食品物性学-课件

第五章

食品物质的

其他物理性质一、食品物质热学性质二、食品物质光学性质三、食品物质电学性质2023/12/7食品物质热学性质食品加工中经常涉及到加热和冷却的问题，如罐头食品杀菌时的温度分布，牛乳浓缩时所需的热量，冻结或解冻时的传热方向等问题。解决这些问题离不开食品和食品原料的热物性，尤其是当前深加工食品和新资源食品不断出现，掌握它们的热物性，对上述问题的解决是非常必要的。本章重点论述食品热物性估算方法、基本数据和检测技术。为解决食品热工程问题奠定基础。2023/12/7食品物质热学性质食品热物性基础差热分析仪（DSC）2023/12/7食品热物性基础

食品传热特性传热系数质量平均温度比热容食品的有效导热系数差示扫描热量测定与定量差示热分析测定原理及方法在食品测定中的应用淀粉糊化、蛋白质热变性、巧克力与可可脂测定2023/12/7食品热物性基础单位表面传热系数h这是表示加热或冷却时，假定附着于固体表面的流体界膜传热性质的物理量，用记号h表示。h的值定义为：当流体与固体表面温度差为1时，单位时间通过固体单位表面积的热量，因此它是对流传热的参数。

q＝hAΔT式中q：面积热流量(w／m2)；A：有效表面积(m2)；

ΔT为固体表面温度与流体平均温度之差；h主要由流体的粘度、密度、比热容、导热系数、流速、流体的平均温度等因素决定，是由流体的热物性和流动物性决定的物理参数。2023/12/7食品热物性基础质量平均温度食品因为具有一定体积，加热或冷却时，不同部位会产生一定温度梯度。温度梯度开始较大，随时间经过逐渐减少。为了用一个数值代表加热过程中食品物体温度的变化，采用质量平均温度比较方便。在许多研究中都涉及到食品温度的变化，然而一些研究报告却没有明确定义温度的测量方法，使得数据失去客观意义。还有一些研究取小心点温度，代表该物体温度。这对那些中心不可食的果蔬(果核、空心等)也不大合适。对于包括农产品在内的形状复杂的食品，进行热物性研究时，有必要求出内部位置和温度的关系，明确定义它的代表温度点。2023/12/7质量平均温度

对于半径为R的球形均质物体，当温度分布由中心到表面为直线时，那么定义其质量平均温度点是半径为Ri的球表面；半径为R的球质量是半径为Ri球质量的2倍，两球同心，即R与R的关系为

(4／3)πR3ρ＝2(4／3)πRi3ρRi＝0．79Rsmith和Bennett为了准确求出质量平均温度表示点，将球的温度分布用半径r多项式表示。对任意时间的温度分布t(r)表示为

t(r)＝a十br十cr2十dr3

a、b、c、d为常数，质量平均温度可表示为此多项式系数的函数。设质量平均温度为tm，半径为R的球的热量为

Q=ρcVtm=(4/3)πRi3ρctm式中：

ρ为密度；c为比热容，V为体积。2023/12/7食品比热容的定义比热容(specificheatcapacity)又称比热容量，简称比热(specificheat)，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号c表示。国标单位为J/(kg·K)。常用其他单位：kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。2023/12/7比热容测定比热容的测量比较常用的是用热量计进行定压的热混合法和护热板法。混合法：其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中。在绝热状态下，测定混合物料的平衡温度。由以上已知量计算试样的比热容。2023/12/7比热容测定护热板法：测定原理如图所示。测定时将试样放人电热护板框中，同时结护热板框和试样加热．使试样处在无热损失的理想状态。即护热板和试样温度始终保持一致。设在t时间内，供给样品的能量为Q，试样温度升高为T，则Q=0.24IUt=cmΔTc=0.24IUt/(mΔT)式中：I为电流；U为电压；t为时间，m为试样质量；ΔT为温度变化。2023/12/7食品材料比热容的估算食品材料的比热容和含水量有着明显的关系，对于水分含量(以w表示)较高的食品,可按下式计算2023/12/7食品材料比热容的估算低于初始冻结温度的情况，如食品中的水分己被全部冻结，则可用下式计算2023/12/7食品材料比热容的估算对于食品组分己知的食品，如通过固定配料开发出来的新产品，可按式(7一22)和式(7一23)计算。Heldman和Singh(1981)

（7-22）（7-23）式中，Ww——食品中水分的质量分数；Wp——食品中蛋白质的质量分数；

Wc——食品中碳水化合物的质量分数；Wf——食品中脂肪的质量分数；Wa——食品中灰分的质量分数。Choi和Okos(1983)

