食品物性学课件文档版

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初级产品（Primary or raw products）: cereals, fruits, vegetables, meats, dairy, fishes etc、半成品或成品
（Semi-manufactured or manufactured foods） : dough, noodles, breads, beverages, juices, jams, ice creams
etc、食品原料（Food ingredients）脂类（Fats and oils）
蛋白类（Proteins）碳水化合物（Carbohydrates）食品添加剂（Food additives）: thickeners, gelling agents, stabilisers, texture modifiers etc、香味（Flavours）调
味品（Seasons）研究目的食品工业界（Food industry）Maximum food safety and food quality Capability of developing new and improved food products desired by public consumers食品学术界（Food academy） Accumulate and advance fundamental knowledge on food physics and principles behind food processing and design Better understanding food properties研究内容基本物理特征（Basic physical characteristics)
Mass, density, size, shape, moisture content and water activity分子物理特性（Molecular physics） Food macromolecules, basic chemical and physical structure, conformations, high order structures, and solution
properties力学性质（Mechanical properties） Rheological properties, texture tests界面性质（Interfacial
properties） Interfacial adsorption and desorption, emulsions, foams热、光性质（Thermal properties, and
optical properties)Basic thermodynamics, phase transition, thermal analysis, colours, colorimetry, food-light interaction电、磁性质（Electrical and magnetic
properties）感官评价（Sensory evaluation）参考文献Food Physics; Ludger O、 Figura, Arthur
A、 Teixeira, eds、; Springer; xx食品物性学; 李云飞, 殷涌光, 金万镐编著; 中国轻工出版社; xx食品物性学; 李里特著; 中国农业出版社;1998第一章绪论
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（包括食品原料）为研究对象，研究其
物理性质的一门科学。

不仅包括对食品本身理化性质的分析研
究，而且包括食品物性对人的感觉器官产生的所谓感觉性质的研
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。

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。

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。

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、过滤、分离、粉碎、膨化、喷雾等。

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。

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。

其研究领域主要分为：
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、食品物性学研究的目的和方法
1、了解食品与加工、烹饪有关的物理特性
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。

4、为改善食品的风味、发挥食品的嗜好功能提供科学依据。

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，成为当前食品开发技术的重要方面。

食品形态固态、液态、气态，各种形态的物理性质不相同，食品加工特性与食品生化反应也不同。

食品质构质构在感官特性中的重要程度分三方面：
①关键因素：质构决定其质量，如肉品、薯片、爆米花、芹菜等②重要因素：质构对质量影响较大：水果、某些蔬菜、奶酪、面制品等；③次要因素：影响不大，如饮料、汤类；
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“Rheology”，“流变”即流动的意思。

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 their Plasticity, Fluidity 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。

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。

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。

1984年，J、Prentice编著出版了《Measurement in the Rheology of Foodstuffs》一书，阐述了食品流变特性的测量原理和方法，同时从微观结构的角度分析了影响食品流变性质的因素和机理。

1989年种谷真一编著了《食品的物理》一书，从物理学的角度，分析各种状态的物料在加工、烹饪发酵过程中物性变化的机理。

1989年，川端晶子编著了《食品物性学》，从食品的流变学性质和质地两个方面论述了食品胶体体系特征，以及凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。

总之，20年来食品物性学虽然有很大的发展，但仍然属于逐步形成阶段，因为食品是一个分复杂的分散体系，今后还需要作大量的研究。

表1 按力学特性对食品物料的分类食品的力学基础
1、食品物质的凝胶性1）胶体的概念：
一般的食品不仅含有固体，而且还有水、空气存在，属于分散系统或称为非均质分散系统，也称分散系。

所谓分散系统是指数微米以下、数纳米以上的微粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊的系统，以上所说的微粒子称为分散相，而属于气体、液体或固体的介质被称为分散介质或连续相（分散介质）。

