食品的基本物理特征

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1、1 内容提要 本章主要介绍了固体食品的基本物理特征，包括单体尺寸、综合尺寸、外观形状、面积、体积等，而这些物理特征在食品工程中应用很广泛。比如: 在固体筛分除杂和果蔬分类过程中，形状和物理尺寸起重要作用。 水果的形状和尺寸大小决定了在运输时，给定尺寸的包装箱或塑料袋中能装载的数量。 果蔬、粮食和种子质量的差异往往可以通过密度的不同检测出来。 液体食物的密度对于离心分离、沉降分离、流动特性以及用泵输送的能量需求来说是重要因素。 气流输送粮食和其他颗粒固体或水力输送果蔬时，流体流速的设计与物料密度和形状均有关 。 2 重点难点 固体食品形状与尺寸（如圆度、球度）常用的测量方法； 固体食品体积与表面

2、积的测量及计算方法； 真实密度与体积质量的测量方法； 基本物理特征的统计回归关系及其统计学基础； 基本物理特征在实际生产中的应用。 3.1 形状与尺寸粮食、种子、果蔬的大小常用尺寸来描述，形状则是各种尺寸的综合体现。虽然规则形状的食品如球形食品、立方体食品等的尺寸可以用相应的几何尺寸来表示，但大部分食品和农产品的形状是不规则的，所以很难用单独的一个尺寸简单的表示出它们的形状。有时人们用食品与农产品凸起部分的尺寸来表示其大小，所用三维尺寸分别为大直径、中径和小直径。大直径是最大凸起区域的最长尺寸，小直径是最小凸起区域的最短直径。中径是最大凸起区域的最小直径，一般人们假设它与最小凸起区域的最长直径

3、相等。可以用测微器或测径器测量三维尺寸。当测微器或测径器接触种子表面时，种子被轻微压缩，所以应控制压力到最小。测微器上带有一个棘轮制动栓(有时也叫作螺母)，专门用于较硬物质如:粮食和种子的测量。一般用测径器测量较软的果蔬。但注意，测径器刀口接触果蔬表面是不可以造成损伤的。测径器上添加一个弹簧装置可以提高测量结构的重复性。由于农作物生长季节、地理位置和种类等不同，所以食品和农产品尺寸大小变化范围也不尽相同。因此在检测产品尺寸时，最好选择典型地域条件下生产的特定种类的产品，测量大量试样(100个或更多)，计算尺寸平均值和标准差，并与其他样品的均值和标准差比较。有时也需要得到统计分布情况，这一点我们

4、在后面单独论述。表3-1列出一些常见谷物果蔬的典型尺寸。小型物料如谷物籽粒和种子可以放到一个摄影放大器上进行旋转，直到在屏幕上看到其最大和最小凸起区域。商业和工业中评价食品大小时，很少使用大直径、中径和小直径，常用三个相互垂直的轴向尺寸长度(l)、宽度(L)和厚度(d)进行代替。长是指食品平面投影图中的最大尺寸，宽是指垂直于长度方向的最大尺寸，厚则为垂直于长和宽方向的直线尺寸。许多果蔬的长度都是指平行于茎的最长尺寸，直径则指正交于茎的最长尺寸。但也有特殊情况，比如:土豆的直径就不是参照茎定义的，而是垂直于最长轴的最大尺寸。3.1.1 圆度 类球体的圆度是表示其棱角锐利程度的一个参数，它有多种表

5、示方法:方法一方法二方法三式中，Ap类球体食品在自然放置稳定状态下的最大投影面积;AcAp面积的最小外接圆面积。式中，ri类球体食品最大投影面积图形上棱角的曲率半径R类球体食品最大投影面积图形的最大内接圆半径n棱角总数。 式中，rmin最大投影面积图上类球体食品的最小曲率半径Rp最大投影面积图上类球体食品的平均半径。3.1.2 球度 类球体食品的球度表示其球形程度，即等体积球体投影圆的周长，与食品最小外接球体投影圆的周长之比。 球度1式中，de与类球体体积相同的球体的直径;dc类球体的最小外接球体直径或者食品的最大直径。球度2式中，di类球体食品的最大投影面积图形的最大内接圆直径;dc类球体食

