食品分散體系

1、第三章第三章 食品化學食品化學 12021-7-15 目錄目錄 3.3.1 分散體系的特征分散體系的特征 3.3.2 界面活性界面活性 3.3.3 膠體相互作用膠體相互作用 3.3.4 液態(tài)分散體系液態(tài)分散體系 3.3.5 凝膠凝膠 3.3.6 乳狀液乳狀液 3.3.7 泡沫體系泡沫體系 v 分散體系是一種或幾種分散體系是一種或幾種物質(zhì)分散物質(zhì)分散在另一種在另一種物質(zhì)物質(zhì)中中 形成的體系。形成的體系。 v 分散相是分散體系中分散相是分散體系中不連續(xù)不連續(xù)的部分，即的部分，即被分散被分散的的 物質(zhì)。物質(zhì)。 v 連續(xù)相是分散體系中連續(xù)相是分散體系中連續(xù)連續(xù)的部分，稱分散介質(zhì)。的部分，稱分散介質(zhì)。

2、第三章第三章 食品化學食品化學 22021-7-15 3.3.1 分散體系的特征分散體系的特征 第三章第三章 食品化學食品化學 32021-7-15 v 絕大部分食品屬于分散體系絕大部分食品屬于分散體系 v 簡單結構：啤酒泡沫是一種氣泡分散在溶液中的簡單結構：啤酒泡沫是一種氣泡分散在溶液中的 體系；牛奶是一種分散有脂肪球和蛋白質(zhì)聚集體體系；牛奶是一種分散有脂肪球和蛋白質(zhì)聚集體 的溶液。的溶液。 v 復雜結構：夾心凝膠、膠狀泡沫、粉狀食品、人復雜結構：夾心凝膠、膠狀泡沫、粉狀食品、人 造黃油、面團及面包等。造黃油、面團及面包等。 v 分散狀態(tài)的影響分散狀態(tài)的影響 不同組分存在不同相內(nèi)或結構單元內(nèi)

3、，不同組分存在不同相內(nèi)或結構單元內(nèi)，不存在熱不存在熱 力學平衡。（分散體系非常重要的特征）力學平衡。（分散體系非常重要的特征） 第三章第三章 食品化學食品化學 42021-7-15 香料組分分散在不同相內(nèi)或結構單元，香料組分香料組分分散在不同相內(nèi)或結構單元，香料組分 的不均勻分布導致不均勻釋放，達到增香效果。的不均勻分布導致不均勻釋放，達到增香效果。 結構單元間存在相結構單元間存在相互吸引作用力互吸引作用力，使體系具有，使體系具有稠稠 度。度。 體系具有大稠度影響溶劑的流動性，使傳質(zhì)只能體系具有大稠度影響溶劑的流動性，使傳質(zhì)只能 采取擴散而非對流，影響反應速率。采取擴散而非對流，影響反應速率。

4、 分散狀態(tài)可能會極大地改變體系的外觀。分散狀態(tài)可能會極大地改變體系的外觀。 因為體系是物理意義上的非均相，至少在微觀水因為體系是物理意義上的非均相，至少在微觀水 平上是非均勻狀態(tài)，所以體系在平上是非均勻狀態(tài)，所以體系在物理物理上可能是上可能是不不 穩(wěn)定穩(wěn)定的。在儲存過程中會的。在儲存過程中會發(fā)生發(fā)生許多形式的許多形式的變化變化。 第三章第三章 食品化學食品化學 52021-7-15 v 分散體系是一個粒子分散在連續(xù)的流體相中的體分散體系是一個粒子分散在連續(xù)的流體相中的體 系。體系中連續(xù)相可能不止一種。系。體系中連續(xù)相可能不止一種。 v 食品乳狀液的類型包括水包油型（食品乳狀液的類型包括水包油型

5、（O/W）和油包）和油包 水型（水型（W/O）。）。 v 食品分散體系粒子尺寸：食品分散體系粒子尺寸：10nm1mm。 v 粒子尺寸大小導致的影響：粒子尺寸大小導致的影響： 體系的外觀體系的外觀 表面積表面積 物理穩(wěn)定性物理穩(wěn)定性 外力的作用外力的作用 分離的難易度分離的難易度 目錄目錄 3.3.2 界面活性界面活性 v 相界面存在相界面存在過量過量自由能，單位焦耳自由能，單位焦耳/米米（J/m） v 液態(tài)相界面可以發(fā)生變形，界面自由能就可以視液態(tài)相界面可以發(fā)生變形，界面自由能就可以視 為一個二維的為一個二維的界面張力界面張力，符號：；單位，符號：；單位:牛頓牛頓/米米 （N/m）;數(shù)值上表面