2023/12/7食品有效导热系数高于初始冻结温度的情况

低于初始冻结温度的情况

2023/12/7高于初始冻结温度如果不清楚食品材料的详细组分，只知道含水量，或含水量较高，可按下式计算Choi和Okos(1983)提出Sweat(1995)提出2023/12/7高于初始冻结温度

多孔性食品的导热系数多孔性食品的导热系数与空隙度有很大关系，有时影响比含水量的影响还大。食品材料在许多情况下是非均相物质，如食品由两种组分组成，这可以有三种情况(图7一23)，由三种不同方式对导热系数做贡献。2023/12/7传热方向与两组分系统界面平行式中，

φi——第i组分的体积分数；

λi——第i组分的导热系数。传热方向与两组分系统界面平行的导热系数可按下式计算：

2023/12/7传热方向与两组分系统界面垂直式中，

vi——第i组分的体积分数；

λi——第i组分的导热系数。传热方向与两组分系统界面垂直的导热系数可按下式计算：

2023/12/7低于初始冻结温度０℃冰的热导率为2.24W/(m·K)，远大于0℃水的热导率0.567W/(m·K)。所以冻结食品的热导率也远高于未冻食品。要预测冻结食品的热导率是极困难的，这不仅因为热导率与纤维方向有关，而且因为在冻结过程中食品的密度、空隙度等都会有明显的变化，而这些都对热导率产生很大的影响。式中，

φi—各组分的体积分数；

ρi—各组分的密度；

λi—各组分的热导率。Choi和Okos(1984）提出根据各组分的体积分数和热导率计算食品材料热导率的方法。2023/12/7差示扫描量热法（DSC）

（DifferentialScanningCalorimetry）现代热分析是指在程序控温下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。人们通过检测样品本身的热物理性质随温度或时间的变化，来研究物质的分子结构、聚集态结构、分子运动的变化等。应用最多的热分析仪器是功率补偿型DSC、热流型DSC、差热式DTA、热重TG等。定义：DSC是研究在温度程序控制下物质随温度的变化其物理量（ΔQ和ΔH）的变化，即通过程序控制温度的变化,在温度变化的同时,测量试样和参比物的功率差(热流率)与温度的关系。即在程序控制温度下，测量输给物质与参比物的功率差与温度的一种技术。分类：根据所用测量方法的不同1.功率补偿型DSC2.热流型DSC2023/12/7功率补偿型DSC测量的基本原理2023/12/7功率补偿型DSC仪器的主要特点

1.试样和参比物分别具有独立的加热器和传感器见图。整个仪器由两套控制电路进行监控。一套控制温度，使试样和参比物以预定的速率升温，另一套用来补偿二者之间的温度差。

2.无论试样产生任何热效应，试样和参比物都处于动态零位平衡状态，即二者之间的温度差

T等于0。2023/12/72023/12/7热流型DSC不同之处在于试样与参比物托架下，置一电热片，加热器在程序控制下对加热块加热，其热量通过电热片同时对试样和参比物加热，使之受热均匀。2023/12/7纵坐标：热流率横坐标：温度T(或时间t)峰向上表示吸热向下表示放热DSC曲线峰包围的面积正比于热焓的变化。DSC曲线2023/12/7影响DSC的因素由于DSC用于定量测试，因此实验因素的影响显得更重要，其主要的影响因素大致有以下几方面：1.实验条件：程序升温速率Φ，气氛2.试样特性：试样用量、粒度、装填情况、试样的稀释等。2023/12/7实验条件的影响

(1).升温速率Φ主要影响DSC曲线的峰温和峰形，一般Φ越大，峰温越高，峰形越大和越尖锐。实际中，升温速率Φ的影响是很复杂的，对温度的影响在很大程度上与试样的种类和转变的类型密切相关。2023/12/7如已二酸的固-液相变，其起始温度随着Φ升高而下降的。2023/12/7

在DSC定量测定中，最主要的热力学参数是热焓。一般认为Φ对热焓值的影响是很小的，但是在实际中并不都是这样。2023/12/7从室温到熔点之间有四个相(I、II、III、IV)之间的转变过程。随着升温速率的增大，硝酸铵的相转变峰温和热焓值是增高的。

2023/12/7(2).气氛实验时，一般对所通气体的氧化还原性和惰性比较注意，而往往容易忽略对DSC峰温和热焓值的影响。实际上，气氛的影响是比较大的。2023/12/7如在He气氛中所测定的起始温度和峰温比较低，这是由于炉壁和试样盘之间的热阻下降引起的，因为He的热导性约是空气的5倍，温度响应比较慢，而在真空中温度响应要快得多。2023/12/72.试样特性的影响1）试样用量：不宜过多，多会使试样内部传热慢，温度梯度大，导致峰形扩大、分辨力下降。

