食品分散體系

關(guān)于食品分散體系第1頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分散體系是一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中形成的體系。分散相是分散體系中不連續(xù)的部分，即被分散的物質(zhì)。連續(xù)相是分散體系中連續(xù)的部分，稱分散介質(zhì)。

第三章食品化學(xué)22023/5/22第2頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1分散體系的特征第三章食品化學(xué)32023/5/22絕大部分食品屬于分散體系簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)：啤酒泡沫是一種氣泡分散在溶液中的體系；牛奶是一種分散有脂肪球和蛋白質(zhì)聚集體的溶液。復(fù)雜結(jié)構(gòu)：夾心凝膠、膠狀泡沫、粉狀食品、人造黃油、面團(tuán)及面包等。分散狀態(tài)的影響不同組分存在不同相內(nèi)或結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，不存在熱力學(xué)平衡。（分散體系非常重要的特征）第3頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)42023/5/22香料組分分散在不同相內(nèi)或結(jié)構(gòu)單元，香料組分的不均勻分布導(dǎo)致不均勻釋放，達(dá)到增香效果。結(jié)構(gòu)單元間存在相互吸引作用力，使體系具有稠度。體系具有大稠度影響溶劑的流動(dòng)性，使傳質(zhì)只能采取擴(kuò)散而非對(duì)流，影響反應(yīng)速率。分散狀態(tài)可能會(huì)極大地改變體系的外觀。因?yàn)轶w系是物理意義上的非均相，至少在微觀水平上是非均勻狀態(tài)，所以體系在物理上可能是不穩(wěn)定的。在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)發(fā)生許多形式的變化。第4頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)52023/5/22分散體系是一個(gè)粒子分散在連續(xù)的流體相中的體系。體系中連續(xù)相可能不止一種。食品乳狀液的類型包括水包油型（O/W）和油包水型（W/O）。食品分散體系粒子尺寸：10nm~1mm。粒子尺寸大小導(dǎo)致的影響：體系的外觀表面積物理穩(wěn)定性外力的作用分離的難易度目錄第5頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2界面活性相界面存在過(guò)量自由能，單位焦耳/米2（J/m2）液態(tài)相界面可以發(fā)生變形，界面自由能就可以視為一個(gè)二維的界面張力，符號(hào)：；單位:牛頓/米（N/m）;數(shù)值上表面張力和界面自由能相等。具有降低界面張力的物質(zhì)會(huì)自動(dòng)吸附到相界面上，這樣能降低體系總的自由能，這一類物質(zhì)通稱為表面活性劑。第三章食品化學(xué)62023/5/22第6頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)72023/5/22類肥皂物質(zhì)是小相對(duì)分子質(zhì)量的兩親分子，它們的疏水部分是一條典型的脂肪族鏈，親水部分則多種多樣。第7頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月HLB值：指一個(gè)兩親物質(zhì)的親水-疏水平衡值。表面活性劑的HLB值為1~40。第三章食品化學(xué)82023/5/22第8頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在臨界膠束濃度（CMC）以上，許多小分子兩親性物質(zhì)傾向于形成膠束。第三章食品化學(xué)92023/5/22第9頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月接觸角接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過(guò)液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度。第三章食品化學(xué)102023/5/22第10頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月曲形界面在一個(gè)曲形的相邊界上，凹面的壓力總是大于凸面的壓力，兩者之差成為L(zhǎng)aplace壓力。Laplace壓力PL可表達(dá)為：

PL=Laplace產(chǎn)生的后果：毛細(xì)上升現(xiàn)象；影響粉粒在水中的分散；增強(qiáng)氣泡中氣體在氣泡周圍液體中的溶解性。第三章食品化學(xué)112023/5/22第11頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面活性劑的作用表面張力降低，Laplace壓力降低，界面變形變得容易。接觸角受到影響，對(duì)潤(rùn)濕和分散過(guò)程非常重要。界面自由能降低會(huì)相應(yīng)減慢奧氏熟化。表面活性劑的存在產(chǎn)生表面張力梯度。表面活性劑吸附到離子表面可能會(huì)極大改變膠體粒子間相互作用力，絕大多數(shù)加強(qiáng)排斥力。小分子表面活性劑與大分子發(fā)生一些特定的相互反應(yīng)。它們與蛋白質(zhì)經(jīng)常發(fā)生締合，大大改變了蛋白質(zhì)的性質(zhì)。目錄第三章食品化學(xué)122023/5/22第12頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3膠體相互作用流體物質(zhì)性質(zhì)膠體相互作用力垂直作用于粒子的表面表面力與表面相切的方向?qū)αＷ颖砻媸┘幼饔糜绊懀簺Q定粒子聚集，決定體系的物理不穩(wěn)定性；聚集的粒子可能會(huì)形成某種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而含有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的體系，其流變性質(zhì)和穩(wěn)定性取決于膠體相互作用力；影響了乳狀粒子對(duì)（局部）聚結(jié)的敏感性。第三章食品化學(xué)132023/5/22第13頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月范德華力吸引作用普遍性加和性兩個(gè)相同球狀粒子，范德華力相互作用自由能：

