食品的基本物理特征課件

1、第二章食品的基本物理特征 本章主要介紹固體食品的基本物理特征，包括單體尺寸、綜合尺寸、外觀形狀、面積、體積、密度等，這些物理特征在食品工程中應用很廣泛。第1頁，共48頁。2022/7/30食品的基本物理特征形狀、大小和分布密度孔隙率基本物理特征在食品中的應用第2頁，共48頁。2022/7/30形狀、大小和分布糧食、種子、果蔬的大小常用尺寸來描述，形狀則是各種尺寸的綜合體現(xiàn)。規(guī)則形狀的食品如球形食品、立方體食品等的尺寸可以用相應的幾何尺寸來表示；但大部分食品和農產品的形狀是不規(guī)則的，所以很難用單獨的一個尺寸簡單的表示出它們的形狀。 第3頁，共48頁。2022/7/30形狀、大小和分布尺寸和形狀面

2、積和體積粒徑粒度分布和測量第4頁，共48頁。2022/7/30尺寸和形狀大多數水果的形狀是近似于球狀的，稱為類球體。類球體常用圓度或球度來定量描述。圓度：表示類球體棱角的銳利程度。球度：表示類球體的球形程度。第5頁，共48頁。2022/7/30圓度類球體的圓度是表示其棱角銳利程度的一個參數，它有多種表示方法:式中，Ap類球體食品在自然放置穩(wěn)定狀態(tài)下的最大投影面積;AcAp面積的最小外接圓面積。 第6頁，共48頁。2022/7/30圓度式中，ri類球體食品最大投影面積圖形上棱角的曲率半徑R類球體食品最大投影面積圖形的最大內接圓半徑n棱角總數。 第7頁，共48頁。2022/7/30圓度式中，rmi

3、n最大投影面積圖上類球體食品的最小曲率半徑Rp最大投影面積圖上類球體食品的平均半徑。 第8頁，共48頁。2022/7/30球度類球體食品的球度表示其球形程度，即等體積球體投影圓的周長，與食品最小外接球體投影圓的周長之比。 式中，de與類球體體積相同的球體的直徑;dc類球體的最小外接球體直徑或者食品的最大直徑。 第9頁，共48頁。2022/7/30球度式中，di類球體食品的最大投影面積圖形的最大內接圓直徑;dc類球體食品的最大投影面積圖形的最小外接圓直徑。 第10頁，共48頁。2022/7/30球度球度還有一種計算方法是計算直徑與食品的大直徑、中徑和小直徑相等的橢圓的體積。此時的球度是此食品體積

4、與理想球體(球體直徑與產品大直徑相等)體積之比：式中，a,b,c大直徑、中徑和小直徑的一半。 第11頁，共48頁。2022/7/30面積和體積表面積的測量 體積的測量 密度瓶法 臺秤稱量法 氣體排出法 投影法計算食品體積和表面積 第12頁，共48頁。2022/7/30表面積的測量對子果蔬和雞蛋等大體積產品來說，用剝皮法或涂膜剝皮結合法測量 。對于小體積物質，如谷物和種子，可以采用表面涂金屬粉法測量。 利用食品和農產品形狀與幾何體相似性估計體積和表面積。 第13頁，共48頁。2022/7/30體積的測量 -密度瓶法 小顆粒固態(tài)食品(如:谷物和種子)的體積可以用密度瓶或有刻度的量筒測定，通過測量食

5、品排出液體的質量，利用下式進行計算。稱空密度瓶質量前，一定要經過烘干處理，避免瓶內有殘留液體。第14頁，共48頁。2022/7/30體積的測量 -臺秤稱量法較大體積的固態(tài)食品(如:果蔬的體積)的測量可以用臺秤稱量法測稱量體積。一個大小足以容納食品的大燒杯部分裝入水，用臺秤稱量水和燒杯的質量。然后將食品全部放入水中，再用臺秤稱量水、燒杯和食品的總質量。 第15頁，共48頁。2022/7/30體積的測量 -氣體排出法細小顆粒狀和不規(guī)則形狀固態(tài)食品體積的測量還可以用氣體排出量的方法測定。實驗室很容易制作一個空氣密度瓶。此方法可以用來測量甘草、谷物、果蔬等多種細小食品和農產品的體積。密度瓶由兩個容器、

6、連接管和活塞構成，如圖所示。第16頁，共48頁。2022/7/30體積的測量 -氣體排出法 測量過程是:首先將被測物質放于第二個容器內，關閉活塞2和活塞3，并打開活塞1。之后向容器1充入壓縮空氣，當容器1內的壓力達到一定值時，關閉活塞1,并記錄容器1的壓力P1。 關閉活塞3打開活塞2，容器1內的氣體充入容器2中，待平衡后記錄容器2的壓力p2。 設氣體規(guī)律符合理想氣體定律，一般情況下，V1=V2=V,則Vs計算式為： 第17頁，共48頁。2022/7/30投影法計算食品體積和表面積對子不規(guī)則形狀的較大體積的食品，其表面積可以用投影法計算出來。食品的形狀決定其各項尺寸之間的數字關系。通常，物體各項

