食品中水分含量测定装置的研究现状

李 君,董 磊,姜发堂,肖 满

(湖北工业大学生物工程与食品学院,湖北武汉 430068)

水是食品的主要组成成分,其在食品中的含量、分布和状态对食品的外观、质构、风味、新鲜程度产生极大的影响[1-2],准确地测定食品中的水分含量对评价食品的营养品质、食用品质及安全性显得尤为重要[3-5]。因此,水分含量是食品质量控制的一个主要指标,其测定方法有直接测定法和间接测定法。直接测定法是利用食品中水分本身的物理性质和化学性质来测定水分的一种方法,如重量法、蒸馏法和卡尔费休法;间接测定法是利用食品的密度、折射率、电导率、介电常数等物理性质来测定水分的一种方法[6]。在上述测定方法中,装置是测定方法中一个重要组成部分,装置的结构特点和技术参数也会对实验测定结果产生影响,因此食品中水分含量需选择合适的装置来进行水分含量检测。依据食品水分含量直接测定法和间接测定法中使用的装置,可将测定装置分为直接测定装置和间接测定装置。

本文对食品中水分含量测定装置的基本结构、测定原理、应用和优缺点进行了总结,为食品中水分含量测定装置的选择和使用提供参考。

1 直接测定装置

1.1 干燥器

干燥器是由瓶盖和瓶身组成的玻璃容器,瓶身内部放置陶瓷筛板,筛板表面放置样品,筛板下部放置干燥剂(如五氧化二磷、无水硫酸镁、无水氯化钙、硅胶等)。当食品样品放置于干燥器内时,食品中的水分将扩散至干燥室腔体内的空气中而被干燥剂吸收,经过30～40 d,当食品样品重量达到恒重时,则食品样品干燥结束,干燥前后的重量差与初始重量之比,即为食品样品的湿基含水量。Ho等[7]利用内置有SiO2和CaCl2干燥剂的干燥器,测定了CO2-α-环糊精复合物粉末的水分含量,当利用内置SiO2干燥剂的干燥器干燥60 h后,测得CO2-α-环糊精复合粉末的水分含量为0.247%±0.012%,而利用内置CaCl2干燥剂的干燥器测得的水分含量为0.225%±0.005%。Rascón等[8]将喷雾干燥法制得的辣椒油树脂置于真空干燥器(真空度13 KPa)中,将干燥器在25 ℃条件下放置15 d后,测得辣椒油树脂的水分含量为6.502%。干燥器适用于测定无挥发性食品中的水分含量,利用干燥器测定食品中水分含量的优点是装置简单,缺点是测定时间较长,而且在测定过程中,需从干燥器中反复取出样品称重,样品可能吸湿而导致水分含量测定结果不准确,因此在实际中的应用很少。

1.2 干燥箱

干燥箱是一类用于干燥物料的仪器,其结构主要由外壳、工作室、外壳与工作室间的保温材料、加热器和温度控制等组成。干燥箱一般分为普通干燥箱和真空干燥箱,普通干燥箱的温度可设置范围为室温至200 ℃,适用于测定在101～105 ℃下,蔬菜、谷物及其制品、水产品、豆制品、乳制品、肉制品、卤菜制品、粮食(水分含量低于18%)、油料(水分含量低于13%)、淀粉及茶叶类等食品中的水分含量,不适用于水分含量小于0.5 g/100 g的样品[9]。普通干燥箱测定食品中水分含量的原理是在一定温度(95～105 ℃)和压力(常压)下,将食品样品放在干燥箱中加热干燥,干燥前后食品样品的质量之差与样品初始重量之比,即为食品样品的湿基含水量。Vsquez等[10]利用干燥箱在105 ℃的条件下测定新鲜与冻干蓝莓的水分含量,结果表明新鲜蓝莓显示出比冻干蓝莓更高的水分含量。Snchez等[11]利用干燥箱在100 ℃条件下测得切碎的鳕鱼肉的水分含量为等[12]利用干燥箱在105 ℃条件下将大米干燥8 h,测得大米水分含量为12.26%±0.1%。

