食品物性学教案.docx
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食品物性学教案
食品物性学
研究对象
食品(Foods)
初级产品(Primaryorrawproducts):
cereals,fruits,vegetables,meats,dairy,fishesetc.
半成品或成品(Semi-manufacturedormanufacturedfoods):
dough,noodles,breads,beverages,juices,jams,icecreamsetc.
食品原料(Foodingredients)
脂类(Fatsandoils)
蛋白类(Proteins)
碳水化合物(Carbohydrates)
食品添加剂(Foodadditives):
thickeners,gellingagents,stabilisers,texturemodifiersetc.
香味(Flavours)
调味品(Seasons)
研究目的
食品工业界(Foodindustry)
Maximumfoodsafetyandfoodquality
Capabilityofdevelopingnewandimprovedfoodproductsdesiredbypublicconsumers
食品学术界(Foodacademy)
Accumulateandadvancefundamentalknowledgeonfoodphysicsandprinciplesbehindfoodprocessinganddesign
Betterunderstandingfoodproperties
研究内容
基本物理特征(Basicphysicalcharacteristics)
Mass,density,size,shape,moisturecontentandwateractivity
分子物理特性(Molecularphysics)Foodmacromolecules,basicchemicalandphysicalstructure,conformations,highorderstructures,andsolutionproperties
力学性质(Mechanicalproperties)
Rheologicalproperties,texturetests
界面性质(Interfacialproperties)Interfacialadsorptionanddesorption,emulsions,foams
热、光性质(Thermalproperties,andopticalproperties)
Basicthermodynamics,phasetransition,thermalanalysis,colours,colorimetry,food-lightinteraction
电、磁性质(Electricalandmagneticproperties)
感官评价(Sensoryevaluation)
参考文献
FoodPhysics;LudgerO.Figura,ArthurA.Teixeira,eds.;Springer;2007
食品物性学;李云飞,殷涌光,金万镐编著;中国轻工出版社;2005
食品物性学;李里特著;中国农业出版社;1998
第一章绪论
一、食品物性学的定义和研究内容
1、食品物性学的定义:
食品物性学是以食品(包括食品原料)为研究对象,研究其物理性质的一门科学。
不仅包括对食品本身理化性质的分析研究,而且包括食品物性对人的感觉器官产生的所谓感觉性质的研究
食品物性学在日本也称为“食品物理学”,与食品化学相对应。
包括:
力学、光学、电学、热学特性,这些特性与食品组成、微观结构、次价力、表面状态等有关。
食品的物性影响食品的流动性、粘弹性、凝聚性、附着性、质构和口感;影响食品组分的扩散性、松弛性和质量稳定性,与生物化学反应速率相关联,与食品分析检测相关联。
食品物性学研究的对象非常广泛,包括:
①初级产品,如收获后的粮食谷物类;
②一次加工的食品材料,如各种食用油、糖、奶粉、蛋粉等;
③半成品和成品食品,如面团、面包、果汁细胞结构的生物体。
食品物性学涉及的领域虽然相当广泛,但主要以食品的物理学性质为基本内容,这些物理学性质有:
食品的力学性质、光学性质、热学性质和电学性质。
2、食品物性学的研究内容
食品的力学性质
食品在力的作用下产生变形、振动、流动、破断等的规律,以及其与感官评价的关系。
