第八九章--食品热物性食品的电特性

1第八章食品热物性8.1水和冰的热物理性质8.1.1水和冰的密度ρ由于水在食品中占很大比例，因此在讨论食品的热物理性质之前，先讨论水的热物理性质是必要的。水的密度见表8-1(a)，冰的密度见表8-1(b)。表8-1(a)水的密度T/℃03.9851020ρ/(×103kg/m3)0.999871.000000.999990.999730.99823表8-1(b)冰的密度T/℃0-25-50-75-100ρ/(×103kg/m3)0.9170.9210.9240.9270.930由上述数据可以看出，水的密度ρ在3.98时居最大值为1.00000×103kg/m3，而在0℃时ρ＝0.99987×103kg/m3。而冰在0℃时的密度为0.917×103kg/m3,即0℃冰的体积比水要增大约9%。28.1.2水和冰的(体积)热膨胀系数β表征物体受热时膨胀程度的物理量。物体温度改变1℃时，其体积的变化和摄氏零度时体积的比值，叫做体膨胀系数。水的(体积)热膨胀系数见表8-2(a)，冰的(体积)热膨胀系数见表8-2(b)。表8-2(a)水的(体积)热膨胀系数T/℃02468β/(×10-61/K)-68.1-32.70.2731.2460.41T/℃0-25-50-75-100-125-150-175β/(×10-61/K))5750433831241712表8-2(b)冰的(体积)热膨胀系数在0℃时冰的β＝57×10-6(1/K)，水的β＝-68.1×10-6(1/K)。这说明温度下降时，冰的体积将收缩〔β＞0)，但其收缩率为10-6～10-5，远远低于水结冰产生的体积膨胀。对于含水分多的食品材料被冻结时体积将会膨胀。由于冻结过程是从表面逐渐向中心发展的，即表面水分首先冻结;而当内部的水分因冻结而膨胀时就会受到外表面层的阻挡，于是产生很高的内压〔被称为冻结膨胀压)，此压力可使外层破裂或食品内部龟裂，或使细胞破坏，细胞质流出，食品品质下降。38.1.3水和冰的比热容cp单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量（或降低1℃释放的热量）叫做这种物质的比热容，简称：比热。单位是焦耳/（千克·摄氏度）或J/（kg·K）。读作焦每千克摄氏度（开尔文）。水的比热容见表7-3(a)，冰的比热容见表7-3(b)。表8-3(a)水的比热容表8-3(b)冰的的比热容T/℃0102030cp/[kJ/(kg·K)]4.21774.19224.18194.1785T/℃0-10-20-30-40-50cp/[kJ/(kg·K)]2.122.041.961.881.801.78T/℃-60-70-80-100-120-140cp/[kJ/(kg·K)]1.651.571.491.341.181.0348.1.4水和冰的热导率λ热导率又称“导热系数”。其定义为：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1m2的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为瓦特·米-1·开-1（W·m-1·K-1）。水的热导率见表7-4(a)，冰的热导率见表7-4(b)。表8-4(a)水的热导率T/℃051015202530λ/[W/(m·K)]0.5670.5700.5790.5880.5970.6060.613表8-4(b)冰的热导率T/℃0-20-40-60-80-100-120λ/[W/(m·K)]2.242.432.662.913.183.473.8158.1.5水和冰的热扩散系数α8.1.6冰的融化潜热(latentheatoffusionofwater)冰在0℃的融化潜热为344.5kJ/kg或6.03kJ/mol。热扩散系数是物质的热导率与其密度和比热的乘积之比。即a＝λ/(ρ·Cp)，SI单位:m2/s水的热扩散系数见表7-5(a)，冰的热扩散系数见表7-5(b)。