[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.鄄Chim.Sin .,2006,22(11)：1347~1352Received:May 11,2006;Revised:June 29,2006.∗Correspondent,E ⁃mail:efly_snow@;Tel/Fax:+8621⁃65686049.国家自然科学基金(50206013)和上海市重点学科建设项目(T0503)资助ⒸEditorial office of Acta Physico ⁃Chimica SinicaNovember 用DSC 测量葡萄糖溶液部分玻璃化转变温度的新方法叶秀东周国燕∗华泽钊(上海理工大学低温医学与食品冷冻研究所,上海200093)摘要用差示扫描量热仪,采用经过退火处理的连续扫描法,以不同浓度(20%、45%)的葡萄糖溶液为研究对象,研究了退火温度对T gf (部分结晶的玻璃化转变温度)的影响,给出了确定T g ′(部分玻璃化转变温度)的新方法.研究发现,不同退火温度下的T gf 不同.在-50℃以上退火,T gf 随着退火温度的增大而减小;在-50℃以下退火,T gf 随着退火温度的增大而增大,都有很好的线性关系.不同浓度的溶液具有相似的规律.提出从T gf 确定T g ′的方法:T gf 在-50℃上下随退火温度变化线的交点所对应的部分结晶玻璃化转变温度即为T g ′.使用该方法测得葡萄糖的T g ′为-55℃.关键词：部分玻璃化转变温度,葡萄糖,差示量热扫描,退火,部分结晶玻璃化转变温度中图分类号:O642A New Method for Measuring the Glass Transition Temperature of theMaximally Freeze 鄄Concentrated Glucose Solution by DSCYE,Xiu ⁃DongZHOU,Guo ⁃Yan ∗HUA,Ze ⁃Zhao(Institute of Cryomedicine and Food Refrigeration,Shanghai University of Science and Technology,Shanghai200093,P.R.China )AbstractThe new concept of the glass ⁃transition temperature of the partially freeze ⁃concentrated solution (T gf )isbrought forward and a new method is given for measuring T gf of 20%and 45%glucose solution using differential scanning calorimetry (DSC),which is based on annealing samples for long periods of time at different temperatures.The influence of annealing temperature on T gf is studied.It is found that the T gf increases initially with annealing temperature up to -50℃,and decreases as the temperature continues to increase,and exhibiting a good linear relation in both cases.The same phenomenon was observed for glucose solutions of different concentrations.It is concluded that the T g ′(glass transition temperature of the maximally freeze ⁃concentrated solution)can be determined from the intersection of the two curves reflecting the T gf change with annealing temperature.The optimal annealing temperature (-50℃)and accurate glass transition temperature(T g ′,-55℃）of glucose solution are obtained.Keywords ：Glass transition temperature of the maximally freeze ⁃concentrated solution,Glucose,DSC,Annealing,Glass transition temperature of the partially freeze ⁃concentrated solution随着温度的升高,聚合物一般会发生由玻璃态向橡胶态的转变,即玻璃化转变,这一转变点对应的温度通常称之为玻璃化转变温度(T g ).