文摘

在食品科学理解吸附等温线是至关重要的优化干燥工序,提高食品的保质期,在存储和维护食品质量。本研究调查了等温线的甜樱桃粉(SCP)使用静态重量法。冻干实验水吸附曲线的甜樱桃粉测定30°C, 40°C, 50°C。曲线被安装到六等温线模型:修改多嘴,哈尔西,史密斯,奥,Caurie和库恩模型。定义与吸附过程相关的能量,等排的吸附热,微分熵,传播来自等温线的压力。史密斯在六个模型中,模型是最可靠的预测的吸附樱桃粉决定系数(R²)为0.9978,平均相对误差(绝笔)≤1.61。净等排的热量和微分熵的值为樱桃增加指数随着水分含量减少。净等排的热量值变化从10.63到90.97 kJ摩尔⁻¹,而微分熵值变化从27.94到273.39 j·摩尔⁻¹K⁻¹。总的来说,焓熵补偿理论表明enthalpy-controlled机制可以用来调节水吸附在樱桃粉。

1。介绍

甜樱桃(李属鸟结核l .)高度易腐水果由于其高含水量和呼吸率,从而导致在几天内迅速恶化的水果。然而,这种水果可以通过适当的干燥保存,同时保持其质量。干燥的目的是抑制微生物的扩散。通过限制酶和非酶的褐变反应材料矩阵,知觉的特性和营养价值的食物产品维护(1]。干樱桃粉有大量的使用在食品工业中,如添加剂、饮料行业(2]。此外,樱桃粉可以作为高纤维拮抗和常合并为原料在方便面,干汤,和其他食物的食谱3- - - - - -6]。在营养食品行业,樱桃粉添加到各种食品帮助消费者建立免疫(3,7]。

然而,食品储存条件不当可能导致明显降低质量的樱桃粉。这就解释了为什么水吸附等温线是有用的热力学预测水和食物之间的交互工具组件。此外,吸附等温线可以用来探索樱桃粉的结构特点,如比表面积、孔隙体积、孔隙大小分布、结晶度(8- - - - - -10]。这些数据是关键元素优化存储条件和包装,他们可以用在食品行业改善香气保留,颜色,质地,营养11),和生物稳定的食品12]。

此外,食物的水分吸附等温线为开发新食品提供有价值的信息和预测食品货架寿命13]。这个科学的工具也可以用于保存和储存全年季节性水果向消费者提供食品(14]。在食品工业中,吸附等温线数据有利于监测干燥过程,确定最终产品的最佳残余水分含量(15),和计算吸湿物质的干燥时间16]。此外,吸附等温线可以用来计算焓,熵,自由能值所需的食物保藏(17,18]。水分吸附数据还可以提供洞察表面积和表面结合位点的数量的材料(19]。

吸附等温线实验可以确定。首先,食物样本是大气中平衡在恒定的温度和不同的相对湿度值。平衡后,水(水分)内容的样品进行了分析。每一对平衡相对湿度(二)含水率对等温线数据提供一个点。尽管如此,确定吸附等温线的实验方法分为两类:静态和动态过程(20.]。静态重量法通常涉及水果样品在干燥器jar的位置不同饱和盐的解决方案。样品然后离开一段时间,平衡在一个恒定的温度。在恒定的温度,饱和溶液的浓度和水蒸气压力保持不变。不同于静态方法,动态方法,样品都平衡气流,和样品的相对湿度不断改变。水分吸附或眠的数量是由记录样品的重量变化量。然而,之前已有无数人尝试开发数学模型,可以预测吸附等温线(21]。目前预测模型受限于指标基于物理吸附理论或曲线拟合技术。

本研究采取确定甜樱桃粉在三个温度下的吸附等温线(30°C, 40°C,和50°C)使用静态重量法。此外,选择调整实验数据分析模型,以及热力学性质(微分熵,焓差,吉布斯自由能,和传播压力)预测等温线以及显微结构的变化。