6、張力和界面自由能相等。數(shù)值上表面張力和界面自由能相等。 v 具有具有降低界面張力降低界面張力的物質(zhì)會自動吸附到相界面上，的物質(zhì)會自動吸附到相界面上， 這樣能這樣能降低體系總的自由能降低體系總的自由能，這一類物質(zhì)通稱為，這一類物質(zhì)通稱為 表面活性劑。表面活性劑。 第三章第三章 食品化學食品化學 62021-7-15 第三章第三章 食品化學食品化學 72021-7-15 v 類肥皂物質(zhì)是小相對分子質(zhì)量的類肥皂物質(zhì)是小相對分子質(zhì)量的兩親分子兩親分子，它們，它們 的的疏水部分疏水部分是一條典型的脂肪族鏈，是一條典型的脂肪族鏈，親水部分親水部分則則 多種多樣。多種多樣。 vHLB值：指一個兩親物質(zhì)的值：

7、指一個兩親物質(zhì)的親水親水-疏水平衡值疏水平衡值。 v表面活性劑的表面活性劑的HLB值為值為140。 第三章第三章 食品化學食品化學 82021-7-15 v在臨界膠束濃度（在臨界膠束濃度（CMC）以上，許多小分子兩親）以上，許多小分子兩親 性物質(zhì)傾向于形成膠束。性物質(zhì)傾向于形成膠束。 第三章第三章 食品化學食品化學 92021-7-15 接觸角接觸角 v接觸角是指在氣、液、固接觸角是指在氣、液、固三相三相交點處所作的氣交點處所作的氣-液液 界面的切線穿過液體與固界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的液交界線之間的夾角夾角， 是潤濕程度的量度。是潤濕程度的量度。 第三章第三章 食品化學食品化學

8、102021-7-15 曲形界面曲形界面 v在一個曲形的相邊界上，凹面的壓力總是大于凸面在一個曲形的相邊界上，凹面的壓力總是大于凸面 的的壓力壓力，兩者之，兩者之差差成為成為Laplace壓力。壓力。 Laplace壓壓 力力PL可表達為：可表達為： PL= Laplace產(chǎn)生的后果：產(chǎn)生的后果： 毛細上升現(xiàn)象；毛細上升現(xiàn)象； 影響粉粒在水中的分散；影響粉粒在水中的分散； 增強氣泡中氣體在氣泡周圍液體中的溶解性。增強氣泡中氣體在氣泡周圍液體中的溶解性。 第三章第三章 食品化學食品化學 112021-7-15 表面活性劑的作用表面活性劑的作用 表面張力降低，表面張力降低，Laplace壓力降低，

9、界面壓力降低，界面變形變形變變 得容易。得容易。 接觸角受到影響，對接觸角受到影響，對潤濕潤濕和和分散分散過程非常重要。過程非常重要。 界面自由能界面自由能降低降低會相應減慢會相應減慢奧氏熟化奧氏熟化。 表面活性劑的存在產(chǎn)生表面活性劑的存在產(chǎn)生表面張力梯度表面張力梯度。 表面活性劑吸附到離子表面可能會極大表面活性劑吸附到離子表面可能會極大改變改變膠體膠體 粒子間粒子間相互作用力相互作用力，絕大多數(shù)加強排斥力。，絕大多數(shù)加強排斥力。 小分子表面活性劑與大分子發(fā)生一些特定的相小分子表面活性劑與大分子發(fā)生一些特定的相互互 反應反應。它們與蛋白質(zhì)經(jīng)常發(fā)生締合，大大改變了。它們與蛋白質(zhì)經(jīng)常發(fā)生締合，大大

10、改變了 蛋白質(zhì)的性質(zhì)。蛋白質(zhì)的性質(zhì)。 目錄目錄 第三章第三章 食品化學食品化學 122021-7-15 3.3.3 膠體相互作用膠體相互作用 v流體物質(zhì)性質(zhì)流體物質(zhì)性質(zhì) v膠體相互作用力膠體相互作用力垂直垂直作用于粒子的表面作用于粒子的表面 v表面力與表面力與表面相切表面相切的方向?qū)αＷ颖砻媸┘幼饔玫姆较驅(qū)αＷ颖砻媸┘幼饔?v影響：影響： 決定粒子聚集，決定體系的決定粒子聚集，決定體系的物理不穩(wěn)定性物理不穩(wěn)定性； 聚集的粒子可能會形成某種網(wǎng)狀結構，而含有網(wǎng)狀聚集的粒子可能會形成某種網(wǎng)狀結構，而含有網(wǎng)狀 結構的體系，其結構的體系，其流變性質(zhì)流變性質(zhì)和和穩(wěn)定性穩(wěn)定性取決于膠體相互取決于膠體相互 作

