食品中水分含量測定裝置的研究現狀

李 君,董 磊,姜發堂,肖 滿

(湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430068)

水是食品的主要組成成分,其在食品中的含量、分布和狀態對食品的外觀、質構、風味、新鮮程度產生極大的影響[1-2],準確地測定食品中的水分含量對評價食品的營養品質、食用品質及安全性顯得尤為重要[3-5]。因此,水分含量是食品質量控制的一個主要指標,其測定方法有直接測定法和間接測定法。直接測定法是利用食品中水分本身的物理性質和化學性質來測定水分的一種方法,如重量法、蒸餾法和卡爾費休法;間接測定法是利用食品的密度、折射率、電導率、介電常數等物理性質來測定水分的一種方法[6]。在上述測定方法中,裝置是測定方法中一個重要組成部分,裝置的結構特點和技術參數也會對實驗測定結果產生影響,因此食品中水分含量需選擇合適的裝置來進行水分含量檢測。依據食品水分含量直接測定法和間接測定法中使用的裝置,可將測定裝置分為直接測定裝置和間接測定裝置。

本文對食品中水分含量測定裝置的基本結構、測定原理、應用和優缺點進行了總結,為食品中水分含量測定裝置的選擇和使用提供參考。

1 直接測定裝置

1.1 干燥器

干燥器是由瓶蓋和瓶身組成的玻璃容器,瓶身內部放置陶瓷篩板,篩板表面放置樣品,篩板下部放置干燥劑(如五氧化二磷、無水硫酸鎂、無水氯化鈣、硅膠等)。當食品樣品放置于干燥器內時,食品中的水分將擴散至干燥室腔體內的空氣中而被干燥劑吸收,經過30～40 d,當食品樣品重量達到恒重時,則食品樣品干燥結束,干燥前后的重量差與初始重量之比,即為食品樣品的濕基含水量。Ho等[7]利用內置有SiO2和CaCl2干燥劑的干燥器,測定了CO2-α-環糊精復合物粉末的水分含量,當利用內置SiO2干燥劑的干燥器干燥60 h后,測得CO2-α-環糊精復合粉末的水分含量為0.247%±0.012%,而利用內置CaCl2干燥劑的干燥器測得的水分含量為0.225%±0.005%。Rascón等[8]將噴霧干燥法制得的辣椒油樹脂置于真空干燥器(真空度13 KPa)中,將干燥器在25 ℃條件下放置15 d后,測得辣椒油樹脂的水分含量為6.502%。干燥器適用于測定無揮發性食品中的水分含量,利用干燥器測定食品中水分含量的優點是裝置簡單,缺點是測定時間較長,而且在測定過程中,需從干燥器中反復取出樣品稱重,樣品可能吸濕而導致水分含量測定結果不準確,因此在實際中的應用很少。

1.2 干燥箱

干燥箱是一類用于干燥物料的儀器,其結構主要由外殼、工作室、外殼與工作室間的保溫材料、加熱器和溫度控制等組成。干燥箱一般分為普通干燥箱和真空干燥箱,普通干燥箱的溫度可設置范圍為室溫至200 ℃,適用于測定在101～105 ℃下,蔬菜、谷物及其制品、水產品、豆制品、乳制品、肉制品、鹵菜制品、糧食(水分含量低于18%)、油料(水分含量低于13%)、淀粉及茶葉類等食品中的水分含量,不適用于水分含量小于0.5 g/100 g的樣品[9]。普通干燥箱測定食品中水分含量的原理是在一定溫度(95～105 ℃)和壓力(常壓)下,將食品樣品放在干燥箱中加熱干燥,干燥前后食品樣品的質量之差與樣品初始重量之比,即為食品樣品的濕基含水量。Vsquez等[10]利用干燥箱在105 ℃的條件下測定新鮮與凍干藍莓的水分含量,結果表明新鮮藍莓顯示出比凍干藍莓更高的水分含量。Snchez等[11]利用干燥箱在100 ℃條件下測得切碎的鱈魚肉的水分含量為等[12]利用干燥箱在105 ℃條件下將大米干燥8 h,測得大米水分含量為12.26%±0.1%。