真空干燥箱的温度可设置范围为室温至200 ℃,真空度为0.10～99.99 kPa,适用于高温易分解的样品及水分较多的样品(如糖、味精等食品)中水分的测定,不适用于添加了其他原料的糖果(如奶糖、软糖等食品)中水分的测定,不适用于水分含量小于0.5 g/100 g的样品(糖和味精除外)[9]。真空干燥箱测定食品中水分含量的原理是在减压条件下设置较低的干燥温度对食品进行加热干燥,干燥前后食品样品的质量之差与样品初始重量之比,即为食品样品的湿基含水量。Lee等[13]利用真空干燥箱在100 ℃,13 kPa条件下测得乳酪的水分含量为36.7%±0.06%。Mckeown等[14]利用真空干燥箱在70 ℃和10.1325 kPa条件下,测得洋葱的水分含量为90.18%。Romani等[15]利用真空干燥箱(温度设置105 ℃)测定了在35 ℃条件下贮藏92 d饼干的水分含量的变化,结果表明饼干的水分含量从第5 d的1.473%增加至第40 d的2.080%。

干燥箱测定食品中水分含量的优点是装置简单,缺点是在对食品质量称重时,需反复开闭干燥箱的箱门,影响干燥箱中的温度,以及在称重过程中食品吸湿导致称重不准确,而使水分含量测定有误差。

1.3 蒸馏装置

蒸馏装置是由蒸馏瓶、冷凝管和水分接收管等组成的玻璃装置,一般用于含水较多又有较多挥发性成分的水果、香辛料及调味品、肉与肉制品等食品中水分含量的测定,不适用于水分含量小于1 g/100 g的样品[9]。利用该装置测定水分含量的原理是将样品与高沸点有机溶剂(甲苯、苯、二甲苯)混合后进行蒸馏,收集水分于接收管内,通过测定接收管内水分体积来计算样品中的水分含量。该装置一般用于香料、啤酒花、调味品中水分含量的测定。Veillet等[16]利用蒸馏装置测定小葱、大蒜、橄榄中的水分含量,分别为80.0%±1.24%、63.6%±2.22%、43.5%±1.36%。Bertouche等[17]分别利用α-蒎烯和甲苯作为溶剂的蒸馏装置,测得洋葱中的水分含量分别为87.8%±2.03%和87.8%±1.41%。蒸馏装置测定食品中水分含量的优点是装置简单,缺点是在水分含量测定过程中,水与有机溶剂易发生乳化作用,样品中水分挥发不完全,导致测定结果偏低;另外,水分常会附着在冷凝管壁上,水和有机溶剂分层不清晰,导致测量结果不准确。实验中使用的有机试剂,属于易燃易爆易挥发物质,危害检测人员身体健康。

1.4 卡尔费休水分测定仪

卡尔费休水分测定仪是一种测定各种物质水分含量的仪器,一般适用于食品中含微量水分的测定,不适用于含有氧化剂、还原剂、碱性氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硼酸等食品中水分的测定[9]。其测定食品中水分含量的原理是利用I2、SO2、吡啶、无水CH3OH(含水量在0.05%以下)配制成卡尔费休试剂,与样品中的水进行反应后,通过计算试剂消耗量而计算出样品中水分含量。Solaesa等[18]利用卡尔费休水分测定仪测得沙丁鱼油的水分含量为3.5%±0.3%。Gallina等[19]利用卡尔费休滴定仪测得百花蜜、刺槐蜜、栗树蜜、紫椴蜜和蜜露的水分含量分别为17.68%±0.95%,16.87%±0.75%,17.00%±0.89%,17.97%±0.62%,17.70%±1.18%。卡尔费休水分测定仪测定食品中水分含量的优点是装置简单,容易操作,测定时间短,准确度高。缺点是该仪器受多种系统偏差的影响,如:仪器校准,仪器参数设置,滴定终点的精确测定,发生干扰性化学副反应,以及卡尔费休(KF)试剂和方法的选择。另外,卡尔费休试剂中含有有毒(如有机碱,二氧化硫)、易燃(如甲醇,氯仿)等有害化合物,对人体有不同程度的危害。

