食品物性学复习知识点

食品物性学复习知识点一、食品力学性质1.应力与应变食品在受力时内部产生抵抗变形的内力，单位面积上的内力称为应力σ，单位Pa。应变ε描述相对变形量，为无量纲量。σ=\frac{F}{A}，ε=\frac{ΔL}{L_0}当σ与ε呈线性关系时服从胡克定律：σ=E·ε，E为弹性模量。典型值：苹果果肉E≈3–6MPa，面包芯E≈0.1–0.3MPa。2.黏弹性与Maxwell模型食品同时表现弹性与黏性，可用Maxwell模型描述：σ+λ\frac{dσ}{dt}=E·λ\frac{dε}{dt}其中λ=η/E为松弛时间，η为黏度。实验方法：应力松弛，固定应变ε0，记录σ(t)=σ0·e^{-t/λ}。3.动态力学温度扫描储能模量E′表征弹性，损耗模量E″表征黏性，tanδ=E″/E′。玻璃化转变温度Tg取tanδ峰值对应温度。巧克力Tg≈−20°C，喷雾干燥乳粉Tg≈50°C。4.断裂力学断裂韧性K_{IC}为裂纹扩展临界应力强度因子：K_{IC}=Y·σ_f·\sqrt{πa}Y为几何因子，a为裂纹半长。胡萝卜K_{IC}≈0.3MPa·\sqrt{m}，饼干K_{IC}≈0.05MPa·\sqrt{m}。二、食品流变学1.流动曲线与模型剪切应力τ与剪切速率\dotγ关系：牛顿流体：τ=η\dotγ幂律流体：τ=K\dotγ^n，n<1假塑性，n>1胀塑性Herschel-Bulkley：τ=τ_y+K\dotγ^n，存在屈服应力τ_y番茄酱τ_y≈15Pa，n≈0.35；酸奶τ_y≈30Pa，n≈0.5。2.触变性与反触变性触变：恒定\dotγ下τ随时间下降；反触变则上升。评价指标：触变环面积A_{thix}。3.小振幅振荡剪切（SAOS）线性黏弹区判定：应变幅γ≤0.1%。复数模量G^=G′+iG″，相位角δ=arctan(G″/G′)。线性黏弹区判定：应变幅γ≤0.1%。复数模量G^=G′+iG″，相位角δ=arctan(G″/G′)。4.延伸黏度拉丝奶酪需高延伸黏度η_e。Cogswell公式：η_e=\frac{3}{8}·\frac{ΔP·R^4}{πQ·L}·\frac{1}{\dotε}其中ΔP为压降，Q为体积流量，\dotε为拉伸速率。三、食品热物性1.比热容差示扫描量热法（DSC）测定：c_p=\frac{Q}{m·ΔT}水c_p≈4.18kJ·kg^{-1}·K^{-1}，脱脂乳粉c_p≈1.2kJ·kg^{-1}·K^{-1}。2.导热系数稳态平板法：λ=\frac{Q·d}{A·ΔT·t}冰λ≈2.2W·m^{-1}·K^{-1}，水λ≈0.6W·m^{-1}·K^{-1}，面包λ≈0.2W·m^{-1}·K^{-1}。3.热扩散系数α=\frac{λ}{ρ·c_p}苹果α≈1.4×10^{-7}m^2·s^{-1}，马铃薯α≈1.6×10^{-7}m^2·s^{-1}。4.相变潜热冰融化L≈334kJ·kg^{-1}，乳脂融化峰在15–25°C，L≈80kJ·kg^{-1}。四、食品电物性1.介电常数与损耗微波加热功率密度：P=2πfε0ε″E^2f=2450MHz，ε″为水损耗因子，25°C纯水ε′≈78，ε″≈12。2.电导率果汁电导率σ≈1–4S·m^{-1}，随可溶性固形物升高而升高。3.欧姆加热温度升高速率：\frac{dT}{dt}=\frac{σE^2}{ρc_p}要求σ>0.1S·m^{-1}以避免电弧。五、食品光学性质1.色度CIELab，色差ΔE=\sqrt{(ΔL)^2+(Δa)^2+(Δb)^2}，人眼可识别ΔE≥1.5。CIELab，色差ΔE=\sqrt{(ΔL)^2+(Δa)^2+(Δb)^2}，人眼可识别ΔE≥1.5。2.透光率与浊度啤酒EBC浊度单位：1EBC≈0.86NTU。3.激光散射粒径Mie理论，粒径d与散射角θ关系：I(θ)∝\frac{1}{θ^4}·d^6六、食品表面与界面性质1.表面张力滴重法：γ=\frac{mg}{2πr}20°C水γ≈72mN·m^{-1}，乙醇水溶液γ随浓度下降。2.接触角与润湿Young方程：cosθ=\frac{γ_{sv}-γ_{sl}}{γ_{lv}}θ<90°易润湿，苹果表皮θ≈110°，疏水。3.乳化与HLBHLB=\frac{20·M_h}{M}，M_h为亲水基分子量。低HLB3–6适合W/O，高HLB8–18适合O/W。七、食品水活度与玻璃化1.水活度a_wa_w=\frac{p}{p_0}，p为食品水蒸气压，p0为纯水蒸气压。微生物生长下限：细菌a_w<0.91，霉菌a_w<0.80。2.GAB模型\frac{M}{M_m}=\frac{C·k·a_w}{(1-k·a_w)(1-k·a_w+C·k·a_w)}M为水分含量，Mm为单层水分，C、k为常数。乳粉Mm≈0.06g·g^{-1}。3.