真空干燥箱的溫度可設置范圍為室溫至200 ℃,真空度為0.10～99.99 kPa,適用于高溫易分解的樣品及水分較多的樣品(如糖、味精等食品)中水分的測定,不適用于添加了其他原料的糖果(如奶糖、軟糖等食品)中水分的測定,不適用于水分含量小于0.5 g/100 g的樣品(糖和味精除外)[9]。真空干燥箱測定食品中水分含量的原理是在減壓條件下設置較低的干燥溫度對食品進行加熱干燥,干燥前后食品樣品的質量之差與樣品初始重量之比,即為食品樣品的濕基含水量。Lee等[13]利用真空干燥箱在100 ℃,13 kPa條件下測得乳酪的水分含量為36.7%±0.06%。Mckeown等[14]利用真空干燥箱在70 ℃和10.1325 kPa條件下,測得洋蔥的水分含量為90.18%。Romani等[15]利用真空干燥箱(溫度設置105 ℃)測定了在35 ℃條件下貯藏92 d餅干的水分含量的變化,結果表明餅干的水分含量從第5 d的1.473%增加至第40 d的2.080%。

干燥箱測定食品中水分含量的優點是裝置簡單,缺點是在對食品質量稱重時,需反復開閉干燥箱的箱門,影響干燥箱中的溫度,以及在稱重過程中食品吸濕導致稱重不準確,而使水分含量測定有誤差。

1.3 蒸餾裝置

蒸餾裝置是由蒸餾瓶、冷凝管和水分接收管等組成的玻璃裝置,一般用于含水較多又有較多揮發性成分的水果、香辛料及調味品、肉與肉制品等食品中水分含量的測定,不適用于水分含量小于1 g/100 g的樣品[9]。利用該裝置測定水分含量的原理是將樣品與高沸點有機溶劑(甲苯、苯、二甲苯)混合后進行蒸餾,收集水分于接收管內,通過測定接收管內水分體積來計算樣品中的水分含量。該裝置一般用于香料、啤酒花、調味品中水分含量的測定。Veillet等[16]利用蒸餾裝置測定小蔥、大蒜、橄欖中的水分含量,分別為80.0%±1.24%、63.6%±2.22%、43.5%±1.36%。Bertouche等[17]分別利用α-蒎烯和甲苯作為溶劑的蒸餾裝置,測得洋蔥中的水分含量分別為87.8%±2.03%和87.8%±1.41%。蒸餾裝置測定食品中水分含量的優點是裝置簡單,缺點是在水分含量測定過程中,水與有機溶劑易發生乳化作用,樣品中水分揮發不完全,導致測定結果偏低;另外,水分常會附著在冷凝管壁上,水和有機溶劑分層不清晰,導致測量結果不準確。實驗中使用的有機試劑,屬于易燃易爆易揮發物質,危害檢測人員身體健康。

1.4 卡爾費休水分測定儀

卡爾費休水分測定儀是一種測定各種物質水分含量的儀器,一般適用于食品中含微量水分的測定,不適用于含有氧化劑、還原劑、堿性氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、硼酸等食品中水分的測定[9]。其測定食品中水分含量的原理是利用I2、SO2、吡啶、無水CH3OH(含水量在0.05%以下)配制成卡爾費休試劑,與樣品中的水進行反應后,通過計算試劑消耗量而計算出樣品中水分含量。Solaesa等[18]利用卡爾費休水分測定儀測得沙丁魚油的水分含量為3.5%±0.3%。Gallina等[19]利用卡爾費休滴定儀測得百花蜜、刺槐蜜、栗樹蜜、紫椴蜜和蜜露的水分含量分別為17.68%±0.95%,16.87%±0.75%,17.00%±0.89%,17.97%±0.62%,17.70%±1.18%。卡爾費休水分測定儀測定食品中水分含量的優點是裝置簡單,容易操作,測定時間短,準確度高。缺點是該儀器受多種系統偏差的影響,如:儀器校準,儀器參數設置,滴定終點的精確測定,發生干擾性化學副反應,以及卡爾費休(KF)試劑和方法的選擇。另外,卡爾費休試劑中含有有毒(如有機堿,二氧化硫)、易燃(如甲醇,氯仿)等有害化合物,對人體有不同程度的危害。

