第六节 水分吸着等温线

一、定义和区

在恒定温度下，食品的水分含量（用每单位质量干物质中水的质量表示）与其水分活度a_w之间的关系称为水分吸着等温线（Moisture sorption isotherms，MSI）。

MSI曲线中的信息可用于：①研究和控制浓缩与干燥进程，因为浓缩和干燥过程中样品脱水的难易程度与a_w有关；②指导食品混合物的配方以避免水分在配料之间的转移； 确定包装材料是否具有足以保护特定体系的阻湿性质；④确定抑制体系中特定微生物生长所需的水分含量；⑤预测食品的化学和物理稳定性与水分含量的关系。

图2-17所示为高水分含量食品的MSI，它包括了从正常至干燥的整个水分含量范围。当食品中含水量超过干物重时，a_w接近于1.0；当食品含水量低于干物重时，a_w小于1.0；当食品含水量低于干物重的50%时，含水量的轻微波动就会引起a_w的极大变动。这在MSI图上不能详细地表示出来。因此扩展低水分含量区就得到更有实用价值的MSI，如图2-18所示。

MSI曲线的绘制可通过回吸和解吸两种方式。将水加入到预先干燥的试样中可以测定物质的回吸（或吸附）等温线；反之则可测定物质的解吸等温线。不同物质的MSI形状各异，如图2-19所示。大多数食品的回吸等温线呈S形，而水果、糖果和咖啡提取物等由于含有大量糖和其他可溶性小分子，且聚合物含量不高，因此它们的等温线可能会呈现如图2-19中曲线1所示的J形。决定水分吸着等温线的形状和位置的因素包括样品的组成（例如溶质的分子质量分布和亲水/亲油平衡）、样品的物理结构（例如结晶或无定形）、样品的预处理、温度和制作等温线的方法。

根据含水量和水分活度的关系，可将水分吸着等温线分为三个区段（图2-18）进行讨论，各区中水的性质存在显著的差异（表2-7）。

（1）Ⅰ区 存在于等温线Ⅰ区中的水是吸附最牢固和最不易流动的水。这部分水通过H₂O-离子或H₂O-偶极相互作用与食品成分中的羧基和氨基等极性基团紧密结合。它在-40℃不能冻结，没有溶解溶质的能力，且其量不足以对固形物产生增塑效应，因此可简单地将这部分水看作固体的一部分。

Ⅰ区的高水分末端（Ⅰ区和Ⅱ区的边界）位置的这部分水相当于食品的“BET单层”水分含量。因此，可将BET单层值理解为在干物质中可接近的强极性基团周围形成一个单层所需水的近似量。就淀粉而言，BET单层水量相当于每个脱水葡萄糖基结合一个水分子。在高水分含量食品中，Ⅰ区水仅占总水量的极小部分。

（2）Ⅱ区 继续加水控制总水量在Ⅱ区边界以内，新增水分定位于第一层结合位点中未被占据的部位。这部分水主要通过氢键与第一层中相邻的水分子和溶质分子缔合，它的流动性比自由水稍差，其中大部分在-40℃不能冻结。靠近Ⅱ区低水分端的水对溶质具有显著的增塑作用，并导致固体基质的初步溶胀。上述作用和开始出现的溶解过程会使大多数反应的速度加快。Ⅰ区和Ⅱ区的水通常占高水分食品原料中总水分的5%以下。

（3）Ⅲ区 是毛细管凝聚的自由水。这部分水是食品中结合最不牢固和最易流动的水，通常占高水分食品总水分的95%以上。在凝胶或细胞体系中，由于自由水以物理方式被截留，因此宏观流动性受到阻碍。但这部分水的所有其他性质都类似于稀盐溶液中的水，这是因为处于Ⅲ区的水分子与溶质分子之间被Ⅰ区和Ⅱ区水分子隔离。Ⅲ区的水既可能被冻结也可以作为溶剂，并有利于化学反应的进行和微生物的生长。

虽然水分吸着等温线分为三个区，但除了化学吸附结合水外，水分子能在等温线每一个区间内及区间之间发生快速交换，因此水分吸着等温线各个区之间存在过渡带。另外，向干燥物质中增加水能够略微改变原来所含水的性质，即基质的溶胀和溶解过程。然而，当向已具有完全或近乎完全的水合壳的体系中加入水时，原有水分子的性质几乎保持不变，因此，任何食品的稳定性取决于其中流动性最强的那部分水。

二、水分吸着等温线与温度的关系

如前所述，a_w具有温度依赖性，因此MSI也与温度有关。图2-20所示为不同温度下马铃薯片的水分吸着等温线。在一定的水分含量下，食品的a_w随温度的上升而提高，这种变化符合Clausius-Clapeyron方程。

三、滞后现象

对于食品体系，水分回吸等温线（将水加入干燥的样品中）很少与解吸等温线重叠，一般来说，不能从水分回吸等温线预测解吸现象。水分回吸等温线和解吸等温线之间的不一致被称为滞后现象（Hysteresis），图2-21所示为某种食品的水分吸着等温线滞后环（Hysteresis loop）。

