食品胶体

食品胶体Colloid In Food第一章绪论1.1 胶体体系的概念1.1.1 分散体系（Dispersed System，Dispersion）分散体系：一种或几种物质分散在另一种物质中形成的体系。

分散相（Dispersed Phase）：分散体系中不连续的部分，即被分散的物质。

连续相(Continuous Phase)：分散体系中连续的部分, 又称分散介质。

A．根据分散相粒子的大小可将分散体系分为三个大类：B．根据分散相的情况：多分散体系（Polydispersed system）：体系中粒子的大小不是单一的，或者它们的形状或电荷等也不是相同的。

实际胶体体系大多数属这种情况。

单分散体系(monodispersed system)：体系中粒子完全或基本上相同，胶体科学中的许多理论推导是源于这种理想体系。

C.根据分散相及分散介质的状态可将分散体系分为：D.根据胶粒表面是否容易被分散介质所润湿:分为亲液胶体（Lyophilic）和疏液胶体（Lyophobic）。

对水溶胶，英语表达为hydrophilic or hydrophobic。

E．以其它指标分类胶体：1. 多重胶体（Multiple Colloids）：存在有两种以上的分散相2. 网状胶体（Network Colloids）：两种以上的组分相相互交联成网状的体系。

3. 凝胶（Gel）：分散介质为液态，但整个体系的性质却如同固态的体系。

1.2 胶体的基本性质：1.2.1胶体的定义连续相（or分散介质）中分散着胶粒的体系。

胶粒的尺寸远大于分散相的分子又不致于因为其重力而影响它们的分子热运动。

具体来说，粒子的尺寸大约在1nm-1μm之间。

1.2.2 胶体的基本性质a．非均相（heterogeneous）：分散相与连续相之间存在界面。

b. 热力学不稳定（thermodynamically unstable）：表面能大，体系能量高，热力学不稳定。

粒子趋于聚集以降低比表面积。

C. 动力学稳定：胶体稳定与否是胶体体系研究和应用的核心。

1.3 胶体稳定性概念稳定性是胶体的一个基本性质。

在特定的时间里，胶体的稳定性可用其是否存在可观察到的粒子聚集和上浮（或下沉）进行定性。

憎液胶体的稳定性：一种动力学意义上的稳定，即热力学不稳定。

这样的胶体不会自发的形成，即使形成亦是热力学不稳定的。

亲液胶体的稳定性：可以是稳定的，如大分子溶液和含有表面活性剂的体系如微乳状液和胶束。

它们的不稳定表现不是粒子的聚集而是分成两相。

1.3.1 胶体不稳定的主要表现：聚集（Aggregation）：两个或多个胶体粒子粘附在一起的过程。

絮凝（Floculation）：松散的聚集，粒子间的距离较大，过程是热力学可逆的；凝结（Coagulation）：刚性的聚集，粒子间的距离在原子尺寸的范围，过程是热力学不可逆的分层（上浮或下沉，Creaming or Sedimentation）：最常见的胶体不稳定现象，是由于重力导致的粒子的迁移和聚集。

其动力学速度取决于迁移单元的尺寸和两相的密度差。

Cream：稀O/W乳状液经分层后所形成的高浓度的乳状液。

它可能是聚集的亦可以是胶体稳定的。

但液珠的凝结决不能超过一定的限度，否则乳状液被“破乳”，转变为热力学稳定的均匀的油和水两相溶液。

Sediment：低浓度的悬浮体经沉降后所形成的高密度的悬浮体。

1.3.2稳定胶体的两种主要方式：a：静电稳定：在静电稳定的胶体中，粒子与粒子的表面间存在着所谓的库仑力（即一种源于永久性电子电荷的作用力，可以是排斥的也可以是吸引的）排斥，这种作用的结果使得一个粒子会对另外的粒子产生排斥而使它们不能相互接近。

聚合物稳定：在这样的体系中，粒子与粒子不能相互接近是由于大分子物质在连续相中的存在。

这种存在可以是吸附在粒子表面而造成空间阻碍，亦可以是溶入连续相中以形成缠绕或者是弱网状结构的连续相的体系，进而阻止了粒子的移动和相互接近。

1.4 大分子胶体的凝胶化Gelation of macromolecule -hydrocolloid凝胶(Gel):一种特殊的胶体，它是由胶体粒子或大分子交联而行成的软且有弹性的能变形的固态的胶体体系。

凝胶的特点：1.分散相的量远远少于连续相。

2.从分子状态来说，分散相中可存在分子和离子的自由扩散，所以体系如同液态（liquid-like）；但宏观地看，这种体系又可以视为固态（Solid-like），因为胶体粒子或大分子交联成的三维网状结构在抵制体系变形时有储藏机械能的能力。

在能形成聚合物凝胶的食品生物大分子中，常见的有一些多糖（琼脂，海藻胶，卡拉胶，果胶）和一些蛋白质（明胶）。

凝胶化(gelation)：生物大分子溶液在适当的条件下被转变成生物大分子凝胶的过程。

凝胶化发生的条件：改变温度：温度的改变会导致生物大分子构象的改变，进而改变分子的缔合性质。

如果此时的大分子已达到一定的浓度，就能发生凝胶化。

降低温度可能导致分子的构象更为有序，这种情况下所发生的凝胶化过程可视为是一种不成功的大分子结晶过程。

升温常导致分子的无序，进而因为一系列复杂的新引起的分子间反应而产生网状结构。

非变温所引起的凝胶化过程：可以由加入酶、酒精、盐或改变pH而造成网状结构的形成。

一种情形是加入的新组分直接介入生物大分子相互缔合作用（如钙离子参与海藻胶的凝胶化反应），另一种情形是它们不直接介入凝胶化，而只是推动大分子的构象转变进而引起分子的交联。

