第五章

食品物質的

其他物理性質一、食品物質熱學性質二、食品物質光學性質三、食品物質電學性質2023/12/7食品物質熱學性質食品加工中經常涉及到加熱和冷卻的問題，如罐頭食品殺菌時的溫度分布，牛乳濃縮時所需的熱量，凍結或解凍時的傳熱方向等問題。解決這些問題離不開食品和食品原料的熱物性，尤其是當前深加工食品和新資源食品不斷出現，掌握它們的熱物性，對上述問題的解決是非常必要的。本章重點論述食品熱物性估算方法、基本數據和檢測技術。為解決食品熱工程問題奠定基礎。2023/12/7食品物質熱學性質食品熱物性基礎差熱分析儀（DSC）2023/12/7食品熱物性基礎

食品傳熱特性傳熱系數質量平均溫度比熱容食品的有效導熱系數差示掃描熱量測定與定量差示熱分析測定原理及方法在食品測定中的應用淀粉糊化、蛋白質熱變性、巧克力與可可脂測定2023/12/7食品熱物性基礎單位表面傳熱系數h這是表示加熱或冷卻時，假定附著于固體表面的流體界膜傳熱性質的物理量，用記號h表示。h的值定義為：當流體與固體表面溫度差為1時，單位時間通過固體單位表面積的熱量，因此它是對流傳熱的參數。

q＝hAΔT式中q：面積熱流量(w／m2)；A：有效表面積(m2)；

ΔT為固體表面溫度與流體平均溫度之差；h主要由流體的粘度、密度、比熱容、導熱系數、流速、流體的平均溫度等因素決定，是由流體的熱物性和流動物性決定的物理參數。2023/12/7食品熱物性基礎質量平均溫度食品因為具有一定體積，加熱或冷卻時，不同部位會產生一定溫度梯度。溫度梯度開始較大，隨時間經過逐漸減少。為了用一個數值代表加熱過程中食品物體溫度的變化，采用質量平均溫度比較方便。在許多研究中都涉及到食品溫度的變化，然而一些研究報告卻沒有明確定義溫度的測量方法，使得數據失去客觀意義。還有一些研究取小心點溫度，代表該物體溫度。這對那些中心不可食的果蔬(果核、空心等)也不大合適。對于包括農產品在內的形狀復雜的食品，進行熱物性研究時，有必要求出內部位置和溫度的關系，明確定義它的代表溫度點。2023/12/7質量平均溫度

對于半徑為R的球形均質物體，當溫度分布由中心到表面為直線時，那么定義其質量平均溫度點是半徑為Ri的球表面；半徑為R的球質量是半徑為Ri球質量的2倍，兩球同心，即R與R的關系為

(4／3)πR3ρ＝2(4／3)πRi3ρRi＝0．79Rsmith和Bennett為了準確求出質量平均溫度表示點，將球的溫度分布用半徑r多項式表示。對任意時間的溫度分布t(r)表示為

