台湾宜兰大学-食品物性學课件

Physical Properties of Food 食品物性學 國立宜蘭大學 食品科學系 陳輝煌 教授 (2008) 食品物性學講義 1 § Introduction I. 食品物性的定義 任何使用物理方法而不用化學方法描述或測量食品特徵的性質 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. 製程： (1) 為了獲得更快、更順暢的加工流程 (2) 自動化、高科技製程，需要運用機械、電磁學、熱學、光學、聲學等技 巧與軟硬體設備 2. 品管： (1) 生產更好的產品 (2) 原料貯運、分級、生產、倉儲至運銷等重要的管制因子 3. 研發 (1) 產品開發有賴於對食品性質的瞭解與熟悉 (2) 食物的外觀（大小、形狀與色澤）—視覺 口感、質感(texture)—觸覺 酥脆感(crispy)—聽覺、觸覺 III. 食品物性的範圍 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 一 食品物性分類 機械性質（mechanical properties） 流動性質 牛頓流體 黏度 冪次函數流體 視黏度、time dependent, time independent 固體顆粒流動 靜止角、內摩擦角、剪切指標（流動性指標）、壓 縮性質 質地 延伸性質 黏性、抗拉力、延伸與黏彈性 壓縮性質 切斷力、壓縮力、內聚力 強度 硬度、脆度（易碎指標）、韌度、堅實度、柔軟度 凝膠 膠強度、剛性度 其他 多汁性、滑潤(smooth, lubricate) 光學性質（optical properties） 顏色 可見光 吸收光譜、XYZ、Lab、白色度、黃色度、彩度 光澤 Lightness 亮度、對比、Munsell value 其他 濁度 透光度 螢光 螢光度 旋光性 旋光度 幾何性質（geometrical properties） 固體幾何 形態學 大小、形狀、孔隙度、缺陷 食品物性學講義 2 面積 表面積、截面積 體積 體積、比體積 密度 密度、比重、表密度、比容 其他 表面性質 表面張力、界面張力、黏著性質、摩擦係數 熱性質（thermal properties） 熱力學 熱量 比熱、焓、熵 其他 相的變化 顯熱、潛熱 融點（融溶、凝固）、沸點（蒸發、凝結）、三相點 （昇華、超臨界） 熱傳導 傳導、對流、輻射 熱擴散 熱擴散係數 熱膨脹 熱膨脹係數 熱穿透 熱穿透速度 潤濕 潤濕熱 溶解 溶解熱 質傳性質(mass transfer properties) 相之間的質 傳 溶解 溶解度 吸附 復水度 滲透 滲透壓、逆滲透 過濾 過濾、超過濾、半透膜 乾燥特性 水 水分含量、水活性 擴散 擴散系數 其他 乳化 乳化力、乳化安定性 泡沫 起泡性、泡沫安定性 分散 擴散阻力 電性質（electrical properties） 電導度 介電性質 電磁性質 電磁波 γ-射線、X-射線、紫外線、可見光、紅外線、微 波 電磁波特性 吸收、反射、折射、透過性 其他 靜電性質 靜電引力 其他 官能品評 感官 視覺、觸覺、聽覺 食品物性學講義 3 § Geometrical Properties I. 幾何性質（geometrical properties） 大小(size)、形狀(shape)、面積(area)、體積(volume)、密度(density)、缺陷(defects) II. 大小、形狀、面積的描述 1. 定性的描述(肉眼分辨) (1) 不易完整描述一食物的形狀 (2) 通常用於不規則食物量測 2. 定量的描述(測量) (1) 篩網分級 * 適用於粉末、小顆粒 * mesh （篩孔、篩孔直徑或篩號）：1 英吋間的孔數 (2) 儀器測定與計算 * 測量方法 放大鏡；直角直尺、游標卡尺、微尺；光學投影機；顯微鏡；影像處理 * 圓度：測量物體圓角的鈍、銳程度 -- Roundness = Ap/Ac 其中 Ap：物體最大投影面積 Ac：包含此投影之最小圓面積 -- Roundness = Σr/nR 其中 r、R：物體彎曲處內切小圓半徑、物體最大內切圓半徑 n：物體彎曲處內切小圓數量 -- Roundness ratio = r/R 其中 r、R：物體最大內切圓半徑、與物體投影面積相同(Ap)之圓半徑 -- Sphericity(球度) = de/dc 其中 de：與物體體積相同的球體球(直)徑 dc：最小外接圓球(直)徑 * 長度與直徑 長條形(如小黃瓜等)三 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 的描述 a b c a：最大面積的長軸直徑 b：最大面積的短軸直徑 c：垂直面的垂直軸直徑 * 單一顆粒的粒徑 