Types of Cross-links⏹Covalent bonds–common in synthetic gels; less common in foods•S-S bond in protein gels (e.g. -lactoglobulin)⏹Salt bridges–charged macromolecules connectedthrough attraction to oppositely charged ion⏹Microcrystalline regions–small portions of molecule “stack together” to partially phase separate–mechanism for neutral macromolecules⏹Hydrophobic interactions1.5 胶体的结构假设：是理想的单分散体系；粒子为同样大小的刚性球体。

胶体的结构是一种三维的结构，这里为了说明方便，采用一维的图形。

类型Ⅰ：溶胶的原始模型充分稀释和分散良好。

这种理想的状态可经常在科研报告，有时亦在试验室遇到。

但实际上并不存在。

特点：1. 分散相的体积分数十分小，即可以认为粒子间不存在相互作用。

所以我们甚至可以把这种体系认为是理想上的气态体系。

2. 粒子在重力下的沉降速度符合Stokes’定律v = 2r2 (ρ0-ρ)g / 9η03. 体系粘度和分散相体积分数间的关系可用Einstein公式描述；η =( 1+ 2.5 φ)* η04.粒子的半径小于0.1μm，则它的布朗运动导致的沉降以及粒子扩散系数可用Stokes-Einstein公式描述；D= kT/f =kT/6πη0a5.这种胶体在试验上具有的一个特点是它的透明性，这种性质适合于详细研究它的光散射或浊度。

所以用于进行胶体粒子大小测定的技术大都要求胶体体系是这种状态。

至少应该充分稀释和分散以接近这种状态。

类型Ⅱ：是一种稀释了的絮凝的溶胶。

有别于类型Ⅰ，它是一种不完全的“气体”。

特点：1.它的粒子或多或少地随机地分布在介质中，有的还暂时地结合在絮凝体中；2.这些絮凝体由相当弱的力连在一起，很容易被Brownian运动或外力场所破坏。

单体粒子与小絮凝物之间的平衡有点类似于单独水分子和小的氢键连结的水分子结合体之间的平衡；3.具有更大的光散射、更快的沉降和与流动条件更为相关的粘度。

类型Ⅲ：一种稀释的聚集的粒子的分散体，不过它是一种不可再次分散的絮凝，因为粒子的絮凝是由于较强的短程力的吸引。

特点：1.较强的聚集，不能再次分散；2.单个聚集体的扩散系数比单个粒子小；3.单个聚集体的沉降速度比单个粒子大。

类型Ⅳ：类似于Ⅰ或Ⅱ，但浓度更大特点：1.尽管粒子彼此间靠的更近，但体系仍然是稳定的，只要用足够的连续相稀释体系可以恢复到类型Ⅰ；2.结构取决于粒子间的排斥作用；3.不透明；4.体系的粘度远高于连续相的粘度；5.粒子扩散极端困难。

类型ⅣA：当类型Ⅳ的分散相体积分数接近自由紧密装填时所形成的体系。

特点：1.粒子的移动几乎完全不可能；2.体系的结构和机械性质接近“玻璃态”而不是液态。

类型Ⅴ:具有如同晶体的长程有序特征以及其它晶体的特征特点：1.具有弹性；2.衍射电磁波；3.当“熔化”为液态时表现出一级转变的性质；4.尽管粒子的扩散运动非常困难但它们并无聚集。

只要充分稀释就可转变为类型Ⅰ胶体。

类型Ⅵ：这种类似固体一样的胶体表示了由具较强短程吸引力的粒子组成的胶体体系的聚集过程达到极点时的状态。

这种结构的胶体可由类型Ⅲ的体系形成：机理1：小的聚集体逐渐变大，重力作用下大的聚集体迅速升降，沉淀的聚集物堆积成内聚沉降体。

后者具有强度大、结构疏松的凝胶网状结构。

机理2：在粒子数目足够多的情况下，聚集的粒子连接在一起形成了网状并充满了整个体系—形成“粒子凝胶”。

这一类内聚的沉降物或粒子凝胶的机械性能取决于无序网状中的粒子的具体排列情况，因而也取决于溶胶具体的聚集过程。

类型Ⅶ：表示一种高浓度的絮凝了的且具有无序结构的溶胶。

1.它与类型Ⅴ的区别在于它的结构非常不均匀，与具有非常强的连结结构的类型Ⅵ的体系相比，这种体系时一种弱凝胶体系，粒子与粒子或者是一群粒子与另一群粒子之间的连结是十分脆弱的和易断的。

2.如果类型Ⅵ是弹性的，则类型Ⅶ是一种粘弹性的。

3.在相同的体积分数时，这种体系的粘度要比类型Ⅳ的高，这是因为使弱絮凝体变形和裂开需要额外的能量。

4.与类型Ⅵ相比，后者的聚集是不可逆的而前者却是可逆的。

这种体系在中等浓度的食品生物大分子溶液中常可遇到。

1.6 食品胶体食品体系的特点：复杂的，多组分的多相体系食品胶体中最基本的两类结构元素是粒子和大分子。

粒子：形状：可以是球型（气泡，油珠和水珠），亦可能是近似球型（脂肪球，蛋白质和淀粉粒子）、非球型（针状、板状、纤维状等）。

尺寸：范围较宽，从nm（表面活性剂胶束）到μm（乳状液液珠）到毫米（泡沫）。

状态：可以是分散的，亦可以是聚集的并形成不同的形状、尺寸和结构。

大分子：可以是紧实的和高度规则的（如球状蛋白），亦可能是链状和无规则的（如许多多糖和变形蛋白质），其分子量约在数万（许多蛋白质）到数百万（许多多糖）。