1、食品物性学复习资料 微观结构有序性：有结晶态、液晶态和玻璃态。 力学性质：粘性、粘弹性体等 1定义：流变学 (Rheology)是研究材料的流动和变形的科学，它与物质的组织结构有密切关系。食品流变学主要研究作用于食品的应力和由此产生的应变的规律，并用力、变形和时间的函数关系来表示 2食品流变学的研究目的 食品感官评价的重要内容，决定品质好坏，用食品流变仪测定法来代替感官评定法，定量地评定食品的品质、鉴定和预测顾客对某种食品是否满意。 与食品的生化变化、变质情况密切相关。 食品流变学实验可用于鉴别 食品的原材料、中间产品，也可用于控制生产过程 流变学理论己经广泛应用于有关的工艺设计和设备设计。
2、第 2 章 食品的主要形态与物理性质 一、 1、微观结构与作用力 物质的结构： 物质的组成单元 (原子或分子 )之间相互吸引和相互排斥的作用达到平衡时在空间的几何排列。 分子结构： 分子内原子之间的几何排列 聚集态结构： 分子之间的几何排列 2、高分子内原子间与分子间相互作用 主价力： a.键合力 包括： 共价键、离子键、金属键 次价力： b.范德华力（包括：静电力、诱导力、色散力） c.氢键 e.疏水键 疏水相互作用是蛋白 质折叠的主要驱动力。 同时也是维持蛋白质三级结构的重要因素 3、 高分子链结构与柔性 高分子链之所以具有柔性的根本原因在于它含有许多可以内旋转的单键 自由联结链： 线形高
3、分子链中含有成千上万个键。如果主链上每个单键的内旋转都是完全自由的，则这种高分子链称为自由联结链。 柔性高分子链的理想状态 如果高分子主链上没有单键，则分子中所有原子在空间的排布是确定的，即只存在一种构象，这种分子就是刚性分子。 如果高分子主链上虽有单键但数目不多，则这种分子所能采取的构象数也很有限，柔性不大 柔性高分子链的外形呈 椭球状 。随着 分子的热运动，高分子链的构象不停地发生变化。 无规线团： 通常把无规则地改变着构象的椭球状高分子 二、 聚集态结构与内聚能 1、食品形态微观结构 按分子的聚集排列方式主要有三种类型 : 晶态： 分子 (或原子、离子 )间的几何排列具有 三维远程有序
4、液态： 分子间的几何排列只有 近程有序（即在 1-2 分子层内排列有序 )，而远程无序 气态： 分子间的几何排列 不但远程无序， 近程也无序 两种过渡态 玻璃态（无定形）： 分子间的几何排列只有近程有序，而无远程有序，即与液态分子排列相同 液晶态： 分子间几何排列相当有序， 接近于晶态分子排列，但是具有一定的流动性 (如动植物细胞膜和一定条件下的脂肪 ) 凝胶态：有一定尺寸范围的粒子或者高分子在另一种介质中构成的三维网络结构形态，或者说另一种介质（例如：水、空气）填充在网络结构中 粒子凝胶： 具有相互吸引趋势的粒子随机发生碰撞形成粒子团，当这个粒子团再与另外的粒子团发生碰撞时又形成更大的粒子团
5、，最后形成一定的结构形态 . 聚合物凝胶： 都是由细而长的线形高分子，通过共价键、氢键、盐桥、二硫键、微晶区域、缠绕等方式形成交联点，构成一定的网络结构形态 2、内聚能： 1mol 的聚集体气化 时所吸收的能量 高分子链上的极性基团的极性越小，单位摩尔体积中的内聚能就越低，高分子链的柔软性就越好 3、食品主要成分结构形态 蛋白质 ：一级结构、二级结构、三级结构、四级结构 脂肪： 层状、六方形、六方形、 立方 碳水化合物： 单螺旋结构：直链淀粉 双螺旋结构：角叉菜胶 P25 图 2-33 蛋盒结构：海藻酸盐 P27 图 2-35 三、 食品中的水分 1、水的基本物性 1） H-O 键间电荷的非对