11、用力；作用力； 影響了乳狀粒子對（局部）影響了乳狀粒子對（局部）聚結的敏感性聚結的敏感性。 第三章第三章 食品化學食品化學 132021-7-15 范德華力吸引作用范德華力吸引作用 v普遍性普遍性 v加和性加和性 v兩個相同球狀粒子，范德華力相互作用自由能：兩個相同球狀粒子，范德華力相互作用自由能： VAAr/12h h10nm r是粒子的半徑；是粒子的半徑； h是粒子間距離；是粒子間距離； A是是Hamaker常數(shù)，取決于粒子的物質(zhì)及存在于粒常數(shù)，取決于粒子的物質(zhì)及存在于粒 子之間的流體，在數(shù)量上隨著兩種物質(zhì)性質(zhì)差別增子之間的流體，在數(shù)量上隨著兩種物質(zhì)性質(zhì)差別增 大而增加。大而增加。 第三章

12、第三章 食品化學食品化學 142021-7-15 雙電層雙電層 v雙電層為雙電層為粒子表面粒子表面到溶液中某一個平面所包圍的區(qū)到溶液中某一個平面所包圍的區(qū) 域，在這個域，在這個平面平面上上電荷被完全中和電荷被完全中和。 第三章第三章 食品化學食品化學 152021-7-15 DLVO理論理論 v排斥靜電作用自由能排斥靜電作用自由能VE v同樣尺寸同樣尺寸的球狀粒子：的球狀粒子： VE(4.310 9)r0ln(1 e kh) k3.2I0.5 I12mizi2 該式適用條件：該式適用條件：h10nm,| 0 |40mV,kr1， 而且在室溫下的水相中。而且在室溫下的水相中。 v范德華力吸引的相

13、互作用自由能范德華力吸引的相互作用自由能VA和 和排斥靜電作用 排斥靜電作用 自由能自由能VE可以可以加和加和，這樣引出了表述，這樣引出了表述膠體穩(wěn)定膠體穩(wěn)定的的 第一個有用的理論第一個有用的理論DLVO理論。理論。 第三章第三章 食品化學食品化學 162021-7-15 空間排斥效應空間排斥效應 v一些吸附分子（如聚合物、吐溫系列表面活性劑等一些吸附分子（如聚合物、吐溫系列表面活性劑等 ）具有柔順的分子鏈（毛狀物），這些分子鏈伸進）具有柔順的分子鏈（毛狀物），這些分子鏈伸進 連續(xù)相中，有可能造成粒子之間的空間排斥作用。連續(xù)相中，有可能造成粒子之間的空間排斥作用。 v產(chǎn)生機制：產(chǎn)生機制： 毛狀

14、物構象限制；毛狀物構象限制； 毛狀物層發(fā)生重疊。毛狀物層發(fā)生重疊。 第三章第三章 食品化學食品化學 172021-7-15 排除作用排除作用 v兩個分子在相互接近的過程中，它們之間的距離（兩個分子在相互接近的過程中，它們之間的距離（ 一個分子的中心到另一個分子的表面的距離）不可一個分子的中心到另一個分子的表面的距離）不可 能小于分子的有效半徑（無規(guī)線團），所以分布在能小于分子的有效半徑（無規(guī)線團），所以分布在 這兩個分子之間的非吸附性大分子受到排除該區(qū)域這兩個分子之間的非吸附性大分子受到排除該區(qū)域 的作用。的作用。 第三章第三章 食品化學食品化學 182021-7-15 3.3.4 液態(tài)分散體

15、系液態(tài)分散體系 v不穩(wěn)定不穩(wěn)定現(xiàn)象現(xiàn)象 第三章第三章 食品化學食品化學 192021-7-15 v奧氏熟化奧氏熟化：一個分散體系中大粒子的長大是以消耗：一個分散體系中大粒子的長大是以消耗 小粒子為代價，最終導致小的粒子的消失。小粒子為代價，最終導致小的粒子的消失。 v沉降沉降：如果分散相和連續(xù)相之間存在密度差，粒子：如果分散相和連續(xù)相之間存在密度差，粒子 就會受到一個浮力的作用。就會受到一個浮力的作用。 對食品體系比較重要的影響因素：對食品體系比較重要的影響因素： 粒子是不均勻的球體；粒子是不均勻的球體； 分散體系中的對流會擾亂小粒子的沉降；分散體系中的對流會擾亂小粒子的沉降； 粒子聚集，沉降

16、速度加快；粒子聚集，沉降速度加快； 粒子體積分數(shù)；粒子體積分數(shù)； 液體顯示一個小的屈服應力：低于這個應力值時液液體顯示一個小的屈服應力：低于這個應力值時液 體不會發(fā)生流動。體不會發(fā)生流動。 第三章第三章 食品化學食品化學 202021-7-15 v聚集動力學聚集動力學:粒子在液體中表現(xiàn)粒子在液體中表現(xiàn)布朗運動布朗運動性質(zhì)，它性質(zhì)，它 們不斷發(fā)生相互碰撞，這種碰撞有可能引發(fā)粒子間們不斷發(fā)生相互碰撞，這種碰撞有可能引發(fā)粒子間 的聚集。的聚集。 v聚集可逆性聚集可逆性：通過添加某些試劑可以使聚集體達到：通過添加某些試劑可以使聚集體達到 解聚。解聚。 水稀釋體系是聚集粒子團解聚的原因：水稀釋體系是聚集