6、品的最大投影面积图形的最小外接圆直径。球度还有一种计算方法是计算直径与食品的大直径、中径和小直径相等的椭圆的体积。此时的球度是此食品体积与理想球体(球体直径与产品大直径相等)体积之比：球度3式中，a,b,c大直径、中径和小直径的一半。3.2 体积与表面积 3.2.1 体积的测量(1)密度瓶法小颗粒固态食品(如:谷物和种子)的体积可以用密度瓶或有刻度的量筒测定，通过测量食品排出液体的质量，利用下式进行计算。称空密度瓶质量前，一定要经过烘干处理，避免瓶内有残留液体。式中，第一个括号内的数值是密度瓶内液体的质量，第二个括号内的数值是含有固态粒状食品时密度瓶内的液体的质量。两个数量的差值是食品排出的液

7、体的质量。排出液体的体积就是食品的体积，等于液体的质量与其密度之比。每一个粒状食品的体积等于食品总体积除以密度瓶内食品的粒数。另一种简易测量方法是，液体的体积和加入食品后的体积可以从密度瓶上的刻度读取出来。加入食品后体积增加量就等于食品的体积。(2)台秤称量法较大体积的固态食品(如:果蔬的体积)的测量可以用台秤称量法测称量体积。一个大小足以容纳食品的大烧杯部分装入水，用台秤称量水和烧杯的质量。然后将食品全部放入水中，再用台秤称量水、烧杯和食品的总质量。注意:食品不能接触烧杯底部，如果食品比水重，那么可以用尼龙线将其悬挂;如果食品比水轻，则要用一个金属棒将食品压入水中。质量差等于物体排开水的质量

8、，固态食品体积等于物体排开水的质量与水密度之比。(3)气体排出法细小颗粒状和不规则形状固态食品体积的测量还可以用气体排出量的方法测定。实验室很容易制作一个空气密度瓶。此方法可以用来测量甘草、谷物、果蔬等多种细小食品和农产品的体积。密度瓶由两个容器、连接管和活塞构成，如右图所示。测量过程食品和农产品的体积。测量过程是:首先将被测物质放于第二个容器内，关闭活塞2和活塞3，并打开活塞1。之后向容器1充入压缩空气，当容器1内的压力达到一定值时，关闭活塞1,并记录容器1的压力P1。 关闭活塞3打开活塞2，容器1内的气体充入容器2中，待平衡后记录容器2的压力p2。 设气体规律符合理想气体定律，一般情况下，

9、V1=V2=V,则Vs计算式为：3.2.2 表面积的测量针对不同的食品，其表面积测量方法不同。(1) 对子果蔬和鸡蛋等大体积产品来说，用剥皮法或涂膜剥皮结合法测量。 果蔬的皮可以用刀削成窄条，然后将全部窄条放到纸上，画出轮廓轨迹，按照轨迹图形 计算表面积。鸡蛋和一些大体积产品不易剥皮，可以涂上硅胶等物质。涂层干燥以后成条剥 下，测量膜的表面积，测量方法同剥皮法。(2) 对于小体积物质，如谷物和种子，可以采用表面涂金属粉法测量。 准确称取种子质量，向表面涂上有豁性的膜，如亮漆等。用热气流干燥2min，然后将 涂漆的种子与金属粉混合。用60或so目的美国标准筛子筛除多余的金属粉，称出涂膜后的 种子

10、质量。通过检验与种子混合在一起涂膜的，并根据己知尺寸的塑料圆柱或球体单位表面 积所增质量，计算出种子的表面积。(3) 利用食品和农产品形状与几何体相似性估计体积和表面积。 许多果蔬、谷物和种子都呈现长球形、扁球形或三轴椭圆形。葡萄和小麦颗粒分别从扁 球体和三轴椭圆形的角度检测。其他形状复杂的食品可以按几种形状组合的固体计算。黄瓜 和土豆可以看作两个半球(两端)加一个截角锥组成。 3.2.3 投影法计算食品体积和表面积对子不规则形状的较大体积的食品，其表面积可以用投影法计算出来。 食品的形状决定其各项尺寸之间的数字关系。通常，物体各项尺寸之间的无量纲组合， 称为形状因素，物体尺寸与其面积或体积之

