第一讲 食品物性学概述 (含力学基础)

许多研究表明，在挤压过程中，原料中绝大多数脂肪与 淀粉、蛋白质形成了复合物，降低了挤出物中游离脂肪 的含量。例如玉米经挤压之后，游离脂肪的含量由3.11 ％下降到0.98％。 研究人员利用挤压机研究了原料经挤压之后，脂肪 复合物形成的情况。所用的挤压原料中含有70％淀粉、 9％蛋白质和5％脂肪。对挤压后的样品，分别测定其膨 化率和糊化率以及脂肪的变化。
（四）糖
糖具有亲水性，在挤压过程中将调控物料的水分活度， 从而影响淀粉糊化。挤压的高温、高剪切作用使糖分解产
生羧基化合物，从而同物料中的蛋白质、游离氨基酸或肽
发生美拉德反应，影响产品的颜色。 另外，在挤压过程中添加一定量的糖能提高物料在 模口出口时的膨化效果。因此，在挤压食品中糖除了起提 供能量作用外，主要是作为一种风味剂、甜味剂、质构调 节剂、水分活度与产品着色调控剂而被应用，通常使用的 糖有蔗糖、糊精、果糖、淀粉糖浆、果汁、糖蜜、木糖和
三、食品物性学研究的现状和发展
食品物性学最早起源于对食品粘弹性理论的研究。
而粘弹性理论的发展是在胡克等人的弹性理论、牛顿
等人建立的流体力学理论发展的。弹性理论、流体力
学理论距今已有300多年历史，粘弹性理论是从20世纪 初在欧美等国开始的。
食品物性学中发展最早的是食品 力学方面的研究，食品力学的中心是食 品流变学。食品流变学的基础是流体力 学和粘弹性理论。美国化学家宾汉姆 (Bingham)提出了流变学的概念，即 “Rhelogy”，“流变”即流动的意思。
蛋白质及脂肪，其膨化能力就很差。
（二）淀粉 挤压作用能促使淀粉分子内a－1，4苷键断裂而生成葡萄 糖、麦芽糖、麦芽三糖及麦芽糊精等低分子量产物，致使挤 压后产物淀粉含量下降，但挤压对淀粉的主要作用是促使其 分子间氢键断裂而糊化。淀粉在挤压过程中糊化度的大小受 挤压温度、物料水分、剪切力、螺杆结构及在挤压机内的滞 留时间、模头形状等因素影响。 淀粉有直链淀粉与支链淀粉之分，它们在挤压过程中表 现出不同的特征。就膨化度而言，总的趋势是淀粉中直链淀 粉含量升高则膨化度降低，据有关报道说50％直链淀粉与50 ％支链淀粉混合挤压可得到最佳的膨化效果。另外，来源不 同的淀粉其挤压效果也存在差异，小麦、玉米、大米中的谷 物淀粉具有较好的膨化效果，块茎淀粉不仅具有很好的膨化 性能，而且又具有十分好的粘结能力。
• 食品工业中的纤维原料主要来源于甜菜、玉米、水果
、燕麦、豌豆、稻谷、大豆及小麦等。在挤压过程中
纤维主要是影响食品的膨化度，其规律一般是膨化度 随纤维添加量增加而降低．用不同来源的纤维或纤维 纯度不同均对膨化度的影响有明显差异，其中以豌豆 和大豆纤维的膨化能力为好，它们在以淀粉为主原料 的食品中添加量达到30％，对最终产品的膨化度也无 显著影响；而像燕麦麩及米糖，由于它们含有较高的
最早将流变学引入食品加工研究的是荷兰人Scott
Blair,1953年写书《Foodstuffs ther Plasticity,Fludity
and Consistency》,第一个定义了 “texture”即为“质
地”。
在农产品物料物性研究领域，1966年Mohsenin编著 出版了《Physical Properties of Plant and Animal Materials》,该书主要针对农产品物料的力学、热学、 光学和电学性质进行了系统的论述。
食品物性学研究的对象非常广泛，包括： ①初级产品，如收获后的粮食谷物类； ②一次加工的食品材料，如各种食用油、糖、奶粉、
蛋粉等；
③半成品和成品食品，如面团、面包、果汁细胞结
构的生物体
食品物性学涉及的领域虽然相当
广泛，但主要以食品的物理学性质为基
本内容，这些物理学性质有:食品的力学
性质、光学性质、热学性质和电学性质。
• 但对挤压过程中纤维含量变化的研究结果较为一致，
均表明纤维经挤压后其可溶性膳食纤维的量相对增加 ，一般增加量在3％左右，这是挤压过程中的高温、 高压、高剪切作用促使纤维分子间价键断裂，分子裂 解及分子极性变化所致。由于可溶性膳食纤维对人体 健康具有特殊的生理作用，因此采用挤压手段开发膳 食性纤维无疑是一个很好的方法。
