食品稳定性与分子流动性

一、概述

除了Aw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。决定分子流动性的关键成分是水合食品中占支配地位的非水成分。这类食品包括淀粉食品、蛋白质类食品、中等水分含量食品、干燥或冷冻干燥食品。表2-6所示为食品中与分子流动性相关的某些性质。

表2-6　一些由分子流动性决定的食品性质和特征（在无定形区的产品中由扩散限制的变化）

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）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状态时，此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 temperature Tg，Tg'），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为玻璃化转变，此时的温度称为玻璃化转变温度。Tg'是特殊的Tg，仅适用于含有冰的试样。对于一个复杂试样，当温度低于Tg或Tg'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）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，Aw和Mm方法对研究食品稳定性有较好的互补性。Aw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Aw和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Aw更有效；针对扩散限制的性质（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、食品的冻藏

虽然冷冻被认为是长期保藏大多数食品最好的方法，但是这项保藏技术的益处主要来自低温而不是冰的形成。在食品细胞和食品凝胶中形成冰会产生两个有害结果：在非冷冻相中非水组分被浓缩（商业上采用的所有保藏温度下的食品都含有非冷冻相）和水转变成冰时体积增加9%。

在水溶液、细胞悬浮液或组织冷冻过程中，水从溶液转变成可变的高纯度的冰结晶。因此，所有的非水组分被浓缩在数量逐渐减少的未冷冻水中。在此情况下，除了温度较低和被分离的水是以冰的形式局部地沉积外，净效果类似于常规的脱水。浓缩的程度主要受最终温度的影响，也在较低程度上受搅拌、冷却速度和低共熔物形成的影响。

由于冷冻浓缩效应，非冷冻相在诸如pH、可滴定酸度、离子强度、黏度、冰点（和所有其他依数性质）、表面和界面张力和氧化—还原电位等性质上都发生了变化。此外，溶质有时会结晶，过饱和的氧和二氧化碳会被逐出溶液，水的结构和水—溶质相互作用会产生剧烈的改变以及大分子被迫靠得更近，使相互作用较易发生。这些与浓缩相关的性质的变化往往有利于提高反应速度。于是，冷冻对反应速度会产生两个相反的效果：降低温度总是降低反应速度和冷冻浓缩有时会提高反应速度。因此，在冰点以下反应速度既不能很好地符合Arrhenius关系，也不能很好地符合WLF（Williams-Landel-Ferry）动力学，有时甚至偏差很大。事实上，在冷冻期间加速的反应不常被发现。

下面我们讨论冷冻的一些特殊例子和分子流动性（Mm）对冷冻食品稳定性的重要性。如图2-24所示，体系首先考虑一个复杂食品的缓慢冷冻过程。非常缓慢的冷冻使食品接近固—液平衡和最高冷冻浓缩。从图2-24的A开始，缓慢冷却使产品移至B，即试样的最初冰点。进一步冷却，使试样过冷并在C开始形成晶核。晶核形成后晶体随即长大，在释放结晶潜热的同时温度升高至D。进一步除去热导致有更多的冰形成，非冷冻相浓缩，试样的冰点下降和试样的组成沿着D至TE的路线改变。对于被研究的复杂食品，TE是具有最高低共熔点的溶质的TE max（在此温度溶解度最小的溶质达到饱和）。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商业上一个重要的例外，它造成被称为产品“沙质”的质构缺陷。

设想低共熔混合物确实没有形成，冰的进一步形成导致许多溶质的介稳定过饱和（一个无定形液体相）和未冷冻相的组成沿着TE至E的途径变化。E点是推荐的大多数冷冻食品的保藏温度（-20℃）。不幸的是，E点高于大多数食品的玻璃化转变温度，因而在此温度Mm较强和取决于扩散的食品物理和化学性质较不稳定，并且高度依赖于温度。由于在冷却期间的冷冻—浓缩效应和温热期间的熔化—稀释效应没有被WLF方程所考虑，因此不应期望与WLF动力学的完全一致。

图2-24　二元体系状态图

（冷冻：不稳定顺序ABCDE，稳定顺序ABCDETg′F；干燥：不稳定顺序AHIJK，稳定顺序AHIJLG；冷冻干燥：不稳定顺序ABCDEG，稳定顺序ABCDETg′FG）（图中显示的干燥温度比实际上采用的温度要低一些，这是为了将数据载入图中）

