食品物性学课件.ppt
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1、2023/4/1,第五章 食品物质的其他物理性质,一、食品物质热学性质二、食品物质光学性质三、食品物质电学性质,2023/4/1,食品物质热学性质,食品加工中经常涉及到加热和冷却的问题,如罐头食品杀菌时的温度分布,牛乳浓缩时所需的热量,冻结或解冻时的传热方向等问题。解决这些问题离不开食品和食品原料的热物性,尤其是当前深加工食品和新资源食品不断出现,掌握它们的热物性,对上述问题的解决是非常必要的。本章重点论述食品热物性估算方法、基本数据和检测技术。为解决食品热工程问题奠定基础。,2023/4/1,食品物质热学性质,食品热物性基础差热分析仪(DSC),2023/4/1,食品热物性基础,食品传热特性
2、传热系数质量平均温度比热容食品的有效导热系数差示扫描热量测定与定量差示热分析测定原理及方法在食品测定中的应用淀粉糊化、蛋白质热变性、巧克力与可可脂测定,2023/4/1,食品热物性基础,单位表面传热系数h 这是表示加热或冷却时,假定附着于固体表面的流体界膜传热性质的物理量,用记号h表示。h的值定义为:当流体与固体表面温度差为1时,单位时间通过固体单位表面积的热量,因此它是对流传热的参数。qhAT 式中q:面积热流量(wm2);A:有效表面积(m2);T为固体表面温度与流体平均温度之差;h主要由流体的粘度、密度、比热容、导热系数、流速、流体的平均温度等因素决定,是由流体的热物性和流动物性决定的物
3、理参数。,2023/4/1,食品热物性基础,质量平均温度 食品因为具有一定体积,加热或冷却时,不同部位会产生一定温度梯度。温度梯度开始较大,随时间经过逐渐减少。为了用一个数值代表加热过程中食品物体温度的变化,采用质量平均温度比较方便。在许多研究中都涉及到食品温度的变化,然而一些研究报告却没有明确定义温度的测量方法,使得数据失去客观意义。还有一些研究取小心点温度,代表该物体温度。这对那些中心不可食的果蔬(果核、空心等)也不大合适。对于包括农产品在内的形状复杂的食品,进行热物性研究时,有必要求出内部位置和温度的关系,明确定义它的代表温度点。,2023/4/1,质量平均温度,对于半径为R的球形均质物
4、体,当温度分布由中心到表面为直线时,那么定义其质量平均温度点是半径为Ri的球表面;半径为R的球质量是半径为Ri球质量的2倍,两球同心,即R与R的关系为(43)R32(43)Ri3 Ri079R smith和Bennett为了准确求出质量平均温度表示点,将球的温度分布用半径r多项式表示。对任意时间的温度分布t(r)表示为 t(r)a十br十cr2十dr3 a、b、c、d为常数,质量平均温度可表示为此多项式系数的函数。设质量平均温度为tm,半径为R的球的热量为 Q=cVtm=(4/3)Ri3 ctm 式中:为密度;c为比热容,V为体积。,2023/4/1,食品比热容的定义,比热容(specific
5、 heat capacity)又称比热容量,简称比热(specific heat),是单位质量物质的热容量,即使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。通常用符号c表示。国标单位为J/(kgK)。常用其他单位:kJ/(kg)、cal/(kg)、kcal/(kg)等。,2023/4/1,比热容测定,比热容的测量比较常用的是用热量计进行定压的热混合法和护热板法。混合法:其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中。在绝热状态下,测定混合物料的平衡温度。由以上已知量计算试样的比热容。,2023/4/1,比热容测定,护热板法:测定原
6、理如图所示。测定时将试样放人电热护板框中,同时结护热板框和试样加热使试样处在无热损失的理想状态。即护热板和试样温度始终保持一致。设在t时间内,供给样品的能量为Q,试样温度升高为T,则Q=0.24IUt=cmTc=0.24IUt/(mT)式中:I为电流;U为电压;t为时间,m为试样质量;T 为温度变化。,2023/4/1,食品材料比热容的估算,食品材料的比热容和含水量有着明显的关系,对于水分含量(以w表示)较高的食品,可按下式计算,2023/4/1,食品材料比热容的估算,低于初始冻结温度的情况,如食品中的水分己被全部冻结,则可用下式计算,2023/4/1,食品材料比热容的估算,对于食品组分己知的
