食品和食品材料的玻璃化转变

在各种含水量食品中，玻璃态、玻璃化转变温度、以及玻璃化转变温度与贮藏温度的差值，同食品加工和贮存稳定性密切相关。水是一种增塑剂，对玻璃化转变温度影响很大，食品含水量越高，玻璃化转变温度越低，玻璃化的实现也越困难。

一．晶态和非晶态

 当温度降低时，液态转变成固态。固态有两种不同的状态—晶态和非晶态。

晶态和非晶态在宏观上都呈现固态特征，具有确定的体积和形状。但在微观结构上存在差别。两者的本质不同在于微观粒子分子、原子或离子的排列不同。凡是物质中的微观粒子（分子、原子或离子）呈有序排列为晶态。如果物质中的微观粒子呈不规则排列，只具有“近程有序”、不具有晶态的“远程有序”的结构特征。它是一种非晶态的无定形结构（non-crystalline or amorphous）。

X-ray衍射结果表明，玻璃态物质与液态曲线很相似，二者同属“近程有序，远程无序”的结构。只不过玻璃态比液态“近程有序”程度更高而已。

二．玻璃化过程和结晶过程

1 .结晶过程

结晶过程是在某一确定温度T_m（称为凝固温度或熔融温度）下进行的，结晶过程中放出相变热，相变前后体积V，熵S都发生非连续变化，体积V(T)在结晶时突然收缩。一般冷却速率比较低的时候产生结晶。所以结晶相变又称为一级相变。

2 .玻璃化过程

当冷却速率大于结晶的成核速率和晶体长大速率，那么液态过冷固化成玻璃态。

因此玻璃化转变温度T_g不是取决于热力学因素，而是取决于动力学因素。从两个方面可以证实：

1. 非晶态固体（玻璃态）的形成取决于冷却速率。
2. 玻璃化转变温度高低随冷却速率的变化而变化，冷却速率越高，其玻璃化转变温度越高，反之则较低。

所以液体在冷却过程中，最终固化形成晶态还是玻璃态，是两种速率过程即结晶的成核速率和晶体的长大速率同冷却速率（温度下降速率）相互竞争的结果。

3.玻璃态粘度

玻璃态可以看作为凝固了的过冷液体，它的粘度很大，h>10¹²～10¹⁴Pa·s。

从图7中看到，横坐标是相对温度,即融化温度与实际温度之比T_m/T，纵坐标是logh。

一般将h>10¹⁴ Pa·s作为玻璃态的一个判断标志。

而对应h=10¹⁴Pa·s的温度称为玻璃化转变温度T_g（glass transition temperature）,简称为玻化温度。当T〈T_g时，称为玻璃态区。由于玻璃态区粘度极大，因此

三．最大冷冻浓缩溶液的玻璃化转变温度

1．玻璃化转变温度定义

当食品中水分含量≤20%时，其玻璃化转变温度＞0℃，一般用T_g表示。当食品中水分含量＞20%时，由于冷却速率（降温速率）不可能达到很高，因此不能实现完全玻璃化。此时玻璃化转变温度指最大冷冻浓缩溶液发生玻璃化转变时的温度，定义为T_g’。

由于玻璃态固体的形成主要取决于动力学因素，即冷却速率的大小。因此只要冷却速率足够快，且达到足够低的温度。几乎所有材料都能从液体过冷到玻璃态的固体。“足够低”是指在冷却过程中，迅速通过T_g<T<T_m这个区域而不发生结晶，这种玻璃化为完全的玻璃化。