胶体的概念：表示物质状态的名词。

晶体和胶体表示物质分散度不同的两种状态。

例如，蛋清蛋白、酪蛋白在水中的扩散速度比食盐和汤药慢的多，越是扩散速度慢的物质结晶越不容易，扩散越快的物质结晶越快。

结晶快的物质称做拟晶体（crystalloid），结晶慢的物质称做胶体(colloid)。

2）胶体的种类：
气体为连续相的胶体：气溶胶(airosol)：气体为连续相的胶体（液体分散于气体介质中）,例如云、雾、食品的微小液滴、粉尘漂浮在空气中，但食品中更多的颗粒分散在空气中成为粉末。

粉末食品既有分散漂浮在空气中的状态，也有沉积在一起的集合状态。

食品工业中，沉积在一起的粉末较多，常有如下物理量：外观比体积：单位质量粉末所充填的体积。

外观密度：包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。

空隙率：一定体积的粉末中，孔隙所占体积的比率。

液体为连续相的胶体：气泡(bubble):在液体中分散有许多气体的分散系统。

当无数气泡分散在水中时，溶液呈白色，这是一种气体溶胶。

乳胶体(emulsion):指两种互不相溶的液体，其中一方为微小的液滴分散在另一方液体中的胶体。

乳胶体一般由水、油、乳化剂构成。

乳胶体中，当连续相为水，分散相为油时，称为水包油型（O/W型），如食品中生奶油、蛋黄酱属于O/W型；与之相反，成为油包水型，例如黄油、人造奶油等属于W/O型。

乳胶体经过一定的处理，即在外力的作用下，不使水油分离的情况下，O/W型也会转换为W/O型，相应地乳胶体的物性也会发生很大的变化。

除了两相乳胶体，还有多相乳胶体。

乳胶体类型的判断是研究其物性是首先要考虑的问题，通常的判断法有：稀释法：用连续相的溶剂稀释的办法。

导电法：水油导电性质差异很大，用电流计的两极插入乳胶体构成回路，导电则为O/W型，不导电则为W/O型。

色素染色法：利用色素是否溶解于连续相来判断，例如用
不溶于油的水溶性色素，甲基橙（methylorange）加入胶体中，溶解的则为O/W型，不溶解的则为W/O型。

