食品热物性

第一节 食品热物性基础
3.热导率(therma-conductivity)
测量食品材料热导率要比测量比热容困难得多，因为 热导率不仅和食品材料的组分、颗粒大小等因素有关，还 与材料的均匀性有关。一般用于测量工程材料的标准方法， 如平板法、同心球法等稳态方法已不能很好用于食品材料。 因为这些方法需要很长的平衡时间，而在此期间，食品材料 会产生水分的迁移而影响热导率。 目前认为测量食品材料热导率较好的方法是探针法。被 测食品材料原处于某一均匀温度，当探针插进后，加热丝提 供一定得热量，使测量温度变化。经一段过渡期后，温度和 时间的对数出现线性。关系。根据此直线的斜率可以求出视频 材料的热导率
第三节差示扫描法与定量差示热分析
1 .差示扫描量热法(DSC)及定量差示热分析（DTA） 的测定原理
DSC及DTA方法是对加热或冷却过程中，试样所产 生的细微热量变化进行测定。在设定的温度范围内， 以任意的升温速度扫描测定并记录升温过程中能量吸 收或放出的温谱图。温谱曲线所包围的面积，与加热 过程中试样吸取或放出的热能成正比。在食品科学中， 人们利用这一技术检测脂肪、水的 结晶温度和融化温 度以及结晶数量与融化数量；通过蒸发吸热来检测水 的性质；检测蛋白质变性和淀粉凝胶等物理化学变化。
第一节 食品热物性基础
1. 比热容（specific heat）：
1）定义：传统的方法是在恒温槽中直接测量使食品材料温
度升高1K所需的热量。
2）测定方法：比较常用的事是用热量计进行定压的热混合法
和护热板法。混合法：原理是把已知质量和温度的样品，投入盛有已知 比热容、温度、和质量的液体量热计重。在绝热状态下， 测定混合物料的平衡温度，而后根据公式推算试样的比热 容。
第三节差示扫描法与定量热分析
3.影响DSC测量结果的一些因素
差式扫描量热法的影响因素与具体的仪器类型 有关。一般来说，影响DSC测量结果的主要因素大 致有下列几方面:实验条件，如起始和终止温度、升 温速率、恒温时间等；样品特性，如样品用量、固 体样品的粒度、装填情况，溶液样品的缓冲液类型、 浓度及热力势等；参照物特性、参照物用量、参照 物的热力势等。
近年来发展用差式扫描量热术(DSC)来测量材料的比热容。 此法所用的样品少(5一15mg);而且因其能测很大的温度范 围，故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系。
第一，过去的教材中多取-20℃冻结态的焓值为
其零点；近年来多取-40℃的冻结态为其零点。
第三节差示扫描法与定量热分析
（b）热焓： DSC直接记录的是热流量随时间 变化的曲线，该曲线与基线所构成的 峰面积与样品热转变时吸收或放出的 热量成正比。根据己知相变焓的标准 物质的样品量(物质的量)和实测标准 样品DSC相变峰的面积，就可以确定 峰面积与热焓的比例系数。这样，要 测定未知转变焓样品的转变焓，只需 确定峰面积和样品的物质的量就可以 了。峰面积的确定如图 7一12所示， 借助DSC数据处理软件，可以较准确 地计算出峰面积。
本 章 主 要 内 容
第一节 食品热物性基础
第二节 食品材料的热物理数据
第三节 差示扫描热量测定与定量差 示热分析
第一节 食品热物性基础
一、食品热物性的一般概念
1.食品的基本热参数 温度、比热容、焓、导热系数 2.食品的传热性质 表面热流量、质量平均温度、传热规律、 热传导、热对流、热辐射 3.热参数的检测 比热的检测、导热系数的检测
第三节差示扫描法与定量热分析
4.DSC及DTA在食品测定中的应用
在高分子领域，应用DSC和 DTA进行热物性的研究较早，最近 在食品高分子（蛋白质、油脂、糖 质等）、水及饮料的热分析方面也 越来越受到重视。这方面的应用例 如下：
第三节差示扫描法与定量热分析
（1）淀粉性质的研究 在淀粉研究中，DSC主要用来研究淀粉的糊化特性、 糊化程度、淀粉糊的回生程度及淀粉颗粒晶体结构相转移 温度的测定。不同种类的淀粉其组成亦不相同，因而其糊 化或老化的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、终了温度 （Te）及热焓（ΔH）也是不同的。
过去，物质的焓值一般均按冻结潜热、冻结率和比热容
的数据计算而得；直接测量的数据很少、但对于食品材料， 实际上很难确定在某一温度时食品中被冻结的比例，而不同 的冻结率对应不同的焓值。
第一节 食品热物性基础
2、焓(enthalpy)
用DSC直接测量食品焓值是一种新方法，其温度
扫描从-60℃开始到1℃以上，这是认为到-60℃时， 食品中的水分己全部冻结；而到1℃以上水分己全 部融化成液体。
第三节差示扫描法与定量热分析
图1 DSC结构示意图 图1是DSC主要组成和结构示意图，大致由四个部分组成:①温度程序控 制系统； ②测量系统(物理性能的测量）③数据记录、处理和显示系统； ④样品室。
第三节差示扫描法与定量热分析
温度程序控制内容包括整个实验过程中温度变化的顺序、变 温的起始温度和终止温度、变温速率、恒温温度及恒温时间 等。测量系统将样品的某种物理量转换成电信号，进行放大， 用来进一步处理和记录。数据记录、处理和显示系统把所测 量的物理量随温度和时间的变化记录下来，并可以进行各种 处理和计算，再显示和输出到相应设备。样品室除了提供样 品本身放置的容器 (样品杯或样品管)、样品容器的支撑装置、 进样装置等外，还包括提供样品室内各种实验环境的系统， 如维持环境气氛所需气体(氮气、氧气、氢气、氦气等)的输 入测量系统，压力控制系统、环境温度控制系统等。现在的 仪器一般由一台计算机执行仪器的温度控制、测量控制、进 样控制和环境条件控制等控制功能并进行数据记录、处理和 显示。
第三节差示扫描法与定量热分析
(2)物性参数检测:包括转变温度的确定、热焓、比热容、熵及结晶数 量的测定。 (a)转变温度的确定:利用DSC检测的转变温度中，主要有玻璃化转变 温度Tg、结晶温度Tc和融解温度Tm。由于结晶和融解都有明显的放热 峰和吸热峰，因此，在确定两个转变温度时数据比较接近。一般是将结 晶或融解发生前后的基线连接起来作为基线，将起始边的切线与基线的 交点处的温度即外推始点Tg作为转变温度；也有将转变峰温(Tp)作为 转变温度(图7一10).
