食品的熱學性質

食品的加工、貯藏和流通往往都需要進行加熱、冷卻或冷凍等與食品熱物性有關的處理。因此，研究食品的熱物性也是食品工程研究的重要領域。另外，食品熱物性也與食品的分子結構、化合狀態有很密切關係。所以，它也是研究食品微觀結構的重要手段。

基本介紹

• 中文名：食品的熱學性質
• 外文名：The thermal properties of food
• 領域：食品工程領域
• 相關性：分子結構、化合狀態
• 套用：研究食品微觀結構
• 參數：比熱容，散熱係數等

簡介

在現代食品工業中，為了提高食品的商品化和保藏流通功能，在食品加工貯運中廣泛採用了一些與傳熱相關的單元操作(如殺菌、乾燥、蒸餾、熟化、冷凍、凝固、融化、烘烤、蒸煮等)，使食品的熱物理性質成為食品生產管理、品質控制、加工和流通等工程的重要基礎。同時，食品熱物性也與食品的分子結構、化合狀態有很密切關係，因此，它也是研究食品微觀結構的重要手段。

由於物質分子結構的變化，可以影響其熱物性(熱吸收性質等)的變化，熱分析裝置目前被廣泛用來測定食品品質及其成分變化。這方面近期發展較快的是差示掃描熱量測定(簡稱DSC)和定量差示熱分析(簡稱DTA)。DSC及DTA方法是在加熱或冷卻過程中，對試樣所產生的細微熱量變化進行測定。DSC及DTA方法在高分子材料領域進行熱韌性的研究較早。最近在食品高分子(蛋白質、油脂、糖脂等)、水及飲料的熱分析方面也越來越受到重視。這方面的套用有：澱粉糊化的測定，蛋白質熱變性測定，朱古力中可可脂的測定等。

食品傳熱特性的基本概念

單位表面傳熱係數

這是表示加熱或冷卻時，假定附著於固體表面的流體界膜傳熱性質的物理量，一般以記號h表示。h值的定義為：當流體與固體表面溫度差為1時，單位時間通過固體單位表面積的熱量，因此它是對流傳熱的參數。

q=hA△T

式中，q為面積熱流量(W/m²)；A為有效表面積(m²)；△T為固體表面溫度與流體平均溫度之差。h主要由流體的黏度、密度、比熱容、導熱係數、流速、流體的平均溫度等因素決定，它是由流體的熱物性和流動物性決定的物理參數。

質量平均溫度

食品因為具有一定體積，加熱或冷卻時，不同部位會產生一定溫度梯度。為了用一個數值代表加熱過程中食品物體溫度的變化，採用質量平均溫度比較方便。在許多研究中都涉及食品溫度的變化，然而一些研究報告卻沒有明確定義溫度的測量方法，使得數據失去客觀意義。還有一些研究取中心點溫度，代表該物體溫度。這對那些中心不可食的果蔬(果核、空心等)也不大合適。對於包括農產品在內的形狀複雜的食品，進行熱物性研究時，有必要求出內部位置和溫度的關係，明確定義它的代表溫度點。

比熱容

早在1892年Siebel就開始了食品比熱容的研究。當時他提出肉、蛋、果蔬類的比熱容可以用構成食品的水和固形物比熱容之和表示。這裡顯然忽略了結合水的影響。但對含水比較高的食品這一方法基本是對的。關於食品比熱容的公式如下：

食品在冰點以上時c=0.008M+0.2；食品在冰點以下時c=0.003M+0.2；

式中，c為比熱容(J·kg^-1·K^-1)；M為含水率(%)。因為凍的比熱容約為水的1/2，所以冰點以下食品的比熱容相應變小。例如，小麥、蘋果的水分分別為4%、84%時，根據上式求得的比熱容為：

小麥：C=0.008×4+0.2=0.232

蘋果：c=0.008×84+0.2=0.888

然而，用混合法求得小麥、蘋果的比熱容分別為0.32、0.92。可見對水分低的食品Siebel公式誤差較大。對於不同品種食品，可以通過實驗修正固形部分比熱容。上式對果蔬或其乾燥製品適用。因為作為固形成分的糖質和蛋白質比熱容都在837J·kg·K。左右。對於含脂質多的食品有以下經驗公式：

c=4187M+2093X_r+1382X_s，M+X_r+X_s=1.0

式中，X_r、X_s以為脂質和其他固形成分的含量比。

食品的有效導熱係數

對非均質分散系統的熱傳導，如果以分散相的大小尺寸為尺度來判斷其傳熱機理，是非常困難的。對非均質分散狀態可以客觀地看成均質物質，使用均質系統的傳熱公式。如傅立葉公式。非均質的食品也可以客觀上認為傅立葉傳熱公式是適合的。這時體現非均質系統的特徵可以靠物性值反映。有效導熱係數就是在巨觀上把非均質物質看成均質物質而引入的概念。不能作為均質物質時，就必須使用不含有效導熱係數概念的傳熱模型。

