食品的基本物理特征课件

1、第二章食品的基本物理特征 本章主要介绍固体食品的基本物理特征，包括单体尺寸、综合尺寸、外观形状、面积、体积、密度等，这些物理特征在食品工程中应用很广泛。第1页，共48页。2022/7/30食品的基本物理特征形状、大小和分布密度孔隙率基本物理特征在食品中的应用第2页，共48页。2022/7/30形状、大小和分布粮食、种子、果蔬的大小常用尺寸来描述，形状则是各种尺寸的综合体现。规则形状的食品如球形食品、立方体食品等的尺寸可以用相应的几何尺寸来表示；但大部分食品和农产品的形状是不规则的，所以很难用单独的一个尺寸简单的表示出它们的形状。 第3页，共48页。2022/7/30形状、大小和分布尺寸和形状面

2、积和体积粒径粒度分布和测量第4页，共48页。2022/7/30尺寸和形状大多数水果的形状是近似于球状的，称为类球体。类球体常用圆度或球度来定量描述。圆度：表示类球体棱角的锐利程度。球度：表示类球体的球形程度。第5页，共48页。2022/7/30圆度类球体的圆度是表示其棱角锐利程度的一个参数，它有多种表示方法:式中，Ap类球体食品在自然放置稳定状态下的最大投影面积;AcAp面积的最小外接圆面积。 第6页，共48页。2022/7/30圆度式中，ri类球体食品最大投影面积图形上棱角的曲率半径R类球体食品最大投影面积图形的最大内接圆半径n棱角总数。 第7页，共48页。2022/7/30圆度式中，rmi

3、n最大投影面积图上类球体食品的最小曲率半径Rp最大投影面积图上类球体食品的平均半径。 第8页，共48页。2022/7/30球度类球体食品的球度表示其球形程度，即等体积球体投影圆的周长，与食品最小外接球体投影圆的周长之比。 式中，de与类球体体积相同的球体的直径;dc类球体的最小外接球体直径或者食品的最大直径。 第9页，共48页。2022/7/30球度式中，di类球体食品的最大投影面积图形的最大内接圆直径;dc类球体食品的最大投影面积图形的最小外接圆直径。 第10页，共48页。2022/7/30球度球度还有一种计算方法是计算直径与食品的大直径、中径和小直径相等的椭圆的体积。此时的球度是此食品体积

4、与理想球体(球体直径与产品大直径相等)体积之比：式中，a,b,c大直径、中径和小直径的一半。 第11页，共48页。2022/7/30面积和体积表面积的测量 体积的测量 密度瓶法 台秤称量法 气体排出法 投影法计算食品体积和表面积 第12页，共48页。2022/7/30表面积的测量对子果蔬和鸡蛋等大体积产品来说，用剥皮法或涂膜剥皮结合法测量 。对于小体积物质，如谷物和种子，可以采用表面涂金属粉法测量。 利用食品和农产品形状与几何体相似性估计体积和表面积。 第13页，共48页。2022/7/30体积的测量 -密度瓶法 小颗粒固态食品(如:谷物和种子)的体积可以用密度瓶或有刻度的量筒测定，通过测量食

5、品排出液体的质量，利用下式进行计算。称空密度瓶质量前，一定要经过烘干处理，避免瓶内有残留液体。第14页，共48页。2022/7/30体积的测量 -台秤称量法较大体积的固态食品(如:果蔬的体积)的测量可以用台秤称量法测称量体积。一个大小足以容纳食品的大烧杯部分装入水，用台秤称量水和烧杯的质量。然后将食品全部放入水中，再用台秤称量水、烧杯和食品的总质量。 第15页，共48页。2022/7/30体积的测量 -气体排出法细小颗粒状和不规则形状固态食品体积的测量还可以用气体排出量的方法测定。实验室很容易制作一个空气密度瓶。此方法可以用来测量甘草、谷物、果蔬等多种细小食品和农产品的体积。密度瓶由两个容器、

6、连接管和活塞构成，如图所示。第16页，共48页。2022/7/30体积的测量 -气体排出法 测量过程是:首先将被测物质放于第二个容器内，关闭活塞2和活塞3，并打开活塞1。之后向容器1充入压缩空气，当容器1内的压力达到一定值时，关闭活塞1,并记录容器1的压力P1。 关闭活塞3打开活塞2，容器1内的气体充入容器2中，待平衡后记录容器2的压力p2。 设气体规律符合理想气体定律，一般情况下，V1=V2=V,则Vs计算式为： 第17页，共48页。2022/7/30投影法计算食品体积和表面积对子不规则形状的较大体积的食品，其表面积可以用投影法计算出来。食品的形状决定其各项尺寸之间的数字关系。通常，物体各项

