食品中水分含量测定装置的研究现状
发布时间:2020-03-22作者:admin来源:点击:次
水是食品的主要组成成分, 其在食品中的含量、分布和状态对食品的外观、质构、风味、新鲜程度产生极大的影响
本文对食品中水分含量测定装置的基本结构、测定原理、应用和优缺点进行了总结, 为食品中水分含量测定装置的选择和使用提供参考。
1 直接测定装置
1.1 干燥器
干燥器是由瓶盖和瓶身组成的玻璃容器, 瓶身内部放置陶瓷筛板, 筛板表面放置样品, 筛板下部放置干燥剂 (如五氧化二磷、无水硫酸镁、无水氯化钙、硅胶等) 。当食品样品放置于干燥器内时, 食品中的水分将扩散至干燥室腔体内的空气中而被干燥剂吸收, 经过30~40 d, 当食品样品重量达到恒重时, 则食品样品干燥结束, 干燥前后的重量差与初始重量之比, 即为食品样品的湿基含水量。Ho等
1.2 干燥箱
干燥箱是一类用于干燥物料的仪器, 其结构主要由外壳、工作室、外壳与工作室间的保温材料、加热器和温度控制等组成。干燥箱一般分为普通干燥箱和真空干燥箱, 普通干燥箱的温度可设置范围为室温至200 ℃, 适用于测定在101~105 ℃下, 蔬菜、谷物及其制品、水产品、豆制品、乳制品、肉制品、卤菜制品、粮食 (水分含量低于18%) 、油料 (水分含量低于13%) 、淀粉及茶叶类等食品中的水分含量, 不适用于水分含量小于0.5 g/100 g的样品
真空干燥箱的温度可设置范围为室温至200 ℃, 真空度为0.10~99.99 kPa, 适用于高温易分解的样品及水分较多的样品 (如糖、味精等食品) 中水分的测定, 不适用于添加了其他原料的糖果 (如奶糖、软糖等食品) 中水分的测定, 不适用于水分含量小于0.5 g/100 g的样品 (糖和味精除外)
干燥箱测定食品中水分含量的优点是装置简单, 缺点是在对食品质量称重时, 需反复开闭干燥箱的箱门, 影响干燥箱中的温度, 以及在称重过程中食品吸湿导致称重不准确, 而使水分含量测定有误差。
1.3 蒸馏装置
蒸馏装置是由蒸馏瓶、冷凝管和水分接收管等组成的玻璃装置, 一般用于含水较多又有较多挥发性成分的水果、香辛料及调味品、肉与肉制品等食品中水分含量的测定, 不适用于水分含量小于1 g/100 g的样品
1.4 卡尔费休水分测定仪
卡尔费休水分测定仪是一种测定各种物质水分含量的仪器, 一般适用于食品中含微量水分的测定, 不适用于含有氧化剂、还原剂、碱性氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硼酸等食品中水分的测定
1.5 卤素水分测定仪
卤素水分测定仪是由称重单元和卤素灯加热单元等组成的可测定食品中水分含量的仪器。常见卤素水分测定仪最大量程为110 g, 精度为0.001 g, 加热温度可以达到200 ℃。其测定水分含量原理是采用卤素灯加热干燥样品, 使食品中的水分蒸发, 在称量单元测得食品的初始与最终重量, 从而计算出食品的水分含量。Rapelo等
1.6 红外水分测定仪
红外水分测定仪是由称重单元和红外线加热单元等组成的可测定食品中水分含量的仪器。一般仪器的称重范围为0.5~9 g, 精度为0.001 g, 加热温度可达205 ℃。其测定食品中水分含量的原理是通过红外线对食品的穿透以及加热作用, 使食品中的水分蒸发, 在称量单元测得食品的初始与最终重量, 从而计算出食品的水分含量。Doymaz等
1.7 微波水分测定仪
微波水分测定仪是由内置式高精度电子分析天平的微波炉腔体和非接触式红外温度传感器组成, 该仪器可在3 min内测定食品的水分含量, 测量范围为0.01%~99.99%, 样品称重范围为0~50 g, 精度0.1 mg。其测定食品中水分含量的原理是利用微波加热的方式, 使食品中的水分蒸发, 通过计算得到食品中的水分含量。黄振军等
1.8 其他直接测定装置