完全玻璃态是指整个样品都形成了玻璃态，这是食品材料和食品低温玻璃态保存的最理想的状态。因为此时细胞内外完全避免了结晶。

但在不同的冷却条件下（即不同的冷却速率）、不同的初始浓度下，可达到两种不同的玻璃态，一种是完全的玻璃态，一种是部分结晶的玻璃态。

溶液浓度对玻璃化转变温度的影响较大，如图8所示：

溶液浓度为0时（即纯水），T_g= -135℃，随溶液浓度增大，T_g也随之提高。当初始浓度为F的溶液（F点），从室温开始冷却时，随温度的下降，溶液过冷达到P点后开始析出冰晶，由于结晶放热，使溶液局部温度升高，由于冰晶不断析出，剩下溶液的浓度不断提高，因此冰点不断下降，这样，溶液就沿着平衡的熔融曲线（凝固曲线）不断析出冰晶，而冰晶周围剩余的未冻结溶液的浓度随温度下降而不断升高。当温度一直下降到熔融线与玻璃化转变曲线的交点时，溶液中剩余的水分将不再结晶（称不可结冰的水），此时的溶液达到最大冷冻浓缩状态（maxmally frozen-concentrated state）。这种状态下，溶液浓度较高，它们以非晶态基质（matrix）的形式包围在冰晶周围，不需要很大的冷却速率即可使最大冻结浓缩溶液实现玻璃化，最终形成镶嵌着冰晶的玻璃态，这是一种具有部分冰晶的玻璃态，这个过程称为部分玻璃化过程。T_g’称为最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度，也可称为部分玻璃化转变温度，相应的溶液浓度为C_g’， T_g’和C_g’这两个参数在食品研究中被广泛地应用，成为当今人们研究的热点。因此玻璃化转变主要取决于冷却速率和溶液浓度，最终可得到两种不同的玻璃化结果，一种是形成部分结晶的玻璃态，另一种是形成完全的玻璃态。实现完全玻璃化转变有两条途径，一是采用快速冷却方法，另一是在低浓度下实现玻璃化。

在高聚物科学中，一般小于玻璃化转变温度时所处的状态称为玻璃态，大于玻璃化转变温度时所处的状态称为橡胶态，如图9所示：

2．玻璃态与橡胶态的区别

从客观上讲，玻璃态与橡胶态存在显著的差别：

a．玻璃态的粘度≥10¹² Pa·s

橡胶态的粘度：10³ Pa·s

粘度的差别在于聚合物链运动的差别引起。

b．玻璃态的自由体积很小，而橡胶态的自由体积较大。

所谓自由体积是指分子已占体积外的体积。由于橡胶态的自由体积大大增加，使较大的分子也能发生移动，分子扩散速率随之增大，反应速率非常快。而在玻璃态中，受扩散控制的反应速率十分缓慢，几乎为0。

3．WLF方程和Arrhenuis方程

玻璃态和橡胶态的反应速率可用定量的形式描述，即采用WLF方程和Arrhenuis方程进行定量描述。

Arrhenuis方程：h=h₀exp(-E_a/RT)

h：粘度

h₀：温度为T₀时的h值

E_a：活化能

R：理想气体常数

T：绝对温度

适用于玻璃态及T_g+100℃温度范围内。

WLF方程：lg｛（h/rT）/(h_g/r_gT_g)｝= -C₁(T-T_g)/｛C₂+(T-T_g)｝

r：密度

r_g，h_g：分别为T_g时的密度和粘度

C₁，C₂：物质常数

C₁=17.44    C₂=51.6

适用于橡胶态。

图10说明了WLF方程和Arrhenuis方程所描述反应速度差异。

如果将食品保存在玻璃态下，避免了结晶产生，使得食品在较长的贮藏时间内处于稳定状态。

例如细胞的低温保存，可使细胞存活率提高。随温度下降，细胞外不断析出冰晶，细胞外溶液浓度增大，细胞内的水分不断渗透到细胞外并继续析出冰晶，这样致使细胞外剩余溶液及细胞内溶液浓度不断提高。直至达到T_g’，避免产生冰晶，到达玻璃态后，细胞外冰晶不足以挤伤细胞，而玻璃态又抑制了扩散速率，使细胞存活率大大提高。

四．玻璃化转变温度的测定方法

由于在玻璃化转变过程中会发生热、力、电性质的变化，因此测定玻璃化转变的方法很多，如DSC（Differential Scanning Calorimetry）曲线反映玻璃化转变过程中热容（C_p）变化，DMA（Dynamic Mechanical Analysis）反映样品在玻璃化转变过程中的流变性质变化，TDEA(Thermal Dielectrical Analysis)反映了样品在玻璃化转变过程中介电性质的变化。

