食品物性学复习资料

食品物性学复习资料微观结构有序性有结晶态、液晶态和玻璃态。力学性质粘性、粘弹性体等1定义流变学RHEOLOGY是研究材料的流动和变形的科学，它与物质的组织结构有密切关系。食品流变学主要研究作用于食品的应力和由此产生的应变的规律，并用力、变形和时间的函数关系来表示2食品流变学的研究目的食品感官评价的重要内容，决定品质好坏，用食品流变仪测定法来代替感官评定法，定量地评定食品的品质、鉴定和预测顾客对某种食品是否满意。与食品的生化变化、变质情况密切相关。食品流变学实验可用于鉴别食品的原材料、中间产品，也可用于控制生产过程流变学理论己经广泛应用于有关的工艺设计和设备设计。第2章食品的主要形态与物理性质一、1、微观结构与作用力物质的结构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。分子结构分子内原子之间的几何排列聚集态结构分子之间的几何排列2、高分子内原子间与分子间相互作用主价力A键合力包括共价键、离子键、金属键次价力B范德华力（包括静电力、诱导力、色散力）C氢键E疏水键疏水相互作用是蛋白质折叠的主要驱动力。同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素3、高分子链结构与柔性高分子链之所以具有柔性的根本原因在于它含有许多可以内旋转的单键自由联结链线形高分子链中含有成千上万个键。如果主链上每个单键的内旋转都是完全自由的，则这种高分子链称为自由联结链。柔性高分子链的理想状态如果高分子主链上没有单键，则分子中所有原子在空间的排布是确定的，即只存在一种构象，这种分子就是刚性分子。如果高分子主链上虽有单键但数目不多，则这种分子所能采取的构象数也很有限，柔性不大柔性高分子链的外形呈椭球状。随着分子的热运动，高分子链的构象不停地发生变化。无规线团通常把无规则地改变着构象的椭球状高分子二、聚集态结构与内聚能1、食品形态微观结构按分子的聚集排列方式主要有三种类型晶态分子或原子、离子间的几何排列具有三维远程有序液态分子间的几何排列只有近程有序（即在12分子层内排列有序，而远程无序气态分子间的几何排列不但远程无序，近程也无序两种过渡态玻璃态（无定形）分子间的几何排列只有近程有序，而无远程有序，即与液态分子排列相同液晶态分子间几何排列相当有序，接近于晶态分子排列，但是具有一定的流动性如动植物细胞膜和一定条件下的脂肪凝胶态有一定尺寸范围的粒子或者高分子在另一种介质中构成的三维网络结构形态，或者说另一种介质（例如水、空气）填充在网络结构中粒子凝胶具有相互吸引趋势的粒子随机发生碰撞形成粒子团，当这个粒子团再与另外的粒子团发生碰撞时又形成更大的粒子团，最后形成一定的结构形态聚合物凝胶都是由细而长的线形高分子，通过共价键、氢键、盐桥、二硫键、微晶区域、缠绕等方式形成交联点，构成一定的网络结构形态2、内聚能1MOL的聚集体气化时所吸收的能量高分子链上的极性基团的极性越小，单位摩尔体积中的内聚能就越低，高分子链的柔软性就越好3、食品主要成分结构形态蛋白质一级结构、二级结构、三级结构、四级结构脂肪层状、六方形、六方形、立方碳水化合物单螺旋结构直链淀粉双螺旋结构角叉菜胶P25图233蛋盒结构海藻酸盐P27图235三、食品中的水分1、水的基本物性1）HO键间电荷的非对称分布使HO键具有极性，这种极性使分子之间产生引力2）由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体，因此可以在三维空间形成多重氢键，形成氢键网络结构水的分子团多孔隙构造准稳定系统每个水分子在结构中稳定的时间仅在1012S左右，在极短的时间内，于其平衡位置振动和排列，并不断有水分子脱离和加入某一个分子团，这也是水具有低黏度和较好流动性的根本原因2、水与离子、亲水溶质间的相互作用离子和有机分子的离子基团与水形成水离子键，其键能虽然远小于共价键，但是却大于水分子间的氢键，使水分子的流动性下降例如在淀粉糊中加入糖，糖与水的结合改变淀粉的糊化，使糊化和糊化后的老化化速度减慢。蛋白质的变性也需要水，因此，当糖存在时蛋白质的变性也会减慢。