《食品分散体系》PPT课件.ppt

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1、第六章 食品分散体系,彭喜春,高级食品化学,2,2023/8/8,目录,第一节 泡沫结构第二节 凝胶第三节 悬浊液,高级食品化学,3,2023/8/8,思考题,冰激凌是泡沫结构性食品，如果要提高其结构的稳定性，该进行哪些方面研究呢？,高级食品化学,4,2023/8/8,第一节 泡沫结构,一、食品中泡沫的形成乳浊液和泡沫的区别：泡沫中分散相（气体）所占的体积分数更大。食品泡沫：气泡分散在含有可溶性表面活性剂的连续体或半固体相中的分散体系。气：CO2或空气可溶性表面活性剂：蛋白质、脂肪连续相：水溶液、乳浊液或悬浊液。,高级食品化学,5,2023/8/8,食品泡沫是非常复杂的胶体体系。泡沫结构中气-

2、液界面能达到1m2/ml液体。泡沫大小分布广泛。表面活性剂的作用：降低表面张力，阻止气泡聚集。能和截留的气泡之间形成一个弹性的保护壁垒。如蛋白质。,高级食品化学,6,2023/8/8,泡沫的形成方法,多孔喷洒器 低蛋白质的水溶液（0.01-2%）2.搅拌和振荡：大量气相存在3.将预先加压的溶液减压。如啤酒、可乐等乳浊液和泡沫之间的一个主要差别是在泡沫中分散相（气体）所占的体积分数比起在乳浊液中在更大范围内变动。,高级食品化学,7,2023/8/8,搅打过程中充气机理,高级食品化学,8,2023/8/8,搅打稀奶油形成泡沫的三个阶段：迅速充气阶段：液相中未吸附的酪蛋白起泡性能好，导致大量气体以大

3、气泡的形式充入乳浊液，少量大气泡破裂形成小气泡，从而形成很少量的脂肪球部分聚结体，聚结过程不可逆。脂肪球快速聚结阶段：液相中蛋白质浓度迅速上升，搅打过程中乳化剂快速竞争解吸界面吸附的酪蛋白，降低了界面吸附层的静电和空间稳定作用，致界面稳定性下降，大气泡开始快速破裂形成小气泡。是可逆的动态过程。至气泡界面被脂肪球及聚结物紧密包裹形成稳定的气泡。,高级食品化学,9,2023/8/8,大气泡破裂形成小气泡和小气泡合并形成大气泡的过程中伴随着脂肪球部分聚结，从而导致脂肪球部分聚结速度快速增加。继续搅打起泡率保持快速增加，泡沫结构稳定性明显变好，泡沫结构的硬度、稠度、内聚性和黏性也快速增加。,高级食品化

4、学,10,2023/8/8,高级食品化学,11,2023/8/8,高级食品化学,12,2023/8/8,脂肪球急剧聚结阶段：此时脂肪部分聚结体已相当大，易刺破气泡的界面膜，导致搅打起泡率降低。此时开始形成较大相互联结的聚结体，这会显著增大脂肪球的粒径和提高搅打稀奶油的硬度、稠度、内聚性和黏性。继续搅打起泡率急速下降，气泡增大，聚结体形成大的脂肪聚结体.,高级食品化学,13,2023/8/8,泡沫中气泡测量,扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜(TEM)光学金相显微镜,高级食品化学,14,2023/8/8,搅打稀奶油：TEM和SEM冰激淩：SEM获得的结构是二维的。X射线断层摄像技术可拍摄气泡