如果继续冷却至低于E点，有更多的冰形成进一步冷冻浓缩，使未冷冻部分的组成从相当于E点变化至相当于Tg′点。在Tg′点，大多数过饱和未冷冻相转变成包含冰结晶的玻璃态。Tg′是一个准恒定的Tg，它仅适用于在最高冷冻浓缩条件下的未冷冻相。观察到的Tg′主要取决于试样的溶质组成和试样的起始水分含量（Tg同样取决于溶质组成和水分含量）。由于在测定Tg′的步骤中很少达到最高冷冻浓缩，因此观察到的Tg′并不完全是恒定的。进一步冷却不会导致进一步的冷冻浓缩，仅是除去显热和朝着F点的方向改变产品的温度。低于Tg′时，分子流动性Mm大幅地降低，而由扩散限制的性质通常是非常稳定的。

表2-7～表2-10列出了淀粉水解产品、氨基酸、蛋白质和一些食品的Tg′。这些Tg′值应被称为“观察到的”或“表观的”Tg′值，这是因为在所采用的测定条件下最大冰形成（最大冷冻浓缩）几乎是不可能的。然而，这些观察到的Tg′值比起真正的（稍低的）Tg′值或许更贴近实际情况。当产品所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所含有的大分子与小分子溶质的比例不同时，会出现多个Tg′的情况。此时，最高的Tg′通常被认为是最重要的。

表2-7　商业淀粉水解产品（SHP）的玻璃化转变温度（Tg′）和DE（葡萄糖当量）

注：a A.E Staley Manufacturing Co.。

b Grain Processing Corp..

c Avebe America.

d National Starch and Chemical..

大多数水果由于具有很低的Tg′值，而保藏的温度一般又高于Tg′，因此在冷冻保藏时质构稳定性往往较差。蔬菜的Tg′值一般较高，理论上它们的保藏期应长于水果，但实际并非总是如此。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2-10中肌肉的Tg′值，可以推断在典型的商业冻藏条件下，所有由扩散限制的物理变化和化学变化均被有效地阻滞。由于鱼和肉的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或许不受玻璃态基质的保护，一般是不稳定的。

表2-8　纯碳水化合物的玻璃化转变值和相关的性质

注：a 主要摘自Levine和Slade。

b 最常见于报道的值或最常见于报道值的范围。

c 根据K氏温标计算。

d Tc=塌陷温度，Tf=开始重结晶的温度。

e Cg′，在Tg′时溶质的Wt%=100-Wg′。

f 重均相对分子质量。

g 数均相对分子质量。

h Slade和Levine报道了果糖的两个Tg值（30℃和110℃），他们认为较高的值是控制性质的。

表2-9　氨基酸和蛋白质的玻璃化转变温度（Tg′）和相关的性质a

续表

注：a Wg′是处在Tg′的试样中未冷冻相的水。

b UFW是未冷冻相水。

c 采用NaOH溶解。

d 未调整pH。

e 经溶质结晶。

f 摘自N.Brake和O.Fennema（未发表）。采用DSC测定；将试样在-10℃回火1 h后，从-60℃起按5℃/min的速度扫描至25℃。

g 两次测定的平均值±SD。

表2-10　食品的玻璃化转变值（Tg′）a

续表

注：a 除另有说明外，资料摘自Levine和Slade。

b 摘自N.Brake和O.Fennema，采用DSC测定；将试样在-15℃回火1 h后，以5℃/min的速度从-60℃扫描至25℃。

c 四次重复测定平均值±SD。

其中“未冷冻”需要作两点说明。首先，未冷冻涉及一个实际的时间尺度。由于水在Tg′不是完全固定的，在未冷冻相和玻璃相之间的平衡是介稳平衡而不是完全平衡（不是最低自由能），因此，在很长的时间周期中，未冷冻部分将稍许地减少。其次，术语“未冷冻”往往被认为是“结合水”的同义词，然而，结合水因有许多不同的定义而陷入可能被摒弃的处境。相当数量的Wg′水参与了相互作用，主要是氢键，它们在强度上显著地不同于水—水氢键。这部分水之所以未冷冻完全是由于玻璃态的局部黏度大到足以在一个实际的时间间隔排除对于进一步形成冰和溶质结晶（形成低共熔混合物）所需要的移动和转动。于是，大多数Wg′水应被认为是介稳定的，并且它们的流动性被严重地“阻碍”。

