食品分散体系PPT参考课件.ppt

1、3.3食品分散体系,1,第三章食品化学,2,2020/6/16,目录,3.3.1分散体系的特征3.3.2界面活性3.3.3胶体相互作用3.3.4液态分散体系3.3.5凝胶3.3.6乳状液3.3.7泡沫体系,2,分散体系是一种或几种物质分散在另一种物质中形成的体系。分散相是分散体系中不连续的部分，即被分散的物质。连续相是分散体系中连续的部分，称分散介质。,第三章食品化学,3,2020/6/16,3,3.3.1分散体系的特征,第三章食品化学,4,2020/6/16,绝大部分食品属于分散体系简单结构：啤酒泡沫是一种气泡分散在溶液中的体系；牛奶是一种分散有脂肪球和蛋白质聚集体的溶液。复杂结构：夹心凝胶

2、、胶状泡沫、粉状食品、人造黄油、面团及面包等。分散状态的影响不同组分存在不同相内或结构单元内，不存在热力学平衡。（分散体系非常重要的特征）,4,第三章食品化学,5,2020/6/16,香料组分分散在不同相内或结构单元，香料组分的不均匀分布导致不均匀释放，达到增香效果。结构单元间存在相互吸引作用力，使体系具有稠度。体系具有大稠度影响溶剂的流动性，使传质只能采取扩散而非对流，影响反应速率。分散状态可能会极大地改变体系的外观。因为体系是物理意义上的非均相，至少在微观水平上是非均匀状态，所以体系在物理上可能是不稳定的。在储存过程中会发生许多形式的变化。,5,第三章食品化学,6,2020/6/16,分散

3、体系是一个粒子分散在连续的流体相中的体系。体系中连续相可能不止一种。食品乳状液的类型包括水包油型（O/W）和油包水型（W/O）。食品分散体系粒子尺寸：10nm1mm。粒子尺寸大小导致的影响：体系的外观表面积物理稳定性外力的作用分离的难易度目录,6,3.3.2界面活性,相界面存在过量自由能，单位焦耳/米（J/m）液态相界面可以发生变形，界面自由能就可以视为一个二维的界面张力，符号：；单位:牛顿/米（N/m）;数值上表面张力和界面自由能相等。具有降低界面张力的物质会自动吸附到相界面上，这样能降低体系总的自由能，这一类物质通称为表面活性剂。,第三章食品化学,7,2020/6/16,7,第三章食品化学

4、,8,2020/6/16,类肥皂物质是小相对分子质量的两亲分子，它们的疏水部分是一条典型的脂肪族链，亲水部分则多种多样。,8,HLB值：指一个两亲物质的亲水-疏水平衡值。表面活性剂的HLB值为140。,第三章食品化学,9,2020/6/16,9,在临界胶束浓度（CMC）以上，许多小分子两亲性物质倾向于形成胶束。,第三章食品化学,10,2020/6/16,10,接触角,接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角，是润湿程度的量度。,第三章食品化学,11,2020/6/16,11,曲形界面,在一个曲形的相边界上，凹面的压力总是大于凸面的压力，两者之差成为

5、Laplace压力。Laplace压力PL可表达为：PL=Laplace产生的后果：毛细上升现象；影响粉粒在水中的分散；增强气泡中气体在气泡周围液体中的溶解性。,第三章食品化学,12,2020/6/16,12,表面活性剂的作用,表面张力降低，Laplace压力降低，界面变形变得容易。接触角受到影响，对润湿和分散过程非常重要。界面自由能降低会相应减慢奥氏熟化。表面活性剂的存在产生表面张力梯度。表面活性剂吸附到离子表面可能会极大改变胶体粒子间相互作用力，绝大多数加强排斥力。小分子表面活性剂与大分子发生一些特定的相互反应。它们与蛋白质经常发生缔合，大大改变了蛋白质的性质。目录,第三章食品化学,13,