5、的三维结构，可获得气泡非常详尽的信息。,高级食品化学,15,2023/8/8,搅打过程中气泡的粒径变化,搅拌越久是否超好？过长时间（9分钟以后）搅打，使脂肪球过度聚结，破坏气-液界面，小气泡破裂合并成大气泡。,高级食品化学,16,2023/8/8,高级食品化学,17,2023/8/8,气泡失稳机制：Rayleigh-Taylor失稳和Kelvin-Helmholtz失稳。Rayleigh-Taylor失稳是由不同密度流体的接触面积增加所引起（在食品乳浊液中的气泡被拉长）Kelvin-Helmholtz失稳是由于两个叠加的流体不同的湍流速度而引起的剪切压力引起的。,高级食品化学,18,2023/

6、8/8,二、泡沫的稳定性,（一）泡沫的去稳定化机理乳浊液是一种热力学不稳定体系，而用于搅打充气的乳浊液又不同于一般乳浊液。搅打充气乳浊液：要求制备的乳浊液在静置条件下相对稳定，而在搅打充气条件下易发生去稳定作用，促使脂肪球发生部分聚结，形成一个由蛋白质稳定的乳浊液和由脂肪球稳定的气泡共存的泡沫结构。能在冻结的状态下长时间保持稳定。泡沫内在的不稳定更甚于乳浊液，让气泡长时间保持稳定不易。,高级食品化学,19,2023/8/8,泡沫体系的稳定机制,气体扩散毛细流动重力排液Ostwald熟化,高级食品化学,20,2023/8/8,1.气体扩散,由于液膜的曲率不同导致气泡内气压不同而引起的。如果两个气

7、泡聚结在一起，则它们之间存在一薄的液膜。如图所示：,a.两气泡半径相同,b.两气泡半径不同,两接触气泡的变形,高级食品化学,21,2023/8/8,气泡的压力差可以用Laplace方程式表示：如半径分别为R1和R2的气泡相互接触，则接触面之间的压力差为：如果接触面的曲率半径为R0，则可得到曲面两边的压力差为：,高级食品化学,22,2023/8/8,气体扩散的最终结果是：小气泡收缩，大气泡长大。如果初始半径相差不大，则扩散慢。,高级食品化学,23,2023/8/8,2.毛细流动,当三个气泡聚结在一起时，它们之间形成三角形状液膜，这一液膜区称Plateau平稳边界（或Gibbs三角形），简称PB区

8、，如下图所示：,高级食品化学,24,2023/8/8,如果3个气泡大小相同，则其交界之间互成120度交角。在PB区的曲率较正常界面（两个气泡接触面）的曲率大，这就意味着此处存在着较大的压力差。由于压力差的存在，使得正常界面的液体向着PB区方向流动而导致液膜变薄，泡沫的稳定性下降，这就是泡沫膜的液体渗出作用。,高级食品化学,25,2023/8/8,3.重力排液,啤酒泡沫排水时泡沫渐渐从球形气泡变成多面体气泡，Why?排水的主要推动力是重力，在多面体泡沫中，Plateau平稳态边界吸力对排水起推动作用。如温度越低，粘度越高，则排水速度越慢，气泡的膨胀速度也越慢，气泡膜则越厚实，使气泡维持时间得以延

9、长。5-15nm的临界厚度,高级食品化学,26,2023/8/8,4.Ostwald熟化,Ostwald熟化是由于不同直径的气泡之间毛细管压力差，小泡中的气体会向大气泡转移，导致大气泡越变越大，小气泡越变越小，最终消失。气体转移的动力与气泡的直径成反比，随着时间的推移，大气泡越来越多，泡沫的组织结构变得粗糙。泡沫的不稳定是由多种机制共同作用的结果。,高级食品化学,27,2023/8/8,搅打稀奶油：气泡由蛋白质和脂肪球部分聚结网络稳定的，泡沫去稳定化主要是由气体扩散和Ostwald熟化两种机制引起。气体的扩散速率主要与气泡界面上的吸附层、中间相的通透性和气泡的大小（扩散动力与气泡的直径成反比）