多採用等效直徑（即當量直徑或球徑）表示 -- 等效體積球徑 dp(與顆粒等體積的球形顆粒球徑) dp = (6Vp/π)1/3 -- 等效表面積球徑 ds(與顆粒等表面積的球形顆粒球徑) ds = (Sp/π)1/2 食品物性學講義 4 -- 篩選球徑(通過篩孔的最小尺寸) d = (b1+ b2)/2 其中b1、b2代表使顆粒通過和截留的相鄰兩號篩的篩孔寬度，對通過 最細一號篩的顆粒可用篩孔寬度的 1/2 表示其平均球徑 * 粒徑分佈 單一粒徑較少使用，通常需了解顆粒的粒徑分佈 -- 表格形式：可分為頻率分佈（即次數分配）與累積分佈 -- 曲線形式：亦可分為頻率分佈（即多邊圖）與累積分佈曲線 * 混合顆粒的平均粒徑(dm) -- 算數平均粒徑，即長度平均粒徑 dm =Σnidi /Σni 其中di、ni 代表顆粒粒徑、及其顆粒數(通常為頻率分佈) * 蛋的表面積 -- 剪貼法：以膠布貼密後，計算膠布面積 -- 以透影儀放大後測量（二端視為二個半球型，中間切成 0.1 英吋寬的 長條—圓型的直徑） III. 體積(V)與密度(ρs) 1. 固體 (1) 規則型：數學計算 (2) 不規則型： * 不溶於水：用水置換法 體積=d/ρH2 O 比重=ρsample /ρH2 O = a · SGH2 O / d 其中 d：置換水重量；a：物體在空氣中重量 * 溶於水：用細顆粒（芥菜子）量測並計算假體積(bulk volume)或假密度 (3) 具多孔隙（顆粒）： * 真密度或絕對密度（absolute density） ρs = 固體的總質量/固體的實際體積 * 假密度(或表密度、整體密度 bulk density) ρb = 顆粒的總質量/顆粒的總(整體)體積 * 相對密度（relative density，即比重） b = ρs /ρ4℃水 * 視顆粒密度（apparent particle density, ρp） ρp=每一單獨顆粒重量/每一單獨顆粒所佔的空間量 (4) 空隙度(Void, v)與孔隙度(Porosity, ψ) * 空隙度指顆粒間體積與整體體積的比率 v =ρb (1/ρb – 1/ρp) * 孔隙度指顆粒內空氣體積與整體體積的比率 ψ= 1- (ρb /ρs) 食品物性學講義 5 IV. 重量與質量 1. 重量（W） F = W = m×g/gc 2. 質量（m） 以天平測得之值 V. 奈米科技 1. 長度單位 1nm = 10－9m 2. 奈米材料 (1) 定義 三個維度之中，至少一個維度的長度是奈米級（介於1～100 nm之間） (2) 奈米材料在結構上可以分為三種形式： * 顆粒狀：代表零維奈米材料(0D) * 柱狀或線狀：代表一維奈米材料(1D) * 層狀：代表二維奈米材料(2D) 3. 奈米材料的性質 (1) 表面效應--表面原子數激增（亦即表面積對體積的比例大增） (2) 量子效應 當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時，其能量狀態 的分布由連續轉變為量化的狀態 * 量子穿遂效應 (3) 特殊的光學性質 * 奈米金 * 隱形塗料 * 蛾眼效應 (4) 特殊的熱性質 (5) 特殊的磁力性質 (6) 特殊的力學性質 (7) 特殊的吸附性質 * Lotus effect (蓮花效應) * 奈米防水層 * 奈米塗料 * 其他吸附力 4. 製作奈米粒子的方法—Top down & Bottom up 可分為"自上而下"（Top Down）和"自下而上"( Bottom Up)兩種方式 (1) 物理方法 真空冷凝法、物理粉碎法、球磨法 (2) 化學方法 食品物性學講義 6 氣相沉積法、沉澱法、水熱合成法、溶膠凝膠法沉澱法、微乳液法、還原 法、分解法、超臨界流體法 (3) 生物方法 IV.微細結構分析 1. 光學顯微鏡 放大倍率不高（超過1000倍時，則影像容易失真） 2. 電子顯微鏡(Electron microscopy) (1) 穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopy, TEM) 電子撞擊樣品後，散射之電子經中間影像放射透鏡(intermediate image projection lens)處理，並由電視螢幕顯示出來 (2) 掃瞄式電子顯微鏡(Scanning electron microscopy, SEM) 電子光束以平行軌跡模式橫掃樣品表面，產生二次電子發射效果 (secondary electron emission, SEE)、回散射電子效果(back-scattered electrons, BSE)及陰極射線(cathode-luminescence)等訊號，呈現在螢幕上 3. 