如图2-21所示，在一定的a_w时，解吸过程中样品的水分含量大于回吸过程中的水分含量。除了食品种类和温度外，其他因素如除去水分和加入水分时食品发生的物理变化、解吸速度和解吸过程中水分除去的程度都会影响滞后的程度、MSI曲线的形状以及滞后环的起点和终点。温度对滞后现象的影响在高温（约80℃）时往往不易显现，但随着温度下降，滞后现象逐渐变得明显。

对于食品体系，可以观察到各种形式的滞后环，并且脱水食品滞后环的形状取决于食品的类型和温度。可将4.4℃时滞后环的变异归纳为三种类型（图2-22）。

对于高糖-高果胶食品，例如空气干燥的苹果片，滞后现象主要出现在单分子层水区域（a_w=0～0.25），虽然总的滞后现象是显著的，但是当a_w超过0.65时就不存在滞后现象。对于高蛋白质食品，例如冷冻干燥的熟猪肉，在a_w=0.85附近（相当于毛细管凝聚区）开始出现适度的滞后现象，并一直延伸至等温线的其余部分，直至a_w=0，且吸附和解吸等温线都保留S形的特征。对于淀粉质食品，例如冷冻干燥大米，存在一个大的滞后环，最高程度的滞后现象出现在a_w=0.70。此外，随着温度的提高，总的滞后现象减轻，并且滞后环沿等温线的跨度减小。后者的变化尤为显著，例如：对于苹果，当温度从2.8℃提高至37.9℃时，滞后现象的起始点从a_w=0.65移至a_w=0.20；对于猪肉，相应地从a_w=0.95移至a_w=0.60。也有研究工作表明，对于纯的蛋白质试样（例如牛血清清蛋白），其滞后现象的程度与温度无关。

引起水分吸着等温线滞后现象的原因包括：溶胀现象、局部结构亚稳定、化学吸附、相转变、毛细管现象以及低温下非平衡状态更持久。然而，目前仍没有理论可以确切地解释水分吸着等温线的滞后现象。

水分吸着等温线的滞后现象具有实际意义。例如，同样是将鸡肉和猪肉的a_w调节到0.75～0.84范围，如果采用解吸的方法，样品中脂肪的氧化速度要高于用回吸的方法。因为在相同的a_w下，解吸样品的水分含量高于回吸样品，因而催化剂具有较高的流动性，基质的溶胀也使催化部位更充分地暴露，同时氧的扩散系数也较高。此外，采用解吸方法制备样品时需要达到较低的a_w（与回吸方法制备的样品相比）才能阻止部分微生物的生长。

四、蛋白质的水合过程

食品体系由多种组分构成，进一步探讨食品组分对水的吸收，以及在此过程的每一阶段中水所处的位置和性质具有很好的指导意义。由于蛋白质是食品中最重要的成分之一，而且其中含有水合过程中所有重要的功能基团，因此选择蛋白质作为对象讨论它的水合过程。

以溶菌酶为例，即便是“干”的溶菌酶也含有一些构成水，这些水是溶菌酶完整结构的一部分，其水含量约为8mol/g干蛋白质。随着环境RPV升高，水分子首先吸附在离子、羧酸和氨基酸侧链上，每克干蛋白质大约需要40mol的水来完成这些吸附，相当于形成BET单层、或者达到Ⅰ区和ⅡA区交界处的水分含量，对应的a_w在0.2左右。提高a_w至0.25左右（ⅡA区高水分末端）后，羰氨基团等吸附活性相对较小的位点开始吸附水分子，再进一步吸附至a_w=0.75（ⅡB区高水分末端）会导致表面饱和覆盖，水分含量达到0.38g水/g蛋白质。这时（ⅡB区和Ⅲ区边界）蛋白质表面的所有可能位点都完成水合。在此a_w之上（Ⅲ区），水就成为多层（体相）水。酶最初表现出活力是当水分含量达到BET单层覆盖时，而最高活力要在实现表面全覆盖后才能获得。这些现象有助于了解按照水合效应类型对MSI进行分区描述的意义。然而，需要注意的是，在任一特定水分含量时，所有的水分子都可以在不同区域间自由交换，因而随着水分含量的增大，水的性质是连续变化的。

表2-7所示为球蛋白（主要根据溶菌酶）在不同水合阶段缔合的水的性质；图2-18所示为相应的吸着等温线。表2-7和图2-18中划分的水合“区”有助于讨论，然而实际上并不存在这些区，更可能的情况是水性质的连续变化。

区Ⅰ和区Ⅱ接界处的水分含量通常被认为是BET单层水分含量：“BET”是由Brunauer，Eminett和Teller提出的概念。在此实例中BET单层水分含量约为0.07g/g干蛋白质，此值约相当于0.2p/p_o。BET相当于一个干制品在呈现最高稳定性情况下含有的最大水分含量。例如，淀粉的BET约相当于每个脱水葡萄糖基结合一个水分子。

表2-7中使用“真实单层”，此术语的含义不同于BET单层。真实单层指的是在区ⅡB和区Ⅲ接界的水分含量（在此实例中，真实单层水分含量约为0.38g/g干蛋白质和p/p_o约为0.85）。此值约相当于300mol H₂O/mol溶菌酶和27.5%水分含量，一个H₂O平均占0.2nm2的蛋白质表面积。这个水分含量代表蛋白质“完全水合”所需的水分含量，即占据所有的第一层部位所需的水分含量。进一步加入的水将具有与体相水类似的性质。