食品物性学课件文档版

食品物性学

研究对象

食品（Foods）

初级产品（Primary or raw products）: cereals, fruits, vegetables, meats, dairy, fishes etc.

半成品或成品（Semi-manufactured or manufactured foods）: dough, noodles, breads, beverages, juices, jams, ice creams etc.

食品原料（Food ingredients）

脂类（Fats and oils）

蛋白类（Proteins）

碳水化合物（Carbohydrates）

食品添加剂（Food additives）: thickeners, gelling agents, stabilisers, texture modifiers etc.

香味（Flavours）

调味品（Seasons）

研究目的

食品工业界（Food industry）

Maximum food safety and food quality

Capability of developing new and improved food products desired by public consumers

食品学术界（Food academy）

Accumulate and advance fundamental knowledge on food physics and principles behind food processing and design

Better understanding food properties

研究内容

基本物理特征（Basic physical characteristics)

Mass, density, size, shape, moisture content and water activity

分子物理特性（Molecular physics）Food macromolecules, basic chemical and physical structure, conformations, high order structures, and solution properties

力学性质（Mechanical properties）

Rheological properties, texture tests

界面性质（Interfacial properties）Interfacial adsorption and desorption, emulsions, foams 热、光性质（Thermal properties, and optical properties)

Basic thermodynamics, phase transition, thermal analysis, colours, colorimetry, food-light interaction

电、磁性质（Electrical and magnetic properties）

感官评价（Sensory evaluation）

参考文献

Food Physics; Ludger O. Figura, Arthur A. Teixeira, eds.; Springer; 2007

食品物性学; 李云飞, 殷涌光, 金万镐编著; 中国轻工出版社; 2005

食品物性学; 李里特著; 中国农业出版社; 1998

第一章绪论

一、食品物性学的定义和研究内容

1、食品物性学的定义：

食品物性学是以食品（包括食品原料）为研究对象，研究其物理性质的一门科学。不仅包括对食品本身理化性质的分析研究，而且包括食品物性对人的感觉器官产生的所谓感觉性质的研究

食品物性学在日本也称为“食品物理学”，与食品化学相对应。

包括：力学、光学、电学、热学特性，这些特性与食品组成、微观结构、次价力、表面状态等有关。

食品的物性影响食品的流动性、粘弹性、凝聚性、附着性、质构和口感；影响食品组分的扩散性、松弛性和质量稳定性，与生物化学反应速率相关联，与食品分析检测相关联。食品物性学研究的对象非常广泛，包括：

①初级产品，如收获后的粮食谷物类；

②一次加工的食品材料，如各种食用油、糖、奶粉、蛋粉等；

③半成品和成品食品，如面团、面包、果汁细胞结构的生物体。

食品物性学涉及的领域虽然相当广泛，但主要以食品的物理学性质为基本内容，这些物理学性质有:食品的力学性质、光学性质、热学性质和电学性质。

2、食品物性学的研究内容

食品的力学性质

食品在力的作用下产生变形、振动、流动、破断等的规律，以及其与感官评价的关系。

①食品的力学性质是感官评价的重要内容，是决定品种好坏的主要指标。

②食品的力学性质与食品的生化变化、变质情况有着密切的联系，通过力学性质的测定可以把握食品以上品质的变化情况。

③食品的力学性质与食品的加工关系密切，许多操作都与力学性质相关，如混合、搅拌、压榨、过滤、分离、粉碎、膨化、喷雾等。

食品的热学性质

常见的热学性质指标和研究内容有：比热容、潜热、相变规律、传热规律及与温度有关的热膨胀规律等。

在一些食品加工的单元操作中，如杀菌、干燥、冷冻、熟化、烘烤等方面，热物性有十分重要的作用，在改善食品的风味方面，热物性也成为引人注目的研究新领域。

食品的电学性质

主要是指食品及其原料的导电特性、介电特性以及其他的电磁物理特性。其研究领域主要分为：

1、食品品种状态的监控：食品的状态、成分的变化往往反映在电学特性的变化上，用电测传感器的方法把握食品的特性，尤其在食品的非破坏性检测（无损检测）方面。

2、电磁物理加工：主要有静电场处理技术、电磁波加工技术、通电加热技术、电磁场水处理技术、电渗透脱水技术等。

食品的光学性质

是指食品物质对光的吸收、反射及其对感官反应的性质。其研究领域在以下方面：1、通过光学性质实现对食品成分的测定：成分的变化可以引起对光的吸收、反射、折射、衍射、辐射等性质的变化。测定简单、无破坏。

2、食品色泽的研究

二、食品物性学研究的目的和方法

1、了解食品与加工、烹饪有关的物理特性

2、建立食品品质客观评价的方法

3、通过对物性的试验研究，可以了解食品的组织结构和生化变化

例如，在制面条或制面包工艺中，面筋形成的情况用观察或其他方法很难确定，而用测定其粘弹性的方法则可简便地了解面团面筋的网络形成程度。尤其是对生鲜食品的无损伤组织测定，利用振动、光反射、电磁感应等物性测定手段更是必要的。

