[科普中国]-物理化学变化

简介

物理变化是没有新物质生成的变化。如固态的冰受热熔化成水，液态的水蒸发变成水蒸气；水蒸气冷凝成水，水凝固成冰。水在三态变化中只是外形和状态变化了。并没有新的物质产生出来，所以属于物理变化。又如扩散、聚集、膨胀、压缩、挥发、升华、摩擦生热、铁变磁铁、通电升温发光、活性炭吸附氯气等都是物理变化。石墨在一定条件下变成金刚石就不是物理变化，而是化学变化，因为它变成了另外一种单质。物理变化前后，物质的种类不变、组成不变、化学性质也不变。这类变化的实质是分子的聚集状态（间隔距离、运动速率等）发生了改变，导致物质的外形或状态随之改变。物理变化表现该物质的物理性质。物理变化跟化学变化有着本质的区别。

化学变化定义为当一个分子接触另一个分子合成大分子；或者分子经断裂分开形成两个及两个以上的小分子；又或者是分子内部的原子重组。为了形成变化，化学反应通常和化学键的形成与断裂有关。实质是原子的重组过程，可能含有电子的交换，伴随旧键的断裂和新键的形成，一定有能量变化。

食品干燥过程中的物理和化学变化1、干缩和变形

由细胞组成的动植物组织，当细胞中水分在干燥过程中逐渐失去时，细胞发生萎缩现象，整个形体会变小。有时由于干燥过快，表面毛细孔收缩，形成透气性差的硬膜，致使干燥速度急剧下降，而在内部水分继续气化时，形成内压力而导致膨松气泡或破裂。

快速的干燥又常常使物料各部分产生不均匀的干燥速度，致使物料产生不均匀的内应力收缩而导致奇形怪状的翘曲变形，例如烤麸、冻豆腐等的干燥，这种变形在物料复水时可以有一定程度的恢复。

物料干燥时发生的变形还反映在内部组织结构上。当干燥过程进行得慢时，内外部的水分含量梯度小，物料内部应力很小，干燥收缩时可相对保持原有的形状，而组织结构相对致密。如果干燥得快，则表面最先因干燥而定型，内部进一步干燥收缩时，形成较大的应力而使结构中形成裂缝和孔隙，例如马铃薯丁或胡萝卜丁在快速热风干燥时就有此现象。

在冻结真空干燥过程中，完全没有干缩或变形的情况。湿物料在冻结时已呈完全定型状态。在真空条件下冰升华而直接气化，干燥完毕后，物料仍保持原冻结时的大小和形状而不变形，但内部组织呈疏松状态。

2、溶质的迁移

在食品物料所含的水分中，一般都有溶解于真空中的溶质，如糖、盐、有机酸、可溶性含氮物等等，当水分在于燥过程中由物料内部向表面迁移时，可溶性物质也随之向表面迁移。当溶液到达表面后，水分气化逸出，溶质的浓度增加。当干燥速度较快时，脱水的溶质有可能堆积在物料表面结晶析出或成为干胶状而使表面形成干硬膜，甚至堵塞毛细孔而进一步降低干燥速度。如果干燥速度较慢，则当靠近表层的溶质浓度逐渐升高时，溶质借浓度差的推动力又可重新向中心层扩散，使溶质在物料内部重新趋于均布。显然，可溶性物质在干燥物料中的均匀分布程度与干燥工艺条件和干燥速度有关1。

3、挥发成分损失

当水分从被干燥食品物料中逸出时，难免夹带食品中的部分挥发物质，这部分挥发物质往往是代表食品风味的物质，在干燥时受到损失。例如在制造速溶咖啡或速溶茶或果料粉末时，其特征香味物质总是或多或少要挥发损失。当相对干燥表面积(干燥表面积与物料重量之比值)愈大、干燥温度愈高，则挥发损失也愈大，通常认为，这种情况在喷雾干燥中最为严重，而冻结升华干燥中损失较少，因为前者干燥表面积大，温度较高，而后者表面积小、温度较低，分子量较小的水分先于分子量较大的有机香味物质分子逸出。