10、等因素有关。乳化剂的分子量和堆积密度决定了吸附层的通透性，当气泡体积变小，吸附层上乳化剂浓度增大，导致气泡的表面张力降低和气体扩散动力减弱。,高级食品化学,28,2023/8/8,保持泡沫稳定性的方法：保持气泡直径相同；提高亲水胶体的浓度，以增加液相的黏度，当连续相具有一定的剪切屈服值，能够完全减缓排液。当亲水胶达到一定浓度时，体系形成凝胶，减缓气泡的非均匀化过程。增加气-液界面上的界面膜强度。选择适当的乳化剂，能够大大降低由于气泡之间的液膜破裂引起的气泡合并，理论上蛋白质作乳化剂就能达到目的，界面膜的黏弹性能够减缓气泡的非均匀化过程。,高级食品化学,29,2023/8/8,对于冰激凌，液相凝

11、固，体系的稳定性与气泡之间的冰晶和乳糖晶体密切相关，只有贮藏在足够的低温下，体系才能达到稳定，但反复融冻会破坏原有的结构。泡沫气泡及其微观结构不同于乳浊液脂肪球，泡沫的稳定性更加难以控制。,高级食品化学,30,2023/8/8,稳定搅打充气乳浊液体系最好的方法是用半结晶脂肪球网络包裹气泡。如搅打稀奶油和冰激凌在气-水界面上，部分结晶的脂肪球之间能够形成部分聚结网包裹气泡，只要脂肪球保持结晶状态，泡沫就可以保持一定的硬度。当搅打稀奶油升温至脂肪晶体的熔点时，泡沫组织会坍塌。,高级食品化学,31,2023/8/8,（二）蛋白质对气泡稳定性的影响,单纯用乳化剂稳定的效果很好，但是实际应用中，经常有蛋

12、白质存在。搅打充气乳浊液：预变性的乳清蛋白和酪蛋白取代部分乳清蛋白，可以降低泡沫结构中气泡的直径，使其更均匀，减缓了Ostwald熟化过程，提高了脂肪球在气泡表面的吸附量，促进了脂肪球的部分聚结率。,高级食品化学,32,2023/8/8,（三）油脂结晶对泡沫稳定性的影响,脂肪或油脂在低温和高温时具有不同程度的结晶。低温时，脂肪球部分聚结，能有效地包裹和稳定搅打充气体系的气泡，形成稳定的泡沫。当结晶脂肪成一个连续的网络，部分聚结才可能发生，因此脂肪球的比例决定了乳浊液的剪切去稳定性。,高级食品化学,33,2023/8/8,脂肪完全结晶或完全不结晶，脂肪球都难以发生聚结。半结晶脂肪才能致脂肪球部分

13、聚结，在气泡的周围形成一个坚固的网络结构层。当固态脂肪的含量大约为10-50%，部分聚结会最大化。如果绝大部分脂肪为结晶脂肪，体系可能会保持稳定性，而不发生正常的聚结。,高级食品化学,34,2023/8/8,脂肪球部分聚结机理分析,搅打稀奶油由乳浊液搅打形成稳定的泡沫结构过程中，脂肪球部分聚结和充入乳浊液中的气泡变化起着决定作用。脂肪球部分聚结机理分析：搅打稀奶油乳浊液经老化和解冻后脂肪球最外层脂肪膜为乳化剂和酪蛋白的吸附层。脂肪球经过老化后，脂肪球靠近吸附层的外层部分液态脂肪转变成固态脂肪，而中心部分的脂肪仍然为液态。在热胀冷缩下，内部未转变的液态脂肪与外部的固态脂肪之间产生压力差，致使外部

