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Physical Properties of Food食品物性学国立宜兰大学食品科学系陈辉煌教授(2008)§IntroductionI. 食品物性的定义任何使用物理方法而不用化学方法描述或测量食品特徵的性质1. primary physical properties—viscosity, thermal conductivity….2. complex properties—texture, structure properties, mechanical properties, ….II. 食品物性的重要性1. 制程：(1) 为了获得更快、更顺畅的加工流程(2) 自动化、高科技制程，需要运用机械、电磁学、热学、光学、声学等技巧与软硬体设备2. 品管：(1) 生产更好的产品(2) 原料贮运、分级、生产、仓储至运销等重要的管制因子3. 研发(1) 产品开发有赖於对食品性质的了解与熟悉(2) 食物的外观（大小、形状与色泽）—视觉口感、质感(texture)—触觉酥脆感(crispy)—听觉、触觉III. 食品物性的范围表一食品物性分类机械性质（mechanical properties）流动性质牛顿流体黏度幂次函数流体视黏度、time dependent, time independent 固体颗粒流动静止角、内摩擦角、剪切指标（流动性指标）、压缩性质质地延伸性质黏性、抗拉力、延伸与黏弹性压缩性质切断力、压缩力、内聚力强度硬度、脆度（易碎指标）、韧度、坚实度、柔软度凝胶胶强度、刚性度其他多汁性、滑润(smooth, lubricate)光学性质（optical properties）颜色可见光吸收光谱、XYZ、Lab、白色度、黄色度、彩度光泽Lightness 亮度、对比、Munsell value其他浊度透光度萤光萤光度旋光性旋光度几何性质（geometrical properties）固体几何形态学大小、形状、孔隙度、缺陷面积表面积、截面积体积体积、比体积密度密度、比重、表密度、比容其他表面性质表面张力、界面张力、黏着性质、摩擦系数热性质（thermal properties）热力学热量比热、焓、熵其他相的变化显热、潜热融点（融溶、凝固）、沸点（蒸发、凝结）、三相点（昇华、超临界）热传导传导、对流、辐射热扩散热扩散系数热膨胀热膨胀系数热穿透热穿透速度润湿润湿热溶解溶解热质传性质(mass transfer properties)相之间的质溶解溶解度传吸附复水度渗透渗透压、逆渗透过滤过滤、超过滤、半透膜乾燥特性水水分含量、水活性扩散扩散系数其他乳化乳化力、乳化安定性泡沫起泡性、泡沫安定性分散扩散阻力电性质（electrical properties）电导度介电性质电磁性质电磁波γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线、微波电磁波特性吸收、反射、折射、透过性其他静电性质静电引力其他官能品评感官视觉、触觉、听觉§Geometrical PropertiesI. 几何性质（geometrical properties）大小(size)、形状(shape)、面积(area)、体积(volume)、密度(density)、缺陷(defects)II. 大小、形状、面积的描述1. 定性的描述(肉眼分辨)(1) 不易完整描述一食物的形状(2) 通常用於不规则食物量测2. 定量的描述(测量)(1) 筛网分级* 适用於粉末、小颗粒* mesh （筛孔、筛孔直径或筛号）：1 英寸间的孔数(2) 仪器测定与计算* 测量方法放大镜；直角直尺、游标卡尺、微尺；光学投影机；显微镜；影像处理* 圆度：测量物体圆角的钝、锐程度-- Roundness = Ap/Ac其中Ap：物体最大投影面积Ac：包含此投影之最小圆面积-- Roundness = Σr/nR其中r、R：物体弯曲处内切小圆半径、物体最大内切圆半径n：物体弯曲处内切小圆数量-- Roundness ratio = r/R其中r、R：物体最大内切圆半径、与物体投影面积相同(Ap)之圆半径-- Sphericity(球度) = d e/d c其中d e：与物体体积相同的球体球(直)径d c：最小外接圆球(直)径* 长度与直径长条形(如小黄瓜等)三尺寸的描述a：最大面积的长轴直径a b：最大面积的短轴直径c：垂直面的垂直轴直径b * 单一颗粒的粒径c 多采用等效直径（即当量直径或球径）表示-- 等效体积球径dp(与颗粒等体积的球形颗粒球径)dp = (6Vp/π)1/3-- 筛选球径(通过筛孔的最小尺寸)d = (b1+ b2)/2其中b1、b2代表使颗粒通过和截留的相邻两号筛的筛孔宽度，对通过最细一号筛的颗粒可用筛孔宽度的1/2 表示其平均球径* 粒径分布单一粒径较少使用，通常需了解颗粒的粒径分布-- 表格形式：可分为频率分布（即次数分配）与累积分布-- 曲线形式：亦可分为频率分布（即多边图）与累积分布曲线* 混合颗粒的平均粒径(dm)-- 算数平均粒径，即长度平均粒径dm =Σn i d i /Σn i其中d i、n i 代表颗粒粒径、及其颗粒数(通常为频率分布) * 蛋的表面积-- 剪贴法：以胶布贴密後，计算胶布面积-- 以透影仪放大後测量（二端视为二个半球型，中间切成英寸宽的长条—圆型的直径）III. 体积(V)与密度(ρs)1. 