①食品的力学性质是感官评价的重要内容,是决定品种好坏的主要指标。
②食品的力学性质与食品的生化变化、变质情况有着密切的联系,通过力学性质的测定可以把握食品以上品质的变化情况。
③食品的力学性质与食品的加工关系密切,许多操作都与力学性质相关,如混合、搅拌、压榨、过滤、分离、粉碎、膨化、喷雾等。
食品的热学性质
常见的热学性质指标和研究内容有:
比热容、潜热、相变规律、传热规律及与温度有关的热膨胀规律等。
在一些食品加工的单元操作中,如杀菌、干燥、冷冻、熟化、烘烤等方面,热物性有十分重要的作用,在改善食品的风味方面,热物性也成为引人注目的研究新领域。
食品的电学性质
主要是指食品及其原料的导电特性、介电特性以及其他的电磁物理特性。
其研究领域主要分为:
1、食品品种状态的监控:
食品的状态、成分的变化往往反映在电学特性的变化上,用电测传感器的方法把握食品的特性,尤其在食品的非破坏性检测(无损检测)方面。
2、电磁物理加工:
主要有静电场处理技术、电磁波加工技术、通电加热技术、电磁场水处理技术、电渗透脱水技术等。
食品的光学性质
是指食品物质对光的吸收、反射及其对感官反应的性质。
其研究领域在以下方面:
1、通过光学性质实现对食品成分的测定:
成分的变化可以引起对光的吸收、反射、折射、衍射、辐射等性质的变化。
测定简单、无破坏。
2、食品色泽的研究
二、食品物性学研究的目的和方法
1、了解食品与加工、烹饪有关的物理特性
2、建立食品品质客观评价的方法
3、通过对物性的试验研究,可以了解食品的组织结构和生化变化
例如,在制面条或制面包工艺中,面筋形成的情况用观察或其他方法很难确定,而用测定其粘弹性的方法则可简便地了解面团面筋的网络形成程度。
尤其是对生鲜食品的无损伤组织测定,利用振动、光反射、电磁感应等物性测定手段更是必要的。
4、为改善食品的风味、发挥食品的嗜好功能提供科学依据。
以仪器测定的指标表现食品的风味特性,并以此为依据,保证和提高食品的嗜好性品质,成为当前食品开发技术的重要方面。
食品形态
固态、液态、气态,各种形态的物理性质不相同,食品加工特性与食品生化反应也不同。
食品质构
质构在感官特性中的重要程度分三方面:
①关键因素:
质构决定其质量,如肉品、薯片、爆米花、芹菜等
②重要因素:
质构对质量影响较大:
水果、某些蔬菜、奶酪、面制品等;
③次要因素:
影响不大,如饮料、汤类;
三、食品物性学研究的现状和发展
食品物性学最早起源于对食品粘弹性理论的研究。
而粘弹性理论的发展是在胡克等人的弹性理论、牛顿等人建立的流体力学理论发展的。
弹性理论、流体力学理论距今已有300多年历史,粘弹性理论是从20世纪初在欧美等国开始的。
食品物性学中发展最早的是食品力学方面的研究,食品力学的中心是食品流变学。
食品流变学的基础是流体力学和粘弹性理论。
美国化学家宾汉姆(Bingham)提出了流变学的概念,即“Rheology”,“流变”即流动的意思。
最早将流变学引入食品加工研究的是荷兰人ScottBlair,1953年写书《FoodstuffstheirPlasticity,FluidityandConsistency》,第一个定义了“texture”即为“质地”。
在农产品物料物性研究领域,1966年Mohsenin编著出版了《PhysicalPropertiesofPlantandAnimalMaterials》,该书主要针对农产品物料的力学、热学、光学和电学性质进行了系统的论述。
1968年日本东京召开了国际流变学会议
1969年荷兰创办了《JournalofTextureStudies》专业杂志,关于食品物性研究的论文大量发表,推进了食品物性学的发展。
研究最多的植物组织(水果、蔬菜)的评价,其次是食品力学性质的测定中,感官评价与仪器测定的比较和相关关系。
1973年,B.Muller编著出版了《IntroductiontoFoodRheology》,进一步推动了食品物性学的研究和应用。
1975年至1995年间,日本化学学会组织了食品物性学年会研讨,出版了论文集共19集。
1980年Mohsenin又编著出版了《ThermalPropertiesofFoodandAgriculturalMaterials》,主要论述农产品物料的热学测定、热传导的基本知识以及食品冷却、冷冻、干燥、热处理、呼吸和膨胀的有关知识。
1984年,J.Prentice编著出版了《MeasurementintheRheologyofFoodstuffs》一书,阐述了食品流变特性的测量原理和方法,同时从微观结构的角度分析了影响食品流变性质的因素和机理。