t(r)＝a十br十cr2十dr3

a、b、c、d為常數，質量平均溫度可表示為此多項式系數的函數。設質量平均溫度為tm，半徑為R的球的熱量為

Q=ρcVtm=(4/3)πRi3ρctm式中：

ρ為密度；c為比熱容，V為體積。2023/12/7食品比熱容的定義比熱容(specificheatcapacity)又稱比熱容量，簡稱比熱(specificheat)，是單位質量物質的熱容量，即使單位質量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內能。比熱容是表示物質熱性質的物理量。通常用符號c表示。國標單位為J/(kg·K)。常用其他單位：kJ/(kg·℃)、cal/(kg·℃)、kcal/(kg·℃)等。2023/12/7比熱容測定比熱容的測量比較常用的是用熱量計進行定壓的熱混合法和護熱板法。混合法：其原理是把已知質量和溫度的樣品，投入盛有已知比熱容、溫度和質量的液體量熱計中。在絕熱狀態下，測定混合物料的平衡溫度。由以上已知量計算試樣的比熱容。2023/12/7比熱容測定護熱板法：測定原理如圖所示。測定時將試樣放人電熱護板框中，同時結護熱板框和試樣加熱．使試樣處在無熱損失的理想狀態。即護熱板和試樣溫度始終保持一致。設在t時間內，供給樣品的能量為Q，試樣溫度升高為T，則Q=0.24IUt=cmΔTc=0.24IUt/(mΔT)式中：I為電流；U為電壓；t為時間，m為試樣質量；ΔT為溫度變化。2023/12/7食品材料比熱容的估算食品材料的比熱容和含水量有著明顯的關系，對于水分含量(以w表示)較高的食品,可按下式計算2023/12/7食品材料比熱容的估算低于初始凍結溫度的情況，如食品中的水分己被全部凍結，則可用下式計算2023/12/7食品材料比熱容的估算對于食品組分己知的食品，如通過固定配料開發出來的新產品，可按式(7一22)和式(7一23)計算。Heldman和Singh(1981)

（7-22）（7-23）式中，Ww——食品中水分的質量分數；Wp——食品中蛋白質的質量分數；

Wc——食品中碳水化合物的質量分數；Wf——食品中脂肪的質量分數；Wa——食品中灰分的質量分數。Choi和Okos(1983)

2023/12/7食品有效導熱系數高于初始凍結溫度的情況

低于初始凍結溫度的情況

2023/12/7高于初始凍結溫度如果不清楚食品材料的詳細組分，只知道含水量，或含水量較高，可按下式計算Choi和Okos(1983)提出Sweat(1995)提出2023/12/7高于初始凍結溫度

多孔性食品的導熱系數多孔性食品的導熱系數與空隙度有很大關系，有時影響比含水量的影響還大。食品材料在許多情況下是非均相物質，如食品由兩種組分組成，這可以有三種情況(圖7一23)，由三種不同方式對導熱系數做貢獻。2023/12/7傳熱方向與兩組分系統界面平行式中，

φi——第i組分的體積分數；

λi——第i組分的導熱系數。傳熱方向與兩組分系統界面平行的導熱系數可按下式計算：

2023/12/7傳熱方向與兩組分系統界面垂直式中，

vi——第i組分的體積分數；

λi——第i組分的導熱系數。傳熱方向與兩組分系統界面垂直的導熱系數可按下式計算：

2023/12/7低于初始凍結溫度０℃冰的熱導率為2.24W/(m·K)，遠大于0℃水的熱導率0.567W/(m·K)。所以凍結食品的熱導率也遠高于未凍食品。要預測凍結食品的熱導率是極困難的，這不僅因為熱導率與纖維方向有關，而且因為在凍結過程中食品的密度、空隙度等都會有明顯的變化，而這些都對熱導率產生很大的影響。式中，

φi—各組分的體積分數；

ρi—各組分的密度；

λi—各組分的熱導率。Choi和Okos(1984）提出根據各組分的體積分數和熱導率計算食品材料熱導率的方法。2023/12/7差示掃描量熱法（DSC）

（DifferentialScanningCalorimetry）現代熱分析是指在程序控溫下，測量物質的物理性質隨溫度變化的一類技術。人們通過檢測樣品本身的熱物理性質隨溫度或時間的變化，來研究物質的分子結構、聚集態結構、分子運動的變化等。應用最多的熱分析儀器是功率補償型DSC、熱流型DSC、差熱式DTA、熱重TG等。定義：DSC是研究在溫度程序控制下物質隨溫度的變化其物理量（ΔQ和ΔH）的變化，即通過程序控制溫度的變化,在溫度變化的同時,測量試樣和參比物的功率差(熱流率)與溫度的關系。即在程序控制溫度下，測量輸給物質與參比物的功率差與溫度的一種技術。分類：根據所用測量方法的不同1.功率補償型DSC2.熱流型DSC2023/12/7功率補償型DSC測量的基本原理2023/12/7功率補償型DSC儀器的主要特點