4、为改善食品的风味、发挥食品的嗜好功能提供科学依据。

以仪器测定的指标表现食品的风味特性，并以此为依据，保证和提高食品的嗜好性品质，成为当前食品开发技术的重要方面。

食品形态

固态、液态、气态，各种形态的物理性质不相同，食品加工特性与食品生化反应也不同。食品质构

质构在感官特性中的重要程度分三方面：

①关键因素：质构决定其质量，如肉品、薯片、爆米花、芹菜等

②重要因素：质构对质量影响较大：水果、某些蔬菜、奶酪、面制品等；

③次要因素：影响不大，如饮料、汤类；

三、食品物性学研究的现状和发展

食品物性学最早起源于对食品粘弹性理论的研究。而粘弹性理论的发展是在胡克等人的弹性理论、牛顿等人建立的流体力学理论发展的。弹性理论、流体力学理论距今已有300多年历史，粘弹性理论是从20世纪初在欧美等国开始的。

食品物性学中发展最早的是食品力学方面的研究，食品力学的中心是食品流变学。食品流变学的基础是流体力学和粘弹性理论。美国化学家宾汉姆(Bingham)提出了流变学的概念，即“Rheology”，“流变”即流动的意思。

最早将流变学引入食品加工研究的是荷兰人Scott Blair,1953年写书《Foodstuffs their Plasticity, Fluidity and Consistency》,第一个定义了“texture”即为“质地”。

在农产品物料物性研究领域，1966年Mohsenin编著出版了《Physical Properties of Plant and Animal Materials》,该书主要针对农产品物料的力学、热学、光学和电学性质进行了系统的论述。

1968年日本东京召开了国际流变学会议

1969年荷兰创办了《Journal of Texture Studies》专业杂志，关于食品物性研究的论文大量发表，推进了食品物性学的发展。研究最多的植物组织（水果、蔬菜）的评价，其次是食品力学性质的测定中，感官评价与仪器测定的比较和相关关系。

1973年，B. Muller编著出版了《Introduction to Food Rheology》，进一步推动了食品物性学的研究和应用。

1975年至1995年间，日本化学学会组织了食品物性学年会研讨，出版了论文集共19集。

1980年Mohsenin又编著出版了《Thermal Properties of Food and Agricultural Materials》,主要论述农产品物料的热学测定、热传导的基本知识以及食品冷却、冷冻、干燥、热处理、呼吸和膨胀的有关知识。

1984年，J.Prentice编著出版了《Measurement in the Rheology of Foodstuffs》一书，阐述了食品流变特性的测量原理和方法，同时从微观结构的角度分析了影响食品流变性质的因素和机理。

1989年种谷真一编著了《食品的物理》一书，从物理学的角度，分析各种状态的物料

在加工、烹饪发酵过程中物性变化的机理。

1989年，川端晶子编著了《食品物性学》，从食品的流变学性质和质地两个方面论述了食品胶体体系特征，以及凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。

总之，20年来食品物性学虽然有很大的发展，但仍然属于逐步形成阶段，因为食品是一个十分复杂的分散体系，今后还需要作大量的研究。

表1 按力学特性对食品物料的分类

食品的力学基础

1、食品物质的凝胶性

1）胶体的概念：

一般的食品不仅含有固体，而且还有水、空气存在，属于分散系统或称为非均质分散系统，也称分散系。

所谓分散系统是指数微米以下、数纳米以上的微粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊的系统，以上所说的微粒子称为分散相，而属于气体、液体或固体的介质被称为分散介质或连续相（分散介质）。