固体(1) 规则型：数学计算(2) 不规则型：* 不溶於水：用水置换法体积=d/ρHO2比重=ρsample /ρH2 O = a · SG H2 O / d其中d：置换水重量；a：物体在空气中重量* 溶於水：用细颗粒（芥菜子）量测并计算假体积(bulk volume)或假密度(3) 具多孔隙（颗粒）：* 真密度或绝对密度（absolute density）ρs = 固体的总质量/固体的实际体积* 假密度(或表密度、整体密度bulk density)ρ b = 颗粒的总质量/颗粒的总(整体)体积* 相对密度（relative density，即比重）b = ρs /ρ4℃水* 视颗粒密度（apparent particle density, ρp）ρp=每一单独颗粒重量/每一单独颗粒所占的空间量(4) 空隙度(Void, v)与孔隙度(Porosity, ψ)* 空隙度指颗粒间体积与整体体积的比率v=ρ b (1/ρ b – 1/ρp)* 孔隙度指颗粒内空气体积与整体体积的比率IV. 重量与质量1. 重量（W）F = W = m×g/g c2. 质量（m）以天平测得之值V.奈米科技1. 长度单位1nm = 109m－2. 奈米材料(1) 定义三个维度之中，至少一个维度的长度是奈米级（介於1～100 nm之间）(2) 奈米材料在结构上可以分为三种形式：* 颗粒状：代表零维奈米材料(0D)* 柱状或线状：代表一维奈米材料(1D)* 层状：代表二维奈米材料(2D)3. 奈米材料的性质(1) 表面效应--表面原子数激增（亦即表面积对体积的比例大增）(2) 量子效应当材料的尺寸由巨观缩小至接近於数个原子或分子的大小时，其能量状态的分布由连续转变为量化的状态* 量子穿遂效应(3) 特殊的光学性质* 奈米金* 隐形涂料* 蛾眼效应(4) 特殊的热性质(5) 特殊的磁力性质(6) 特殊的力学性质(7) 特殊的吸附性质* Lotus effect (莲花效应)* 奈米防水层* 奈米涂料* 其他吸附力4. 制作奈米粒子的方法—Top down & Bottom up可分为"自上而下"（Top Down）和"自下而上"( Bottom Up)两种方式(1) 物理方法真空冷凝法、物理粉碎法、球磨法气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法沉淀法、微乳液法、还原法、分解法、超临界流体法(3) 生物方法IV.微细结构分析1. 光学显微镜放大倍率不高（超过1000倍时，则影像容易失真）2. 电子显微镜(Electron microscopy)(1) 穿透式电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)电子撞击样品後，散射之电子经中间影像放射透镜(intermediate imageprojection lens)处理，并由电视萤幕显示出来(2) 扫瞄式电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)电子光束以平行轨迹模式横扫样品表面，产生二次电子发射效果(secondary electron emission, SEE)、回散射电子效果(back-scatteredelectrons, BSE)及阴极射线(cathode-luminescence)等讯号，呈现在萤幕上3. 奈米级显微镜(1) 扫瞄穿隧式显微镜(Scanning tunneling microscopy, STM)(2) 原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)(3) 磁力显微镜(Magnetic force microscopy, MFM)(4) 扫描近场光学显微镜(Scanning near-field optical microscopy, SNOM) or(Near-field scanning optical microscopy, NSOM)§Rheology of FluidI. Rheology1. definition(1) The science of deformation and flow of mater(2) The study of the manner in which materials respond to applied stress and strain(3) The study of mechanisms in formation of structure and property relationship.2. importance(1) QC of raw materials and products(2) design and evaluation of processing and machine(3) description and research for the properties that consumers demand(4) illustrate the relationship between structure and texture3. classification(1) macrorheology(2) microrheology(3) rheometry(4) applied rheology4. category(1) flow of liquid or suspension(2) flow and deformation of powder(3) deformation and destruction