食品物性学---食品热物性

姓名：邢亚阁西华大学生物工程学院食品热物性食品物性学自从人类从“茹毛饮血”进化为以熟食为主以来，加热成了食品加工的重要手段。尤其是现代化食品工业，为了提高食品的商品化和保藏流通功能，加热、冷却、冷冻成了最基本的加工方法。因此，食品的热物理性质也成为食品生产管理、品质控制、加工和流通等工程的重要基础。主要内容本章主要内容第二节食品材料的热物理数据第三节差示扫描热量测定与定量差示热分析第一节食品热物性基础第一节食品热物性基础一、食品热物性的一般概念1.食品的基本热参数温度、比热容、焓、导热系数2.食品的传热性质表面热流量、质量平均温度、传热规律、热传导、热对流、热辐射3.热参数的检测比热的检测、导热系数的检测1.比热容（specificheat）：1）定义：传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温度升高1K所需的热量。2）测定方法：比较常用的事是用热量计进行定压的热混合法和护热板法。第一节食品热物性基础近年来发展用差式扫描量热术(DSC)来测量材料的比热容。此法所用的样品少(5一15mg);而且因其能测很大的温度范围，故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系。混合法：原理是把已知质量和温度的样品，投入盛有已知比热容、温度、和质量的液体量热计重。在绝热状态下，测定混合物料的平衡温度，而后根据公式推算试样的比热容。2、焓(enthalpy)焓值是相对值，过去的教材中多取-20℃冻结态的焓值为其零点；近年来多取-40℃的冻结态为其零点。过去，物质的焓值一般均按冻结潜热、冻结率和比热容的数据计算而得；直接测量的数据很少、但对于食品材料，实际上很难确定在某一温度时食品中被冻结的比例，而不同的冻结率对应不同的焓值。第一节食品热物性基础第一节食品热物性基础2、焓(enthalpy)用DSC直接测量食品焓值是一种新方法，其温度扫描从-60℃开始到1℃以上，这是认为到-60℃时，食品中的水分己全部冻结；而到1℃以上水分己全部融化成液体。3.热导率(therma-conductivity)第一节食品热物性基础测量食品材料热导率要比测量比热容困难得多，因为热导率不仅和食品材料的组分、颗粒大小等因素有关，还与材料的均匀性有关。一般用于测量工程材料的标准方法，如平板法、同心球法等稳态方法已不能很好用于食品材料。因为这些方法需要很长的平衡时间，而在此期间，食品材料会产生水分的迁移而影响热导率。目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法。被测食品材料原处于某一均匀温度，当探针插进后，加热丝提供一定得热量，使测量温度变化。经一段过渡期后，温度和时间的对数出现线性。关系。根据此直线的斜率可以求出视频材料的热导率4.热扩散系数(thermaldiffusivity)第一节食品热物性基础一般说来，热扩散系数a是根据比热容Cp,热导率λ和密度ρ数据计算而得的，即a＝λ/(ρCp)但也可以用实验测量，它主要是用一个瞬问加热的类似于测热导率的探头和热电祸；再与它有一定距离处加上另一个热电祸以测量样品温度的变化曲线。这个距离和所测得的热扩散系数数据有着很大的关系，但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。5食品材料中的水分迁移在食品处理中，水分的迁移是个复杂的过程，它可能包括分子扩散、毛细管流动、Knudsen流动、流体流动等多种因素。用实验方法测得的用于表征此过程的是有效湿扩散系数(apparentdiffusivityofmoisture)De。食品的物理结构对水分的扩散性能起了重要的作用，多空结构(如用冷冻干燥处理过的)，其有效湿扩散系数De明显增大；而脂肪会使De明显降低。分子扩散是由于分子的无规则运动引起的质量迁移。