食品物性学 食品热物性PPT学习教案

1、会计学1 食品物性学食品物性学 食品热物性食品热物性 第1页/共49页 主要内容主要内容 本本 章章 主主 要要 内内 容容 第二节第二节 食品材料的热物理数据食品材料的热物理数据 第三节第三节 差示扫描热量测定与定量差差示扫描热量测定与定量差 示热分析示热分析 第一节第一节 食品热物性基础食品热物性基础 第2页/共49页 第一节第一节 食品热物性基础食品热物性基础 一、食品热物性的一般概念一、食品热物性的一般概念 1.食品的基本热参数食品的基本热参数 温度、比热容、焓、导热系数温度、比热容、焓、导热系数 2.食品的传热性质食品的传热性质 表面热流量、质量平均温度、传热规律表面热流量、质量平均

2、温度、传热规律 、热传导、热对流、热辐射、热传导、热对流、热辐射 3.热参数的检测热参数的检测 比热的检测、导热系数的检测比热的检测、导热系数的检测 第3页/共49页 1. 比热容（比热容（specific heat）：）： 1 1）定义：）定义：传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温 度升高度升高1K所需的热量。所需的热量。 2 2）测定方法：）测定方法：比较常用的事是用热量计进行定压的比较常用的事是用热量计进行定压的热混合法热混合法 和和护热板法护热板法。 第一节第一节 食品热物性基础食品热物性基础 近年来发展用差式扫描量热术近年来发展用差式扫

3、描量热术(DSC)来测量材料的比热容来测量材料的比热容 。此法所用的样品少。此法所用的样品少(5一一15mg);而且因其能测很大的温度而且因其能测很大的温度 范围，故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系范围，故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系 。 混合法：原理是把已知质量和温度的样品，投入盛有已知混合法：原理是把已知质量和温度的样品，投入盛有已知 比热容、温度、和质量的液体量热计重。在绝热状态下，比热容、温度、和质量的液体量热计重。在绝热状态下， 测定混合物料的平衡温度，而后根据公式推算试样的比热测定混合物料的平衡温度，而后根据公式推算试样的比热 容。容。 第4页/共49页 2

4、、焓焓(enthalpy) u 焓焓值是相对值，过去的教材中多取值是相对值，过去的教材中多取-20-20冻结态的焓值为冻结态的焓值为 其零点；近年来多取其零点；近年来多取-40-40的冻结态为其零点。的冻结态为其零点。 u 过去，物质的焓值一般均按冻结潜热、冻结率和比热容过去，物质的焓值一般均按冻结潜热、冻结率和比热容 的数据计算而得；直接测量的数据很少、但对于食品材料的数据计算而得；直接测量的数据很少、但对于食品材料 ，实际上很难确定在某一温度时食品中被冻结的比例，而，实际上很难确定在某一温度时食品中被冻结的比例，而 不同的冻结率对应不同的焓值。不同的冻结率对应不同的焓值。 第一节第一节 食

5、品热物性基础食品热物性基础 第5页/共49页 第一节第一节 食品热物性基础食品热物性基础 2、焓焓(enthalpy) u 用用DSC直接测量食品焓值是一种新方法，其温度直接测量食品焓值是一种新方法，其温度 扫描从扫描从-60开始到开始到1以上，这是认为到以上，这是认为到-60时时 ，食品中的水分己全部冻结；而到，食品中的水分己全部冻结；而到1以上水分己以上水分己 全部融化成液体。全部融化成液体。 第6页/共49页 3.热导率热导率(therma-conductivity) 第一节第一节 食品热物性基础食品热物性基础 测量食品材料热导率要比测量比热容困难得多，因为测量食品材料热导率要比测量比热

6、容困难得多，因为 热导率不仅和食品材料的组分、颗粒大小等因素有关，还热导率不仅和食品材料的组分、颗粒大小等因素有关，还 与材料的均匀性有关。一般用于测量工程材料的标准方法，与材料的均匀性有关。一般用于测量工程材料的标准方法， 如平板法、同心球法等稳态方法已不能很好用于食品材料。如平板法、同心球法等稳态方法已不能很好用于食品材料。 因为这些方法需要很长的平衡时间，而在此期间，食品材料因为这些方法需要很长的平衡时间，而在此期间，食品材料 会产生水分的迁移而影响热导率。会产生水分的迁移而影响热导率。 目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法。被目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法。被 测