在商业上，食品冷冻的速度要比小试样的生物物质的一般冷冻速度慢，前者需几分钟至1小时达到-20℃，即使如此，最高冷冻浓缩仍然未必能达到。如图2-25所示，提高冷冻速度会影响温度—组成关系，这就产生了一个明显的问题：在商业条件下，食品冷冻的参考温度是Tg还是Tg′。对此，目前还没有定论。

图2-25　提高冷冻速度（速度a＜b＜c＜d）对Tg影响的二元体系状态图

注：当最高冷冻浓缩出现时即为曲线，是融化平衡曲线，是溶解平衡曲线，TE是低共熔点，Tg是玻璃化转变温度，Tg′是特定溶质的最大冷冻浓缩溶液的玻璃化转变温度。

Slade和Levine认为Tg′是合适的值。然而，选择Tg′为合适的温度有一个问题需要解决：由于起始的Tg（冷冻后随即达到的）总是低于Tg′，而在冷冻保藏期间从Tg达到Tg′（由于有更多的冰形成）是缓慢的，或许是不能完成的。

如果按照一些学者的建议，选择起始Tg作为参考Tg，那么也会产生一些问题：起始Tg不仅受产品的类型的影响，还受冷冻速度的影响；起始Tg随冷冻保藏时间而改变，当保藏温度在Tm-Tg区时，它以一个在商业上有重要意义的速度提高，当保藏温度＜Tg时，它以较慢然而是明显的速度提高。Wg和Wg′也存在同样的问题。

比较合理的解决方法是将Tg′看作为一个温度区域而不是一个特定的温度。此区域的下边界取决于冷冻速度和保藏的时间/温度。但在商业重要的情况下，此边界（起始Tg）应该不会超过Tg′（-10℃）。对于通过零售渠道上市的一种食品产品，由于其平均保藏温度较高而使得此平均Tg不大可能如接近起始Tg那样更接近Tg′。此处将继续采用术语Tg′，同时应将它看作为一个温度区。

还有几个要点与冷冻食品中扩散限制的性质有关：

①可以通过下列措施提高产品的稳定性（扩散限制）：将保藏温度降低至接近或低于Tg′；在产品中加入高相对分子质量溶质以提高Tg′。由于第二个措施增加了产品保藏在低于Tg′时的概率和降低了在产品温度高于Tg′时的Mm，因此是有利的。

②重结晶的速度显然与Tg′有关（重结晶是指冰结晶的平均大小增加，同时数目减少）。假如出现最高冰结晶作用，重结晶的临界温度（Tr）是冰的重结晶作用可以避免的最高温度（往往是Tr～Tg′；见图2-26）。在Tm至Tg′区的重结晶速度有时较好地符合WLF动力学（图2-26）。假如冰的结晶作用不是最高的，冰的重结晶可以避免的最高温度大致等于Tg。一般情况下，T必须稍许高于Tg′或Tg重结晶速度才有实际意义。

图2-26　冰淇淋中冰重结晶的速度与保藏温度（Ts）、甜味剂种类和是否存在稳定剂的关系

③一般情况下，在一个指定的低于冰点的保藏温度，高Tg′（通过加入水溶性大分子达到）和低Wg′与坚硬的冷冻结构和良好的保藏稳定性有关；反之，低Tg′和高Wg′（通过加入单体物质达到）与柔软的冷冻结构和较差的保藏稳定性有关。

实线是根据WLF方程所做的图，条件是在△T=25℃时存在一个30μm/d1/3的微不足道的重结晶速度。Tg′是“表观”Tg′。HFCS是高果糖玉米糖浆，SUC是蔗糖，CS是玉米糖浆，DE是葡萄糖当量，d是天数，图中的数字是葡萄糖当量。当使用单一甜味剂时，用箭头指出。没有箭头的符号代表用两种甜味剂按1:1的比例制备的冰淇淋，其中一种甜味剂选自表明的那些甜味剂，而另一种则是42DE CS。当使用稳定剂时，海藻胶和刺槐豆胶按1:4的比例和0.1%（质量分数）的总浓度加入。