胶体的概念：表示物质状态的名词。晶体和胶体表示物质分散度不同的两种状态。

例如，蛋清蛋白、酪蛋白在水中的扩散速度比食盐和汤药慢的多，越是扩散速度慢的物质结晶越不容易，扩散越快的物质结晶越快。

结晶快的物质称做拟晶体（crystalloid），

结晶慢的物质称做胶体(colloid)。

2）胶体的种类：

气体为连续相的胶体：

气溶胶(airosol)：气体为连续相的胶体（液体分散于气体介质中）,例如云、雾、食品的微小液滴、粉尘漂浮在空气中，但食品中更多的颗粒分散在空气中成为粉末。

粉末食品既有分散漂浮在空气中的状态，也有沉积在一起的集合状态。食品工业中，沉积在一起的粉末较多，常有如下物理量：

外观比体积：单位质量粉末所充填的体积。

外观密度：包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。

空隙率：一定体积的粉末中，孔隙所占体积的比率。

液体为连续相的胶体：

气泡(bubble):在液体中分散有许多气体的分散系统。当无数气泡分散在水中时，溶液呈白色，这是一种气体溶胶。

乳胶体(emulsion):指两种互不相溶的液体，其中一方为微小的液滴分散在另一方液体中的胶体。

乳胶体一般由水、油、乳化剂构成。

乳胶体中，当连续相为水，分散相为油时，称为水包油型（O/W型），如食品中生奶油、蛋黄酱属于O/W型；与之相反，成为油包水型，例如黄油、人造奶油等属于W/O型。

乳胶体经过一定的处理，即在外力的作用下，不使水油分离的情况下，O/W型也会转换为W/O型，相应地乳胶体的物性也会发生很大的变化。

除了两相乳胶体，还有多相乳胶体。

乳胶体类型的判断是研究其物性是首先要考虑的问题，通常的判断法有：

稀释法：用连续相的溶剂稀释的办法。

导电法：水油导电性质差异很大，用电流计的两极插入乳胶体构成回路，导电则为O/W 型，不导电则为W/O型。

色素染色法：利用色素是否溶解于连续相来判断，例如用不溶于油的水溶性色素，甲基橙（methylorange）加入胶体中，溶解的则为O/W型，不溶解的则为W/O型。

胶体分为：溶胶和凝胶

对于可流动的胶体溶液称为溶胶。食品中的一般胶体粒子的分散介质是水，所以把分散介质（连续相）是水的胶体称为亲水性胶体（hydrocolloid)，这样的溶液为水溶胶(hydrosol)。凝胶(gel)：在分散介质（连续相）中的胶体粒子或高分子溶质，形成整体构造而失去了流动性，或胶体全体虽含有大量液体介质但处于固化的状态称为凝胶。凝胶有热不可逆性和热可逆性。如鸡蛋羹、布丁等蛋白凝胶为热不可逆性，以多糖成分存在的为热可逆性。

凝胶是一种物质的特殊状态，介于固体和液体之间，不会仅在重力作用下流动。有流动性非常接近液体的凝胶，也有刚性非常接近于固体的凝胶。干凝胶：凝胶放置后逐渐离浆脱水成为干燥状态为干凝胶，如干粉丝、方便面等。

食品中除了果汁、酱油、牛乳、油等液态食品和饼干、酥饼、硬糖等固体食品外，几乎所有的食品都是在凝胶状态下供食用的。

2、食品的凝胶性与食品加工

1）很多食品都是在凝胶状态下食用的。例如，米饭、馒头、面条、豆腐、肉、色、蔬菜等，都可以说是凝胶状态。

2）凝胶状态食品的力学性质对食品口感品质、风味品质(如软硬、嚼劲、筋道感、柔嫩感等)起着决定的作用。因此蛋白质、多糖类等可以形成凝胶的物质．均可作为食品改良剂、稳定剂等使用。

3）许多食品都有一个状态稳定性问题。例如，果汁要求不分层、不沉淀；面条要求不糊汤，耐浸泡不烂；冰洪淋要求保型性好、口感细腻等。

而解决这些问题的本质，就是要调整好胶体粒子的分布或结合状态，使之稳定。

分散系统内各相之间的界面状态，对物性就要产生很大影响。所以界面化学、乳化机理也成了与食品物性有关的重要相关学科。

研究和改善食品的质地(texture)，主要就是研究凝胶状态物质的模型，与解决食品感官品质、提高食品的品质有着不可分割的关系。

流变学就成为研究食品力学性质的中心内容。

第二章食品的电物性

第一节食品的电学性质

食品的电物性：

在外加电压(或电场)作用下的行为及所表现出来的物理现象。包括：

在交变电场中的介电特性

在直流电场中的电特性：在弱电场中的导电性质；在强电场中的击穿现象；

食品表面的静电现象

电物性在食品工程中的应用：

利用食品的电物性对其成分、组织、状态等进行监控。

食品的加工。

交变电场(电磁波)的利用

静电场的利用：

1. 清洗净化

2. 分离

3. 改质

直流电的利用：

1.电渗析

2.电泳

3.电浮选

第二节极化

1 极性

非极性分子：正负电荷中心相重合。但在电场的作用下正负电荷中心分裂，诱导出偶极矩；

极性分子：正负电荷中心不重合，但由于热运动指向各个方向的机率相等，也呈现电中

性。这类分子具有永久偶极矩，所以称为极性分子。 2 偶极矩(μ, Debye)

偶极矩：表示极性的大小

偶极矩：质点所带电荷的数量q 与两质点间距离d 的乘积μ (Debye ，德拜)，方向从正到负。

总偶极矩：假设每个分子都是刚性的，则总的偶极矩以矢量和来表示： 有效偶极矩

刚性分子的假设：适于气体，不适于溶液分子。

柔性大分子

不是完全刚性的，仅分子的一部分构象在热运动时没有变化。有些基团有极性，整个分子为中性。

有效偶极矩：依赖于分子或基团的化学结构。 有效偶极矩的计算：

如果分子含有N 个极性基团结构，这个结构在热运动时没有变化，则有效偶极矩为：

式中，μxi ，μyi ，μzi 分别为沿着x ，y ，z 轴的键矩分量 2 电介质的极化

分子的极化可以分为三类：

电子极化(electronic polarization) 偶极矩为诱导偶极矩 原子极化(atomic polarization) 偶极矩为诱导偶极矩

取向极化(orientation polarization) 偶极矩为永久偶极矩。 2.1 电子极化

偏移：价电子云在外电场作用下向正极偏移，电子相对于分子骨架发生偏移(分子骨架无偏移)；

强度：外电场比核作用在电子上的原子内电场弱很多，其运动很小，极化弱； 松弛：电子的运动速度很快，极化所需时间很短(10-15~10-13秒)。

2.2 原子极化

d

q ?=μ∑==

N

i i

1

μ

μ2

/11

2

zi 12yi

12xi

]