VA≈－Ar/12hh<～10nmr是粒子的半徑；

h是粒子間距離；

A是Hamaker常數(shù)，取決于粒子的物質(zhì)及存在于粒子之間的流體，在數(shù)量上隨著兩種物質(zhì)性質(zhì)差別增大而增加。第三章食品化學(xué)142023/5/22第14頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙電層雙電層為粒子表面到溶液中某一個(gè)平面所包圍的區(qū)域，在這個(gè)平面上電荷被完全中和。第三章食品化學(xué)152023/5/22第15頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DLVO理論排斥靜電作用自由能VE同樣尺寸的球狀粒子：

VE≈(4.3×10－9)rφ0ln(1＋e－kh)k＝3.2I0.5I≡1／2∑mizi2該式適用條件：h＜10nm,|φ0|＜40mV,kr＞＞1，而且在室溫下的水相中。范德華力吸引的相互作用自由能VA和排斥靜電作用自由能VE可以加和，這樣引出了表述膠體穩(wěn)定的第一個(gè)有用的理論DLVO理論。

第三章食品化學(xué)162023/5/22第16頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空間排斥效應(yīng)一些吸附分子（如聚合物、吐溫系列表面活性劑等）具有柔順的分子鏈（毛狀物），這些分子鏈伸進(jìn)連續(xù)相中，有可能造成粒子之間的空間排斥作用。產(chǎn)生機(jī)制：毛狀物構(gòu)象限制；毛狀物層發(fā)生重疊。第三章食品化學(xué)172023/5/22第17頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月排除作用兩個(gè)分子在相互接近的過(guò)程中，它們之間的距離（一個(gè)分子的中心到另一個(gè)分子的表面的距離）不可能小于分子的有效半徑（無(wú)規(guī)線團(tuán)），所以分布在這兩個(gè)分子之間的非吸附性大分子受到排除該區(qū)域的作用。第三章食品化學(xué)182023/5/22第18頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4液態(tài)分散體系不穩(wěn)定現(xiàn)象第三章食品化學(xué)192023/5/22第19頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月奧氏熟化：一個(gè)分散體系中大粒子的長(zhǎng)大是以消耗小粒子為代價(jià)，最終導(dǎo)致小的粒子的消失。沉降：如果分散相和連續(xù)相之間存在密度差，粒子就會(huì)受到一個(gè)浮力的作用。對(duì)食品體系比較重要的影響因素：粒子是不均勻的球體；分散體系中的對(duì)流會(huì)擾亂小粒子的沉降；粒子聚集，沉降速度加快；粒子體積分?jǐn)?shù)；液體顯示一個(gè)小的屈服應(yīng)力：低于這個(gè)應(yīng)力值時(shí)液體不會(huì)發(fā)生流動(dòng)。第三章食品化學(xué)202023/5/22第20頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聚集動(dòng)力學(xué):粒子在液體中表現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，它們不斷發(fā)生相互碰撞，這種碰撞有可能引發(fā)粒子間的聚集。聚集可逆性：通過(guò)添加某些試劑可以使聚集體達(dá)到解聚。水稀釋體系是聚集粒子團(tuán)解聚的原因：滲透壓降低；離子強(qiáng)度降低；改善溶劑質(zhì)量。第三章食品化學(xué)212023/5/22第21頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.5凝膠屈服應(yīng)力、黏彈性第三章食品化學(xué)222023/5/22第22頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月食品中常見凝膠的三種類型：聚合物凝膠、微晶、顆粒凝膠。第三章食品化學(xué)232023/5/22第23頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.6乳狀液乳狀液是一種液體分散在另一種液體中的體系，包括O/W和W/O型。油、水、乳化劑（表面活性劑）、能量乳化過(guò)程是在液滴破裂時(shí)，乳化劑采用對(duì)流的方式及時(shí)遷移到新形成的液/液界面上，液滴間碰撞頻繁，若是液滴尚未完全有效的被表面活性劑所覆蓋，它們?cè)谂鲎仓芯陀锌赡茉俅尉劢Y(jié)在一起。Gibbs-Marangoni效應(yīng)第三章食品化學(xué)242023/5/22第24頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聚結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于緊靠在一起的液滴之間那層薄薄的液膜（薄片液膜）發(fā)生破裂而引起的。液膜如果出現(xiàn)小洞，液滴會(huì)立即流動(dòng)到一起。部分聚結(jié)第三章食品化學(xué)252023/5/22第25頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)262023/5/22思考題冰激凌是泡沫結(jié)構(gòu)性食品，如果要提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該進(jìn)行哪些方面研究呢？