7、尺寸之间的无量纲组合， 称为形状因素，物体尺寸与其面积或体积之间的关系称为形状系数。形状系数是表示物体实 际形状与球形不一致程度的尺寸。常用的是面积形状系数和体积形状系数。 食品的表面积和体积分别与某个特性尺寸的两次方和三次方成正比，比例系数取决于特 性尺寸的选择。 食品的表面积和体积分别表示为:第18页，共48页。2022/7/30投影法计算食品体积和表面积式中，S、V分别表示所检验食品的表面积和体积;aS、aV分别为食品的面积形状系数和体积形状系数;脚标a投影面积;da所测得的直径是投影面积直径;x粒状食品的尺寸，它是包括形状系数在内的人为的数值。第19页，共48页。2022/7/30比表

8、面积食品单位体积的表面积Sv，也叫作比表面积，表示为Sv 。式中，aSV, a食品的体面积形状系数，也称比表面积形状系数；xSV食品的体面积尺寸。第20页，共48页。2022/7/30投影法计算食品体积和表面积对于凸状食品和农产品来说，由于其投影而积随着投影方向的变化而变化，所以一般采用平均投影面积。平均投影面积指食品在三个互相垂直的投影面上投影面积的平均值，即 式中，Ac平均投影面积; A1、A2, A3分别为在H(主视图)、V(侧视图)、W(俯视图)三个相互垂直投影图上的投影面积。凸状物体体积V和表面积S之间存在下述关系: 第21页，共48页。2022/7/30粒径的定义当被测颗粒的某种物

9、理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或其组合）最相近时，就是把该球体的直径（或其组合）作为被测颗粒的等效粒径。其含义：1.粒度测量实质上是通过把被测颗粒和同一种材料构成的圆球相比较而得出的；2.不同原理的仪器选不同的物理特性或物理行为作为比较的参考量，例如：沉降仪选用沉降速度、激光粒度仪选用散射光能分布、筛分法选用颗粒能否通过筛孔等等；3.将待测颗粒的某种物理特性或物理行为与同质球体作比较时，有时能找到一个（或一组）在该特性上完全相同的球体（如库尔特计数器），有时则只能找到最相近的球体（如激光粒度仪）。4.将待测颗粒的某种物理特性或物理行为与同质球体作比较时，有时能找到某一个确定的直径的球与

10、之对应，有时则需一组大小不同的球的组合与之对应才能最相近（如激光粒度仪）。第22页，共48页。2022/7/3023 粒径的描述(一)粒子大小(粒子径) 粒子大小也称粒度，是在空间范围所占据的尺寸。含有粒子大小和粒子分布双重含义，是粉体的基础性质。 粒径的表示方法： 1、几何学粒子径 在光学显微镜或电子显微镜下观察粒子几何形状所确定的粒子径。 (1)长径：粒子最长两点间距离。 (2)短径：粒子最短两点间距离。 第23页，共48页。2022/7/3024 (3)定向径：全部粒子按同一方向测得的粒子径。 (4)等价径：与粒子投影面积相等的圆的直径。 (5)外接圆等价径：粒子投影外接圆的直径。第24

11、页，共48页。2022/7/3025 等体积相当径 与粒子体积相等球的直径。等比表面积相当径 与粒子的比表面积相等球的直径。等表面积相当径 与粒子的表面积相等球的直径。沉降速度相当径(有效径) 又称stokes径，用沉降法求得的粒子径，是指与被测粒子有相同沉降速度的球形粒子的直径。 常用以测定混悬剂的粒子径。2.球相当径 用球体的粒径表示不规则颗粒大小第25页，共48页。2022/7/3026 个数平均径dln=(nd)/n 长度平均径dsl=(nd2)/(nd) 面积平均径dvs=(nd3)/(nd2) 平均面积径dsn=(nd2)/(n)1/2 平均体积径dvn=(nd3)/(n)1/3

12、3.平均粒径第26页，共48页。2022/7/304.筛分粒径 以通过（或未通过）筛网粒子的平均尺寸作为所测粒子的粒径；算术平均径 DA=(a+b)/2几何平均径 第27页，共48页。2022/7/3028 (二)粒子径的测定方法光学显微镜法：n=300600，=0.2100m，可用于混悬剂、乳剂、混悬软膏剂、散剂等。 筛分法：重量百分比；相邻筛的孔径平均值；误差大(载重量、时间、振动强度)；45m；而微孔筛可筛分10m。 库尔特计数法(coulter counter): 通过细孔的速度4000个/秒；可用于混悬剂、乳剂、脂质体、粉末药物等。 沉降法：可分Andreasen吸管法、离心法、比浊

