食品物性学(精品)

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1、.,食品物性学 Physical Properties of Food,.,1 绪论 1.1课程性质 食品物性学是食品科学与工程专业的一门重要学科基础课。 专业基础课 32学时 1.2课程的定义及研究内容 物理学：研究物质的物理性质。 食品物性学（食品物理学）：研究食品及食品原料的物理性质。,.,我们对食品的关心体现在食品的质量上。,.,食品质量的主要因素 1、用眼睛感知的颜色、形状、尺寸、光泽等表观性状，称为视觉感应; 用鼻、舌感知的风味.称为化学感应; 用身体某些部位通过接触而感知到的细腻程度咀嚼时产生的声音等特性称为食品 质构特性; （感官品质） 2、食品中蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生

2、素、矿物质、纤维素等物质含最与比例， 称为营养价值。（营养价值） 3、食品的安全性 。（安全性）,.,食品物性学 食品的感官品质（质构） 对各类食品的影响不同。 食品的物性包括的内容很多，我们主要研究力学、热学、光学和电学。 1.3发展历程 经历了近百年的发展过程，从食品流变（Rheology)到食品质构（Texture)再到食品的光、电、热等物性，形成了完整的课程体系。,.,流变一词来源于希腊语“ rheo”意为流动。流变学( Rheology) 是研究物质在力的作用下变形和流动的科学, 属于力学的一个分支。 17 世纪英国科学家虎克( Robert Hooke) 和牛顿( Isaac Ne

3、wton) 等人建立了粘 弹性和流体力学理论;,.,1929 年, 美国化学家宾汉提出了流变学的概念, 从此流变学作为一个独立的学科开始形成; 同年, 美国流变学会在华盛顿成立; 随后, 各国相继成立流变学会。1948 年9 月在荷兰举行了首届国际流变学会议。此后, 每隔5 年在不同会员国举行。1968 年8 月, 日本京都国际流变学会议后改为每隔4 年召开一次。随着流变学的不断发展, 逐渐形成了食品流变学、生物流变学、血液流变学等分支学科。,.,食品流变学是在流变学基础上发展起来的, 它以弹性力学和流体力学为基础, 主要应用线性粘弹性理论, 研究食品在小变形范围内的粘弹性质及其变化规律, 测

4、量食品在特定形变情况下具有明确物理意义的流变响应。因此, 食品流变学的研究对象是食品及其原料的力学性质。食品流变学与传统的只注重食品的组成及其变化的化学方法不同, 它用数学语言, 通过所设定的数学模型对食品进行量化的研究。,.,食品的物理性质很多，在本科程里，我们只研究与食品加工与质量相关的物理性质，如力学特性、流变学特性、质构、光特性、介电特性和热特性等。其中食品流变学特性和食品质构两部分内容研究相对深入，是本课程比较成熟和核心的内容。光、电、热特性是近儿年开始研究的内容，资料相对较少，缺乏系统性和完整性。,.,食品流变学与食品的关系： 食品物料的流变特性与食品的质地稳定性和加工工艺设计等有

5、重要关系,食品加工过程中物性变化是不可避免的，有些物性变化是有利的，加工后的食品其物性有利于人们消化吸收。或满足口感。如小麦磨成粉末后加工出不同质构的面包及人造肉的口感等。有些物性变化是不利的，其中冷冻食品、罐头食品和长期贮藏的果蔬产品，其质构变软，弹性减弱。为了获得消费者满意的食品.在加工与贮藏过程中.我们要采取必要的技术手段。如添加一些增稠剂提高产品的a弹性，添加氯化钙提高果蔬的硬度等。所以通过对食品流变学特性的研究, 可以了解食品的组成、内部结构和分子形态等, 为产品配方、加工工艺、设备选型及质量控制等提供方便和依据。,.,1.4课程特点 本课程所涉及到的内容与高分子物理有很多相似之处.

