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1第三章食品物料的基本物性特征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相等。可以用测微器或测径器测量三维尺寸。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。2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，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。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。33.1.1圆度类球体的圆度是表示其棱角锐利程度的一个参数，它有多种表示方法(图P37)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;Ac——Ap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。43.1.2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—类球体食品的最大投影面积图形的最小外接圆直径。53.2体积与表面积3.2.1体积的测量⑴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。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。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。食品排出液体的体积(食品体积)6⑵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，固态食品体积等于物体排开水的质量与水密度之比。烧杯和水的质量73.2.2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，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，向表面涂上如亮漆等这样的膜。用热气流干燥2min，然后将涂漆的种子与金属粉混合。用60或80目的标准筛子筛除多余的金属粉，称出涂膜后的种子质量。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。83.2.3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。9食品单位体积的表面积Sv，也叫作比表面积，表示为Sv，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。由此可知：10对于凸状食品和农产品来说，由于其投影面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;A1,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。113.3密度3.3.1真实密度食品和农产品的密度分为真实密度和容积密度。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。容积密度：就是食品质量与其包括粒状食品之问空隙体积的体积的比值。又称为虚表密度等。真实密度有多种测量方法，如下分别介绍：12⑴密度天平测量法(浮力法)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:Fa=msg–m`sg(当物料的密度比液体密度小时，可用砝码将物料沉入液体中进行测量)13⑵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定。先在台秤上称得食品重量为ms；再将一杯充满一定容量水的杯子称重，重量为m1；然后将食品沉没于水中，与水和杯子一起称重，重量为m2。食品的密度Ps，水的密度为P,食品的体积为vs，则:vs=(m2–m1)/P注意：m2的重量要求被测食品必须淹没在水中，但又不能接触杯底，保证是悬浮在水中，以保证食品在水中增加的重量仅是排开水的重量。14⑶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15～30cm３。设密度瓶的质量为m0，体积V0,内部充满密度为ρ1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。15⑷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1.27～1.59g/cm３之间。所以许多农产品和食品的密度为1.4～1.5g/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)和油脂密度(约０.29/cm3)之间。16如果已知农产品或食物组分，可以从ρi和mi计算出真实密度ρs。式中，ρi——第i个组分的密度；mi——第i个组分的质量；n——组分数目。173.3.2容积密度颗粒状物质，如谷物、面粉和脱水食物可以用真实密度、粒密度和容积密度进行描述。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。容积密度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密度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。18填充方法和容器尺寸都会影响检测，所以需要控制固体下落高度和颗粒流的直径，测出此时表观容积Va和质量ms，后，即可求得表观密度ρa:式中，Vt——食品的最终填充体积。表观密度的倒数称为表观比容积。如果将装填好的容器继续敲打，直至获得最紧密状态，则此时的表观密度称为最终表观密度或称为充填密度ρt:19人工干燥、组分和其他影响体因素和粒密度的因素也会影响容积密度。另外，容积密度还受到粒度分布情况和颗粒形状的影响。大批量存储固体时，填料方法也会影响密度。比如，直接从喷嘴填入容器的谷物密度不如用离心式谷物分布机装入的体积质量大。由于水分含量也是一个影响因素，表3-3中的等式给出了一些粮食吸湿过程中体积质量与水分关系。果蔬常常装入大容器中存储，这些容器用搬运机搬运，堆积到拖车上或卡车上。容器内的体积质量随单个水果的密度、水果大小分布和填料方法的不同而不同。203.4孔隙率粒状食品和农产品置子容器中时，颗粒之间存在空隙。孔隙率指粒子之间的空隙占包含孔隙的食品的整个体积的百分比。粒状食品之间的空隙体积与食品实际体积之比为孔隙比。食品的实际体积与包含孔隙体积在内的食品整个体积之比，为堆积体的体积实体系数。可以用加入氦气的空气对比密度瓶检测孔隙率。用标准填料法装料，填满工作室，测定压力。空气体积为装有食品的容器体积减去食品体积。孔隙率为空气体积与容器总体积之比，也可以从容器体积，初始压力和终压力推导所测食品的孔隙率。21孔隙率e=空隙比ε=物体体积系数k=1-e空气瓶（罐）的制作如图所示。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孔隙率或体积。瓶由两个容器、连接管和活塞构成。ε1+εe1-e22测量过程:首先将被测物质放于第二个容器内，关闭活塞2，将罐2抽成真空，关闭活塞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。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，一般情况下两个容器的体积相等，V1=V2，则e计算式为：e==v2V1p1-p2p2式中，p1,p2为前后两次测得的绝对压力；v1,v2为罐1和罐2中的空气体积。通过测得e可求得物体的体积。233.5物理基本特征的应用3.5.1谷物和种子筛分谷物和种子在收割