6、2020/6/16,13,3.3.3胶体相互作用,流体物质性质胶体相互作用力垂直作用于粒子的表面表面力与表面相切的方向对粒子表面施加作用影响：决定粒子聚集，决定体系的物理不稳定性；聚集的粒子可能会形成某种网状结构，而含有网状结构的体系，其流变性质和稳定性取决于胶体相互作用力；影响了乳状粒子对（局部）聚结的敏感性。,第三章食品化学,14,2020/6/16,14,范德华力吸引作用,普遍性加和性两个相同球状粒子，范德华力相互作用自由能：VAAr/12hh10nmr是粒子的半径；h是粒子间距离；A是Hamaker常数，取决于粒子的物质及存在于粒子之间的流体，在数量上随着两种物质性质差别增大而增加。,

7、第三章食品化学,15,2020/6/16,15,双电层,双电层为粒子表面到溶液中某一个平面所包围的区域，在这个平面上电荷被完全中和。,第三章食品化学,16,2020/6/16,16,DLVO理论,排斥静电作用自由能VE同样尺寸的球状粒子：VE(4.3109)r0ln(1ekh)k3.2I0.5I12mizi2该式适用条件：h10nm,|0|40mV,kr1，而且在室温下的水相中。范德华力吸引的相互作用自由能VA和排斥静电作用自由能VE可以加和，这样引出了表述胶体稳定的第一个有用的理论DLVO理论。,第三章食品化学,17,2020/6/16,17,空间排斥效应,一些吸附分子（如聚合物、吐温系列表

8、面活性剂等）具有柔顺的分子链（毛状物），这些分子链伸进连续相中，有可能造成粒子之间的空间排斥作用。产生机制：毛状物构象限制；毛状物层发生重叠。,第三章食品化学,18,2020/6/16,18,排除作用,两个分子在相互接近的过程中，它们之间的距离（一个分子的中心到另一个分子的表面的距离）不可能小于分子的有效半径（无规线团），所以分布在这两个分子之间的非吸附性大分子受到排除该区域的作用。,第三章食品化学,19,2020/6/16,19,3.3.4液态分散体系,不稳定现象,第三章食品化学,20,2020/6/16,20,奥氏熟化：一个分散体系中大粒子的长大是以消耗小粒子为代价，最终导致小的粒子的消失

9、。沉降：如果分散相和连续相之间存在密度差，粒子就会受到一个浮力的作用。对食品体系比较重要的影响因素：粒子是不均匀的球体；分散体系中的对流会扰乱小粒子的沉降；粒子聚集，沉降速度加快；粒子体积分数；液体显示一个小的屈服应力：低于这个应力值时液体不会发生流动。,第三章食品化学,21,2020/6/16,21,聚集动力学:粒子在液体中表现布朗运动性质，它们不断发生相互碰撞，这种碰撞有可能引发粒子间的聚集。聚集可逆性：通过添加某些试剂可以使聚集体达到解聚。水稀释体系是聚集粒子团解聚的原因：渗透压降低；离子强度降低；改善溶剂质量。,第三章食品化学,22,2020/6/16,22,3.3.5凝胶,屈服应力、

10、黏弹性,第三章食品化学,23,2020/6/16,23,食品中常见凝胶的三种类型：聚合物凝胶、微晶、颗粒凝胶。,第三章食品化学,24,2020/6/16,24,3.3.6乳状液,乳状液是一种液体分散在另一种液体中的体系，包括O/W和W/O型。油、水、乳化剂（表面活性剂）、能量乳化过程是在液滴破裂时，乳化剂采用对流的方式及时迁移到新形成的液/液界面上，液滴间碰撞频繁，若是液滴尚未完全有效的被表面活性剂所覆盖，它们在碰撞中就有可能再次聚结在一起。Gibbs-Marangoni效应,第三章食品化学,25,2020/6/16,25,聚结现象的出现是由于紧靠在一起的液滴之间那层薄薄的液膜（薄片液膜）发生