7、尺寸之間的無量綱組合， 稱為形狀因素，物體尺寸與其面積或體積之間的關系稱為形狀系數。形狀系數是表示物體實 際形狀與球形不一致程度的尺寸。常用的是面積形狀系數和體積形狀系數。 食品的表面積和體積分別與某個特性尺寸的兩次方和三次方成正比，比例系數取決于特 性尺寸的選擇。 食品的表面積和體積分別表示為:第18頁，共48頁。2022/7/30投影法計算食品體積和表面積式中，S、V分別表示所檢驗食品的表面積和體積;aS、aV分別為食品的面積形狀系數和體積形狀系數;腳標a投影面積;da所測得的直徑是投影面積直徑;x粒狀食品的尺寸，它是包括形狀系數在內的人為的數值。第19頁，共48頁。2022/7/30比表

8、面積食品單位體積的表面積Sv，也叫作比表面積，表示為Sv 。式中，aSV, a食品的體面積形狀系數，也稱比表面積形狀系數；xSV食品的體面積尺寸。第20頁，共48頁。2022/7/30投影法計算食品體積和表面積對于凸狀食品和農產品來說，由于其投影而積隨著投影方向的變化而變化，所以一般采用平均投影面積。平均投影面積指食品在三個互相垂直的投影面上投影面積的平均值，即 式中，Ac平均投影面積; A1、A2, A3分別為在H(主視圖)、V(側視圖)、W(俯視圖)三個相互垂直投影圖上的投影面積。凸狀物體體積V和表面積S之間存在下述關系: 第21頁，共48頁。2022/7/30粒徑的定義當被測顆粒的某種物

9、理特性或物理行為與某一直徑的同質球體（或其組合）最相近時，就是把該球體的直徑（或其組合）作為被測顆粒的等效粒徑。其含義：1.粒度測量實質上是通過把被測顆粒和同一種材料構成的圓球相比較而得出的；2.不同原理的儀器選不同的物理特性或物理行為作為比較的參考量，例如：沉降儀選用沉降速度、激光粒度儀選用散射光能分布、篩分法選用顆粒能否通過篩孔等等；3.將待測顆粒的某種物理特性或物理行為與同質球體作比較時，有時能找到一個（或一組）在該特性上完全相同的球體（如庫爾特計數器），有時則只能找到最相近的球體（如激光粒度儀）。4.將待測顆粒的某種物理特性或物理行為與同質球體作比較時，有時能找到某一個確定的直徑的球與

10、之對應，有時則需一組大小不同的球的組合與之對應才能最相近（如激光粒度儀）。第22頁，共48頁。2022/7/3023 粒徑的描述(一)粒子大小(粒子徑) 粒子大小也稱粒度，是在空間范圍所占據的尺寸。含有粒子大小和粒子分布雙重含義，是粉體的基礎性質。 粒徑的表示方法： 1、幾何學粒子徑 在光學顯微鏡或電子顯微鏡下觀察粒子幾何形狀所確定的粒子徑。 (1)長徑：粒子最長兩點間距離。 (2)短徑：粒子最短兩點間距離。 第23頁，共48頁。2022/7/3024 (3)定向徑：全部粒子按同一方向測得的粒子徑。 (4)等價徑：與粒子投影面積相等的圓的直徑。 (5)外接圓等價徑：粒子投影外接圓的直徑。第24

11、頁，共48頁。2022/7/3025 等體積相當徑 與粒子體積相等球的直徑。等比表面積相當徑 與粒子的比表面積相等球的直徑。等表面積相當徑 與粒子的表面積相等球的直徑。沉降速度相當徑(有效徑) 又稱stokes徑，用沉降法求得的粒子徑，是指與被測粒子有相同沉降速度的球形粒子的直徑。 常用以測定混懸劑的粒子徑。2.球相當徑 用球體的粒徑表示不規(guī)則顆粒大小第25頁，共48頁。2022/7/3026 個數平均徑dln=(nd)/n 長度平均徑dsl=(nd2)/(nd) 面積平均徑dvs=(nd3)/(nd2) 平均面積徑dsn=(nd2)/(n)1/2 平均體積徑dvn=(nd3)/(n)1/3

12、3.平均粒徑第26頁，共48頁。2022/7/304.篩分粒徑 以通過（或未通過）篩網粒子的平均尺寸作為所測粒子的粒徑；算術平均徑 DA=(a+b)/2幾何平均徑 第27頁，共48頁。2022/7/3028 (二)粒子徑的測定方法光學顯微鏡法：n=300600，=0.2100m，可用于混懸劑、乳劑、混懸軟膏劑、散劑等。 篩分法：重量百分比；相鄰篩的孔徑平均值；誤差大(載重量、時間、振動強度)；45m；而微孔篩可篩分10m。 庫爾特計數法(coulter counter): 通過細孔的速度4000個/秒；可用于混懸劑、乳劑、脂質體、粉末藥物等。 沉降法：可分Andreasen吸管法、離心法、比濁

