第二章 食品物性：固体食品的基本特征

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重点难点
固体食品形状与尺寸（如圆度、球度）常用的测量 方法； 固体食品体积与表面积的测量及计算方法； 真实密度与体积质量的测量方法； 基本物理特征的统计回归关系 基本物理特征在实际生产中的应用。
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2.1 形状与尺寸



大小常用尺寸来描述，形状则是各种尺 寸的综合体现。 规则形状的食品的尺寸可以用几何尺寸 来表示。 大部分食品很难用单独的一个尺寸简单 的表示出它们的形状。
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（1）密度瓶法（小颗粒固态食品，谷物）
原理：
通过测量食品排出液体的质量，利用公式进行计算。
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注意 事项
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。
式中： Vs——固态食品体积； mp——空密度瓶的质量； mpf——装满液体的密度瓶的质量； mps——装入食品的密度瓶的质量（无液体）； mpfs——同时装有液体和食品的密度瓶的质量； ρf ——液体密度。
1 （80 70 70）/ 3 球度
73.18 0.914 80 80
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2.2 体积与表面积

2.2.1 体积的测量 通过测定气体、液体排出量，确定固体体积。
小颗粒固态食品 （谷物和种子）
密度瓶法
较大体积的固态 食品（果蔬）
台秤称量法
气体排出法 细小颗粒状和不规 则形状固态食品
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设气体规律符合理想气体定律： PV=nRT
设平衡发生在恒温下： P1V1=P2V1+P2(V2-Vs)
Vs 2V
V2是2室内气体体积；Vs是2室内固体体积
V1=V2=V
P1 V P2
注意事项
a.空气不完全遵从理想气体定律 b.两容器等压不等温 c.压力计出现问题，需校验设备 d.减少气体进入食品内（涂膜）
排气测量颗 粒密度时， 必须保证气 体不会渗入 内部空隙中。
粒密度 影响 因素
比较时， 选择同一 种类，同 一品种
在不小于 70℃时干燥 谷物和食品， 可以减小粒 密度。
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体积质量等于颗粒质量比容器体积， 单位为g/cm3或kg/m3,
检测方法：将样品倒入己知尺寸的容器中，使其从一定高度落 下受到冲击振实。填充方法和容器尺寸都会影响检测，所以需 要控制固体下落高度和颗粒流的直径，测出此时表观容积Va和
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密度瓶法
密度瓶的体积一般为15～30cm３。设密度瓶 的质量为m0，体积V0,内部充满密度为ρ1的液 体，则总质量为
密度瓶内加入质量ms、体积为Vs的食品或农 产品后，则充满液体时的总质m2为:
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则体积Vs为：
式中：m1:：密度瓶+充满液体的质量； ms：食品质量； m1+ms：密度瓶+充满液体的质量+食品质量 m2：密度瓶+食品质量+一部分液体质量； ρ1：液体密度。
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用食品与农产品凸起部分的尺寸来表示其大小：三维尺 寸分别为大直径、中径和小直径。 大直径：最大凸起区域的最长尺寸； 小直径：最小凸起区域的最短直径； 中径：最大凸起区域的最小直径，一般人们假设 它与最小凸起区域的最长直径相等。
用测微器或测径器测量三维尺寸
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注意事项
• 食品不能接触烧杯底部； • 如果食品比水重，那么可以用尼龙线将其悬挂； • 如果食品比水轻，则要用一个金属棒将食品压入 水中。
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（3）气体排出法（细小颗粒和不规则固体食品， 谷物、甘草）
原理：
根据理想气体状态方程
PV=nRT(克拉伯龙方程）
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2.1.1 圆度

类球体的圆度是表示其棱角锐利程度的一个 参数。
方法一：
圆度=Ap / Ac
式中： Ap为类球体食品在自然放
置稳定状态下的最大投影面 积； Ac为食品投影的最小外接 圆面积。
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圆度
式中：
r
i 1
n
i
nR
ri为类球体食品最大投影面 积图形上棱角的曲率半径； R为类球体食品最大投影面 积图形的最大内接圆半径； N为棱角总数。



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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：

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
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另一种简易测量方法：
液体的体积和加入食品后的体积可以从密度瓶上的刻 度读取出来。加入食品后体积增加量就等于食品的体 积。 (加入的食品体积至少为密度瓶上刻度的10倍！！！)
注意 事项
a.避免出现气泡 b.食品吸收液体速度慢 c.表面张力要小
酒精、甲苯、 四氯乙烯
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P——气体压强，单位Pa; V——气体体积，单位m3; n——气体的物质的量，单位mol; T——体系温度，单位K; R——比例系数，数值不同状况下有所不同， 单位是J/（mol· K）;
如果采用质量表示状态方程，pV=mrT.
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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。
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食品在液体中受到的浮力Fa为:
g
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台称称量法
方法：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ρs为：
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例题

