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1食品物性学2第一章绪论食品物性学在日本也被称为食品物理学.它与食品化学相对应，在内容上重点论述食品和食品原料的物理特性和工程特性，如力学特性、流变学特性、质构、光学特性、介电特性和热学特性等。其中，食品流变学特性和食品质构两部分内容研究相对深入，是课程比较成熟和核心的内容。光、电、热特性是近儿年开始研究的内容，资料相对较少，缺乏系统性和完整性。但是随着食品工业高新技术的不断开发，光、电、热技术应用越来越多，因此，深入了解食品和食品原料的光、电、热特性，对开发新技术和提高食品质最也是非常重要的。此外，本课程还论述了农产品加工中的物性问题，包括散粒体特性、农产品损伤以及清选分级方面的物性问题。31.食品的感官特性视觉感应特性：用眼睛感知的颜色、形状、尺寸、光泽等表观性状。化学感应特性：用鼻、舌感知的风味。质构特性：用身体某些部位通过接触而感知到的细腻程度、咀嚼时产生的声音等特性。感官特性是评价食品质量的重要特性。消费者通过食用食品，可以获得感官上的愉悦，例如对麻、辣、烫等特殊风味的追求，对酥脆食品口感追求等。基本概念42.食品形态物质一般有三种状态：固态、液态、气态。虽然没有气态食品.但是含有大量气体的食品却很多，按体积计算，冰淇淋一般含有50%气体，新鲜苹果中含有36%的气体，爆玉米和膨化食品中气体含量可高达90%以上。液态和固态是食品的主要形态，是食品物性学课程主要研究的内容。然而，大量的食品形态很难划分其是固态还是液态。某些液态食品在一定条件下显现固态特性.而某些固态食品在某些条件下却显现液态特性。因此，食品可分为固态、半固态和液态食品。53.食品质构质构对产品售价影响很大。以美国牛肉为例.比较韧和千硬的牛肉售价很低，每千克不足3美元，而鲜嫩牛肉每千克却高达20多美元。另外，质构也直接影响消费者对食品的取舍倾向，消费者在购买食品时，考虑营养价值或根据营养价值差异选择食品的比例较低。人们对质构已经形成共识：食品质构是一个可以区分和描述的重要感官特性。某些食品质构作用明显，某些食品质构作用较弱。64.食品流变特性食品流变特性是研究食品原料、中间产品在加工过程中的变形和流动问题，研究最终产品在消费咀嚼过程中变形与恢复问题，是半固态食品的重要物性。在厨房，如打蛋和搅蛋过程中蛋液的流动特性、和面时面团的弹性和变形、花生酱的涂抹等，这些都是典型的流变特性。在食品工业中，饮料和果酱的输送也是非常重要的技术问题，它与输送管道和动力配备直接相关。在贮藏过程中，产品形态改变也与流变特性相关。形态的改变不但影响产品的外观，同时也伴随着生化方面的变化。流变特性与质构有很强的关联性，人们咀嚼过程是使食物不断变形和细化的过程，是一个流变学问题，而口腔对食物的接触感受是食品质构问题，黏稠、滑软、强韧、嫩、脆等特性都与流变和质构相关。75.食品光、电、热特性光、电、热特性与食品加工技术和检测技术关联较多。光学特性主要用于食品色泽检测、成分与颗粒粒径检测、分级与无损检测方面。电学特性主要用于加工和检测技术，在这部分内容中，涉及到静电、低频电、高频电和食品材料的介电特性，利用食品材料电特性差异，对材料进行加热解冻、脱水、蒸煮和杀菌等。热学特性侧重于热物性参数的检测技术与估计方法，是冷却与加热计算的华础内容。86.本课程的目的与特点通过本课程学习，学生应该掌握食品质量与物性间的关系；掌握影响食品物性的机理和物性检测评估方法；能够根据消费者对物性的不同嗜好开发市场需求的新产品；了解食品材料的光、电、热特性。为开发利用光、电、热加工技术.降低光、电、热对食品品质的影响奠定基础。本课程所涉及到的内容与高分子物理有很多相似之处，主要是食品中的蛋白质、多糖和脂肪等主要成分，它们以一定结构形态和物性影响食品的感官价值、营养价值和稳定性。高分子物理学是以橡胶和塑料为研究对象的课程，它突出材料强度和材料对光、电、热的稳定性问题。而食品物性学有别于高分子物理学。本课程还与力学、光学、电学、热学等许多课程有联系。但是最大差异还是来自于所研究的材料差异。