婴幼儿奶粉中水分含量检测方案(水活度分析仪)

婴幼儿配方奶粉的水分活度分析 介绍 Decagon公司Aqualab产品的研发小组在做如何得到最好的水分活度测量结果的研究。这是一个正在进行的实验，但是我们对于婴幼儿配方奶粉的水分活度测量已经有一些很好的结果，希望能够公布出来供大家参考。 本研究的目的是： 观察在日常测试时，周围环境的相对湿度对水分活度测量结果的影响。 比较不同水分活度仪器的测量结果，测量时间以及重复性。 研究用露点方法测量水分活度时，延长读数时间到一个小时是否比常规5分钟测量的精度要更好？ 确定Series 4仪器的自定义模式测量选项的数值，并且找到如何设置会得到更好地额精度。 观察温度对水分活度结果的影响。 材料和方法 水分活度仪器包括一台Aqualab Series 3TE镜面冷凝露点水分活度仪，以及两台Aqualab Series 4TEV水分活度仪。每天都对每台仪器进行校正，校正溶液使用非饱和盐溶液：0.25 aw，0.50 aw，0.76 aw以及1.00 aw。所有的测试都用3个不同的样品进行3次重复。相对湿度通过手套箱控制，并且所有的样品采样和测试都在手套箱中进行。对手套箱中的相对湿度进行连续的监测。尽可能快的进行取样，以确保取样在5秒钟内完成。本研究的相对湿度都控制在10% RH，30% RH，70% RH。在每个相对湿度条件下，测量分3部分内容，每部分的测量内容描述如下： 第一部分的测量只用Aqualab仪器。第一次测量结束后记录下初始的水分活度值，随后让仪器继续连续测量大约1个小时。用ANOVA软件来编辑哦这两个水分活度的平均值以及标准偏差来看Aqualab延长读数时间后是否可以得到明显更好的结果。所有的测试都在25•C的温度下进行。 第二部分的测量利用Aqualab Series 4水分活度仪的自定义特点。这个模式允许设置用于结束测量的稳定性指标，这个功能包括判断水分活度值的范围以满足一个特定的测试指标。例如，自定义设置可以设为测量3次以及0.003 aw。一旦仪器开始测量，仪器会一直在读数直到所有这3个结果的误差都在0.003 aw以内。为了确定优选的自定义模式实现重复性和测量速度的最高组合，比较了4种自定义模式，包括：±0.001 aw重复3次测量，±0.001 aw重复5次测量，±0.003 aw重复3次测量，±0.003 aw重复5次测量。水分活度在4TEV仪器上测量，对于不同的3个样品各重复3次。所有这3个样品的平均水分活度和标准偏差利用ANOVA软件进行比较是否自定义设置的模式提供了比其他设置更好的性能。所有的测试都在25•C的温度下进行。 第三部分测量观察温度对水分活度的影响。水分活度与温度有关，但是敏感性的程度依赖于样品本身。为了调查温度的影响，3个样品都在3个不同温度下（15•C，25•C，45•C）进行重复性实验。在每个相对湿度条件下，比较了每个不同温度的水分活度和测量时间来确定温度是否对水分活度有很大的影响。 结果 第一部分 需要记得的是样品在取样时被暴露在环境空气中几秒钟时间，没有特意保护水分。然而，每个仪器样品仓中的初始相对湿度就是实验开始时的周围环境的相对湿度。 表1 3个不同相对湿度、5台不同水分活度所测的平均水分活度、测量时间以及标准偏差。对于露点仪器也比较了短时间和长时间的读数结果。 表1可以看到婴幼儿配方奶粉的水分活度结果收到环境空气的相对湿度影响，但是这个影响并不是成线性。所有仪器的测量结果同样都收到相对湿度的影响。所有3个不同仪器在相对湿度为10%、30%以及50%时的平均水分活度为0.153，0.320和0.388。但是，相对湿度从30%变到10%时，水分活度变化了0.167 aw。相对湿度从30%变到70%时，水分活度改变了0.068 aw。图1中的水分吸附等温线解释了为什么暴露在干燥环境中时水分活度变化比较大。在水分活度小于0.40 aw时，水分活度可以从有很大的变化，而水分含量变化会很少，曲线非常平。这是因为在非晶形婴幼儿配方奶粉中氢键键和弱。因此，在取样时，婴幼儿配方奶粉暴露在干燥环境中的水分活度只有0.167 aw。 在水分活度大于0.40时，奶粉开始经历相态的变化以及吸附等温线开始变得陡峭，即使水分活度变化很小，水分含量的变化却很大。然而相变与时间有关，在取样过程中仅几秒钟的暴露并没有时间发生相变。在水分活度0.40 aw附近发生吸附性质的突然变化表示由于环境的影响对于水分活度的变化有一个buffering效应。