玻璃化转变与脆性Williams-Landel-Ferry(WLF)方程：log\frac{η(T)}{η(T_g)}=\frac{-C_1(T-T_g)}{C_2+(T-T_g)}C1≈17.4，C2≈51.6K。高于Tg脆性下降，饼干吸湿后Tg下降，口感变软。八、食品质构分析与感官关联1.质构剖面分析（TPA）硬度=第一次压缩峰值力；弹性=恢复变形比；咀嚼性=硬度×弹性×黏聚性。2.感官-仪器相关性建立回归：感官硬度=0.87×仪器硬度+0.21，R^2=0.91。3.分形维数与脆度脆度与孔隙分形维数Df负相关，Df=2.2–2.4时脆度最佳。九、实验设计与数据处理1.响应面法中心组合设计（CCD），二阶模型：Y=β0+ΣβiXi+ΣβiiXi^2+ΣβijXiXj优化目标：最大化硬度同时最小化破碎度。2.主成分分析（PCA）降维提取质构参数主成分，PC1解释方差72%，对应硬度与咀嚼性。3.误差分析相对标准偏差RSD=\frac{s}{\bar{x}}×100%，要求RSD<5%保证重现性。十、综合试卷（含答案解析）【题型一】单项选择（每题2分，共20分）1.下列哪种食品最接近牛顿流体行为？A.蜂蜜B.水C.番茄酱D.酸奶答案：B。解析：水剪切应力与剪切速率呈线性，n=1。2.苹果果肉的弹性模量通常在哪个数量级？A.kPaB.MPaC.GPaD.Pa答案：B。解析：实验测得3–6MPa。3.玻璃化转变温度Tg对应tanδ的哪一特征？A.最小值B.最大值C.拐点D.平台答案：B。解析：损耗角正切峰值对应链段运动最显著。4.欧姆加热要求物料电导率下限约为：A.0.001S·m^{-1}B.0.01S·m^{-1}C.0.1S·m^{-1}D.1S·m^{-1}答案：C。解析：低于0.1S·m^{-1}易产生电弧。5.面包芯导热系数约为：A.0.02B.0.2C.2D.20W·m^{-1}·K^{-1}答案：B。解析：多孔结构降低λ。6.下列哪种操作会降低饼干玻璃化转变温度？A.真空干燥B.吸湿C.冷冻D.微波干燥答案：B。解析：水分增塑作用显著。7.Herschel-Bulkley模型中n>1表示：A.假塑性B.胀塑性C.塑性D.牛顿答案：B。解析：剪切增稠。8.接触角θ>90°表明：A.完全润湿B.疏水C.毛细上升D.铺展答案：B。解析：cosθ<0。9.冰的导热系数约为水的几倍？A.1B.2C.3D.4答案：D。解析：冰λ≈2.2，水λ≈0.6，比值≈3.7。10.主成分分析中PC1主要解释：A.噪声B.最大方差C.最小方差D.误差答案：B。解析：第一主成分方向方差最大。【题型二】计算题（每题10分，共30分）1.已知苹果圆柱试样直径20mm，高30mm，压缩试验测得线性斜率180N·mm^{-1}，求弹性模量E。解：A=\frac{πd^2}{4}=314mm^2=3.14×10^{-4}m^2k=180N·mm^{-1}=1.8×10^5N·m^{-1}σ=k·ΔL/A，ε=ΔL/L0，E=σ/ε=k·L0/AE=1.8×10^5×0.03/3.14×10^{-4}=1.72×10^7Pa=17.2MPa答：E≈17MPa。2.番茄酱遵循Herschel-Bulkley模型，τ_y=15Pa，K=8Pa·s^n，n=0.35。求\dotγ=50s^{-1}时表观黏度η_a。解：τ=τ_y+K\dotγ^n=15+8×50^{0.35}=15+8×3.23=40.8Paη_a=τ/\dotγ=40.8/50=0.816Pa·s答：η_a≈0.82Pa·s。3.喷雾干燥乳粉水分含量0.04g·g^{-1}，GAB参数C=12，k=0.8，Mm=0.06g·g^{-1}，求水活度a_w。解：\frac{M}{M_m}=0.04/0.06=0.6670.667=\frac{12×0.8×a_w}{(1-0.8a_w)(1-0.8a_w+12×0.8a_w)}令x=a_w，化简得：0.667(1-0.8x)(1+8.8x)=9.6x解二次方程得x=0.105答：a_w≈0.11。【题型三】综合应用（20分）设计实验比较两种面包芯的质构差异，要求：(1)写出仪器参数：TPA，探头P/36R，测前速度1mm·s^{-1}，测试速度2mm·s^{-1}，压缩比60%，间隔5s，触发力5g。(2)统计方法：独立样本t检验，显著水平α=0.05。(3)结果：A面包硬度(25±2)N，B面包(18±3)N，p=0.002<0.05，差异显著。(4)结论：A配方硬度更高，与感官评价“咀嚼感强”一致。【题型四】简答（每题10分，共30分）1.解释为什么冷冻蔬菜解冻后质地变软？答：冰晶长大破坏细胞壁，果胶降解，细胞完整性丧失，弹性模量下降。2.简述微波加热中ε″随温度变化对加热均匀性的影响。答：ε″随温度升高而下降时，高温区吸收功率减少，自动