11、破裂而引起的。液膜如果出现小洞，液滴会立即流动到一起。部分聚结,第三章食品化学,26,2020/6/16,26,第三章食品化学,27,2020/6/16,思考题,冰激凌是泡沫结构性食品，如果要提高其结构的稳定性，该进行哪些方面研究呢？,27,第三章食品化学,28,2020/6/16,3.3.7泡沫体系,一、食品中泡沫的形成乳浊液和泡沫的区别：泡沫中分散相（气体）所占的体积分数更大。食品泡沫：气泡分散在含有可溶性表面活性剂的连续体或半固体相中的分散体系。气：CO2或空气可溶性表面活性剂：蛋白质、脂肪连续相：水溶液、乳浊液或悬浊液。,28,第三章食品化学,29,2020/6/16,食品泡沫是非常复

12、杂的胶体体系。泡沫结构中气-液界面能达到1m2/ml液体。泡沫大小分布广泛。表面活性剂的作用：降低表面张力，阻止气泡聚集。能和截留的气泡之间形成一个弹性的保护壁垒。如蛋白质。,29,第三章食品化学,30,2020/6/16,泡沫的形成方法,1.多孔喷洒器低蛋白质的水溶液（0.01-2%）2.搅拌和振荡：大量气相存在3.将预先加压的溶液减压。如啤酒、可乐等乳浊液和泡沫之间的一个主要差别是在泡沫中分散相（气体）所占的体积分数比起在乳浊液中在更大范围内变动。,30,第三章食品化学,31,2020/6/16,搅打过程中充气机理,31,第三章食品化学,32,2020/6/16,搅打稀奶油形成泡沫的三个阶

13、段：迅速充气阶段：液相中未吸附的酪蛋白起泡性能好，导致大量气体以大气泡的形式充入乳浊液，少量大气泡破裂形成小气泡，从而形成很少量的脂肪球部分聚结体，聚结过程不可逆。脂肪球快速聚结阶段：液相中蛋白质浓度迅速上升，搅打过程中乳化剂快速竞争解吸界面吸附的酪蛋白，降低了界面吸附层的静电和空间稳定作用，致界面稳定性下降，大气泡开始快速破裂形成小气泡。是可逆的动态过程。至气泡界面被脂肪球及聚结物紧密包裹形成稳定的气泡。,32,第三章食品化学,33,2020/6/16,大气泡破裂形成小气泡和小气泡合并形成大气泡的过程中伴随着脂肪球部分聚结，从而导致脂肪球部分聚结速度快速增加。继续搅打起泡率保持快速增加，泡沫

14、结构稳定性明显变好，泡沫结构的硬度、稠度、内聚性和黏性也快速增加。,33,第三章食品化学,34,2020/6/16,34,第三章食品化学,35,2020/6/16,35,第三章食品化学,36,2020/6/16,脂肪球急剧聚结阶段：此时脂肪部分聚结体已相当大，易刺破气泡的界面膜，导致搅打起泡率降低。此时开始形成较大相互联结的聚结体，这会显著增大脂肪球的粒径和提高搅打稀奶油的硬度、稠度、内聚性和黏性。继续搅打起泡率急速下降，气泡增大，聚结体形成大的脂肪聚结体.,36,第三章食品化学,37,2020/6/16,泡沫中气泡测量,扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜(TEM)光学金相显微镜,37,第

15、三章食品化学,38,2020/6/16,搅打稀奶油：TEM和SEM冰激淩：SEM获得的结构是二维的。X射线断层摄像技术可拍摄气泡的三维结构，可获得气泡非常详尽的信息。,38,第三章食品化学,39,2020/6/16,搅打过程中气泡的粒径变化,搅拌越久是否超好？过长时间（9分钟以后）搅打，使脂肪球过度聚结，破坏气-液界面，小气泡破裂合并成大气泡。,39,第三章食品化学,40,2020/6/16,40,第三章食品化学,41,2020/6/16,气泡失稳机制：Rayleigh-Taylor失稳和Kelvin-Helmholtz失稳。Rayleigh-Taylor失稳是由不同密度流体的接触面积增加所引