6、称分布使 H-O 键具有极性， 这种极性 使分子之间产生引力 . 2） 由于每个水分子具有数目相等的氢键供体和受体， 因此可以在三维空间形成多重氢键， 形成氢键网络结构 水的分子团 多孔隙构造 准稳定系统 每个水分子在结构中稳定的时间仅在 10-12s 左右，在极短的时间内，于其平衡位置振动和排列，并不断有水分子脱离和加入某一个分子团，这也是 水具有低黏度和较好流动性的根本原因 2、水与离子、亲水溶质间的相互作用 离子和有机分子的离子基团与水形成水 -离子键，其键能虽然远小于共价键，但是却大于水分子间的氢键，使水分子的流动性下降 例如：在淀粉糊中加入糖，糖与水的结合改变淀粉的糊化，使糊化和糊化
7、后的老化 ( 化 )速度减慢。 蛋 白质的变性也需要水，因此，当糖存在时蛋白质的变性也会减慢。 3、水与非极性物质的相互作用 疏水水合： 向水中添加疏水物质时，由于它们与水分子产生斥力，从而使疏水基团附近的水分子之间的氢键键合增强，使得 熵减小 ，此过程成为疏水水合 疏水相互作用：当 水与非极性基团接触时，为减少水与非极性实体的界面面积，疏水基团之间进行缔合，这种作用成为疏水相互作用。 为什么陈酒的口感好？ 陈酿的酒在杯中显得 “黏 ”，酒精挥发也慢一 些，这可以认为，酒在长期存放中，水分子与乙醇分子形成了疏水性的水合结构。因此， 陈放的酒口感也比较温和，没有即时调制的酒那么 “辣 ”。 四、
8、 食品分散体系 （重点） 1.分散系统： 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 (即分散 )的系统。 包括 : 分散相：微粒子 分散介质：气体、液体或固体的介质，也称连续相 2.分散体系的特点 : 分散体系中的分散介质和分散相都以各自独立的状态存在，所以分散体系是一个非平衡状态。 每个分散介质和分散相之间都存在着接触面，整个分散体系的两相接触面面积很大，体系处于不稳定状态。 3、食品分散体系的分类 (1)分子分散体系：分 散的粒子半径小于 10-7cm， 相当于单个分子或离子的大小。此时分散相与分散介质形成均匀的一相。因此分子分散体系是一种单相体系。与水的亲和力较强的化
9、合物， 如蔗糖溶于水后形成的 “真溶液 ”就是例子。 (2)胶体分散体系：分散相粒子半径在 10-7-10-5cm的范围内， 比单个分子大得多。分散相的每一粒子均为由许多分子或离子组成的集合体。分散相与分散介质己并非为一个相，存在着相界面。这种体系有时也简称为 “溶胶 ”。 (3)粗分散体系 :分散相的粒 子半径在 10-5 10-3cm 的范围内， 可用普通显微镜甚至肉眼都能分辨出 是多相体系。 例如悬浮液 (泥浆 )和乳状液 (牛乳 )就是例子 4、泡沫和气泡的形成与性质 泡沫： 含有天然或合成界面活性物质的液体分散于介质中，存在大量气泡的状态(球形泡沫 )，或在大量气泡之间，由很薄的液膜
10、分隔，气泡呈多面体的状态 (多面体泡沫 )的总称 1） 泡沫形成原理 气液界面的分子，由于受内部拉力作用，都有向液体内运动的趋向，表面会自发地缩成液滴，或使气泡成球状 表面活性物质分散于气水界面时，分子的亲水基团部分便有向水中扩散的倾向，而疏水基团部分趋向气相，使表面能降低。具有稳定泡沫的作用 表面活性物质：使溶 液表面张力降低的物质、由亲水性极性基团和疏水性非极性基团组成的 2）影响泡沫稳定的主要因素 (1)气泡壁液体由于重力作用产生 离液现象和液体蒸发 ，引起泡膜变薄。 (2)表面黏度的影响： 泡膜液体黏度越大，膜强度也越大；即使气泡细小，内压较大，离液也比较少，气泡比较稳定 (3)马兰高