1989年种谷真一编著了《食品的物理》一书,从物理学的角度,分析各种状态的物料在加工、烹饪发酵过程中物性变化的机理。
1989年,川端晶子编著了《食品物性学》,从食品的流变学性质和质地两个方面论述了食品胶体体系特征,以及凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。
总之,20年来食品物性学虽然有很大的发展,但仍然属于逐步形成阶段,因为食品是一个十分复杂的分散体系,今后还需要作大量的研究。
表1按力学特性对食品物料的分类
食品的力学基础
1、食品物质的凝胶性
1)胶体的概念:
一般的食品不仅含有固体,而且还有水、空气存在,属于分散系统或称为非均质分散系统,也称分散系。
所谓分散系统是指数微米以下、数纳米以上的微粒子,在气体、液体或固体中浮游悬浊的系统,以上所说的微粒子称为分散相,而属于气体、液体或固体的介质被称为分散介质或连续相(分散介质)。
胶体的概念:
表示物质状态的名词。
晶体和胶体表示物质分散度不同的两种状态。
例如,蛋清蛋白、酪蛋白在水中的扩散速度比食盐和汤药慢的多,越是扩散速度慢的物质结晶越不容易,扩散越快的物质结晶越快。
结晶快的物质称做拟晶体(crystalloid),
结晶慢的物质称做胶体(colloid)。
2)胶体的种类:
气体为连续相的胶体:
气溶胶(airosol):
气体为连续相的胶体(液体分散于气体介质中),例如云、雾、食品的微小液滴、粉尘漂浮在空气中,但食品中更多的颗粒分散在空气中成为粉末。
粉末食品既有分散漂浮在空气中的状态,也有沉积在一起的集合状态。
食品工业中,沉积在一起的粉末较多,常有如下物理量:
外观比体积:
单位质量粉末所充填的体积。
外观密度:
包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。
空隙率:
一定体积的粉末中,孔隙所占体积的比率。
液体为连续相的胶体:
气泡(bubble):
在液体中分散有许多气体的分散系统。
当无数气泡分散在水中时,溶液呈白色,这是一种气体溶胶。
乳胶体(emulsion):
指两种互不相溶的液体,其中一方为微小的液滴分散在另一方液体中的胶体。
乳胶体一般由水、油、乳化剂构成。
乳胶体中,当连续相为水,分散相为油时,称为水包油型(O/W型),如食品中生奶油、蛋黄酱属于O/W型;与之相反,成为油包水型,例如黄油、人造奶油等属于W/O型。
乳胶体经过一定的处理,即在外力的作用下,不使水油分离的情况下,O/W型也会转换为W/O型,相应地乳胶体的物性也会发生很大的变化。
除了两相乳胶体,还有多相乳胶体。
乳胶体类型的判断是研究其物性是首先要考虑的问题,通常的判断法有:
稀释法:
用连续相的溶剂稀释的办法。
导电法:
水油导电性质差异很大,用电流计的两极插入乳胶体构成回路,导电则为O/W型,不导电则为W/O型。
色素染色法:
利用色素是否溶解于连续相来判断,例如用不溶于油的水溶性色素,甲基橙(methylorange)加入胶体中,溶解的则为O/W型,不溶解的则为W/O型。
胶体分为:
溶胶和凝胶
对于可流动的胶体溶液称为溶胶。
食品中的一般胶体粒子的分散介质是水,所以把分散介质(连续相)是水的胶体称为亲水性胶体(hydrocolloid),这样的溶液为水溶胶(hydrosol)。
凝胶(gel):
在分散介质(连续相)中的胶体粒子或高分子溶质,形成整体构造而失去了流动性,或胶体全体虽含有大量液体介质但处于固化的状态称为凝胶。
凝胶有热不可逆性和热可逆性。
如鸡蛋羹、布丁等蛋白凝胶为热不可逆性,以多糖成分存在的为热可逆性。
凝胶是一种物质的特殊状态,介于固体和液体之间,不会仅在重力作用下流动。
有流动性非常接近液体的凝胶,也有刚性非常接近于固体的凝胶。
干凝胶:
凝胶放置后逐渐离浆脱水成为干燥状态为干凝胶,如干粉丝、方便面等。
食品中除了果汁、酱油、牛乳、油等液态食品和饼干、酥饼、硬糖等固体食品外,几乎所有的食品都是在凝胶状态下供食用的。
2、食品的凝胶性与食品加工
1)很多食品都是在凝胶状态下食用的。
例如,米饭、馒头、面条、豆腐、肉、色、蔬菜等,都可以说是凝胶状态。
2)凝胶状态食品的力学性质对食品口感品质、风味品质(如软硬、嚼劲、筋道感、柔嫩感等)起着决定的作用。
因此蛋白质、多糖类等可以形成凝胶的物质.均可作为食品改良剂、稳定剂等使用。
3)许多食品都有一个状态稳定性问题。