1.5 鹵素水分測定儀

鹵素水分測定儀是由稱重單元和鹵素燈加熱單元等組成的可測定食品中水分含量的儀器。常見鹵素水分測定儀最大量程為110 g,精度為0.001 g,加熱溫度可以達到200 ℃。其測定水分含量原理是采用鹵素燈加熱干燥樣品,使食品中的水分蒸發,在稱量單元測得食品的初始與最終重量,從而計算出食品的水分含量。Rapelo等[20]利用鹵素水分測定儀測得淀粉的水分含量為14%。Verma等[21]利用鹵素水分測定儀測得燕麥粉的水分含量為8.73%。Chetti等[22]利用鹵素水分測定儀測得紅辣椒在真空包裝袋內貯藏24個月的水分含量為10%～12%。鹵素水分測定儀測定食品中水分含量的優點是在測定食品中水分含量的過程中,可實時顯示樣品重量、含水量、測定時間、加熱溫度等數據。測定過程在幾分鐘內完成,儀器適用于顆粒狀、粉末狀、片狀物和無揮發性液體中水分含量的測定。缺點是食品內部的水分以及結合水,通過鹵素燈加熱后不能完全從食品內部揮發出來,導致水分含量測定結果比真實值偏低。

1.6 紅外水分測定儀

紅外水分測定儀是由稱重單元和紅外線加熱單元等組成的可測定食品中水分含量的儀器。一般儀器的稱重范圍為0.5～9 g,精度為0.001 g,加熱溫度可達205 ℃。其測定食品中水分含量的原理是通過紅外線對食品的穿透以及加熱作用,使食品中的水分蒸發,在稱量單元測得食品的初始與最終重量,從而計算出食品的水分含量。Doymaz等[23]利用紅外水分測定儀,測得青豆中的水分含量為9.89%±0.05%。echtańska等[24]利用紅外水分測定儀測得青椒的水分含量為1.0%～1.5%。Chen等[25]利用紅外水分測定儀測得棗切片的水分含量為2.98%。紅外水分測定儀測定食品中水分含量的優點是適用范圍廣、節能、加熱升溫快、無污染、加熱效率高等,缺點是食品內部的水分以及結合水,通過紅外線加熱后不能完全從食品內部揮發出來,導致水分含量測定結果比真實值偏低。

1.7 微波水分測定儀

微波水分測定儀是由內置式高精度電子分析天平的微波爐腔體和非接觸式紅外溫度傳感器組成,該儀器可在3 min內測定食品的水分含量,測量范圍為0.01%～99.99%,樣品稱重范圍為0～50 g,精度0.1 mg。其測定食品中水分含量的原理是利用微波加熱的方式,使食品中的水分蒸發,通過計算得到食品中的水分含量。黃振軍等[26]采用微波水分檢測儀測定出原煙煙包的水分含量為16%。Horuz等[27]利用微波干燥儀測得干燥石榴的水分含量為23.93%±1.44%。Kumar等[28]利用微波測定儀測得蘋果內部的水分含量為6%。使用微波水分測定儀測定食品中水分含量的優點是適用于大部分食品的測定,并且高效、精確和安全,缺點是食品內部的水分以及結合水,通過微波加熱后不能完全從食品內部揮發出來,導致水分含量測定結果比真實值偏低。

1.8 其他直接測定裝置

快速核磁脂肪水分測定儀、核磁共振微波聯用脂肪水分測定儀和通用快速脂肪測定儀等快速測定食品中水分含量的儀器,能在2 min內完成對食品中水分含量的測定,測量范圍為0.01%～99.99%。其測定食品中水分含量的原理都是利用微波快速的干燥樣品去除水分,通過計算得到食品中的水分含量。Bemer等[29]利用快速核磁脂肪水分測試儀測得奶酪中的水分含量為60.3%。Richardson等[30]利用核磁共振微波聯用脂肪水分測定儀測定小的糖粒度的巧克力的水分含量為13.0%±0.84%。微波鹵素快速水分測定儀[31]采用微波、鹵素管作為能量源,由DSP單片機、壓力變送器、轉換器和顯示器組成。其測定食品中水分含量的原理是利用微波和鹵素燈共同加熱的方式,使食品中的水分蒸發,通過計算得到食品中的水分含量。這些快速測定食品中水分含量的裝置廣泛應用于化學藥品(溶液、粉末、乳劑)、油漆及其他涂料(水性或非水性)食品類、乳品類、橡膠、紙漿及其他,其測定食品中水分含量的優點是快速、精確和通用,缺點是價格昂貴,成本較高。