1.試樣和參比物分別具有獨立的加熱器和傳感器見圖。整個儀器由兩套控制電路進行監控。一套控制溫度，使試樣和參比物以預定的速率升溫，另一套用來補償二者之間的溫度差。

2.無論試樣產生任何熱效應，試樣和參比物都處于動態零位平衡狀態，即二者之間的溫度差

T等于0。2023/12/72023/12/7熱流型DSC不同之處在于試樣與參比物托架下，置一電熱片，加熱器在程序控制下對加熱塊加熱，其熱量通過電熱片同時對試樣和參比物加熱，使之受熱均勻。2023/12/7縱坐標：熱流率橫坐標：溫度T(或時間t)峰向上表示吸熱向下表示放熱DSC曲線峰包圍的面積正比于熱焓的變化。DSC曲線2023/12/7影響DSC的因素由于DSC用于定量測試，因此實驗因素的影響顯得更重要，其主要的影響因素大致有以下幾方面：1.實驗條件：程序升溫速率Φ，氣氛2.試樣特性：試樣用量、粒度、裝填情況、試樣的稀釋等。2023/12/7實驗條件的影響

(1).升溫速率Φ主要影響DSC曲線的峰溫和峰形，一般Φ越大，峰溫越高，峰形越大和越尖銳。實際中，升溫速率Φ的影響是很復雜的，對溫度的影響在很大程度上與試樣的種類和轉變的類型密切相關。2023/12/7如已二酸的固-液相變，其起始溫度隨著Φ升高而下降的。2023/12/7

在DSC定量測定中，最主要的熱力學參數是熱焓。一般認為Φ對熱焓值的影響是很小的，但是在實際中并不都是這樣。2023/12/7從室溫到熔點之間有四個相(I、II、III、IV)之間的轉變過程。隨著升溫速率的增大，硝酸銨的相轉變峰溫和熱焓值是增高的。

2023/12/7(2).氣氛實驗時，一般對所通氣體的氧化還原性和惰性比較注意，而往往容易忽略對DSC峰溫和熱焓值的影響。實際上，氣氛的影響是比較大的。2023/12/7如在He氣氛中所測定的起始溫度和峰溫比較低，這是由于爐壁和試樣盤之間的熱阻下降引起的，因為He的熱導性約是空氣的5倍，溫度響應比較慢，而在真空中溫度響應要快得多。2023/12/72.試樣特性的影響1）試樣用量：不宜過多，多會使試樣內部傳熱慢，溫度梯度大，導致峰形擴大、分辨力下降。