三、冻藏对食品稳定性的影响

（一）冻藏对食品产生冻害

结构比较疏松、细胞间隙比较大、外皮薄、含体相水高的水果、蔬菜类，很容易遭受到冻害。当周围的环境温度降到这些食品的冰点以下时，蔬菜、水果中细胞间的部分自由水开始在细胞间隙形成冰晶，细胞内的游离水开始向细胞外渗透，使冰晶不断长大，长大到一定程度，由于冰晶膨胀（水转变成冰时体积增加9%）对细胞起机械破坏作用。解冻后细胞汁液外流，失去了原有的品质。冻害不很严重的原料，细胞破坏程度不大，但解冻速度太快（如加热、放在热水中融化等），使融化的水来不及向细胞内渗透而流失，也会降低其品质。(www.xing528.com)

（二）冻藏使食品中成分产生变化

食品冻结后，由于溶质的冷冻浓缩效应，未冻结相的pH、离子强度、黏度、表面张力等特性发生变化，这些变化对食品成分造成伤害。如pH降低导致蛋白质变性及持水能力下降，使解冻后汁液流失；冻结导致体相水结冰、水分活度降低，油脂氧化速率相对提高。

在冻藏过程中冰结晶大小、数量、形状的改变也会导致食品劣变，而且可能是冷冻食品品质劣变最重要的原因。由于贮藏过程中温度出现波动，温度升高时已冻结的冰融化，温度再次降低后，原先未冻结的水或先前小冰晶融化出来的水会扩散并附着在较大的冰晶表面，造成再结晶的冰晶体积增大，这样对组织结构的破坏性很大。所以低温冷冻贮藏食品时，温度的稳定控制就显得相当重要。即使是在稳定的贮藏温度下，也会出现冰结晶成长的现象，但这种变化的影响比较小。

除以上情况外还应当注意，冷冻食品中仍含有相当多的未冻结水，它们可作为食品中劣变反应的反应介质，因此，即使是在冷冻条件下，食品中仍然发生着各种化学和生化变化。

四、玻璃化转变温度与食品稳定性

近年来在低温冷冻食品中，往往用玻璃化转变温度作为评价其稳定性的指标。

食品在低温冷冻过程中，随着温度的下降，组织中不断地有水分冻结成冰，未冻结的水和非水物质构成未冻结相。随着水不断冻结，未冻结相的溶质的浓度不断提高，冰点不断下移，直到食品中的非水成分也开始结晶（此时的温度可称为共晶温度），形成所谓的共晶物后，冷冻浓缩也就终止。由于大多数食品的组成相当复杂，共晶温度低于其起始冰冻温度，所以其未冻结相，随温度降低可维持较长时间的黏稠液体过饱和状态，而黏度又未见显著增加，这即是所谓的胶化状态。这时，物理、化学及生物化学反应依然存在，并导致食品腐败。继续降低温度，未冻结相的高浓度溶质的黏度开始显著增加，并且限制了溶质晶核的分子移动与水分的扩散，食品体系将从未冻结的胶化状态变成所谓的玻璃化状态（即无定形固体存在的状态，简称玻璃化状态）。此时温度即所谓的玻璃转化温度，简称玻璃化转变温度（Tg）。

玻璃化状态下的未冻结的水不是按前述的氢键方式结合的，其分子的移动性被束缚在由极高溶质黏度所产生的具有极高黏度的玻璃化状态下，这样的水不具有反应活性，使整个食品系统以不具有反应活性的非结晶性固体形式存在。因此，在玻璃化转变温度下，食品可维持高度的稳定状态。现在的研究认为，低温冷冻食品的稳定性用该食品的玻璃化转变温度（Tg）与贮藏温度（t）的差（t-Tg）来决定，差值越大，食品的贮藏寿命就越短，稳定性越差。

下面是采用分子流动性方法研究食品稳定性的九个重要概念。

（一）许多食品含有无定形组分并且以介稳定或非平衡状态存在

复杂的食品往往含有无定形区（非结晶固体或过饱和液体）。生物聚合物是典型的无定形或部分的无定形。具体的例子包括蛋白质（如明胶、弹性蛋白和面筋蛋白）和碳水化合物（如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。