of solidII Variety of rheology measurement1. Fundamental：well-defined physical properties<eg> viscosity, modulus, Poisson’s ratio2. Empirical：parameter proven useful but not well defined<eg> gel strength, cohesiveness, adhesion3. Imitative：parameters measured under conditions that simulate application<eg> cutting force, tension force, hardness, crispnessIII. Rheological properties of fluid food –ViscosityThe resistance of material to flow1. 黏度的理论分子理论(molecular theory)速率过程理论(rate process theory)扩散理论(diffusional theory)2. 黏度的计算shear force（剪力，F）shear stress（应力，τ）shear rate (应变, γ) -- 平行板间某个分子的流速(V)，对应该点与板距离(r)之变率称为速阶(velocity gradient, dV/dr)牛顿流体（Newtonian fluid，即理想流体ideal fluid）dVτ= μ(-----)drμ为Absolute viscosity非牛顿流体(Non-Newtonian fluid)dVτ= b (------)n + cdr b 为Apparent viscosity (η)注：Relative viscosity：代表溶液的黏度与纯溶剂的黏度比Kinematic viscosity：绝对黏度除以流体的密度(ν=μ/ρ)fluidity：黏度的倒数(φ=1/μ)Table 1 Summary of flow characteristics of various types of fluidsFlow characteristic s of fluidsFluidconsistencyindex (b)Fluidb ehaviorindex (n)Yield stress(c)T ypical fluids Example of foodsNewtonian Viscosity(b=μ) n=1 c=0 Thin solution Water, clarified juice, oils,confectionery syrupBingham (or plastic) A pparentviscosityn=1 c>0 Thick solution, colloids French dressing, tomatocatsup, fudge saucePseudoplastic Apparentviscosity 0<n<1 c=0 Emulsions, suspensions Vegetable soup, chowder,salad dressingBingham-Pseu Apparent doplastic viscosity Dilatant Apparentviscosity 0<n<1 c>0 Thick solution with suspendedparticles of irregular shape1<n<∞c=0 Nearly saturated orsupersaturated suspensionS andwich spread, jelly,marmaladeSausage slurry, homogenizedpeanut butter注：Bingham , Pseudoplastic, Bingham-Pseudoplastic 及Dilatant fluid 的方程式都是幂次函数，故这些流体都称power law fluid3. 影响黏度的因子(1) 流体本身性质* 分子量* 分子结构（形状）* 胶粒大小* 亲水性* 电荷* thixotropic fluidapparent viscosity decrease with time* rheopectic fluidapparent viscosity increase with time* mixed typeviscosity increase and then keep constant or decrease with time (3) 应变* Shear thinning视黏度随着应变增高而降低* Shear thickening视黏度随着应变增高而增高* mixed type(4) 温度(5) 浓度(6) 压力(7) 悬浮物4. Weissenberg effect黏流体受回转运动时，因应力之影响，产生与回转面垂直力量(normal force)，导致垂直流动的现象I V. Determination of viscosity1. 黏度的单位1 dyne 的力作用在相距1 cm 的平行面上，造成流体流动时的速度梯度为1/s，黏度为1 poise（p）2. 