7、食品材料原处于某一均匀温度，当探针插进后，加热丝提测食品材料原处于某一均匀温度，当探针插进后，加热丝提 供一定得热量，使测量温度变化。经一段过渡期后，温度和供一定得热量，使测量温度变化。经一段过渡期后，温度和 时间的对数出现线性。关系。根据此直线的斜率可以求出视频时间的对数出现线性。关系。根据此直线的斜率可以求出视频 材料的热导率材料的热导率 第7页/共49页 4.热扩散系数热扩散系数(thermal diffusivity) 第一节第一节 食品热物性基础食品热物性基础 一般说来，热扩散系数一般说来，热扩散系数a a是根据比热容是根据比热容Cp,Cp,热导率热导率和和 密度密度数据计算而得的，

8、即数据计算而得的，即a a/(Cp)/(Cp)但也可以用实但也可以用实 验测量，它主要是用一个瞬问加热的类似于测热导率的验测量，它主要是用一个瞬问加热的类似于测热导率的 探头和热电祸；再与它有一定距离处加上另一个热电祸探头和热电祸；再与它有一定距离处加上另一个热电祸 以测量样品温度的变化曲线。以测量样品温度的变化曲线。 这个距离和所测得的热扩散系数数据有着很大的关系这个距离和所测得的热扩散系数数据有着很大的关系 ，但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。，但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。 第8页/共49页 第9页/共49页 第10页/共49页 食品材料的热物理性质的测量是从

9、食品材料的热物理性质的测量是从1818世纪开始的。世纪开始的。 目前的数据中有目前的数据中有2/32/3左右是在左右是在2020世纪世纪5050一一6060年代发表的。年代发表的。 其中，只有一部分数据说明了材料的情况和实验的条件其中，只有一部分数据说明了材料的情况和实验的条件; ; 而大部分数据没有给出这些条件而大部分数据没有给出这些条件; ;有的甚至没给出含水量有的甚至没给出含水量 。许多数据的离散度很大，因此实际上并没有多大的用。许多数据的离散度很大，因此实际上并没有多大的用 处。处。 第二节第二节 食品材料的热物理数据食品材料的热物理数据 第11页/共49页 关于食品材料热物理性质的数

10、据，收集最全的是美国供关于食品材料热物理性质的数据，收集最全的是美国供 热制冷空调工程师会热制冷空调工程师会 (ASHRAE)1993(ASHRAE)1993年出版的手册。年出版的手册。 SweatSweat等等(1995)(1995)收集和比较了收集和比较了400400多篇关于食品材料热物理性多篇关于食品材料热物理性 质数据的文章，发现食品材料的热物性不仅和其成分有关质数据的文章，发现食品材料的热物性不仅和其成分有关 如水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等如水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等) )，而且与其处理，而且与其处理 方法方法 有关。因此，热物理性质数据应指明实验材料的尺寸大小、有关。因此，热

11、物理性质数据应指明实验材料的尺寸大小、 表面情况、空隙度、纤维方向等表面情况、空隙度、纤维方向等; ;给出食品的处理过程。给出食品的处理过程。 严格地讲，实验数据应讲清实验方法、实验条件严格地讲，实验数据应讲清实验方法、实验条件如温度、如温度、 压力、相对湿度等压力、相对湿度等) )。而实。而实 验结果应给出数据的偏差范围及验结果应给出数据的偏差范围及 测量精度，目前的数据大都达不到这些要求。测量精度，目前的数据大都达不到这些要求。 第二节第二节 食品材料的热物理数据食品材料的热物理数据 第12页/共49页 表表 3-1a 水的密度水的密度 T /03.9851020 /103(kg/m3)0