2。材料和方法

2.1。原材料

甜樱桃(李属鸟结核l .)Burlat各种收获在2019年6月在摩洛哥梅克内斯地区。水果是和冻干−55°C下真空(4.5 Pa)对96 h使用冷冻干燥机(α1 - 4 LDplus /α2 - 4 LDplus)。干产品后来粉碎和筛选振动振动筛(中钢协/ BA200 N)获得细粉与粒子直径在50到125之间μm。水果粉被保存在一个密封的玻璃烧瓶在4°C。

2.2。表征技术

冻干樱桃的微观结构与扫描电子显微镜检查电子显微镜(SEM) (TESCAN维加3)操作在20 kV。样本carbon-sputtered和在不同的放大照片。热gravimetric-differential热分析(TG-DTA)被用来研究冻干樱桃的热性能(DTA, Labsys Evo 1600, SETARAM)。加热的过程由∼50毫克样品的铂坩埚从环境温度到800°C的加热速度10°C min⁻¹。

2.3。吸附等温线实验

吸附等温线是由静态重量法。盐水中活动( )范围从0.074到0.898,0.063,0.891,和0.057到0.882在30°C, 40°C,分别和50°C。粉末样品(2 g)第一次放在1 L密封玻璃罐含有饱和盐的解决方案。每个盐溶液的水上活动值作为温度的函数被Bizot和Multon[描述22]。玻璃瓶是保存在真空干燥器在相应的温度下(±1°C),然后定期称重,直到达成平衡。在达到平衡(当连续三个措施是相同的),样品重量(米_h),放置在烘箱在105°C 24小时测量干燥质量(米_年代)。所有的水分吸附测量重复三次。百分比差异之间的平衡湿含量样品一式三份,平均不到1%的三个值的均值。

平衡含水率(EMC)产品的吸湿平衡得到运用

2.4。模型方程

冻干甜樱桃粉的水分吸附等温线使用六个数学方程进行了分析:修改唠叨(Guggenheim-Anderson-Boer),哈尔西,史密斯,奥,Caurie和库恩模型(表1)。方程选择适合实验吸附。所有计算都使用曲线专家专业2.3执行。

2.3曲线专家专业。被用来确定模型参数和计算95%置信区间的参数。除了调整决定系数(R²adj),善良的拟合模型进行了测试使用均方根误差(RMSE)和平均相对百分比偏差(P%)是用来确定合适的质量预测和实验值之间。

这些参数计算使用方程(2)- (4),分别。 在哪里是实验含水率(% d.b。)是预测含水率(% d.b。)N数据点的数量,d.b. cooper是干重。

人们普遍认为,与高值的获得一个不错的选择R²disorderly≥0.9和RMSE值低,Pd.b(低于10%)。

2.5。热力学性质

焓差,通常被称为净等排的吸附热_圣描述的状态由固体材料吸收水。在恒定的湿度,净等排的热量,问_圣(kJ摩尔⁻¹),计算使用方程来源于克劳修斯——克拉珀龙方程方程: 在哪里是水的活动(无量纲)θ是绝对温度(K),R是通用气体常数(J /(摩尔K))。

通过假设问_圣,是不变的温度对于给定的EMC,一体化的方程(5)给23] Δ在哪里年代是吸附的微分熵(J / kmol)。

ln的情节( )和1 /T给出了直线的斜率问_圣/R和Δ的拦截年代/R,用于估计等排的吸附热问_圣和微分熵Δ年代,分别。

吉布斯自由能计算使用以下方程(24]:

根据补偿理论(25之间的线性关系,为特定的反应焓和熵计算以下方程:

等速温度( )代表所有反应的温度系列以同样的速度进行。吉布斯自由能值在可以用来表明吸附过程的自发性。更具体地说,吉布斯自由能是自发的价值是负面的和非自发的价值是正面的。补偿理论的验证测试通过对比与调和平均数的等速温度温度 。数学上,表示如下:

焓熵补偿理论可以应用前提≠ 。不断蔓延的热力学性质评估压力,等于在飞机上施加的力的大小的表面,以防止表面扩散26]。这个参数是表面能和被定义为裸露的吸附的表面张力增加网站由于吸收或吸附分子(27]。这个关键参数是依赖于水分含量和水分活度和计算 在哪里k_B波尔兹曼常数(1.380×10⁻²³JK⁻¹),一个_米一个水分子的面积是(1.06×10⁻¹⁹米²),水分比例θ是由θ=X_情商/X_米,T(K)的温度。

压力被定义为传播力应用于表面平面垂直于边缘的每单位长度保持表面的蔓延。它是使用唠叨模型方程,定义为计算 在哪里B和C是空谈模型的常数。

积分热力学性质的测定(焓和熵)和水activity-temperature冻干粘液最小积分熵发生情况,视为最大的储存稳定性,成立的Perez-Alonso et al。28]。这些作者提供了一个全面的描述过程和公式用于此目的。

使用克劳修斯——克拉珀龙方程积分计算焓方程的恒压扩散或表面电位(π)[29日,30.]。 在哪里H_年代积分摩尔焓的水吸附的粘液(kJ摩尔⁻¹),H_l吸附水的偏摩尔焓在恒定的温度和压强下(kJ摩尔⁻¹),R理想气体常数(8.314×10⁻³kJ摩尔⁻¹K⁻¹),在恒定的温度积分焓(kJ摩尔⁻¹)。一个阴谋在表单中与1 /T,为一个特定的恒压扩散 ,决定从斜率 。

需要积分焓熵来确定积分相关的吸附过程。这是计算使用以下方程: 在哪里年代_年代=年代/N₁的整体熵水吸附在粘液,年代_l吸附水的偏摩尔熵在恒定的温度和压强下(kJ摩尔⁻¹),积分熵在一个恒定的温度。

使用方程(14),水面面积(年代₀),定义如下: 在哪里米_米单层水分吗N₀阿伏伽德罗常数(6×10吗²³分子每摩尔),和是水的分子量(18 g摩尔⁻¹)和水分子的面积(10.6×10⁻²⁰米²),分别。

3所示。结果与讨论

3.1。扫描电子显微镜分析

冷冻干燥过程的影响在粉末显微组织观察在扫描电子显微镜(图1)。所有粉末样品看起来相似。冷冻干燥时,粒子不球形凝聚在一起;他们通常冷冻干燥和冰下坚持发展细胞结合在一起,因此难以分离的细胞之间的区别。冻干樱桃的研磨成粉末形式导致更多的形状不规则的颗粒;类似的结果Caparino等人报道了在冻干芒果粉(31日]。冷冻干燥粉末表现出高孔隙度和孔隙形状,而多孔结构很容易比紧凑的再水化,和冷冻干燥粉结构可能包括收毛孔,可传质在补液的障碍(32]。冷冻干燥过程的TPC−55°C可能影响微观结构。林(33]证明了冷冻干燥藻粉30°C和−−60°C之间形成大冰晶生长的细胞间隙导致机械损伤的细胞。这样的机械损伤明显减少,细胞迅速冻结在−196°C。类似的观察报告Voda et al。34),他发现冻干胡萝卜在很低的温度(−196°C)的微观结构有显著影响胡萝卜相比,较低的温度(−28°C)。

3.2。热行为

产生的热曲线微分热分析数据在图表示2。减肥的三个不同的地区(120 - 215°C;215 - 323°C;323 - 800°C)。第一区域(120°C到215°C)显示的质量损失5%,主要是由于物理吸附水的去除和其他挥发性物质(35]。第二个地区(215°C到323°C)记录质量显著下降(34.92%)。这个观察可能归因于更深刻而复杂的挥发物质如脱粉rich-polysaccharides像果胶35,36]。第三个地区(323°C - 800°C)占52.23%的质量下降,可能是后留下的残渣焚烧(82.92%)在800°C。类似的趋势是在热带水果粉报告(36,37]。TGA允许我们确定质量损失作为温度的函数,和DTA分析确认结果TGA的分配每一个损失峰值(放热还是吸热),验证获得的损失。TGA和DTA还显示质量损失与温度和升温速率的增加38]。

