应用案例|时域核磁技术在粉状食品结块现象中的应用研究

2023-05-12 18:43:19, 纽迈分析苏州纽迈分析仪器股份有限公司

粉末食品结块概述

粉体结块是粉体力学中的一个较为复杂且不易解决，并广泛存在于食品、保健食品、化肥、饲料、制药等行业的难题。

为了便于运输及后续使用，食品生产企业通常采用冷冻干燥及喷雾干燥等工艺将产品以粉体形式进行加工生产。而粉类产品在储存初期可保持较好的流动性，但随着储存时间的增加，粉体逐渐出现结块这一有害现象，粉体结块不仅不利于产品的保存，同时也会影响粉类产品的后续使用。

尤其是对于乳制品以及其他速溶食品，粉类食品结块后，粉体产品本身的流动性、分散程度将大大下降，直接影响产品的风味口感，如奶粉、豆奶粉、枣粉、草莓粉、骨粉等结块后会造成口感下降、食用困难等后果，因此，食品结块是食品行业亟待解决的问题。

图1：奶粉结块

粉末结块可以看作是粉体颗粒之间的有害聚集，单个粉末颗粒团聚形成团聚体，最终形成固体块，使易于自由流动的粉末变成固体块。

富糖类食品粉体尤易发生结块，这是由于很多粉类食品自身具有很强的吸湿性，在粉粒间的吸附作用下造成粉体粒子群的黏聚，从而破坏了粉体的流动性。

粉末食品结块的机理

研究表明：粉状食品的结块问题与食品中水分分布以及加工和贮藏过程中粉状食品的吸水性有关。当粉状食品微粒表面含有一定水分时，粘度增加，微粒互相桥接形成更大的颗粒，大颗粒再逐渐结合形成团块而导致结块。

温度是影响结块的另一个重要因素。将粉质食品材料暴露于高于某一温度的环境中时，就发生结块。这个温度称为“粘点”，也叫结块温度。

图2:电子显微镜下团聚结块的粉末

粉体食品玻璃化转变温度

玻璃化转变

指非晶态物质从玻璃态到高弹态的转变或者从高弹态到玻璃态的转变。玻璃化转变温度Tg是两种形态转变的温度。

近来，有很多研究表面结块现象与物质的玻璃态转变密切相关，当粉末食品储藏在Tg以下（玻璃态）时，食品物料粘度高，流动性低，粒子间相互结合的时间变长。在这种情况下，食品在货架期内不会发生结块。

另一方面，如果体系的储藏温度高于Tg（处于高弹态），聚合物片段的流动性增加，缩短粒子间结合的时间，粘度降低，从而促进溶剂和溶质的扩散，加速结块。因此，Tg就成为研究粉状食品结块现象的一个重要指标，同时可通过测定物质的Tg来预测粉末状物质的结块温度。

图3：物质的物理状态示意图

时域核磁原理

时域核磁弛豫测定法

时域核磁弛豫测定法是一种快速、无损的检测方法,可用于评价食品体系的物理与化学变化。

时域核磁(TD-NMR)通常以氢核为探针，基于不同脉冲序列的弛豫时间测量，包括称为纵向弛豫时间(T1)和横向弛豫时间(T2)，这些弛豫时间与样品中氢质子状态有关，也就是不同样品由于氢质子状态不同，测试结果所呈现的弛豫时间也不同，分子运动性越强其横向弛豫时间越长。

时域核磁研究粉末食品

玻璃化转变温度

通过上面时域核磁原理，我们了解到不同氢质子状态不同，表现出得弛豫时间也不相同。

粉末食品随温度的升高，分子运动增强；当温度达到玻璃化转化温度时，会表现出一系列物理性能和化学性能的迅速变化。用时域核磁测试表征时，会发现随温度变化样品横向弛豫时间T2会明显不同。

图4：随温度变化某粉体食品的横向弛豫时间T2

实验结果可知：

温度与横向弛豫时间曲线由两段构成，并有明显的拐点。

当温度达到玻璃转化温度时，食品的分子从不可移动的玻璃态到可一定的高弹态，曲线斜率出现明显的变化，可以假定此时的玻璃转化温度就是样品的结块温度。温度曲线的斜率对应温度变化趋势，这对于评估在相变温度以上和以下时的物质的热力学特性提供了信息；可以用来估计食品原料的结块趋势和结块率，从而相关研究人员可以调整食品中各组分的不同配比，减少易结块的组分，增大抗结块的组分，改善加工工艺，控制工艺参数，以此来改变食品玻璃态转变温度Tg，延长食品的保质期等。

时域核磁法测量粉体结块的优势：

时域核磁共振法是一种直接测量粉体食品玻璃化转变温度的方法，与传统测试方法不同,如差示扫描量热法(DSC), 对样品具有破坏性，且测量精度差。

除此外时域核磁具有很多优势：

● 虽然样品需要恒温处理，但核磁法测量时间短(通常几十秒)，测试过程简单；

● 结合样品变温模块，可直接测量各温度点下的样品；

● 仪器操作简单，简单需培训即可使用仪器；

● 核磁共振技术是无损检测技术,可对同一样品进行重复测量或进行其他测量；

● 核磁法校准方便，仪器稳定可靠。

优

势