1．DSC方法

例如图11中，在A种情况下，DSC曲线回到了基线。这说明不是玻璃化转变，在B种情况下，DSC曲线不再与基线相交，这是发生了玻璃化转变的一个特征。

2．T_g’的确定方法

玻璃化转变一般是在一个温度区域，而不是一确定的温度。所以玻璃化转变温度T_g的确定，目前尚无统一的方法，不同的研究者具有不同的观点。

1995年，Roos总结了三种根据DSC加热曲线判定玻璃化转变温度的方法。

如图12所示，整个玻璃化过程发生在-46℃～-35℃范围内。

3．退火处理对T_g’的影响

DSC加热曲线的玻璃化转变的台阶一般不太明显，主要原因有两个，一是与被测物质本身性质有关，有的物质玻璃化转变较明显，有的物质玻璃化转变不明显或根本测不到。二是没有经过退火处理。

退火处理将对DSC曲线有很大的影响，例如，25%浓度的蔗糖溶液，经退火处理与未经退火处理的DSC加热曲线有一定的差异。

1. 以5℃/min降温至-80℃，然后以 5℃/min升温至25℃，
2. 以5℃/min降温至-80℃。

经退火处理：

以5℃/min升温至-25℃，

以5℃/min降温至-50℃，在此温度下恒温60min，

以5℃/min升温至25℃。

两种情况DSC曲线如下：

不论是液体，还是固体，体积包括两个部分，一部分是分子已占体积，另一部分为“自由”体积（未被占据的体积），它由空穴造成，或是由分子的无序排列引起分子堆砌缺陷造成的，这部分自由体积可提供分子活动的空间，以使分子从一种构象转变到另一种构象。自由体积是可供高聚物链段运动所需的体积，玻璃化转变温度是这样一个温度，当其温度降低时，自由体积收缩，当自由体积收缩到没有足够的空间供分子链段运动时的临界温度，即为玻璃化转变温度。在玻璃化转变温度下，分子链段运动基本冻结，当升温到达T_g后，分子链段才开始运动，热容变大，因而基线向吸热一侧偏移。在玻璃化转变时，自由体积虽较冻结，但冻结程度受转变过程中冷却条件的影响，如在玻璃化转变温度附近处理较长时间，体积收缩完全，组织致密，当再度升温时，自由体积增大，热容产生变化，处理时间越长，则自由体积越小，组织越致密，热容变化也越大，因此玻璃化转变的台阶越明显。

由于玻璃化转变主要是基线的偏移。要求仪器的稳定性好，基线平直，并有较高的灵敏度。如果转变不明显，样品进行退火处理可以强化转变前后自由体积的差别。

经过退火处理的溶液已达到最大冻结浓缩状态，即A点，其玻璃化转变温度为T_g’，而未经退火处理的溶液中尚有部分水没有来得及结晶，可能处于图中某一点B，B点虽然没有达到最大冻结浓缩状态，但该溶液浓度（w/w%）也较高，也能实现玻璃化转变。其玻化温度是T_g^B< T_g’（图15）。

五、 玻璃态保存

1995年Reid采用DSC测量了近二十种水果、蔬菜及鱼类的Tg’，果蔬中含水量高达90%左右，如草莓汁液的Tg’为-42.5℃（图16）。

低温保存分为冷藏（Chilling storage）和冻藏（Frozen storage），在冷藏条件下草莓的质量下降很快，例如草莓贮藏在0~-5℃，湿度90~95%，则其贮藏期为5~7天。

如果草莓在-18℃或更低温度下冻藏，贮藏期达12个月。如果将草莓在玻璃态下保存，那么草莓质量有更大程度的提高。

冻藏草莓在解冻后往往有汁液流失现象，这是因为在冻结或贮藏过程中细胞外细小的冰晶也会逐渐长大，由于小的冰晶不断长大，较大的冰晶挤压细胞，使细胞产生变形或破裂，甚至细胞壁也破坏，使持水能力下降，因此汁液流失，草莓的质构变化，硬度降低。

如果在玻璃态下贮藏草莓，由于玻璃态的粘度高和自由体积小，分子的扩散速率几乎为0，使玻璃态中一些受扩散控制的反应速度变得十分缓慢，甚至不会发生，因此食品在较长的贮存期内处于稳定状态。

但是玻璃态保藏的主要缺点是玻璃化转变温度很低。如何提高玻璃化转变温度Tg’是关键问题，通过添加高聚物可以提高Tg’。