1.5 卤素水分测定仪

卤素水分测定仪是由称重单元和卤素灯加热单元等组成的可测定食品中水分含量的仪器。常见卤素水分测定仪最大量程为110 g,精度为0.001 g,加热温度可以达到200 ℃。其测定水分含量原理是采用卤素灯加热干燥样品,使食品中的水分蒸发,在称量单元测得食品的初始与最终重量,从而计算出食品的水分含量。Rapelo等[20]利用卤素水分测定仪测得淀粉的水分含量为14%。Verma等[21]利用卤素水分测定仪测得燕麦粉的水分含量为8.73%。Chetti等[22]利用卤素水分测定仪测得红辣椒在真空包装袋内贮藏24个月的水分含量为10%～12%。卤素水分测定仪测定食品中水分含量的优点是在测定食品中水分含量的过程中,可实时显示样品重量、含水量、测定时间、加热温度等数据。测定过程在几分钟内完成,仪器适用于颗粒状、粉末状、片状物和无挥发性液体中水分含量的测定。缺点是食品内部的水分以及结合水,通过卤素灯加热后不能完全从食品内部挥发出来,导致水分含量测定结果比真实值偏低。

1.6 红外水分测定仪

红外水分测定仪是由称重单元和红外线加热单元等组成的可测定食品中水分含量的仪器。一般仪器的称重范围为0.5～9 g,精度为0.001 g,加热温度可达205 ℃。其测定食品中水分含量的原理是通过红外线对食品的穿透以及加热作用,使食品中的水分蒸发,在称量单元测得食品的初始与最终重量,从而计算出食品的水分含量。Doymaz等[23]利用红外水分测定仪,测得青豆中的水分含量为9.89%±0.05%。echtańska等[24]利用红外水分测定仪测得青椒的水分含量为1.0%～1.5%。Chen等[25]利用红外水分测定仪测得枣切片的水分含量为2.98%。红外水分测定仪测定食品中水分含量的优点是适用范围广、节能、加热升温快、无污染、加热效率高等,缺点是食品内部的水分以及结合水,通过红外线加热后不能完全从食品内部挥发出来,导致水分含量测定结果比真实值偏低。

1.7 微波水分测定仪

微波水分测定仪是由内置式高精度电子分析天平的微波炉腔体和非接触式红外温度传感器组成,该仪器可在3 min内测定食品的水分含量,测量范围为0.01%～99.99%,样品称重范围为0～50 g,精度0.1 mg。其测定食品中水分含量的原理是利用微波加热的方式,使食品中的水分蒸发,通过计算得到食品中的水分含量。黄振军等[26]采用微波水分检测仪测定出原烟烟包的水分含量为16%。Horuz等[27]利用微波干燥仪测得干燥石榴的水分含量为23.93%±1.44%。Kumar等[28]利用微波测定仪测得苹果内部的水分含量为6%。使用微波水分测定仪测定食品中水分含量的优点是适用于大部分食品的测定,并且高效、精确和安全,缺点是食品内部的水分以及结合水,通过微波加热后不能完全从食品内部挥发出来,导致水分含量测定结果比真实值偏低。

1.8 其他直接测定装置

快速核磁脂肪水分测定仪、核磁共振微波联用脂肪水分测定仪和通用快速脂肪测定仪等快速测定食品中水分含量的仪器,能在2 min内完成对食品中水分含量的测定,测量范围为0.01%～99.99%。其测定食品中水分含量的原理都是利用微波快速的干燥样品去除水分,通过计算得到食品中的水分含量。Bemer等[29]利用快速核磁脂肪水分测试仪测得奶酪中的水分含量为60.3%。Richardson等[30]利用核磁共振微波联用脂肪水分测定仪测定小的糖粒度的巧克力的水分含量为13.0%±0.84%。微波卤素快速水分测定仪[31]采用微波、卤素管作为能量源,由DSP单片机、压力变送器、转换器和显示器组成。其测定食品中水分含量的原理是利用微波和卤素灯共同加热的方式,使食品中的水分蒸发,通过计算得到食品中的水分含量。这些快速测定食品中水分含量的装置广泛应用于化学药品(溶液、粉末、乳剂)、油漆及其他涂料(水性或非水性)食品类、乳品类、橡胶、纸浆及其他,其测定食品中水分含量的优点是快速、精确和通用,缺点是价格昂贵,成本较高。