2023/12/72）试样粒度影响比较复杂。通常大颗粒热阻较大，而使试样的熔融温度和熔融热焓偏低。但是当结晶的试样研磨成细颗粒时，往往由于晶体结构的歪曲和结晶度的下降也可导致相类似的结果。对干带静电的粉状试样，由于粉末颗粒间的静电引力使粉状形成聚集体，也会引起熔融热焓变大。2023/12/73）试样的几何形状在高聚物的研究中，发现试样几何形状的影响十分明显。对于高聚物，为了获得比较精确的峰温值，应该增大试样与试样盘的接触面积，减少试样的厚度并采用慢的升温速率。2023/12/72023/12/7DSC曲线峰面积的确定及仪器校正DSC对试样进行测定的过程中，试样发生热效应后，其导热系数、密度、比热等性质都会有变化。使曲线难以回到原来的基线，形成各种峰形。如何正确选取不同峰形的峰面积，对定量分析来说是十分重要的。DSC是动态量热技术，对DSC仪器重要的校正就是温度校正和量热校正。为了能够得到精确的数据，即使对于那些精确度相当高的DSC仪，也必须经常进行温度和量热的校核。2023/12/71.峰面积的确定一般来讲，确定DSC峰界限有以下四种方法：(1)若峰前后基线在一直线上，则取基线连线作为峰底线(a)。(2)当峰前后基线不一致时，取前、后基线延长线与峰前、后沿交点的连线作为峰底线(b)。2023/12/7(3)当峰前后基线不一致时，也可以过峰顶作为纵坐标平行线．与峰前、后基线延长线相交，以此台阶形折线作为峰底线(c)。(4)当峰前后基线不一致时，还可以作峰前、后沿最大斜率点切线，分别交于前、后基线延长线，连结两交点组成峰底线(d)。此法是ICTA所推荐的方法。2023/12/72.温度校正（横坐标校正）DSC的温度是用高纯物质的熔点或相变温度进行校核的高纯物质常用高纯铟，另外有KNO3、Sn、Pb等。2023/12/71965，ICTA推荐了标定仪器的标准物质2023/12/7试样坩埚和支持器之间的热阻会使试样坩埚温度落后于试样坩埚支持器热电偶处的温度。这种热滞后可以通过测定高纯物质的DSC曲线的办法求出。高纯物质熔融DSC峰前沿斜率为：R0为坩埚与支持器之间的热阻2023/12/7试样的DSC峰温为过其峰顶作斜率与高纯金属熔融峰前沿斜率相同的斜线与峰底线交点B所对应的温度Te。2023/12/73.量热校正（纵坐标的校正）用已知转变热焓的标准物质（通常用In、Sn、Pb、Zn等金属）测定出仪器常数或校正系数K。A：DSC峰面积cm2ΔH：用来校正的标准物质的转变热焓：mcal/mgS：记录纸速cm/sa：仪器的量程（mcal/s）m：质量2023/12/7任一试样的转变或反应焓值：选用的标准物质，其转变温度应与被测试样所测定的热效应温度范围接近，而且校正所选用的仪器及操作条件都应与试样测定时完全一致。2023/12/72023/12/72023/12/7DSC的应用鉴于DSC能定量的量热、灵敏度高，应用领域很宽，涉及热效应的物理变化或化学变化过程均可采用DSC来进行测定。峰的位置、形状、峰的数目与物质的性质有关，故可用来定性的表征和鉴定物质，而峰的面积与反应热焓有关，故可以用来定量计算参与反应的物质的量或者测定热化学参数。2023/12/72023/12/71.玻璃化转变温度Tg的测定无定形高聚物或结晶高聚物无定形部分在升温达到它们的玻璃化转变时，被冻结的分子微布朗运动开始，因而热容变大，用DSC可测定出其热容随温度的变化而改变。1)取基线及曲线弯曲部的外延线的交点2)取曲线的拐点2023/12/72.混合物和共聚物的成分检测脆性的聚丙烯往往与聚乙烯共混或共聚增加它的柔性。因为在聚丙烯和聚乙烯共混物中它们各自保持本身的熔融特性，因此该共混物中各组分的混合比例可分别根据它们的熔融峰面积计算。