测定黏度的方法(1) 毛细管型(Capillary)原理：利用Hagen-Poiseuille 方程式中，圆管中的流体黏度μ= ΔPR2/8LV其中ΔP：压差（驱动压力）、R：管内半径、L：管长度、V：平均流速μ1/μ 2 = ρ1t1/ ρ2t2(2) 直管黏度计(tube viscometer)原理：利用Rabinowitsch-Mooney 方程式γw = 8V/D[3/4 + 1/4(dln 8 V/D /dln τw)]τw = ΔPR/2L，求出应变γw = - 8V/D其中γw：流体在管壁处的应变、D：管内直径、τw：流体在管壁处的应力、dln 8 V/D /dln τw：Fluid behavior index 之倒数(1/n)(3) 同轴回转黏度计(Coaxial rotational viscometer)原理：由一同轴的静止圆筒与回转圆杯（或圆柱）组成，当圆杯（或圆柱）转动时，藉流体的牵引力，测定圆杯（或圆柱）的扭(应)力(Torsion) * 对窄间距回转黏度计而言（使用圆杯时）F = A/R其中F：作用在圆杯的回转阻力、A：扭力、R：圆杯的半径故A 1 Aτw = ---- ?--------- = ------------- 其中L：圆杯的高度R 2πRL R2(2πL)而2πRNγw = ---------- 其中N：圆杯的转速、δ：（圆杯与圆筒）间距δ* 宽间距回转黏度计（使用圆柱或螺旋柱时）* 锥与板（Cone and plate viscometer）(4) 落球黏度计(或浮球黏度计，Falling-ball viscometer)原理：球体因重力落下，经过一定高度流体所需之时间，评估流体黏度利用Stoke 方程式η=[(ρb-ρf)gD2]/18v(5) 振动黏度计(Oscillation viscometer 或Vibrating viscometer)原理：由於流体黏度的黏滞力会影响振动的振幅，故在一定频率下施予一力量以维持固定振幅，可估算流体的黏度§Rheology of Non-fluidI. 黏弹理论1. Ideal elastic substance应力(stress，τ)和应变率(strain，ε)成正比2. Ideal viscous substance流体（尤指一般液体）的行为表现，即着名的牛顿流体（Newtonian fluid） substance大部份的食品介於理想弹性体与理想黏性体之间II. 流变性质量测理论与应用1. 基本静力测试(simple static test)(1) 伸张(Tension)或压缩(Compression) * 应力为拉力或压力* 样品常为圆柱体或长方体应力τ= F/A；应变ε=ΔL/L则=EετF A ↓ΔL其中E 为弹性模值(2) 剪切力(Shear)τs= Gεs其中G 为剪切模值ε为角度(ΔL/L)sA ΔLF→θΔLεsLτ(3) 总体压缩(Bulk compression)τB= KεBτ其中K 为压缩模值ττεB为体积变化(ΔV/V)ττ(4) 弯曲测试(Bending test)Hertz’s equation:PE = (PL3)/(48Iδ)其中P 为压力、L 为样品长度、I 为惯性动矩(momentum ofinertia)、δ为弯曲深度Lδ恢复原有状态者，又称为Hookean solid13* 通常以一条弹簧表示，即τ= E?ε（虎克定律）εεττtε* 因施力方式不同，可分为三种模值：-- 正应力，Young’s modulus 或modulus of elasticity (E)-- 切应力，shear modulus 或modulus of rigidity (G)-- 表体应力，bulk modulus 或incompressibility (K)* 卜瓦松比率(Poisson’s ratio, μ)：μ=(ΔD/D)/(ΔL/L)1/E = (1/3G) + (1/9K)E = 2G(1 +μ) 或E = 3K(1-2μ)(2) 对照於液体的黏流性质* 液体受力开始流动，应变率与应力成正比；外力消失也不回到原始状态* 可以缓冲器(Dashpot)活塞为代表：τ=μ（dε/dt）εεττtε(3) 对照於黏弹性质* 大部份的食品介於弹性体与黏性体之间，称为黏弹性质* 以两个以上物件代表时，至少有一弹簧及一个缓冲器-- 串联时，即为Maxwell elementτ= τ 1 + τ2ε= (τ1/E m) + (τ2/μm)=ε1+ε 2并可求得τ(t)= τ0 ·exp(-E t/μ)τ 1 (ε1) τ 2 (ε2)E μm m τετt t-- 并联时，即为Kelvin-Voigt elementτ= E v?ε 1 + μv?ε2ε= (τ/μ) - (Eε1/μ) 并可求得ε(t)= (τ0 /E)[1 - exp(-E t/μ)]τ 1 (ε1) E vεττt* 考虑时间时，有三种测试方法：Creep、Relaxation、Dynamic modulus curve 3. Creep curve（潜变曲线）-- 一定应力下，应变率为时间的函数(1) Creep test 测试条件* a dead load (constant stress)* 应力与样品主轴平行εt* E 是时间的函数，E= f(t)，与应力大小无关* 应力施於样品，样品立刻变形* Boltzman 加成原理适用（即ε是样品前处理的函数）(2) 测试方法施一定应力於样品，产生一个应变率，以应变率对时间作图成为Creep curve(3) 已知模式* Model I – Maxwell* Model II – three elements-- bread