2 間接測定裝置

2.1 阿貝折射儀

阿貝折射儀是測定透明、半透明液體折射率和平均色散的儀器,可用于含糖液體的水分含量的測定,其測定原理是含糖溶液的折射率會隨糖濃度的改變而發生變化,通過折射率的測定可以計算出含糖溶液的水分含量。Ramos等[32]利用阿貝折射儀測定來自桉樹、苜蓿、蓮花花粉的蜂蜜中的水分含量,分別為16.15%、16.32%、19.47%。Melladomojica等[33]利用阿貝折射計測得糖漿的水分含量為14.4%。阿貝折射儀一般用于測定含糖液體的水分含量,屬于一種精密的光學儀器,需保護棱鏡,以免鏡面損壞而使測定結果產生誤差,該儀器適合折射率在1.3000～1.7000范圍內的食品樣品。

2.2 阻容法水分測定儀

阻容法水分測定儀測定食品中水分含量的原理是根據食品中水分與電阻值或電容值存在定量關系,將電阻值或電容值轉換成可測電量,通過對電量的測量獲得被測食品中的水分含量。阻容法水分測定儀可分為電阻水分測定儀和電容水分測定儀。Solar等[34]利用電容法水分測定儀測定榛子中水分含量為8%～25%。Singh等[35]利用電容法水分測定儀測得小麥中水分含量為5%～25%。阻容法水分測定儀一般用于糧食的水分含量的測定,如粳稻、小麥、玉米、高粱、谷子等顆粒狀原糧或者是糧食半成品及粉狀,測量水分含量的范圍為10%～30%。阻容法水分測定儀測定食品中水分含量的優點是對糧食中的水分含量表現出良好的響應,所以該儀器也叫“糧食水分測定儀”。

2.3 近紅外成分分析儀

近紅外成分分析儀測定食品水分含量的原理是利用食品中的水對某些特定波長的近紅外光有強烈的吸收,通過朗伯比爾定律計算出食品中的水分含量。Heman等[36]利用可見光和近紅外(NIR)區域兩種波長的光譜儀,結合多重線性回歸(MLR)和偏最小二乘回歸(PLSR),校準數學模型,計算出大米的水分含量為11.5%。Pan等[37]利用可見光和近紅外光譜,利用偏最小二乘回歸分析方法計算甜菜中水分含量為72.19%。近紅外成分分析儀主要用于固體顆粒、粉末樣品的無損檢測,優點是分析速度快,1 min內就能測出樣品的水分含量。缺點是在實驗過程中,近紅外吸收區域的吸收峰可能與氨的吸收重疊,氨的存在干擾增加了水分含量測定的難度和不確定性;近紅外光譜只能測定食品表層水分含量,不適合檢測食品樣品的內部水分含量。近紅外間接測量需不斷校準建模,費時費力,影響結果。