6、主要原因是食品中的蛋白质、多糖和脂肪等主要成分属于高分子物质，它们以一定结构形态和物性影响食品的感官价值、营养价值和稳定性。高分子物理学是以橡胶和塑料为研究对象的课程，它突出材料强度和材料对光、电、热的稳定性问题。而食品物性学研究的材料非常复杂，有些是有生命的活体，有些是有特殊组织结构的物质(例如:果蔬产品和加工制品)或高分子和小分子物质混杂.这些都有别于高分子物理学。本课程还与力学、光学、电学、热学等许多课程有联系.但是最大差异还是来自于所研究的材料差异。我们是利用这些学科基本知识，解决食品和农产品的物性问题，因此，欲学好本课程要有较好的物理学知识和工程基础知识。,.,1、组成的复杂性 多成

7、分、多形态、易变性、有些有细胞结构。 2、多样性（从加工的角度看） 有初级产品：谷物、水果、蔬菜、肉类等等； 有一次加工的食品材料：油、面粉、奶粉、蛋粉等等； 有半成品、成品：面团、面包、米饭等等。,.,食品的力学性质 力学性质包括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。具体体现 （1）食品的力学性质是食品感官评价的重要内容。对有些食品，是决定品质好坏的主要指标。 （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，可以把握食品的以上品质变化。 （3）食品的力学性质与加工的关系也十分密切。,.,食品的热学性质 食品的热物理性质是

8、食品生产管理、品质控制、加工和流通等工程的重要基础。 常见的热学性质指标和主要研究内容有：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。 运用：食品的单元操作、食品进行冷热处理、改善某种品质等。,.,食品的电学性质 食品的热学性质主要指：食品及其原料的导电特性、介电特性，以及其它电磁和物理特性。 研究领域：（1）食品品质状态、成分的变化往往反应在电学性质的变化上。（电测传感器把握食品的特性、非破坏检测等）（2）电磁物理加工：静电场处理技术、电磁波加工技术、通电加热技术、电渗透脱水技术、电磁场水处理技术等。,.,食品的光学性质 食品的热学性质是指食品物质对光的吸收、反射及其对感官反

9、应的性质。 研究领域（1）通过光学性质实现对食品的成分测定。（2）食品色泽的研究,.,1.5 本课程的目的 目的：通过本课程学习，应该掌握食品质量与物性间的关系;掌握影响食品物性的机理和物性检测评估方法;能够根据消费者对物性的不同嗜好开发市场需求的新产品:了解食品材料的光、电、热特性。为开发利用光、电、热加工技术.降低光、电、热对食品品质的影响奠定基础。,.,1.6参考书,.,2 食品的主要形态与物理性质 内容提要 食品组成与结构的复杂，在分子层面上，大分子与小分子相互作用，且比例不断变化；在结构形态上，有晶态、液态、液晶态、不定形态和气态。同样也相互掺杂或转变。食品在储存和加工过程中，受外界

10、环境的影响，其组成和微观结构形态不断变化，导致食品品质和物性发生变化，在食品加工和储存中，要设计开发具一定物性的食品或调控食品的物性，首先在微观上应清楚引起物性变化的机理，这是本章的目的。,.,重点难点 高分子的链结构与构象，高分子间几种典型的作用力及其作用机理； 食品主要成分的结构形态，蛋白质、脂肪和碳水化合物各自的形态结构特征； 食品中的水分以及水与溶质间的相互作用； 动物食品与植物食品组织结构。 本章内容是关于食品主要成分与结构形态的简单介绍，从微观层面阐述了食品结构与物性的关系，说明了引起食品物性变化的一些机理，为学习食品物性学这门课打下基础。,.,2.1 微观结构与作用力 物质的结构

11、：是指物质的组成单元(原子或分子)之间相互吸引和相互排斥的作用达到平衡时在空间的几何排列。分子内原子之间的几何排列称为分子结构，分子之间的几何排列称为聚集态结构。 食品的结构不是简单的分子结构，而是分子经过几何排列的聚集态结构。 8,.,分子结构：分子内原子间的几何排列 结构 聚集态结构：分子间的几何排列 食品物质：聚集态结构。,.,高分子是由许多小分子单元键合而成的长链状分子。分子量足够大的长链高分子结构远比小分子复杂得多。 高聚物结构研究的内容： 1高分子链的结构：近程结构（一级结构）、 远程结构（二级结构）； 2高分子的聚集态结构又称三级或更高级结构。,.,近层结构：结构单元的化学组成、