dough 表现符合此模式E1 E2ττμ 1 E1 μ1μ 2 μ2 * Model III – Burger-- 即Maxwell + Kelvin model-- 圆柱型果肉组织、马铃薯、法兰克福香肠、乾酪、低甲氧基果胶等4. Relaxation curve(舒张曲线) —一定应变率下，应力为时间的函数τ(1) Relaxation test 测试条件t一定应变率下，应力的变化(2) 最典型的是Maxwell model(3) 在食品上的应用* 苹果、马铃薯、法兰克福香肠、低甲氧基果胶等样品都会舒张到没有残留应力，故属於Model III（与Maxwell 反应类似）5. Dynamic modulus curve（动力模值曲线）-- 应变以sin 正弦波方向输入，应力的变化及模值是频率的函数(1) 原理* 利用物质共振或在周期运动所产生对k x(t) m 应的应力、应变，以描述或定义食品的性质F(t)c(2) 测试方法* 共振法(resonance)mx” + cx’+ kx = F sin ωt其中x”及x’是位移x 对时间t 的微分ω：frequency (震动频率)可解得无阻尼的自然共振频率为fn=1/(2π)√(k/m)* 直接法(direct stress-strain)因食品大多是线性黏弹性材料，故可直接测试τvs ε即输入ε=εo sin ωt；输出应力变化τ=τo sin(ωt-δ)则动态复模值G(iω) = G l + G s其中G1、G s分别是储存模值（storage modulus）及损失模值（loss modulus）|G(iω)|= τo /εoG l=|G(iω)|sinδ(=G”)G s=|G(iω)|cosδ(=G’)可解得τ=εo [G l sin ωt + G s cos ωt]tanδ=|G(iω)|sinδ/ |G(iω)|cosδ(=G”/G’)k0o90oω180oc(3) 应用：水果成熟度的筛选；胶体的质感(texture)、凝胶、刚性度§TextureI. 质感或质地(texture)1.可有如下之定义：(1) 固体食物或半固体(semi-solid)食物的组织感(2) 任何物质组成的组织方式、架构及构成要素(3) 利用机械方式和触觉、视觉与听觉等感官方式可感受到的一个产品所具有的机械、几何及表面特徵2. 食品质地的重要性(1) 重要的食品性质，影响食品的接受性(2) 食品品质重要指标(3) 食品贮存期间品质变化指标(4) 采收、加工、输送等制程及机械设计的重要考量因子II. 食品的质地分析1. 质地测试型式分类(1) 客观(仪器)的(2) 主观的2. 食品质地感受流程：Handling→Biting→Chewing→Swallowing(1) 入口之前：视觉、嗅觉、触觉(2) 入口之後：* 低剪切速率期：食品仅小幅变形* 中剪切速率期：配合舌头搅动使食品变形量提高并流动* 高剪切速率期：即咀嚼初期，食品已大幅或完全变形，纤维状食物撕裂、硬脆食物细碎，与唾液混合成食团* 糊状期：食物与唾液充分混合、流动* 吞咽期：配合唾液分泌及吞咽动作3. 比较感官与仪器分析，前者为主观、後者为客观分析，但後者模拟前者设计感官分析仪器分析以感觉器官来感受食品的质地由转换器将测量结果以数据或图形表示非线性关系线性关系非定温测量多为定温测量唾液效应无唾液效应咀嚼速度不易固定多为定速测量测试时间长测试时间短各项物理性质同时感受各项物理性质个别测量4. 测量质地的主要方法(1) force measuring—maximum-force instrument* Puncture testing推压一punch 或probe 至样品中所需的力* Compression-extrusion testing施力至样品经样品槽的细孔或模口流出* Shear testing-- true shear failure当一外力切过样品截面时，与邻近的其他部分沿其接触面平行方向滑行-- cutting shear failure任何导致产品被分切成二半的剪切行为-- shear modulus* Compressing and Crushing-- Young’s modulus-- bulk modulus-- Poisson’s ratio* Tensile testing样品在与伸张力垂直面上产生瞬间断裂* Torsion testing沿着样品的轴向旋转或扭转样品所需的力* Bending and Snapping test(2) distance measuring* Linear measuring-- Rebound distance-- Deformation-- time aspects of deformation (creep)retarded deformationcreep recovery (retarded recovery)permanent deformation (irreversible, set)* area and volume measuring instrumentAdam’s consistometer(3) time measuringOstwald viscometer(4) energy measuringwork、energy、power(5) ratio measuringcohesiveness(6) multiple variable measuring(7) chemical analysis* Alcohol insoluble solid (AIS)* Pericarp (榖层皮)* water content* Hydroxyproline(8) miscellameous measuring* optics(光学方法)* acoustics(声学方法)(9) multiple measuring* 一驱动系统并传送至测试槽* 测试槽固定样品并提供施力* 力的感应及纪录系统5. 