食品中由于含水量的不同,会出现完全玻璃化和部分玻璃化两种变化,一般含水量低于20%的食品出现完全玻璃化,对应温度T g ,而含水量高于20%的食品和浓度比较低的溶液中往往形成部分结晶的玻璃化,对应转变温度为部分玻璃化转变温度T g ′.富含水体系在冻结过程中,溶液中的水先开始结晶,未冻溶液浓度逐渐增大,黏度逐渐增大.继续进行降温,到达某一温度,1347Acta Phys.鄄Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2006Vol.22溶液中的水分不再结晶,而是与溶质分子一起形成类似玻璃的物质,即实现了玻璃化转变.开始出现玻璃化转变那一点对应的溶液为最大冻结浓缩溶液,发生玻璃化时的温度即为最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度,在玻璃体中包含着很多冰晶,而不是全部玻璃体,所以也称之为部分玻璃化转变温度(T g′).由于T g′是对应于溶液最大冻结浓缩状态下的玻璃化转变温度,但实际上,在溶液冻结过程中,随着温度的降低,溶液黏度增加,水分结晶变得越来越困难,是不可能形成最大冻结浓缩溶液的,所以T g′是一个理想值,在实际测量过程中,我们往往测得的是部分结晶玻璃化转变温度(T gf),需要采用一定的方法和手段,获得溶液最大结晶状态下的T gf,即T g′.目前用DSC的三种方法可测量食品的T g′,即经过退火处理的连续扫描法[1⁃2]、不经过退火处理的连续扫描法[3]和分布扫描法[4].对于不经过退火处理的连续扫描法和分布扫描法,是不能测出最大冻结浓缩溶液状态下的玻璃化转变温度的,实际上测得的是部分结晶玻璃化转变温度.经过我们前期对这些方法进行的比较,发现经过退火处理的连续扫描法是最佳的测量T g′的方法.在研究中发现,随着等温温度的不同,T gf的值不同.针对如何从T gf值确定出T g′的研究比较少. Liesebach等人[1]用经过退火的连续扫描法对32%、43%、53%、54%、59%的葡萄糖溶液进行了玻璃化转变温度的测量,他们认为葡萄糖溶液的部分结晶玻璃化转变温度是随着退火温度的变化呈线性变化的,并且对浓度与部分结晶玻璃化转变温度(T gf)关系进行线性外推交至葡萄糖的完全玻璃化转变温度(T g)线,获得T g′的值,约为-53℃.Ablett等人[5]用经过退火处理的连续扫描法对40%的蔗糖溶液进行了部分玻璃化转变温度的测量,他们认为蔗糖溶液的部分结晶玻璃化转变温度随着退火温度的变化而变化,并且具有一个最大的峰值,不是简单的线性关系,曲线的峰值即为T g′的最大值,约为-41℃.上述两篇文献中,退火温度所取的范围都非常窄,并且都是在二次转变温度以上的温度进行退火研究,不能完全体现出T gf随退火温度变化的规律,两篇文章中T g′的实验结果也相差很大,需要进一步研究.本文选择20%、45%葡萄糖溶液作为研究对象,采用经过退火处理的连续扫描方法对T g′进行了测量,以确定测量T g′的最佳方法.1材料与方法1.1仪器与材料差示扫描量热仪为DSC⁃Pyris Diamond(美国Perkin⁃Elmer公司).温度标定采用环戊烷降温过程中的-135.06℃相转变以及纯净水的熔融(均采用外推起始温度)进行两点标定;热焓标定采用纯净水的熔融焓(333.88J·g-1)标定[6⁃7].标定速率为10℃·min-1.液氮冷却采用Cryofill TM,Perkin⁃Elmer公司的液氮容器控制.样品冲洗气体为高纯度氦气(纯度> 99.999%),流量30mL·min-1保持不变.样品皿为PE 标准液体铝皿(美国Perkin⁃Elmer公司),样品量为10~ 20mg,精确到±0.01mg.天平采用赛多利斯的BP系列,精确到0.01mg.液体铝皿用压片机密封.葡萄糖(分析纯,中国新兴华工试剂研究所).