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(yīng)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(yīng)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(yīng)的幾何尺寸來表示；但大部分食品和農(nóng)產(chǎn)品的形狀是不規(guī)則的，所以很難用單獨(dú)的一個(gè)尺寸簡(jiǎn)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(cè)量第4頁，共48頁。2022/7/30尺寸和形狀大多數(shù)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(gè)參數(shù)，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(nèi)接圓半徑n棱角總數(shù)。 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(zhǎng)，與食品最小外接球體投影圓的周長(zhǎng)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(nèi)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(jì)算方法是計(jì)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(shí)的球度是此食品體積

4、與理想球體(球體直徑與產(chǎn)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(cè)量 體積的測(cè)量 密度瓶法 臺(tái)秤稱量法 氣體排出法 投影法計(jì)算食品體積和表面積 第12頁，共48頁。2022/7/30表面積的測(cè)量對(duì)子果蔬和雞蛋等大體積產(chǎn)品來說，用剝皮法或涂膜剝皮結(jié)合法測(cè)量 。對(duì)于小體積物質(zhì)，如谷物和種子，可以采用表面涂金屬粉法測(cè)量。 利用食品和農(nóng)產(chǎn)品形狀與幾何體相似性估計(jì)體積和表面積。 第13頁，共48頁。2022/7/30體積的測(cè)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(cè)定，通過測(cè)量食

5、品排出液體的質(zhì)量，利用下式進(jìn)行計(jì)算。稱空密度瓶質(zhì)量前，一定要經(jīng)過烘干處理，避免瓶?jī)?nèi)有殘留液體。第14頁，共48頁。2022/7/30體積的測(cè)量 -臺(tái)秤稱量法較大體積的固態(tài)食品(如:果蔬的體積)的測(cè)量可以用臺(tái)秤稱量法測(cè)稱量體積。一個(gè)大小足以容納食品的大燒杯部分裝入水，用臺(tái)秤稱量水和燒杯的質(zhì)量。然后將食品全部放入水中，再用臺(tái)秤稱量水、燒杯和食品的總質(zhì)量。 第15頁，共48頁。2022/7/30體積的測(cè)量 -氣體排出法細(xì)小顆粒狀和不規(guī)則形狀固態(tài)食品體積的測(cè)量還可以用氣體排出量的方法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室很容易制作一個(gè)空氣密度瓶。此方法可以用來測(cè)量甘草、谷物、果蔬等多種細(xì)小食品和農(nóng)產(chǎn)品的體積。密度瓶由兩個(gè)容器、

6、連接管和活塞構(gòu)成，如圖所示。第16頁，共48頁。2022/7/30體積的測(cè)量 -氣體排出法 測(cè)量過程是:首先將被測(cè)物質(zhì)放于第二個(gè)容器內(nèi)，關(guān)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(dāng)容器1內(nèi)的壓力達(dá)到一定值時(shí)，關(guān)閉活塞1,并記錄容器1的壓力P1。 關(guān)閉活塞3打開活塞2，容器1內(nèi)的氣體充入容器2中，待平衡后記錄容器2的壓力p2。 設(shè)氣體規(guī)律符合理想氣體定律，一般情況下，V1=V2=V,則Vs計(jì)算式為： 第17頁，共48頁。2022/7/30投影法計(jì)算食品體積和表面積對(duì)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(jì)算出來。食品的形狀決定其各項(xiàng)尺寸之間的數(shù)字關(guān)系。通常，物體各項(xiàng)

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(guān)系稱為形狀系數(shù)。形狀系數(shù)是表示物體實(shí) 際形狀與球形不一致程度的尺寸。常用的是面積形狀系數(shù)和體積形狀系數(shù)。 食品的表面積和體積分別與某個(gè)特性尺寸的兩次方和三次方成正比，比例系數(shù)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(jì)算食品體積和表面積式中，S、V分別表示所檢驗(yàn)食品的表面積和體積;aS、aV分別為食品的面積形狀系數(shù)和體積形狀系數(shù);腳標(biāo)a投影面積;da所測(cè)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(shù)在內(nèi)的人為的數(shù)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(shù)，也稱比表面積形狀系數(shù)；xSV食品的體面積尺寸。第20頁，共48頁。2022/7/30投影法計(jì)算食品體積和表面積對(duì)于凸?fàn)钍称泛娃r(nóng)產(chǎn)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(gè)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(cè)視圖)、W(俯視圖)三個(gè)相互垂直投影圖上的投影面積。凸?fàn)钗矬w體積V和表面積S之間存在下述關(guān)系: 第21頁，共48頁。2022/7/30粒徑的定義當(dāng)被測(cè)顆粒的某種物

9、理特性或物理行為與某一直徑的同質(zhì)球體（或其組合）最相近時(shí)，就是把該球體的直徑（或其組合）作為被測(cè)顆粒的等效粒徑。其含義：1.粒度測(cè)量實(shí)質(zhì)上是通過把被測(cè)顆粒和同一種材料構(gòu)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(cè)顆粒的某種物理特性或物理行為與同質(zhì)球體作比較時(shí)，有時(shí)能找到一個(gè)（或一組）在該特性上完全相同的球體（如庫爾特計(jì)數(shù)器），有時(shí)則只能找到最相近的球體（如激光粒度儀）。4.將待測(cè)顆粒的某種物理特性或物理行為與同質(zhì)球體作比較時(shí)，有時(shí)能找到某一個(gè)確定的直徑的球與