第26頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)272023/5/223.3.7泡沫體系一、食品中泡沫的形成乳濁液和泡沫的區(qū)別：泡沫中分散相（氣體）所占的體積分?jǐn)?shù)更大。食品泡沫：氣泡分散在含有可溶性表面活性劑的連續(xù)體或半固體相中的分散體系。氣：CO2或空氣可溶性表面活性劑：蛋白質(zhì)、脂肪連續(xù)相：水溶液、乳濁液或懸濁液。第27頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)282023/5/22食品泡沫是非常復(fù)雜的膠體體系。泡沫結(jié)構(gòu)中氣-液界面能達(dá)到1m2/ml液體。泡沫大小分布廣泛。表面活性劑的作用：降低表面張力，阻止氣泡聚集。能和截留的氣泡之間形成一個(gè)彈性的保護(hù)壁壘。如蛋白質(zhì)。第28頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)292023/5/22泡沫的形成方法1.多孔噴灑器低蛋白質(zhì)的水溶液（0.01-2%）2.攪拌和振蕩：大量氣相存在3.將預(yù)先加壓的溶液減壓。如啤酒、可樂等乳濁液和泡沫之間的一個(gè)主要差別是在泡沫中分散相（氣體）所占的體積分?jǐn)?shù)比起在乳濁液中在更大范圍內(nèi)變動(dòng)。第29頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)302023/5/22攪打過(guò)程中充氣機(jī)理第30頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)312023/5/22攪打稀奶油形成泡沫的三個(gè)階段：迅速充氣階段：液相中未吸附的酪蛋白起泡性能好，導(dǎo)致大量氣體以大氣泡的形式充入乳濁液，少量大氣泡破裂形成小氣泡，從而形成很少量的脂肪球部分聚結(jié)體，聚結(jié)過(guò)程不可逆。脂肪球快速聚結(jié)階段：液相中蛋白質(zhì)濃度迅速上升，攪打過(guò)程中乳化劑快速競(jìng)爭(zhēng)解吸界面吸附的酪蛋白，降低了界面吸附層的靜電和空間穩(wěn)定作用，致界面穩(wěn)定性下降，大氣泡開始快速破裂形成小氣泡。是可逆的動(dòng)態(tài)過(guò)程。至氣泡界面被脂肪球及聚結(jié)物緊密包裹形成穩(wěn)定的氣泡。第31頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)322023/5/22大氣泡破裂形成小氣泡和小氣泡合并形成大氣泡的過(guò)程中伴隨著脂肪球部分聚結(jié)，從而導(dǎo)致脂肪球部分聚結(jié)速度快速增加。繼續(xù)攪打起泡率保持快速增加，泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯變好，泡沫結(jié)構(gòu)的硬度、稠度、內(nèi)聚性和黏性也快速增加。第32頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)332023/5/22第33頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)342023/5/22第34頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)352023/5/22脂肪球急劇聚結(jié)階段：此時(shí)脂肪部分聚結(jié)體已相當(dāng)大，易刺破氣泡的界面膜，導(dǎo)致攪打起泡率降低。此時(shí)開始形成較大相互聯(lián)結(jié)的聚結(jié)體，這會(huì)顯著增大脂肪球的粒徑和提高攪打稀奶油的硬度、稠度、內(nèi)聚性和黏性。繼續(xù)攪打起泡率急速下降，氣泡增大，聚結(jié)體形成大的脂肪聚結(jié)體.第35頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)362023/5/22泡沫中氣泡測(cè)量掃描電子顯微鏡(SEM)透射電子顯微鏡(TEM)光學(xué)金相顯微鏡第36頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)372023/5/22攪打稀奶油：TEM和SEM冰激淩：SEM獲得的結(jié)構(gòu)是二維的。X射線斷層攝像技術(shù)可拍攝氣泡的三維結(jié)構(gòu)，可獲得氣泡非常詳盡的信息。第37頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)382023/5/22攪打過(guò)程中氣泡的粒徑變化攪拌越久是否超好？過(guò)長(zhǎng)時(shí)間（9分鐘以后）攪打，使脂肪球過(guò)度聚結(jié)，破壞氣-液界面，小氣泡破裂合并成大氣泡。第38頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)392023/5/22第39頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)402023/5/22氣泡失穩(wěn)機(jī)制：Rayleigh-Taylor失穩(wěn)和Kelvin-Helmholtz失穩(wěn)。Rayleigh-Taylor失穩(wěn)是由不同密度流體的接觸面積增加所引起（在食品乳濁液中的氣泡被拉長(zhǎng)）Kelvin-Helmholtz失穩(wěn)是由于兩個(gè)疊加的流體不同的湍流速度而引起的剪切壓力引起的。