无定形区以介稳平衡或非平衡状态存在。达到热力学平衡（最小自由能）不是食品加工的目标，尽管这样的条件能导致最高的稳定性。食品科学家和工艺学家的一个主要目标（虽然他们很少以这样的方式来考察自己的职责）是最大限度地使食品具有期望的品质，而这些品质取决于介稳状态，并且这些期望的品质在不可避免地取决于非平衡状态的条件下能达到可接受的稳定性。硬糖果（无定形固体）是一个常见的介稳定状态食品的例子，而乳状液、小冰结晶和不饱和脂是以不稳定的非平衡状态存在的食品组分的例子。用干燥或冷冻方法往往能使食品达到介稳定状态。

（二）大多数物理变化和一些化学变化的速度是由分子流动性（Mm）所决定的

由于大多数食品是以介稳或非平衡状态存在的，因此动力学方法比热力学方法更适用于了解、预测和控制它们的性质。分子流动性（Mm）与食品中由扩散限制的变化的速度有着因果关系，因此它被认为是适合于此目的的一种动力学方法。WLF（Williams-Landel-Ferry）方程提供了能估计在玻璃化转变温度以上而在或以下温度的Mm的一种方法。状态图指示了允许介稳状态和非平衡状态存在的温度和组分条件。

Mm方法可用于预测许多种类的物理变化，但在有些情况下并不适用。这些情况包括：反应速度没有强烈地受扩散影响的化学反应；通过特定的化学物质的作用（如改变pH或氧的压力）所产生的期望的或不期望的效应；试样的Mm是根据一个聚合物组分（聚合物的Tg）估计的，而渗透进入聚合物基质的小分子的Mm却是决定产品重要性质的决定性因素；微生物细胞的生长（P/P0是比Mm更可靠的估计参数）。

在室温下，一些反应是由扩散限制的，而许多反应不是由扩散限制的。在恒定的温度和压力下，决定化学反应速度的三个主要因子是：扩散因子D（为了支撑一个反应，反应物首先必须彼此相遇）；碰撞的频率因子A（在相遇后单位时间碰撞的次数）；化学活化能因子Ea（两个适当定向的反应物发生碰撞时有效能量必须足以导致一个反应的发生，即反应物能量必须超过活化能）。后两者已并入描述反应速度常数与温度关系的Arrhenius方程。对于由扩散限制的反应，显然A和Ea不一定是限制速度的，也就是说，适当定向的反应物必定以很高的频率碰撞，并且活化能必定是足够的低以至于具有高概率的碰撞导致反应的发生。由扩散限制的反应一般具有低活化能（8～25 kJ/mol）。此外，大多数“快速反应”（低活化能Ea和高频率因子A）是由扩散限制的。质子转移反应、自由基重新结合反应、包括H+和OH-输送的酸—碱反应、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/去氧反应都是扩散限制反应。这些反应涉及各种化学本体，它们包括分子、原子、离子和自由基。在室温下，由扩散限制的双分子反应的速度常数为1010～1011M-1S-1，因而这样大小的速度常数被认为是反应由扩散限制的推定证据。溶液中进行的反应可能比由扩散限制的反应来得慢，即由扩散限制的速度是可能的最高速度（设定常规反应机制）。这样，反应速度显著地低于由扩散限制的反应的最高速度时，此反应是由A或Ea或这两个因子的结合所限制的。Smoluchowski在1917年提出了描述由扩散限制的反应的理论。对球状、未带电的粒子，二级扩散限制速度常数为：

式中：NA是Avogadro数；D1和D2分别是粒子1和2的扩散常数；r是粒子1和2的半径的总和，即最接近的距离。

此后Debye修改了此方程，使它适用于带电的粒子，后人进一步修改此方程，使它适用于真实体系的其他特征。根据Smoluchowski方程可在数量级上估计k扩散。

扩散常数与黏度和温度的依赖关系与目前的讨论密切相关。此关系由Stokes-Einstein方程表示：

式中：k是Boltzmann常数；T是绝对温度；β是一个数字常数（约6），η是黏度；rs是扩散物的流体动力学半径。D（进而k扩散）对黏度的依赖性具有特殊的意义，这是因为在WLF区黏度随温度下降而剧烈地增加。

