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1、2023/2/1,1,第二章,固体食品的基本物理特征,潘磊庆 屠康南京农业大学食品科技学院,2023/2/1,2,内容提要,本章主要介绍了固体食品的基本物理特征：单体尺寸 综合尺寸 外观形状 面积 体积,2023/2/1,3,物理特征的应用,水果的形状和尺寸大小决定了在运输时，决定尺寸的包装箱或塑料袋中能装载的数量。在固体筛分除杂和果蔬分类过程中，形状和物理尺寸起重要作用。果蔬、粮食和种子质量的差异往往可以通过密度的不同检测出来。气流输送粮食和其他颗粒固体或水力输送果蔬时，流体流速的设计与物料密度和形状均有关。液体食物的密度对于离心分离、沉降分离、流动特性以及用泵输送的能量需求来说是重要因素。
2、,2023/2/1,4,重点难点,固体食品形状与尺寸（如圆度、球度）常用的测量方法；固体食品体积与表面积的测量及计算方法；真实密度与体积质量的测量方法；基本物理特征的统计回归关系基本物理特征在实际生产中的应用。,2023/2/1,5,2.1 形状与尺寸,大小常用尺寸来描述，形状则是各种尺寸的综合体现。规则形状的食品的尺寸可以用几何尺寸来表示。大部分食品很难用单独的一个尺寸简单的表示出它们的形状。,2023/2/1,6,用食品与农产品凸起部分的尺寸来表示其大小：三维尺寸分别为大直径、中径和小直径。大直径：最大凸起区域的最长尺寸；小直径：最小凸起区域的最短直径；中径：最大凸起区域的最小直径，一般人
3、们假设它与最小凸起区域的最长直径相等。,用测微器或测径器测量三维尺寸,2023/2/1,7,检测产品尺寸最好选择：典型地域条件下生产；特定种类的产品；测量大量试样(100个或更多)；计算尺寸平均值和标准差，并与其他样 品的均值和标准差比较。,2023/2/1,8,2023/2/1,9,商业和工业中评价食品大小时，常用三个相互垂直的轴向尺寸长度(l)、宽度(L)和厚度(d)进行代替。长：指食品平面投影图中的最大尺寸；宽：指垂直于长度方向的最大尺寸；厚：为垂直于长和宽方向的直线尺寸。许多果蔬的长度都是指平行于茎的最长尺寸，直径则指正交于茎的最长尺寸。但也有特殊情况，比如:土豆的直径就不是参照茎定义
4、的，而是垂直于最长轴的最大尺寸。,2023/2/1,10,果蔬、谷物、种子等形状差别很大。,2023/2/1,11,大多数水果呈类球体.类球体分为扁球体、椭球体等。通常用圆度和球度定量描述。,2023/2/1,12,2.1.1 圆度,类球体的圆度是表示其棱角锐利程度的一个参数。,方法一：圆度=Ap/Ac 式中：Ap为类球体食品在自然放置稳定状态下的最大投影面积；Ac为食品投影的最小外接圆面积。,2023/2/1,13,式中：ri为类球体食品最大投影面积图形上棱角的曲率半径；R为类球体食品最大投影面积图形的最大内接圆半径；N为棱角总数。,2023/2/1,14,式中：rmin为最大投影面积图上类
5、球体食品的最小曲率半径；Rp为最大投影面积图上类球体食品的平均半径。,2023/2/1,15,2.1.2 球度,类球体食品的球度表示其球形程度，即等体积球体投影圆的周长，与食品最小外接球体投影圆的周长之比。其表示方法有以下三类：,2023/2/1,16,2023/2/1,17,计算直径与食品的大直径、中径和小直径相等的椭圆的体积。此时的球度是此食品体积与理想球体（球体直径与产品大直径相等）体积之比：,2023/2/1,18,例题,已知一个梨的大直径为80 mm，中经为70 mm，小直径为70 mm，则该梨的球度为多少？（7.3183=392）,2023/2/1,19,2.2 体积与表面积,2.