3、水与非极性物质的相互作用疏水水合向水中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，使得熵减小，此过程成为疏水水合疏水相互作用当水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作用。为什么陈酒的口感好陈酿的酒在杯中显得“黏”，酒精挥发也慢一些，这可以认为，酒在长期存放中，水分子与乙醇分子形成了疏水性的水合结构。因此，陈放的酒口感也比较温和，没有即时调制的酒那么“辣”。四、食品分散体系（重点）1分散系统数微米以下、数纳米以上的微粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊即分散的系统。包括分散相微粒子分散介质气体、液体或固体的介质，也称连续相2分散体系的特点分散体系中的分散介质和分散相都以各自独立的状态存在，所以分散体系是一个非平衡状态。每个分散介质和分散相之间都存在着接触面，整个分散体系的两相接触面面积很大，体系处于不稳定状态。3、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107CM，相当于单个分子或离子的大小。此时分散相与分散介质形成均匀的一相。因此分子分散体系是一种单相体系。与水的亲和力较强的化合物，如蔗糖溶于水后形成的“真溶液”就是例子。2胶体分散体系分散相粒子半径在107105CM的范围内，比单个分子大得多。分散相的每一粒子均为由许多分子或离子组成的集合体。分散相与分散介质己并非为一个相，存在着相界面。这种体系有时也简称为“溶胶”。3粗分散体系分散相的粒子半径在105103CM的范围内，可用普通显微镜甚至肉眼都能分辨出是多相体系。例如悬浮液泥浆和乳状液牛乳就是例子4、泡沫和气泡的形成与性质泡沫含有天然或合成界面活性物质的液体分散于介质中，存在大量气泡的状态球形泡沫，或在大量气泡之间，由很薄的液膜分隔，气泡呈多面体的状态多面体泡沫的总称1）泡沫形成原理气液界面的分子，由于受内部拉力作用，都有向液体内运动的趋向，表面会自发地缩成液滴，或使气泡成球状表面活性物质分散于气水界面时，分子的亲水基团部分便有向水中扩散的倾向，而疏水基团部分趋向气相，使表面能降低。具有稳定泡沫的作用表面活性物质使溶液表面张力降低的物质、由亲水性极性基团和疏水性非极性基团组成的2）影响泡沫稳定的主要因素1气泡壁液体由于重力作用产生离液现象和液体蒸发，引起泡膜变薄。2表面黏度的影响泡膜液体黏度越大，膜强度也越大；即使气泡细小，内压较大，离液也比较少，气泡比较稳定3马兰高尼效果当气泡膜薄到一定程度，膜液中界面活性剂分子就会产生局部的减少，于是这些地方的表面张力就会比原来或周围其它地方的表面张力有所增大。因此，表面张力小的部分就会被局部表面张力大的部分所吸引，企图恢复原来的状态3）消泡原理消泡剂滴至泡膜时，会在膜表面扩散。在消泡剂扩散之处，表面张力局部降低，使得这部分膜变得很薄而导致破裂消泡剂性质分子中也有亲水基和亲油基，难溶于水；比重要小，易浮于液面；表面张力要小，易在液面扩散。代表性的消泡剂硅油乳化液、油脂、酒精等水溶性差的液体乳化剂都可作为消泡剂。五、动物肌肉组织1、肌肉的一般结构肌肉肌束肌纤维肌原纤维肌节（一个A带和两个位于A带两边的半个I带）A带光线较暗的区域I带光线较亮的区域Z线I带中央有一条暗M线A带中央有一条暗线H区在M线附近有一颜色较浅的区域。肌节两个相邻Z线间的肌原纤维肌节是肌原纤维的重复构造单位六、植物性细胞结构果胶作为细胞间质，与纤维素、半纤维素、糖蛋白一起发挥细胞壁的作用未成熟的果实细胞间含有大量原果胶，它不溶于水，与纤维素、半纤维素等组成坚固的细胞壁，组织坚硬。随着成熟的进程，原果胶水解成水溶性果胶，溶入细胞液内，使果实组织变软而有弹性。最后，果胶发生去甲酯化作用，生成果胶酸，果胶酸不会形成凝胶，果实变成软溏状态。第3章黏性食品的流变特性一黏性及牛顿黏性定律1、黏性是表现流体流动性质的指标，阻碍流体流动的性质2、牛顿黏性定律剪切应变用它在剪切应力作用下转过的角度弧度来表示，即DX/DY。