利用差示扫描量热法对不同含水量油菜籽中水分状态的特征进行分析

《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Characterization of Water States in Canola Seeds With Varying Moisture Contents Using Differential Scanning Calorimetry

　　水状态对向日葵籽干燥和储存的影响分析基于差示扫描量热法（DSC），确定临界含水量为16%，并建立含水量-温度状态图。该图揭示了冻融点和玻璃转变温度随含水量变化规律，为优化干燥和储存条件提供理论依据。

　　本研究围绕油菜籽的水分状态与温度之间的关系展开，通过差示扫描量热法（DSC）构建了一个油菜籽的状态图。该图不仅描绘了油菜籽在不同水分含量下的冻结曲线和玻璃化转变线，还确定了自由水首次出现的临界水分含量（MC）。这一研究对于理解油菜籽在干燥、储存和处理过程中水分状态的变化，以及如何根据水分含量和温度选择合适的处理条件，具有重要的实际意义。

油菜籽作为重要的农作物，其水分含量对物理、化学和生物特性具有深远影响。水分含量不仅决定了种子的储藏安全性，还影响其在储存过程中可能出现的品质损失，例如发芽率下降。在低温条件下，水分状态的变化尤为关键，因为自由水会形成冰晶，导致细胞损伤，甚至影响种子的存活率。因此，明确油菜籽在不同水分含量下的水状态，有助于制定更有效的干燥和储存策略，以防止水分对种子品质的负面影响。

本研究采用了差示扫描量热法，这是一种在食品和农业领域广泛应用的技术，能够有效检测材料的相变特性，包括冻结和融化过程中的热效应。通过测试不同冷却和加热速率下的热流变化，研究人员发现冷却速率对冻结和融化热焓有显著影响，而加热速率则影响不大。因此，选择1°C/min的冷却和加热速率，可以更准确地测定冻结和融化过程中的关键参数，如起始温度、峰值温度和热焓。此外，研究还发现，随着水分含量的增加，冻结点逐步升高，而玻璃化转变温度则呈现下降趋势。这些发现为理解水分与温度对油菜籽状态的影响提供了重要依据。

油菜籽在水分含量低于17.8%时，冻结点变化不大，且最低冻结点约为?26°C。当水分含量超过17.8%时，冻结点显著上升，例如在35.8%水分含量下，冻结点达到?6.72 ± 0.18°C。这表明，当水分含量高于这一临界值时，种子内部的水分状态发生了重要变化，自由水开始形成冰晶。临界水分含量被确定为16.0%，在此水分含量以下，所有水分都属于不可冻结水，而在该含量以上，可冻结水开始出现，成为影响种子状态的重要因素。

通过热分析技术，研究人员还观察到油菜籽在不同水分含量下存在多个玻璃化转变温度。其中，第一玻璃化转变温度在水分含量高于6.2%后变得不可检测。第二和第三玻璃化转变温度随着水分含量的增加而逐步降低，分别在35.8%水分含量时达到63.46 ± 0.39°C和73.38 ± 0.98°C。这一现象说明，水分含量的增加对油菜籽内部结构和热力学行为产生了重要影响，可能与水分分子与亲水性成分之间的相互作用有关。

研究结果表明，油菜籽在水分含量低于16%时，所有水分都处于不可冻结状态，而在该含量以上，水分开始表现出可冻结的特性。这一临界点的发现对于制定储藏和干燥策略至关重要，因为它为控制种子在低温条件下的水分状态提供了理论依据。此外，通过DSC技术，研究人员还能够准确计算油菜籽中的自由水和不可冻结水含量，并且发现这些含量随着水分含量的变化呈现出不同的趋势。自由水含量随着水分含量的增加而线性增长，而不可冻结水含量则呈现非线性变化，说明水分状态的复杂性。

本研究的成果具有重要的行业应用价值。在干燥过程中，通过调整干燥温度，可以促进种子从玻璃态向橡胶态的转变，从而加快水分扩散，缩短干燥时间。而在低温储存条件下，研究人员发现，种子的冻结点和玻璃化转变温度是影响储藏条件选择的关键因素。通过了解这些参数的变化，可以有效避免冰晶的形成，从而减少对种子品质的损害。此外，油菜籽中的油脂在冻结过程中也会对整体的热力学行为产生影响，进一步说明了水分和油脂在种子内部相互作用的复杂性。

研究中还提到，虽然DSC是一种非常有用的工具，但它可能无法准确检测到少量的可冻结水。因此，所确定的临界水分含量可能只是估计值，实际应用中仍需进一步验证。此外，本研究仅针对一种油菜籽品种（LP223），未来需要扩展至更多品种，以确保研究结果的广泛适用性。

综上所述，本研究通过构建油菜籽的状态图，揭示了水分含量和温度对种子水分状态的综合影响，为农业和食品工业在种子干燥、储存和处理过程中提供了重要的理论支持和技术指导。这一成果不仅有助于提高油菜籽的储藏安全性，还可能为其他作物种子的状态分析提供参考。未来的研究可以进一步探索不同水分含量下油菜籽内部水分分布的变化，以及不同处理条件对种子活性的影响，从而为种子的高效利用和长期保存提供更全面的解决方案。