16、起（在食品乳浊液中的气泡被拉长）Kelvin-Helmholtz失稳是由于两个叠加的流体不同的湍流速度而引起的剪切压力引起的。,41,第三章食品化学,42,2020/6/16,泡沫的稳定性,（一）泡沫的去稳定化机理乳浊液是一种热力学不稳定体系，而用于搅打充气的乳浊液又不同于一般乳浊液。搅打充气乳浊液：要求制备的乳浊液在静置条件下相对稳定，而在搅打充气条件下易发生去稳定作用，促使脂肪球发生部分聚结，形成一个由蛋白质稳定的乳浊液和由脂肪球稳定的气泡共存的泡沫结构。能在冻结的状态下长时间保持稳定。泡沫内在的不稳定更甚于乳浊液，让气泡长时间保持稳定不易。,42,第三章食品化学,43,2020/6/16

17、,泡沫体系的稳定机制,气体扩散毛细流动重力排液Ostwald熟化,43,第三章食品化学,44,2020/6/16,1.气体扩散,由于液膜的曲率不同导致气泡内气压不同而引起的。如果两个气泡聚结在一起，则它们之间存在一薄的液膜。如图所示：,a.两气泡半径相同,b.两气泡半径不同,两接触气泡的变形,44,第三章食品化学,45,2020/6/16,气泡的压力差可以用Laplace方程式表示：如半径分别为R1和R2的气泡相互接触，则接触面之间的压力差为：如果接触面的曲率半径为R0，则可得到曲面两边的压力差为：,45,第三章食品化学,46,2020/6/16,气体扩散的最终结果是：小气泡收缩，大气泡长大。

18、如果初始半径相差不大，则扩散慢。,46,第三章食品化学,47,2020/6/16,2.毛细流动,当三个气泡聚结在一起时，它们之间形成三角形状液膜，这一液膜区称Plateau平稳边界（或Gibbs三角形），简称PB区，如下图所示：,47,第三章食品化学,48,2020/6/16,如果3个气泡大小相同，则其交界之间互成120度交角。在PB区的曲率较正常界面（两个气泡接触面）的曲率大，这就意味着此处存在着较大的压力差。由于压力差的存在，使得正常界面的液体向着PB区方向流动而导致液膜变薄，泡沫的稳定性下降，这就是泡沫膜的液体渗出作用。,48,第三章食品化学,49,2020/6/16,3.重力排液,啤酒

19、泡沫排水时泡沫渐渐从球形气泡变成多面体气泡，Why?排水的主要推动力是重力，在多面体泡沫中，Plateau平稳态边界吸力对排水起推动作用。如温度越低，粘度越高，则排水速度越慢，气泡的膨胀速度也越慢，气泡膜则越厚实，使气泡维持时间得以延长。5-15nm的临界厚度,49,第三章食品化学,50,2020/6/16,4.Ostwald熟化,Ostwald熟化是由于不同直径的气泡之间毛细管压力差，小泡中的气体会向大气泡转移，导致大气泡越变越大，小气泡越变越小，最终消失。气体转移的动力与气泡的直径成反比，随着时间的推移，大气泡越来越多，泡沫的组织结构变得粗糙。泡沫的不稳定是由多种机制共同作用的结果。,50,第三章食品化学,51,2020/6/16,搅打稀奶油：气泡由蛋白质和脂肪球部分聚结网络稳定的，泡沫去稳定化主要是由气体扩散和Ostwald熟化两种机制引起。气体的扩散速率主要与气泡界面上的吸附层、中间相的通透性和气泡的大小（扩散动力与气泡的直径成反比）等因素有关。乳化剂的分子量和堆积密度决定了吸附层的通透性，当气泡体积变小，吸附层上乳化剂浓度增大，导致气泡的表面张力降低和气体