基于吸附等温线及玻璃化转变的夹心海苔 贮藏稳定性研究

李晓楠，聂梅梅，王春艳，陶阳，李大婧，谢宏，张钟元*

（1.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏南京 210014）

（2.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110866）

（3.南京农业大学食品科学技术学院，江苏南京 210095）

目前市面上出售的海苔有两种，一种是烤海苔即干海苔，另一种叫做即食调味海苔，他们的原料都是紫菜，都可以直接食用[1]。夹心调味海苔，即在两片烤海苔之间均匀涂布一层黏性的调味料烘烤加工而成，这类产品在贮藏过程中存在海苔吸湿、粘结导致的涨袋以及不当贮藏条件导致的微生物大量繁殖等关键性问题，但是国内外学者对夹心海苔贮藏方面鲜少研究[1-6]。

果蔬干燥食品的贮藏特性由贮藏期间食品含水量影响，只有将食品物料水分降低到一定程度，才能抑制微生物的生长、酶的活动、氧化和非酶褐变，保持其优良品质[3,4]。食品吸附等温线体现了夹心海苔吸附水分的过程[2]，在预测贮藏稳定性、优化工艺和抑制微生物生长条件有重要意义[3,4]。根据非晶体无定型聚合物随温度变化的力学特性，将食品分为橡胶态和玻璃态，食品处于玻璃化状态下时其品质变化异常缓慢[5]，一般食品在转变为玻璃状态时，通常伴随吸热或放热的能量变化，此方面的研究可以提供科学的夹心海苔加工与贮藏参数。研究夹心海苔在贮藏期间的热力学变化，探究其熵焓理论变化为生产贮藏条件提供理论基础并预测货架期[6]。

本研究通过吸附等温线及玻璃化转变曲线构建三种温度下的模型，分析夹心海苔贮藏期间水分变化，用数学模型对曲线进行拟合，得到一种可以数学表达式并计算不同条件下夹心海苔的相对安全含水率和绝对安全含水率，作为预测样品加工及贮藏过程中最佳含水率的依据[6]。探究玻璃化转变温度和含水率的关系用Gordon-Taylor模型预测不同平衡干基含水率下的玻璃化转变温度[7]，通过热力学公式计算并分析夹心海苔水分吸附过程中热力学特性了解水分吸附过程中水的特性和能量需求信息，以期为夹心海苔的干燥工艺设计和贮藏条件提供理论参考[8]。

1 材料与方法

1.1 原料

夹心海苔调味料、紫菜购于市场，微波联合红外烘烤夹心海苔并测定初始含水率后将夹心海苔干燥至绝干。浓硫酸（分析纯），重庆川东化工有限公司化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

JXFSTPR全自动样品快速研磨仪，上海净信实业发展有限公司；MP2002电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；DSC-Q200差示扫描量热仪，美国TA仪器公司；9123A电热恒温鼓风干燥箱，上海和晟科技仪器有限公司；RW100高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；干燥器，上海精英实验器材厂；HPX-160BS-Ⅲ恒温恒湿箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；铝盒，河北沧州中建仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 吸附等温线的测定

采用静态称质量法测夹心海苔平衡干基含水率[8]，干燥器内水分活度由硫酸溶液控制，见表1，准确称取1.00±0.01 g夹心海苔于恒重铝盒置干燥器上部，每隔12 h对不同恒温箱（20、30、40 ℃）中放置不同干燥器内样品称重，至夹心海苔样品前后两次质量差小于0.001 g视为稳定。对不同温度下平衡干基含水率随水分活度的变化作图得夹心海苔吸附等温线[2,8]。

表1 不同体积分数和温度的硫酸溶液的水分活度Table 1 Water activity of sulfuric acid solution with different volume fraction and temperature

1.3.2 吸附等温线的模型拟合

参考国内外众多相关文献[7-11]，选择三种经典数学模型见表2对夹心海苔水分吸附数据拟合。

表2 拟合实验数据的经典数学模型Table 2 Mathematical models for fitting experimental data

注：

X——平衡干基含水率，g/g；

aw——物料水分活度；

A、B、C、X0、K——参数。

1.3.3 玻璃化转变温度的测定与模型拟合

使用差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC）检测夹心海苔Tg，先用铟和蒸馏水校准DSC后，称取夹心海苔4±0.01 mg于铝盘，用压合机密封，放入样品池，载气为高纯氮气，空样铝盘作参照。参照Raza等[12]和李仙仙[13]的方法并稍作修改，DSC扫描程序为：从-80 ℃以10 /min℃ 速度升温至180 ℃。参照Zhao等[14]的方法，分析热流密度曲线，知玻璃化过程中的三个转变点温度，夹心海苔玻璃化转变温度是中点值（Tgm）。