11、间的关系称为形状系数。形状系数是表示物体实 际形状与球形不一致程度的尺寸。常用的是面积形状系数和体积形状系数。 食品的表面积和体积分别与某个特性尺寸的两次方和三次方成正比，比例系数取决于特 性尺寸的选择。 食品的表面积和体积分别表示为:式中，S、V分别表示所检验食品的表面积和体积;aS、aV分别为食品的面积形状系数和体积形状系数;脚标a投影面积;da所测得的直径是投影面积直径;x粒状食品的尺寸，它是包括形状系数在内的人为的数值。食品单位体积的表面积Sv，也叫作比表面积，表示为Sv一奥，结合以上两式可得：式中， aSV, a食品的体面积形状系数，也称比表面积形状系数；xSV食品的体面积尺寸。由此

12、可知：对于凸状食品和农产品来说，由于其投影而积随着投影方向的变化而变化，所以一般采用平均投影面积。平均投影面积指食品在三个互相垂直的投影面上投影面积的平均值，即 式中，Ac平均投影面积; A,、A2, A3分别为在H(主视图)、V(侧视图)、W(俯视图)三个相互垂直投影图上的投影面积。凸状物体体积V和表面积S之间存在下述关系: 注意:物体为球体时，上式取等号。 3.3 密度 食品和农产品的密度分为真实密度和体积质量。 真实密度就是食品质量与其实际体积的比值，实际体积就是不包括粒状食品之问空隙体积的体积。3.3.1 真实密度 真实密度有多种测量方法 ，如下分别介绍： (1)密度天平测量法(浮力法

13、)对于体积较小的食品，可以用密度天平测量其体积，如右图所示。测定时，将食品或农产品放置在空气中和液体中分别称重，称得质量分别为ms和ms，则食品在液体中受到的浮力Fa为: (2)台秤称量法对于水果等相对较大体积的固体食品，可以用体积测量中的台秤称重法测出其体积认，设待测食品质量为ms，则食品的密度P为:(3)密度瓶法细小粒状食品或粉末食品的密度，还可以用密度瓶法测量。密度瓶的体积一般为1530cm。设密度瓶的质量为m0，体积V0,内部充满密度为1的液体，则总质量为密度瓶内加入质量ms、体积为Vs的食品或农产品后，则充满液体时的总质m2为:则体积Vs为：食品密度：液体如植物油、果汁和液态食品的真

14、实密度也可以用一个密度瓶来测量。相对密度是液体密度与同温下水密度之比。密度随温度变化很大，而相对密度的变化很小。测量密度和相对密度时，必须明确指出所用温度。(4)由组分密度计算整体密度 从表3-2可以看到，粒状食品(除了脂肪，水和盐)主要成分的密度在1.271.59g/cm之间。所以许多农产品和食品的密度为1.41. 5 g/cm3。水和脂肪的密度与其他成分密度不同，因此，所含脂肪量或水分量不同会影响食品密度。比如:牛乳的密度在很大程度上依赖于脂肪含量;大豆主要成分是蛋白质(约34%)和淀粉(约34%)，同时还含有较大量的脂肪(17-19%)。干物质密度介于蛋白质淀粉密度(约1. 4g/cm3

15、 )和油脂密度(约 .29/cm3)之间。 如果已知农产品或食物组分，可以从i和mi计算出真实密度s式中，i第i个组分的密度； mi第i个组分的质量； n组分数目。3.3.2 体积质量颗粒状物质，如谷物、面粉和脱水食物可以用真实密度、粒密度和体积质量进行描述。粒密度指单个颗粒、单个籽粒上单位体积的密度。颗粒内部的空隙影响粒密度。当把颗粒置于气体或液体中按照排气（或排水量)测量颗粒密度时，必须保证气体（或液体)不会渗入内部空隙中。不同种类谷物颗粒密度相差很多，而同一种谷物的不同类别之间的差异小一些。与干物质密度一样，粒密度也和水分含量紧密相关，所以测量粒密度时也需要了解相应的含水量。在不小于70时干燥谷物和食品，可以减小粒密度。体积质量等于颗粒质量比容器体积，单位为g/cm3或kg/m3,粒状食品或农产品的容积质量检测方法是将样品倒入己知尺寸的容器中，使其从一定高度落下受到冲击振实。填充方