17、粒子團解聚的原因： 滲透壓降低；滲透壓降低； 離子強度降低；離子強度降低； 改善溶劑質(zhì)量。改善溶劑質(zhì)量。 第三章第三章 食品化學食品化學 212021-7-15 3.3.5 凝膠凝膠 v屈服應力、黏彈性屈服應力、黏彈性 第三章第三章 食品化學食品化學 222021-7-15 v食品中常見凝膠的三種類型：食品中常見凝膠的三種類型：聚合物凝膠聚合物凝膠、微晶微晶、 顆粒凝膠顆粒凝膠。 第三章第三章 食品化學食品化學 232021-7-15 3.3.6 乳狀液乳狀液 v乳狀液是一種液體分散在另一種液體中的體系，包乳狀液是一種液體分散在另一種液體中的體系，包 括括O/W和和W/O型。型。 v油、水、乳

18、化劑（表面活性劑）、能量油、水、乳化劑（表面活性劑）、能量 v乳化過程是在液滴破裂時，乳化劑采用乳化過程是在液滴破裂時，乳化劑采用對流對流的方式的方式 及時及時遷移遷移到新形成的液到新形成的液/液界面上，液滴間液界面上，液滴間碰撞碰撞頻頻 繁，若是液滴尚未完全有效的被表面活性劑所覆蓋繁，若是液滴尚未完全有效的被表面活性劑所覆蓋 ，它們在碰撞中就有可能再次，它們在碰撞中就有可能再次聚結聚結在一起。在一起。 vGibbs-Marangoni效應效應 第三章第三章 食品化學食品化學 242021-7-15 v聚結聚結現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于緊靠在一起緊靠在一起的液滴之間那層的液滴之間那層 薄

19、薄的液膜（薄片液膜）發(fā)生破裂而引起的。液膜薄薄的液膜（薄片液膜）發(fā)生破裂而引起的。液膜 如果出現(xiàn)小洞，液滴會立即流動到一起。如果出現(xiàn)小洞，液滴會立即流動到一起。 v部分聚結部分聚結 第三章第三章 食品化學食品化學 252021-7-15 第三章第三章 食品化學食品化學 262021-7-15 思考題思考題 v冰激凌是泡沫結構性食品，如果要提高冰激凌是泡沫結構性食品，如果要提高 其結構的穩(wěn)定性，該進行哪些方面研究其結構的穩(wěn)定性，該進行哪些方面研究 呢？呢？ 第三章第三章 食品化學食品化學 272021-7-15 3.3.7 泡沫體系泡沫體系 一、食品中泡沫的形成一、食品中泡沫的形成 v乳濁液和泡

20、沫的區(qū)別：泡沫中分散相（氣體）所占乳濁液和泡沫的區(qū)別：泡沫中分散相（氣體）所占 的體積分數(shù)更大。的體積分數(shù)更大。 v食品泡沫：食品泡沫：氣氣泡分散在含有泡分散在含有可溶性表面活性劑可溶性表面活性劑的的連連 續(xù)體或半固體相中續(xù)體或半固體相中的分散體系。的分散體系。 v氣：氣：CO2或空氣或空氣 v可溶性表面活性劑：蛋白質(zhì)、脂肪可溶性表面活性劑：蛋白質(zhì)、脂肪 v連續(xù)相：水溶液、乳濁液或懸濁液。連續(xù)相：水溶液、乳濁液或懸濁液。 第三章食品化學第三章食品化學 282021-7-15 v食品泡沫是非常復雜的膠體體系。食品泡沫是非常復雜的膠體體系。 v泡沫結構中氣泡沫結構中氣-液界面能達到液界面能達到1m

21、2/ml液體。液體。 v泡沫大小分布廣泛。泡沫大小分布廣泛。 v表面活性劑的作用：降低表面張力，阻止氣泡聚集。表面活性劑的作用：降低表面張力，阻止氣泡聚集。 能和截留的氣泡之間形成一個彈性的保護壁壘。如能和截留的氣泡之間形成一個彈性的保護壁壘。如 蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)。 第三章第三章 食品化學食品化學 292021-7-15 泡沫的形成方法泡沫的形成方法 1.多孔噴灑器多孔噴灑器 低蛋白質(zhì)的水溶液（低蛋白質(zhì)的水溶液（0.01-2%） 2. 攪拌和振蕩攪拌和振蕩：大量氣相存在：大量氣相存在 3. 將預先加壓的溶液減壓。如啤酒、可樂等將預先加壓的溶液減壓。如啤酒、可樂等 v 乳濁液和泡沫之間的一個主要差