奈米級顯微鏡 (1) 掃瞄穿隧式顯微鏡(Scanning tunneling microscopy, STM) (2) 原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM) (3) 磁力顯微鏡(Magnetic force microscopy, MFM) (4) 掃描近場光學顯微鏡(Scanning near-field optical microscopy, SNOM) or (Near-field scanning optical microscopy, NSOM) 食品物性學講義 7 § Rheology of Fluid I. Rheology 1. 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 texture 3. classification (1) macrorheology (2) microrheology (3) rheometry (4) applied rheology 4. category (1) flow of liquid or suspension (2) flow and deformation of powder (3) deformation and destruction of solid II Variety of rheology measurement 1. Fundamental：well-defined physical properties viscosity, modulus, Poisson’s ratio 2. Empirical：parameter proven useful but not well defined gel strength, cohesiveness, adhesion 3. Imitative：parameters measured under conditions that simulate application cutting force, tension force, hardness, crispness III. Rheological properties of fluid food –Viscosity The resistance of material to flow 1. 黏度的理論 分子理論(molecular theory) 食品物性學講義 8 速率過程理論(rate process theory) 擴散理論(diffusional theory) 2. 黏度的計算 shear force（剪力，F） shear stress（應力，τ） shear rate (應變, γ) -- 平行板間某個分子的流速(V)，對應該點與板距離(r) 之變率稱為速階(velocity gradient, dV/dr) 牛頓流體（Newtonian fluid，即理想流體 ideal fluid） μ為 Absolute viscosity 非牛頓流體(Non-Newtonian fluid) dV τ = μ (-----) dr dV τ = b (------)n + c dr b 為 Apparent viscosity (η) 註：Relative viscosity：代表溶液的黏度與純溶劑的黏度比 Kinematic viscosity：絕對黏度除以流體的密度(ν=μ/ρ) fluidity：黏度的倒數(φ=1/μ) Table 1 Summary of flow characteristics of various types of fluids Flow characteristic s of fluids Fluid consistency index (b) Fluid behavior index (n) Yield stress (c) Typical fluids Example of foods Newtonian Viscosity (b=μ) n=1 c=0 Thin solution Water, clarified juice, oils, confectionery syrup Bingham (or plastic) Apparent viscosity n=1 c>0 Thick solution, colloids French dressing, tomato catsup, fudge sauce Pseudoplastic Apparent viscosity 00 Thick solution with suspended particles of irregular shape Sandwich spread, jelly, marmalade Dilatant Apparent viscosity 1