[∑∑∑===++=N

i N

i N

i μμμμ有效

变形：分子骨架在外电场下发生变形；

强度：原子极化很小，约为电子极化的1/10；

松弛：原子的运动速度较电子慢，极化所需要的时间>10-13秒。 变形：分子骨架在外电场下发生变形；

强度：原子极化很小，约为电子极化的1/10；

松弛：原子的运动速度较电子慢，极化所需要的时间>10-13秒。

无电场 外加电场 2.3 取向极化(偶极极化)

极性分子：永久偶极矩的极性分子(基团)，在无外电场时，热运动使偶极矩指向各方向的机

会相同，总平均偶极矩为0，介质为电中性。

取向：在外电场的作用下，极性分子(基团)沿电场方向排列，产生分子的取向。

松弛：沿外电场的运动要克服本身的惯性和旋转阻力，极化时间很长(约为10-9秒)。这段时间的长短，依赖于分子间的相互作用。

(a) 无外电场 (b) 有外电场 (c) 电场很强，温度很低

极性分子趋向极化示意图

E α为极化率；

对于极性分子：

αe

αu 为取向极化率 αe 和αa 对于非极性分子：

3 高分子的介电特性与结构的关系

高分子以取向极化的贡献最大。

只有极性分子(基团)才能发生取向极化，取向极化的强弱与介质分子(基团)的极性有关。介电常数主要取决于分子(基团)极性的大小。

分子(基团)的极性可用偶极矩来衡量，分子(基团)的偶极矩等于所有键矩的矢量和。

一些共价键的键矩和分子的偶极矩

高分子按极性大小分为四类

第四节电物性的应用

1.食品的电磁波处理和加工

1.1 食品干燥

1.2 生物致死

1) 灭菌

2) 防虫

1.3 加热熟化

1.4 灭酶

1.5 烫漂

1.6 解冻

1.7 萃取

2. 微波及其应用

2.1 微波

波长=1~1000mm的电磁波。是超高频电磁波。

直线传播，可反射、吸收、穿透，遵循光传播的规律。

这些作用取决于材料的特性： 介电特性；比热；形状； 其它成分(含水量等)。 2.2 常见介质

导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合

2. 3 微波对介质的穿透性质 能量衰减与转换：物料表面的能量密度最大，随着微波向物料的渗透，其能量释放给了物料，并转换成热量。

穿透力：衰减状态决定着微波的穿透能力。

穿透深度：微波功率从物料表面减至表面值的1/e 时的距离，用DE 表示。 式中： λ0为自由空间波长；ε为介电常数；tgδ为介质损耗 微波的穿透深度与温度有关

微波加热

1、微波辐射频率：300MHZ~300GHZ，即无线短波范围

2、微波加热——微波向食品释放能量使其温度升高

3、微波加热机理：

①、离子的极化偏振，即溶液中的离子被电场加速。离子碰撞频率的增加导致温度上升。当离子更聚集或溶液浓度增大时，会产生更多热量。如微波加热（豆浆和面包: 面包比豆浆热的快，时间短的多）

②、极性分子的旋转，分子旋转产生热量。极性分子的大小和状态影响旋转的数量，从而影响产热率。冰比水吸收的能量少，原因：水分子在冰中的运动受到限制。

对于家用微波炉，频率在2450MHZ下，水分子在1S内将发

24.5亿次的转动，从而产生足够的热量。

4、微波加热的特点

①、微波加热具有选择性。

有利因素：加热包装食品时，绝大部分能量被食品吸收，只有少部分被容器或包装材料吸收。微波杀虫（对于干燥食品中的害虫含水量较多，因此在微波场中吸收大量的能量而被加热致死）

不利因素：食品解冻。由于微波对冰和水的吸收性质截然不同，当一部分冰变成水后，就会吸收微波，造成解冻不匀。

②、微波的穿透特性。

优点：A、它对不吸收微波的食品容器穿透性极好，可使能量直接到达食品内部一定深度，可迅速加热。

B、微波可把能量直接传给食品内部，尤其是食品内部的水，大大加快干燥速度或食品膨化。

5、微波加热的问题——加热不均匀

原因：①、微波加热选择性

②、微波极好的穿透性

③、微波的棱角效应

微波萃取

是提取天然植物中有效成分的一项新型技术。微波能穿透萃取介质并渗透到物质细胞内部，使物料内部的极性分子随外电场变化而激烈碰撞摩擦，从而使其内部温度迅速升高，引起细胞破裂，使有效成分自由流出而被溶剂溶解。与传统有机溶剂萃取相比，它具有更高选择性，且可有效保护提取物中功效成分，耗能低，省时安全。

