基本介紹
- 中文名：水分吸附等溫線
- 外文名：moisture sorption isotherms，MSI
- 定義：水分含量對水分活度繪圖形成曲線
- 類型：概念
名稱,意義,實驗方法,影響因素,圖形形態,分區,
名稱
水分吸附等溫線（水分吸濕等溫線）（moisture sorption isotherms，MSI）
意義
MSI對於了解以下信息十分有意義：
1.在濃縮和乾燥過程中樣品脫水的難易程度與相對蒸汽壓RVP的關係。
2.應當如何組合食品才能預防水分在組合食品的各配料之間的轉移。
3.測定包裝材料的阻濕性。
4.可以預測多大的水分含量才能夠抑制微生物的生長
5.預測食品的化學和物理穩定性與水分的含量的關係。
6.可以看出不同食品中非水分組分與水結合能力的強弱。
實驗方法
1. 飽和鹽溶液法
飽和鹽溶液測試食品等溫吸濕曲線作為標準方法一直被國內外研究者所採用。恆定溫度下，飽和鹽溶液所形成的濕度是一定的。食品放在密封容器內（通常是乾燥器）飽和鹽溶液所形成的特定濕度環境裡，然後把乾燥器放在恆溫箱裡使樣品在飽和鹽溶液所形成的相對濕度下逐漸平衡，樣品每隔一定時間進行稱重，直到產品重量達到恆重，即可認為樣品達到吸濕平衡。
飽和鹽溶液法優點是可以確保特定溫度下準確的相對濕度值，較長的平衡時間可以確保樣品達到真正的平衡；試驗初始成本較低，1次可以測試多個樣品。 缺點是①樣品達到平衡所需時間較長，測試工作量比較大，占用空間大；②每次測試所需樣品較多；③測試結果不準確，由於容器的密封性，反覆開啟，以及在高濕條件下樣品有可能出現的發霉現象等都會影響測試結果；④採集數據量比較少。
2. 水分吸附分析儀自動濕度生成裝置
有兩種不同的自動水分吸附分析儀：動態露點等溫線法（DDI，Dynamic Dew-point Isotherm）和動態水分吸附法（DVS，Dynamic Vapor Sorption）。DDI方法測試吸附等溫線時，由儲水槽產生的飽和蒸汽流動到樣品周圍。測試脫附等溫線時，乾燥管提供乾空氣會把樣品的水分蒸發掉。每隔一定時間，氣流會停止，然後對吸附過程的水分活度和樣品重量直接測試。水分含量採用高精度磁力天平跟蹤稱量，水分活度由冷鏡露點感測器測試。
DDI方法最大的優勢是測試時間短，採集數據量大，48小時可以採集上百個數據點，在擬合等溫線方程時更準確。DDI方法採用冷鏡露點技術，這是相對濕度得到基本測試方法，因此所需設備無需校準。
DVS方法系統不需要採用飽和鹽溶液來達到預定的相對濕度，而是採用乾燥氮氣和飽和水蒸氣的混合氣體，其比例是由氣流控制器精確控制的。樣品在每一個相對濕度下都必須達到吸濕平衡然後進入下一個濕度環境。通過記錄下來的每一個相對濕度條件下的平衡含水量生成等溫吸濕曲線。
DDI方法水分吸附等溫線影響因素
水分活度依賴於溫度，因此MSI也與溫度有關。
同一食品不同溫度下的水分吸附等溫線
同一食品不同溫度下的水分吸附等溫線圖形形態
大多數食品的水分吸附等溫線呈S型，而水果、糖製品、含有大量糖的其他可溶性小分子的咖啡提取物以及多聚物含量不高的食品的等溫線為J型。
分區
水分吸附等溫線可以分成3個區，下表說明了3個區之間的區別。
區 | Ⅰ區 | Ⅱ區 | Ⅲ區 |
水分活度 | 0~0.25 | 0.25~0.85 | >0.85 |
含水量/% | 0~7 | 7~27.5 | >27.5 |
凍結能力 | 不能凍結 | 不能凍結 | 正常 |
溶劑能力 | 無 | 輕微-適度 | 正常 |
水分狀態 | 單分子水層吸附 化合吸附結合水 | 分子層水分凝聚 物理吸附 | 毛細管水或自由流動水 |
微生物利用 | 不可利用 | 開始可以利用 | 可利用 |
等溫線區間Ⅰ中的水，是食品中吸附最牢固和最不容易移動的水，靠水-離子或水-偶極相互作用吸附在極性部位，蒸發焓比純水大得多，在-40℃時不結冰，不能溶解溶質，對食品的固形物不產生增塑效應，相當於固形物的組成部分。（化合水和鄰近水）
等溫線區間Ⅱ中的水包括區間Ⅰ的水加上區間Ⅱ內增加的水（回吸作用），區間Ⅱ增加的的水占據固形物表面第一層的剩餘位置和親水集團周圍的另外幾層位置。靠水-水和水-溶質的氫鍵鍵合作用與鄰近的分子締合，流動性比體相水稍差，其蒸發焓比純水大。這部分水會使溶解開始，降低他們玻璃化轉化溫度，並且具有增塑劑和促進基質溶脹作用。（多層水）
等溫線區間Ⅲ包括區間Ⅰ和區間Ⅱ的水和區間Ⅲ邊界內增加的水（回吸作用），區間Ⅲ範圍內增加的水是食品中結合最不牢靠的和最容易流動的水（分子狀態），一般稱之為體相水。這部分水對於大分子將引起玻璃態和橡膠態的轉變，使體系的黏度大大下降，從而使分子的流動性增強。其蒸發焓與純水基本相同，這部分水既可以結冰又可以作為溶劑，並且還有利於微生物的生長。（自由水和截留水）
水分吸附等溫線的滯後現象
定義
採用向乾燥食品樣品中添加水（回吸作用）的方法繪製的水分吸附等溫線和按解吸過程繪製的等溫線不相互重疊，這種不重疊性稱為滯後現象。一般來所，當水分活度一定時，解吸過程中食品的水分含量大於回吸過程中的水分含量。
等溫線的滯後現象
等溫線的滯後現象原因
1.食品解吸過程中的一些吸水部分與非水組分作用而無法釋放出水分。
2.食品不規則形狀產生的毛細管現象，欲填滿或抽空水分需要不同的蒸汽壓（要抽出需要P內>P外，要填滿即吸著時需P外>P內）。
3.解吸時將使食品組織發生改變，當再吸水時就無法緊密結合水分，由此可導致較高的水分活度。
