食品热物性详解
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食品的热物性
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自从人类从“茹毛饮血”进化为以熟食为主 以来，加热成了食品加工的重要手段。尤其 是现代化食品工业，为了提高食品的商品化 和保藏流通功能，加热、冷却、冷冻成了最 基本的加工方法。因此，食品的热物理性质 也成为食品生产管理、品质控制、加工和流 通等工程的重要基础。
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Contents
近年来发展用差式扫描量热术(DSC)来测量材料的比热容。 此法所用的样品少(5一15mg);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。5
第一节 食品热物性基础
2、焓(enthalpy)
焓值是相对值，过去的教材中多取-20℃冻结态的焓值为
其零点；近年来多取-40℃的冻结态为其零点。
本 章 主 要 内 容
第一节 食品热物性基础
第二节 食品材料的热物理数据
第三节 差示扫描热量测定与定量差 示热分析
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第一节 食品热物性基础
一、食品热物性的一般概念
1.食品的基本热参数 温度、比热容、焓、导热系数 2.食品的传热性质 表面热流量、质量平均温度、传热规律、 热传导、热对流、热辐射 3.热参数的检测 比热的检测、导热系数的检测
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第二节食品材料的热物理数据
食品材料的热物理性质的测量是从18世纪开始的。 目前的数据中有2/3左右是在20世纪50一60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; 而大部分数据没有给出这些条件;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处。
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第二节食品材料的热物理数据
关于食品材料热物理性质的数据，收集最全的是美国供 热制冷空调工程师学会 (ASHRAE)1993年出版的手册。
Sweat等(1995)收集和比较了400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 〔如水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等)，而且与其处理 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、 表面情况、空隙度、纤维方向等;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〔如温度、 压力、相对湿度等)。而实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。
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第三节差示扫描法与定量热分析
图1 DSC结构示意图
图1是DSC主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成: ①温度程序控制系统； ②测量系统(物理性能的测量）③ 数据记录、处理和显示系统；④样品室。
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第三节差示扫描法与定量热分析
温度程序控制内容包括整个实验过程中温度变化的顺序、变 温的起始温度和终止温度、变温速率、恒温温度及恒温时间 等。测量系统将样品的某种物理量转换成电信号，进行放大， 用来进一步处理和记录。数据记录、处理和显示系统把所测 量的物理量随温度和时间的变化记录下来，并可以进行各种 处理和计算，再显示和输出到相应设备。样品室除了提供样 品本身放置的容器 (样品杯或样品管)、样品容器的支撑装置、 进样装置等外，还包括提供样品室内各种实验环境的系统， 如维持环境气氛所需气体(氮气、氧气、氢气、氦气等)的输 入测量系统，压力控制系统、环境温度控制系统等。现在的 仪器一般由一台计算机执行仪器的温度控制、测量控制、进 样控制和环境条件控制等控制功能并进行数据记录、处理和 . 比热容（specific heat）：
1）定义：传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温
度升高1K所需的热量。
2）测定方法：比较常用的事是用热量计进行定压的热混合法
和护热板法。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， 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。
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， 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。
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第一节 食品热物性基础
2、焓(enthalpy)
用DSC直接测量食品焓值是一种新方法，其温度
扫描从-60℃开始到1℃以上，这是认为到-60℃时， 食品中的水分己全部冻结；而到1℃以上水分己全 部融化成液体。
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第三节差示扫描法与定量热分析
在升温或降温的过程中，物质的结构（如相态)和化学 性质会发生变化，其质量及光、 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 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。 热分析作为热的收支指标测定，是对状态和状态变化 性质进行分析研究的手段。早期的分析有：定量差示热分 析（DTA）和热重量分析（Thermogravimetry，简称 TG）。 差示扫描热量测定（DSC）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。
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第三节差示扫描法与定量差示热分析
1 .差示扫描量热法(DSC)及定量差示热分析（DTA） 的测定原理
DSC及DTA方法是对加热或冷却过程中，试样所产 生的细微热量变化进行测定。在设定的温度范围内， 以任意的升温速度扫描测定并记录升温过程中能量吸 收或放出的温谱图。温谱曲线所包围的面积，与加热 过程中试样吸取或放出的热能成正比。在食品科学中， 人们利用这一技术检测脂肪、水的 结晶温度和融化温 度以及结晶数量与融化数量；通过蒸发吸热来检测水 的性质；检测蛋白质变性和淀粉凝胶等物理化学变化。
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第一节 食品热物性基础
3.热导率(therma-conductivity)
测量食品材料热导率要比测量比热容困难得多，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 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。 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。 目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法。被 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 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
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第一节 食品热物性基础
4.热扩散系数(thermal diffusivity)
一般说来，热扩散系数a是根据比热容Cp,热导率λ和密 度ρ数据计算而得的，即a＝λ/(ρCp)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探 头和热电藕；再与它有一定距离处加上另一个热电藕以 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， 但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。