微波干燥

微波波长较一般食品物料短很多，但穿透力相对较强，热惯性小。相对于传统加热干燥，微波干燥在物料各个部位同时进行加热，避免了传统方法由外向内形成温度梯度而导致物料表面硬化或不均匀的负效应，干燥速度快，时间短，而且可以最大限度地保持食品的色、香、味，减少营养元素损失；其次，微波加热设备本身不耗热，热能绝大部分都用在物料上，所以热效率高，对环境几乎没有影响，同时设备占地少，目前，在食品加工中已被广泛应用。

在低压或者真空条件下进行干燥可以避免温度、氧气等对食品产生不良的影响，进一步缩短热干燥时间，避免食品品质的恶化。如微波真空干燥技术在果汁生产上的应用，对Vc 的影响很小，对果粉中挥发物质的影响也较喷雾干燥或冷冻干燥都要小。微波干燥可以降低压力和温度，使农作物尤其是谷物减少损伤。

微波杀菌

微波杀菌应用已相当广泛，其机理可用热效应和非热效应来解释。热效应是指微波产生

的热量使微生物体内蛋白质、核酸等分子改性，从而达到杀菌效果；非热效应是指在电磁场作用下，微生物细胞壁破裂，致使细胞内核酸和蛋白外泄导致微生物死亡。

此外，微波还可用于酒类、发酵调味品的催陈、绿茶的杀青，蔗糖汁的减色等工艺过程。微波灭酶在谷物制品和果树加工过程中应用比较广泛，其效果不比传统的沸水或蒸汽烫漂差，由于微波加热时间短，升温速度快，对食品品质影响更小。

微波杀菌的优点

1、时间短、速度快

2、低温杀菌保持营养成份和传统风味

3、节约能源

4、表面和内部都同时进行

5、便于控制

6、设备简单，工艺先进

7、改善劳动条件，节省占地面积

微波膨化

微波加热速度快，物料内部气体温度急剧上升，由于基质传热速率慢，受热气体处于高度受压状态，达到一定强度时就会发生膨化。高水分含量物料中，水分在干燥初期大量蒸发，使制品表面温度下降，膨化效果不好；当水分低于20%时，物料粘性增加，其内部空隙中的水分和空气较难泄出而影响膨化效果。微波加热过程辅以降低体系压强的办法，可有效地加工膨化产品。

微波解冻

传统解冻时热量首先作用在冻结制品表面，然后再向制品内部传导，熔融表面导热差、内部升温慢，造成熔融周期长，品质恶化，汁液损失增加，甚至可能导致不良化学反应、产生毒素等。

微波解冻是指将制品温度由冻藏温度提高到一个较高的温度（仍然低于冰点），而不升到环境温度。此时，制品虽是硬的，但不再是冻结固体。在冻牛肉的微波解冻操作中发现：低温范围内，微波能的穿透深度较深，保证了冻结制品受热均匀。

微波解冻传热快、均匀，解冻所需温度低，很好地抑制不良物理化学变化和腐败微生物的侵染。

微波技术的应用前景

20世纪90年代以后，由于电子技术的飞速发展，微波设备电子器件价格的下跌及能源比价的调整等因素，使得微波设备及微波加工的直接成本有了大幅度的下降；全球环境的不断恶化，使人们逐步认识到传统的加工方式不再是一种环保良好的作业。这些都为微波加工的应用和发展提供了良好的契机和广阔的前景。

我们可以预见：微波技术将以其独特的优势在未来的生产和生活中发挥非常重要的作用。

现已广泛用于牛肉干、猪肉脯、鱼片、酱囟肉、鸭肉、鸡肉等制品的热化、干燥和杀菌。肉制品经微波杀菌后，其鲜度、嫩度、风味均保持原样，卫生指标完全可低于国家食品卫生标准，货架贮存时间可达1-2个月，微波对肉制品杀菌、保鲜技术的成功应用，由原来保鲜期3天，延长到1-2个月，已将该项技术成果提高到崭新阶段。

利用红外线处理

1、红外线的波长范围：0.78-1000um,非电离辐射电磁波

2、红外电磁波分为：近红外线（0.78-1.4um);中间红外线（1.4-3um)和远红外线（3um-1mm)

3、应用中波长范围2-25um：远红外线

4、远红外线的优点：与热风干燥或热风加热相比，远红外辐射的能量可以直接被食品物

料吸收，减少能量损失。

远红外线波长较长，对物料的穿透性强，其光子能量级小，一般只产生热效应，不会引起物质的化学变化，对食品营养成分和色泽不会造成影响，远红外线被物料吸收的程度也不受物料色泽影响，所以使用远红外热加工，物料受热均匀，加工品质优良。

远红外线在食品加工中可用于点心、肉制品等的烘烤，烹调食品的保温、冷藏食品的快速加热，谷物、大豆、咖啡、茶叶等的干燥，油炸食品如炸鱼、炸虾、炸土豆片等的炸制，无水煮食品的加工，酒类、调味品、水果的催熟，肉类制品、谷物、面粉的杀菌等。紫外线在食品加工中的应用