食品质地例-- Szczesniak (1966)(1) primary parameter：hardness, cohesiveness, viscosity, elasticity, adhesiveness(2) secondary parameter：brittleness, crunchiness, chewiness (low hardness, highcohesiveness), gumminess (semi-solid)III. 仪器分析质地1. 设计原理(1) Empirical test：以经验或明确(定义)的测试条件测量Brookfield viscometer、Brabender、(Adam’s) consistometer、Bloom gelometer(2) Imitative test：模拟口部咀嚼或制程动作TPA (Texture profile analysis)(3) Fundamental test：量测已明确定义的机械力性质或物理性质Rheometer、Instron(4) Physiological test：进食过程中各项神经生理反应的测量Electromyography2. 质地分析仪器的基本运作方式(1) 测试原理—机械力性质* stress—作用於一物体内部的力，以单位面积所受的力表示* strain—物体受力後的变形程度* strain rate--物体受力後变形的施力速率(loading rate)或变形速率(deformation rate)(2) 质地测试的基本流程Pre-test →Test →Post-test(3) 典型的质地分析结果25first time heatingcontrol11control second time heating+ 1% PPC+ 1% PPC1020915 8 7 6510420 30 40 50 60 70 80Temperature (o C)211050o C5C 1015o C25o C35o C 103(a)(b)105104103102102 101101 100100 10-110-110-2 8010-2(c)(d)1036010240101200100110100110100Frequency (rad/s)FIG.. Rheological properties of crystallized honey at 35, 25, 15, 5 and 0o C for the temperature decrement test performed at strain 1% and with frequency sweep§Electromagnetic PropertiesI. electromagnetic properties食品的电磁性质受电磁场以及食物本身组成、包装密度及温度等影响1. electrical conductivity(1) 导电度与频率、电磁场及本身品质(如密度、鲜度等)有关，依电导度可分类为* conductors—可传导电磁能* dielectrics—中性或散布电磁能(2) 大部份食物为电的不良导体，故其电导度与电磁场频率无关(3) 温度下降时，电导度降低(在冻结点时明显减小)(4) 应用* 电阻加热、高脉冲电压技术2. dielectric properties(1) dielectric constant (k 或εr’)一物质在两带电体间抵抗静电传导能力的数值* 两电极间的介电质是电的非导体，没有自由电子，而在电场中介电质的正负电荷被化成二边（极化现象）：εr’= k =Vo/Vd(2) dielectric loss factor (εr’’)由於极化作用中，介电质分子随外加电场变化，缓和(relaxation time）赶不上电场的频率，故因妨碍（disturb）而生热，造成损失，称介电损失(εr’’)(3) dielectric loss tangent (tanδ)tanδ=εr’’/εr’(4) 应用* 微波加热* 非破坏性检测果实成熟度、氰酸物夹杂、金属异物* 水分含量测定（谷物含水率与εr’有良好相关性）* 受热体介电损失常数(εr”)愈大，愈容易被微波加热，穿透深度愈小’tanδεr 水分2℃、200MHz 23℃、2500MHz 2℃、200MHz 23℃、2500MHz 900MHz 2450MHz (%)牛肉64-68 鳕鱼68苹果43 86西瓜59 91牛奶15℃水55℃水3. 波动吸收、反射及透过特性4. Fluorescence characteristics(1) 某些物质以波长较短的射线(如X-ray)照射後，可将所吸收的辐射能的一部份转变为热能，而激发出具有较低辐射能(即波长较入射线为长)的电磁波* 萤光物质* 磷光物质(2) 在食品上的应用大都用於微量分析，如reactive hydrophobic group(表面疏水基)5. Refractive index (n)(1) n = sin i / sin γ折射率与莫耳分率是呈线性关系，因此可由各组成分(纯物质)的莫耳分率求出混合物的折射率(2) 在食品上的应用微量分析(RI detector)、糖度6. Optical rotation7. Electrostatic propertiesII. 