22、別是在泡沫中分乳濁液和泡沫之間的一個主要差別是在泡沫中分 散相（氣體）所占的體積分數(shù)比起在乳濁液中在散相（氣體）所占的體積分數(shù)比起在乳濁液中在 更大范圍內(nèi)變動。更大范圍內(nèi)變動。 第三章第三章 食品化學食品化學 302021-7-15 攪打過程中充氣機理攪打過程中充氣機理 第三章第三章 食品化學食品化學 312021-7-15 v 攪打稀奶油形成泡沫的三個階段：攪打稀奶油形成泡沫的三個階段： 迅速充氣階段：液相中未吸附的迅速充氣階段：液相中未吸附的酪蛋白起泡性酪蛋白起泡性能能 好，導致大量氣體以好，導致大量氣體以大氣泡大氣泡的形式充入乳濁液，的形式充入乳濁液， 少量大氣泡破裂形成小氣泡，從而形成

23、少量大氣泡破裂形成小氣泡，從而形成很少量的很少量的 脂肪球部分聚結體脂肪球部分聚結體，聚結過程不可逆。，聚結過程不可逆。 脂肪球快速聚結階段：液相中蛋白質(zhì)濃度迅速上脂肪球快速聚結階段：液相中蛋白質(zhì)濃度迅速上 升，攪打過程中升，攪打過程中乳化劑乳化劑快速競爭解吸界面吸附的快速競爭解吸界面吸附的 酪蛋白，降低了界面吸附層的靜電和空間穩(wěn)定作酪蛋白，降低了界面吸附層的靜電和空間穩(wěn)定作 用，致界面穩(wěn)定性下降，大氣泡開始快速破裂形用，致界面穩(wěn)定性下降，大氣泡開始快速破裂形 成小氣泡。成小氣泡。是可逆的動態(tài)過程是可逆的動態(tài)過程。至氣泡界面被。至氣泡界面被脂脂 肪球及聚結物肪球及聚結物緊密包裹形成穩(wěn)定的氣泡。

24、緊密包裹形成穩(wěn)定的氣泡。 第三章第三章 食品化學食品化學 322021-7-15 v大氣泡破裂形成小氣泡和小氣泡合并形成大氣泡的大氣泡破裂形成小氣泡和小氣泡合并形成大氣泡的 過程中伴隨著脂肪球部分聚結，從而導致脂肪球部過程中伴隨著脂肪球部分聚結，從而導致脂肪球部 分聚結速度快速增加。分聚結速度快速增加。 v繼續(xù)攪打起泡率保持快速增加，泡沫結構穩(wěn)定性明繼續(xù)攪打起泡率保持快速增加，泡沫結構穩(wěn)定性明 顯變好，泡沫結構的硬度、稠度、內(nèi)聚性和黏性也顯變好，泡沫結構的硬度、稠度、內(nèi)聚性和黏性也 快速增加。快速增加。 第三章第三章 食品化學食品化學 332021-7-15 第三章第三章 食品化學食品化學 3

25、42021-7-15 第三章第三章 食品化學食品化學 352021-7-15 脂肪球急劇聚結階段：此時脂肪脂肪球急劇聚結階段：此時脂肪部分聚結體部分聚結體已相已相 當大，易刺破氣泡的界面膜，導致攪打當大，易刺破氣泡的界面膜，導致攪打起泡率降起泡率降 低低。此時開始形成較大相互聯(lián)結的聚結體，這會。此時開始形成較大相互聯(lián)結的聚結體，這會 顯著增大脂肪球的粒徑和提高攪打稀奶油的硬度、顯著增大脂肪球的粒徑和提高攪打稀奶油的硬度、 稠度、內(nèi)聚性和黏性。稠度、內(nèi)聚性和黏性。 繼續(xù)攪打起泡率急速下降，氣泡增大，聚結繼續(xù)攪打起泡率急速下降，氣泡增大，聚結 體形成大的脂肪聚結體體形成大的脂肪聚結體. 第三章第三

26、章 食品化學食品化學 362021-7-15 泡沫中氣泡測量泡沫中氣泡測量 v掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM) v透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡(TEM) v光學金相顯微鏡光學金相顯微鏡 第三章第三章 食品化學食品化學 372021-7-15 v攪打稀奶油：攪打稀奶油：TEM和和SEM v冰激淩：冰激淩：SEM v獲得的結構是二維的。獲得的結構是二維的。 vX射線斷層攝像技術可拍攝氣泡的三維結構，可獲射線斷層攝像技術可拍攝氣泡的三維結構，可獲 得氣泡非常詳盡的信息。得氣泡非常詳盡的信息。 第三章第三章 食品化學食品化學 382021-7-15 攪打過程中氣泡的粒徑變化攪打過程中氣泡的粒徑變