6、2.1 体积的测量通过测定气体、液体排出量，确定固体体积。,密度瓶法,台秤称量法,气体排出法,较大体积的固态食品（果蔬）,细小颗粒状和不规则形状固态食品,小颗粒固态食品（谷物和种子）,2023/2/1,20,（1）密度瓶法（小颗粒固态食品，谷物）,通过测量食品排出液体的质量，利用公式进行计算。,原理：,2023/2/1,21,注意事项,称空密度瓶质量前，一定要经过烘干处理，避免瓶内有残留液体。,式中：Vs固态食品体积；mp空密度瓶的质量；mpf装满液体的密度瓶的质量；mps装入食品的密度瓶的质量（无液体）；mpfs同时装有液体和食品的密度瓶的质量；f 液体密度。,2023/2/1,22,另一种
7、简易测量方法：液体的体积和加入食品后的体积可以从密度瓶上的刻度读取出来。加入食品后体积增加量就等于食品的体积。(加入的食品体积至少为密度瓶上刻度的10倍！),注意事项,a.避免出现气泡b.食品吸收液体速度慢c.表面张力要小,酒精、甲苯、四氯乙烯,2023/2/1,23,（2）台秤称量法（较大体积，果蔬）,原理：,一个大小足以容纳食品的大烧杯部分装入水，用台秤称量水和烧杯的质量。然后将食品全部放入水中，再用台秤称量水、烧杯和食品的总质量。质量差等于物体排开水的质量，固态食品体积等于物体排开水的质量与水密度之比。,式中：Vs：食品体积；mbws：水+烧杯+食品的质量；mbw：水+烧杯的质量；w：水
8、的密度。,2023/2/1,24,食品不能接触烧杯底部；如果食品比水重，那么可以用尼龙线将其悬挂；如果食品比水轻，则要用一个金属棒将食品压入 水中。,注意事项,2023/2/1,25,（3）气体排出法（细小颗粒和不规则固体食品，谷物、甘草）,原理：,根据理想气体状态方程,PV=nRT(克拉伯龙方程）P气体压强，单位Pa;V气体体积，单位m3;n气体的物质的量，单位mol;T体系温度，单位K;R比例系数，数值不同状况下有所不同，单位是J/（molK）;如果采用质量表示状态方程，pV=mrT.,2023/2/1,26,测量过程是：首先将被测物质放于第二个容器内，关闭活塞2和活塞3，并打开活塞1。之
9、后向容器1充入压缩空气，当容器1内的压力达到一定值时，关闭活塞1,并记录容器1的压力P1。关闭活塞3打开活塞2，容器1内的气体充入容器2中，待平衡后记录容器2的压力P2。,2023/2/1,27,设气体规律符合理想气体定律：PV=nRT,设平衡发生在恒温下：P1V1=P2V1+P2(V2-Vs),V2是2室内气体体积；Vs是2室内固体体积,V1=V2=V,2023/2/1,28,2.2.2 表面积的测量,果蔬和鸡蛋等大体积产品：用剥皮法或涂膜（硅胶）剥皮结合法测量。,谷物和种子等小体积物质：用表面涂金属粉法测量。,具有类似形状的物质：利用食品和农产品形状与几何体相似性估计体积和表面积。（黄瓜）
10、,不同食品，测量方法不同。,2023/2/1,29,其它方法计算机图像识别系统快速检测具有圆形或椭圆形横截面的果蔬、种子表面积和体积。,2023/2/1,30,2.2.3 投影法计算食品体积和表面积,不规则形状的较大体积的食品，其表面积可以用投影法计算出来。物体各项尺寸之间的无量纲组合，称为形状因素。物体尺寸与其面积或体积之间的关系称为形状系数。形状系数是表示物体实际形状与球形不一致程度的尺寸。常用的是面积形状系数和体积形状系数。,2023/2/1,31,食品的表面积和体积分别与某个特性尺寸的两次方和三次方成正比，比例系数取决于特性尺寸的选择。食品的表面积和体积分别表示为：,式中，S、V分别表