电磁波的种类与波长频率波长应用范围名称备注能量(Hz) (m)1019 γ-射线5Mev(5×106ev)以下1017 10-11-10-9 X-射线×105 Kcal×10-7 远UV-ray1014-1015 ××10-7 UV 143-72 Kcal1013 ××10-7 可见光 Kcal 以下1011 ×10-7-10-3 红外光(IR) NIR: μmKcal (2μmIR: 时)FIR: 4-1000μm1010 10-3-1 微波微波加热频率(Hz)：×10-3 Kcal (500μ915, 2450, 5800,24225(一般常用2450及915)m时)108 1-10 超短波、超电子旋转共振高频(ERS) – m 10710-50 短波、高频核磁共振106 50-100 5 2 3 (NMR)–5-30m Radio光速(C)：C=λ×ν=3×108m/sec (其中λ：波长(m)、ν：频率(Hz, cycle/sec)) 1 ev = Kcal分子共振(Resonance)—吸收(absorption)音叉共振(Resonance)—吸收(absorption)分子旋转(Rotation)：在NMR 区域，H-原子在C-H 及O-H 键旋转；O-原子在C=O 键旋转III. 电磁波加工技术以放射线(UV、γ-或β-射线)的杀菌能力杀死微生物以保存食品，但须注意是否影响营养价值（如蛋白质变性、维生素分解或变色、变味）或安全上的顾虑（可能产生游离基等有害成份）电磁波在食品检验上的应用方法与分类测定项目光学法吸收光分光法紫外光（UV）成分分析可见光反射、穿透色彩、表面、内部缺陷近红外光（NIRS）扩散反射成分分析红外光（IR）穿透、ATR 法成分分析光音响（PAS）可见光、IR 成分分析、热性质发光分光法萤光紫外激发萤光萤光物质之检出、定量迳延光放射(DLE) 叶绿素、低温障碍之检出化学发光油脂氧化影像计测可见光形状、损伤之检出红外线热影像处理温度分布其他光线回析粉粒体之粒径光线散乱表面缺陷、异物检出光线干涉Holography 法变形、变位浊度悬浮物浓度、蛋白质变性屈折率糖度反射率光泽、表面凹凸（打检）电磁学磁气特性核磁共振（NMR）MHz, CT 带质子之量、存在状况电子共振（ESR）MHz 带油脂氧化电气特性旋转法DC-MHz 带水分、内部状态生体电气计测热度力学法动力(dynamic) 振动励起法硬度、黏弹性打音解析法硬度、黏弹性超音波法Pulse 透过法弹性Clip 断层反射内部状态、组织结构静力(static)或剪夹黏弹性近似静力应力缓和黏弹性其他放射线X 内部状态、组织结构γ组织结构β水分、密度中性子线水分26§Optical PropertiesI. optical properties1. importance2. color(1) light由光线照射到物质表面後，所折射到眼睛的波长来决定其颜色（或谓光线反射或透射的能量分布）UV violet blue green yellow red IR380 400 475 500 570 590 700 770(2) 颜色的生理感应(明暗度、色度、色别)┌柱形细胞(分辨明暗度)光→视网膜┤┌红┐┌红-绿└锥形细胞(分辨颜色) ┼蓝┼大脑接收神经对┤└绿┘└黄-蓝(3) 物品本身特性组成份、结构型态、颗粒大小(4) 影响判断颜色的因素* viewer-dependent variables-- 心理：情绪、好恶、经验、习惯-- 生理：视力、年龄、性别、色疲劳* scene-dependent variables-- 光源：光质、光量-- 呈色体：大小角度或远近背景量或浓度3. glossglossy or dull4. other optical propertiestransparency, haziness, turbidityII. 颜色数值化的方法281. CIE system (Commission International de I’Eclairage)(1) illuminant：* 白炙灯(incandescent)—2848 或2856o K* 日照光(有云)—6774 或6740o K* 平均日照光（加天空背景）—6500 o K(光源D65)(2) 红、绿、蓝(R、G、B)颜色三角形(3) X-Y-Z 系统(4) 由吸收光图谱描绘眼睛的感觉—CIE, xyz 标准观察曲线2. Munsell systemcolor scene：* Hue* Value or lightness* Chroma, purity, saturation3. Hunter system(1) L、a、b* L：lightness (0 black-100 white)* a：redness (+ a) or greenness (-a)* b：yellowness (+b) or blueness (-b)(2) 其他色泽表示方法* Whiteness = 100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2 * apparent change inredness (RI) = a*/b** saturation index (SI) = (a*2+b*2)1/2* color difference (△E) = [(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2III. 