27、化 v攪拌越久是否超好？攪拌越久是否超好？ v過長時間（過長時間（9分鐘以后）攪打，使脂肪球過度聚結，分鐘以后）攪打，使脂肪球過度聚結， 破壞氣破壞氣-液界面，小氣泡破裂合并成大氣泡。液界面，小氣泡破裂合并成大氣泡。 第三章第三章 食品化學食品化學 392021-7-15 第三章第三章 食品化學食品化學 402021-7-15 v氣泡失穩(wěn)機制：氣泡失穩(wěn)機制：Rayleigh-Taylor失穩(wěn)和失穩(wěn)和Kelvin- Helmholtz失穩(wěn)。失穩(wěn)。 vRayleigh-Taylor失穩(wěn)是由不同密度流體的接觸面失穩(wěn)是由不同密度流體的接觸面 積增加所引起（在食品乳濁液中的氣泡被拉長）積增加所引起（在食

28、品乳濁液中的氣泡被拉長） vKelvin-Helmholtz失穩(wěn)是由于兩個疊加的流體不同失穩(wěn)是由于兩個疊加的流體不同 的湍流速度而引起的剪切壓力引起的。的湍流速度而引起的剪切壓力引起的。 第三章第三章 食品化學食品化學 412021-7-15 泡沫的穩(wěn)定性泡沫的穩(wěn)定性 （一）泡沫的去穩(wěn)定化機理（一）泡沫的去穩(wěn)定化機理 v乳濁液是一種熱力學不穩(wěn)定體系，而用于攪打充氣乳濁液是一種熱力學不穩(wěn)定體系，而用于攪打充氣 的乳濁液又不同于一般乳濁液。的乳濁液又不同于一般乳濁液。 v攪打充氣乳濁液：要求制備的乳濁液在靜置條件下攪打充氣乳濁液：要求制備的乳濁液在靜置條件下 相對穩(wěn)定，而在攪打充氣條件下易發(fā)生去穩(wěn)

29、定作用，相對穩(wěn)定，而在攪打充氣條件下易發(fā)生去穩(wěn)定作用， 促使脂肪球發(fā)生部分聚結，形成一個由蛋白質(zhì)穩(wěn)定促使脂肪球發(fā)生部分聚結，形成一個由蛋白質(zhì)穩(wěn)定 的乳濁液和由脂肪球穩(wěn)定的氣泡共存的泡沫結構。的乳濁液和由脂肪球穩(wěn)定的氣泡共存的泡沫結構。 能在凍結的狀態(tài)下長時間保持穩(wěn)定。能在凍結的狀態(tài)下長時間保持穩(wěn)定。 v泡沫內(nèi)在的不穩(wěn)定更甚于乳濁液，泡沫內(nèi)在的不穩(wěn)定更甚于乳濁液，讓氣泡長時間保讓氣泡長時間保 持穩(wěn)定不易持穩(wěn)定不易。 第三章第三章 食品化學食品化學 422021-7-15 泡沫體系的穩(wěn)定機制泡沫體系的穩(wěn)定機制 1. 氣體擴散氣體擴散 2. 毛細流動毛細流動 3. 重力排液重力排液 4. Ostwa

30、ld熟化熟化 第三章第三章 食品化學食品化學 432021-7-15 1.氣體擴散氣體擴散 v由于液膜的曲率不同導致氣泡內(nèi)氣壓不同而引起的。由于液膜的曲率不同導致氣泡內(nèi)氣壓不同而引起的。 如果兩個氣泡聚結在一起，則它們之間存在一薄的如果兩個氣泡聚結在一起，則它們之間存在一薄的 液膜。如圖所示：液膜。如圖所示： R1R0 R2R1R2 a. 兩氣泡半徑相同兩氣泡半徑相同b. 兩氣泡半徑不同兩氣泡半徑不同 兩接觸氣泡的變形兩接觸氣泡的變形 第三章第三章 食品化學食品化學 442021-7-15 v氣泡的壓力差可以用氣泡的壓力差可以用Laplace方程式表示：方程式表示： v如半徑分別為如半徑分別為

31、R1和和R2的氣泡相互接觸，則接觸面的氣泡相互接觸，則接觸面 之間的壓力差為：之間的壓力差為： v如果接觸面的曲率半徑為如果接觸面的曲率半徑為R0，則可得到曲面兩邊，則可得到曲面兩邊 的壓力差為：的壓力差為： 第三章第三章 食品化學食品化學 452021-7-15 v氣體擴散的最終結果是：小氣泡收縮，大氣泡長氣體擴散的最終結果是：小氣泡收縮，大氣泡長 大。如果初始半徑相差不大，則擴散慢。大。如果初始半徑相差不大，則擴散慢。 第三章第三章 食品化學食品化學 462021-7-15 2. 毛細流動毛細流動 v當三個氣泡聚結在一起時，它們之間形成三角形狀當三個氣泡聚結在一起時，它們之間形成三角形狀