在室温条件下，高水分食品中的一些反应的速度似乎是由扩散限制的，而其他一些似乎不是由扩散限制的。由扩散限制的反应，当温度下降或水分含量减少时当然符合WLF动力学；许多在室温下不是由扩散限制的反应（或许是非催化的慢反应），当温度下降至低于冻结点或水分减少至溶质饱和或过饱和时，或许也成为由扩散限制的反应。这是可能的，原因如下：温度下降减少了供活化的热能和大幅度地增加了黏度；水分含量的减少导致黏度的显著增加。由于碰撞的频率因子A并非强烈地取决于黏度，因此在上述的条件下它或许不是一个反应限制机制中的决定因素。当温度下降或水分含量减少时一些化学反应可能从非扩散限制转变成由扩散限制，这会导致这些反应在WLF区的上部不符合WLF动力学而在WLF区的下部较好地符合WLF动力学。

（三）自由体积在机制上与Mm相关

当温度下降时，自由体积减小，使移动和转变（Mm）变得更加困难；这对聚合物片段的运动和食品中局部的黏度有直接的影响。于是，当温度＜Tg时，由扩散限制的食品性质的稳定性一般是好的。加入低相对分子质量溶剂（如水）或提高温度，或同时采取这两项措施能增加自由体积（通常并不期望如此）和分子的移动。自由体积为解释Mm与食品稳定性的关系提供了一个基础，到目前为止，还未能将自由体积作为定量的指标预测食品的稳定性。

（四）大多数食品具有玻璃化转变温度（Tg或Tg′）或范围

Tg与由扩散限制的食品性质的稳定性有着重要的关系。含有无定形区或在冷却或干燥时无定形区成长起来的食品具有Tg或Tg′范围。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，可以从Mm和Tg的关系估计这类物质的由扩散限制的性质的稳定性。Mm和所有由扩散限制的变化，包括许多变质反应，在低于Tg时通常受到严格的限制。然而，许多食品保藏的温度T高于Tg，比起保藏在T＜Tg的食品，Mm高得多而稳定性差得多。

对于简单体系，可采用配有导数作图附件的差示扫描量热计（DSC）测定Tg，但必须仔细操作才能获得精确的结果。对于复杂体系（大多数食品），较难采用DSC精确地测定Tg，可以采用动态力学分析（DMA）和动态力学热分析（DMTA）作为替代技术。但这些方法花费比较大，且不适用于工厂的测定。

对于仅含有几个组分的试样，可用已有的各种方程式来计算它们的Tg。当试样的成分和各个组分的Tg值已知时，这个方法能提供一个有价值的估计。Gordon和Taylor提出的应用于二元体系的方程如下：

式中：Tg1和Tg2分别代表试样中组分1（水）和组分2的玻璃化转变温度；W1和W2是试样中组分1和组分2的重量分数；k是一个经验常数。

（五）食品性质与温度的相依性

Tm代表或，取决于试样的组成。对于食品，或者这个温度范围可能高至100℃，也可能低至10℃；在此温度范围内，含有无定形区的许多产品的Mm和黏弹性质显示了对温度异常大的相依性。大多数分子的流动性在Tm时很强，而在Tg或低于Tg时却被抑制。此温度范围所包含的产品的稠度被称为“似橡胶的”和“似玻璃的”（尽管术语“似橡胶”仅适用于产品中含有大的聚合物时）。图2-27描述了物质的性质和温度（包括范围Tm～Tg）之间的定性关系。

图2-27　物质的性质和温度之间的定性关系图

（基于平均常数的WLF动力学）

Mm对温度的依赖性和那些强烈地取决于Mm的食品性质（大多数物理性质和一些化学性质）对温度的依赖性在Tm～Tg区远大于在高于或低于此区的温度时的依赖性。于是，通常可以发现Arrhenius图从Tm～Tg区外进入区内时它的斜率有一个变化（活化能的变化）。估计在Tm～Tg区反应速度对温度的依赖性是颇为重要的研究项目，然而尚未建立能精确地应用于所有类型的反应和条件的方程。在Tm～Tg区，许多物理变化的速度较严密地符合WLF方程和其他类似的方程，而与Arrhenius方程符合的程度相对较差。由于化学反应对Mm的依赖性随反应物的类型会有显著的变化，因此WLF和Arrhenius方程都不能在Tm～Tg区应用于所有的化学反应。物理和化学变化与WLF或Arrhenius关系的一致性在有冰存在时比无冰存在时较差，这是因为冰形成的浓缩效应与上述两种方法都不相容。