快速核磁脂肪水分测定仪、核磁共振微波联用脂肪水分测定仪和通用快速脂肪测定仪等快速测定食品中水分含量的仪器, 能在2 min内完成对食品中水分含量的测定, 测量范围为0.01%~99.99%。其测定食品中水分含量的原理都是利用微波快速的干燥样品去除水分, 通过计算得到食品中的水分含量。Bemer等
2 间接测定装置
2.1 阿贝折射仪
阿贝折射仪是测定透明、半透明液体折射率和平均色散的仪器, 可用于含糖液体的水分含量的测定, 其测定原理是含糖溶液的折射率会随糖浓度的改变而发生变化, 通过折射率的测定可以计算出含糖溶液的水分含量。Ramos等
2.2 阻容法水分测定仪
阻容法水分测定仪测定食品中水分含量的原理是根据食品中水分与电阻值或电容值存在定量关系, 将电阻值或电容值转换成可测电量, 通过对电量的测量获得被测食品中的水分含量。阻容法水分测定仪可分为电阻水分测定仪和电容水分测定仪。Solar等
2.3 近红外成分分析仪
近红外成分分析仪测定食品水分含量的原理是利用食品中的水对某些特定波长的近红外光有强烈的吸收, 通过朗伯比尔定律计算出食品中的水分含量。Heman等
2.4 低场核磁共振仪
低场核磁共振仪测定水分含量的原理是利用氢原子核在磁场中的自旋弛豫特性, 通过不同束缚状态的相态水弛豫时间的不同测定食品中的水分含量。Qiu等
表1 水分含量测定装置 导出到EXCEL
Table 1 Devices for measuring water content in food
装置 |
应用范围 |
样品重量 (g) |
所需时间 | 优点 | 缺点 |
干燥器 | 适用于无挥发性食品 | 2.00~10.00 | 30 d | 装置和操作简单 | 在测定过程中, 需从干燥器中反复取出样品称重, 样品可能吸湿而导致水分含量测定结果不准确 |
干燥箱 |
95~105 ℃下, 不含或含其他挥发 性物质甚微的食品 |
2.00~10.00 | 1~24 h | 装置和操作简单 | 在对食品质量称重时, 需反复开闭干燥箱的箱门, 影响干燥箱中的温度, 以及在称重过程中, 食品吸湿导致称重不准确, 而使水分含量测定有误差 |
真空干燥箱 |
105 ℃左右的 温度下组分易 发生变化的食品 |
2.00~10.00 | 3 h | 装置和操作简单 | 在称重过程中, 食品吸湿导致称重不准确, 而使水分含量测定有误差 |
续表 导出到EXCEL
装置 |
应用范围 |
样品重量 (g) |
所需时间 | 优点 | 缺点 |
蒸馏装置 |
除水分外, 还有 大量挥发性物质 |
5.00~20.00 | 2 h | 装置和操作简单 | 在水分含量测定过程中, 水与有机溶剂易发生乳化作用, 样品中水分挥发不完全, 导致测定结果偏低;另外, 水分常会附着在冷凝管壁上, 水和有机溶剂分层不清晰, 导致测量结果不准确。实验中使用的有机试剂, 属于易燃易爆易挥发物质, 危害检测人员身体健康装置简单, 水分易乳化 |
卡尔费休 水分测定仪 |
可溶性的低水分 含量的食品 |
3×10-6~0.2 | 5 min | 装置和操作简单, 测定时间短, 准确度高 | 仪器受多种系统偏差的影响, 如:仪器校准, 仪器参数设置, 滴定终点的精确测定, 发生干扰性化学副反应, 以及卡尔费休 (KF) 试剂和方法的选择。另外, 卡尔费休试剂中含有有毒 (如有机碱, 二氧化硫) 、易燃 (如甲醇, 氯仿) 等有害化合物, 对人体有不同程度的危害 |
卤素水分 测定仪 |
任何食品 | 0.3~120 | 10 min | 在测定食品中水分含量的过程中, 可实时显示样品重量、含水量、测定时间、加热温度等数据 | 误差大 |
红外水分 测定仪 |
大部分 | 0~60 | 10 min | 节能、加热升温快、无污染、加热效率高等 | 食品内部的水分以及结合水, 通过红外线加热后不能完全从食品内部挥发出来, 导致水分含量测定结果存在误差 |
