食品物性学---食品热物性.ppt

姓名 邢亚阁西华大学生物工程学院 食品热物性 食品物性学 自从人类从 茹毛饮血 进化为以熟食为主以来 加热成了食品加工的重要手段 尤其是现代化食品工业 为了提高食品的商品化和保藏流通功能 加热 冷却 冷冻成了最基本的加工方法 因此 食品的热物理性质也成为食品生产管理 品质控制 加工和流通等工程的重要基础 主要内容 本章主要内容 第二节食品材料的热物理数据 第三节差示扫描热量测定与定量差示热分析 第一节食品热物性基础 第一节食品热物性基础 一 食品热物性的一般概念 1 食品的基本热参数温度 比热容 焓 导热系数2 食品的传热性质表面热流量 质量平均温度 传热规律 热传导 热对流 热辐射3 热参数的检测比热的检测 导热系数的检测 1 比热容 specificheat 1 定义 传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温度升高1K所需的热量 2 测定方法 比较常用的事是用热量计进行定压的热混合法和护热板法 第一节食品热物性基础 近年来发展用差式扫描量热术 DSC 来测量材料的比热容 此法所用的样品少 5一15mg 而且因其能测很大的温度范围 故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系 混合法 原理是把已知质量和温度的样品 投入盛有已知比热容 温度 和质量的液体量热计重 在绝热状态下 测定混合物料的平衡温度 而后根据公式推算试样的比热容 2 焓 enthalpy 焓值是相对值 过去的教材中多取 20 冻结态的焓值为其零点 近年来多取 40 的冻结态为其零点 过去 物质的焓值一般均按冻结潜热 冻结率和比热容的数据计算而得 直接测量的数据很少 但对于食品材料 实际上很难确定在某一温度时食品中被冻结的比例 而不同的冻结率对应不同的焓值 第一节食品热物性基础 第一节食品热物性基础 2 焓 enthalpy 用DSC直接测量食品焓值是一种新方法 其温度扫描从 60 开始到1 以上 这是认为到 60 时 食品中的水分己全部冻结 而到1 以上水分己全部融化成液体 3 热导率 therma conductivity 第一节食品热物性基础 测量食品材料热导率要比测量比热容困难得多 因为热导率不仅和食品材料的组分 颗粒大小等因素有关 还与材料的均匀性有关 一般用于测量工程材料的标准方法 如平板法 同心球法等稳态方法已不能很好用于食品材料 因为这些方法需要很长的平衡时间 而在此期间 食品材料会产生水分的迁移而影响热导率 目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法 被测食品材料原处于某一均匀温度 当探针插进后 加热丝提供一定得热量 使测量温度变化 经一段过渡期后 温度和时间的对数出现线性 关系 根据此直线的斜率可以求出视频材料的热导率 4 热扩散系数 thermaldiffusivity 第一节食品热物性基础 一般说来 热扩散系数a是根据比热容Cp 热导率 和密度 数据计算而得的 即a Cp 但也可以用实验测量 它主要是用一个瞬问加热的类似于测热导率的探头和热电祸 再与它有一定距离处加上另一个热电祸以测量样品温度的变化曲线 这个距离和所测得的热扩散系数数据有着很大的关系 但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事 5食品材料中的水分迁移在食品处理中 水分的迁移是个复杂的过程 它可能包括分子扩散 毛细管流动 Knudsen流动 流体流动等多种因素 用实验方法测得的用于表征此过程的是有效湿扩散系数 apparentdiffusivityofmoisture De 食品的物理结构对水分的扩散性能起了重要的作用 多空结构 如用冷冻干燥处理过的 其有效湿扩散系数De明显增大 而脂肪会使De明显降低 分子扩散是由于分子的无规则运动引起的质量迁移 对于一个两元系统 A B 在单位时间内 组份A通过单位面积的质量迁移流为 按Fick s定律其中p 是组份A的浓度 单位为kg m3 Z 是扩散途径 单位为mDAB 是组份A对组份B的扩散系数 单位为m2 s JA 是扩散质量流 单位为kg m2 s 因此 扩散系数的量纲为m2 s 扩散系数是此系统的物理性质 对于食品材料来说 多组份的系统 可以研究若干种扩散组份在食品系统中的扩散系数 食品材料的热物理性质的测量是从18世纪开始的 