第40頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)412023/5/22泡沫的穩(wěn)定性（一）泡沫的去穩(wěn)定化機(jī)理乳濁液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，而用于攪打充氣的乳濁液又不同于一般乳濁液。攪打充氣乳濁液：要求制備的乳濁液在靜置條件下相對(duì)穩(wěn)定，而在攪打充氣條件下易發(fā)生去穩(wěn)定作用，促使脂肪球發(fā)生部分聚結(jié)，形成一個(gè)由蛋白質(zhì)穩(wěn)定的乳濁液和由脂肪球穩(wěn)定的氣泡共存的泡沫結(jié)構(gòu)。能在凍結(jié)的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。泡沫內(nèi)在的不穩(wěn)定更甚于乳濁液，讓氣泡長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定不易。第41頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)422023/5/22泡沫體系的穩(wěn)定機(jī)制氣體擴(kuò)散毛細(xì)流動(dòng)重力排液Ostwald熟化第42頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)432023/5/221.氣體擴(kuò)散由于液膜的曲率不同導(dǎo)致氣泡內(nèi)氣壓不同而引起的。如果兩個(gè)氣泡聚結(jié)在一起，則它們之間存在一薄的液膜。如圖所示：R1R0R2R1R2a.兩氣泡半徑相同b.兩氣泡半徑不同兩接觸氣泡的變形第43頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)442023/5/22氣泡的壓力差可以用Laplace方程式表示：如半徑分別為R1和R2的氣泡相互接觸，則接觸面之間的壓力差為：如果接觸面的曲率半徑為R0，則可得到曲面兩邊的壓力差為：第44頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)452023/5/22氣體擴(kuò)散的最終結(jié)果是：小氣泡收縮，大氣泡長(zhǎng)大。如果初始半徑相差不大，則擴(kuò)散慢。第45頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)462023/5/222.毛細(xì)流動(dòng)當(dāng)三個(gè)氣泡聚結(jié)在一起時(shí)，它們之間形成三角形狀液膜，這一液膜區(qū)稱Plateau平穩(wěn)邊界（或Gibbs三角形），簡(jiǎn)稱PB區(qū)，如下圖所示：2σB液膜PB區(qū)BB2σ2σ第46頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)472023/5/22如果3個(gè)氣泡大小相同，則其交界之間互成120度交角。在PB區(qū)的曲率較正常界面（兩個(gè)氣泡接觸面）的曲率大，這就意味著此處存在著較大的壓力差。由于壓力差的存在，使得正常界面的液體向著PB區(qū)方向流動(dòng)而導(dǎo)致液膜變薄，泡沫的穩(wěn)定性下降，這就是泡沫膜的液體滲出作用。第47頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)482023/5/223.重力排液啤酒泡沫排水時(shí)泡沫漸漸從球形氣泡變成多面體氣泡，Why?排水的主要推動(dòng)力是重力，在多面體泡沫中，Plateau平穩(wěn)態(tài)邊界吸力對(duì)排水起推動(dòng)作用。如溫度越低，粘度越高，則排水速度越慢，氣泡的膨脹速度也越慢，氣泡膜則越厚實(shí)，使氣泡維持時(shí)間得以延長(zhǎng)。5-15nm的臨界厚度第48頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)492023/5/224.Ostwald熟化Ostwald熟化是由于不同直徑的氣泡之間毛細(xì)管壓力差，小泡中的氣體會(huì)向大氣泡轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致大氣泡越變?cè)酱?，小氣泡越變?cè)叫。罱K消失。氣體轉(zhuǎn)移的動(dòng)力與氣泡的直徑成反比，隨著時(shí)間的推移，大氣泡越來(lái)越多，泡沫的組織結(jié)構(gòu)變得粗糙。泡沫的不穩(wěn)定是由多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。第49頁(yè)，課件共55頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章食品化學(xué)502023/5/22攪打稀奶油：氣泡由蛋白質(zhì)和脂肪球部分聚結(jié)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的，泡沫去穩(wěn)定化主要是由氣體擴(kuò)散和Ostwald熟化兩種機(jī)制引起。氣體的擴(kuò)散速率主要與氣泡界面上的吸附層、中間相的通透性和氣泡的大?。〝U(kuò)散動(dòng)力與氣泡的直徑成反比）等因素有關(guān)。乳化劑的分子量和堆積密度決定了吸附層的通透性，當(dāng)氣泡體積變小，吸附層上乳化劑濃度增大，導(dǎo)