微波水分 测定仪 |
大部分 | 0~200 | <10 min | 高效、精确和安全 | 由于样品内温度分布的变化取决于样品的大小, 几何形状和在仪器中的放置位置, 微波干燥也不如传统的烘箱方法那么精确 |
其他装置 |
大部分 | 适量 | 5 min | 快速、准确、通用 | 价格昂贵 |
阿贝折射仪 |
透明、半透明液态 | 少许, 铺满镜面 | 10 min | 装置和操作简单 | 一般用于测定含糖液体的水分含量, 属于一种精密的光学仪器, 需保护棱镜, 以免镜面损坏而使测定结果产生误差, 该仪器适合折射率在1.3000~1.7000范围内的食品样品 |
阻容法水分 测定仪 |
非金属颗粒状物质 | 150 | 1 min | 对粮食中的水分含量表现出良好的响应 | 测定水分含量范围仅为3%~35% |
近红外成分 分析仪 |
适合固态、 液态各类食品 |
0.001~0.005 | 10~20 min | 分析速度快, 一分钟内就能测出样品的水分含量 | 在实验过程中, 近红外吸收区域的吸收峰可能与氨的吸收重叠, 氨的存在干扰增加了水分含量测定的难度和不确定性;近红外光谱只能测定食品表层水分含量, 不适合检测食品样品的内部水分含量。近红外间接测量需不断校准建模, 费时费力, 影响结果 |
核磁共振仪 |
适合固态、 液态各类食品 |
100 | 2 min | 采用快速无损检测手段, 不会对食品的质量和风味等各个方面产生影响, 由于实验操作简单, 重复性好, 精度高, 受样品的大小, 外观, 颜色和光泽的影响很小, 只有少量样品即可用于测定, 而且通过宏观检测的质子和分子水平信息可以更方便地研究样品的分子环境 | 建模及校准过程较为复杂 |
高光谱 成像系统 |
适合固态、 液态各类食品 |
无要求 | 5 min | 结合了传统光谱学和数字成像的优点, 同时获得了光谱和空间信息, 可以准确地计算样品中的水分含量, 因此这项技术已应用于各种食品和农产品的内在物理、化学和生物学特性的快速、无损、高效的检测中 | 建模及校准过程较为复杂 |
2.5 高光谱成像系统
高光谱成像系统是主要由光源、传感器、扫描器、控制装置、光谱预处理软件及数据采集及处理软件等构成, 光谱检测系统与成像系统等组成的可测定食品中水分含量的仪器, 适用于测定大部分食品中的水分含量。其测定食品中水分含量的原理是在当对食品进行光谱扫描时, 利用食品中水分在一定光谱范围内的吸收波长不同, 获得食品的光谱信息, 然后对光谱数据进行处理后得到食品样品的图像信息, 从图像信息中得到水分在样品中的分布情况, 再利用标准样品数据对图像进行校正与验证, 最终得到一个可以预测样品中水分含量的模型。Sun等
3 总结
综上所述, 水分含量是食品品质优劣的重要指标之一, 对于不同种类、不同含水量的食品, 选择适合的水分含量测量装置不仅可以提高测定结果的准确性, 还可以提高工作效率。而不同的装置有不同的适用范围、取样量、测定所需时间以及各自的优缺点, 现将水分含量测定装置的主要特点总结成表 (表1) , 为研究食品中的水分含量和选择测量食品中水分含量的装置提供思路。
4 展望
如何快速, 无损, 准确地测定食品中的水分含量是食品水分含量测定的基本准则, 因此, 食品中水分含量测定装置的发展将是以食品中的水分特征为基础, 通过设计科学的结构和控制系统, 并制造出相应精密的装置, 实现装置可对少量样品的快速、准确、无损、定时、环境友好的长时间的动态检测。另外, 由于测定食品中水分含量的装置众多, 对不同装置测定的结果进行比较, 值得研究。对于易挥发性、热敏性食品的水分含量测定, 可以设计具备低温 (如30~60 ℃) 和低湿 (0~5%相对湿度) 环境的装置来测定