11、示所检验食品的表面积和体积;aS、aV分别为食品的面积形状系数和体积形状系数;(脚标a投影面积)da所测得的直径是投影面积直径;x粒状食品的尺寸，它是包括形状系数在内的人为的数值,2023/2/1,32,食品单位体积的表面积Sv，也叫作比表面积，表示为：,a SV,a食品的体面积形状系数，也称比表面积形状系数；xSV食品的体面积尺寸。,2023/2/1,33,对于凸状食品和农产品来说，一般采用平均投影面积。平均投影面积指食品在三个互相垂直的投影面上投影面积的平均值：,Ac平均投影面积；A1、A2、A3分别为在H(主视图)、V(侧视图)、W(俯视图)三个相互垂直投影图上的投影面积。,2023/2
12、/1,34,凸状物体体积V和表面积S之间存在下述关系：,注意：物体为球体时，上式取等号。,2023/2/1,35,2.3 密度,食品密度,真实密度,体积质量,食品质量实际体积,不包括粒状食品之间空隙体积的体积,食品质量容积体积,包括粒状食品之间空隙体积的体积,表观体积,2023/2/1,36,2.3.1 真实密度,密度天平测量法(浮力法),台称称量法,密度瓶法,体积较小的食品,体积较大的食品,细小粒状或粉末状,估算法,一般的食品,2023/2/1,37,密度天平测量法（浮力法）,方法：测定时，将食品或农产品放置在空气中和液体中分别称重，称得质量分别为ms和ms，,2023/2/1,38,食品在
13、液体中受到的浮力Fa为:,g,2023/2/1,39,台称称量法,方法：可以用体积测量中的台秤称重法测出其体积，设待测食品质量为ms，则食品的密度s为：,2023/2/1,40,例题,将鳄梨置于天平上称重，然后用细线拴住柄，悬浮于盛水烧杯中。注意整个鳄梨浸入水中，且不能接触容器底部和壁。鳄梨质量219.8g。没有鳄梨时，容器及水质量1137.1g，鳄梨浸入水中时，烧杯、水和鳄梨总质量1355.3g。水温20度。求鳄梨密度。水密度：0.9982g/cm3。,2023/2/1,41,解答,浮力=（容器+水+悬浮鳄梨）的总质量-容器和水的质量。即：浮力=1355.3g-1137.1g=218.2g。
14、鳄梨体积=218.2g/0.9982g/cm3=218.6cm3密度=质量/体积=219.8g/218.6cm3=1.005g/cm3讨论：水和鳄梨密度接近。,2023/2/1,42,密度瓶法,密度瓶的体积一般为1530cm。设密度瓶的质量为m0，体积V0,内部充满密度为1的液体，则总质量为,密度瓶内加入质量ms、体积为Vs的食品或农产品后，则充满液体时的总质m2为:,2023/2/1,43,则体积Vs为：,食品密度：,式中：m1:：密度瓶+充满液体的质量；ms：食品质量；m1+ms：密度瓶+充满液体的质量+食品质量 m2：密度瓶+食品质量+一部分液体质量；1：液体密度。,2023/2/1,4
15、4,由组分密度计算整体密度,许多农产品和食品的密度相差很少；水、脂肪和盐密度相差较多。,某食品密度依赖于次要成分的密度。,2023/2/1,45,如果已知农产品或食物组分，可以从i和mi计算出真实密度s：,将组分分成水分和干物质，由此可以推断出水分对密度的影响,2023/2/1,46,2.3.2 体积质量,颗粒状物质描述,真实密度,粒密度,体积质量,指单个颗粒、单个籽粒上单位体积的密度。,颗粒状物质，如谷物、面粉和脱水食物可以用真实密度、粒密度和体积质量进行描述。,2023/2/1,47,颗粒内部的空隙影响粒密度。,排气测量颗粒密度时，必须保证气体不会渗入内部空隙中。,不同种类谷物颗粒密度相差
16、很多，而同一种谷物的不同类别之间的差异小一些。,粒密度影响因素,粒密度也和水分含量紧密相关。,比较时，选择同一种类，同一品种,在不小于70时干燥谷物和食品，可以减小粒密度。,2023/2/1,48,体积质量等于颗粒质量比容器体积，单位为g/cm3或kg/m3,检测方法：将样品倒入己知尺寸的容器中，使其从一定高度落下受到冲击振实。填充方法和容器尺寸都会影响检测，所以需要控制固体下落高度和颗粒流的直径，测出此时表观容积Va和质量ms后，即可求得表观密度a:,表观密度的倒数称为表观比容积,2023/2/1,49,如果将装填好的容器继续敲打，直至获得最紧密状态，则此时的表观密度称为最终表观密度或称为充
