食物的重要性质和质量指标

食物的本身物理性质或质量指标（Quality Indicators）是理解和预测食品加工或保藏过程中过程因素对食品影响的主要要素。这类的质量指标包括颜色、风味、质构、维生素、蛋白质组成等，这些质量指标是数学建模的主要依据。

食物的物理性质是复杂且可变的，大部分食物是非牛顿流体。食物的物理性质最终取决于加工过程。食物的力学性质，是指食物在外力作用下影响或决定食物行为的某些性质，关系到食物的加工（如输送、破碎）和食用（质地、口感）。食物受到外力作用时其内部存在一种与外力相对抗的内力使其恢复原状，此时在单位面积上存在的内力称为应力（Stress），应力的大小与外力相同，方向相反，单位为N/m²或Pa。食物对应力的响应通常是形变，表示为应变（Strain），但不是绝对的。在材料科学中，形变是指由于某种原因引起的物体形状或大小的任何变化。应变是伸长量和原始长度的比值，无量纲。应力和应变之间的关系是流变学这门科学的主题。

理想形变类型有三种：

1.弹性形变（Elastic Deformation）

这种形变随应力的施加而出现，随应力的消除而消失。对于许多材料，应变与应力成正比，至少对于中等形变值是这样。这种线性关系，按照胡克定律（Hooke's Law），由式（1-30）表示：

式中 E——杨氏模量，Pa；

F——作用力，N；

A₀——原始横截面积，m²；

ΔL——伸长量，m；

L₀——原来的长度，m。

2.塑性形变（Plastic Deformation）

只要应力值低于屈服应力（Yield Stress），形变就不会发生。这种形变是永久性的形变，当应力消除时，物体不会恢复到原来的大小和形状。例如，湿口香糖是一种塑性形变范围较大的食品，它可以被拉伸成原始长度的几十倍。

3.黏性形变（Viscous Deformation）

这种形变是在应力作用下瞬间发生的，是永久性的形变。应变速率与应力成正比。

食品的应力—应变关系通常是复杂的，可以利用简化的机械类似物来描述食品的实际流变行为。这些类似物是通过将理想元素（弹性、黏性、摩擦、破裂等）串联、并联或组合而成的。在模型图示（图1-3）中，用弹簧表示理想固体（弹性）行为的，用阻尼器表示理想流体（黏性）特性，包含弹簧和阻尼器的模型可以描述黏弹性行为。图1-3列举了三种模型。麦克斯韦模型（Maxwell Model）、开尔文模型（Kelvin Model）和宾汉模型（Binghan Model）分别用来模拟应力松弛和蠕变。这些力学模型有助于建立描述和预测食品复杂流变行为的数学模型。

图1-3 三种流变模型

食品的加工、贮藏和流通，通常需要进行加热、冷却或冷冻等与食品热性质相关的加工处理，食品的热加工处理所涉及的传热过程通常是非稳态过程，那么传热的时变特征与食品的自身热性质以及相互关系是食品工程研究的重要领域。另外，食品的热性质也与食品的分子结构、化合状态密切相关，也是研究食品微观结构的重要手段。

食品热性质的主要参数包括比热、导热系数和热扩散系数。

比热C_p[J/（kg·℃）]是最基本的热性质之一，是指在恒压下单位质量的物质温度上升或下降1℃所吸收或释放出的热量。大多数的固体和液体在相对较宽的温度范围内有较为恒定的比热；而相对于液体或固体，气体的比热则随着温度的变化而发生变化。食品的比热可以通过静态（绝热）量热法或差示扫描量热法来进行实验测定，也可以通过涉及其他热性能的测量来计算，也可以用一些经验公式相对准确地预测。例如，单位质量焓变可以用式（1-31）计算：

比热有时会给出，一般是一定温度范围下的平均比热值。已知平均比热值时，式（1-31）可化为：

对于固体和液体，式（1-31）和式（1-32）在一般食品加工的温度范围内有效。

对于溶液和液体混合物组成的食品，最简单的模型假定混合物的比热等于各组分考虑贡献的总和。这些成分按类别分为：水、盐、碳水化合物、蛋白质和脂类。比热，相对于水，水为1，取盐为0.2，碳水化合物为0.34，蛋白质为0.37，脂质为0.4。水的比热为4.18kJ/（kg·K）。因此，溶液或液体混合物的比热为：