通过Gordon-Taylor（GT）模型拟合[15]，公式如下：

式中：

Tgm——样品Tg，℃；

Tgs——溶质Tg，℃；

Tgw——水的Tg，℃；

Xw——干基含水率，%；

Xs——湿基含水率，%；

K——参数。

1.3.4 热力学参数计算

结合能为样品于恒温损失1 mol水，减掉汽化潜热后，要增加的能量[16]，公式如下：

式中：

L——结合能，J/mol；

ΔF——F自由能的差值，J/mol；

R——摩尔气体常量，8.314 J/(mol·K)；

T——绝对温度，K；

φ——相对蒸汽压。

净等量吸附热（qst）采用Clausius-Clapeyron方程计算而得[17]，其计算方法见式（3）：

式中：

aw——样品在一特定含水率下的水分活度；

T——绝对温度，K。

微分熵（Sd）计算公式见式（4）

式中：

qst——净等量吸附热，由斜率可得；

Sd——微分熵，由截距可得。

焓熵补偿理论是物化等学科中的一项重要理论，对判别不同条件下水的吸附机制有重要作用[18,19]，焓熵之间存在某种线性关系见公式（5）

式中：

Tβ——等温速率，K；

ΔGβ——Tβ时的吉布斯自由能，kJ/mol。

ΔGβ为负指吸附过程是自发的，为正是非自发进行的，黄慧敏等[18]将Tβ和调和平均温度（Thm）进行比较，吸附过程为焓驱动时，Tβ比Thm大；熵驱动时Tβ比Thm小，公式表述为式（6）

式中：

Thm——调和平均温度，K；

n——等温线数量。

1.4 数据统计分析

本试验中采用Excel 2007及SPSS 19.0软件进行数据分析处理，采用Origin 9.0绘制分析图，模型拟合采用Matlab 2018软件进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 夹心海苔的吸附等温线

夹心海苔在不同温度下（20、30、40 ℃）的吸附等温线如图1所示，在同一温度下平衡干基含水率随着水分活度的增加而增加，这主要是因为存在于夹心海苔中水分的蒸气压随着周围环境压力的增加而增大[20]。在任意水分活度点处，比较三种贮藏温度下平衡干基含水率，图1显示贮藏温度越高平衡干基含水率越低，这与邱光应等[8]观察到的花椒吸附等温线趋势是一致的。

夹心海苔的水分吸附等温线呈“J”型，当水分活度大于0.4时，含水率急速升高，这可能是由于食品中的可溶性物质导致，也可能是糖溶解相关的溶质-溶剂相互作用导致[21]，这与林雯雯等[22]和Vázquez等[23]研究的南美白对虾肉和羽扇豆的水分吸附等温线趋势一致。

夹心海苔含水率随温度或者水分活度升高而显著升高，导致夹心海苔可以吸收结合更多的水分，夹心海苔贮藏过程中，需要控制一定的环境温度和湿度，防止夹心海苔吸潮变软，影响产品品质，抑制微生物繁殖和化学反应发生速率。

图1 夹心海苔吸附等温线Fig.1 Adsorption isotherm of sandwich seaweed

2.2 夹心海苔吸附等温线的模型拟合

表3 数学模型的相关参数及评价指标Table 3 Related parameters and evaluation indicators of the mathematical model

图2 20、30、40 ℃下夹心海苔GAB模型拟合曲线Fig.2 Fitting curve of GAB model of sandwich seaweed at 20, 30 and 40 ℃

通过建立夹心海苔的吸附等温线的数学模型，进一步分析夹心海苔的吸湿特性，用三种数学模型对夹心海苔在20、30、40 ℃的实验数据进行模型拟合分析，得到均方根误差（RMSE）、相关系数（R2）、和方差（SSE）模型评判参数及相关系数。R2越大说明模型与等温线的拟合效果越好。RMSE和SSE越小说明残差图越随机分布，模型拟合精度越高[24]。

