玻璃態是既像固體一樣有一定的形狀和體積，又像液體分子只是近似有序排列的一種狀態。以無定形態或非晶態固體存在的物質處於玻璃態。隨著脫水、冷凍加工過程，食品中的水溶性成分容易形成“玻璃態”，即形成玻璃態食品。
基本介紹
- 中文名：食品的玻璃態
- 外文名：glassy state
- 結構：固態物質
定義,玻璃態,玻璃化轉變溫度,影響食品玻璃化轉變的因素,水分,溶質,冷卻速率,T-Tg對食品穩定性的影響,
定義
玻璃態
在聚合物科學中，一般將基質在低於玻璃化轉變溫度時所處的狀態稱為玻璃態；將基質在高於玻璃化轉變溫度時所處的狀態稱為橡膠態。玻璃態時，由於體系黏度較高而自由體積較小，一些受擴散控制的反應速率是十分緩慢的，甚至不會發生；而在橡膠態時，其體系的黏度明顯降低，且自由體積顯著增大，使受擴散控制的反應速率也迅速加快。因此玻璃態對食品加工、儲藏的安全性和穩定性都十分重要。
玻璃態既像固體一樣有一定的形狀和體積，又像液體一樣分子間排列。只是近似有序，因此以無定形態或非晶態固體存在的物質處於玻璃態。隨著脫水、冷凍加工過程，食品中的水溶性成分容易形成“玻璃態”。
玻璃化轉變溫度
玻璃化轉變溫度（glass transition temperature，Tg）是指非晶態的食品體系從玻璃態到橡膠態轉變時的溫度，表示為Tg。大多數食品具有玻璃化相變溫度或範圍。這是一個二級相變（一級相變包括在氣態、液態和固態間物理狀態的變化），對於簡單的高分子體系，玻璃化轉變溫度可以採用差示掃描量熱儀（differencial scanning calorimeter，DSC）測定，而大多數食品體系是複雜的，因而很難利用DSC正確測定玻璃化轉變溫度，一般可以採用動態機械分析和動態熱機械分析方法測定。
玻璃化轉變溫度是一個十分重要的物理化學參數，它能決定食品體系的質量、安全性和穩定性。在食品聚合物科學理論中，根據食品材料含水量的多少，玻璃化轉變溫度有兩種含義：①對於低水分食品（水的質量分數小於20%），其玻璃化轉變溫度一般大於0℃，玻璃化轉變溫度取決於溶質的類型和水的含量；②對於高等或中等水分食品（水的質量分數大於20%），是指最大凍結濃縮溶液發生玻璃化轉變時的溫度，定義為T'g，僅適用於含凍的試樣，並且冰形成時出現最高冷凍濃縮。對於複雜的食品體系，當溫度低於Tg或T'g時，除水分子外的所有分子失去它們的移動．僅保留有限的轉動和振動。
食品中的各種成分對食品的玻璃化轉變溫度均有影響。食品中主要的固體成分為蛋白質、碳水化合物和脂肪。碳水化合物對無定形的乾燥食品的影響很大，常見的糖如葡萄糖、果糖的玻璃化轉變溫度很低，因此在高糖食品中它們顯著地降低玻璃化轉變溫度。一般來說，蛋白質和脂肪對玻璃化轉變溫度的影響並不顯著。
影響食品玻璃化轉變的因素
水分
對於親水性和含有無定形區的高聚、低聚和單分子食品材料，水是一種特別有效的增塑劑，並且顯著地影響著玻璃化轉變溫度。純水的玻璃化轉變溫度極低，為-135℃。水的增塑作用在高於和低於食品的玻璃化轉變溫度時都能促進分子移動性。一方面，水的相對分子質量比食品中其他成分如糖、蛋白質及脂肪的相對分子質量都小得多，活動比較容易，在玻璃化基質中仍能保持流動，還可很方便地提供分子鏈段活動所需的空間，從而使體系能降低；另一方面，當其他組分與水相溶後，水可以與這些分子上的極性基因相互作用，減小這些組分本身分子內外的氫鍵作用並使其剛性降低而柔性增強，同時表現為Tg降低。所以，當水增加時，體系Tg下降而自由體積增加。例如，澱粉蔗糖混合物無水時，Tg為60℃，當水分上升到2%時，Tg降低到20℃，當水分升至6%時，Tg僅為10℃。一般情況下，每增加1%的水，Tg降低5~10℃，這是由於混合物的平均相對分子質量降低。然而，水的存在並不一定具有增塑作用，水必須被吸收至無定形區時才會有效。
溶質
食品的玻璃化溫度Tg強烈地取決於溶質的類型和水分含量，而T'g主要取決於溶質的類型，水分含量僅輕微地影響它。
溶質在一定的相對分子質量範圍內，Tg隨溶質相對分子質量的增加而提高。由於分子的移動性隨分子增大而降低，因此一個較大的分子比一個較小的分子需要較高的溫度才能運動。然而，當相對分子質量大於3 000時，T'g與相對分子質量無關。當時間和大分子濃度足以形成“纏結網狀結構”時，會出現例外的情況，此時Tg隨相對分子質量的增加而稍有提高。除了相對分子質量，溶質的其他性質也影響著Tg或T'g，因此，當相對分子質量相同而化學成分改變時，就不能預料試樣得到相同的產品性質。如對於相同的相對分子質量的不同糖,T'g的差別可大到10℃。即使相同種類的分子如果具有不同的構型，也會顯示不同的性質。大多數生物大分子化合物，它們具有非常類似的玻璃化曲線和Tg(接近-10℃)，這些大分子包括多糖、蛋白質等。
冷卻速率
玻璃化轉變溫度會隨著冷卻速率的變化而變化。冷卻速率快，其玻璃化轉變溫度較高；反之，則較低。加熱時的情況也與此相同，隨加熱速率的加快而升高。
T-Tg對食品穩定性的影響
凡足含有無定形區或在冷凍時形成無定形區的食品，都具有玻璃化轉變溫度Tg或某一範圍的Tg。玻璃態下的未凍結的水分了被束縛在具有極高黏度的玻璃態下，這種水分子不具有反應活性，使整個食品體系以不具有反應活性的非結晶性同體形式存在，從而使食品體系在Tg時具有高度的穩定性。因此，低溫冷凍食品的穩定性可以用該食品的Tg與儲藏溫度T的差（T-Tg）來決定，差值越大，食品的穩定性越差。要提高產品的穩定性可以將產品的儲藏溫度降至接近或低於Tg，也可以在產品中加入相對分子質量大的溶質來提高Tg。
許多乾燥食品全部或部分處於玻璃態，如硬糖、義大利通心粉、硬餅乾、一些早餐穀類食物、脫脂乳粉等。穀類食品中的澱粉是形成玻璃態的重要成分，脫脂乳粉是由玻璃態乳糖和其他小分子物質如鹽組成，這其中包裹了酪蛋白膠粒和球蛋白。對液態或半固體食品，為了獲得玻璃態，需在溶質發生結晶作用之前採用烘焙、高壓膨化、氣流乾燥、噴霧乾燥、冷凍乾燥、冷凍濃縮等過程脫除水分。