由于WLF方程是估计在Tm～Tg区物理变化速度的有效工具，因此值得对它做进一步的讨论用黏度表达的方程如下

式中：η是在产品温度T（K）时的黏度（注意：可用1/Mm或任何其他由扩散限制的松弛过程取代η）；ηg是在产品温度Tg（K）时的黏度；C1（无量纲的）和C2（K）是常数。当不存在冰时，一般认为Tg可作为WLF方程中的参考温度。当存在冰时，是Tg还是Tg′更恰当，依然存在分歧。在涉及冷冻保藏的工艺问题的章节中再进一步讨论该问题。

C1和C2项是由物质所决定的常数（即与温度无关），对于许多合成的、纯的（无稀释剂）、完全无定形聚合物，它们的平均值（有时称为“通用的”）分别为17.44和51.6。这些常数的数值随水分含量和物质种类而显著地变化，因此，适用于食品的数值往往与此平均值有着明显的差别。如果希望数据与方程能达到合理的一致，就必须采用所研究食品的特定常数。

WLF方程表明在Tm～Tg区物质性质对温度有着很大的依赖性。如果假设与WLF动力学（平均常数）一致，不存在冰和最初的物质温度＜Tg，那么温热将导致黏度（或1/Mm）的一系列变化：

①在从玻璃态向过饱和液体的等温度转变期间，黏度下降，约为原先的10-3倍，而Mm提高约103倍。

②在温度高于Tg时立即温热使温度升高20℃时，黏度下降，约为原先的10-5倍，而Mm提高约105倍（对于冷冻试样的非冻结部分，温度升高1℃，这些性质的变化更大）。

③温热使温度从Tg升高至Tm，黏度下降，约10-12倍，而Mm提高约1012倍。

对于处在WLF区（Tm～Tg）由扩散限制的食品稳定性，下述两项具有特别的重要性：T-Tg（或T-Tg′）和Tm/Tg。T-Tg（T是产品温度）规定了食品在WLF区中的位置。lg（η/ηg）（或任何其他与黏度相关的性质，如Mm）随T-Tg呈曲线形变化。Tm/Tg（按K氏温标计算）提供了对产品在Tg时黏度（与Mm有着反比的关系）的一个大概的估计。由于产品在Tg时黏度是在WLF方程中的参考值，并且此值随产品的成分显著地变化，因此有关产品在Tg时黏度的知识是重要的。

主要是根据由扩散限制的碳水化合物性质推断出与Tm-Tg，T-Tg和Tm/Tg相关的有价值的概念，它们包括：

①Tm～Tg区的大小为10～100℃，它的变化取决于产品的组成。

②在Tm～Tg区，产品的稳定性取决于产品的温度T，即反比于△T=T-Tg。

③在确定的Tg值和恒定的固体含量，Tm/Tg的变化反比于Mm，于是Tm/Tg在Tg和WLF区的T＞Tg时，直接相关于由扩散限制的产品稳定性和产品硬度（黏度）；例如，在WLF区的任意指定的T，具有小的Tm/Tg值的物质（如果糖）相比于具有大的Tm/Tg值的物质（如丙三醇）产生较大Mm值和较高的由扩散限制的变化的速度；Tm/Tg值的小差异会导致Mm和产品稳定性很大的差异。

④Tm/Tg显著地取决于溶质的类型（表2-7）。

⑤如果Tm/Tg相同，在一个指定的产品温度，固体含量的增加导致Mm的降低和产品稳定性的提高。

（六）水是一种高效增塑剂并且显著地影响Tg

对于亲水性和含有无定形区的高聚、低聚和单聚食品物质，水是一种特别有效的增塑剂。水的增塑剂作用在高于和低于Tg时都能促进Mm。当水增加时，Tg下降而自由体积增加，这种情况的出现是由于混合物的平均相对分子质量降低。一般情况下，每加入1%（W/W）水，Tg降低5～10℃。然而，应该注意到，水的存在并不一定产生增塑作用，水必须被吸收至无定形区时才会有效。

由于水是小分子物质，即使在玻璃态基质中它仍能保持令人惊奇的流动。这种流动性使一些有小分子参加的反应在低于聚合物基质的Tg时能继续以可以测量的速度进行下去，它也使水在温度低于Tg的冷冻干燥的第二阶段能解吸。

