第二章食品物性学

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1、第二章食品物性学 第二章食品物性学 第二章食品物性学 食品的基本属性包括化学属性 生物学属性以及物理属性 物理属性 主要指其力学 热学 电学 光学及声学属性 主要反映食品及食品原料的热力学 流变学 传热传质特性 外观及质构特性以及在微波 电场 磁场作用下的表现 作用 决定了其在加工和储藏环境下的物理变化规律以及食品在被消费和食用时的外观口感和消费者的心理感受 2 1食品的力学性质 食品的力学特征主要有应力 变形和时间三要素 食品力学是食品物性学中发展最早 研究最为深入的性质 其中 食品流变特性和食品质构特性是力学研究较为成熟的核心内容 流变学 rheoiogy 是研究物体在力的作用下变形与流动

2、的科学 食品质构是通过力学的 触觉的 视觉的 听觉的方法能够感知的食品流变学特性的综合感觉 2 1 1食品流变学的基本概念 1 黏度定义液体受到外力作用发生相对移动时液体分子间产生阻力 导致液体无法顺畅流动 这种阻力的大小就称为黏度 黏度的度量方法 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 2 流体的分类A 牛顿流体在外力作用下即能流动的流体并且流动的速度梯度 与所加的剪切应力 的大小成正比 这种流体就叫做牛顿流体 式中 为黏性系数 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 牛顿流体的特征是 剪切应力与剪切速率成正比 黏度不随剪切速率的变化而变化 牛顿流体的流动特性曲线如图2 1所示 图2 1牛顿

3、流体流动特性曲线 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 B 非牛顿流体食品中更多的是非牛顿流体 以下面的经验公式表示 0 k n式中 0为屈服应力 n为流体状态特征指数 K为黏度常数 在非牛顿流体状态方程中还引入表观黏度 e 这一概念 e 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 1 假塑性流体 0 n 1时 表观黏度随剪切应力增大而减小的流体 大部分液态食品都是假塑性流体 假塑性流体的流动特性曲线如图2 2所示 图中 a tan i i 1 2 3 图2 2假塑性流体流动特性曲线 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 2 胀塑性流体 1 n 时 称为胀塑性流体 比较典型的是生淀粉糊 图2

4、3胀塑性流体流动特性曲线 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 3 塑性流体 流动特性曲线不通过原点的流动 食品中浓缩肉汁 融化的巧克力酱 鱼酱等 图2 4塑性流体特性曲线 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 4 触变性流体 所谓触变性是指流体在搅拌过程中黏度减小 流动性增加 但静置一段时间后 流动又变的困难的现象 典型的例子 调味酱 蛋黄酱等 5 胶变性流体 具有这种现象的食品往往给人以粘稠的口感 2 1 1 1液态食品的流变学基本概念 2 1 1 2固态 半固态食品的流变学基本概念 1 弹性形变和黏弹性形变所谓黏弹性形变即指弹性形变和流动形变的复杂结合 2 弹性和杨氏模量设当沿着横截

5、面为A 长度为L的均匀弹性棒的轴线方向施加力F时 棒伸长了d 则单位面积的作用力 n为 n F A式中 n 拉伸应力 N m2 n d L n称为拉伸应变 在弹性限度范围内 应力和应变之间符合虎克定律 即 n E n比例系数E称弹性模量 杨氏模量 单位是N m2 2 1 2食品的流变学特性变化规律 1 食品分散体系的分类 1 分子分散体系 分散的粒子半径小于10 7cm 相当于单个分子或离子的大小 如蔗糖溶于水后形成的 真溶液 2 胶体分散体系 分散相的粒子半径为10 7 10 5cm 2 1 2 1液态食品分散体系的流变学特征 3 粗分散体系 分散相的粒子半径为10 5 10 3cm 如悬浮

6、液 乳状液 2 食品分散体系的流变性质影响因素包括温度 分散相 浓度 黏度 形状 分散介质的影响 2 1 2 2固体与半固体食品的流变学特性 同时表现弹性性质和黏性性质的物质称为黏弹性体 黏弹性体的应力 形变与时间的关系 可通过将其组合成理想的弹性体和牛顿流体的模拟系统 分别从黏性要素和弹性要素的测定中得到 下边介绍其有代表性的组合 1 麦克斯韦模型2 沃格特模型3 四要素模型和多要素模型4 黏弹性体的各种性质 拔丝性 韦斯贝格效应 粘稠性 延伸性 柔软性 1 麦克斯韦模型是由一个弹簧和一个粘壶串联组成的 如图所示 这是最早提出的粘弹模型 这一模型可以用来形象地反映应力松弛过程 2 1 2 2