2.4 低場核磁共振儀

低場核磁共振儀測定水分含量的原理是利用氫原子核在磁場中的自旋弛豫特性,通過不同束縛狀態的相態水弛豫時間的不同測定食品中的水分含量。Qiu等[38]通過低場核磁共振研究發酵期間香腸中水分含量的變化,核磁共振圖像在視覺上表現出水分含量的空間不均勻性,水分含量可根據樣品重量,脂肪含量和面積以非破壞性的方式測量計算出來。Liu等[39]利用低場核磁共振技術,檢測鮮牛奶,以及在30 ℃儲存96 h的變質牛奶的水分變化,研究表明新鮮牛奶的水分含量為87%。Hickey等[40]利用低場核磁共振技術,測量馬鈴薯片樣品的初始水分含量為2%,在相對濕度為70%、80%、95%的條件下,水分含量分別為8%、11.8%、31.5%。Zang等[41]利用低場核磁共振法預測小黃魚的水分含量為16.63%。Chen等[42]利用低場核磁共振,可模擬測定油炸淀粉的水分含量為0.2%～1.35%。李添寶等[43]利用低場核磁共振技術測得紫蘇油、芝麻油、大豆油、菜籽油、橄欖油、玉米油、花生油、茶油和葵花籽油的水分含量分別為0.12%、0.09%、0.17%、0.16%、0.02%、0.13%、0.02%、0.06%和0.09%。低場核磁共振儀測定水分含量的優點是采用快速無損檢測手段,不會對食品的質量和風味等各個方面產生影響,由于實驗操作簡單,重復性好,精度高,受樣品的大小,外觀,顏色和光澤的影響很小,只有少量樣品即可用于測定,而且通過宏觀檢測的質子和分子水平信息可以更方便地研究樣品的分子環境,在測定農產品、乳制品以及油炸食品等復雜食品中的水分有廣泛的應用。

2.5 高光譜成像系統

高光譜成像系統是主要由光源、傳感器、掃描器、控制裝置、光譜預處理軟件及數據采集及處理軟件等構成,光譜檢測系統與成像系統等組成的可測定食品中水分含量的儀器,適用于測定大部分食品中的水分含量。其測定食品中水分含量的原理是在當對食品進行光譜掃描時,利用食品中水分在一定光譜范圍內的吸收波長不同,獲得食品的光譜信息,然后對光譜數據進行處理后得到食品樣品的圖像信息,從圖像信息中得到水分在樣品中的分布情況,再利用標準樣品數據對圖像進行校正與驗證,最終得到一個可以預測樣品中水分含量的模型。Sun等[44]利用高光譜成像系統采集水分含量從26.46%變化至73.42%的紫色甘薯切片高光譜圖像,并提取來自可見光和近紅外(371～1023 nm)相應區域的平均反射光譜,對原始光譜進行預處理,建立偏最小二乘回歸校正模型,分析提取的光譜數據與實測質量屬性之間的關系,根據回歸系數(RC)方法確定最佳波長。研究表明,高光譜成像可以準確地預測干燥過程中樣品水分含量的變化,相關系數為0.93。Amjad等[45]利用高光譜成像(HSI)預測在干燥溫度為50 ℃條件下馬鈴薯切片的水分含量,結果表明馬鈴薯樣品的初始水分含量為4.01%,在50 ℃干燥60 min后的水分含量為2.57%,干燥120 min后為1.65%,干燥180 min后為1.03%。Garrido-Novell等[46]利用近紅外高光譜成像技術定量測定了伊比利亞干腌火腿片水分含量,預測結果顯示水分的標準誤差為0.59%。在實驗過程中,高光譜成像結合了傳統光譜學和數字成像的優點,同時獲得了光譜和空間信息,可以準確地計算樣品中的水分含量。

3 總結

綜上所述,水分含量是食品品質優劣的重要指標之一,對于不同種類、不同含水量的食品,選擇適合的水分含量測量裝置不僅可以提高測定結果的準確性,還可以提高工作效率。而不同的裝置有不同的適用范圍、取樣量、測定所需時間以及各自的優缺點,現將水分含量測定裝置的主要特點總結成表(表1),為研究食品中的水分含量和選擇測量食品中水分含量的裝置提供思路。

表1 水分含量測定裝置Table 1 Devices for measuring water content in food

續表

4 展望

如何快速,無損,準確地測定食品中的水分含量是食品水分含量測定的基本準則,因此,食品中水分含量測定裝置的發展將是以食品中的水分特征為基礎,通過設計科學的結構和控制系統,并制造出相應精密的裝置,實現裝置可對少量樣品的快速、準確、無損、定時、環境友好的長時間的動態檢測。

另外,由于測定食品中水分含量的裝置眾多,對不同裝置測定的結果進行比較,值得研究。對于易揮發性、熱敏性食品的水分含量測定,可以設計具備低溫(如30～60 ℃)和低濕(0～5%相對濕度)環境的裝置來測定[47]。