式中X表示各组分的质量分数。对于在糖水中近似溶液（如果汁）的混合物，式（1-33）变成：

另一种常用的模型为混合物的总干物质指定一个相对比热值为0.837kJ/（kg·K）。式（1-35）中给出了温度在冰点以上和冰点以下的经验公式：

食品的其他大部分热特性将在第五章中详细介绍。

电学性质在食品的加工中主要有两个方面的应用，其一是通过对食品电学性质的把握从而对食品的组成成分、组织和状态等品质进行更好地分析和监控；其二是在食品加工中能够有效地利用食品的电磁物理性质，具体分为利用电磁波进行加工处理、利用静电场进行加工处理和利用电阻抗进行加工处理等。电学性质中最重要的性质是导电性和介电性质。

食品结构（Food Structure）按尺寸的大小可以分为宏观结构和微观结构，或称微细结构、细观结构、微结构等。食品的功能、质构和感观等特性的加工操作通常都在100~0.01μm的微细结构水平上。由于影响传递特性、物理和流变学特性以及质构和感官特性的主要因素都是在100μm以下的空间尺度，相同组分的食品由于微结构的不同，其营养功能会有很大的差异，所以进一步提高现有食品质量以及生产新产品的关键是在微观水平上的操作。因此，加工过的食品可能比原料更具营养价值，比如一些新鲜的水果或蔬菜的营养价值或许比加工过的果蔬制品低。

食物中有一些不同的结构组成：

1.细胞结构（Cellular Structure）

果蔬和肉类食品富含细胞。这些细胞的结构，尤其是细胞壁的结构决定了食物的流变学和传递特性。

2.纤维结构（Fibrous Structure）

即食品的物理纤维，如肉类的纤维，肉类食物咀嚼力来源于蛋白质纤维。(www.xing528.com)

3.凝胶（Gel）

凝胶是宏观上均匀的胶体系统，分散的颗粒（通常是聚合物成分，如多糖或蛋白质）与溶剂（通常是水）结合，形成半刚性的固体结构。通常是先将聚合物溶解在溶剂中，然后改变条件（冷却、浓度、交联）使溶解度降低形成凝胶。凝胶化在酸奶、乳制品甜点、蛋奶沙司、豆腐、果酱和糖果的生产中尤为重要。食品凝胶在剪切或某些加工（如冻融）下的结构稳定性是产品配方和工艺设计中的一个重要考虑因素。

4.乳状液（Emulsion）

乳状液（图1-4）是由两相互不相溶的液体组成，其中一相为分散相，以液滴或液晶的形式出现，又称为非连续相；另一相是分散介质，又称为连续相。

图1-4 水包油和油包水乳状液的结构示意图

乳状液存在油和水组成的两种可能性：

（1）分散相为油（水包油，O/W乳状液）牛乳、稀奶油和冰淇淋浆料等。

（2）分散相为水（油包水，W/O乳状液）奶油和人造奶油等。

乳状液是热力学不稳定体系，它们不是自发形成的。

5.泡沫（Foam）

泡沫是一种物体，通过在液体或固体中捕捉气泡而形成，如一杯啤酒的顶部。在大多数泡沫中，气体的体积很大，由液体或固体的薄膜分隔气体。由于表面力的作用，泡沫表现得像固体。冰淇淋本质上是冰冻的泡沫，因为它几乎一半的体积是空气。多孔固体食品，如许多谷类产品，可被认为是固体泡沫。具有一定特性（气泡大小分布、密度、刚度、稳定性）的泡沫在含奶饮料中具有重要意义。

6.粉末（Powder）

粉末是指10~1000μm的固体颗粒。小颗粒通常称为尘埃，大颗粒称为颗粒。食品工业的一些产品和原料是粉末。粉末是通过粒度还原、沉淀、结晶或喷雾干燥而成的。

7.纳米结构（Nanostructure）

天然的结构/功能元素在所有食物中含量丰富，尺寸却只有几纳米。纳米乳剂、酪蛋白胶束和几纳米厚的超薄薄膜只是食品中天然纳米材料的几个例子。虽然研究天然纳米材料的产生、结构和功能具有相当重要的意义，但是食品纳米技术主要是研究人造纳米元素的产生，这些人造纳米元素由于具有特殊的尺寸和结构，可以在食品中发挥特定的功能。