表8-5(a)水的热扩散系数T/℃010203040α/(×10-6m2/s)0.1330.1380.1430.1470.150表8-5(b)冰的热扩散系数T/℃0-25-50-75-100α/(×10-6m2/s)1.151.411.752.212.81由图8-1和表8-3至表8-5可知，冰的传热性能和热扩散速率远大于水，而比热容却小于水，这些性质在食品冻结与解冻加工中具有重要意义。68.2食品材料热物理性质的测量8.2.1基本性质与测量⑴比热容(specificheat)传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温度升高1K（1℃）所需的热量。近年来发展用差式扫描量热术（仪）(differentialscanningcalorimetry,DSC)来测量材料的比热容。此法所用的样品少(5一15mg)；而且因其能测很大的温度范围，故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系。公式：Q=cm△t对于食品材料，因其相变不是在一个确定温度，而是在一段温度范围内进行的，可以用DSC法测其焓值随温度的变化，再通过微分求得表观比热容Cp,a。7改变物体内能的方式有两个：做功和热传递。一个物体，如果它跟外界不发生热交换，也就是它既没有吸收热量也没有放出热量，则外界对其做功等于其热力学能的增量。设体系在变化过程中只做体积功而不做其它功(Wf=0)，所以体系的内能E的变化：DE=Q-WQ表示热力学能。如果体系的变化是等容过程，则DV=0，因此W=0，所以DE=QV公式表明在上述指定过程系统与环境交换的热量QP等于该过程系统焓的变化值ΔH。如果体系变化是等压过程，即p2=p1=p外E2-E1=Qp-p(V2-V1)Qp=(E2+pV2)-(E1+pV1)⑵焓(enthalpy)8若将(E+pV)合并起来考虑，则其数值也应只由体系的状态决声(因为E、p和V都是由状态决定的)。在热力学上我们把(E+pV)叫做焓(enthalpy)或热函(heatcontent)，并用符号H表示。H==E+pV焓的单位为焦耳（J）。由于我们不能确定体系内能的绝对值，所以也不能确定焓的绝对值。焓是状态函数，具有能量的量纲，但没有确切的物理意义，它的定义是由上式所规定下来的，不能把它误解为是“体系中所含的热量”。我们所以要定义出一个新函数H，完全是因为它在实用中很重要，有了这个函数，在处理热化学的问题时就方便得多。封闭体系不做非体积功时的过程，内能变化可以通过测定恒容热效应来求，焓变可以通过测恒压热效应求得。9焓值是相对值，过去的教材中多取-20℃冻结态的焓值为其零点；近年来多取-40℃的冻结态为其零点。过去，物质的焓值一般均按冻结潜热、冻结率和比热容的数据计算而得；直接测量的数据很少、但对于食品材料，实际上很难确定在某一温度时食品中被冻结的比例，而不同的冻结率对应不同的焓值。用DSC直接测量食品焓值是一种新方法，其温度扫描从-60℃开始到1℃以上，这是认为到-60℃时，食品中的水分己全部冻结；而到1℃以上水分己全部融化成液体。10⑶热导率(therma-conductivity)测量食品材料的热导率要比测量比热容困难得多，因为热导率不仅和食品材料的组分、颗粒大小等因素有关，还与材料的均匀性有关。一般用于测量工程材料的热导率的标准方法，如平板法、同心球法等稳态方法己不能很好地用于食品材料。因为这些方法需要很长的平衡时间，而在此期间，食品材料会产生水分的迁移而影响热导率。目前认为测量食品材料热导率较好方法是探针法。Sweat介绍的探针，外径为0.66mm，长为39mm。其中的加热丝直径为0.077mm，长度和探针接近；加热丝的材料是康铜，其电阻值随温度变化很小，而且不易折断。测温度用的镍铬一康铜热电祸，直径0.051mm，置于探针长度方向的中间位置，如图8一2所示。11被测食品材料原处于某一均匀温度，当探针插进后，加热丝提供一定的热量；热电偶不断测量温度变化。经一段过渡期后，温度T和时问的对数lnt出现线性关系。根据此直线的斜率可以求出食品材料的热导率λ。图8-2（8－1）此法的加热功率水平为5一30W/m；测量时间为3一12s，采样间隔为20一50ms。