12、键接方式与序列、结构单元的立体构型和空间排列、支化与交联、端基。 远程结构：高分子的大小和形态。 高分子聚集态结构：晶态结构、非晶态结构、取向结构、织态结构。,.,2.1.1 高分子内原子间与分子间相互作用 相互作用：吸引力和推拒力 吸引力：键合原子之间的吸引力有键合力，非键合原子间、基团间和分子间的吸引力有范德华力、氢键和其他力。 推拒力：当原子间或分子间的距离很小时，由于内层电子的相互作用，呈现推拒力。 分子内原子之间和分子与分子之间的吸引力和推拒力随原子间和分子间距离而改变。当吸引力和推拒力达到平衡时，就形成平衡态结构。,.,2.1.1.1键合力 键合力包括共价键、离子键和金属键。在食品

13、中，主要是共价键和离子键。 如C-N之间的共价键即是连接氨基酸的肽键，其键能是维持蛋白质的一级结构形态，与维持蛋质空间构象的其他次级键相比，其键能较高，因此蛋白质构象容易发生变化，但是氨基酸链不易断开。,.,离子键:又称盐键或盐桥，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。吸引力与电荷电量的乘积成正比，与电荷质点间的距离平方成反比，在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大而降低。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。,.,2.1.1.2.范德华力和其它介观力 非键合原子间和分子间的相互作用力包括范德华力、氢键力

14、和其他力。其中范德华力包括静电力、诱导力和色散力。,.,(1)静电力是极性分子间的相互作用力，由极性分子的永久偶极之间的静电相互作用所引起。作用能为1220kJ/mol，与分子偶极矩的大小、分子间的距离和热力学温度之间的关系如下: 式中，Ek分子间静电相互作用能; 1、2两种极性分子的偶极矩; R分子间的距离; T热力学温度; k玻耳兹曼常数。 从上式可以看出，静电力大小受分子间的距离影响最大。,.,(2)诱导力 当极性分子与其他分子 (包括极性分子和非极性分子)相互作用时,其他分子产生诱导偶极。极性分子的永久偶极与其他分子的诱导偶极之间的作用力称为诱导力。作用能的大小为： 式中，1、2为两种

15、分子的极化率，也就是单位电场强度作用下诱导的偶极矩。诱导作用能一般为612kJ/mol。,.,c.色散力 在一切分子中，原子内的电子不停地旋转，原子核也不停地振动，因而在任何一瞬间， 一些电子与原子核之间必然会发生相对位移，使分子具有瞬间偶极。瞬间偶极之间的相互作 用力称为色散力。色散力存在于一切极性和非极性分子中，其作用能的大小可表示为: 式中，I1、I2两种分子的电离能。 色散力的作用能一般为0.8一8kJ/mol。 范德华力是永远存在于一切分子之间的吸引力，没有方向性和饱和性。作用距离0.26nm，作用能比化学键能小1一2个数量级。,.,氢键 它是极性很强的X一H键上的氢原子与另一个键上

16、电负性很大的Y原子之间相互吸引而形成的(X一HY)。氢键既有饱和性又有方向性:X一H只能与一个Y原子形成氢键,而且X一H一Y要在同一直线上，氢键的作用能比化学键小得多，但比范德华力大一些，为12一30kJ/mol, X, Y的电负性愈大，Y的半径愈小，则所形成的氢键愈强，氢键作用半径一般为0.17一0.20nm。氢键可以在分子间形成，也可以在分子内形成，聚酸胺、纤维素和蛋白质等都有分子间的氢键。,.,疏水键 当疏水化合物或基团进入水中时，体系界面自由能增加，嫡减少，这是一个热力学不稳定问题。为此，体系将力图趋向稳定，尽量减少疏水混合物与水接触面积，在嫡驱动下，疏水化合物自发地相互靠近。因此，疏水键并不是疏水基团之间存在引力，而是体系为了稳定自发的调整。疏水键的键能在530kJ/mol范围内，主要与疏水基团的大小和形状有关。疏水键在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位。,.,上述各种分子间力可统称为次级力。对高聚物来说，