2023/12/72）試樣粒度影響比較復雜。通常大顆粒熱阻較大，而使試樣的熔融溫度和熔融熱焓偏低。但是當結晶的試樣研磨成細顆粒時，往往由于晶體結構的歪曲和結晶度的下降也可導致相類似的結果。對干帶靜電的粉狀試樣，由于粉末顆粒間的靜電引力使粉狀形成聚集體，也會引起熔融熱焓變大。2023/12/73）試樣的幾何形狀在高聚物的研究中，發現試樣幾何形狀的影響十分明顯。對于高聚物，為了獲得比較精確的峰溫值，應該增大試樣與試樣盤的接觸面積，減少試樣的厚度并采用慢的升溫速率。2023/12/72023/12/7DSC曲線峰面積的確定及儀器校正DSC對試樣進行測定的過程中，試樣發生熱效應后，其導熱系數、密度、比熱等性質都會有變化。使曲線難以回到原來的基線，形成各種峰形。如何正確選取不同峰形的峰面積，對定量分析來說是十分重要的。DSC是動態量熱技術，對DSC儀器重要的校正就是溫度校正和量熱校正。為了能夠得到精確的數據，即使對于那些精確度相當高的DSC儀，也必須經常進行溫度和量熱的校核。2023/12/71.峰面積的確定一般來講，確定DSC峰界限有以下四種方法：(1)若峰前后基線在一直線上，則取基線連線作為峰底線(a)。(2)當峰前后基線不一致時，取前、后基線延長線與峰前、后沿交點的連線作為峰底線(b)。2023/12/7(3)當峰前后基線不一致時，也可以過峰頂作為縱坐標平行線．與峰前、后基線延長線相交，以此臺階形折線作為峰底線(c)。(4)當峰前后基線不一致時，還可以作峰前、后沿最大斜率點切線，分別交于前、后基線延長線，連結兩交點組成峰底線(d)。此法是ICTA所推薦的方法。2023/12/72.溫度校正（橫坐標校正）DSC的溫度是用高純物質的熔點或相變溫度進行校核的高純物質常用高純銦，另外有KNO3、Sn、Pb等。2023/12/71965，ICTA推薦了標定儀器的標準物質2023/12/7試樣坩堝和支持器之間的熱阻會使試樣坩堝溫度落后于試樣坩堝支持器熱電偶處的溫度。這種熱滯后可以通過測定高純物質的DSC曲線的辦法求出。高純物質熔融DSC峰前沿斜率為：R0為坩堝與支持器之間的熱阻2023/12/7試樣的DSC峰溫為過其峰頂作斜率與高純金屬熔融峰前沿斜率相同的斜線與峰底線交點B所對應的溫度Te。2023/12/73.量熱校正（縱坐標的校正）用已知轉變熱焓的標準物質（通常用In、Sn、Pb、Zn等金屬）測定出儀器常數或校正系數K。A：DSC峰面積cm2ΔH：用來校正的標準物質的轉變熱焓：mcal/mgS：記錄紙速cm/sa：儀器的量程（mcal/s）m：質量2023/12/7任一試樣的轉變或反應焓值：選用的標準物質，其轉變溫度應與被測試樣所測定的熱效應溫度范圍接近，而且校正所選用的儀器及操作條件都應與試樣測定時完全一致。2023/12/72023/12/72023/12/7DSC的應用鑒于DSC能定量的量熱、靈敏度高，應用領域很寬，涉及熱效應的物理變化或化學變化過程均可采用DSC來進行測定。峰的位置、形狀、峰的數目與物質的性質有關，故可用來定性的表征和鑒定物質，而峰的面積與反應熱焓有關，故可以用來定量計算參與反應的物質的量或者測定熱化學參數。2023/12/72023/12/71.玻璃化轉變溫度Tg的測定無定形高聚物或結晶高聚物無定形部分在升溫達到它們的玻璃化轉變時，被凍結的分子微布朗運動開始，因而熱容變大，用DSC可測定出其熱容隨溫度的變化而改變。1)取基線及曲線彎曲部的外延線的交點2)取曲線的拐點2023/12/72.混合物和共聚物的成分檢測脆性的聚丙烯往往與聚乙烯共混或共聚增加它的柔性。因為在聚丙烯和聚乙烯共混物中它們各自保持本身的熔融特性，因此該共混物中各組分的混合比例可分別根據它們的熔融峰面積計算。

2023/12/7沖擊實驗表明，含乙烯鏈段少的試樣抗沖擊性能差。2023/12/73.結晶度的測定高分子材料的許多重要物理性能是與其結晶度密切相關的。所以百分結晶度成為高聚物的特征參數之一。由于結晶度與熔融熱焓值成正比，因此可利用DSC測定高聚物的百分結晶度，先根據高聚物的DSC熔融峰面積計算熔融熱焓ΔHf，再按下式求出百分結晶度。ΔHf*：100%結晶度的熔融熱焓2023/12/7ΔHf*的測定用一組已知結晶度的樣品作出結晶度ΔHf圖，然后外推求出100％結晶度ΔHf*.2023/12/72023/12/7食品物質光學性質大部分的食品是由無數細小的內部界面組成，在光學上是各向異性的。光進入這種物料后在各個方向上散射，而不是以直線方式透過物體，多次散射和重新分布是光和食品相互作用的主要特征。反射光提供了食品表面特征的信息，如顏色、表面缺陷、病變和損傷等，而光的吸收和透射則是食品內部結構組成、內部顏色和缺陷等信息的載體。對這些量的分析可以判斷食品物料的不同顏色、區分質量優劣、指示成熟與否，從而可以對食品進行分選和質量分析。對食品光學性質的測定，最大優點就是可以實現對食品快速、無破壞、無損傷檢測。2023/12/7食品物質光學性質