11、尼效果： 当气泡膜薄到一定程度，膜液中界面活性剂分子就会产生局部的减少，于是这些地方的表面张力就会比原来或周围其它地方的表面张力有所增大。因此，表面张力小的部分就会被局部表面张力大的部分所吸引，企图恢复原来的状态 3）消泡原理 消泡剂 滴至泡膜时，会在膜表面扩散。在消泡剂扩散之处，表面张力局部降低，使得这部分膜变得很薄而导致破裂 消泡剂性质： 分子中也有亲水基和亲油基，难溶于水；比重要小，易浮于液面；表面张力要小，易在液面扩散。 代表性的消泡剂： 硅油乳化液、油脂、酒精等水溶性差的液体乳化剂都可作为消泡剂。 五、 动物肌肉组织 1、肌肉的一般结构：肌肉肌束肌纤维肌原纤维肌节（一个 A 带和两个
12、位于 A 带两边的半个 I 带） A 带：光线较暗的区域 I 带：光线较亮的区域 Z 线： I 带中央有一条暗 M 线： A 带中央有一条暗线 H 区：在 M 线 附近有一颜色较浅的区域。 肌节：两个相邻 Z 线间的肌原纤维 肌节是肌原纤维的重复构造单位 六、植物性细胞结构 果胶作为细胞间质，与纤维素、半纤维素、糖蛋白一起发挥细胞壁的作用 未成熟的果实细胞间含有大量原果胶，它不溶于水，与纤维素、半纤维素等组成坚固的细胞壁，组织坚硬。 随着成熟的进程，原果胶水解成水溶性果胶，溶入细胞液内，使果实组织变软而有弹性。 最后，果胶发生去甲酯化作用，生成果胶酸，果胶酸不会形成凝胶，果实变成软溏状态。 第
13、 3 章 黏性食品的流变特性 一黏性及牛顿黏性定律 1、黏性是表现流体流动 性质的指标，阻碍流体流动的性质 2、牛顿黏性定律 剪切应变用它在剪切应力作用下转过的角度 (弧度 )来表示，即 =dx/dy。则剪切应变的速率为： = /dt =dx/dy/dt=du/dy 单位 S-1 也称为速度梯度 又因为剪切应力 =F/A 故牛顿黏性定律： = 二黏性流体的分类及特点 理想流体 : 黏度为零的流体 牛顿流体： 服从牛顿黏性定律的流体 非牛顿流体：不服从牛顿黏性定律的流体 1牛顿流体： 1）剪切应力与剪切速率成正比 （ = ） 2）黏度不随剪切速率 的变化而变化。（如图） 例如：水、糖液、清炖肉汤
14、等 非牛顿流动状态方程： = k ( 1 n ,0 n 1) 其中 k 为黏性常数，与流体浓度有关； n为流态特性指数 n =1 时为牛顿流体公式 k= 设 = k 则 = k 写成 = 称为表观黏度，与 k， n 有关，是 的函数，表示非牛顿流体在一定流速的黏度 2 .假塑性流体 在非牛顿流动状态方程式中， 当 0 n 1 时，表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动 ，称为假塑性流动（剪切稀化）。 大多数非牛顿流体都属于假塑性流体 原因： 1、弱的网络结构被破坏 2、有假塑性流动性质的液体食品，大多含有高分子的胶体粒子，这些粒子多由巨大的链状分子构成。在静止或低流速时，它们互相勾挂
15、缠结，黏度较大，显得黏稠。但当流速增大时，也就是由于流层之间的剪应力的作用，使比较散乱的链状粒子滚动旋转而收缩成团，减少了相互勾挂，这就出现了剪切稀化现象 例如：一些高分子溶液、悬浮液和乳状液，如酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉糊、苹果酱等 3胀塑性流体 在非牛顿流动状态方程式中， 当 1 n 时，表观黏度随剪切速率的增大而增大，称胀塑性流动，也称剪切增稠流动 原因解释： 具有剪切增稠现象的液体的胶体粒子一般处于致密充填状态，是糊状液体 作为分散介质的水，充满在致密排列的粒子间隙中。当施加应力较小、缓慢流动时，由于水的滑动与流动作用，胶体糊表现出较小的黏性阻力 用力搅动，处于致密排列的粒子就会