7、固体与半固体食品的流变学特性 2 沃格特模型伏格特 开尔芬模型是由一个弹簧和一个粘壶并联组成 如图所示 此模型可以描述食品的蠕变过程 2 1 2 2固体与半固体食品的流变学特性 2 1 3食品组分及组分间的相互作用对食品流变学特性的影响 在流变特性方面 食品乳化液有很大的差异 其中 界面流变学特性一直是食品科学家关注的热点 由于大多数的食品属于胶体分散体系 因此 界面的特性是影响胶体食品稳定性的重要因素 2 1 3 1乳化类食品 2 1 3 2淀粉类食品 淀粉溶液经过加热处理后具有凝胶性 流变学性质变化范围很宽 从简单的黏性流体扩延到高弹性的凝胶 这种多样性使淀粉具有广泛的工艺用途 1 淀粉水

8、分分散液结构与流变性质关系淀粉增稠与凝胶性质主要取决于系统的微观结构 而微观结构与淀粉加工及淀粉种类有关 淀粉分散系是胶质系统 膨胀的淀粉颗粒形成了分散相 直链淀粉等可溶性物质形成了连续性 淀粉分散系的黏度与分散颗粒的体积分数和形状变化密切相关 此外 连续性黏度和相态间的作用与系统的流变性质有关 2 多组分食品中的淀粉由于淀粉本身是两种聚合物的混合物 在添加聚合物将使其系统成为包含直链淀粉 支链淀粉和添加的聚合物这样一种多相系统 添加的聚合物的组成 浓度 处理条件和时间对于多组分系统的相分离状态非常重要 混合聚合物系统的微观结构是由相分离动力学控制着 其过程是向着相界面最小方向发展 在淀粉多相

9、系统中 相扩散使大量的直链淀粉聚集一起 2 1 3 2淀粉类食品 2 1 4食品的流变学特性与食品感官品质的关系 2 1 4 1多点传感器片与感官同步 1 应用原理多点传感器片是一种新型片式多点传感器 可用来进行物性及感官评价的实验研究 计算机三维输出显示1936个传感器点上的力并能显示咀嚼过程中压力随时间的变化及压力峰出现的位置 同步测定咀嚼过程中的压力及其空间分布 为了解咀嚼过程及其食糜在口腔中状态变化提供了有价值的信息 2 应用实例A应用多点传感器片研究食品硬度对人咀嚼力的影响 B应用多点传感器片测定咀嚼力以区分黄瓜品种 2 1 4 2肌电图与感官同步 1 应用原理肌肉收缩时会产生微弱电

10、流 在皮肤的适当位置附着电极可以测定身体表面肌肉的电流 2 实例分析 2 1 4 3腭电图与感官同步 应用原理应用腭电图记录设施和吞咽时舌头的运动及在物性研究中的应用依受试者上门齿到软硬腭结合处的硬腭为模板定制的一个非常薄的假腭 在假腭中植入电极 电极上的引出线连接到一个外部处理器每当舌头接触到某一电极时 信号就被传送到处理器 处理器每10微秒记录一次数据 2 1 5食品流变性质的测定 2 1 5 1黏度测量1 毛细管黏度计毛细管黏度计大体上是U型 主要适用于低黏度的流体 2 落球黏度计这类黏度计含有一根管子 小球在重力的作用下可以从管中落下 其操作方法是测量小球在重力作用下 通过装有流体的管

11、子所需的时间 3 振动黏度计振动黏度计的原理是浸入流体的探头产生剪切波 该波可以驱散周围媒介 通过探头表面负荷计算流体的黏度 旋转黏度计是测量非牛顿型流体和时间依赖性流体的最佳选择 在旋转黏度计中样品在两个测量装置间恒速旋转剪切 剪切速率和旋转速率成比率关系 通过剪切速率改变计算剪切力的大小 4 旋转黏度计 5 锐孔黏度计锐孔黏度计是通过测量标准体积的流体孔的时间来计算黏度 它常用于牛顿型流体 或者在不需要精确黏度条件下 测量近似的牛顿型流体 6 Bostwick黏度计常用于食品体系中品质控制 如土豆泥 苹果酱等 2 1 5 2黏弹性测定方法 1 应力松弛实验如果食品物料变形成固定的形状并保持