目前的数据中有2 3左右是在20世纪50一60年代发表的 其中 只有一部分数据说明了材料的情况和实验的条件 而大部分数据没有给出这些条件 有的甚至没给出含水量 许多数据的离散度很大 因此实际上并没有多大的用处 第二节食品材料的热物理数据 关于食品材料热物理性质的数据 收集最全的是美国供热制冷空调工程师会 ASHRAE 1993年出版的手册 Sweat等 1995 收集和比较了400多篇关于食品材料热物理性质数据的文章 发现食品材料的热物性不仅和其成分有关 如水 蛋白质 脂肪 碳水化合物等 而且与其处理方法有关 因此 热物理性质数据应指明实验材料的尺寸大小 表面情况 空隙度 纤维方向等 给出食品的处理过程 严格地讲 实验数据应讲清实验方法 实验条件 如温度 压力 相对湿度等 而实验结果应给出数据的偏差范围及测量精度 目前的数据大都达不到这些要求 第二节食品材料的热物理数据 V V T 冰在0 的融化热 334 5kJ kg或6 003kJ mol 正比于 第三节差示扫描法与定量热分析 在升温或降温的过程中 物质的结构 如相态 和化学性质会发生变化 其质量及光 电 磁 热 力等物理性质也会发生相应的变化 热分析技术就是程序控制温度的条件下 测量物质物理性质与温度关系的一类技术 因此 热分析装置目前被广泛用来测定食品品质及其成分变化 热分析作为热的收支指标测定 是对状态和状态变化性质进行分析研究的手段 早期的分析有 定量差示热分析 DTA 和热重量分析 Thermogravimetry 简称TG 差示扫描热量测定 DSC 是对这些早期的差示热分析进一步定量化 对热量也可以评价的测定方法 第三节差示扫描法与定量差示热分析 DSC及DTA方法是对加热或冷却过程中 试样所产生的细微热量变化进行测定 在设定的温度范围内 以任意的升温速度扫描测定并记录升温过程中能量吸收或放出的温谱图 温谱曲线所包围的面积 与加热过程中试样吸取或放出的热能成正比 在食品科学中 人们利用这一技术检测脂肪 水的结晶温度和融化温度以及结晶数量与融化数量 通过蒸发吸热来检测水的性质 检测蛋白质变性和淀粉凝胶等物理化学变化 1 差示扫描量热法 DSC 及定量差示热分析 DTA 的测定原理 差示扫描量热仪 在程序温度下 测量输入到物质和参比之间的功率差 从 60 C 全部冻结 到1 C 全部融化 扫描 下图是DSC主要组成和结构示意图 大致由四个部分组成 温度程序控制系统 测量系统 物理性能的测量 数据记录 处理和显示系统 样品室 第三节差示扫描法与定量热分析 温度程序控制内容包括整个实验过程中温度变化的顺序 变温的起始温度和终止温度 变温速率 恒温温度及恒温时间等 测量系统将样品的某种物理量转换成电信号 进行放大 用来进一步处理和记录 数据记录 处理和显示系统把所测量的物理量随温度和时间的变化记录下来 并可以进行各种处理和计算 再显示和输出到相应设备 第三节差示扫描法与定量热分析 样品室除了提供样品本身放置的容器 样品杯或样品管 样品容器的支撑装置 进样装置等外 还包括提供样品室内各种实验环境的系统 如维持环境气氛所需气体 氮气 氧气 氢气 氦气等 的输入测量系统 压力控制系统 环境温度控制系统等 第三节差示扫描法与定量热分析 图2DSC装置测定原理1 升温装置2 放大器3 热量补回路4 记录仪A 炉腔S 试样容器R 对照样容器Hs HR 电热丝 其测定原理如图2所示 在可以程控升温 或降温 的炉腔 A 中 装有试样容器 S 和对照样容器 R 测定时分别装入试样和对照样 使它们以一定速度扫描升温 升温过程中当试样产生热 引起变化 脱水 结合 变性 转移 相转变等 时 与其焓变化相对应 试样与对照样之间会产生温度差 当热电偶温度传感器测出温度差时 消除这一温度差的补偿电路驱动电热丝 HS或HR 发热 同时记录补偿回路的电位 从所记录的曲线面积进行定量评价 第三节差示扫描法与定量热分析 DTA所得到的是温度差曲线 而DSC记录的是补偿电路电位 即能量变化 因此 从原理上讲DSC给出的是直接焓变化 似乎从表面上看精度较高 但实际上从定量的观点看 两者的效果没有差别 目前DTA和DSC装置装填试样的量为数毫克到1mg 或10 70 l DTA与以上原理基本相似 只是没有DSC装置中的热量补偿电路和电加热部分 与DSC的测定原理相同 由热电阻Ts和TR测出试样容器与比较容器间的温度差 从所记录的曲线面积进行定量评价 第三节差示扫描法与定量热分析 图功率补偿型DSC示意图 