我们是利用这些学科基本知识，解决食品和农产品的物性问题，因此，欲学好本课程要有较好的物理学知识和工程基础知识。9第二章食品物性特性的基础2.1食品的微观形态结构从食品组成来看，食品的大部分都属于复杂的混合物，不仅有无机物、有机物，还包括有细胞结构的生物体。从食品的形态上可以把食品分为液状食品、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。但大部分情况把食品分为液状食品（包括可流动的液体、胶体、泡沫和气泡）、固体食品、半固体食品（组织细胞、固体泡、半固体、粉体等）。但食品在分子层面上由一定量的大分子和小分子组成。在食品加工过程中，表现在宏观上的形态与结构的变化，往往是由于其组成和微观结构形态不断变化引起的。102.1.1凝集态结构与特性高分子是由许多（103～105数量级）小分子单元键合而成的长链状分子。高聚物结构研究的内容概括在表1-1中（P4）。高分子链的一级结构又称为近程结构；二级结构又称为远程结构；三级结构或四级结构也称为聚集态结构。11⑴高聚物分子内原子与分子间的相互作用分子之间和分子内原子之间都有相互作用，这种相互作用包括吸引力和推拒力。健合原子之间的吸引力有健合力；非健合原子间、基团间和分子间的吸引力有范德华力和氢键。分子之间和分子内原子之间的引力和推拒力随分子间和原子间距离而改变。当吸引力和推拒力达到平衡时，就形成平衡态结构。12①键合力键合力包括共价键、离子键和金属键，在食品种主要是共价键和离子键。•共价键：共价键是化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键。与离子键不同的是进入共价键的原子向外不显示电性，因为它们并没有获得或损失电子。共价键的强度比氢键要强，与离子键差不太多或甚至比离子键强。共价键有饱和性与方向性。因为只有自旋方向相反的电子才能配对成键，所以共价键有饱和性；另外，原子轨道互相重叠时，必须满足对称条件和最大重叠条件，所以共价键有方向性。共价键又可分为三种：a.非极性共价键：形成共价键的电子云正好位于键合的两个原子正中间，如金刚石的C—C键。13b.极性共价键：形成共价键的电子云偏于对电子引力较大的一个原子，如Pb—S键，电子云偏于S一侧，可表示为Pb→S。c.配价键：共享的电子对只有一个原子单独提供。如Zn—S键，共享的电子对由锌提供，Zn→S共价键共有3种，分别是单键，双键和三键。单键由1个σ键构成；双键由1个σ键和1个π键构成；三键由1个σ键和2个π键构成。共价键可以形成两类晶体，即原子晶体共价键与分子晶体。原子晶体的晶格结点上排列着原子。原子之间有共价键联系着。在分子晶体的晶格结点上排列着分子（极性分子或非极性分子），在分子之间有分子间力作用着，在某些晶体中还存在着氢键。由两个原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键，叫做σ键；成键原子的未杂化p轨道，通过平行、侧面重叠而形成的共价键，叫做π键。14•离子键：又成为盐键、盐桥，由电子转移（失去电子者为阳离子，获得电子者为阴离子）形成的。即正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。离子既可以是单离子，如Na+、Cl-；也可以由原子团形成；如SO42-，NO3-等。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。离子键的作用力强，无饱和性，无方向性。离子键形成的矿物总是以离子晶体的形式存在。•金属键：定义：金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用成键微粒：金属离子和自由电子键的本质：电子气理论金属原子脱落下来的价电子在金属阳离子的空隙中自由的、快速的移动，形成遍布整块晶体的“电子气”，所有的电子被所有的原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。这种键可以看成由多个原子共用这些自由电子所组成，所以有人把它叫做改性的共价键。