10、之對(duì)應(yīng)，有時(shí)則需一組大小不同的球的組合與之對(duì)應(yīng)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(jù)的尺寸。含有粒子大小和粒子分布雙重含義，是粉體的基礎(chǔ)性質(zhì)。 粒徑的表示方法： 1、幾何學(xué)粒子徑 在光學(xué)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(zhǎng)徑：粒子最長(zhǎng)兩點(diǎn)間距離。 (2)短徑：粒子最短兩點(diǎn)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(cè)得的粒子徑。 (4)等價(jià)徑：與粒子投影面積相等的圓的直徑。 (5)外接圓等價(jià)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(dāng)徑 與粒子體積相等球的直徑。等比表面積相當(dāng)徑 與粒子的比表面積相等球的直徑。等表面積相當(dāng)徑 與粒子的表面積相等球的直徑。沉降速度相當(dāng)徑(有效徑) 又稱stokes徑，用沉降法求得的粒子徑，是指與被測(cè)粒子有相同沉降速度的球形粒子的直徑。 常用以測(cè)定混懸劑的粒子徑。2.球相當(dāng)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(gè)數(shù)平均徑dln=(nd)/n 長(zhǎng)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(wǎng)粒子的平均尺寸作為所測(cè)粒子的粒徑；算術(shù)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(cè)定方法光學(xué)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(shí)間、振動(dòng)強(qiáng)度)；45m；而微孔篩可篩分10m。 庫爾特計(jì)數(shù)法(coulter counter): 通過細(xì)孔的速度4000個(gè)/秒；可用于混懸劑、乳劑、脂質(zhì)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(cè)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(cè)定方法測(cè)定方法不同，原理不同，適用范圍也不相同顯微鏡法：幾何學(xué)粒徑庫爾特計(jì)數(shù)法：等體積球相當(dāng)徑沉降法：根據(jù)Stoke方程，有效徑比表面積法：有氣體透過法和氮?dú)馕椒?，不能求得粒度分布篩分法：“目”測(cè)定方法適用粒徑范圍(um)測(cè)定方法適用粒徑范圍(um)光學(xué)顯微鏡0.5庫爾特計(jì)數(shù)法1600電子顯微鏡0.001氣體透過法1100篩分法40氮?dú)馕椒?.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(gè)粒子的輪廓或表面上各點(diǎn)所構(gòu)成的圖像。形狀指數(shù) 將粒子的各種無因次組合稱為形狀指數(shù)。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(shù)(立體幾何各變量的關(guān)系稱為形狀系數(shù))體積形狀系數(shù) V=VP/D3表面積形狀系數(shù) S=S/D2，比表面積形狀系數(shù) = S/V粒子的比表面積形狀系數(shù)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(cè)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?dú)庑纬蓡畏肿訉拥奈搅?(mol/g)， A為被吸附氮?dú)夥肿拥慕孛娣e(0.162nm2/mol)， N為阿伏伽德羅常數(shù)(Avogadro constant)， V為在P壓力下粉體對(duì)氣體的吸附量(mol/g)， P0為實(shí)驗(yàn)溫度下氮?dú)怙柡驼魵鈮海?C為常數(shù)。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(zhǎng)度， P為粉體層兩側(cè)流體的壓力差，為流體的粘度， 為粉體的孔隙率，Q為t時(shí)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(qiáng)度， I0光通過純液體的強(qiáng)度，L為光通過混懸液的長(zhǎng)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(shí)對(duì)應(yīng)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(shù)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(shù)、形狀系數(shù)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?？倲?shù)的比例。當(dāng)樣品中所有顆粒的真密度相同時(shí)，顆粒的重量分布和體積分布一致。在沒有特別說明時(shí)，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(dá)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(gòu)成。微分分布表示各個(gè)粒徑相對(duì)應(yīng)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(guān)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(nóng)產(chǎn)品的密度分為真實(shí)密度和容積密度。真實(shí)密度就是食品質(zhì)量與其實(shí)際體積的比值，實(shí)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(zhì)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(shí)密度的測(cè)量浮力法 臺(tái)秤稱量法 密度瓶法 由組分密度計(jì)算整體密度 第40頁，共48頁。2022/7/30真實(shí)密度的測(cè)量-浮力法 對(duì)于體積較小的食品，可以用密度天平測(cè)量其體積，如右圖所示。測(cè)定時(shí)，將食品或農(nóng)產(chǎn)品放置在空氣中和液體中分別稱重，稱得質(zhì)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(shí)密度的測(cè)量-浮力法第42頁，共48頁。2022/7/30真實(shí)密度的測(cè)量-臺(tái)秤稱量法 對(duì)于水果等相對(duì)較大體積的固體食品，可以用體積測(cè)量中的臺(tái)秤稱重法測(cè)出其體積，設(shè)待測(cè)食品質(zhì)量為ms，則食品的密度s為:第43頁，共48頁。2022/7/30真實(shí)密度的測(cè)量-