14、固态脂肪承受一定的压力而易碎。,高级食品化学,35,2023/8/8,高级食品化学,36,2023/8/8,组成脂肪球膜吸附层的蛋白质、乳化剂等物质的疏水端被凝固在固态脂肪中，使其失去了在脂肪球表面的流动能力，导致脂肪球膜失去了其原有的韧性，易在搅打过程中的挤压、剪切、湍流等力作用下，使脂肪膜及其相连的固态脂肪部分部坏。被破坏的脂肪球膜部分在搅打条件下可能会离开脂肪球游离到搅打稀奶油液相部分中，伴随着脂肪球因破裂而释放出其中所包含的部分液态脂肪，达到压力平衡；而游离于搅打稀奶油液相的破裂脂肪球，由于对脂肪的亲和作用以及表面张力作用，流出的液态脂肪仍然与破裂的脂肪球相连，附于破裂口处。,高级食品

15、化学,37,2023/8/8,同时，搅打稀奶油在剧烈搅打下充入大量气体并被搅打稀奶油包裹而成为气泡。气泡界面膜属于一种单分子膜结构，由于表面吸附以及静电作用，使液态脂肪进入气泡内聚集，外部与原脂肪球固态部分相连，固态部分外面仍有部分脂肪球膜。继续搅打，湍流流动中游离的表面活性物质和蛋白质也会集中在气泡表面，这样界面张力降低、势能也逐步降低，变化自发完成。,高级食品化学,38,2023/8/8,当气泡外物质聚集到一定程度，使气泡内压力大于外膜的收缩力致使气泡破裂，于是附着于气泡周围的脂肪球聚结到一起形成脂肪聚结体。这种脂肪球聚结形成脂肪聚结体的作用似链反应一样，由于气泡的破裂，使搅打稀奶油内部压

16、力降低，同时其余气泡也在减压情况下迅速胀破，因此搅打过程结束，形成由脂肪球聚结体稳定的搅打稀奶油泡沫体系结构。,高级食品化学,39,2023/8/8,三、泡沫流变性,两相泡沫的流变性泡沫具有非牛顿流体特性，是一种假塑性流体，在低剪切力速率下具有很高的表观黏度，其黏度随剪切速率的增加而降低。在一定剪切速率下，泡沫的表面黏度随泡沫质量的增加而升高。泡沫质量是指气泡直径组成和微泡的数量。,高级食品化学,40,2023/8/8,根据泡沫质量把泡沫流体分为四个区域：96%时，气泡破裂形成雾。,高级食品化学,41,2023/8/8,2.三相泡沫的流变性三个泡沫表观黏度与剪切速率的关系：三相泡沫仍为剪切变稀

17、流体，但在同一剪切速率下，三相泡沫的黏度比两相泡沫的黏度大得多。,高级食品化学,42,2023/8/8,四、消泡和泡沫的抑制,物理消泡法改变泡沫产生的条件，而溶液的化学成份仍然保持不变。如搅拌、改变温度和压力、离心或采用紫外、X射线、红外、超声波的照射等。,高级食品化学,43,2023/8/8,化学消泡法：采用化学方法消除泡沫的稳定因素。其机理如下：消泡剂在泡沫中扩散，扩散时在泡沫壁上形成双层膜，在此扩散过程中将具稳定作用的表面活性剂排开，达到降低泡沫局部表面张力，破坏泡沫的自愈效应，使泡沫破裂。消泡剂可能进入泡沫壁，但只分布到很有限的范围，与发泡剂一起形成混合的单层，若此种单层的内聚性不佳时泡沫会破裂。,高级食品化学,44,2023/8/8,在气-液界面干扰表面活性剂的吸附或降低吸附的表面活性剂的稳定效率而起作用。消泡剂可能以分子形式取代稳定层的表面活性剂分子使泡沫破裂，也可能以透镜形式在界面取代稳定层结构。,高级食品化学,45,2023/8/8,消泡剂加入一段时间后失效，原因：起泡剂浓度高。消泡剂开始能起作用，因为在表面上铺展速度比起泡剂快，达到消泡效果，当逐渐显示出增溶作用后，消泡效果会慢慢消失。安全方法：不能一次性加入大量消泡剂，以连续或半连续方式添加低浓度的稀乳液。,Thank You!,