样品为20%、45%葡糖糖溶液.1.2扫描程序以220℃·min-1的速率快速降温到-100℃,维持1min;再以220℃·min-1的速率升温到某一退火温度,并维持60min;以220℃·min-1的降温速率快速降到-85℃,维持1min;从-85℃以10℃·min-1进行连续扫描过程,直至达到10℃,同样维持1 min.2实验结果图1是45%葡萄糖溶液未经过退火的连续扫描热流曲线图,从图中可以看出,在冰晶熔融峰之前出现两个转变峰,取第一个峰为玻璃化转变温度读取峰.得到45%葡萄糖溶液不经过退火连续扫描的T gf为-60.19℃.图2和图3是45%葡萄糖溶液在-30℃图145%葡萄糖溶液DSC曲线(未经退火)Fig.1DSC themogram of45%glucose solutionwithout annealing1348No.11周国燕等：用DSC 测量葡萄糖溶液部分玻璃化转变温度的新方法条件下退火的热流曲线图中的玻璃化转变峰和冰晶熔融峰,从中利用onset 点读取方法可以读取T gf 、T m 和驻H 值.图4是45%葡萄糖溶液在不同等温温度(等温60min)得出的所有系列热流曲线图.同样得到其他退火温度下的数据(见表1).3分析与讨论3.1部分结晶玻璃化转变峰确定45%的葡萄糖溶液在冻结过程中出现两个转变峰(图1),普遍观点认为第一个峰为玻璃化转变峰,然而对第二个转变峰的争议越来越多[8⁃13],我们认为第二个峰为冰晶初融峰,主要因为:(1)在-45、-40、-35及-30℃几个温度点退火时,部分结晶玻璃化转变温度急剧降低(表1),说明在这几个温度点附近,其中的一些冰晶已经开始融化,从而稀释了浓缩溶液,导致T gf 的急剧下降;(2)冰晶熔融要比玻璃化转变剧烈(图1),开始阶段,第一个峰比第二个峰变化要缓慢得多;(3)表1表明在-50℃退火时,得到的部分结晶玻璃化转变温度是最大的,这说明在此温度下退火,形成的冻结浓缩溶液的浓度最大,未冻水份额最小,大部分水分已经结晶,所以在升温过程中,冰晶的熔融焓值应该是最大的,但由表1可以看出,在-50℃退火时,并没有得到最大的焓值,这说明在冰晶熔融之前,一部分冰晶已经完成了熔融,则必然在玻璃化转变峰和冰晶熔融峰之间存在一个冰晶初融峰,由此推测,第二个转变峰为冰晶的初融峰,而不是玻璃化转变峰.3.2退火温度对T gf 的影响45%葡萄糖溶液在连续扫描下测得的T gf 仅为-60.19℃,这是因为在溶液冻结的过程中,随着温度的降低,溶液的黏度越来越大,溶液中水分子运动缓慢,结晶受阻,以至于不能达到最大冻结浓缩溶液的浓度,测得的T gf 不是T g ′,为了让水分有足够的时间结晶,真正地形成最大冻结浓缩溶液,就必须采用经过退火处理的连续扫描法.先用不经过退火连续扫描法测得溶液的T gf ,然后在T gf 附近的一些温度点等温足够长的时间,测得不同等温温度下的T gf .虽然退火方法确实可以减少未冻水份额,增加水的结晶量.但因为不能事先确定最佳退火温度,还是不能完全达到最大冻结浓缩溶液,测出的值仍然是部分结晶玻璃化转变温度(T gf ),而不是最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度(T g ′).图245%葡萄糖溶液在-30℃退火的DSC 曲线中的玻璃化转变峰Fig.2Glass transition of 45%glucose solutionannealed at -30℃for 60min图345%葡萄糖溶液在-30℃退火的DSC 曲线中的熔融峰Fig.3Melting transition of 45%glucose solutionannealed at -30℃for 60min图445%葡萄糖溶液在不同等温温度(等温60min)的系列热流-温度曲线图Fig.4DSC thermograms for a series of 45%glucosesolutions annealed for 60min at different temperaturesthe annealing temperature(℃)from the bottom up:-30,-35,-40,-45,-50,-55,-60,-65,-70,-751349Acta Phys.鄄Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao ),2006Vol.22从表1和图4中葡萄糖的T gf 可以看出,在-50℃以上退火,部分结晶玻璃化转变温度随着退火温度的增大而减小,在-50℃以下退火,部分结晶玻璃化转变温度随着退火温度的增大而增大,两边基本呈线形关系.这是因为在-50℃以下退火时,随着退火温度的增加,冻结溶液中反玻璃化现象越来越严重,未冻水分额越来越少,导致部分结晶玻璃化转变温度越来越高,而在-50℃以上退火时,由于在此温度下,冰晶已经开始熔融,溶液被稀释,浓度降低,导致部分结晶玻璃化转变温度降低.