结果是，样品的水分活度有一个细微的变化，升高了0.068 aw。 图1 婴幼儿奶粉的水分吸附等温线（25°C），在水分活度为0.43处发现有一个相变过程 在每个相对湿度水平，对每台仪器的初始和最终水分活度做了T检验，发现并没有明显的差异，表明5-8分钟的测量结果和1个小时的测量结果没有差别，这个结果打破了干粉末样品需要长时间的蒸汽平衡时间常数，且正确的读数结果只能从连续的读数或者长时间的读数才能得到的不实结论。另外，长时间的读数结果的标准偏差并没有更好，表示长时间的读数并不能提高测量结果的重复性。 在另外一篇应用文献中，在测量前把干燥剂放到仪器中并不能证明对相对湿度的buffering the effect有很好的帮助。实际上，对于大多数所有的情况，在干燥剂干燥后会得到更高的结果。结果的一致性也与读数的时间无关。 第二部分 表2 水分活度平均值、测量时间以及标准偏差 表2列出了不同自定义模式的测量结果。在一个给定的相对湿度水平，不同的自定义设置并没有一个明显的差别，对结果的重复性也没有明显地提高。然而，从表1中的数据可以看出，使用自定义设置模式与做单次测量的结果比较时发现重复性会稍好一些。从表2中得到的长时间的读数结果证明重复性的提高并不需要额外的测量时间，是否使用自定义设置依赖于仪器使用人员需要牺牲测量速度得到准确性0.01 aw来提高重复性。对于测量婴幼儿配方奶粉时所用的自定义模式，最佳的方案是做3次准确性为0.003 aw测量，即使这样也只需要15分钟时间（30% RH），而且测量结果和其他自定义模式结果并没有明显的差别。 第三部分 水分活度与温度相关，但是依赖的程度和相关性与样品的性质有关。表3中的结果表明与温度有关，也与取样时的周围相对湿度条件有关。但周围的相对湿度较低时，水分活度也低，但是并没有随着温度的变化而变化。然而，在30%和70%的相对湿度条件下，水温度对水分活度有明显的影响。在两个不同的相对湿度水平下，水分活度明显的升高随着温度的降低。一般认为，水分活度会随着温度的升高而升高，但是观察到的趋势并不是典型的特征，这个现象可以有合理的解释。 表3 水分活度平均值、测量时间 温度和水分活度额相互作用是多方面的，会与溶解性的变化有关。温度的升高会导致溶解性增加，可以让更多的氢键键合的位置来结合水，使得水分活度降低即使水分含量没有变化。这个溶解性的变化可能可以用来解释30%和70% RH条件下观察到的结果。然而，溶解性并不能解释为什么水分活度在低相对湿度条件下没有随着温度的变化而变化。有可能的原因是在一个非常干燥的条件下的极低水分活度，由于在温度较高时增加了可利用的氢键键合位置，导致具有高能量的水不能降低其能量，而且这个效果也微不足道。 总结 长时间的水分活度测量结果并没有得到改善。初始的测试时间5-10分钟和1个小时的测试时间结果和重复性比较都没有明显的变化。所以在测婴幼儿配方奶粉时即使Aqualab测量时间小于10分钟也不需要进行额外的测试。婴幼儿配方奶粉的水分活度测试结果随着周围环境的湿度的变化而变化，即使只是在取样时暴露了几秒钟。然而这个变化在低相对湿度（低于20%）比高相对湿度条件（高于40%）更明显，这是因为奶粉的吸附性质决定的。水分活度的变化不仅仅是因为在取样时把样品暴露在周围环境湿度，也是由于暴露在仪器的顶部空气里。仪器的顶部空间是一个周围环境条件，然而顶部空间的体积较小，不至于引起水分活度的变化。对于很多水分敏感的样品，比如低水分活度的奶粉，在一个非常干燥的顶部空间会导致水分活度读数的降低。如果室内相对湿度为30%或者更高，奶粉的水分活度测量结果不会受到影响，但是如果相对湿度很低，建议在一个相对湿度较高的环境中测试。 自定义设置模式并不会减少周围环境湿度的影响或者改变水分活度的结果。当使用自定义模式时，重复性会有稍微的变好，但是这个变化并不是由于自定义模式更严格的缘故。如果使用自定义模式，并不需要比准确性为0.003测3次更严格的设置。 最后，水分活度结果随着温度的升高而降低，但这只发生在相对湿度高于30%时。 本研究的目的是：1.       观察在日常测试时，周围环境的相对湿度对水分活度测量结果的影响。2.       比较不同水分活度仪器的测量结果，测量时间以及重复性。3.       研究用露点方法测量水分活度时，延长读数时间到一个小时是否比常规5分钟测量的精度要更好？4.       确定Series 4仪器的自定义模式测量选项的数值，并且找到如何设置会得到更好地额精度。5.       观察温度对水分活度结果的影响。