例如,果汁要求不分层、不沉淀;面条要求不糊汤,耐浸泡不烂;冰洪淋要求保型性好、口感细腻等。
而解决这些问题的本质,就是要调整好胶体粒子的分布或结合状态,使之稳定。
分散系统内各相之间的界面状态,对物性就要产生很大影响。
所以界面化学、乳化机理也成了与食品物性有关的重要相关学科。
研究和改善食品的质地(texture),主要就是研究凝胶状态物质的模型,与解决食品感官品质、提高食品的品质有着不可分割的关系。
流变学就成为研究食品力学性质的中心内容。
第二章食品的电物性
第一节食品的电学性质
食品的电物性:
主动电特性:
由于食品材料中存在某些能源而产生的电特性。
这种存在于食品中的能源可能产生一个电动势或电势差,其在生物系统中表示为生物电势,在压电晶体中表现为应变诱导电势。
被动电特性:
反映了影响食品所占空间内电场和电流(电荷)的分布特性,还可以影响电场中食品的行为,它是由食品化学成分和物理结构所决定的固有特性
在外加电压(或电场)作用下的行为及所表现出来的物理现象。
包括:
在交变电场中的介电特性
在直流电场中的电特性:
在弱电场中的导电性质;在强电场中的击穿现象;
食品表面的静电现象
电物性在食品工程中的应用:
利用食品的电物性对其成分、组织、状态等进行监控。
食品的加工。
交变电场(电磁波)的利用
静电场的利用:
1.清洗净化
2.分离
3.改质
直流电的利用:
1.电渗析
2.电泳
3.电浮选
介电特性
一、了解介电特性中的概念
按“导电性质不同,分为电子导体,如金属;离子导体,如电解质
物体分为,导体;非导体(电介质),如空气、玻璃、橡胶
介电特性主要与以下三者有关系:
相对介电常数ε’r,相对介电损耗因数ε”r,介电损耗角正切tanδ
介电常数:
相对介电常数ε’r=C/C0,是某种物料为介质时的电容器的电容和以真空为介质时的电容的比值
第二节极化
1极性
非极性分子:
正负电荷中心相重合。
但在电场的作用下正负电荷中心分裂,诱导出偶极矩;
极性分子:
正负电荷中心不重合,但由于热运动指向各个方向的机率相等,也呈现电中性。
这类分子具有永久偶极矩,所以称为极性分子。
2偶极矩(,Debye)
偶极矩:
表示极性的大小
偶极矩:
质点所带电荷的数量q与两质点间距离d的乘积(Debye,德拜),方向从正到负。
总偶极矩:
假设每个分子都是刚性的,则总的偶极矩以矢量和来表示:
有效偶极矩
刚性分子的假设:
适于气体,不适于溶液分子。
柔性大分子
不是完全刚性的,仅分子的一部分构象在热运动时没有变化。
有些基团有极性,整个分子为中性。
有效偶极矩:
依赖于分子或基团的化学结构。
有效偶极矩的计算:
如果分子含有N个极性基团结构,这个结构在热运动时没有变化,则有效偶极矩为:
式中,xi,yi,zi分别为沿着x,y,z轴的键矩分量
2电介质的极化
分子的极化可以分为三类:
电子极化(electronicpolarization)偶极矩为诱导偶极矩
原子极化(atomicpolarization)偶极矩为诱导偶极矩
取向极化(orientationpolarization)偶极矩为永久偶极矩。
2.1电子极化
偏移:
价电子云在外电场作用下向正极偏移,电子相对于分子骨架发生偏移(分子骨架无偏移);
强度:
外电场比核作用在电子上的原子内电场弱很多,其运动很小,极化弱;
松弛:
电子的运动速度很快,极化所需时间很短(10-15~10-13秒)。
2.2原子极化
变形:
分子骨架在外电场下发生变形;
强度:
原子极化很小,约为电子极化的1/10;
松弛:
原子的运动速度较电子慢,极化所需要的时间>10-13秒。
变形:
分子骨架在外电场下发生变形;
强度:
原子极化很小,约为电子极化的1/10;
松弛:
原子的运动速度较电子慢,极化所需要的时间>10-13秒。
无电场外加电场
2.3取向极化(偶极极化)
极性分子:
永久偶极矩的极性分子(基团),在无外电场时,热运动使偶极矩指向各方向的机会相同,总平均偶极矩为0,介质为电中性。
取向:
在外电场的作用下,极性分子(基团)沿电场方向排列,产生分子的取向。
松弛:
沿外电场的运动要克服本身的惯性和旋转阻力,极化时间很长(约为10-9秒)。
这段时间的长短,依赖于分子间的相互作用。
(a)无外电场(b)有外电场(c)电场很强,温度很低
极性分子趋向极化示意图
极化偶极矩:
E为电场强度;
为极化率;
对于极性分子:
e为电子极化率a为原子极化率u为取向极化率
e和a与温度无关,只取决于分子中电子云的分布情况。