2 间接测定装置

2.1 阿贝折射仪

阿贝折射仪是测定透明、半透明液体折射率和平均色散的仪器,可用于含糖液体的水分含量的测定,其测定原理是含糖溶液的折射率会随糖浓度的改变而发生变化,通过折射率的测定可以计算出含糖溶液的水分含量。Ramos等[32]利用阿贝折射仪测定来自桉树、苜蓿、莲花花粉的蜂蜜中的水分含量,分别为16.15%、16.32%、19.47%。Melladomojica等[33]利用阿贝折射计测得糖浆的水分含量为14.4%。阿贝折射仪一般用于测定含糖液体的水分含量,属于一种精密的光学仪器,需保护棱镜,以免镜面损坏而使测定结果产生误差,该仪器适合折射率在1.3000～1.7000范围内的食品样品。

2.2 阻容法水分测定仪

阻容法水分测定仪测定食品中水分含量的原理是根据食品中水分与电阻值或电容值存在定量关系,将电阻值或电容值转换成可测电量,通过对电量的测量获得被测食品中的水分含量。阻容法水分测定仪可分为电阻水分测定仪和电容水分测定仪。Solar等[34]利用电容法水分测定仪测定榛子中水分含量为8%～25%。Singh等[35]利用电容法水分测定仪测得小麦中水分含量为5%～25%。阻容法水分测定仪一般用于粮食的水分含量的测定,如粳稻、小麦、玉米、高粱、谷子等颗粒状原粮或者是粮食半成品及粉状,测量水分含量的范围为10%～30%。阻容法水分测定仪测定食品中水分含量的优点是对粮食中的水分含量表现出良好的响应,所以该仪器也叫“粮食水分测定仪”。

2.3 近红外成分分析仪

近红外成分分析仪测定食品水分含量的原理是利用食品中的水对某些特定波长的近红外光有强烈的吸收,通过朗伯比尔定律计算出食品中的水分含量。Heman等[36]利用可见光和近红外(NIR)区域两种波长的光谱仪,结合多重线性回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLSR),校准数学模型,计算出大米的水分含量为11.5%。Pan等[37]利用可见光和近红外光谱,利用偏最小二乘回归分析方法计算甜菜中水分含量为72.19%。近红外成分分析仪主要用于固体颗粒、粉末样品的无损检测,优点是分析速度快,1 min内就能测出样品的水分含量。缺点是在实验过程中,近红外吸收区域的吸收峰可能与氨的吸收重叠,氨的存在干扰增加了水分含量测定的难度和不确定性;近红外光谱只能测定食品表层水分含量,不适合检测食品样品的内部水分含量。近红外间接测量需不断校准建模,费时费力,影响结果。