由表3可知，在20、30、40 ℃时GAB模型评判参数R2最大都在0.99～1.00之间模型拟合精度较高，RMSE也最小，SSE也最小，GAB模型拟合效果见，Oswin模型R2都大于0.95，RMSE较小，SSE较小其拟合效果较好，BET模型拟合效果较差，R2都小于0.93，RMSE也较大，SSE也较大。综上所述，描述夹心海苔水分吸附特性的最适模型是GAB，这与Quadri Syeda Amreen等[25]在10 ℃，25 ℃和40 ℃下研究了香蕉中的水分解吸和吸附现象，GAB在三个温度下均表现出最佳拟合的结果相一致。

食品含水量值低于单层水分含量时对于储藏稳定性有积极作用，从表3可知，随着温度的升高，X0由0.36 g/g降低至0.20 g/g，这可能是因为X0的温度依赖性和吸附活性位点的减少[26,27]。根据水分活度理论，单层水分含量值被认为是食品能保持最佳储藏稳定性的水分含量值[28]。

不同贮藏温度下的夹心海苔吸附等温线GAB方程如下：

食品微生物相关报道，当水分活度小于0.70时为相对安全水分，微生物生长被抑制；小于0.65时，微生物的繁殖被完全抑制；小于0.60时为绝对安全水分，绝大部分微生物都不能生存[29]。根据上述所得的夹心海苔GAB吸附等温线方程得，在20、30、40 ℃条件下夹心海苔的绝对安全含水率分别为0.05、0.05、0.04 g/g，相对安全含水率分别为0.09、0.08、0.06 g/g，绝对安全含水率和相对安全含水率可以作为预测夹心海苔加工及贮藏过程中最佳含水率的依据。

2.3 夹心海苔玻璃化转变温度的模型拟合

夹心海苔的DSC曲线见图3，热流密度曲线呈二阶转变，即在相变温度下非晶材料因热容变化发生跃阶，曲线无冰溶解峰，得出夹心海苔内部只含有非冻结水[12-14]，这与Xu等[30]和Shi等[31]报道的胡萝卜和双孢蘑菇的热流密度曲线趋势一致。

图3 夹心海苔样品DSC曲线Fig.3 DSC curve of sandwich seaweed sample

贮藏期间夹心海苔内含水量、夹心海苔配方组成和夹心海苔分子质量都是导致Tg变化的主要原因[32]。夹心海苔玻璃化转变温度见表4，环境温度一定时，夹心海苔Tg随着含水率和Aw的升高显著降低。举20 ℃为例，当平衡干基含水率从0.02 g/g增加到0.88 g/g时，玻璃化转变温度从170.03 ℃降低到37.12 ℃；水分活度一定的情况下，随着环境温度的增加，平衡干基含水率降低，相应的玻璃化转变温度升高，例如在相同水分活度（Aw=0.8）下，随着环境温度的升高，干基含水率从0.16 g/g降低到0.13 g/g再降低到0.10 g/g，相应的玻璃化转变温度从119.94 ℃升高到123.01 ℃再升至130.40 ℃。宋慧慧等[32]和周顺华等[33]认为当水分含量升高，碳水化合物溶解于水中，氢键结合力小，使刚性降低，所以水分含量升高时Tg减小。

表4 不同条件下夹心海苔的玻璃化转变温度Table 4 Glass transition temperature of sandwich seaweed under different conditions

表5 夹心海苔Gordon-Taylor模型拟合决定系数以及拟合方程Table 5 Gordon-Taylor model fitting determination coefficient and fitting equation of sandwich seaweed

采用Gordon-Taylor方程对不同温度下的夹心海苔样品玻璃化转变温度数据进行非线性拟合，由表5可知，Gordon-Taylor方程拟合的相关系数（R2）分别为0.98、0.97、0.98，模型拟合效果越好，Xs随环境温度升高而降低，Tgs随着环境温度的升高而升高。将拟合中所得的参数代入Gordon-Taylor模型中可得玻璃化转变温度方程：

Tg可以为产品贮藏提供理论参考，当贮藏温度高于Tg时，夹心海苔发生相态变化，并伴随着吸湿和粘结等问题[34]。不同温度下的夹心海苔玻璃化转变温度随着平衡干基含水量的增大而显著降低，水分对无定形基质的塑化作用是Tg降低的主要原因[32]。临界水分含量，即玻璃化转变温度（25 ℃）下对应样品的干基含水率[33]，由上述Gordon-Taylor模型可算出，20、30和40 ℃的的临界含水量分别为0.98 g/g、0.84 g/g、0.71 g/g，玻璃化转变理论认为：当样品的干基含水量低于临界水分含量时，样品处于玻璃态，不易发生结构的改变[34,35]。结合前期对夹心海苔烘烤工艺的研究，可以预测在红外150 ℃～180 ℃联合微波7.5 W/g烘烤工艺下生产可以得到一款色泽优良风味浓郁的夹心海苔[36]，并在20、30和40 ℃贮藏条件下，含水量低于0.98 g/g、0.84 g/g、0.71 g/g时，不易使夹心海苔内部玻璃化结构发生吸潮崩塌现象。

