所示为淀粉水解产物、氨基酸、蛋白质和食品的。这些是的观察值或表观值，因为在测定的条件下，最大冰形成（最大冷冻浓缩）几乎不可能达到。当产品含有的主要化学组分以两种构象形式存在时，或者当产品的不同区域中大分子与小分子溶质的比例不同时，会出现不止一个。此时，最高的通常被认为是最重要的。

由于大多数水果具有很低的，而保藏的温度一般又高于，因此在冷冻保藏时水果的质构稳定性往往较差。蔬菜的一般是很高的，或许可以预测它们的保藏期长于水果，然而，事实并非总是如此。限制蔬菜（或任何种类的食品）保藏期的质量特性随品种而异，有可能一些质量特性受Mm影响的程度不如其他质量特性。

根据表2-13中肌肉的，可以推断在典型的商业冻藏条件下，所有扩散限制的物理和化学变化均被有效地阻滞。由于鱼和肉中贮藏脂肪存在于与肌纤维蛋白分离的区域，因此在冻藏条件下，它们不受玻璃态基质的保护，表现出不稳定性。还需要指出，（温度在时食品中的未冻结水）的大部分应被认为是处在介稳定状态，它的流动性受到极大地阻碍。

通过下列措施可提高产品由扩散限制的稳定性：一是将保藏温度降低至接近或低于；二是在产品中加入高相对分子质量的溶质以提高。一般情况下，在低于一个所指定冰点的保藏温度下，高（通过加入水溶性大分子达到）和低使得冷冻结构坚硬并且保藏稳定性良好；反之，低和高（通过加入单体物质达到）易造成冷冻结构柔软并且保藏稳定性较差。

（二）干燥过程

干燥是食品贮藏加工中的主要方法之一，有利于延长货架期。在该过程中分子流动性逐渐减小，扩散受阻，从而削弱了食品中各组分间相互反应的能力。本部分就食品中常用的两种干燥方法加以讨论。

1.气流干燥

食品在恒温下经气流干燥的途径（温度—组成）见图2-29。图中指出的温度低于商业上使用的温度，以便与本章的标准状态图相联系。食品是一个复杂的体系，图中的曲线以食品中对曲线位置有着决定性影响的组分为基础制作。

（1）从A点开始，随着气流干燥的进行，产品的温度上升且水分散失，直至到达点H（空气的湿球温度）所描述的状态。

（2）进一步除去水分使产品到达并通过溶解度曲线上的I点，即起决定作用的溶质（DS）的饱和点，此时有少量或没有溶质结晶。

（3）当继续干燥至J点时，产品的温度达到空气干球温度。如果在J点终止干燥并将产品冷却至K点，那么产品此时的温度在玻璃化相变曲线之上，Mm较强，扩散限制性质的稳定性较差，且与温度有很强的依赖性。

（4）如果干燥继续从J点至L点，然后产品冷却至G点，它将处在T_g曲线的下方，此时Mm显著下降，同时扩散限制特性稳定，温度依赖性小。

总而言之，在气流干燥过程中需要清楚地了解食品状态图中的干燥曲线，从而选择适宜的干燥温度和条件。

2.真空冷冻干燥

图2-29所示为真空冷冻干燥时产品的变化途径。真空冷冻干燥包括干燥与升华途径，冷冻干燥的第一阶段非常近似于缓慢冷冻的途径ABCDE。如果在冰升华（最初的冷冻干燥）期间，体系温度不能降至低于E点对应的温度，那么EG或许是进一步变化的典型途径。

EG途径的早期步骤包括冰的升华（最初的干燥），但在这期间由于食品中有冰晶存在，因而不会出现塌陷。然而，在沿着E至G的一些点，冰已经完全升华，同时解吸期（第二阶段）已经开始。此时，能提供结构支持的冰已不存在，而且在T＞T_g的区间，Mm已经足以消除刚性。因此，不管是对于流体产品还是较低组织程度的食品，产品便有可能在冷冻干燥的第二阶段出现塌陷。塌陷造成产品的多孔性降低，进而导致干燥速度减慢和复水性能变差，无法得到最佳品质的产品。因此，为了防止食品在真空冷冻干燥时产生塌陷，必须按ABCDEFG途径进行冷冻干燥操作。

六、基于分子流动性预测食品的相对货架期

由扩散性质决定的食品稳定性的温度-组成状态图如图2-30所示，其中指出了食品具有不同稳定性的区域：

（1）根据不存在冰时的T_g曲线和存在冰时的区推导出了稳定参数线。低于此线（区），物理性质一般是十分稳定的；同样，对于受扩散限制的化学性质也是如此。

（2）高于此线（区）和低于和交叉曲线，物理性质往往符合WLF动力学方程，即随着产品温度的提高和/或水分含量的增加，稳定性显著下降。

（3）在T_m曲线以上，与扩散（Mm）相关的性质较不稳定，当产品的条件移向图的左上角时，这些性质变得更加不稳定。

总而言之，对于受扩散限制影响的食品，在低于T_g和的温度下保藏是非常有利的，可以明显提高其货架期，高于此温度则容易腐败和变质。在食品贮藏过程中，如果保藏温度不能＜T_g或＜T_g′时，则需要尽可能地缩小保藏温度与T_g或的差别。

七、分子流动性和水分活度预测食品稳定性的有效性

分子流动性Mm、产品温度高于T_g的数值或产品中的水分高于W_g的数值是检验食品中由扩散限制的重要性质稳定性的有效指标。当食品保藏温度T＜T_g（或）时，一般能很好地保留原有的由扩散决定的性质。与Mm有关的两个关键组分是水和起支配作用的一个或几个溶质（这一个溶质或几个溶质构成了溶质的主要部分）。大分子能有效地降低Mm和提高，水具有相反的效应。

与a_w方法相比较，Mm方法具有以下特点：①在估计由扩散限制的性质，如冷冻食品的物理性质（a_w方法在预测冷冻食品物理或化学性质上是无效的）、冷冻干燥的最佳条件和包括结晶作用、胶凝作用和淀粉老化等物理变化时，Mm方法明显更为有效；②在估计导致产品（室温保藏时）结块、黏结和脆性的条件时，两种方法具有大致相同的有效性；③在估计不含冰的产品中微生物生长和非扩散限制的化学反应速度（如高活化能反应和高水分食品中的反应）时，Mm方法实用性明显较低且不可靠，此时应用a_w法更有效。