食品與色澤食品光物性與測定食品的光學測定原理；利用食品光學性質進行測定的裝置和方法；食品近紅外測定的原理和應用；色差的概念和食品色度的檢測方法2023/12/7食品與色澤食品的色澤是人的感官評價食品品質的一個重要因素。不同的食品顯現著各不相同的顏色，例如，菠菜的綠色、蘋果的紅色、胡蘿卜的橙紅色等，這些顏色是食品中原來固有的。飲食文化講究色香味俱全，其中色彩排在首位，色彩可以促進人們的食欲，有色彩變化搭配的食物容易增進食欲，而單調或者雜亂無章的色彩搭配則使人倒足了胃口。不同彩色光源的照射也會對食品色彩產生很大的影響，從而引起人們不同的食欲反映，農貿市場中許多出售肉食的攤位用紅色玻璃紙包裹燈泡用紅色燈光照射食物，就是為了使肉食看上去更加新鮮，引起人的食欲。色彩與嗅覺的關系大致與味覺相同，也是由生活聯想而得。從花色聯想到花香，根據試驗心理學的報告：通常紅、黃、橙等的暖色系容易使人感到有香味，偏冷的冷色系容易使人感到有腐敗的臭味。深褐色容易聯想到燒焦了的食物，感到有蛋白質烤焦的臭味。2023/12/7食品的光學測定原理光通過介質時，一部分在界面上被反射，一部分被介質吸收，另一部分被介質散射，余下部分按一定折射方向繼續前進(這部分也可以叫做透射光)。因此，通過介質透出的光強度必然比入射光弱。同時，由于不同波長的光在介質中的傳播速度不同，因而同一介質對不同波長的光，有不同的折射率，所以一束白光或復合光在折射時，只要入射角不為零，則不同波長的光，將按不同的折射角而散開，稱之為色散。由此可見，光的吸收、散射、反射和色散是光在介質中傳播時所發生的普遍現象。2023/12/7光的吸收光通過任何介質都有不同程度的被吸收。物質對光的吸收有選擇性。同一介質對不同波長(不同顏色)的光的吸收程度不等。無色透明物質，例如玻璃，對可見光(波長在400一800nm之間)吸收很少。通常lcm厚的玻璃對可見光只吸收約1%，但玻璃對紫外線吸收較為顯著。石英對紫外線吸收不多，而對紅外線吸收性較強。一般有色透明體，例如紅色玻璃對紅、橙色光吸收較弱(透過較多)，而對其他色光吸收較強。諸如這類現象稱為透明介質對光的選擇透射。相對來說，也就是選擇吸收。當綠色或藍色光投入紅色玻璃片，則紅色玻璃片呈現非透明現象。2023/12/7光的吸收設強度為I的某種光，通過厚度為dx的某種均勻介質層，因被介質吸收部分光能量而使強度減少dI，如圖9一1所示，朗伯（Lambert），指出(dI/I)與吸收層厚度dx成正比，即有2023/12/7光的吸收式中aλ與介質性質和光波的波長有關，稱為該介質對該種光的吸收系數。當介質總厚度為x，原入射光強度為I0，通過整個介質以后的光強度為I，將上式積分，得2023/12/7光的吸收上式即為朗伯定律的數學表達式。對于選擇吸收的物質來說，在吸收波段內，aλ可以很大，aλ越大，表示吸收越強。實驗證明，稀溶液對光的吸收系數aλ與其濃度c成正比，即有aλ＝kic的關系，式中ki為決定于吸收物質的分子特性，而與濃度無關的另一常數。根據光在溶液中的被吸收的程度，可以決