7、食品,如通过固定配料开发出来的新产品,可按式(7一22)和式(7一23)计算。Heldman和Singh(1981),(7-22),(7-23),式中,Ww食品中水分的质量分数;Wp食品中蛋白质的质量分数;Wc食品中碳水化合物的质量分数;Wf食品中脂肪的质量分数;Wa食品中灰分的质量分数。,Choi和Okos(1983),2023/4/1,食品有效导热系数,高于初始冻结温度的情况 低于初始冻结温度的情况,2023/4/1,高于初始冻结温度,如果不清楚食品材料的详细组分,只知道含水量,或含水量较高,可按下式计算,Choi和Okos(1983)提出,Sweat(1995)提出,2023/4/1,高
8、于初始冻结温度多孔性食品的导热系数,多孔性食品的导热系数与空隙度有很大关系,有时影响比含水量的影响还大。食品材料在许多情况下是非均相物质,如食品由两种组分组成,这可以有三种情况(图 7一23),由三种不同方式对导热系数做贡献。,2023/4/1,传热方向与两组分系统界面平行,式中,i第i组分的体积分数;i 第i组分的导热系数。,传热方向与两组分系统界面平行的导热系数可按下式计算:,2023/4/1,传热方向与两组分系统界面垂直,式中,vi第i组分的体积分数;i 第i组分的导热系数。,传热方向与两组分系统界面垂直的导热系数可按下式计算:,2023/4/1,低于初始冻结温度,冰的热导率为2.24W
9、/(mK),远大于0水的热导率0.567W/(mK)。所以冻结食品的热导率也远高于未冻食品。要预测冻结食品的热导率是极困难的,这不仅因为热导率与纤维方向有关,而且因为在冻结过程中食品的密度、空隙度等都会有明显的变化,而这些都对热导率产生很大的影响。,式中,i各组分的体积分数;i各组分的密度;i各组分的热导率。,Choi和Okos(1984)提出根据各组分的体积分数和热导率计算食品材料热导率的方法。,2023/4/1,差示扫描量热法(DSC)(Differential Scanning Calorimetry),现代热分析是指在程序控温下,测量物质的物理性质随温度变化的一类技术。人们通过检测样品
10、本身的热物理性质随温度或时间的变化,来研究物质的分子结构、聚集态结构、分子运动的变化等。应用最多的热分析仪器是功率补偿型DSC、热流型DSC、差热式DTA、热重TG等。定义:DSC是研究在温度程序控制下物质随温度的变化其物理量(Q和H)的变化,即通过程序控制温度的变化,在温度变化的同时,测量试样和参比物的功率差(热流率)与温度的关系。即在程序控制温度下,测量输给物质与参比物的功率差与温度的一种技术。分类:根据所用测量方法的不同 1.功率补偿型DSC 2.热流型DSC,2023/4/1,功率补偿型DSC测量的基本原理,2023/4/1,功率补偿型DSC仪器的主要特点,1.试样和参比物分别具有独立
11、的加热器和传感器见图。整个仪器由两套控制电路进行监控。一套控制温度,使试样和参比物以预定的速率升温,另一套用来补偿二者之间的温度差。2.无论试样产生任何热效应,试样和参比物都处于动态零位平衡状态,即二者之间的温度差T等于0。,2023/4/1,2023/4/1,热流型DSC,不同之处在于试样与参比物托架下,置一电热片,加热器在程序控制下对加热块加热,其热量通过电热片同时对试样和参比物加热,使之受热均匀。,2023/4/1,纵坐标:热流率横坐标:温度T(或时间t)峰向上表示吸热向下表示放热DSC曲线峰包围的面积正比于热焓的变化。,DSC曲线,2023/4/1,影响DSC的因素,由于DSC用于定量
12、测试,因此实验因素的影响显得更重要,其主要的影响因素大致有以下几方面:1.实验条件:程序升温速率,气氛2.试样特性:试样用量、粒度、装填情况、试样的稀释等。,2023/4/1,实验条件的影响(1).升温速率,主要影响DSC曲线的峰温和峰形,一般越大,峰温越高,峰形越大和越尖锐。实际中,升温速率的影响是很复杂的,对温度的影响在很大程度上与试样的种类和转变的类型密切相关。,2023/4/1,如已二酸的固-液相变,其起始温度随着升高而下降的。,2023/4/1,在DSC定量测定中,最主要的热力学参数是热焓。一般认为对热焓值的影响是很小的,但是在实际中并不都是这样。,2023/4/1,从室温到熔点之间
13、有四个相(I、II、III、IV)之间的转变过程。随着升温速率的增大,硝酸铵的相转变峰温和热焓值是增高的。,2023/4/1,(2).气氛,实验时,一般对所通气体的氧化还原性和惰性比较注意,而往往容易忽略对DSC峰温和热焓值的影响。实际上,气氛的影响是比较大的。,2023/4/1,如在He气氛中所测定的起始温度和峰温比较低,这是由于炉壁和试样盘之间的热阻下降引起的,因为He的热导性约是空气的5倍,温度响应比较慢,而在真空中温度响应要快得多。,2023/4/1,2.试样特性的影响,1)试样用量:不宜过多,多会使试样内部传热慢,温度梯度大,导致峰形扩大、分辨力下降。,2023/4/1,2)试样粒度
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