则剪切应变的速率为/DTDX/DY/DTDU/DY单位S1也称为速度梯度又因为剪切应力F/A故牛顿黏性定律二黏性流体的分类及特点理想流体黏度为零的流体牛顿流体服从牛顿黏性定律的流体非牛顿流体不服从牛顿黏性定律的流体1牛顿流体1）剪切应力与剪切速率成正比（）2）黏度不随剪切速率的变化而变化。（如图）例如水、糖液、清炖肉汤等非牛顿流动状态方程K1N,0N1其中K为黏性常数，与流体浓度有关；N为流态特性指数N1时为牛顿流体公式K设K则K写成称为表观黏度，与K，N有关，是的函数，表示非牛顿流体在一定流速的黏度2假塑性流体在非牛顿流动状态方程式中，当0N1时，表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动，称为假塑性流动（剪切稀化）。大多数非牛顿流体都属于假塑性流体原因1、弱的网络结构被破坏2、有假塑性流动性质的液体食品，大多含有高分子的胶体粒子，这些粒子多由巨大的链状分子构成。在静止或低流速时，它们互相勾挂缠结，黏度较大，显得黏稠。但当流速增大时，也就是由于流层之间的剪应力的作用，使比较散乱的链状粒子滚动旋转而收缩成团，减少了相互勾挂，这就出现了剪切稀化现象例如一些高分子溶液、悬浮液和乳状液，如酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉糊、苹果酱等3胀塑性流体在非牛顿流动状态方程式中，当1N时，表观黏度随剪切速率的增大而增大，称胀塑性流动，也称剪切增稠流动原因解释具有剪切增稠现象的液体的胶体粒子一般处于致密充填状态，是糊状液体作为分散介质的水，充满在致密排列的粒子间隙中。当施加应力较小、缓慢流动时，由于水的滑动与流动作用，胶体糊表现出较小的黏性阻力用力搅动，处于致密排列的粒子就会一下子被搅乱，成为多孔隙的疏松排列构造，原来的水分再也不能填满粒子之间的间隙、粒子与粒子间无水层的滑润作用，黏性阻力会骤然增加，甚至失去流动性质粒子在强烈的剪切作用下结构排列疏松，外观体积增大，这种现象称之为胀容现象。例如生淀粉糊高分子溶液，涂料，蜂蜜，果浆，淀粉溶液4塑性流体0为屈服应力塑性流动是指流动特性曲线不通过原点的流动。对于塑性流动，当应力超过0时，流动特性符合牛顿流动规律的，称为宾汉流动。反之，称为非宾汉流动例如融化的巧克力、惯奶油、橘子汁60、梨酱（固形物183）番茄酱（固形物11）、大豆分离蛋白20、乳清蛋白205触变性流体触变性流动是指当液体在振动、搅拌、摇动时黏性减少、流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的现象机理随着剪切应力的增加粒子间形成的结合构造受到破坏，因此黏性减少，当应力停止的时候，粒子间结合构造需要一段时间恢复，并逐渐形成呈现触变流动的食品口感比较柔软爽口例如番茄酱、蛋黄酱、炼乳触变性流体一定是假塑性流体，而假塑性流体不一定都具有触变性6、流凝性流体流凝性流动与触变性流动相反，即液体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。（流体黏度随剪切速率和剪切时间而增加）例如腊质玉米糊化淀粉、糖浆具有流凝性的食品往往呈黏稠性的口感三影响液态食品黏度的因素1温度的影响液体的黏度是温度的函数。在一般情况下，温度每上升1，黏度减小5L02分散相的影响A分散相的相对分子质量与分子链长度、支化度和支链长度有关B分散相的浓度分散相为球形固体粒子的液体，影响其黏度的是分NK0散相的体积分数C分散相黏度当分散相为液体时，剪切力会使球状的分散相粒子发生旋转，因而会引起内部的流动（D分散相的形状3分散介质的影响对乳浊液黏度影响最大的是分散介质本身的黏度。与分散介质本身黏度有关的影响因素主要是其本身的流变性质化学组成、极性、PH以及电解质浓度等4乳化剂的影响乳化剂对乳浊液黏度的影响，主要有以下几方面化学成分，它影响到粒子间的位能乳化剂浓度及其对分散粒子分散程度（溶解度的影响。