对于20%的葡萄糖溶液也有相同的影响趋势.3.3浓度对T gf 的影响从表1可以看出,对于两种浓度而言,在同一退火温度下,45%葡萄糖的T gf 要稍大于20%葡萄糖溶液的T gf .在退火的情况下,20%葡萄糖溶液的水分含量比45%葡萄糖溶液要大,降温过程中形成冰晶需要的时间比较长,在相同退火时间的条件下,20%葡萄糖溶液结晶不够完全,未冻水份额较大,未冻溶液的浓度相对低一些,测量得到T gf 也就低一些,而对于45%的葡萄糖溶液的T gf 就相对高一些.3.4T g 忆的确定从表1中葡萄糖的T gf 可以看出,在-50℃以上退火,部分结晶玻璃化转变温度随着退火温度的增大而减小,在-50℃以下退火,部分结晶玻璃化转变温度随着退火温度的增大而增大,两边基本呈线形关系.那么中间一定存在一个点,在这个点达到最佳结晶效果,达到最大冻结浓缩溶液浓度.这个点为最佳等温点,对应的T gf 为真正的T g ′的值.对上表中的数据进行线形拟合(图5),得到20%葡萄糖溶液的交点(退火温度为-50.48℃,T gf 为-55.32℃),45%葡萄糖溶液的交点(退火温度为-49.55℃,T gf 为-55.36℃).说明对于葡萄糖溶液存在一个最佳的退火温度,约为-50℃,得到最大的玻璃化转变温度,约为-55℃.这与20%葡萄糖溶液在-50℃退火得到的结果相吻合.这个结果与最大冻结浓缩溶液的玻璃化转变温度与溶液初始浓度大小无关相吻合.并且葡萄糖溶液最佳退火温度在-50℃左右,T g ′约为-55℃,比未经退火时测得的值要大5℃左右.从表1可以看出,在-55、-50℃退火时,20%葡萄糖溶液玻璃化现象不明显,45%葡萄糖溶液玻璃化现象消失.而-55、-50℃两个退火温度恰好在一次转变温度以上、二次转变温度以下这个温度范围内,溶液冻结中形成的冰晶的融化与溶液中未冻水的再结晶同时进行,第一个转变峰有向第二个转变峰推近的趋势.对于20%的葡萄糖溶液,含水量高,溶液中冰晶量较多,前者占主要地位,虽然第一个峰有向第二个峰推近的趋势,但还没出现重合现象;表120%、45%葡萄糖溶液的T gf 、T m 和ΔH Table 1T gf ,T m ,and ΔH of 20%and 45%glucose solutionsC (%)Annealing temperature (℃)-30-35-40-45-50-55-60-65-70-7520T gf /℃-65.98-64.88-62.99-58.54-54.64-58.22-63.95-66.93-70.58-74.84not clear not clear T m /℃-7.83-7.75-7.60-7.86-7.35-6.77-6.45-7.31-7.43-7.56ΔH /(J ·g -1)200.56209.10202.81207.19203.65196.00195.43196.40195.67194.8745T gf /℃-65.92-63.26-60.66-57.75---58.60-59.97-62.12-63.06T m /℃-14.83-15.15-14.79-15.24-15.32-16.16-15.78-15.82-14.68-15.69ΔH /(J ·g -1)82.2488.6583.3393.1696.57118.55107.23108.04107.56105.43图520%、45%葡萄糖溶液的T gf 随退火温度的变化关系Fig.5T gf values of the annealed samples of 20%and 45%glucose solutions with annealing temperature1350No.11周国燕等：用DSC 测量葡萄糖溶液部分玻璃化转变温度的新方法而对于45%葡萄糖溶液,溶液中冰晶量较少,溶液中未冻水含量较多,后者占主要地位,第一个转变峰与第二个转变峰已经基本重合在一起了,因此出现玻璃化转变不明显,甚至玻璃化现象消失的情况.如图6所示,对于45%的葡萄糖溶液,在-45℃退火时,依然有两个转变峰,在-50、-55℃退火时,只有一个转变峰.从图中可以看出,在-45℃退火和在-50、-55℃退火时,转变峰的形状存在明显的区别,在-45℃退火时,初融峰的跨度较小,初融温度较高,初融发生得较晚,而在-50、-55℃退火时,峰的跨度较大,转变峰发生得较早,峰开始的起始温度较低,说明在-50、-55℃退火时,已经不单纯是冰晶的初融,还伴随着其他转变过程,说明此时玻璃化转变和冰晶初融同时发生了,是一个较复杂的过程,无法用单一的过程来表征.3.5本文方法与其他方法比较采用本文的方法测得葡萄糖溶液的T g ′为-55℃,而Liesebach 等人[1]测得的结果是-53℃,Ablett 等人[5]测得的结果为-41℃.