17、填密度t:,式中，Vt食品的最终填充体积。,2023/2/1,50,人工干燥、组分等,粒度分布情况和颗粒形状,体积质量影响因素,填料方法,直接从喷嘴填入容器的谷物密度不如用离心式谷物分布机装入的体积质量大,水分,M为湿基水分含量。等式适用范围湿基含水量10-40%,2023/2/1,51,3.4 孔隙率,孔隙率,指粒子之间的空隙占包含孔隙的食品的整个体积的百分比。,孔隙比,指粒状食品之间的空隙体积与食品实际体积之比。,堆积体的体积实体系数,指食品的实际体积与包含孔隙体积在内的食品整个体积之比。,2023/2/1,52,孔隙率检测法,A：密度瓶法。用标准填料法装料，填满工作室，测定压力。空气体积
18、为装有食品的容器体积减去食品体积。孔隙率为空气体积与容器总体积之比，利用公式也可以从容器体积，初始压力和终压力推导所测食品的孔隙率。,如：用一个氦密度瓶检验8种不同粮食和种子的孔隙率，结果为;燕麦60%-65%，小麦42%-46%，高粱43%-46%，大豆41%-44%，玉米粒39%-48%。,2023/2/1,53,B.从粒状固体食品的密度和体积质量计算孔隙率。,体积质量（kg/m3）=颗粒质量（kg）,a,b,c,孔隙率=b/c孔隙比=b/a体积实体系数=a/c,C=a+b,2023/2/1,54,2.5 曲率半径,表面曲率大小决定物质容易滚动程度。表面曲率越大，相互之间压力越大。表面一点
19、上的弯曲度用其曲率半径表示。曲面上的每一个点都有最大和最小曲率半径。固体最终都有一个最大和最小曲率半径。,2023/2/1,55,检验果蔬曲率半径的装置图,小麦胚芽,最小曲率半径,最大曲率半径,2023/2/1,56,对于相对均匀的较大物体，可采用以上装置计算曲率半径.(果蔬)例题：用曲率半径仪测量苹果某部分的最大和最小曲率半径。仪器上触针间距25.0 mm。测最大曲率半径时，指示器读数1.91mm，测最小曲率半径时，读数为2.17mm。计算苹果最大和最小曲率半径。,2023/2/1,57,解答：,最大曲率半径=252/8(1.91)+1.91/2=41.8mm最小曲率半径=252/8(2.1
20、7)+2.17/2=37.1mm,2023/2/1,58,对于相对不均匀的小物体，如谷物和种子来说，可以用大直径、小直径和中径计算曲率半径。（谷物和种子）例：已知小麦粒大直径为6.02mm，中径为2.79mm，小直径为2.54mm。以小直径和中径均值2.67为H。求最大、最小曲率半径。,2023/2/1,59,解答：,最大曲率半径=(2.672+6.022/4)/(22.67)=3.15mm最小曲率半径=2.67/2=1.34mm,2023/2/1,60,2.6基本物理特征的统计分析,2.6.1物理特征间的回归关系,果蔬分级,按大小和质量分级,需了解质量与大直径、小直径以及中径之间的关系,直径
21、和质量之间的有关系可以表示为：,2023/2/1,61,回归分析计算体积和表面积,用对数转换方法建立含水量15.7%(干基)小麦颗粒的计算公式。,V=0.586(2a)1.08(2b)1.28(2c)0.52,体积与表面积之间的线性回归关系：,2023/2/1,62,2.6.2 物理特征的统计分析基础,设计收割、加工和清洗设备时，需要了解物理性质相关变量的情况。,种子直径统计分布可以预测筛网分离异物的效果。,草料颗粒的大小会影响加工和存储以及动物吸收效果。,大部分颗粒状食品的尺寸分布与填充密度关系。,乳粉和果汁颗粒溶解速度受颗粒尺寸影响。,2023/2/1,63,试样变化的量度。其变化幅度与均