13、法、沉降天平法、光掃描快速粒度測定法等。 Stokes定律t=h/v=18h/(-0)gd2 比表面積法：氣體吸附法和透過法。第28頁，共48頁。2022/7/30粒子徑的測定方法測定方法不同，原理不同，適用范圍也不相同顯微鏡法：幾何學粒徑庫爾特計數法：等體積球相當徑沉降法：根據Stoke方程，有效徑比表面積法：有氣體透過法和氮氣吸附法，不能求得粒度分布篩分法：“目”測定方法適用粒徑范圍(um)測定方法適用粒徑范圍(um)光學顯微鏡0.5庫爾特計數法1600電子顯微鏡0.001氣體透過法1100篩分法40氮氣吸附法0.031沉降法0.5200第29頁，共48頁。2022/7/30粒子形態(tài)粒子形

14、狀 指一個粒子的輪廓或表面上各點所構成的圖像。形狀指數 將粒子的各種無因次組合稱為形狀指數。球型度 表示粒子接近球體的程度=D2/S圓形度 表示粒子的投影面接近圓的程度=DH/L形狀系數(立體幾何各變量的關系稱為形狀系數)體積形狀系數 V=VP/D3表面積形狀系數 S=S/D2，比表面積形狀系數 = S/V粒子的比表面積形狀系數越接近于6，粒子越接近球體或立方體。常見在6-8范圍第30頁，共48頁。2022/7/3031 三、粉體粒子的比表面積（一)比表面積 粒子比表面積是指單位重量或體積所具有的粒子表面積。 Sw=6/d； Sv=6/d Sw ,Sv分別為重量和體積比表面積， 為顆粒密度，d

15、面積平均徑。 第31頁，共48頁。2022/7/3032 (二)比表面積測定 吸附法(BET法) Sw=ANVm = AVm /22400 *6.028*1023 BET公式：P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)P/VmP0) Sw 為比表面積，Vm為在低壓下粉體表面吸附氮氣形成單分子層的吸附量 (mol/g)， A為被吸附氮氣分子的截面積(0.162nm2/mol)， N為阿伏伽德羅常數(Avogadro constant)， V為在P壓力下粉體對氣體的吸附量(mol/g)， P0為實驗溫度下氮氣飽和蒸氣壓， C為常數。第32頁，共48頁。2022/7/3033 氣體透過法 Kozen

16、y-carman公式： Sv= Sw=14APt2/LQ(1-)21/2 A為粉體層面積，L為粉體層長度， P為粉體層兩側流體的壓力差，為流體的粘度， 為粉體的孔隙率，Q為t時間通過粉體層的流量。 折射法 Sv=4.54ln(I0/I)0.77/LCv I為光通過混懸液的強度， I0光通過純液體的強度，L為光通過混懸液的長度，Cv為混懸液的體積比濃度。 第33頁，共48頁。2022/7/30（三）平均粒子徑平均值：常用中位徑（中值徑），即在累積分布中累積值正好為50%時對應的粒子徑。第34頁，共48頁。2022/7/30二、粒子形態(tài)工程上廣泛使用描述性術語，如球形，針狀等定量描述粒子的幾何形狀

17、可用形狀指數、形狀系數第35頁，共48頁。2022/7/30粒度分布所謂粒度分布，就是粉體樣品中各種大小的顆粒占顆粒總數的比例。當樣品中所有顆粒的真密度相同時，顆粒的重量分布和體積分布一致。在沒有特別說明時，儀器給出的粒度分布一般指重量或體積分布。 第36頁，共48頁。2022/7/30粒度分布的表示-粒度分布表粒度分布最常見的表達方式是表格和曲線，分別稱為粒度分布表和分布曲線。粒度分布表由粒徑m、 微分分布%和 累積分布%構成。微分分布表示各個粒徑相對應的顆粒百分含量，也叫頻率分布。累積分布表示小于或大于某粒徑的顆粒占全部顆粒的百分含量與該粒徑的關系，也叫積分分布。第37頁，共48頁。202

18、2/7/30不同粒徑的粒子群在粉體中所分布的情況，反映粒子大小的均勻程度。頻率分布和累積分布粒度分布圖第38頁，共48頁。2022/7/30密度 食品和農產品的密度分為真實密度和容積密度。真實密度就是食品質量與其實際體積的比值，實際體積就是不包括粒狀食品之間空隙體積的體積。容積密度就是食品質量與其視在體積的比值，視在體積就是包括粒狀食品之間空隙體積的體積。第39頁，共48頁。2022/7/30真實密度的測量浮力法 臺秤稱量法 密度瓶法 由組分密度計算整體密度 第40頁，共48頁。2022/7/30真實密度的測量-浮力法 對于體積較小的食品，可以用密度天平測量其體積，如右圖所示。測定時，將食品或農產品放置在空氣中和液體中分別稱重，稱得質量分別為ms和ms，則食品在液體中受到的浮力Fa為: 第41頁，共48頁。2022/7/30真實密度的測量-浮力法第42頁，共48頁。2022/7/30真實密度的測量-臺秤稱量法 對于水果等相對較大體積的固體食品，可以用體積測量中的臺秤稱重法測出其體積，設待測食品質量為ms，則食品的密度s為:第43頁，共48頁。2022/7/30真實密度的測量-