12⑷热扩散系数(thermaldiffusivity)一般说来，热扩散系数a是根据比热容Cp，热导率λ和密度ρ数据计算而得的，即a＝λ/(ρ·Cp)但也可以用实验测量获得热扩散系数a，它主要是用一个瞬间加热的类似于测热导率的探头和热电偶；再与它有一定距离处加上另一个热电偶以测量样品温度的变化曲线。这个距离和所测得的热扩散系数数据有着很大的关系，但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。138.2.2差式扫描量热技术(DSC)⑴DSC结构与原理在升温或降温的过程中，物质的结构（如相态)和化学性质会发生变化，其质量及光、电、磁、热、力等物理性质也会发生相应的变化。热分析技术就是在改变温度的条件下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。在食品科学中，人们利用这一技术检测脂肪、水的结晶温度和融化温度以及结晶数量与融化数量；通过蒸发吸热来检测水的性质；检测蛋白质变性和淀粉凝胶等物理化学变化。在许多量热技术中，差式扫描量热技术应用得最广泛，它是在样品和参照物同时程序升温或降温，并且保持两者温度相等的条件下，测量流入或流出样品和参照物的热量差与温度关系的一种技术。14图8一3是DSC主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成:①温度程序控制系统；②测量系统(物理性能的测量）③数据记录、处理和显示系统；④样品室。图8一3样品15温度程序控制：内容包括整个实验过程中温度变化的顺序、变温的起始温度和终止温度、变温速率、恒温温度及恒温时间等。测量系统：将样品的某种物理量转换成电信号，进行放大，用来进一步处理和记录。数据记录、处理和显示系统：把所测量的物理量随温度和时间的变化记录下来，并可以进行各种处理和计算，再显示和输出到相应设备。样品室：除了提供样品本身放置的容器(样品杯或样品管)、样品容器的支撑装置、进样装置等外，还包括提供样品室内各种实验环境的系统，如维持环境气氛所需气体(氮气、氧气、氢气、氦气等)的输入测量系统，压力控制系统、环境温度控制系统等。现在的仪器一般由一台计算机执行仪器的温度控制、测量控制、进样控制和环境条件控制等控制功能并进行数据记录、处理和显示。16根据测量的方法不同，分为两种类型:一种是热流型DSC,一种是功率补偿型DSC。图8一4是功率补偿型DSC。其主要特点是分别用独立的加热器和传感器来测量和控制样品和参照物的温度并使之相等，或者说，根据样品和参照的温度差对流入或流出样品和参照的热量进行功率补偿使之相等。它所测量的参数是两个加热器输入功率之差。整个仪器由两个控制系统进行监控。其中一个控制温度，使样品和参照物在预定的速率下升温或降温。另一个用于补偿样品和参照物之间所产生的温差并使之与参照物的温度保持相同。这个温差是由样品的放热或吸热效应产生的。图8一417通过功率补偿使样品和参照物的温度保持相同，这样就可从补偿的功率直接求算热流率，即（8－2）式中，△W——所补偿的功率；Qs——样品的热量；QR——参照物的热量；dH/dt——单位时间内的焓变，即热流率，单位一般为mJ/s。热流型DSC是将样品和一种热惰性参比物一起承受同样的温度变化，在温度变化的时间范围内连续测量样品和参比物的温度差。再根据温度差计算出热流。单位时间通过单位面积的热量——热流密度。单位时间传递的热量（W）——热流量。18⑵DSC数据及其分析方法①典型DSC曲线分析:DSC直接记录的是热流量随时间和温度变化的曲线，从曲线中可以得到一些重要的参数。从物理学中我们知道，热流量与温差的比值称为比热容。从图8一5可以看出，对样品和参照物加热过程中，热流量没有变化，或者说比热容没有变化，表明在加热过程中物质结构并没有发生变化。当对该样品和参照物继续加热时，热流量曲线突然下降，样品从环境中吸热，表明其结构发生一定程度的变化，如图8一6所示。图8一6图8一519再继续加热，样品出现了放热峰(图8一7)，随后又出现了吸热峰(图8一8)。图8一7图8一8图8-9图