食品物性学.

食品物性学一、食品物性学的定义和研究内容1、食品物性学的定义：食品物性学是以食品（包括食品原料）为研究对象，研究其物理性质的一门科学。不仅包括对食品本身理化性质的分析研究，而且包括食品物性对人的感觉器官产生的所谓感觉性质的研究。食品物性学在日本也称为“食品物理学”，与食品化学相对应。包括：力学、光学、电学、热学特性，这些特性与食品组成、微观结构、次价力、表面状态等有关。食品的物性影响食品的流动性、粘弹性、凝聚性、附着性、质构和口感；影响食品组分的扩散性、松弛性和质量稳定性，与生物化学反应速率相关联，与食品分析检测相关联。食品物性学研究的对象非常广泛，包括：①初级产品，如收获后的粮食谷物类；②一次加工的食品材料，如各种食用油、糖、奶粉、蛋粉等；③半成品和成品食品，如面团、面包、果汁细胞结构的生物体食品物性学涉及的领域虽然相当广泛，但主要以食品的物理学性质为基本内容，这些物理学性质有:食品的力学性质、光学性质、热学性质和电学性质。食品的力学性质食品在力的作用下产生变形、振动、流动、破断等的规律，以及其与感官评价的关系。①食品的力学性质是感官评价的重要内容，是决定品种好坏的主要指标。②食品的力学性质与食品的生化变化、变质情况有着密切的联系，通过力学性质的测定可以把握食品以上品质的变化情况。③食品的力学性质与食品的加工关系密切，许多操作都与力学性质相关，如混合、搅拌、压榨、过滤、分离、粉碎、膨化、喷雾等。2、食品物性学的研究内容食品的热学性质常见的热学性质指标和研究内容有：比热容、潜热、相变规律、传热规律及与温度有关的热膨胀规律等。在一些食品加工的单元操作中，如杀菌、干燥、冷冻、熟化、烘烤等方面，热物性有十分重要的作用，在改善食品的风味方面，热物性也成为引人注目的研究新领域。食品的电学性质主要是指食品及其原料的导电特性、介电特性以及其他的电磁物理特性。其研究领域主要分为：1、食品品种状态的监控：食品的状态、成分的变化往往反映在电学特性的变化上，用电测传感器的方法把握食品的特性，尤其在食品的非破坏性检测（无损检测）方面。2、电磁物理加工：主要有静电场处理技术、电磁波加工技术、通电加热技术、电磁场水处理技术、电渗透脱水技术等。食品的光学性质是指食品物质对光的吸收、反射及其对感官反应的性质。其研究领域在以下方面：1、通过光学性质实现对食品成分的测定：成分的变化可以引起对光的吸收、反射、折射、衍射、辐射等性质的变化。测定简单、无破坏。2、食品色泽的研究二、食品物性学研究的目的和方法1、了解食品与加工、烹饪有关的物理特性2、建立食品品质客观评价的方法3、通过对物性的试验研究，可以了解食品的组织结构和生化变化例如，在制面条或制面包工艺中，面筋形成的情况用观察或其他方法很难确定，而用测定其粘弹性的方法则可简便地了解面团面筋的网络形成程度。尤其是对生鲜食品的无损伤组织测定，利用振动、光反射、电磁感应等物性测定手段更是必要的。4、为改善食品的风味、发挥食品的嗜好功能提供科学依据。以仪器测定的指标表现食品的风味特性，并以此为依据，保证和提高食品的嗜好性品质，成为当前食品开发技术的重要方面。食品形态固态、液态、气态，各种形态的物理性质不相同，食品加工特性与食品生化反应也不同。食品质构质构在感官特性中的重要程度分三方面：①关键因素：质构决定其质量，如肉品、薯片、爆米花、芹菜等②重要因素：质构对质量影响较大：水果、某些蔬菜、奶酪、面制品等；③次要因素：影响不大，如饮料、汤类；三、食品物性学研究的现状和发展食品物性学最早起源于对食品粘弹性理论的研究。而粘弹性理论的发展是在胡克等人的弹性理论、牛顿等人建立的流体力学理论发展的。弹性理论、流体力学理论距今已有300多年历史，粘弹性理论是从20世纪初在欧美等国开始的。食品物性学中发展最早的是食品力学方面的研究，食品力学的中心是食品流变学。食品流变学的基础是流体力学和粘弹性理论。美国化学家宾汉姆(Bingham)提出了流变学的概念，即“Rhelogy”，“流变”即流动的意思。最早将流变学引入食品加工研究的是荷兰人ScottBlair,1953年写书《FoodstuffstherPlasticity,FludityandConsistency》,第一个定义了“texture”即为“质地”。在农产品物料物性研究领域，1966年Mohsenin编著出版了《PhysicalPropertiesofPlantandAnimalMaterials》,该书主要针对农产品物料的力学、热学、光学和电学性质进行了系统的论述。1968年日本东京召开了国际流变学会议1969年荷兰创办了《JournalofTextureStudies》专业杂志，关于食品物性研究的论文大量发表，推进了食品物性学的发展。研究最多的植物组织（水果、蔬菜）的评价，其次是食品力学性质的测定中，感官评价与仪器测定的比较和相关关系。1973年，B.Muller编著出版了《IntroductiontoFoodRheology》，进一步推动了食品物性学的研究和应用。1975年至1995年间，日本化学学会组织了食品物性学年会研讨，出版了论文集共19集。1980年Mohsenin又编著出版了《ThermalPropertiesofFoodandAgriculturalMaterials》,主要论述农产品物料的热学测定、热传导的基本知识以及食品冷却、冷冻、干燥、热处理、呼吸和膨胀的有关知识。