（七）溶质的类型显著地影响Tg和Tg′

Tg强烈地取决于溶质种类和水分含量，而观察到的Tg′主要取决于溶质类型，水分含量（起始）仅轻微地影响它。对于蔗糖、糖苷和多元醇，Tg（和Tg′）随溶质相对分子质量增加（最高至1200）而成比例地提高。由于分子的移动随分子增大而降低，因此一个较大的分子比一个较小的分子需要更高的温度才能运动。然而，当相对分子质量大于3000（淀粉水解产物的DE值＜6）时，Tg与相对分子质量（Mr）无关。当时间和大分子浓度足以形成“缠结网状结构”时，出现例外的情况，此时Tg随相对分子质量的增加而继续稍有提高。图2-27中一个值得注意的方面是溶质的功能性质和它们的DE值（或数均相对分子质量Mn）之间的关系。曲线的低相对分子质量部分（垂直边）所代表的化合物是甜味剂、湿润剂、参与Maillard反应的化合物和冷冻保护剂，与曲线的高平部分所代表的化合物具有完全不同的功能，这在图2-28中已指出。

Mr低于3000的溶质的Mr—Tg图是线性的，可用于观察Mr和Tg′的关系。对于干溶质，合适的图是Tg对溶质的-1/Mr, n（数均相对分子质量的负倒数）作图。对于含有相当数量水的试样，合适的图是Tg′对水-溶质溶液的-1/Mr, w（重均相对分子质量的负倒数）作图，而溶液处在试样的Tg′。必须注意到，当非同一系列的物质并入同一图中时，显著地损害了这些图良好的线性关系。于是，当相同的Mr（或相同的DE）的化学物质相互交换时，并不一定得到相同的产品性质（稳定性、加工性能）。当这样的交换涉及不同族的化学物质时，相同Mr的化合物更不能显示一致的性质。例如，对于相同Mr的不同糖，Tg′的差别能大到10℃。相同类型的分子如果构型不同，它们的性质也会有差异。表2-7列出了部分纯碳水化合物的Tg和Tg′值以及相关的相对分子质量和其他一些重要的性质。

图2-28　商业水解淀粉产品的数均相对分子质量和葡萄糖当量（DE）对Tg′的影响

[Tg′是从最大冷冻浓缩溶液测定的，溶液的起始水分含量为80%（质量分数）]

大多数（或许所有的）高Mr生物聚合物具有非常类似的玻璃化曲线和接近-10℃的Tg′值。具有此范围Tg′值的生物聚合物包括多糖如淀粉，麦芽糊精，纤维素，半纤维素，羧甲基纤维素，葡聚糖，黄原胶及蛋白质如面筋蛋白质、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、白蛋白、球蛋白和酪蛋白。

（八）溶质的种类显著地影响Wg

Wg是试样在Tg时的水分含量，而Wg′是在Tg′时的未冷冻水含量。Cg和Cg′分别是试样在Tg和Tg′时固体的含量（Cg′=100-Wg′，相同的关系适用于在一个指定温度下的Cg和Wg）。Wg′和Wg具有如下特性。

①在Tg′，Wg′随分子流动性Mm增加而增加，而随产品稳定性增加而减少。产品水分含量超过Wg′或Wg导致稳定性下降和Mm增加。

②Wg′值随溶质种类而显著地变化，正如表2-7中的数据所示。Wg′值一般随Tg′和Mn增加而减少，然而这些都是定性关系，除对于同系物的成员外，不能用于预测的目的。一般情况下，通过测定获得最可靠的溶质或产品的Wg′值。

根据前述，不能认为具有相同的相对分子质量或相同P/P0的化合物在WLF区显示相同的性质，这是因为这些化合物会具有不同的Wg′和Tg′（或Wg和Tg）值，例如，比较葡萄糖与果糖的Wg′值和乳糖与海藻糖的Wg′值就很清楚了。虽然每一对化合物具有相同的相对分子质量，但是它们对产品稳定性的影响通常是十分不同的，至少可将这一现象部分地归之于Wg′的差别。

（九）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，＞3000 Mr，＜6 DE），溶质浓度超过临界值和体系保持足够长的时间时，大分子的缠结能形成缠结网状结构（EN）。除碳水化合物外，蛋白质也能形成EN，如面团中的面筋蛋白和仿制Mozzarella干酪中的酪蛋白酸钠。

EN对食品性质有显著的影响。例如，根据一些实验证据，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，帮助早餐谷物食品保留脆性，帮助糕点和馅饼的外壳减少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Mr不仅会导致Tg或Tg′的进一步提高，而且会产生坚硬的网状结构。