2023/12/7冲击实验表明，含乙烯链段少的试样抗冲击性能差。2023/12/73.结晶度的测定高分子材料的许多重要物理性能是与其结晶度密切相关的。所以百分结晶度成为高聚物的特征参数之一。由于结晶度与熔融热焓值成正比，因此可利用DSC测定高聚物的百分结晶度，先根据高聚物的DSC熔融峰面积计算熔融热焓ΔHf，再按下式求出百分结晶度。ΔHf*：100%结晶度的熔融热焓2023/12/7ΔHf*的测定用一组已知结晶度的样品作出结晶度ΔHf图，然后外推求出100％结晶度ΔHf*.2023/12/72023/12/7食品物质光学性质大部分的食品是由无数细小的内部界面组成，在光学上是各向异性的。光进入这种物料后在各个方向上散射，而不是以直线方式透过物体，多次散射和重新分布是光和食品相互作用的主要特征。反射光提供了食品表面特征的信息，如颜色、表面缺陷、病变和损伤等，而光的吸收和透射则是食品内部结构组成、内部颜色和缺陷等信息的载体。对这些量的分析可以判断食品物料的不同颜色、区分质量优劣、指示成熟与否，从而可以对食品进行分选和质量分析。对食品光学性质的测定，最大优点就是可以实现对食品快速、无破坏、无损伤检测。2023/12/7食品物质光学性质

食品与色泽食品光物性与测定食品的光学测定原理；利用食品光学性质进行测定的装置和方法；食品近红外测定的原理和应用；色差的概念和食品色度的检测方法2023/12/7食品与色泽食品的色泽是人的感官评价食品品质的一个重要因素。不同的食品显现着各不相同的颜色，例如，菠菜的绿色、苹果的红色、胡萝卜的橙红色等，这些颜色是食品中原来固有的。饮食文化讲究色香味俱全，其中色彩排在首位，色彩可以促进人们的食欲，有色彩变化搭配的食物容易增进食欲，而单调或者杂乱无章的色彩搭配则使人倒足了胃口。不同彩色光源的照射也会对食品色彩产生很大的影响，从而引起人们不同的食欲反映，农贸市场中许多出售肉食的摊位用红色玻璃纸包裹灯泡用红色灯光照射食物，就是为了使肉食看上去更加新鲜，引起人的食欲。色彩与嗅觉的关系大致与味觉相同，也是由生活联想而得。从花色联想到花香，根据试验心理学的报告：通常红、黄、橙等的暖色系容易使人感到有香味，偏冷的冷色系容易使人感到有腐败的臭味。深褐色容易联想到烧焦了的食物，感到有蛋白质烤焦的臭味。2023/12/7食品的光学测定原理光通过介质时，一部分在界面上被反射，一部分被介质吸收，另一部分被介质散射，余下部分按一定折射方向继续前进(这部分也可以叫做透射光)。因此，通过介质透出的光强度必然比入射光弱。同时，由于不同波长的光在介质中的传播速度不同，因而同一介质对不同波长的光，有不同的折射率，所以一束白光或复合光在折射时，只要入射角不为零，则不同波长的光，将按不同的折射角而散开，称之为色散。由此可见，光的吸收、散射、反射和色散是光在介质中传播时所发生的普遍现象。2023/12/7光的吸收光通过任何介质都有不同程度的被吸收。物质对光的吸收有选择性。同一介质对不同波长(不同颜色)的光的吸收程度不等。无色透明物质，例如玻璃，对可见光(波长在400一800nm之间)吸收很少。通常lcm厚的玻璃对可见光只吸收约1%，但玻璃对紫外线吸收较为显著。石英对紫外线吸收不多，而对红外线吸收性较强。一般有色透明体，例如红色玻璃对红、橙色光吸收较弱(透过较多)，而对其他色光吸收较强。诸如这类现象称为透明介质对光的选择透射。相对来说，也就是选择吸收。当绿色或蓝色光投入红色玻璃片，则红色玻璃片呈现非透明现象。2023/12/7光的吸收设强度为I的某种光，通过厚度为dx的某种均匀介质层，因被介质吸收部分光能量而使强度减少dI，如图9一1所示，朗伯（Lambert），指出(dI/I)与吸收层厚度dx成正比，即有2023/12/7光的吸收式中aλ与介质性质和光波的波长有关，称为该介质对该种光的吸收系数。当介质总厚度为x，原入射光强度为I0，通过整个介质以后的光强度为I，将上式积分，得2023/12/7光的吸收上式即为朗伯定律的数学表达式。对于选择吸收的物质来说，在吸收波段内，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越强。实验证明，稀溶液对光的吸收系数aλ与其浓度c成正比，即有aλ＝kic的关系，式中ki为决定于吸收物质的分子特性，而与浓度无关的另一常数。根据光在溶液中的被吸收的程度，可以决