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自从人类从“茹毛饮血”进化为以熟食为主 以来，加热成了食品加工的重要手段。尤其 是现代化食品工业，为了提高食品的商品化 和保藏流通功能，加热、冷却、冷冻成了最 基本的加工方法。因此，食品的热物理性质 也成为食品生产管理、品质控制、加工和流 通等工程的重要基础。
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Contents
近年来发展用差式扫描量热术(DSC)来测量材料的比热容。 此法所用的样品少(5一15mg);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。5
第一节 食品热物性基础
2、焓(enthalpy)
焓值是相对值，过去的教材中多取-20℃冻结态的焓值为
其零点；近年来多取-40℃的冻结态为其零点。
本 章 主 要 内 容
第一节 食品热物性基础
第二节 食品材料的热物理数据
第三节 差示扫描热量测定与定量差 示热分析
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第一节 食品热物性基础
一、食品热物性的一般概念
1.食品的基本热参数 温度、比热容、焓、导热系数 2.食品的传热性质 表面热流量、质量平均温度、传热规律、 热传导、热对流、热辐射 3.热参数的检测 比热的检测、导热系数的检测
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第二节食品材料的热物理数据
食品材料的热物理性质的测量是从18世纪开始的。 目前的数据中有2/3左右是在20世纪50一60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; 而大部分数据没有给出这些条件;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处。
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第二节食品材料的热物理数据
关于食品材料热物理性质的数据，收集最全的是美国供 热制冷空调工程师学会 (ASHRAE)1993年出版的手册。
Sweat等(1995)收集和比较了400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 〔如水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等)，而且与其处理 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、 表面情况、空隙度、纤维方向等;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〔如温度、 压力、相对湿度等)。而实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。
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第三节差示扫描法与定量热分析
图1 DSC结构示意图
图1是DSC主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成: ①温度程序控制系统； ②测量系统(物理性能的测量）③ 数据记录、处理和显示系统；④样品室。
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第三节差示扫描法与定量热分析
温度程序控制内容包括整个实验过程中温度变化的顺序、变 温的起始温度和终止温度、变温速率、恒温温度及恒温时间 等。测量系统将样品的某种物理量转换成电信号，进行放大， 用来进一步处理和记录。数据记录、处理和显示系统把所测 量的物理量随温度和时间的变化记录下来，并可以进行各种 处理和计算，再显示和输出到相应设备。样品室除了提供样 品本身放置的容器 (样品杯或样品管)、样品容器的支撑装置、 进样装置等外，还包括提供样品室内各种实验环境的系统， 如维持环境气氛所需气体(氮气、氧气、氢气、氦气等)的输 入测量系统，压力控制系统、环境温度控制系统等。现在的 仪器一般由一台计算机执行仪器的温度控制、测量控制、进 样控制和环境条件控制等控制功能并进行数据记录、处理和 . 比热容（specific heat）：
1）定义：传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温
度升高1K所需的热量。
2）测定方法：比较常用的事是用热量计进行定压的热混合法
和护热板法。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， 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。
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， 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。
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第一节 食品热物性基础
2、焓(enthalpy)
用DSC直接测量食品焓值是一种新方法，其温度
扫描从-60℃开始到1℃以上，这是认为到-60℃时， 食品中的水分己全部冻结；而到1℃以上水分己全 部融化成液体。
11
第三节差示扫描法与定量热分析
在升温或降温的过程中，物质的结构（如相态)和化学 性质会发生变化，其质量及光、 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 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。 热分析作为热的收支指标测定，是对状态和状态变化 性质进行分析研究的手段。早期的分析有：定量差示热分 析（DTA）和热重量分析（Thermogravimetry，简称 TG）。 差示扫描热量测定（DSC）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。
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第三节差示扫描法与定量差示热分析
1 .差示扫描量热法(DSC)及定量差示热分析（DTA） 的测定原理
DSC及DTA方法是对加热或冷却过程中，试样所产 生的细微热量变化进行测定。在设定的温度范围内， 以任意的升温速度扫描测定并记录升温过程中能量吸 收或放出的温谱图。温谱曲线所包围的面积，与加热 过程中试样吸取或放出的热能成正比。在食品科学中， 人们利用这一技术检测脂肪、水的 结晶温度和融化温 度以及结晶数量与融化数量；通过蒸发吸热来检测水 的性质；检测蛋白质变性和淀粉凝胶等物理化学变化。
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第一节 食品热物性基础
3.热导率(therma-conductivity)
测量食品材料热导率要比测量比热容困难得多，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 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。 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。 目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法。被 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 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
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第一节 食品热物性基础
4.热扩散系数(thermal diffusivity)
一般说来，热扩散系数a是根据比热容Cp,热导率λ和密 度ρ数据计算而得的，即a＝λ/(ρCp)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探 头和热电藕；再与它有一定距离处加上另一个热电藕以 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， 但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。