对于一个两元系统（A，B）在单位时间内，组份A通过单位面积的质量迁移流为，按Fick’s定律其中p是组份A的浓度，单位为kg/m3；Z是扩散途径，单位为mDAB是组份A对组份B的扩散系数，单位为m2/s；JA是扩散质量流，单位为kg/(m2·s)。因此，扩散系数的量纲为m2/s。扩散系数是此系统的物理性质，对于食品材料来说，多组份的系统，可以研究若干种扩散组份在食品系统中的扩散系数。dZdDJAABA食品材料的热物理性质的测量是从18世纪开始的。目前的数据中有2/3左右是在20世纪50一60年代发表的。其中，只有一部分数据说明了材料的情况和实验的条件;而大部分数据没有给出这些条件;有的甚至没给出含水量。许多数据的离散度很大，因此实际上并没有多大的用处。第二节食品材料的热物理数据关于食品材料热物理性质的数据，收集最全的是美国供热制冷空调工程师会(ASHRAE)1993年出版的手册。Sweat等(1995)收集和比较了400多篇关于食品材料热物理性质数据的文章，发现食品材料的热物性不仅和其成分有关〔如水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等)，而且与其处理方法有关。因此，热物理性质数据应指明实验材料的尺寸大小、表面情况、空隙度、纤维方向等;给出食品的处理过程。严格地讲，实验数据应讲清实验方法、实验条件〔如温度、压力、相对湿度等)。而实验结果应给出数据的偏差范围及测量精度，目前的数据大都达不到这些要求。第二节食品材料的热物理数据表3-1a水的密度T/℃03.9851020/103(kg/m3)0.999871.000000.999990.999730.99823表3-1b冰的密度T/℃0－25－50－75－100/103(kg/m3)0.9170.9210.9240.9270.930表3-2a水的(体积)热膨胀系数T/℃02468/10－6(1/K)－68.1－32.70.2731.2460.41表3-2b冰的(体积)热膨胀系数T/℃0－25－50－75－100－125－150－175/10－6(1/K)5750433831241712β＝（△V/V）/T表3-3a水的比热容T/℃0102030Cp/KJ/(kg·K)4.21774.19224.18194.1785表3-3b冰的比热容T/℃0－10－20－30－40－50Cp/KJ/(kg·K)2.122.041.961.881.801.73T/℃－60－70－80－100－120－140Cp/KJ/(kg·K)1.651.571.491.341.181.03表3-4a水的热导率T/℃051015202530/W/(m·K)0.5610.5700.5790.5880.5970.6060.613表3-4b冰的热导率T/℃0－20－40－60－80－100－120/W/(m·K)2.242.432.662.913.183.473.81表3-5a水的热扩散系数T/℃010203040a/10－6(m2/s)0.1330.1380.1430.1470.150表3-5b冰的热扩散系数T/℃0－25－50－75－100a/10－6(m2/s)1.151.411.752.212.81冰在0℃的融化热：334.5kJ/kg或6.003kJ/mol表3-10一些食品容器材料的热物理性质热导率w/（m·k）比热容KJ/（kg·k）有效密度kg/m3热扩散系数m2/s不锈钢160.5079004.0硼硅玻璃1.100.8422000.60尼龙0.241.711000.13聚乙烯（高密度）0.842.39600.22聚乙烯（低密度）0.332.39300.15聚丙烯0.121.99100.069聚四氟乙烯0.261.021000.12表3-11几种常用包装材料的热阻材料厚度/mm热阻KmW2//蜡纸板0.6250.0096带玻璃纸的蜡纸板0.5680.01090.5090.0070铝箔0.5990.00950.5680.0075双层蜡防水纸0.2120.0035表3-12一些食品包装膜的气体渗透率(25℃)[10]p的单位是cm3·mil/（m2·24h·atm）（mil=10－3in=0.0154mm）pO2CO2聚乙烯（PE）（低密度）（高密度）85009300450007000玻璃纸15200聚丙烯（polypropylene）15002300聚氯乙烯（PVP）（软）1506000)(vGtFPp正比于表3-13在膜内外相对湿度差为90％时，一些食品包装膜的水蒸气渗透率(37.8℃)[10]p的单位是g·mil/（m2·24h·atm）p水蒸气聚乙烯（PE）（低密度）（高密度）205玻璃纸5聚丙烯（polypropylene）5聚氯乙烯（PVP）（软）90表3-14在大气压力下各种气体和蒸汽在空气中的扩散系数(10－5m2/s)H2O2CO2水蒸气乙醛乙酸醋酸乙醛已醛丁醛6.111.781.382.601.061.330.710.800.7表3-15某些与食品有关的组份在稀水溶液中的扩散系数(10－9m2/s，25℃)O2CO2SO2乙醛乙酸尿素催化酶2.412.001.701.241.261.370.041蔗糖乳糖NaCl咖啡因肌红蛋白大豆蛋白过氧化酶0.560.491.610.630.1130.030.012表3-16某些与食品有关的组份在固体中的扩散系数(10-11m2/s)扩散组份固体材料温度/℃D/(10-11m2/s)O2橡胶2521CO2橡胶2511N2橡胶2515醋酸纤维素水(12%含水量)250.32(5%含水量)250.20NaCl离子交换树脂(Dowex50)509.5环乙烷洋山芋2020蔗糖琼脂凝胶(冻粉)525第三节差示扫描法与定量热分析在升温或降温的过程中，物质的结构（如相态)和化学性质会发生变化，其质量及光、电、磁、热、力等物理性质也会发生相应的变化。热分析技术就是程序控制温度的条件下，测量物质物理性质与温度关系的一类技术。因此，热分析装置目前被广泛用来测定食品品质及其成分变化。热分析作为热的收支指标测定，是对状态和状态变化性质进行分析研究的手段。早期的分析有：定量差示热分析（DTA）和热重量分析（Thermogravimetry，简称TG）。差示扫描热量测定（DSC）是对这些早期的差示热分析进一步定量化，对热量也可以评价的测定方法。第三节差示扫描法与定量差示热分析DSC及DTA方法是对加热或冷却过程中，试样所产生的细微热量变化进行测定。在设定的温度范围内，以任意的升温速度扫描测定并记录升温过程中能量吸收或放出的温谱图。温谱曲线所包围的面积，与加热过程中试样吸取或放出的热能成正比。在食品科学中，人们利用这一技术检测脂肪、水的结晶温度和融化温度以及结晶数量与融化数量；通过蒸发吸热来检测水的性质；检测蛋白质变性和淀粉凝胶等物理化学变化。1.差示扫描量热法(DSC)及定量差示热分析（DTA）的测定原理差示扫描量热仪：在程序温度下，测量输入到物质和参比之间的功率差，从-60ºC(全部冻结)到1ºC(全部融化)扫描。下图是DSC主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成:①温度程序控制系统；②测量系统(物理性能的测量）③数据记录、处理和显示系统；④样品室。图样品第三节差示扫描法与定量热分析温度程序控制内容包括整个实验过程中温度变化的顺序、变温的起始温度和终止温度、变温速率、恒温温度及恒温时间等。测量系统将样品的某种物理量转换成电信号，进行放大，用来进一步处理和记录。数据记录、处理和显示系统把所测量的物理量随温度和时间的变化记录下来，并可以进行各种处理和计算，再显示和输出到相应设备。第三节差示扫描法与定量热分析样品室除了提供样品本身放置的容器(样品杯或样品管)、样品容器的支撑装置、进样装置等外，还包括提供样品室内各种实验环境的系统，如维持环境气氛所需气体(氮气、氧气、氢气、氦气等)的输入测量系统，压力控制系统、环境温度控制系统等。第三节差示扫描法与定量热分析图2DSC装置测定原理1.升温装置2.放大器3.热量补回路4.记录仪A.炉腔S.试样容器R.对照样容器Hs、HR.电热丝其测定原理如图2所示。在可以程控升温（或降温）的炉腔（A）中，装有试样容器（S）和对照样容器（R）。测定时分别装入试样和对照样，使它们以