肽键的水解、氨基链的变性和新共价异肽键的形成等。
蛋白质在低水份条件下对热的抵抗力强些。通过一 系列的研究得出的结论是挤压对蛋白质最大的影响在于， 首先分离它们，然后又将其重新组合成一种经调整的纤 维状结构。
挤压过程中的脂肪 在相同条件下，挤压食品与其他类型的食品相比 往往具有较大的货架期，其原因与挤压加工的特点有 密切关系。 原因一：原料一般经过挤压加工之后，淀粉糊化、蛋 白质变性、生长抑制因子被破坏，脂肪氧化酶和脂肪 水解酶也被破坏。挤压过程是一个高温高压的过程， 对产品起到了很好的杀菌作用。 原因二：挤压产品的水分含量一般较低 原因三：由于脂肪在挤压过程中能够与淀粉和蛋白质 形成复合物，而这些复合物又能降低挤压产品在保存 时的氧化现象，所以在一定程度上起到了延长产品货 架期的作用。
• 1975年至1995年间，日本化学学 会组织了食品物性学年会研讨，出版了 论文集共19集。
1980年 Mohsenin又编著出版了《Thermal
Properties of Food and Agricultural Materials》,
主要论述农产品物料的热学测定 、热传导的基本知识 以及食品冷却、冷冻、干燥、热处理、呼吸和膨胀的 有关知识。
糖醇等。
挤压过程中的蛋白质 从物理特性来说，挤压使蛋白质转 变成一种均匀的结构体系；从化学观点来说， 挤压过程是以某种方式贮藏性蛋白质重新组 合成有一定结构的纤维状蛋白体系。此外， 挤压过程还会引起蛋白质营养的变化。
大豆蛋白经热处理后会发生变化 挤压过程使大豆蛋白处于热、压力和剪切力等综 合作用下，在一定范围内，挤压温度上升，产品的组织 化效果好。蛋白质经高热处理会引起结构的变化，如：
2、食品物性学的研究内容
食品的力学性质
食品在力的作用下产生变形、振动、流 动、破断等的规律，以及其与感官评价的关 系。
• ① 食品的力学性质是感官评价的重要内容，是决定品 种好坏的主要指标。 • ② 食品的力学性质与食品的生化变化、变质情况有着 密切的联系，通过力学性质的测定可以把握食品以上 品质的变化情况。 • ③ 食品的力学性质与食品的加工关系密切，许多操作 都与力学性质相关，如混合、搅拌、压榨（挤压）、 过滤、分离、粉碎、膨化、喷雾等。
电学性质主要研究领域： • 1、食品品种状态的监控：食品的状态、成分 的变化往往反映在电学特性的变化上，用电 测传感器的方法把握食品的特性，尤其在食 品的非破坏性检测（无损检测）方面。 • 2、电磁物理加工：主要有静电场处理技术、 电磁波加工技术、通电加热技术、电磁场水 处理技术、电渗透脱水技术等。
食品物性学
• 推荐参考书目:
1、李云飞. 食品物性学，中国轻工业出版社，2009 2、张佳程. 食品质地学，中国轻工业出版社，2010 3、李里特. 食品物性学，中国农业出版社，1998 4、金万镐.食品物性学，中国科学技术出版社，1991 5、应义斌. 农产品无损检测技术，化学工业出版社， 2005 6、B. M. Mckenna. 食品质构学：半固态食品.李云飞 译，化学工业出版社，2007 7、屠康. 食品物性学, 化学工业出版社
例如： “挤压”对食品加工的影响与作用
挤压过程中物料成分的变化
物料在挤压机中发生复杂的物理、化学、生物反应使 最终产品在质构、组成、表现等理化特性及营养上发生很 大变化。 目前，挤压技术在食品工业，尤其是在生产快餐、早 餐食品、固态饮料、液态饮料及膨化小食品等行业上应用 较广泛。
挤压对食品中的三大营养素一一碳水化合物、蛋白 质及脂肪的影响和作用
1968年日本东京召开了国际流变学会议
1969年荷兰创办了《Journal of Texture Studies》 专业杂志，关于食品物性研究的论文大量发表，推进 了食品物性学的发展。研究最多的植物组织（水果、 蔬菜）的评价，其次是食品力学性质的测定中，感官 评价与仪器测定的比较和相关关系。