将鳄梨置于天平上称重，然后用细线拴住 柄，悬浮于盛水烧杯中。注意整个鳄梨浸 入水中，且不能接触容器底部和壁。鳄梨 质量219.8g。没有鳄梨时，容器及水质量 1137.1g，鳄梨浸入水中时，烧杯、水和鳄 梨总质量1355.3g。水温20度。求鳄梨密度。 水密度：0.9982g/cm3。
质量ms后，即可求得表观密度ρa:
表观密度的倒数称为表观比容积
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如果将装填好的容器继续敲打，直至获得最紧密状 态，则此时的表观密度称为最终表观密度或称为充 填密度ρt:
式中，Vt——食品的最终填充体积。
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人工干燥、组分等 粒度分布情况和颗 粒形状 填料方法 直接从喷嘴填 入容器的谷物 密度不如用离 心式谷物分布 机装入的体积 质量大
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检测产品尺寸最好选择：
典型地域条件下生产； 特定种类的产品； 测量大量试样(100个或更多)； 计算尺寸平均值和标准差，并与其他样 品的均值和标准差比较。
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商业和工业中评价食品大小时，常用三个相 互垂直的轴向尺寸—长度(l)、宽度(L)和厚 度(d)进行代替。 长：指食品平面投影图中的最大尺寸； 宽：指垂直于长度方向的最大尺寸； 厚：为垂直于长和宽方向的直线尺寸。
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rmin 圆度 Rp
式中：
rmin为最大投影面积图上类 球体食品的最小曲率半径；
Rp为最大投影面积图上类
球体食品的平均半径。
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2.1.2 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。 其表示方法有以下三类：
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2.2.2 表面积的测量
果蔬和鸡蛋等大体积产品：用剥皮法 或涂膜（硅胶）剥皮结合法测量。
不同 食品， 测量 方法 不同。
谷物和种子等小体积物质：用表面涂 金属粉法测量。 具有类似形状的物质：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。（黄瓜）
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（2）台秤称量法 （较大体积，果蔬） 原理：
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。质量差等于物体排开水的质量，固态食
品体积等于物体排开水的质量与水密度之比。
式中：Vs：食品体积； mbws：水+烧杯+食品的质量； mbw：水+烧杯的质量； ρw：水的密度。
其它方法 计算机图像识别系统快速检测具有圆形或椭圆形 横截面的果蔬、种子表面积和体积。
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2.2.3 投影法计算食品体积和表面积

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。 物体各项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。
2.3.2 体积质量
颗粒状物质，如谷物、面粉和脱水食物可以用真实密度、 粒密度和体积质量进行描述。
真实密度
颗粒状 物质描 述
粒密度
体积质量
指单个颗粒、单 个籽粒上单位体 积的密度。
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颗粒内部的空隙影 响粒密度。 不同种类谷物颗粒 密度相差很多，而 同一种谷物的不同 类别之间的差异小 一些。 粒密度也和水分含 量紧密相关。
食品密度：
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由组分密度计算整体密度
许多农产品和食品的密度相差很少； 水、脂肪和盐密度相差较多。
某食品密度依赖于 次要成分的密度。
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如果已知农产品或食物组分，可以从ρi和mi计算出真实 密度ρs：
将组分分成水分和干物质，由 此可以推断出水分对密度的影 响
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许多果蔬的长度都是指平行于茎的最长尺寸， 直径则指正交于茎的最长尺寸。

但也有特殊情况，比如:土豆的直径就不是参 照茎定义的，而是垂直于最长轴的最大尺寸。
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果蔬、谷物、种子等形状差别很大。
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•大多数水果呈类球体. •类球体分为扁球体、椭球体等。 •通常用圆度和球度定量描述。

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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 与理想球体（球体直径与产品大直径相等） 体积之比：
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例题
已知一个梨的大直径为80 mm，中经为70 mm， 小直径为70 mm，则该梨的球度为多少？ （7.3183=392）
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解答
浮力=（容器+水+悬浮鳄梨）的总质量-容器 和水的质量。 即：浮力=1355.3g-1137.1g=218.2g。 鳄梨体积=218.2g/0.9982g/cm3=218.6cm3 密度=质量/体积 =219.8g/218.6cm3=1.005g/cm3 讨论：水和鳄梨密度接近。
第二章 固体食品的基本物理特征
潘磊庆 屠康 南京农业大学食品科技学院
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内容提要
本章主要介绍了固体食品的基本物理特征： 单体尺寸 综合尺寸 外观形状 面积 体积
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物理特征的应用
• 水果的形状和尺寸大小决定了在运输时，决定尺寸的 包装箱或塑料袋中能装载的数量。 • 在固体筛分除杂和果蔬分类过程中，形状和物理尺寸 起重要作用。 • 果蔬、粮食和种子质量的差异往往可以通过密度的不 同检测出来。 • 气流输送粮食和其他颗粒固体或水力输送果蔬时，流 体流速的设计与物料密度和形状均有关 。 • 液体食物的密度对于离心分离、沉降分离、流动特性 以及用泵输送的能量需求来说是重要因素。
不包括粒状 食品之间空 隙体积的体 积
包括粒状食品之 间空隙体积的体 积
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2.3.1 真实密度
密度天平测量法(浮力法) 体积较小的食品
台称称量法
体积较大的食品
密度瓶法
细小粒状或粉末状
估算法
一般的食品
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密度天平测量法（浮力法）
方法：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'，
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食品单位体积的表面积Sv，也叫作比表面积，表示为：
a SV, 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。
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2ຫໍສະໝຸດ Baidu3 密度
食品密度
真实 密度 体积 质量
表观 体积
食品质量 实际体积
食品质量 容积体积
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