食品工业中，紫外线多应用在杀菌上，也可应用于果蔬保鲜及对加工食品性能的改善上。紫外线杀菌主要用于三个领域：表面杀菌、空气杀菌和液体杀菌。表面杀菌常用于包装材料的消毒，如在牛乳的生产中，用紫外线对包装材料消毒，可使其货架期延长到两周。

据报道，面包在出炉后先进行紫外照射可明显延长其货架期；空气杀菌主要用于食品加工环境的消毒，如果蔬的去皮操作中，用紫外线处理过的气流流过去皮单元，产品质量会显著提高。

同样的技术也用于孵化室和冷藏室；紫外线处理可有效进行液体杀菌，杀灭水中大部分微生物和减少环境污染。紫外线消毒不改变水的颜色、味道和pH值，在日本，紫外线辐射已用于天然矿泉水的消毒。

脉冲杀菌技术与食品工业

主要内容

概述

脉冲杀菌机理

高压脉冲电场杀菌流程

影响高压脉冲电场灭菌效果的因素

脉冲杀菌技术在食品中的应用

一、概述

1、高压脉冲电场杀菌

应用于杀菌的高压脉冲电场(high intensity pulse electric field,HIPEF, 简称PEF)一般的电源电压高达几千伏至几万伏，电场强度为5kV/cm-100kV/cm,脉冲宽度一般为1μs-100μs至几ms,当运用PEF进行杀菌处理时，会产生类似巴氏杀菌的杀菌效果,但对介质品质的损害比热杀菌影响小，作为一种新兴的非热杀菌技术，PEF具有很好的应用前景，它已在农产品加工、食品、水处理、卫生及其他相关领域受到越来越多的关注。

从20世纪20年代开始，电场即开始被尝试用于牛奶的处理，60年代Grossling等推荐采用PEF杀菌处理食品，近几十年来，该技术的研究发展更加完善进步。

美国目前已实现PEF对部分产品杀菌产业化并拥有相关专利，美国华盛顿州立大学和俄亥俄州立大学等还相继建立了专门的非热食品加工研究中心。尽管如此，对于大部分产品杀菌的产业化技术，PEF仍不成熟。

在我国，对PEF杀菌技术的研究基本处于实验室阶段或中试阶段，离产业化还有很大的距离。

2、脉冲磁场杀菌

脉冲磁场杀菌是利用高强度磁场发生器向螺旋线圈发出强脉冲磁场,将食品放置于螺旋线圈内部的磁场当中,微生物受到强脉冲磁场的作用导致死亡。

自Hofmann发现脉冲磁场杀菌除保持一般非加热杀菌的特点外,其突出的优点表现为:

1、杀菌物料的温度一般不超过5 ℃;

2、距离线圈2m左右处,磁场强度则衰减为相当于地磁强度,因此无漏磁问题,安全性好;

3、与连续波和恒定磁场相比,脉冲磁场杀菌设备具有功率消耗低、杀菌时间短、对微生物杀灭力强、效率高等特点;

4、磁场的产生和中止易于控制;

5、穿透力强,能深入食品内部,并可通过物料流动,强化料液的搅拌传质效果,致使灭菌无死角,杀菌彻底。

美国、日本的研究证明,高强度脉冲磁场杀菌在食品行业有很重要的应用价值。我国在这方面的研究还在起步阶段,基础理论研究和推广应用还有待进一步深入。

电脉冲与磁脉冲杀菌技术优越性

(1) 灭菌效果好；

(2) 对食物的营养成分保存效果好

(3) 可在用于大颗粒食品；

(4)灭菌速度极快；微秒级

(5)灭菌后易处理；

(6)过程易于控制，且可立即启动或终止

(7)加工和包装费用有节约潜力；

(8)维护费用低。

二、杀菌机理

1、高压脉冲电场杀菌机理

对于高压脉冲电场杀菌机理有多种假说：如跨膜电位理论、介电破坏理论、O3效应、电磁机制模型、粘弹极性形成模型、电解产物效应等，总结起来，就是下面两类：（1）场的作用

（2）电离作用

（1）电场作用

脉冲电场产生磁场，这种脉冲电场和脉冲磁场交替作用，使细胞膜透性增加，振荡加剧，膜强度减弱，因而膜被破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。

跨膜电位理论

该理论认为,当一个外部电场加到细胞两端时,就会产生跨膜电位(TMP)，跨膜电位达到1V时,细胞膜便会失去其功能。对半径r处于均匀场强E中的球形来说,其沿电场方向的跨膜电位,可由下列公式得出:

U =1.5rE

式中:U 表示沿电场方向的跨膜电位,r表示细胞半径,E代表电场强度。

介电破坏理论。

该理论将细胞膜视为电容,在高压脉冲电场作用下,膜两侧电位差增大,由于电荷电性相反,它们相互吸引形成挤压力,当TMP达到1V,挤压力大于膜的恢复力,膜就会破裂而失活。