12、不变 那么维持这种形变所需要的应力随着时间而下降 即应力松弛现象 2 爬升实验如果物料上存在较大的恒力负载 随着时间的延长物料持续变形 通常称为爬升 爬升实验是指在标准时间段测量瞬间恒力作用 在物质上所产生的形变 3 动力学实验在动力学实验中速率和应力是可控的 也就是说物质所受的形变与应力可以随着时间的变化而变化 通常 物质的正弦应变会导致一些范围的应力通过物料转移 因此 样品中转移应变力是可测的 4 拉伸流动很多食品发生拉伸形变 纯粹的拉伸流动有时候称为自由剪切流动 在拉伸流动中 分子取向与流向相同 这是因为没有其他力导致旋转 新的流变学模型的出现往往得益于流变学测定仪器的发展 早期食品流变

13、特性的测定主要采用旋转黏度计 不同剪切速率下流体的黏度是通过改变转子转速来实现的 高性能流变仪主要的优点在于能提供正弦波变化模式的剪切应力 应变 实现无损状态下食品黏弹性特征的监测 这是食品流变学领域具有里程碑意义的发展 在此之前的黏弹性测定普遍采用破坏性的静态试验 以蠕变万能实验机蠕变及应力松弛测定模式为代表 2 1 5 3食品流变性质测定的研究进展 动态黏弹性的时间扫描程序可用于分析食品加工 储藏或食品反应过程中体系真实的流变学特征变化 例如 面团老化 果胶水解等 无损的实时监控为确定优化的食品加工工艺提供了最有利的数据支持 动态黏弹性的频率扫描可获得食品的 机械图谱 频率扫描测定样品的黏

14、弹性质能给出有关样品结构与流变特征的大量信息 就相当于红外光谱中的 指纹区 非流体食品在强应力作用下的加工特性往往采用质构仪进行测定 它可以提供样品在剪切 拉伸 压缩 穿透等各种不同施力模型下的变形特征 目前最为广泛采用的质构仪是Microstable系统 总体而言 现有的食品流变学特征测定手段已经能够基本满足对食品加工 贮藏过程中食品在力的作用下具有的流变学特性的测定 但由于食品原料其产品配方的复杂性 在实际的应用过程中 常见的流变学模型在食品体系中应用时往往会出现这样那样的偏差 这一点在进行工程设计时要特别引起重视 2 1 6食品质构 食品质构可以通过感官或者仪器评价 感官评价需要一个经过

15、良好训练 味觉良好的小组 实验结果很难重复 仪器方法相对感官评价成本低 耗时少 现已有很多可以进行食品质构评价的仪器 质构仪 2 1 6 1压缩压缩变形实验可以评价食品在一个标准压力下的变形情况 或者一种变形需要多大压力才能达到 这种测试类同于顾客挤压面包以确定其是否新鲜 感官评价称此为柔软或者坚硬 饼干质地分析 2 1 6 2弯曲折断性这种方法可用来测试弯曲或者折断饼干之类的易碎食品所需的力量 样品放在两根硬轨上 处于水平位置 第三根横棒处于两根硬轨的中央位置 压住样品 直至样品变形破坏 记录压力 这段样品所需的力量取决于样品的体积和强度 2 1 6 3切割性典型的切割仪器放置样品后切割刀片

16、被施加压力 切向样品切割力量有时间和样品硬度决定 2 1 6 4刺穿性刺穿实验用来评估刺穿食品所需的力量 可以表达为食品的硬度或者坚度 它常用于水果 凝胶 蔬菜和一些奶制品或者肉制品中 一般不用于谷类制品中 因为坚硬的烘焙食品在实验中易被破碎 2 1 6 5渗透性透度计设计用来评价圆锥体或者针 在标准时间内重力作用下沉入人造黄油或者酱汁中的距离 这种仪器可以用来评估黄油的涂膜性能 且操作简单 成本低 浸透深度取决于测试物体的重力 圆锥角 下落高度和形状 2 1 6 6质构特性分析质地分析机用来获得质地分析结果 以时间为函数的力量曲线就是质地剖面图 曲线的最高点和最高区域用来评价食品的破裂性 硬度 黏性 弹性 咀嚼性 2 1 6 7生面团的仪器测试 生面团的流变性可以影响最终的产品性质 用来研究生面团的仪器有粉质仪 揉混仪 拉伸仪 面筋拉力测定仪 这些仪器测量面团在搅拌或者拉伸时的力量 1 粉质仪 揉混仪粉质仪 揉混仪都是扭矩测量仪器 他们提供面团在持续混合搅拌时的一些性质 这两种仪器的区别在于搅拌方式上 粉质仪有一个捏合过程 揉混仪则是有直接连接搅拌缸底部的垂直横棒旋转搅拌 2 拉伸仪