目前，对如何减少干燥过程中挥发性风味物质的损失，或是将其回收进行补偿，尚无经济合理的办法。

4、吸湿性和复原性

食品的干燥是在物料和介质的水蒸气分压差的条件下进行和完成的，完成干燥的食品物料含水量一般很低，其蒸气压通常都小于正常大气的水蒸气分压。换句话说，就是干燥物料的相对平衡湿度很低，在正常的大气条件下，容易吸收大气中的水分而还潮，此时食品物料中的水分活度又见升高而降低质量，易受微生物的侵害。因此，经过干燥的食品必须采取妥善的包装措施，防止在消费前重新吸收潮气。

大部分脱水食品在消费前要求复水，尽可能恢复到脱水前的状态。但复水往往很困难，或者是复水以后不很理想。可能复水的时间要求很长，或者回复不到原有的形态和感观质量(色、香、味)。通常有细胞组织结构的物料要回复到原有的状态是不可能的，除了很特殊的情况(如干酵母等单细胞物质)外，干燥是不可逆过程。脱水蔬菜在干燥前要热烫灭酶，细胞也必定失去活力，细胞壁失去弹性，产生永久变形，其胶体成分也产生不可逆变化。干制的鲜肉在复水时也只能吸收原含水量的一部分水分，组织结构比脱水前脆一些。冻结真空干燥的较薄较细的物料，复水后有可能比较接近原有的形态和质量。液状物质，如牛奶、咖啡、果汁等在用喷雾干燥或冻结干燥后都能较好的复水恢复原状。但是干燥的奶粉由于含有脂肪，且干燥后已破坏了原先的乳化条件，因此要复水还原时还必须另外添加乳化剂和进行均质。

市售的脱水面条，因在油炸条件下脱水，所以复水后的口味与原先的面条口味也不一样。而热风烘干的脱水面条和脱水米饭，在一般情况下，复水时间都较长，用95℃以上的热水也要8min以上，只有采用冻结干燥的制品，其复水性能较为理想，但是经济代价要高得多。

5、营养成分的损害

食品成分一般属热敏性物质，在加湿干燥过程中，难免不受到损害。各种维生素是加温干燥中损失比例最大的成分。水溶性维生素在高温下最易破坏，维生素C(抗坏血酸)最先被破坏，维生素B，(硫胺素)也很敏感。胡萝卜素也会因氧化而遭到损失，未经酶钝化处理的蔬菜，在干制时胡萝卜素损失高达80%，如果脱水方法恰当，可降低到5%。

碳水化合物在高温长时间干燥时易分解焦化。例如大荔圆枣干燥温度在70℃时的糖分的损失10h为12.3%，34h为16.4%；而在65℃时，34h的糖分损失仅为6.5%。

蛋白质对高温敏感，在高温下蛋白质变性，组成蛋白质的氨基酸与还原糖发生作用，产生美拉德反应(羰氨反应)而褐变。产生褐变的速度因温度和时间而异。高温长时间的干燥，褐变明显严重。当物料的温度达到某一个临界值时，其变为棕褐色的速度很快。褐变的速度还与物料的水分含量有关。干燥初期物料水分含量高，褐变反应缓慢，但当干燥到某一中间水分含量(常常在15%～20%之间)时，褐变速度达最高值，当水分含量降到1%～2%时，大多数脱水食品，即使在相当高的贮藏温度下，也能长期稳定。因此设计干燥工艺时要使物料尽快越过快速褐变的水分的阶段。

干燥制品的油脂酸败是极严重的问题。一般来说，高温干燥比低温干燥严重得多，常压干燥比真空干燥也严重得多。因此在干燥前常常需要添加抗氧化剂。

油脂的酸败与氧气接触有关。当食品物料的水分含量较高时，水分阻碍了食品成分与空气的直接接触。在干燥时，当物料水分含量降低到一定程度，也就是除去了阻碍食品成分和空气直接接触所必要的保护水分层，也就是干燥食品的最小必要的水分含量，则会发生食品内油脂易受氧化、类胡萝卜色素等褪色、非酶促褐变，乃至复水性下降等劣变。根据Saluin理论，上述的必要保护水分层可以认为是水分以单分子层包围并保护食品成分的状态，不仅是一种物理被覆状态，而且还与构成食品的蛋白质、碳水化合物等成分的所有活性基团以氢键相结合着。这样可以防止活性基团对氧的吸引，同时对于活性基团之间的相互作用也起到了良好的阻碍作用，有效地维持着干燥食品的复水性。另外，由于在该水分含量下，这种水分子是不连续的，所以它不会导致那些金属催化物质的移动2。