风味（Food Flavour）是指由进入口腔的食物带来人的包括味觉、嗅觉、痛觉及触觉等产生的综合生理效应。其中，味的分类主要有咸、甜、酸、鲜、苦、辣、涩七味。食品中的苦味物质有咖啡碱、柚皮苷、胆汁、番木鳖碱等，辣味物质有辣椒素、胡椒碱、花椒素等，涩味物质主要是单宁等多酚化合物。风味物质典型的分析方法有气相—质谱联用法、高效液相—质谱联用法、气相—傅立叶变换红外光谱联用法、气相色谱—嗅觉—质谱联用法等。

食品质构（Food Texture）是食品质量和可接受性的重要组成部分，可以通过多种方式加以定义。标准定义为“通过机械、触觉、视觉和听觉可感知的产品所有的流变和结构属性”。通俗定义为“由食品的结构元素产生的一组物理特性，主要由触觉感知，与食品的变形、分解和流动有关。在力的作用下，用质量、时间和距离的函数客观地测量”。因此，食品质构是一个多参数属性。研究食品的质构能够解释食品的组织结构特性、物性变化以及为生产更优质食品提供理论依据。此外，通过食品挤压质构重组技术及生物质构重组技术可以改善食品质构以提高营养价值和经济效益。

根据平衡热力学定律，应按式（1-36）定义水分活度A_w：

式中 f——溶剂（水）的逸度①；

f₀——纯溶剂（水）的逸度。

在低压（如室温）时，f/f₀和p/p₀（p和p₀分别为水和纯水的蒸汽压）之间的差别小于1%，因此根据p/p₀定义A_w也是有理由的。于是：

式（1-37）仅适用于理想溶液和热力学平衡体系。然而，食品体系通常不符合上述两个条件，因此可将式（1-37）看作为一个近似，如：

A_w与产品环境的平衡相对湿度（ERH）有关：

许多测定水活度的方法和仪器都是基于式（1-39）。食物的样品在一个封闭空间内用一个小的顶空空气进行平衡，然后用适当的湿度测量方法测量顶空的相对湿度，如“冷镜”技术。

部分食物的含水量见表1-1。

表1-1 部分食物的含水量

续表

[例1-2] 水分活度的测定（Wilson Castro，2018）。

关于水分活度的测定有很多例子。例如，介电性能的测量是肉类工业干燥过程中水分活度在线监测的一种有前景的方法。另外，还可利用光谱图像分析白藜麦水分活度（A_w）的可行性。为此，采用等压法将5个品种共500个样品稳定在不同的A_w上。接下来，获取每个组合10粒的高光谱图像（HSI），覆盖400~1000nm范围，提取每个颗粒的平均光谱。然后，由于谱线呈现线性关系，利用偏最小二乘回归（PLSR）对A_w>0.741进行建模。从总谱中选择300个谱，随机分为训练集和验证集。结果表明，测定系数为0.59~0.834，（HSI+PLSR）/A_w>0.741时更具有预测白藜麦A_w的潜力。此外，研究表明，选择合适的处理条件对低水分食品中的沙门菌进行热控制时，了解食品基质A_w随温度的变化是至关重要的。

通常将食品低于玻璃化转变温度时所处的状态称为玻璃态（Glassy State）。当食品处于玻璃态时，受扩散控制的结构松弛会极大地被抑制，食品能够在较长的时间内处于稳定状态而不发生变化。玻璃化转变（Glass Transition）是指非晶态的食品体系从玻璃态到橡胶态的转变，其中玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature），表示为T_g，是一项非常重要的物理参数。对于淀粉类食品，当温度低于T_g时，淀粉不再结晶，能够有效防止老化。在生产中可通过添加黄原胶、卡拉胶、麦芽糊精等低葡萄糖当量（DE）的食品添加剂，来提高冰淇淋的玻璃化转变温度。玻璃化转变温度的测定方法有差示扫描量热法、动力机械热分析法、动力机械分析法、核磁共振法等。

食品光学性质是指食品吸收和反射光波的性质，体现在食品的颜色和光泽上。在对食物品质进行评价时，色泽往往是第一项评价内容，可以部分体现食品的新鲜度和质量优劣，而且具备诱人色泽的食品可以提高人们的食欲，满足人们对美食的心理需求。由于颜色在食品消费过程中的重要影响，在食品加工过程中，可以针对产品需求添加食用色素，改变食品的颜色。一些常见的食品光学性质检测仪器有色差仪、分光测色仪、光电管比色计、分光光度计、光电反射光度计、红外光谱分析技术和紫外光谱技术。