• 1973年，B. Muller编著出版了 《Introduction to Food Rheology》， 进一步推动了食品物性学的研究和应用。
食品的光学性质
是指食品物质对光的吸收、反射及其对感官反应 的性质。其研究领域在以下方面： 1、通过光学性质实现对食品成分的测定：成分的变 化可以引起对光的吸收、反射、折射、衍射、辐射等 性质的变化。测定简单、无破坏。 2、食品色泽的研究
二、食品物性学研究目的和方法
1、了解食品与加工、烹饪有关的物理特性
食品的热学性质
常见的热学性质指标和研究内容有：比热容、 潜热、相变规律、传热规律及与温度有关的热 膨胀规律等。
Hale Waihona Puke Baidu
在一些食品加工的单元操作中， 如杀菌、干燥、冷冻、熟化、烘烤等方 面，热物性有十分重要的作用，在改善 食品的风味方面，热物性也成为引人注 目的研究新领域。
食品的电学性质
主要是指食品及其原料的导电特性、介电特性以 及其他的电磁物理特性。
（三）亲水胶体
阿拉伯胶、果胶、琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、瓜儿胶、槐豆胶为食品 中常用的亲水胶体，它们经挤压后其成胶能力将普遍下降。在挤压过程中 其亲水特性还将影响常规的挤压条件，降低挤压产品的水分蒸发速率及冷 冻速率，提高产品的质构性能。对于一个特定的产品，在选择亲水胶体时， 胶体的粘稠性、成胶性、乳化性、水化速率、分散性、口感、操作条件、 粒径大小及原料来源等因素均得慎重考虑。
•
1984年，J.Prentice编著出版了
《Measurement in the Rheology of Food
2、建立食品品质客观评价的方法
3、通过对物性的试验研究，可以了解食品的组织结构
和生化变化 4、 以仪器测定的指标表现食品的风味特性，并以此为 依据，保证和提高食品的嗜好性品质，为改善食品的风 味、发挥食品的嗜好功能提供科学依据。
例如，在制面条或制面包工艺中，面筋形成的情况用观察或 其他方法很难确定，而用测定其粘弹性的方法则可简便地了 解面团面筋的网络形成程度。尤其是对生鲜食品的无损伤组 织测定，利用振动、光反射、电磁感应等物性测定手段更是 必要的。
挤压过程中的碳水化合物 碳水化合物是食品中的主要组成成分，通常在食品中占 70% 或70%以上，因此是影响挤压食品特性的主要因素。碳 水化合物根据其分子量大小、结构及理化性质差异常可分为 纤维、淀粉、亲水胶体及糖四类，它们在挤压过程中的变化 作用各不相同。
（一）纤维
纤维包括纤维素、半纤维素和木质素，它们在食品 中通常充当填充剂。由于用于挤压的纤维原料及挤压 采用的设备和工艺条件不同，对挤压过程中纤维数量 的变化文献报道差异较大。有的对荞麦与大麦的挤压 研究，有的对小麦和小麦麩的研究，挤压后的纤维质 量较低；而有的分别对全麦粉及大麦粉的挤压研究结 果正好同上述相反；但也有研究认为全麦粉在挤压过 程中其总纤维质量不发生变化。
第一讲
食品物性学概述 (含力学基础)
一、食品物性学的定义和研究内容
1、食品物性学的定义：
食品物性学是以食品及其原料为研究对象，研 究其物理性质的一门科学。 主要研究内容是食品和食品原料的力学、光 学、热学、电学特性等，而且包括食品物性对人 的感觉器官产生的感官特性的研究。
• 食品物性学在日本也称为“食品物理学”，与食品化学 相对应。 • 包括：力学、光学、电学、热学特性，这些特性与食品 组成、微观结构、次价力、表面状态等有关。其中，力 学部分是十分重要的内容，主要包括食品在力的作用下 产生变形、振动、流动、破裂等的规律。
• 次价力：当两物体被放在一起达到紧密的界面分子接触,以至生 成新的界面层,就生成了附着力，附着力是一种复杂的现象，是 物理作用力。化学键为主价力,是具有比次价力高得多的附着力。
食品的物性影响食品的流动性、粘弹性、 凝聚性、附着性、质构和口感；影响食 品组分的扩散性、松弛性和质量稳定性， 与生物化学反应速率相关联，与食品分 析检测相关联。