胶体分为：溶胶和凝胶对于可流动的胶体溶液称为溶胶。

食品中的一般胶体粒子的分散介质是水，所以把分散介质（连续相）是水的胶体称为亲水性胶体（hydrocolloid)，这样的溶液为水溶胶(hydrosol)。

凝胶(gel)：在分散介质（连续相）中的胶体粒子或高分子溶质，形成整体构造而失去了流动性，或胶体全体虽含有大量液体介质但处于固化的状态称为凝胶。

凝胶有热不可逆性和热可逆性。

如鸡蛋羹、布丁等蛋白凝胶为热不可逆性，以多糖成分存在的为热可逆性。

凝胶是一种物质的特殊状态，介于固体和液体之间，不会仅在重力作用下流动。

有流动性非常接近液体的凝胶，也有刚性非常接近于固体的凝胶。

干凝胶：凝胶放置后逐渐离浆脱水成为干燥状态为干凝胶，如干粉丝、方便面等。

食品中除了果汁、酱油、牛乳、油等液态食品和饼干、酥饼、硬糖等固体食品外，几乎所有的食品都是在凝胶状态下供食用的。

2、食品的凝胶性与食品加工1）很多食品都是在凝胶状态下食用的。

例如，米饭、馒头、面条、豆腐、肉、色、蔬菜等，都可以说是凝胶状态。

2）凝胶状态食品的力学性质对食品口感品质、风味品质(如软硬、嚼劲、筋道感、柔嫩感等)起着决定的作用。

因此蛋白质、多糖类等可以形成凝胶的物质、均可作为食品改良剂、稳定剂等使用。

3）许多食品都有一个状态稳定性问题。

例如，果汁要求不分层、不沉淀；面条要求不糊汤，耐浸泡不烂；冰洪淋要求保型性好、口感细腻等。

而解决这些问题的本质，就是要调整好胶体粒子的分布或结合状态，使之稳定。

分散系统内各相之间的界面状态，对物性就要产生很大影响。

所以界面化学、乳化机理也成了与食品物性有关的重要相关学科。

研究和改善食品的质地(texture)，主要就是研究凝胶状态物质的模型，与解决食品感官品质、提高食品的品质有着不可分割的关系。

流变学就成为研究食品力学性质的中心内容。

第二章食品的电物性第一节食品的电学性质食品的电物性：在外加电压(或电场)作用下的行为及所表现出来的物理现象。

包括：在交变电场中的介电特性在直流电场中的电特性：在弱电场中的导电性质；在强电场中的击穿现象；食品表面的静电现象电物性在食品工程中的应用：
利用食品的电物性对其成分、组织、状态等进行监控。

食品的加工。

交变电场(电磁波)的利用静电场的利用：
1、清洗净化
2、分离
3、改质直流电的利用：
1、电渗析
2、电泳
3、电浮选第二节极化1 极性非极性分子：正负电荷中心相重合。

但在电场的作用下正负电荷中心分裂，诱导出偶极矩；极性分子：正负电荷中心不重合，但由于热运动指向各个方向的机率相等，也呈现电中性。

这类分子具有永久偶极矩，所以称为极性分子。

2 偶极矩(m, Debye)偶极矩：表示极性的大小偶极矩：质点所带电荷的数量q与两质点间距离d 的乘积m (Debye，德拜)，方向从正到负。

总偶极矩：假设每个分子都是刚性的，则总的偶极矩以矢量和来表示：
有效偶极矩刚性分子的假设：适于气体，不适于溶液分子。

柔性大分子不是完全刚性的，仅分子的一部分构象在热运动时没有变化。

有些基团有极性，整个分子为中性。

有效偶极矩：依赖于分子或基团的化学结构。

有效偶极矩的计算：如果分子含有N个极性基团结构，这个结构在热运动时没有变化，则有效偶极矩为：式中，mxi，myi，mzi分别为沿着x，y，z轴的键矩分量2 电介质的极化分子的极化可以分为三类：
电子极化(electronic polarization)
偶极矩为诱导偶极矩原子极化(atomic polarization)
偶极矩为诱导偶极矩取向极化(orientation polarization)
偶极矩为永久偶极矩。

2、1 电子极化偏移：价电子云在外电场作用下向正极偏移，电子相对于分子骨架发生偏移(分子骨架无偏移)；强度：外电场比核作用在电子上的原子内电场弱很多，其运动很小，极化弱；松弛：电子的运动速度很快，极化所需时间很短(10-15~10-13秒)。

2、2 原子极化变形：分子骨架在外电场下发生变形；强度：原子极化很小，约为电子极化的1/10；松弛：原子的运动速度较电子慢，极化所需要的时间>10-13秒。

变形：分子骨架在外电场下发生变形；强度：原子极化很小，约为电子极化的1/10；松弛：原子的运动速度较电子慢，极化所需要的时间>10-13秒。

无电场外加电场
2、3 取向极化(偶极极化)极性分子：永久偶极矩的极性分子(基团)，在无外电场时，热运动使偶极矩指向各方向的机会相同，总平均偶极矩为0，介质为电中性。

取向：在外电场的作用下，极性分子(基团)沿电场方向排列，产生分子的取向。

松弛：沿外电场的运动要克服本身的惯性和旋转阻力，极化时间很长(约为10-9秒)。

这段时间的长短，依赖于分子间的相互作用。

(a)
无外电场 (b)
有外电场 (c)
电场很强，温度很低极性分子趋向极化示意图极化偶极矩：E 为电场强度；a为极化率；对于极性分子：ae为电子极化率 aa为原子极化率 au为取向极化率ae 和aa与温度无关，只取决于分子中电子云的分布情况。