对于这种键还有一种形象化的说法：“好像把金属原子沉浸在自由电子的海洋中”。15②范德华力和其它次级键非键合原子间和分子间的相互吸引力包括范德华力和氢键，其中范德华力包括静电力、诱导力和色散力。•静电力：是极性分子间的相互作用力，由极性分子的永久偶极之间的静电相互作用所引起。作用能一般在12～20kJ/mol，其大小与分子的偶极矩的大小、分子间的距离和热力学温度有关。•诱导力：当极性分子与其它分子（包括极性分子和非极性分子）相互作用时，其它分子产生的诱导偶极，这种诱导偶极与极性分子的永久偶极间的作用力称为诱导力。诱导作用能一般在6～12kJ/mol。•色散力：一切分子中，原子内的电子不停地旋转，原子核也不停地振动，因而在任何一瞬间，一些电子与原子核之间必然会发生相对位移，使分子具有瞬间偶极。瞬间偶极之间的相互作用力称为色散力。色散力存在一切极性和非极性分子中。色散力的作用能一般在0.8～8kJ/mol。16•氢键：HydrogenBonding与负电性大的原子X（氟、氯、氧、氮等）共价结合的氢，当与负电性大的原子Y（与X相同的也可以）接近时，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形的键，这种键称为氢键。因多数氢键的共同作用，所以非常稳定。在a-螺旋的情况下是N-H…O型的氢键，DNA的双螺旋情况下是N-H…O，N-H…N型的氢键，因为这样氢键很多，因此这些结构是稳定的，此外，水和其他溶媒是异质的，也由于在水分子间生成O-H…O型氢键。因此，这也就成为疏水结合形成的原因。氢键的作用能比化学键小得多，但比范德华力大，一般在2～8千卡（Kcal）。氢键也可在分子内形成。水分子间的氢键17疏水键：当疏水化合物或基团进入水中时，体系界面自由能增加，熵减少。为此体系力图趋向稳定，尽量减少疏水混合物与水接触面积，在熵的驱动下，疏水化合物自发地相互靠近。因此，疏水键并不是疏水基团之间存在引力，而是体系为了稳定自发地调整。它在维持蛋白质三级结构方面占有突出地位，是多肽链上的某些氨基酸的疏水基团或疏水侧链（非极性侧链）由于避开水而造成相互接近、粘附聚集在一起。18⑵内聚能内聚能表示分子间的相互作用能的大小。定义为：1mol的凝聚物汽化时（相互作用力为零的距离）所吸收的能量。固体依靠静电力结合而成，用内聚能（cohesiveenergy）来反映这些力，其数量级是eV，内聚能是固体中原子或分子的结合能。主要用以衡量高聚物分子间作用力的大小。对于高聚物来说，由于分子链很长，分子之间的相互作用很大，甚至超过化学键的能量，因此在高聚物加热过程中，有可能在吸收的能量还不够以使分子汽化时，以足以破坏高分子链上的化学键。事实上，分子量足够大的高聚物确实不存在气态。19⑶高分子链结构与柔性①高分子链的支化与交联大分子链的形式有:线型，支化，网状线型大分子链一般高分子是线型的。如聚氯乙烯和聚酯，分子长链可以卷曲成团，也可以伸展成直线，这取决于分子本身的柔顺性及外部条件。线型高分子间无化学键结合，所以在受热或受力情况下分子间可以互相移动（流动），因此线型高分子可在适当溶剂中溶解，加热时可熔融，易于加工成型。支链形高分子由于加聚过程中有自由基的链转移发生，常易产生支化高分子。支化分子对高分子材料的性能有一定的影响。20支化度的表征支化度——两相邻支化点之间链的平均分子量来表示支化的程度，称为支化度支化高分子的形式：星形（Star）、梳形（Comb）、无规(Random)21网状（交联）大分子缩聚反应中有三个或三个以上官能度的单体存在时，高分子链之间通过支链联结成一个三维空间网形大分子时即成交联结构交联与支化有本质区别：支化（可溶，可熔，有软化点）交联（不溶，不熔，可膨胀）22线型、支化、网状分子的性能差别线型分子：可溶，可熔，易于加工，可重复应用，一些合成纤维，“热塑性”塑料（PVC，PS等属此类）支化分子：一般也可溶，但结晶度、密度、强度均比线型差网状分子：不溶，不熔，耐热，耐溶剂等性能好，但加工只能在形成网状结构之前，一旦交联为网状，便无法再加工，“热固性”塑料（酚醛、脲醛属