16、一下子被搅乱，成为多孔隙的疏松排列构造，原来的水分再也不能填满粒子之间的间隙、粒子与粒子间无水层的滑润作用，黏性阻力会骤然增加，甚至失去流动性质 粒子在强烈的剪切作用下结构排列疏松，外观体积增大，这 种现象称之为胀容现象。 例如：生淀粉糊 高分子溶液，涂料，蜂蜜，果浆，淀粉溶液 4塑性流体 0 为屈服应力 nk 0塑性流动：是指流动特性曲线不通过原点的流动。 对于塑性流动，当应力超过 0 时，流动特性符合牛顿流动规律的，称为宾汉流动。反之，称为非宾汉流动 例如：融化的巧克力、惯奶油 、橘子汁 60% 、梨酱（固形物 18.3%） 番茄酱（固形物 11%） 、大豆分离蛋白 20 % 、乳清蛋白
17、20 % 5触变性 流体 触变性流动是指当液体在振动、搅拌、摇动时黏性减少、流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的现象 机理： 随着剪切应力的增加粒子间形成的结合构造受到破坏，因此黏性减少，当应力停止的时候，粒子间结合构造需要一段时间恢复，并逐渐形成 呈现触变流动的食品口感比较柔软爽口 例如：番茄酱、蛋黄酱、炼乳 触变性流体一定是假塑性流体，而假塑性流体不一定都具有触变性 6、流凝性流体 流凝性流动：与触变性流动相反，即液体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。（流体黏度随剪切速率和剪切时间而增加） 例如：腊质玉米 糊化淀粉、糖浆 具有流凝性的食品往往呈黏稠性的口感 三影响液态食品黏度的
18、因素 1温度的影响：液体的黏度是温度的函数。在一般情况下，温度每上升 1，黏度减小 5% l0% 2分散相的影响： (a)分散相的相对分子质量：与分子链长度、支化度和支链长度有关 (b)分散相的浓度 :分散相为球形固体粒子的液体，影响其黏度的是分散相的体积分数 (c)分散相黏度 :当分散相为液体时，剪切力会使球状的分散相粒子发生旋转，因而会引起内部的流动（ d)分散相的形状 3分散介质的影响：对乳浊液黏度影响最大的是分散介质 本身的黏度。与分散介质本身黏度有关的影响因素主要是其本身的流变性质化学组成、极性、 pH 以及电解质浓度等 4乳化剂的影响 :乳化剂对乳浊液黏度的影响，主要有以下几方面
19、: 化学成分，它影响到粒子间的位能 ; 乳化剂浓度及其对分散粒子分散程度（溶解度 )的影响。它还影响到乳浊液的状态 ; 粒子吸附乳化剂形成的膜厚及其对粒子流变性 质、粒子间流动的影响 ; 改变粒子电荷性质引起的黔度效果 ; 稳定剂的影响 四液态食品的流变性质测定 常见的测定方法有 :毛细管测定法、圆筒旋转式测定法和锥板旋转式测定法 、落球式测定法、平行板测定法等。 毛细管黏度计 1)测量原理 : 根据圆管内液体作层流流动建立的 2）模型特征：特性处于恒稳流动状态，即体系中任何一点位置上的流动速度（大小和方向）不随时间改变 3)计算原理 :设毛细管半径为 R、长度为 L、两端压力差为 p=pA
20、pB ，在时间为 t 内流体流过的体积为 V 时，流体黏度可用哈根泊谡叶方程表示 : 4）基本方法 :为了测定简便和减小误差，通过测定标准液 (纯水 )和被测液流过毛细管的时间进行比较并计算 （ a） 奥氏黏度计：由导管、毛细管和球泡组成，球泡两端导管上都有刻线 (如M1、 M2) 测定时，先把一定量的液体注入左边管，然后将乳胶管套在右边导管的上部开口，把液体抽吸到右管，直到上液面超过刻线 M1。再使黏度计垂直竖立，去掉上部胶管，使液体在自重下向左管回流。测定液面通过 M1 至 M2 之间所需的时间，即一定量液体通过毛细管的时间 乌式黏度计与奥氏黏度计相比 : 奥氏黏度计在液体流动时，由于左管