对于非极性分子：3 高分子的介电特性与结构的关系高分子以取向极化的贡献最大。

只有极性分子(基团)才能发生取向极化，取向极化的强弱与介质分子(基团)的极性有关。

介电常数主要取决于分子(基团)极性的大小。

分子(基团)的极性可用偶极矩来衡量，分子(基团)的偶极矩等于所有键矩的矢量和。

一些共价键的键矩和分子的偶极矩高分子按极性大小分为四类第四节电物性的应用
1、食品的电磁波处理和加工
1、1 食品干燥
1、2 生物致死1)
灭菌2)
防虫
1、3 加热熟化
1、4 灭酶
1、5 烫漂
1、6 解冻
1、7 萃取
2、微波及其应用
2、1 微波波长=1~1000mm的电磁波。

是超高频电磁波。

直线传播，可反射、吸收、穿透，遵循光传播的规律。

这些作用取决于材料的特性：介电特性；比热；形状；其它成分(含水量等)。

2、2 常见介质导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合
2、3 微波对介质的穿透性质能量衰减与转换：物料表面的能量密度最大，随着微波向物料的渗透，其能量释放给了物料，并转换成热量。

穿透力：衰减状态决定着微波的穿透能力。

穿透深度：微波功率从物料表面减至表面值的1/e 时的距离，用DE表示。

式中：
l0为自由空间波长；e为介电常数；tgδ为介质损耗微波的穿透深度与温度有关微波加热
1、微波辐射频率：300MHZ~300GHZ，即无线短波范围
2、微波加热微波向食品释放能量使其温度升高
3、微波加热机理：①、离子的极化偏振，即溶液中的离子被电场加速。

离子碰撞频率的增加导致温度上升。

当离子更聚集或溶液浓度增大时，会产生更多热量。

如微波加热（豆浆和面包: 面包比豆浆热的快，时间短的多）②、极性分子的旋转，分子旋
转产生热量。

极性分子的大小和状态影响旋转的数量，从而影响产热率。

冰比水吸收的能量少，原因：水分子在冰中的运动受到限制。

对于家用微波炉，频率在2450MHZ下，水分子在1S内将发
24、5亿次的转动，从而产生足够的热量。

4、微波加热的特点①、微波加热具有选择性。

有利因素：加热包装食品时，绝大部分能量被食品吸收，只有少部分被容器或包装材料吸收。

微波杀虫（对于干燥食品中的害虫含水量较多，因此在微波场中吸收大量的能量而被加热致死）不利因素：食品解冻。

由于微波对冰和水的吸收性质截然不同，当一部分冰变成水后，就会吸收微波，造成解冻不匀。

②、微波的穿透特性。

优点：
A、它对不吸收微波的食品容器穿透性极好，可使能量直接到达食品内部一定深度，可迅速加热。

B 、微波可把能量直接传给食品内部，尤其是食品内部的水，大大加快干燥速度或食品膨化。

5、微波加热的问题加热不均匀原因：
①、微波加热选择性②、微波极好的穿透性③、微波的棱角效应微波萃取是提取天然植物中有效成分的一项新型技术。

微波能穿透萃取介质并渗透到物质细胞内部，使物料内部的极性分子随外电场变化而激烈碰撞摩擦，从而使其内部温度迅速升高，引起细胞破裂，使有效成分自由流出而被溶剂溶解。

与传统有机
溶剂萃取相比，它具有更高选择性，且可有效保护提取物中功效成分，耗能低，省时安全。

微波干燥微波波长较一般食品物料短很多，但穿透力相对较强，热惯性小。

相对于传统加热干燥，微波干燥在物料各个部位同时进行加热，避免了传统方法由外向内形成温度梯度而导致物料表面硬化或不均匀的负效应，干燥速度快，时间短，而且可以最大限度地保持食品的色、香、味，减少营养元素损失；其次，微波加热设备本身不耗热，热能绝大部分都用在物料上，所以热效率高，对环境几乎没有影响，同时设备占地少，目前，在食品加工中已被广泛应用。