3.3。吸附等温线

实验数据的平衡水分含量和水分活度测试盐解决方案在不同的温度下表所示2和图3。温度的增加导致下降X_情商的粉末样品。随着温度的增加,水分子变得兴奋,从而削弱它们之间的吸引力量,降低平衡含水率(39]。图3显示了实验值和获得的估计与史密斯模型在30°C, 40°C, 50°C。它显示为代表的等温线s形形式和对应于II型等温线IUPAC根据分类(国际纯粹与应用化学联合会)。II型等温线是典型的含糖量较高的食品,如多糖和蛋白质(40]。甜樱桃粉的吸湿平衡是在10天。

3.4。最佳的储存条件

水分等温吸附线定义之间的关系平衡水分含量和水分活度的恒温给定的食品。这是一个关键因素在设计和优化干燥设备,食品包装设计,预测在储存水分的变化,并预测食品质量,稳定,保质期41]。这里,我们确定最优平衡相对湿度的存储樱桃粉。3下的等温吸附线可以被建模^{理查德·道金斯}度函数,和中央部分或“板”对应的区域更好的稳定的产品。这个计算的过程由一个多项式分解平衡含水量。通过这样做,可以计算导数的价值二是取消了(没有变化),随后确定最优保护的相对湿度。

SCP保护最优水活动的价值是0.39(图4)。这个结果与最优水活动报道文献中(0.2 - -0.4)16,42]。平衡含水率的多项式方程基于SCP的水活动如下:

加强这种方法,积分提供信息熵的最大稳定食物中的水分子矩阵计算。图5显示了熵函数的积分含水率在30°C, 40°C, 50°C。积分吸附熵增加和平衡含水率的增加。增加翻译的自由度增加水的产品,增加的平衡含水率;因此,描述的是不那么结构化的系统。最小熵积分被认为是最大的稳定,因为它就是水分子实现更有序排列在固体和强大的债券之间的吸附质和吸附剂;因此,水是不可以参与变质反应(43]。因此,结果如图5最优水活动最大的SCP的稳定性是0.39。

3.5。吸附等温线的建模

数据描述水分吸附等温线、吸附曲线的樱桃粉是六个模型拟合。吸附模型的调整结果的影响考虑温度对吸附等温线的表来表示3,包括确定系数调整 ,均方根误差(RMSE)和平均相对偏差百分比(P)。统计处理表明考虑模型的可接受性的平衡含水率的预测欧洲甜樱桃粉。最适合的是归因于“的模型具有更高的价值”和RMSE值和较低P(44]。

史密斯吸附等温线的分析表明,该模型符合平衡数据因为它最高RMSE最低(0.997)和(0.017)P(1.7003%)的值。此外,显示所有参数的置信区间模型在95%的置信水平显著,说明适合实用目的(45]。这个模型被发现适合不同的食物:阿月浑子(46),香蕉粉(47),和挤压的零食48]。残差值的分析和预测EMC的吸附值与前面的结果一致。

单层含水率(Xo)措施的数量吸附网站和被视为食品稳定性的最优值(49]。的利率低于这个值,颓废的反应是在其最小值50]。人们发现从多嘴获得单层含水率模型(表3随着温度的增加而减少。这是由于氢键的弱水分子的温度增加。Xo的估算值值的范围内对agrofood产品(49]。此外,K随着温度的增加不断增加。的物理测量K多层的吸附热有关。类似的研究结果报道Aksil et al。51),用口才模型来探索冻干的等温吸附线杨梅unedol .粉。的参数C是不依赖于温度的依赖,5.67和∞的范围内,由Ruiz-Lopez表示和Herman-Lara [44]。