对于非极性分子:
3高分子的介电特性与结构的关系
高分子以取向极化的贡献最大。
只有极性分子(基团)才能发生取向极化,取向极化的强弱与介质分子(基团)的极性有关。
介电常数主要取决于分子(基团)极性的大小。
分子(基团)的极性可用偶极矩来衡量,分子(基团)的偶极矩等于所有键矩的矢量和。
一些共价键的键矩和分子的偶极矩
高分子按极性大小分为四类
电介质极化机理:
电子位移极化:
光学极化
原子极化:
红外极化
取向极化:
偶极子极化
介质损耗:
自极化运动产生的热损耗
二、食品物质的介电特性
食品或食品原料的介电特性是受物料含水率、电场频率、温度及密度的影响
小麦介电常数、电场频率和含水率:
小麦介电特性和含水率的关系:
1、在给定的含水率时,介电常数随温度升高而增大;
2、在给定的温度时,介电常数随含水率的增加而增大;
3、介电常数随着温度的变化而变化,但在高含水率的变化要比低含水率下明显。
电导特性
电导特性对介电特性的影响大于极化松弛现象的影响。
电导特性的两个参数
电阻率
电导率
一、电阻率
即电阻系数或比电阻,是衡量物质导电性能好坏的一个物理量,电阻率越大,导电性能越低。
影响电阻率的因素物料性质(本身的自由电子数成反比)、含水率、温度(T,电阻率)
二、电导和电导率
电导——物体传导电流的本领。
其是通过该物体电流与该物质所加电压的比值。
在直流电路,电导的数值是电阻值的倒数。
电导率——电导系数,也是衡量物质导电性能好坏的一个物理量,数值是电阻率的倒数。
不同食品成分的介电常数
说明:
食品中水的介电常数相当高,其他成分的介电常数较低,所以我们可以利用电特性测定物料或食品的含水率
电导率———温度的关系(图8-19)
这里主要观察4种样品:
浓缩血液、血液、血浆和生理盐水
1、无论哪一种样品,电导率都随温度的升高而增加;
2、从图上可以知道,4号样品的电导率〉3号〉2号〉1号;
3、这些样品都是液体,液体的电导率与温度呈直线关系。
主要由于样品的含水量不同,4号含水量〉3号〉2号〉1号,含水量越大,电阻率越小,即电导率越大
电导率———物料干物质含量的关系(图8-19)
1、电导率随温度的升高而升高;
2、无论在哪一个温度,电导率随着物料干物质含量的增加而减小;
3、电导率随干物质含量的变化而变化,但在低干物质含量的变化比在高干物质含量明显。
电导率———食品品质的关系
这里主要观察电导率与食品贮藏时间的关系。
选择样品:
大蒜(适熟的、过熟的和干燥的)(图8-18)
1、首先我们看一下“适熟的大蒜”,电导率随贮存时间先下降再骤然升高;
2、“过熟的大蒜”,电导率随贮存时间上升趋势平缓;
3、“干燥的大蒜”,电导率随贮存时间先下降再升高。
电磁辐射
1、电离辐射现象——αβγ射线及中子射线,原子射线、电子射线、紫外线等射线类穿过食品或农产品时,会对分子起到离子化作用的现象。
2、电离辐射机理
3、电离辐射对农产品和食品的影响
①、生物学效应。
杀菌、杀虫作用;抑制马铃薯、洋葱等发芽,延缓香蕉、蕃茄后熟;促进桃子、柿子成熟。
②、化学效应。
增加干制食品的复水性能,改进酒的品质,促使蛋白质、淀粉等的变性。
电特性在食品中的应用
按照电场性质,有7方面的应用:
静电场处理
动电处理
通电加热处理
高频电场处理
微波处理
红外线处理
核磁共振
第四节电物性的应用
1.食品的电磁波处理和加工
1.1食品干燥
1.2生物致死
1)灭菌
2)防虫
1.3加热熟化
1.4灭酶
1.5烫漂
1.6解冻
1.7萃取
2.微波及其应用
2.1微波
波长=1~1000mm的电磁波。
是超高频电磁波。
直线传播,可反射、吸收、穿透,遵循光传播的规律。
这些作用取决于材料的特性:
介电特性;比热;形状;
其它成分(含水量等)。
2.2常见介质
导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合
2.3微波对介质的穿透性质
能量衰减与转换:
物料表面的能量密度最大,随着微波向物料的渗透,其能量释放给了物料,并转换成热量。
穿透力:
衰减状态决定着微波的穿透能力。
穿透深度:
微波功率从物料表面减至表面值的1/e时的距离,用DE表示。
式中:
0为自由空间波长;为介电常数;tgδ为介质损耗
微波的穿透深度与温度有关
微波加热
1、微波辐射频率:
300MHZ~300GHZ,即无线短波范围
2、微波加热——微波向食品释
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