它还影响到乳浊液的状态粒子吸附乳化剂形成的膜厚及其对粒子流变性质、粒子间流动的影响改变粒子电荷性质引起的黔度效果稳定剂的影响四液态食品的流变性质测定常见的测定方法有毛细管测定法、圆筒旋转式测定法和锥板旋转式测定法、落球式测定法、平行板测定法等。毛细管黏度计1测量原理根据圆管内液体作层流流动建立的2）模型特征特性处于恒稳流动状态，即体系中任何一点位置上的流动速度（大小和方向）不随时间改变3计算原理设毛细管半径为R、长度为L、两端压力差为PPAPB，在时间为T内流体流过的体积为V时，流体黏度可用哈根泊谡叶方程表示4）基本方法为了测定简便和减小误差，通过测定标准液纯水和被测液流过毛细管的时间进行比较并计算（A）奥氏黏度计由导管、毛细管和球泡组成，球泡两端导管上都有刻线如M1、M2测定时，先把一定量的液体注入左边管，然后将乳胶管套在右边导管的上部开口，把液体抽吸到右管，直到上液面超过刻线M1。再使黏度计垂直竖立，去掉上部胶管，使液体在自重下向左管回流。测定液面通过M1至M2之间所需的时间，即一定量液体通过毛细管的时间乌式黏度计与奥氏黏度计相比奥氏黏度计在液体流动时，由于左管液面上升对液柱的压力差有较大影响，因此不仅误差大，而且还要求每次加入的液量要准确、一定相比之下，乌式黏度计对加入液量精度的要求略低一些TLP8400T第4章黏弹性食品的流变特性食品的变形图B食品的断裂形式1塑性断裂塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂。食品中这种断裂也很多，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。2脆性断裂脆性断裂的特点是屈服点与断裂点一致。（饼干、琼脂、巧克力、花生米等）有些糖果，当缓慢拉伸时产生塑性断裂，急速拉仲时产生脆性断裂一力学特性1弹性模量（弹性率）在弹性限度范围内，应力和应变之间符合虎克定律，即比例系数E称为弹性模量杨氏模量，单位是N/M22剪切模量（剪切弹性率）称为剪切应力；相应的变形称为剪切应变D/HTAN比例系数G称为剪切模量，单位是N/M23体积模量（体积弹性率）假设压力的变化P和体积应变V之间符合虎克定律，则比例系数K称为体积模量，单位是N/M24泊松比比例系数称为泊松比，它是表现材料弹性拉伸变形的物性参数（固有常数，无量纲），005NNEGVDKDPVVKNE在拉伸或压缩面团、凝胶等食品的过程中，物体的体积不发生变化，则泊松比等于05。海绵状食品（如面包心，在压缩的垂直方向没有明显的变形，则02、力学模型1、两个重要的概念应力松弛是指试样瞬时变形后，在变形应变不变情况下，试样内部的应力随时间的延长而减少的过程。值得注意的是，应力松弛是以一定大小的应变为条件的常数蠕变蠕变和应力松弛相反。蠕变是指把一定大小的力应力施加于粘弹性体时，物体的变形应变随时间的变化而逐渐增加的现象。要注意，蠕变是以一定大小的应力为条件的2、单要素模型（掌握结构图与特性图）1虎克模型是用一根理想的弹簧表示弹性的模型，因此也称“弹簧体模型”或“虎克体”。虎克模型代表完全弹性体的力学表现，即加上载荷的瞬间同时发生相应的变形，变形大小与受力的大小成正比。2阻尼模型用来表示物体黏性性质，因此称为“阻尼模型”或“阻尼器”。阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时阻尼模型立即停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。阻尼模型既可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质。3滑块模型不能独立地用来表示某种流变性质，但常与其他流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质，亦称为“摩擦片”3、麦克斯韦模型由一个弹簧和一个阻尼器串联组成的黏弹性模型当模型一端受力而被拉伸一定长度时，由于弹簧可快速变形，而阻尼器由于黏性作用来不及移动，弹簧首先被拉开，然后在弹簧恢复力作用下，阻尼器随时间的增加而逐渐被拉开，弹簧受到的拉力也逐渐减小至零。