2.4 低场核磁共振仪

低场核磁共振仪测定水分含量的原理是利用氢原子核在磁场中的自旋弛豫特性,通过不同束缚状态的相态水弛豫时间的不同测定食品中的水分含量。Qiu等[38]通过低场核磁共振研究发酵期间香肠中水分含量的变化,核磁共振图像在视觉上表现出水分含量的空间不均匀性,水分含量可根据样品重量,脂肪含量和面积以非破坏性的方式测量计算出来。Liu等[39]利用低场核磁共振技术,检测鲜牛奶,以及在30 ℃储存96 h的变质牛奶的水分变化,研究表明新鲜牛奶的水分含量为87%。Hickey等[40]利用低场核磁共振技术,测量马铃薯片样品的初始水分含量为2%,在相对湿度为70%、80%、95%的条件下,水分含量分别为8%、11.8%、31.5%。Zang等[41]利用低场核磁共振法预测小黄鱼的水分含量为16.63%。Chen等[42]利用低场核磁共振,可模拟测定油炸淀粉的水分含量为0.2%～1.35%。李添宝等[43]利用低场核磁共振技术测得紫苏油、芝麻油、大豆油、菜籽油、橄榄油、玉米油、花生油、茶油和葵花籽油的水分含量分别为0.12%、0.09%、0.17%、0.16%、0.02%、0.13%、0.02%、0.06%和0.09%。低场核磁共振仪测定水分含量的优点是采用快速无损检测手段,不会对食品的质量和风味等各个方面产生影响,由于实验操作简单,重复性好,精度高,受样品的大小,外观,颜色和光泽的影响很小,只有少量样品即可用于测定,而且通过宏观检测的质子和分子水平信息可以更方便地研究样品的分子环境,在测定农产品、乳制品以及油炸食品等复杂食品中的水分有广泛的应用。

2.5 高光谱成像系统

高光谱成像系统是主要由光源、传感器、扫描器、控制装置、光谱预处理软件及数据采集及处理软件等构成,光谱检测系统与成像系统等组成的可测定食品中水分含量的仪器,适用于测定大部分食品中的水分含量。其测定食品中水分含量的原理是在当对食品进行光谱扫描时,利用食品中水分在一定光谱范围内的吸收波长不同,获得食品的光谱信息,然后对光谱数据进行处理后得到食品样品的图像信息,从图像信息中得到水分在样品中的分布情况,再利用标准样品数据对图像进行校正与验证,最终得到一个可以预测样品中水分含量的模型。Sun等[44]利用高光谱成像系统采集水分含量从26.46%变化至73.42%的紫色甘薯切片高光谱图像,并提取来自可见光和近红外(371～1023 nm)相应区域的平均反射光谱,对原始光谱进行预处理,建立偏最小二乘回归校正模型,分析提取的光谱数据与实测质量属性之间的关系,根据回归系数(RC)方法确定最佳波长。研究表明,高光谱成像可以准确地预测干燥过程中样品水分含量的变化,相关系数为0.93。Amjad等[45]利用高光谱成像(HSI)预测在干燥温度为50 ℃条件下马铃薯切片的水分含量,结果表明马铃薯样品的初始水分含量为4.01%,在50 ℃干燥60 min后的水分含量为2.57%,干燥120 min后为1.65%,干燥180 min后为1.03%。Garrido-Novell等[46]利用近红外高光谱成像技术定量测定了伊比利亚干腌火腿片水分含量,预测结果显示水分的标准误差为0.59%。在实验过程中,高光谱成像结合了传统光谱学和数字成像的优点,同时获得了光谱和空间信息,可以准确地计算样品中的水分含量。

3 总结

综上所述,水分含量是食品品质优劣的重要指标之一,对于不同种类、不同含水量的食品,选择适合的水分含量测量装置不仅可以提高测定结果的准确性,还可以提高工作效率。而不同的装置有不同的适用范围、取样量、测定所需时间以及各自的优缺点,现将水分含量测定装置的主要特点总结成表(表1),为研究食品中的水分含量和选择测量食品中水分含量的装置提供思路。

表1 水分含量测定装置Table 1 Devices for measuring water content in food

续表

4 展望

如何快速,无损,准确地测定食品中的水分含量是食品水分含量测定的基本准则,因此,食品中水分含量测定装置的发展将是以食品中的水分特征为基础,通过设计科学的结构和控制系统,并制造出相应精密的装置,实现装置可对少量样品的快速、准确、无损、定时、环境友好的长时间的动态检测。

另外,由于测定食品中水分含量的装置众多,对不同装置测定的结果进行比较,值得研究。对于易挥发性、热敏性食品的水分含量测定,可以设计具备低温(如30～60 ℃)和低湿(0～5%相对湿度)环境的装置来测定[47]。