2.4 热力学参数分析

图4 夹心海苔在不同含水率下的结合能Fig.4 Binding energy of sandwich seaweed under different water content

由图4可知夹心海苔结合能随平衡干基含水率的变化，温度一定时，夹心海苔随平衡干基含水率升高结合能减小；平衡干基含水率一定时，随着温度的降低水同物质的结合能减小，低温结合能较小。当夹心海苔的平衡含水率大于0.08 g/g时，结合能低于1.00 kJ/mol，水不易和物质结合。

图5 夹心海苔qst与平衡干基含水率的关系Fig.5 The relationship between the qst of sandwich seaweed and the equilibrium dry basis moisture content

图6 夹心海苔ΔS与平衡干基含水率的关系Fig.6 The relationship between sandwich seaweed ΔS and equilibrium dry base moisture content

净等量吸附热（qst）指水分子吸附时释放的能量，常用来预测干燥终点、控制贮藏环境[37]，而Sd反映了吸附质与吸附剂之间的活性位点[38]。qst和ΔS随含水率变化曲线见图5、6，吸附有正反方向，qst为正值说明吸附方向为正，qst为负值说明吸附方向为反方向，夹心海苔的吸附方向是正方向，表示吸附过程为吸热过程[21-24]。由图5净等量吸附热曲线可知，随着含水率的增大，qst递减，低含水率时的吸附能大表明夹心海苔中水分与其溶质组分有较强的相互作用，原因可能是单分子层水与吸附表面的作用强度高导致[37,39]。图6是微分熵与含水率的关系，结果与qst相一致，随着平衡干基含水率的升高ΔS降低，这是由于含水量增大时，样品表面最具活性位点被水分子吸附，吸附位点减少，束缚力减弱[16,40]，所以微分熵随着含水量的增加而减少。前期研究发现夹心海苔加工温度在150 ～180 ℃ ℃时进行红外联合微波烘烤可以得到一款品质良好的夹心海苔[36]，随着加工温度的升高，夹心海苔含水率显著降低，净等量吸附热升高，微分熵升高。

由图7可知，qst随着ΔS的增大而增大，通过拟合发现等温速率（Tβ）为0.62 K，夹心海苔的水分吸附过程是一种自发现象是由吉布斯自由能（ΔGβ）为2.61 kJ/mol得出[18,19]。根据公式计算得Thm＝302.90 K＞Tβ，说明夹心海苔吸附水分的过程为熵驱动， Khan[40]和石启龙等[41]对芒果叶粉和雪莲果的吸附特性也有相似报道。

图7 夹心海苔qst与ΔS的关系Fig.7 The relationship between qst and ΔS of sandwich seaweed

3 结论

本研究测定了夹心海苔吸附等温线并用数学模型对其拟合，结果表明GAB模型为预测夹心海苔水分吸附特性的最佳模型，平衡干基含水率随水分活度增大而增大，在20、30和40 ℃下夹心海苔的绝对安全含水率分别为0.05、0.05、0.04 g/g，相对安全含水率分别为0.09、0.08、0.06 g/g，可作为预测样品加工及贮藏过程中最佳含水率的依据。测定玻璃化转变曲线并用数学模型对其拟合，得到临界含水量分别为0.98、0.84、0.71 g/g。探究其热力学性质，夹心海苔在低温时更容易失水。随着温度的降低水同物质的结合能减小，由净等量吸附热值为正值得知吸附过程为吸热过程，随着含水率的增大，qst和ΔS递减，并得出等温速率为0.62 K，吉布斯自由能为2.61 kJ/mol，夹心海苔贮藏期间水分迁移过程是熵驱动的自发吸附现象。综上高温不利于夹心海苔的生产加工与贮藏，适当降低温度可有效升高夹心海苔绝对安全含水率，防止内部玻璃化结构吸潮崩塌，本研究可为夹心海苔加工和贮藏稳定性提供理论基础。