1984年，J.Prentice编著出版了《MeasurementintheRheologyofFoodstuffs》一书，阐述了食品流变特性的测量原理和方法，同时从微观结构的角度分析了影响食品流变性质的因素和机理。1989年种谷真一编著了《食品的物理》一书，从物理学的角度，分析各种状态的物料在加工、烹饪发酵过程中物性变化的机理。1989年，川端晶子编著了《食品物性学》，从食品的流变学性质和质地两个方面论述了食品胶体体系特征，以及凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。总之，20年来食品物性学虽然有很大的发展，但仍然属于逐步形成阶段，因为食品是一个十分复杂的分散体系，今后还需要作大量的研究。中国流变网关于流变学基础知识、流变学应用、论文集、流变学测试技术及仪器的介绍。表1按力学特性对食品物料的分类第一章食品的力学基础1、食品物质的凝胶性1）胶体的概念：一般的食品不仅含有固体，而且还有水、空气存在，属于分散系统或称为非均质分散系统，也称分散系。所谓分散系统是指数微米以下、数纳米以上的微粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊的系统，以上所说的微粒子称为分散相，而属于气体、液体或固体的介质被称为分散介质或连续相（分散介质）。胶体的概念：表示物质状态的名词。晶体和胶体表示物质分散度不同的两种状态。例如，蛋清蛋白、酪蛋白在水中的扩散速度比食盐和汤药慢的多，越是扩散速度慢的物质结晶越不容易，扩散越快的物质结晶越快。结晶快的物质称做拟晶体（crystalloid），结晶慢的物质称做胶体(colloid)。2）胶体的种类：气体为连续相的胶体：气溶胶(airosol)：气体为连续相的胶体（液体分散于气体介质中）,例如云、雾、食品的微小液滴、粉尘漂浮在空气中，但食品中更多的颗粒分散在空气中成为粉末。粉末食品既有分散漂浮在空气中的状态，也有沉积在一起的集合状态。食品工业中，沉积在一起的粉末较多，常有如下物理量：外观比体积：单位质量粉末所充填的体积。外观密度：包括粉末减息在内的单位体积粉体的质量。空隙率：一定体积的粉末中，孔隙所占体积的比率。液体为连续相的胶体：气泡（bubble）：在液体中分散有许多气体的分散系统。，当无数气泡分散在水中时，溶液呈白色，这是一种气体溶胶。乳胶体(emulsion):指两种互不相溶的液体，其中一方为微小的液滴分散在另一方液体中的胶体。乳胶体一般由水、油、乳化剂构成。乳胶体中，当连续相为水，分散相为油时，称为水包油型（O/W型），如食品中生奶油、蛋黄酱属于O/W型；与之相反，成为油包水型，例如黄油、人造奶油等属于W/O型。乳胶体经过一定的处理，即在外力的作用下，不使水油分离的情况下，O/W型也会转换为W/O型，相应地乳胶体的物性也会发生很大的变化。除了两相乳胶体，还有多相乳胶体。乳胶体类型的判断是研究其物性是首先要考虑的问题，通常的判断法有：稀释法：用连续相的溶剂稀释的办法。导电法：水油导电性质差异很大，用电流计的两极插入乳胶体构成回路，导电则为O/W型，不导电则为W/O型。色素染色法：利用色素是否溶解于连续相来判断，例如用不溶于油的水溶性色素，甲基橙（methylorange）加入胶体中，溶解的则为O/W型，不溶解的则为W/O型。胶体分为：溶胶和凝胶对于可流动的胶体溶液称为溶胶。食品中的一般胶体粒子的分散介质是水，所以把分散介质（连续相）是水的胶体称为亲水性胶体（hydrocolloid)，这样的溶液为水溶胶(hydrosol)。凝胶(gel)：在分散介质中的胶体粒子或高分子溶质，形成整体构造而失去了流动性，或胶体全体虽含有大量液体介质但处于固化的状态称为凝胶。凝胶有热不可逆性和热可逆性。如鸡蛋羹、布丁等蛋白凝胶为热不可逆性，以多糖成分存在的为热可逆性。凝胶是一种物质的特殊状态，介于固体和液体之间，不会仅在重力作用下流动。有流动性非常接近液体的凝胶，也有刚性非常接近于固体的凝胶。干凝胶：凝胶放置后逐渐离浆脱水成为干燥状态为干凝胶，如干粉丝、方便面等。食品中除了果汁、酱油、牛乳、油等液态食品和饼干、酥饼、硬糖等固体食品外，几乎所有的食品都是在凝胶状态下供食用的。1）很多食品都是在凝胶状态下食用的。例如，米饭、馒头、面条、豆腐、肉、色、蔬菜等，都可以说是凝胶状态。2）凝胶状态食品的力学性质对食品口感品质、风味品质(如软硬、嚼劲、筋道感、柔嫩感等)起着决定的作用。因此蛋白质、多糖类等可以形成凝胶的物质．均可作为食品改良剂、稳定剂等使用2、食品的凝胶性与食品加工3）许多食品都有一个状态稳定性问题。例如，果汁要求不分层、不沉淀；面条要求不糊汤，耐浸泡不烂；冰洪淋要求保型性好、口感细腻等。而解决这些问题的本质，就是要调整好胶体粒子的分布或结合状态，使之稳定。分散系统内各相之间的界面状态，对物性就要产生很大影响。所以界面化学、乳化机理也成了与食品物性有关的重要相关学科。研究和改善食品的质地(texture)，主要就是研究凝胶状态物质的模型，与解决食品感官品质、提高食品的品质有着不可分割的关系。流变学就成为研究食品力学性质的中心内容。