电穿孔理论。

该理论认为,高压电脉冲会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋白质通道的开度,使细胞膜失去半渗透性质,细胞会膨胀而死。

（2）电离作用

电极附近物质电离产生的阴、阳离子与膜内生命物质作用，因而阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行；同时，液体介质电离产生O3的强烈氧化作用，能与细胞内物质发生一系列反应。

2、脉冲磁场杀菌机理

磁场的感应电流效应

生物体对于磁场是可透过性的,微生物细胞在磁场下运动时,如果细胞所做运动是切割磁力线的运动,就会导致其中磁通量变化并激起感应电流,这个电流的大小、方向和形式是对细胞产生生物效应的主要原因。此感应电流越大,生物效应越明显。

当细胞处于脉冲场时,由于磁场的瞬间出现和消失,必然在细胞内产生瞬变的磁通量。瞬变的磁通在细胞内激起感应电流,此感应电流与磁场相互作用的力密度可破坏细胞正常的生理功能。

因此,就磁场对细胞产生的感应电流效应而言,恒强磁场不及旋转磁场,旋转磁场不及脉冲磁场,这就是为何脉冲磁场只要很短的时间和较小的场强,就会产生显著的杀菌效果。磁场的洛仑兹力效应

在磁场作用下,细胞中的带电粒子如电子和离子,受到洛仑兹力的影响,其运动轨迹常被限制在一定半径范围之内,磁场强度越大,这种半径就越小。根据磁场强度大小的不同,带电粒子的运动轨迹大体会出现以下3种情况:

①场强较小时,拉默半径大于细胞的大小,微生物细胞内的带电粒子运动自如,不但没有约束,反而可能使其更加定向、同步地向反应中心聚集,更加促进了细胞的生长和分裂;

②场强中等时,拉默半径与细胞的大小相当,则磁场的影响不明显;

③场强较大时,洛仑兹力加大,拉默半径小于细胞的大小,导致了细胞内的电子和离子不能正常传递,从而影响了细胞正常的生理功能。

磁场的振荡效应

研究表明,生物体内的大多数分子和原子具有极性和磁性,外加磁场必会对生物产生作用。不同强度分布的外加磁场对不同生物的影响程度不同,且振荡磁场能松弛离子和蛋白质间的化学键,键的松弛可能影响细胞的代谢活动而使微生物失活。

脉冲磁场在极短的时间内,磁场的频率和强度都会发生极大变化,在细胞膜上产生振荡效应。激烈的振荡效应能使细胞膜破裂,这种破裂会导致细胞结构紊乱,从而达到杀死细胞的目的,进而杀死细菌。

磁场的电离效应

在磁场的作用下,食品中的带电粒子将产生高速运动,撞击食品分子,使食品分子分解,产生阴、阳离子,这些阴、阳离子在强磁场的作用下极为活跃,可穿过细胞膜,与微生物内的生命物质如蛋白质、RNA作用,而阻断细胞内正常生化反应和新陈代谢的进行,导致细胞死亡,进而杀死细菌。

应特别指出,利用磁场杀菌要求食品材料有较高的电阻率,一般应大于10Ω·cm,以防材料内部产生涡流效应而导致磁屏蔽。这就可解释为什么脉冲磁场杀菌对有些食品物料具有很好的杀菌效果,而有些物料杀菌效果则较差。

三、高压脉冲电场杀菌流程

四、影响高压脉冲电场灭菌效果的因素

细菌种类

一般条件下,体积较大的细菌因其在同电场强度条件下跨膜电压较高,因而对电场比较敏感;革兰氏阳性菌因其细胞膜厚,弹性较强,对高压脉冲电场的抵抗力较强;球形菌比杆形菌对电场敏感。

但在实际研究会发现有很多与这种规律相反的现象,如体积较小的小肠结肠耶氏菌Y. enterocolitica比体积较大的大肠杆菌E. coli更易灭活。

处理室单位体积接收到的总能量

施加到高压脉冲电场处理室中的能量与电场强度、波形、脉冲频率、波持续的时间及处理总时间等相关。大体上,随着施加到电场中的总能量的升高,高压脉冲电场的灭菌效果也随之增强,其中电场强度对灭菌效果的影响最为明显,而波的持续时间对灭菌效果的影响有限。

处理食品的预热温度

增加初始温度能够很大程度上提高灭菌效果。Amiali等研究发现,通过将食品预处理温度(由20℃提高到40℃)可使大肠杆菌E.coli的灭菌效果提高2个数量级。

这可能是由二方面的原因造成的:

首先温度升高时可提高被处理样品的电导率,从而在脉冲电场的作用下更容易产生电势差;

另外,增加初始温度还能导致热效应,产生额外的热灭菌效果。

食品的pH值

最新研究表明,一般在酸性条件下( pH=4 ),革兰氏阴性菌对脉冲电场敏感;而在中性条件下（pH=7),革兰氏阳性菌对高压脉冲电场比较敏感。这可能是改变pH值可使部分细菌偏离其最佳生长区,在采用脉冲电场杀菌时,当微生物的细胞膜穿孔形成后,细胞周围的介质渗入细胞,使其体内酸碱平衡受到破坏,从而能促使其失活,较明显地提高杀菌效果。