13、法、沉降天平法、光扫描快速粒度测定法等。 Stokes定律t=h/v=18h/(-0)gd2 比表面积法：气体吸附法和透过法。第28页，共48页。2022/7/30粒子径的测定方法测定方法不同，原理不同，适用范围也不相同显微镜法：几何学粒径库尔特计数法：等体积球相当径沉降法：根据Stoke方程，有效径比表面积法：有气体透过法和氮气吸附法，不能求得粒度分布筛分法：“目”测定方法适用粒径范围(um)测定方法适用粒径范围(um)光学显微镜0.5库尔特计数法1600电子显微镜0.001气体透过法1100筛分法40氮气吸附法0.031沉降法0.5200第29页，共48页。2022/7/30粒子形态粒子形

14、状 指一个粒子的轮廓或表面上各点所构成的图像。形状指数 将粒子的各种无因次组合称为形状指数。球型度 表示粒子接近球体的程度=D2/S圆形度 表示粒子的投影面接近圆的程度=DH/L形状系数(立体几何各变量的关系称为形状系数)体积形状系数 V=VP/D3表面积形状系数 S=S/D2，比表面积形状系数 = S/V粒子的比表面积形状系数越接近于6，粒子越接近球体或立方体。常见在6-8范围第30页，共48页。2022/7/3031 三、粉体粒子的比表面积（一)比表面积 粒子比表面积是指单位重量或体积所具有的粒子表面积。 Sw=6/d； Sv=6/d Sw ,Sv分别为重量和体积比表面积， 为颗粒密度，d

15、面积平均径。 第31页，共48页。2022/7/3032 (二)比表面积测定 吸附法(BET法) Sw=ANVm = AVm /22400 *6.028*1023 BET公式：P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)P/VmP0) Sw 为比表面积，Vm为在低压下粉体表面吸附氮气形成单分子层的吸附量 (mol/g)， A为被吸附氮气分子的截面积(0.162nm2/mol)， N为阿伏伽德罗常数(Avogadro constant)， V为在P压力下粉体对气体的吸附量(mol/g)， P0为实验温度下氮气饱和蒸气压， C为常数。第32页，共48页。2022/7/3033 气体透过法 Kozen

16、y-carman公式： Sv= Sw=14APt2/LQ(1-)21/2 A为粉体层面积，L为粉体层长度， P为粉体层两侧流体的压力差，为流体的粘度， 为粉体的孔隙率，Q为t时间通过粉体层的流量。 折射法 Sv=4.54ln(I0/I)0.77/LCv I为光通过混悬液的强度， I0光通过纯液体的强度，L为光通过混悬液的长度，Cv为混悬液的体积比浓度。 第33页，共48页。2022/7/30（三）平均粒子径平均值：常用中位径（中值径），即在累积分布中累积值正好为50%时对应的粒子径。第34页，共48页。2022/7/30二、粒子形态工程上广泛使用描述性术语，如球形，针状等定量描述粒子的几何形状

17、可用形状指数、形状系数第35页，共48页。2022/7/30粒度分布所谓粒度分布，就是粉体样品中各种大小的颗粒占颗粒总数的比例。当样品中所有颗粒的真密度相同时，颗粒的重量分布和体积分布一致。在没有特别说明时，仪器给出的粒度分布一般指重量或体积分布。 第36页，共48页。2022/7/30粒度分布的表示-粒度分布表粒度分布最常见的表达方式是表格和曲线，分别称为粒度分布表和分布曲线。粒度分布表由粒径m、 微分分布%和 累积分布%构成。微分分布表示各个粒径相对应的颗粒百分含量，也叫频率分布。累积分布表示小于或大于某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量与该粒径的关系，也叫积分分布。第37页，共48页。202

18、2/7/30不同粒径的粒子群在粉体中所分布的情况，反映粒子大小的均匀程度。频率分布和累积分布粒度分布图第38页，共48页。2022/7/30密度 食品和农产品的密度分为真实密度和容积密度。真实密度就是食品质量与其实际体积的比值，实际体积就是不包括粒状食品之间空隙体积的体积。容积密度就是食品质量与其视在体积的比值，视在体积就是包括粒状食品之间空隙体积的体积。第39页，共48页。2022/7/30真实密度的测量浮力法 台秤称量法 密度瓶法 由组分密度计算整体密度 第40页，共48页。2022/7/30真实密度的测量-浮力法 对于体积较小的食品，可以用密度天平测量其体积，如右图所示。测定时，将食品或农产品放置在空气中和液体中分别称重，称得质量分别为ms和ms，则食品在液体中受到的浮力Fa为: 第41页，共48页。2022/7/30真实密度的测量-浮力法第42页，共48页。2022/7/30真实密度的测量-台秤称量法 对于水果等相对较大体积的固体食品，可以用体积测量中的台秤称重法测出其体积，设待测食品质量为ms，则食品的密度s为:第43页，共48页。2022/7/30真实密度的测量-