在低压或者真空条件下进行干燥可以避免温度、氧气等对食品产生不良的影响，进一步缩短热干燥时间，避免食品品质的恶化。

如微波真空干燥技术在果汁生产上的应用，对Vc的影响很小，对果粉中挥发物质的影响也较喷雾干燥或冷冻干燥都要小。

微波干燥可以降低压力和温度，使农作物尤其是谷物减少损伤。

微波杀菌微波杀菌应用已相当广泛，其机理可用热效应和非热效应来解释。

热效应是指微波产生的热量使微生物体内蛋白质、核酸等分子改性，从而达到杀菌效果；非热效应是指在电磁场作用下，微生物细胞壁破裂，致使细胞内核酸和蛋白外泄导致微生物死亡。

此外，微波还可用于酒类、发酵调味品的催陈、绿茶的杀青，蔗糖汁的减色等工艺过程。

微波灭酶在谷物制品和果树加工过程中应用比较广泛，其效果不比传统的沸水或蒸汽烫漂差，由于微波加热时间短，升温速度快，对食品品质影响更小。

微波杀菌的优点
1、时间短、速度快
2、低温杀菌保持营养成份和传统风味
3、节约能源
4、表面和内部都同时进行
5、便于控制
6、设备简单，工艺先进
7、改善劳动条件，节省占地面积微波膨化微波加热速度快，物料内部气体温度急剧上升，由于基质传热速率慢，受热气体处于高度受压状态，达到一定强度时就会发生膨化。

高水分含量物料中，水分在干燥初期大量蒸发，使制品表面温度下降，膨化效果不好；当水分低于20%时，物料粘性增加，其内部空隙中的水分和空气较难泄出而影响膨化效果。

微波加热过程辅以降低体系压强的办法，可有效地加工膨化产品。

微波解冻传统解冻时热量首先作用在冻结制品表面，然后再向制品内部传导，熔融表面导热差、内部升温慢，造成熔融周期长，品质恶化，汁液损失增加，甚至可能导致不良化学反应、产生毒素等。

微波解冻是指将制品温度由冻藏温度提高到一个较高的温度（仍然低于冰点），而不升到环境温度。

此时，制品虽是硬的，但不再是冻结固体。

在冻牛肉的微波解冻操作中发现：低温范围内，微波能的穿透深度较深，保证了冻结制品受热均匀。

微波解冻传热快、均匀，解冻所需温度低，很好地抑制不良物理化学变化和腐败微生物的侵染。

微波技术的应用前景20世纪90年代以后，由于电子技术的飞速发展，微波设备电子器件价格的下跌及能源比价的调整等因素，使得微波设备及微波加工的直接成本有了大幅度的下降；全球环境的不断恶化，使人们逐步认识到传统的加工方式不再是一种环保良好的作业。

这些都为微波加工的应用和发展提供了良好的契机和广阔的前景。

我们可以预见：微波技术将以其独特的优势在未来的生产和生活中发挥非常重要的作用。

现已广泛用于牛肉干、猪肉脯、鱼片、酱囟肉、鸭肉、鸡肉等制品的热化、干燥和杀菌。

肉制品经微波杀菌后，其鲜度、嫩度、风味均保持原样，卫生指标完全可低于国家食品卫生标准，货架贮存时间可达1-2个月，微波对肉制品杀菌、保鲜技术的成功应用，由原来保鲜期3天，延长到1-2个月，已将该项技术成果提高到崭新阶段。

利用红外线处理
1、红外线的波长范围：0、78-1000um,非电离辐射电磁波
2、红外电磁波分为：近红外线（0、78-
1、4um);中间红外线（
1、4-3um)和远红外线（3um-1mm)
3、应用中波长范围2-25um：远红外线。