3.6。热力学性质

3.6.1。吸附热量和微分熵

净的演变等排的热量和微分熵作为水含量的函数图所示6(一)。净等排的吸附热显著依赖于含水率。更具体地说,网络等排的吸附热下降迅速从90.97到10.03 kJ摩尔⁻¹随着平衡含水率的增加。观察到增加净等排的热量在低含水量可以追溯到丰富的活动材料的表面结合位点。一旦结合位点满是单层水分子,它们变得不那么活跃,因此生成的低热量的吸附(52]。在低含水率,问_圣接近0时逐渐减少。这意味着等排的热量等于水冷凝热。相应的水分含量可以被视为“绑定”水的限制(24]。

等温线的微分熵(Δ年代)是计算使用方程(6)。微分熵变化的测定提供了热能损失的信息(TΔ年代)系统和不可逆性的物理现象,特别是在热交流。微分吸附焓变采样樱桃粉的温度介于30°C和50°C所示图6 (b)。至于问_圣从273.39到27.94,微分熵减少J摩尔⁻¹K⁻¹平衡含水率的增加。这表明高水分子覆盖减少后者的流动。

操作。焓熵补偿

补偿理论樱桃粉如图7。根据这一理论,为一个特定的反应,与熵焓具有线性关系。吉布斯自由能(ΔG使用方程()和等速温度计算8)。樱桃粉的焓熵的关系是数学表示如下:

的自由能值樱桃粉是积极的,这意味着等温线的粉是一种吸能的非自发反应,这就需要一个输入的能量从周围环境的产品。

关于赔偿焓熵理论,等速温度(T_β)和谐波温度(T_嗯)是显著不同。计算谐波温度(T_嗯)为312.94 K时观察到的值接近等速温度T_嗯价值。这种差异支持焓熵补偿理论。我们的数据显示,(T_β)比(T_嗯)。因此,吸附过程是enthalpy-driven。这表明粉的微观结构非常稳定,没有面对任何变化在水吸附温度范围内的30到50°C。

3.6.3。传播的压力

的传播压粉样品在不同温度下测定使用方程(10)和(11),如图8。传播的压力值随着水分活度的增加增加。等温线的正弦行为将消失在一个给定的温度。因此,压力可能有一个线性相关与蔓延 。观察到的高传播压力值在较低温度下表示高亲和力的水分子活跃的网站,部分原因是樱桃的结构和化学成分。在他们的研究中,Al-Muhtaseb et al。53在淀粉粉]发现同样的行为。

3.6.4。表面积

特定的表面提供了洞察的水合性质给定材料和计算使用方程(14)。唠叨模型生成的单层水分值分别为63.21,52.08和44.98 (m²g⁻¹干燥的固体)相应的平衡温度30°C, 40°C,分别和50°C。减少水分是随着温度的增加。这种关系与活动网站的数量减少化学反应和物理变化由更高的温度。

4所示。结论

这项研究表明,欧洲甜樱桃粉保存策略是优化通过监测其含水量。结果表明,水分吸附等温线展出了II型形状。温度和平衡含水率之间成反比关系的观察水果粉。此外,我们的研究结果表明,实验数据拟合最好史密斯模型相比,唠叨,哈尔西,奥,Caurie和库恩模型。净等排的吸热量和微分熵减少被发现的平衡含水率增加。总的来说,焓熵补偿或等速理论表明,enthalpy-controlled机制可以用来调节水吸附在水果粉,进而优化存储条件和包装,他们可以用在食品行业改善香气保留,颜色,食物的营养和生物稳定的产品。SCP属性表示不同的生物活性化合物可以microencapsulated使用喷雾干燥,这将保护他们免受有害环境因素和延长其保质期,当存储在适当的条件下(在这项研究确定了适宜的温度和水分活度)。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的合理要求和作者MCRDV批准机构(Projet_Cerisier_2016)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。