12、.999871.000000.999990.999730.99823 表表 3-1b 冰的密度冰的密度 T /0255075100 /103(kg/m3)0.9170.9210.9240.9270.930 第13页/共49页 表表 3-2a 水的水的(体积体积)热膨胀系数热膨胀系数 T /02468 /10 6 (1/K) 68.132.70.2731.2460.41 表表 3-2b 冰的冰的(体积体积)热膨胀系数热膨胀系数 T /0255075 100 125 150 175 /10 6 (1/K) 5750433831241712 （V/V）/T 第14页/共49页 表表 3-3a 水水的

13、的比比热热容容 T/0102030 Cp /KJ/(kgK) 4.21774.19224.18194.1785 表表 3-3b 冰冰的的比比热热容容 T/01020304050 Cp /KJ/(kgK) 2.122.041.961.881.801.73 T/607080100120140 Cp /KJ/(kgK) 1.651.571.491.341.181.03 第15页/共49页 表表3-4a水水的的热热导导率率 T/051015202530 /W/(m K) 0.5610.5700.5790.5880.597 0.606 0.613 表表3-4b 冰冰的的热热导导率率 T/02040608

14、0 100 120 /W/(m K)2.242.432.662.913.183.473.81 第16页/共49页 表表 3-5a 水的热扩散系数水的热扩散系数 T/010203040 a /10 6(m2/s) 0.1330.1380.1430.1470.150 表表 3-5b 冰的热扩散系数冰的热扩散系数 T/0255075100 a /10 6(m2/s) 1.151.411.752.212.81 o 冰在0的融化热：334.5kJ/kg或 6.003kJ/mol 第17页/共49页 第18页/共49页 表 3-11 几种常用包装材料的热阻 材料 厚度 /mm 热阻 KmW 2 / 蜡纸板

15、 0.625 0.0096 带玻璃纸的蜡纸板 0.568 0.0109 0.509 0.0070 铝箔 0.599 0.0095 0.568 0.0075 双层蜡防水纸 0.212 0.0035 第19页/共49页 )(vG tF P p 正比于 第20页/共49页 表3-13 在膜内外相对湿度差为90时， 一些食品包装膜的水蒸气渗透率(37.8)10 p的单位是gmil/（m224hatm） p水蒸气 聚乙烯（PE）（低密度） （高密度） 20 5 玻璃纸5 聚丙烯（polypropylene）5 聚氯乙烯（PVP）（软）90 第21页/共49页 第22页/共49页 第23页/共49页 在升

16、温或降温的过程中，物质的结构（如相态在升温或降温的过程中，物质的结构（如相态) )和化学和化学 性质会发生变化，其质量及光、性质会发生变化，其质量及光、 电、磁、热、力等物理性电、磁、热、力等物理性 质也会发生相应的变化。热分析技术就是程序控制温度的质也会发生相应的变化。热分析技术就是程序控制温度的 条件下，测量物质物理性质与温度关系的一类技术。因此，条件下，测量物质物理性质与温度关系的一类技术。因此， 热分析装置目前被广泛用来测定食品品质及其成分变化。热分析装置目前被广泛用来测定食品品质及其成分变化。 热分析作为热的收支指标测定，是对状态和状态变化热分析作为热的收支指标测定，是对状态和状态变

17、化 性质进行分析研究的手段。早期的分析有：定量差示热分性质进行分析研究的手段。早期的分析有：定量差示热分 析（析（DTADTA）和热重量分析（）和热重量分析（ThermogravimetryThermogravimetry，简称，简称TGTG）。）。 差示扫描热量测定（差示扫描热量测定（DSCDSC）是对这些早期的差示热分析进一）是对这些早期的差示热分析进一 步定量化，对热量也可以评价的测定方法。步定量化，对热量也可以评价的测定方法。 第24页/共49页 1 .差示扫描量热法差示扫描量热法(DSC)及定量差示热分析（及定量差示热分析（ DTA）的测定原理）的测定原理 第25页/共49页 第26