32、液膜，這一液膜區(qū)稱液膜，這一液膜區(qū)稱Plateau平穩(wěn)邊界（或平穩(wěn)邊界（或Gibbs 三角形），簡稱三角形），簡稱PB區(qū)，如下圖所示：區(qū)，如下圖所示： 2 B液膜液膜 PB區(qū)區(qū) B B 2 2 第三章第三章 食品化學食品化學 472021-7-15 v如果如果3個氣泡大小相同，則其交界之間互成個氣泡大小相同，則其交界之間互成120度度 交角。交角。 v在在PB區(qū)的曲率較正常界面（兩個氣泡接觸面）的區(qū)的曲率較正常界面（兩個氣泡接觸面）的 曲率大，這就意味著此處存在著較大的壓力差。曲率大，這就意味著此處存在著較大的壓力差。 v由于壓力差的存在，使得由于壓力差的存在，使得正常界面的液體向著正常界面的

33、液體向著PB 區(qū)方向流動而導致液膜變薄區(qū)方向流動而導致液膜變薄，泡沫的穩(wěn)定性下降，泡沫的穩(wěn)定性下降， 這就是泡沫膜的液體滲出作用。這就是泡沫膜的液體滲出作用。 第三章第三章 食品化學食品化學 482021-7-15 3. 重力排液重力排液 v啤酒泡沫排水時泡沫漸漸從球形氣泡變成多面體氣啤酒泡沫排水時泡沫漸漸從球形氣泡變成多面體氣 泡，泡，Why? v排水的主要推動力是排水的主要推動力是重力重力，在多面體泡沫中，在多面體泡沫中， Plateau平穩(wěn)態(tài)邊界吸力對排水起推動作用。平穩(wěn)態(tài)邊界吸力對排水起推動作用。 v如溫度越低，粘度越高，則排水速度越慢，氣泡的如溫度越低，粘度越高，則排水速度越慢，氣泡

34、的 膨脹速度也越慢，氣泡膜則越厚實，使氣泡維持時膨脹速度也越慢，氣泡膜則越厚實，使氣泡維持時 間得以延長。間得以延長。 v5-15nm的臨界厚度的臨界厚度 第三章第三章 食品化學食品化學 492021-7-15 4. Ostwald熟化熟化 vOstwald熟化是由于不同直徑的氣泡之間毛細管熟化是由于不同直徑的氣泡之間毛細管 壓力差，小泡中的氣體會向大氣泡轉(zhuǎn)移，導致大壓力差，小泡中的氣體會向大氣泡轉(zhuǎn)移，導致大 氣泡越變越大，小氣泡越變越小，最終消失。氣泡越變越大，小氣泡越變越小，最終消失。 v氣體轉(zhuǎn)移的動力與氣泡的直徑成反比，隨著時間氣體轉(zhuǎn)移的動力與氣泡的直徑成反比，隨著時間 的推移，大氣泡越

35、來越多，泡沫的組織結構變得的推移，大氣泡越來越多，泡沫的組織結構變得 粗糙。粗糙。 v泡沫的不穩(wěn)定是由多種機制共同作用的結果。泡沫的不穩(wěn)定是由多種機制共同作用的結果。 第三章第三章 食品化學食品化學 502021-7-15 v攪打稀奶油：氣泡由蛋白質(zhì)和脂肪球部分聚結網(wǎng)絡攪打稀奶油：氣泡由蛋白質(zhì)和脂肪球部分聚結網(wǎng)絡 穩(wěn)定的，泡沫去穩(wěn)定化主要是由穩(wěn)定的，泡沫去穩(wěn)定化主要是由氣體擴散氣體擴散和和 Ostwald熟化熟化兩種機制引起。兩種機制引起。 v氣體的擴散速率主要與氣泡界面上的氣體的擴散速率主要與氣泡界面上的吸附層吸附層、中間中間 相的通透性相的通透性和和氣泡的大小氣泡的大小（擴散動力與氣泡的直

36、徑（擴散動力與氣泡的直徑 成反比）等因素有關。成反比）等因素有關。 v乳化劑的分子量和堆積密度乳化劑的分子量和堆積密度決定了吸附層的通透性，決定了吸附層的通透性， 當氣泡體積變小，吸附層上乳化劑濃度增大，導致當氣泡體積變小，吸附層上乳化劑濃度增大，導致 氣泡的表面張力降低和氣體擴散動力減弱。氣泡的表面張力降低和氣體擴散動力減弱。 第三章第三章 食品化學食品化學 512021-7-15 v 保持泡沫穩(wěn)定性的方法：保持泡沫穩(wěn)定性的方法： 1. 保持氣泡直徑相同；保持氣泡直徑相同； 2. 提高提高親水膠體的濃度親水膠體的濃度，以增加液相的黏度，當連，以增加液相的黏度，當連 續(xù)相具有一定的剪切屈服值，