各種食品有效導熱係數的推算方法

1、水溶液

水溶液可以按均質系統處理。函式的形式可以認為水與溶質具有對稱性。糖液、果汁都可按Riebel經驗式計算。

λ_m=(0.565+0.18 x 10^-2θ-0.581×10⁵θ²)(1-0.54 ）

式中，λ_m為溶液的導熱係數；為固形成分的質量百分率；θ為溫度。上式的溫度適於0—80℃。

對於電解質溶液，考慮到離子的影響，對含有極性較強的成分(如乙醇)的有機溶液，常用的有效導熱係數式為Filippov公式。

λ_m=λ₁ +λ₂ -0.72| λ₁-λ2|

2、凝膠狀食品

如豆腐、蛋白凝膠、糖質凝膠、肉糜，對這樣食品的有效導熱係數，可用串列模型公式和固有導熱係數值來進行推算。對表中沒有列出的蛋白質，如果從胺基酸組成可以計算平均疏水度，那么可用來推算其固有導熱係數。

水(或冰)每升高(或降低)10℃導熱係數大約增加0.32%。但蛋白質、糖質的固有導熱係數受溫度影響的程度較小。肉類傳熱方向如果與肌纖維方向一致，那么有效導熱係數比以上方法算出值大30%左右。

食品的傳熱特性的主要參數

比熱容

比熱容是使食品材料溫度升高1K所需的熱量。傳統的方法是在恆溫槽中直接測量，近年來發展用差式掃描量熱術(DSC)來測量材料的比熱容。此法用的樣品少(5~15mg)；而且因為能測很大的溫度範圍，特別適合測食品材料的比熱容和溫度關係。

熱導率

測量食品材料的熱導率要比測量比熱容困難得多，因為熱導率不僅和食品材料的組分、顆粒大小等因素有關，還與材料的均勻性有關。一般用於測量工程材料的熱導率的標準方法，如平板法、同心圓法等穩態方法已不能很好地用於食品材料。因為這些方法需要很長平衡時間，而在此期間，食品材料會產生水分的遷移而影響熱導率。

熱擴散係數

一般來說熱擴散係數α是根據比熱容c_p、熱導率λ和密度ρ的數據計算而來，即α=λ/(ρc_p)。但也可通過實驗測量，它主要是用一個瞬間加熱的類似於測量熱導率的探頭和熱電耦；再與它有一定距離處加上另一個熱電耦以測定樣品溫度的變化曲線。

比熱容測定方法

比熱容的測量比較常用的是用熱量計進行定壓的熱混合法和護熱板法。

混合法

其原理是把已知質量和溫度的樣品，投入盛有已知比熱容、溫度和質量的液體量熱計中。在絕熱狀態下，測定混合物料的平衡溫度。由以上已知量計算試樣的比熱容。一種真空套式熱量計如圖1（1-塞，2-隔熱材料，3-蓋，4-真空夾套，5-試樣容器）所示。使用混合法時，誤差主要來自熱量計的熱損失和攪拌熱的滲入。只要測定時注意減少這方面因素的影響，誤差是比較微小的。

圖1 真空套式熱量器

護熱板法

護熱板法測定原理如圖2所示。測定時將試樣放人電熱護板框中，同時給護熱板框和試樣加熱，使試樣料處在無熱損失的理想狀態。即護熱板和試樣溫度始終保持一致。設在t時間內，供給樣品的能量為Q，試樣溫度升高為T，則：

Q=0.24IU_t=cm△t，c=0.24IU_t/m△t

式中，I為電流；U為電壓；t為時間；m為試樣質量；△t為溫度變化。

圖2 護熱板法比熱容測定裝置

測定比熱容的常規方法還有一些，如比較熱量計、絕熱箱式熱量計等。應該指出的是，對比熱容的測定，不一定要使用專用的熱量計，根據需要完全可以從上述原理出發，設計簡單實用的熱量計。例如，Parker等人為測定櫻桃果肉、種子的比熱容，利用兩個保溫容器作成如圖3（1-櫻桃果肉，2-水）所示的混合法測比熱容的熱量計。

圖3 混合法測比熱容的熱量器