21、液面上升对液柱的压力差有较大影响，因此不仅误差大，而且还要求每次加入的液量要准确、一定相比之下，乌式黏度计对加入液量精度的要求略低一些 第 4 章 黏弹性食品的流变特性 食品的变形 图 tVLpR8 4 000 tt B 食品的断裂形式 (1)塑性断裂 :塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂。 食品中这种断裂也很多，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。 (2)脆性断裂 :脆性断裂的特点是屈服点与断裂点一致。 （饼干、琼脂、巧克力、花生米等） 有些糖果，当缓慢拉伸时产生塑性断裂，急速拉仲时产生脆性断裂 一力学特性 1弹性模量（弹性率） 在弹性限度范围内，应力和应变之间符合虎克定律，即： 比例系数
22、 E 称为弹性模量 (杨氏模量 )，单位是 N/m2 2 剪切模量（剪切弹性率） 称为剪切应力；相应的变形称为剪切应变： d/H tan = 比例系数 G 称为剪切模量，单位是 N/m2 3 体积模量（体积弹性率） 假设压力的变化 p和体积应变 V 之间符合虎克定律，则 比例系数 K 称为体积模量，单位是 N/m2 4 泊松比 比例系数称为泊松比，它是表现材料弹性拉伸变形的物性参数（固有常数，无量纲）， =0 0.5 在拉伸或压缩面团、凝胶等食品的过程中，物体的体积不发生变化，则泊松比等于 0.5。海绵状食品（如面包心 )，在 压缩的垂直方向没有明显的变形，则 =0 二、 力学模型 1、 两个
23、重要的概念 应力松弛 :是指试样瞬时变形后，在变形 (应变 )不变情况下，试样内部的应力随时间的延长而减少的过程。 值得注意的是，应力松弛是以一定大小的应变为条件的 (常数 ) 蠕变 :蠕变和应力松弛相反。蠕变是指把一定大小的力 (应力 )施加于粘弹性体时，物体的变形 (应变 )随时间的变化而逐渐增加的现象。 要注意，蠕变是以一定大小的应力为条件的 2、 单要素模型 （掌握结构图与特性图） 1) 虎克模型 是用一根理想的弹簧表示弹性的模型，因此也称“ 弹簧体模型”nn E GGVdVKdp VV K ne 或“ 虎克体 ”。虎克 模型代表完全弹性体的力学表现 ，即加上载荷的瞬间同时发生相应的变
24、形，变形大小与受力的大小成正比。 2) 阻尼模型 用来表示物体黏性性质，因此称为 “阻尼模型”或“阻尼器”。阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时阻尼模型立即停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。 阻尼模型既可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质。 3) 滑块模型 不能独立地用来表示某种流变性质，但常与其他流变元件组合， 表示有屈服应力存在的塑性流体性质 ，亦称为“摩擦片” 3、 麦克斯韦模型 由一个弹簧和一个阻尼 器串联组成的黏弹性模型 当模型一端受力而被拉伸一定长度时，由于弹簧可快速变形，而阻尼器由于黏性作用来不及移动，弹簧首先被拉开，然后在弹簧恢复力作用下，阻尼器随时间的增加而逐渐被拉开，弹簧受到的拉力也逐渐减小至零。 当 t时， =0； t=0 时， = 0 应力松弛时间 当 t =时， /0 te teEtE 0)(E 010 3679.0 e