其他因素

包括处理室的形状,电解质的电导率,脂类的比例,有没有加入抑制微生物生长的试剂,微生物的数量。但具体影响的机理还有待于进一步研究。

五、脉冲杀菌技术的应用

磁脉冲数对大肠杆菌杀菌效果

磁脉冲强度对大肠杆菌杀菌效果

脉冲数对金黄色葡萄球菌杀灭效果

脉冲强度对金黄色葡萄球菌杀灭效果

近年来,国内外的一些大学和研究机构对脉冲电磁场杀菌进行了大量研究,应用领域主要集中在液态食品杀菌、钝化酶活力、提高果汁出汁率等方面。

Simpson 等用高压脉冲电场对还原苹果汁进行处理,电场强度为50kV/cm,脉冲数μ为10,脉宽为2 s,处理温度为45 ℃,产品货架期为28d,处理前后维生素和糖分及感官没有变化,而未处理的鲜榨苹果汁货架期却只有7d。

廖小军等研究了高压脉冲电场对橙汁大肠杆菌和理化性质的影响;

曾新安等对高压交流电场的灭菌效果进行研究,结果表明,在用22.5kV/cm的场强处理下,乳酸杆菌数会降低近6 个数量级。

Iu等指出,高压脉冲与中等程度的热处理相结合或与溶菌酶、乳链球菌素等天然抗菌剂相结合处理苹果汁,能有效减少大肠杆菌O157∶11H7。

Sitzman 用15kV/cm场强处理鲜榨橙汁能使微生物降低

3个对数,而不影响其品质;高梦祥等利用强脉冲磁场对牛奶杀菌效果和营养成分的影响进行研究,结果表明经磁场杀菌后的牛奶,菌落总数和大肠菌群数可达到商业无菌的要求,脉冲磁场杀菌对牛奶中的蛋白质、乳糖和还原性维生素C会造成一定损失,但与热杀菌相比,已有很大改善,尤其13是对维生素C的保留率;

李梅等研究了脉冲磁场杀菌,结果表明:脉冲磁场对细菌和藻类的杀灭具有强度和频率的选择,提高停留时间、磁场强度和脉冲频率可提高杀菌和灭藻效果;

马海乐等曾对西瓜汁、生啤酒进行脉冲磁场杀菌试验,结果表明产品均能达到商业无菌要求；

电磁场处理技术除杀菌外,有研究表明其在改善肉制品品质方面也有一定优势,能明显改善牛、羊、猪肉嫩度。

第三章食品的光学性质

第一节光学性质的基本概念

1 光学性质的应用

食品的感官色泽

呈现色彩视觉信息；

美食四大要素(色、香、味、形)之一；

食品的品质分析

2 颜色与心里感觉

色彩心理学的应用：

食品色彩、餐馆色彩设计、食品包装、……

颜色与食欲

颜色与食欲

例：杯子颜色的选择

3.颜色信息识别原理

光：电磁波

电磁波及可见光(390~770nm)的范围

射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电交流电

波长(nm)

光的识别原理

大多数可见光是由多个不同波长的光组合而成；

颜色是视觉系统对可见光的感知结果。

感知物体颜色的影响因素：

物体的化学组成、分子结构

光源光谱

接收者眼睛的光谱敏感性

4 光学性质的基本物理量

4.1 光的反射、吸收与透过

光的反射

反射类型

镜反射：入射光线和反射光线都平行。如镜子。

漫反射：入射光线平行，反射光线不。如大部分食品。

反射特性(强度、波长、方向)与物料特性有关。

光的透过：

光的吸收：化学结构对光波的选择性吸收，用于结构分析4.2 物体的色彩

与反射有关：强度(明暗)、光波长(色彩)、方向(可见)……第二节食品颜色的表征

1 色彩三要素

色相、明度、饱和度

物体的颜色在3个方面变化：色调，饱和度，明亮度

（1）色相（色别，色调）

色与色的区别，可用单色光的波长表示。

（2）明度（明亮度）

颜色的明暗、深浅，可用反光率表示

（3）饱和度(鲜艳程度、彩度)

色的纯度，颜色的深浅……

2 食品的光学性质及其测试分析

RGB表色系、XYZ表色系、CIELAB(L*a*b*)表色系、…有些不同表色系之间有定量关系；

（1）. L*a*b*表色系

均匀色立体表示系统，色圆+垂直坐标轴；

表明了颜色在色空间的位置；

色彩化可以以数值表示；

能反映出肉眼看不出的细微变化。

L*a*b*表色系

L*: 明度

L*=0(黑色) L*=100(白色)，100个等级；

反光率为100%(如氧化镁)的明度为100；

反光率为0(如黑体)的明度为0。

a*:红绿度

+a*表示红色-a*表示绿色

b*:黄蓝度