18、页/共49页 下图是下图是DSC主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成: 温度程序控制系统；温度程序控制系统； 测量系统测量系统(物理性能的测量）物理性能的测量） 数据记录、处理和显示系统；样品室。数据记录、处理和显示系统；样品室。 图 样 品 第27页/共49页 第28页/共49页 第29页/共49页 图2 DSC装置测定原理 1.升温装置 2.放大器 3.热量补回路 4.记录仪 A.炉腔 S.试样容器 R.对照样容器 Hs、HR.电热丝 其测定原理如图2所示。在可以程 控升温（或降温）的炉腔（A）中，装 有试样容器（S）和对照样容器（R） 。测定时

19、分别装入试样和对照样，使它 们以一定速度扫描升温。升温过程中当 试样产生热，引起变化（脱水、结合、 变性、转移、相转变等）时，与其焓变 化相对应，试样与对照样之间会产生温 度差。当热电偶温度传感器测出温度差 时，消除这一温度差的补偿电路驱动电 热丝（HS或HR）发热，同时记录补偿 回路的电位，从所记录的曲线面积进行 定量评价。 第30页/共49页 DTA所得到的是温度差曲线，而DSC记录的是补偿电 路电位，即能量变化。因此，从原理上讲DSC给出的是 直接焓变化，似乎从表面上看精度较高。但实际上从定 量的观点看，两者的效果没有差别。目前DTA和DSC装 置装填试样的量为数毫克到1mg，或1070

20、l。 DTA与以上原理基本相似，只是没有DSC装置中的 热量补偿电路和电加热部分。与DSC的测定原理相同， 由热电阻Ts和TR测出试样容器与比较容器间的温度差， 从所记录的曲线面积进行定量评价。 第31页/共49页 图 功率补偿型DSC示意图 根据测量的方法不同，DSC分为两种类型:一种是热流型DSC,一 种是功率补偿型DSC。下图是功率补偿型DSC。其主要特点是分别用 独立的加热器和传感器来测量和控制样品和参照物的温度并使之相等 ，或者说，根据样品和参照的温度差对流入或流出样品和参照的热量 进行功率补偿使之相等。它所测量的参数是两个加热器输入功率之差 。整个仪器由两个控制系统进行监控。其中一

21、个控制温度，使样品和 参照物在预定的速率下升温或降温。 另一个用于补偿样品和参照 物之间所产生的温差，这个 温差是由样品的放热或吸热 效应产生的。通过功率补偿 使样品和参照物的温度保持 相同，这样就可从补偿的功 率直接求算热流率。 第32页/共49页 2.DSC的数据及其分析方法的数据及其分析方法 (1)典型DSC曲线分析:DSC直接记录的是热流量随时间 和温度变化的曲线，从曲线 中可以得到一些重要的参数 。从物理学中我们知道，热流量与温差的比值称为比热容 。从图7一5可以看出，对样品和参照物加热过程中，热流 量没有变化，或者说比热容没有变化，表明在加热过程中 物质结构并没有发生变化。当对该样

22、品和参照物继续加热 时，热流量曲线突然下降，样品从环境中吸热，表明其结 构发生一定程度的变化，如图7一6所示。再继续加热，样 品出现了放热峰(图7一7)，随后又出现了吸热峰(图7一8) 。 第33页/共49页 第34页/共49页 (a)转变温度的确定:利用DSC检测的转变温度中，主要有玻璃化转 变温度Tg、结晶温度Tc和融解温度Tm。由于结晶和融解都有明显的放 热峰和吸热峰，因此，在确定两个转变温度时数据比较接近。一般是 将结晶或融解发生前后的基线连接起来作为基线，将起始边的切线与 基线的交点处的温度即外推始点Tg作为转变温度；也有将转变峰温 (Tp)作为转变温度. (2)物性参数检测:包括转