当T时，0；T0时，0/0TETEET0应力松弛时间当T时，定义是应力松弛（降低）至初始值的1/E（最大应力0的3679处对应）时所需要的时间，用其表示应力松弛的快慢。由黏性和弹性同时存在引起若材料的黏性非常大，松弛时间也将最大，说明材料对链段微观调整有阻碍作用，需更多的时间完成调整若弹性模量非常大，松弛时间相对较短，说明材料的刚硬度很强，弹性好，调整的尺度往往是原子或分子距离，松弛时间短4、开尔文模型由一个弹簧和一个阻尼器并联组成当模型上作用恒定外力时，由于阻尼器作用，弹簧不能被立即拉开，而是缓慢发生变形。去掉外力后，在弹簧回复力的作用下，又可慢慢恢复原状，无剩余变形，类似于蠕变过程当T时，0/E，平衡变形当T时，（蠕变推迟时间）延迟时间的物理意义蠕变过程的变形达到平衡（最大变形量）的6321时所需要的时间E0103679E1/0TEET6321E当TT1时，应力解除，05、多要素模型1四要素模型（1）由两麦克斯韦模型并联构成四要素模型的应力松弛过程解析（2）由一个麦克斯韦模型和一个开尔芬串联构成四要素模型的蠕变过程解析当加载应力时，模型的变形由三部分组成2）三要素模型当黏弹性体存在不完全松弛的残余应力，我们可以把此模型中2，即2成为不能流动的刚性连接，此时开尔芬四要素模型可简化成此模型2,2,此时应力松弛式应为0DTTE11TTET11E22E/00TE条件下，由在恒定应变21/20/10TTEEETTEETT1/2110E1ET/10E2当T，存在残余应力6、广义模型1）广义麦克斯韦模型有许多麦克斯韦模型并联而成。EMIET/MIMIMI/EMI其中为松弛过程应力为恒定应变EMI，MI，为第I个麦克斯韦模型弹性率，松弛时间和黏度。2广义开尔芬模型_由许多开尔芬模型串联而成的模型，用来分析蠕变性质比较方便1/EKI（1T/KI）I1三、黏弹性食品流变性质的测定1、静黏弹性的测定方法A双重剪切测定（常用来进行蛋糕、人造奶油、冰淇淋等的测定）B拉力试验C套筒流动（在同心的双圆间隙中添满试样，给内筒沿中心轴方向加以定载荷F，内筒开始滑动，最终与粘性阻力平衡达到匀速运动状态）D平行板塑性计（原理在半径为R的平行圆板之间放入试样，然后夹注试样，并施以夹紧力F，让试样的厚度随之减少）应力松弛试验基本方法确认线性关系范围，然后在这一范围内使试样达到并保持某一变形，测定其应力与时间的关系曲线，根据测定结果绘制松弛曲线并建立其流变学模型。一般凝胶状食品在1015应变范围内与应力保持线性关系。蠕变试验是给试样施加恒定应力，测定应变随时间变化的情况。设如图所示的曲线为实测某试样得到的蠕变曲线，并按四要素模型进行解析。滞变曲线是测定试样在定速压缩和定速拉伸过程中，应力随时间的变化曲线。2、动黏弹性的测定方法主要方法正弦波应力应变试验、共振试验、脉冲振动试验1面团黏性阻力测定面粉品质检测常用布拉本德粉质仪测定面粉蛋白质面筋的黏性，用粉力测试仪测定面粉中淀粉的特性发酵性。这些仪器和方法的特点是测定面团在搅拌过程中的黏性阻力变化。1）布拉本德粉质仪（测定原理是把小麦粉和水用调粉器的搅拌臂揉成一定硬度的面团，并持续搅拌一段时间。与此同时，自动记录在揉面搅动过程中面团阻力的变化粉质曲线可以对面粉（小麦、大麦、面粉、黑麦、硬质小麦和裸麦等）的质量和加工特性做出正确的评价；测试其他添加成分对面团的影响，并且能够预示混麦后的效果；测试专用粉的流变特性，面粉酶活性以及面筋和淀粉特性。2）淀粉粉力测试仪主要用来综合性测定面粉（淀粉）的性质，包括淀粉酶的影响及其活性。原理把搅拌器放入装有面粉悬浮液的容器后，加热容器的同时使之旋转，由于淀粉糊化（黏度增加）带动搅拌器旋转，其旋转扭力大小被记录。3）快速黏度分析仪（RVA）属于旋转黏度计的一种，用于测试温度变化过程中样品黏度的变化（即淀粉的糊化特性），是分析测试谷物、谷物加工制品的淀粉酶活性、淀粉糊化特性和变性淀粉糊化特性的有效工具。第5章食品质构一、1、定义是指与食品的组织结构及状态有关的物理性质，通过感觉而得到的感知2、特点二、研究方法1、感官检验（主观评价法）对食品质地的感官评价，通过人的感觉器官评价食品特性的方法。1）所谓食品感官检验，就是以心理学