颜色之分光光度法1. 颜色的描述或计量（物理测试：感官术语）(1) 辐射能量：光线(2) reflectance：明暗程度(3) wave length：hue(4) purity：chrome or intensity(5) 直接反射率：亮度2. 仪器测定L, a, b (Hunter system)3. 测定颜色的仪器(1) color difference meter(2) spectrophotometerIV. 天然色素与人工色素1.天然色素(1) tetrapyrrole(2) isoprenoid29(3) benzopyran(4) betacyanins2. coloring agents, food colors(1) 为了美化食品或模仿天然食品的颜色，而添加在食品中的色素(2) 分类：焦煤系色素(14种)、无机化合物(2种)、天然色素(14种)(3) 特性* 合成色素是以石油工业产物芳香烃为主要原料* 合成色素溶液若有金属离子存在会变色或退色，可添加重合磷酸盐螯合V.Optical activity1. polarimeter2. 旋光性(1) dextrorotary(2) levorotary3. specific rotation (α)100 ×Aα= ─────t ×c4 racemic mixture5. mutarotation6. invert sugar3031§Thermal PropertiesI. thermal properties1. Introduction由食品的热性质预测食品的对应的热传导率、热稳定性、热凝胶性等* 温度：可定义为决定（或影响）两物体能量是否能平衡的物理性质* 热的性质：热是温差的驱动下传递的能量，但不同於功(work)2. unit in thermodynamic(1) specific heat, Cp：* Q = m．Cp．ΔT ?Cp = Q/( m．ΔT)* Cp： kJ/kg．℃= Btu/lb．℉= cal/g．℃* Cp =Σ(Cp i X i)(2) enthalpy：各物质在特定状态（恒压）下所含的热量变化* ΔH=生成物的焓-反应物的焓（单位为cal）* H： kJ/kg = cal/g(3) entropy：在等温可逆过程中，在温度T的热量变化（单位为cal/o K）II. heat transfer1. conduction(1) 原理：较高的温度对应较大的分子能量，当邻近分子间发生常态碰撞，活泼分子会将能量传递给较不活泼的分子(2) Forier’s Law：q x” = - k (dT/dx) = - k ([T2-T1]/L)q x = - kA (dT/dx) = q x”．A = dT/R其中q x：热传(导)率(W)、q x”：热流通量(W/m2)、A：热传导面积(m2)、k：导热性（热传导系数，W/m．℃）、L：物体厚度、R：热阻(3) 食品的热传导例：固体食物、半固体食物（胶）、容器壁、管壁(4) 影响食品热传导的因子heat conductivity、food composition、temperature2. convection(1) 原理：包含两个机制的累加效果* 分子混乱运动：即扩散* 流体的整体(巨观)运动：即瞬间大量分子同时移动(2) 牛顿冷却定律(热对流方程式)：热流通量q”与界面及流体间的温差成正比q” = h c(T s-T∞)q = h c A(T s-T∞) = q”．A = (T s-T∞)/R其中q：热对流率(W)、h c：对流热传系数(W/m2．℃)、T s：界面温度(℃)、T∞：流体温度(℃)、A：热传面积(m2)、R：热阻=1/(h c A)32(3) 无因次方程式Nusselt number （Nu）= h c．D/kReynold number （Re）= DVρ/μPrandtl number （Pr）= C p．μ/kGrashof number （Gr）= ρ2gβ(T s-T∞)L3/μ2(4) 对流种类* 强迫对流—流体流动系由外力(风扇、帮浦、风)所造成，Nu = f(Re, Pr)-- 当热媒流经圆柱体时，经验方程式为Nu=(Pr)(Re)-- 当热媒流经平面时，经验方程式为Nu=(Pr)(Re)* 自然对流—由於流体本身温度变化形成密度差所造成，Nu = f(Gr, Pr)(5) 传导-对流混合模式* 大部分的包装食物都涉及传导及对流二种热传机构* 通常先计算总热阻，或先求出系统之总热传系数。
7 食品热物性
一名词解释
1.热膨胀系数：一定压力下，单位温度变化所导致的体积变
化。
2.冻结膨胀压：结冰是从表面向中心发展的，表面的水分先
冻结成冰，内部水分因冻结而膨胀时受到外表层的阻挡，从而产生很高的内压，即冻结膨胀压。
3.比热容：单位质量的某物质，温度升高1度所吸收的能量。
4.热扩散系数：热导率与去密度、比热的乘积的比值。
二问答题
分析典型的DSC曲线
答：
当对样品和参照物加热初期，热流量没有发生变化，表明物质结构并没有发生变化；
当继续加热时，曲线突然下降，样品开始从环境中吸热，表明其结构发生了一定的变化。
当再继续加热时，样品出现了放热峰，随后又出现了吸热峰。
淀粉的老化是不可逆的，含直链淀粉的易老化，不易糊化；
含支链淀粉的易糊化，不易老化。