第三节差示扫描法与定量热分析
其测定原理如图2所示。在可以程 控升温（或降温）的炉腔（A）中，装 有试样容器（S）和对照样容器（R）。 测定时分别装入试样和对照样，使它们 以一定速度扫描升温。升温过程中当试 样产生热，引起变化（脱水、结合、变 性、转移、相转变等）时，与其焓变化 相对应，试样与对照样之间会产生温度 差。当热电偶温度传感器测出温度差时， 消除这一温度差的补偿电路驱动电热丝 （HS或HR）发热，同时记录补偿回路 的电位，从所记录的曲线面积进行定量 评价。
食品的热物性
朱晓燕
自从人类从“茹毛饮血”进化为以熟食为主 以来，加热成了食品加工的重要手段。尤其 是现代化食品工业，为了提高食品的商品化 和保藏流通功能，加热、冷却、冷冻成了最 基本的加工方法。因此，食品的热物理性质 也成为食品生产管理、品质控制、加工和流 通等工程的重要基础。
Contents
图2 DSC装置测定原理
1.升温装置 2.放大器 3.热量补回路 4.记录仪 A.炉腔 S.试样容器 R.对照样容器 Hs、HR.电热丝
第三节差示扫描法与定量热分析
DTA与以上原理基本相似，只是没有DSC装置中的 热量补偿电路和电加热部分。与DSC的测定原理相同， 由热电阻Ts和TR测出试样容器与比较容器间的温度差， 从所记录的曲线面积进行定量评价。 DTA所得到的是温度差曲线，而DSC记录的是补偿 电路电位，即能量变化。因此，从原理上讲DSC给出的 是直接焓变化，似乎从表面上看精度较高。但实际上从 定量的观点看，两者的效果没有差别。目前DTA和DSC 装置装填试样的量为数毫克到1mg，或10～70μl。
关于食品材料热物理性质的数据，收集最全的是美国供 热制冷空调工程师会 (ASHRAE)1993年出版的手册。
Sweat等(1995)收集和比较了400多篇关于食品材料热物理性 质数据的文章，发现食品材料的热物性不仅和其成分有关 〔如水、蛋白质、脂肪、碳水化合物等)，而且与其处理 方 法有关。因此，热物理性质数据应指明实验材料的尺寸大小、 表面情况、空隙度、纤维方向等;给出食品的处理过程。 严格地讲，实验数据应讲清实验方法、实验条件〔如温度、 压力、相对湿度等)。而实 验结果应给出数据的偏差范围及 测量精度，目前的数据大都达不到这些要求。
完全糊化的淀粉在DSC分析过程中应为无吸热峰的平坦直线，故根 据淀粉的DSC分析过程中吸热峰面积（即热焓Δ H）的大小可估测淀 粉糊化程度的大小。 C.C.Biliaderis等人应用DSC对玉米淀粉、马铃薯淀粉、酸改性玉 米淀粉、豌豆及多种豆类淀粉的糊化现象进行了研究。表1为不同种 类淀粉的DSC分析结果。
第二节食品材料的热物理数据
食品材料的热物理性质的测量是从18世纪开始的。 目前的数据中有2/3左右是在20世纪50一60年代发表的。 其中，只有一部分数据说明了材料的情况和实验的条件; 而大部分数据没有给出这些条件;有的甚至没给出含水量。 许多数据的离散度很大，因此实际上并没有多大的用处。
第二节食品材料的热物理数据
第一节 食品热物性基础
4.热扩散系数(thermal diffusivity)
一般说来，热扩散系数a是根据比热容Cp,热导率λ和密 度ρ数据计算而得的，即a＝λ/(ρCp)但也可以用实验 测量，它主要是用一个瞬问加热的类似于测热导率的探 头和热电祸；再与它有一定距离处加上另一个热电祸以 测量样品温度的变化曲线。 这个距离和所测得的热扩散系数数据有着很大的关系， 但在食品材料中精确控制这个距离也不是容易的事。
第三节差示扫描法与定量热分析
根据测量的方法不同，DSC分为两种类型:一种是热流型DSC,一种 是功率补偿型DSC。图3是功率补偿型DSC。其主要特点是分别用独 立的加热器和传感器来测量和控制样品和参照物的温度并使之相等， 或者说，根据样品和参照的温度差对流入或流出样品和参照的热量进 行功率补偿使之相等。它所测量的参数是两个加热器输入功率之差。 整个仪器由两个控制系统进行监控。其中一个控制温度，使样品和参 照物在预定的速率下升温或降温。 另一个用于补偿样品和参照物 之间所产生的温差，这个温差 是由样品的放热或吸热效应产 生的。通过功率补偿使样品和 参照物的温度保持相同，这样 就可从补偿的功率直接求算热 图3 功率补偿型DSC示意图 流率。