在Liesebach 等人的方法中,他们取了-41、-42、-43、-44、-45、-46、-47℃几个等温点进行退火实验,得到T gf 随退火温度呈线性的规律,然后用得到的T gf 与浓度的关系得到T g ′.虽然测得的结果相对比较接近,但这种方法是存在很大问题的.首先,等温温度范围取得太窄,并且退火温度基本都是在葡萄糖二次转变温度(-46.77℃)以上.由上面的分析可知,二次转变是冰晶的初融,一次转变才是真正的玻璃化转变.其次,在这个比较窄的温度范围内退火时,得出的规律不能反应出整体的规律,只是局部的规律,虽然文献中给出T gf 与退火温度呈线性变化规律,但这只是在二次转变温度以上退火得出的结果.如果在一次转变温度以上,二次转变温度以下退火,或者在一次转变温度以下退火时,得出的规律是否还是线性的,文中并没有给出相应的实验结果,所以单单用这么窄的几个退火温度点来得出规律,再得到T g ′值,是非常没有说服力的.在Ablett 等人的方法中,他们取了-30、-35、-40、-45、-50℃几个温度点进行退火,也基本上处于蔗糖溶液的二次转变温度以上,也存在与Liesebach 等人的方法同样的问题.3.6退火对T m 和驻H 的影响为了便于区别,本文把二次转变温度称之为冰晶初融温度,把二次转变后面的转变峰称之为冰晶熔融峰,对应的温度为T m .从表1可以看出,对于20%和45%的葡萄糖溶液,在不同的退火温度下,冰晶的熔融温度相差不大,这主要是因为溶液在冻结过程中的结晶温度主要取决于溶液的初始浓度,其它因素影响不大.对于45%的葡萄糖溶液,初始浓度较大,溶质与水形成氢键能力较强,溶液黏度较大,水分不易结晶,导致溶液在冻结过程中形成较大的过冷度,从而冰晶的熔融温度较低,而20%的葡萄糖溶液的熔融温度较高.从表1中还可以看出,20%葡萄糖溶液在每个退火温度下的熔融焓都比45%的葡萄糖溶液要高得多,这主要是因为两者浓度相差太大,水分含量存在明显的差异,虽然退火会改变一些未冻水的含量,但只是非常小的一部分,对焓值影响不大,也不会影响20%葡萄糖溶液比45%葡萄糖溶液焓值大很多的趋势.4结论本文用Pyris Diamond DSC,以不同浓度(20%、45%)的葡萄糖溶液为研究对象,研究了退火温度(-30、-35、-40、-45、-50、-55、-60、-65、-70、-75℃)对T gf 的影响,提出T gf 的概念,给出了确定T g ′的新方法.在不能完全实现玻璃化的情况下,无论是否退火,因为不能到达溶液的最大冻结浓缩状态,直接测量得到的往往是部分结晶玻璃化转变温度(T gf ),而不是部分玻璃化转变温度(T g ′).研究发现,葡萄糖溶液在冻结时,在冰晶熔融之前,会出现两个转变峰.低温度峰为T gf ,高温度峰为初融峰.在同一退火温度下,高浓度的葡萄糖溶液的T gf 比低浓度的要高.测量发现,不同退火温度下的T gf 不同,在-50图645%葡萄糖溶液分别在-45、-50、-55℃的热流曲线图Fig.6DSC thermograms of 45%glucose solutionsannealed for 60min at -45,-50,and -55℃1351Acta Phys.⁃Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2006Vol.22℃以上退火,玻璃化转变温度随着退火温度的增大而减小,在-50℃以下退火,玻璃化转变温度随着退火温度的增大而增大,并有很好的线性关系.提出从T gf确定T g′的新方法是两侧T gf的交点对应的温度为T g′.本文中得到葡萄糖的T g′为-55℃,最佳退火温度为-50℃.References1Liesebach,J.;Rades,T.;Lim,M.Thermochimica Acta,2003,401: 1592Liu,B.L.Ph.D.Dissertation.Shanghai:The University ofShanghai for Science and Technology,1996[刘宝林.博士学位论文.上海:上海理工大学,1996]3Levine,H.;Slade,L.Food Chem.,1989,1:3154Kerr,W.L.;Reid,D.S.Thermochimica 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