37、能夠完全續(xù)相具有一定的剪切屈服值，能夠完全減緩排液減緩排液。 當親水膠達到一定濃度時，體系形成凝膠，當親水膠達到一定濃度時，體系形成凝膠，減緩減緩 氣泡的非均勻化過程氣泡的非均勻化過程。 3. 增加氣增加氣-液界面上的液界面上的界面膜強度界面膜強度。選擇適當?shù)娜榛?。選擇適當?shù)娜榛?劑，能夠大大降低由于氣泡之間的液膜破裂引起劑，能夠大大降低由于氣泡之間的液膜破裂引起 的氣泡合并，理論上蛋白質(zhì)作乳化劑就能達到目的氣泡合并，理論上蛋白質(zhì)作乳化劑就能達到目 的，界面膜的黏彈性能夠減緩氣泡的非均勻化過的，界面膜的黏彈性能夠減緩氣泡的非均勻化過 程。程。 第三章第三章 食品化學食品化學 522021-7-

38、15 v對于冰激凌，液相凝固，體系的穩(wěn)定性與氣泡之間對于冰激凌，液相凝固，體系的穩(wěn)定性與氣泡之間 的的冰晶和乳糖晶體冰晶和乳糖晶體密切相關，只有貯藏在足夠的低密切相關，只有貯藏在足夠的低 溫下，體系才能達到穩(wěn)定，但反復融凍會破壞原有溫下，體系才能達到穩(wěn)定，但反復融凍會破壞原有 的結構。的結構。 v泡沫氣泡及其微觀結構不同于泡沫氣泡及其微觀結構不同于乳濁液脂肪球乳濁液脂肪球，泡沫，泡沫 的穩(wěn)定性更加難以控制。的穩(wěn)定性更加難以控制。 第三章第三章 食品化學食品化學 532021-7-15 v穩(wěn)定穩(wěn)定攪打充氣乳濁液體系攪打充氣乳濁液體系最好的方法是用最好的方法是用半結晶脂半結晶脂 肪球網(wǎng)絡包裹氣泡肪

39、球網(wǎng)絡包裹氣泡。如攪打稀奶油和冰激凌。如攪打稀奶油和冰激凌 v在氣在氣-水界面上，部分結晶的脂肪球之間能夠形成水界面上，部分結晶的脂肪球之間能夠形成 部分聚結部分聚結網(wǎng)包裹氣泡，只要脂肪球保持結晶狀態(tài)，網(wǎng)包裹氣泡，只要脂肪球保持結晶狀態(tài)， 泡沫就可以保持一定的硬度。泡沫就可以保持一定的硬度。 v當攪打稀奶油升溫至脂肪晶體的熔點時，泡沫組織當攪打稀奶油升溫至脂肪晶體的熔點時，泡沫組織 會坍塌。會坍塌。 考試題目：考試題目： 填空：填空： 1.Ostwald熟化是由于不同直徑的氣泡之間（熟化是由于不同直徑的氣泡之間（毛細管毛細管 壓力差壓力差），小泡中的氣體會向大氣泡轉(zhuǎn)移，導致大），小泡中的氣體會

40、向大氣泡轉(zhuǎn)移，導致大 氣泡越變越大，小氣泡越變越小，最終消失。氣泡越變越大，小氣泡越變越小，最終消失。 2.泡沫體系的穩(wěn)定機制：（泡沫體系的穩(wěn)定機制：（氣體擴散氣體擴散）、（）、（毛細流毛細流 動動）、（）、（重力排液重力排液）、（）、（Ostwald熟化熟化）。）。 高級食品化學高級食品化學 542021-7-15 第三章第三章 食品化學食品化學 562021-7-15 香料組分分散在不同相內(nèi)或結構單元，香料組分香料組分分散在不同相內(nèi)或結構單元，香料組分 的不均勻分布導致不均勻釋放，達到增香效果。的不均勻分布導致不均勻釋放，達到增香效果。 結構單元間存在相結構單元間存在相互吸引作用力互吸引作用力，使體系具有，使體系具有稠稠 度。度。 體系具有大稠度影響溶劑的流動性，使傳質(zhì)只能體系具有大稠度影響溶劑的流動性，使傳質(zhì)只能 采取擴散而非對流，影響反應速率。采取擴散而非對流，影響反應速率。 分散狀態(tài)可能會極大地改變體系的外觀。分散狀態(tài)可能會極大地改變體系的外觀。 因為體系是物理意義上的非均相，至少在微觀水因為體系是物理意義上的非均相，至少在微觀水 平上是非均勻狀態(tài)，所以體系在平上是非均勻狀態(tài)，所以體系在物理物理上可能是上可能是不不 穩(wěn)定穩(wěn)定的。在儲存過程中會的。在儲存過程中會發(fā)生發(fā)生許多形式的許多形式的變化變化。 接觸角接觸角 v接觸角是指在氣、液、固接觸角是指在氣