23、变温度的确定、热焓、比热容、熵及结晶数 量的测定。 第35页/共49页 （b）热焓： DSC直接记录的是热流量随时间 变化的曲线，该曲线与基线所构成的 峰面积与样品热转变时吸收或放出的 热量成正比。根据己知相变焓的标准 物质的样品量(物质的量)和实测标准样 品DSC相变峰的面积，就可以确定峰 面积与热焓的比例系数。这样，要测 定未知转变焓样品的转变焓，只需确 定峰面积和样品的物质的量就可以了 。峰面积的确定如图所示，借助DSC 数据处理软件，可以较准确地计算出 峰面积。 第36页/共49页 3.影响DSC测量结果的一些因素 差式扫描量热法的影响因素与具体的仪器类型差式扫描量热法的影响因素与具体

24、的仪器类型 有关。一般来说，影响有关。一般来说，影响DSC测量结果的主要因素大测量结果的主要因素大 致有下列几方面致有下列几方面:实验条件，如起始和终止温度、实验条件，如起始和终止温度、 升温速率、恒温时间等；样品特性，如样品用量、升温速率、恒温时间等；样品特性，如样品用量、 固体样品的粒度、装填情况，溶液样品的缓冲液类固体样品的粒度、装填情况，溶液样品的缓冲液类 型、浓度及热力势等；参照物特性、参照物用量、型、浓度及热力势等；参照物特性、参照物用量、 参照物的热力势等。参照物的热力势等。 第37页/共49页 4.DSC及DTA在食品测定中的应用 在高分子领域，应用DSC和DTA 进行热物性的

25、研究较早，最近在 食品高分子（蛋白质、油脂、糖 质等）、水及饮料的热分析方面 也越来越受到重视。这方面的应 用例如下： 第38页/共49页 （1）淀粉性质的研究 在淀粉研究中，DSC主要用来研究淀粉的糊化特性、 糊化程度、淀粉糊的回生程度及淀粉颗粒晶体结构相转移 温度的测定。不同种类的淀粉其组成亦不相同，因而其糊 化或老化的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、终了温度 （Te）及热焓（H）也是不同的。 完全糊化的淀粉在完全糊化的淀粉在DSC分析过程中应为无吸热峰的平坦直线，故分析过程中应为无吸热峰的平坦直线，故 根据淀粉的根据淀粉的DSC分析过程中吸热峰面积（即热焓分析过程中吸热峰面积（即热焓

26、H）的大小可估测）的大小可估测 淀粉糊化程度的大小。淀粉糊化程度的大小。 第39页/共49页 品种品种浓度，浓度，%T TO OT TP1 P1 T TP2 P2 T TC CH W/WW/W 豌豆淀粉豌豆淀粉47.547.556566464878710110114.714.7 蚕豆淀粉蚕豆淀粉46.646.6565665658383979713.813.8 马铃薯淀粉马铃薯淀粉46.346.3555560606868858518.418.4 玉米淀粉玉米淀粉46.446.4606067677878898913.813.8 酸改性玉米淀粉酸改性玉米淀粉47.947.95454737399998

27、98910.010.0 高直链淀粉高直链淀粉48.248.27171828210510511411417.617.6 蜡质玉米淀粉蜡质玉米淀粉47.647.6646471718888979716.716.7 表表1 不同种类淀粉的不同种类淀粉的DSC分析结果分析结果 第40页/共49页 （2）蛋白质热变性的测定）蛋白质热变性的测定 蛋白质分子形状的差异，由变性引起的高次结构蛋白质分子形状的差异，由变性引起的高次结构 及其恢复，都会显著影响食品的物性。因此，许多研及其恢复，都会显著影响食品的物性。因此，许多研 究曾经使用：测定溶解性变化、官能团露出程度变化究曾经使用：测定溶解性变化、官能团露出程度变化 、光学性质变化、酶消化性变化、热收缩尺寸变化、光学性质变化、酶消化性变化、热收缩尺寸变化、 力学性质变化、各种显微镜像变化、及力学性质变化、各种显微镜像变化、及X线衍射光栅线衍射光栅 像变化等方法，对蛋白质的变性进行分析。而热分析像变化等方法，对蛋白质的变性进行分析。而热分析 的方法则是用完全不同的原理对变性进行测定的有效的方法则是用完全不同的原理对变性进行测定的有效 方法。方法。 第41页/共49页 对胶原蛋白、卵清蛋白、牛