根据测量的方法不同 DSC分为两种类型 一种是热流型DSC 一种是功率补偿型DSC 下图是功率补偿型DSC 其主要特点是分别用独立的加热器和传感器来测量和控制样品和参照物的温度并使之相等 或者说 根据样品和参照的温度差对流入或流出样品和参照的热量进行功率补偿使之相等 它所测量的参数是两个加热器输入功率之差 整个仪器由两个控制系统进行监控 其中一个控制温度 使样品和参照物在预定的速率下升温或降温 另一个用于补偿样品和参照物之间所产生的温差 这个温差是由样品的放热或吸热效应产生的 通过功率补偿使样品和参照物的温度保持相同 这样就可从补偿的功率直接求算热流率 第三节差示扫描法与定量热分析 2 DSC的数据及其分析方法 1 典型DSC曲线分析 DSC直接记录的是热流量随时间和温度变化的曲线 从曲线中可以得到一些重要的参数 从物理学中我们知道 热流量与温差的比值称为比热容 从图7一5可以看出 对样品和参照物加热过程中 热流量没有变化 或者说比热容没有变化 表明在加热过程中物质结构并没有发生变化 当对该样品和参照物继续加热时 热流量曲线突然下降 样品从环境中吸热 表明其结构发生一定程度的变化 如图7一6所示 再继续加热 样品出现了放热峰 图7一7 随后又出现了吸热峰 图7一8 第三节差示扫描法与定量热分析 a 转变温度的确定 利用DSC检测的转变温度中 主要有玻璃化转变温度Tg 结晶温度Tc和融解温度Tm 由于结晶和融解都有明显的放热峰和吸热峰 因此 在确定两个转变温度时数据比较接近 一般是将结晶或融解发生前后的基线连接起来作为基线 将起始边的切线与基线的交点处的温度即外推始点Tg作为转变温度 也有将转变峰温 Tp 作为转变温度 2 物性参数检测 包括转变温度的确定 热焓 比热容 熵及结晶数量的测定 第三节差示扫描法与定量热分析 b 热焓 DSC直接记录的是热流量随时间变化的曲线 该曲线与基线所构成的峰面积与样品热转变时吸收或放出的热量成正比 根据己知相变焓的标准物质的样品量 物质的量 和实测标准样品DSC相变峰的面积 就可以确定峰面积与热焓的比例系数 这样 要测定未知转变焓样品的转变焓 只需确定峰面积和样品的物质的量就可以了 峰面积的确定如图所示 借助DSC数据处理软件 可以较准确地计算出峰面积 第三节差示扫描法与定量热分析 3 影响DSC测量结果的一些因素 差式扫描量热法的影响因素与具体的仪器类型有关 一般来说 影响DSC测量结果的主要因素大致有下列几方面 实验条件 如起始和终止温度 升温速率 恒温时间等 样品特性 如样品用量 固体样品的粒度 装填情况 溶液样品的缓冲液类型 浓度及热力势等 参照物特性 参照物用量 参照物的热力势等 第三节差示扫描法与定量热分析 4 DSC及DTA在食品测定中的应用 在高分子领域 应用DSC和DTA进行热物性的研究较早 最近在食品高分子 蛋白质 油脂 糖质等 水及饮料的热分析方面也越来越受到重视 这方面的应用例如下 第三节差示扫描法与定量热分析 1 淀粉性质的研究在淀粉研究中 DSC主要用来研究淀粉的糊化特性 糊化程度 淀粉糊的回生程度及淀粉颗粒晶体结构相转移温度的测定 不同种类的淀粉其组成亦不相同 因而其糊化或老化的起始温度 To 峰值温度 Tp 终了温度 Te 及热焓 H 也是不同的 完全糊化的淀粉在DSC分析过程中应为无吸热峰的平坦直线 故根据淀粉的DSC分析过程中吸热峰面积 即热焓 H 的大小可估测淀粉糊化程度的大小 第三节差示扫描法与定量热分析 表1不同种类淀粉的DSC分析结果 第三节差示扫描法与定量热分析 2 蛋白质热变性的测定蛋白质分子形状的差异 由变性引起的高次结构及其恢复 都会显著影响食品的物性 因此 许多研究曾经使用 测定溶解性变化 官能团露出程度变化 光学性质变化 酶消化性变化 热收缩尺寸变化 力学性质变化 各种显微镜像变化 及X线衍射光栅像变化等方法 对蛋白质的变性进行分析 而热分析的方法则是用完全不同的原理对变性进行测定的有效方法 第三节差示扫描法与定量热分析 无论是在研究各种物理处理或添加剂对淀粉糊化温度的影响方面 还是在蛋白质变性的生化分析方面 DTA或DSC测定都提供了十分有效而简便的检测手段 最近 在面条类的开发和评价方面也采用了DTA的评价方法 对胶原蛋白 卵清蛋白 牛血清血红蛋白进行DTA测定 可以对不同的蛋白 得到各自明晰的吸热峰 用同样的方法也可测定大豆蛋白 畜肉蛋白的热变性性质 第三节差示扫描法与定量热分析 3 脂类物质的研究DSC可以用来研究脂类物质的