22、值变化幅度相关。,Cv为标准差与均值比值的百分比。,2023/2/1,64,通常认为物理性状是连续的随机变量,常用正态颁布的概率密度公式为：,概率密度函数f(x)表示分布情况。随机变量X落在区间a,b之间或小于等于数值“a”的可能性分别表示为：,式中，随机变量的均值；标准差。,P37 例题3.7,2023/2/1,65,3.7 物理基本特征的应用,3.7.1 谷物和种子筛分,筛分法原理：颗粒以一定速率供给筛子，大部分情况下筛面倾斜一定角度，循环运动振动，振动为垂直运动和水平运动的综合。,中径尺寸小于网眼直径的颗粒落下。窄长颗粒如小麦粒，大直径轴向垂直于筛面从筛中落下。扁平颗粒如玉米粒的中径和大
23、直径远远大于小直径，也以垂直于筛面形式落下。,2023/2/1,66,用来分离小直径差异大的颗粒。常用于窄长种子如燕麦和草籽等。,带尖角的种子，所用筛面网孔类似于等边三角形。,2023/2/1,67,2023/2/1,68,筛子的应用,谷物风选：两个筛子叠放在一起，气流从底部吹起。上层筛可以通过 谷物而滞留下大颗粒异物。下层筛面截留谷物而将较小的种子、破损的颗粒或尘土落下。,加工玉米：用筛分方法来清理异物和将玉米粒按尺寸分类。转筒分级机有一个圆筒状筛面，将种子分成大扁平或中圆形等分类。,面粉磨制：混有麦鼓的粗面粉加入筛中被筛分净化。筛子位置依次降低，且筛孔依次变小(由上到下)。穿过筛子的气流将
24、较轻的麦麸颗粒吹走。各种尺寸的胚乳颗粒从各层筛面上移走，送入轧磨辊中，进一步碾磨成粉。,2023/2/1,69,转筒分离机小种子（黑色）可以进入齿间而大种子（带点）不能,齿状滚筒分离机：是一个带有齿或凹穴的转筒，齿或凹穴可分离种子。做出凹穴主要是使主直径小的种子落入穴内，而主直径大的种子根本无法落入。当小种子进入穴内时，在转筒的离心力作用下被控在穴内，直到被带到转筒顶部。此时，重力超过离心力，种子从穴内落入一个固定收集装置。用螺旋杆或其余的输送装置将这些小种子带走。,2023/2/1,70,盘式分离机/盘上AA部分截面图孔只能容纳小种子不能容纳大种子,带齿的盘式分离机：是系列带槽的圆盘，槽内可
25、容纳较小长度的种子。槽的作用是:当盘处于循环底部时，小种子落入槽内，当槽被转子带到圆盘顶部时，种子会落于一个接收装置中。滚筒和盘式分离机都可以调整转速和接收装置的角度、位置。,2023/2/1,71,3.7.2 果蔬按大小分类,按尺寸分类原则,带孔筛子分类器,履带辊轮分类器,按体积分类原则,辊式分类器,质量分类器,按质量分类原则,2023/2/1,72,带孔筛子分类器，它适用于分离不易产生损伤的物质，常在分类前剔除较小水果。橡胶、塑料、钢架制成的带子上有一定尺寸的网洞，大于洞的水果留在带子上而小于洞的水果落下，水果落于带上后，会有一定排向，为下一步的主直径和中径分类奠定基础。,2023/2/1
26、,73,履带辊轮分类器，水果在履带上被输送，履带位于辊轮下，水果运送方向平行于轮轴，如果水果足够大，轮可与水果接触将之正切推向一边的传送带或推入填充箱内。连续的辊轮接近履带，将较大水果先带走。重心越靠近履带的水果，经常会停滞在带上。,2023/2/1,74,辊式分类器，它是由一系列逐渐变细的辊轮组合在一起形成一种输送带。辊轮沿机械长度方向移动时，一定机制作用下使其分离，水果从辊轮间落入一侧的输送带上。如果水果排向适当，主直径和中径与体积有双重关联性，可同时影响水果在辊轮间的移动状态。因此，它能较精确地按体积分类。用主直径分类时，先旋转水果。,2023/2/1,75,质量分类器：有效应用于非球体
27、水果或蔬菜等的分类。单个的水果或蔬菜由输送装置上连接的杯子或盘子携带，这些杯子或盘子分别由带弹簧的装置支撑。当杯体沿输送装置运行时，如果质量足够，那么支撑物在板柄作用下发生齿合，使盘内物质倒出。如果水果或蔬菜密度恒定，那么质量分类器可以按体积分类。分类误差取决于质量和体积间的关系。,2023/2/1,76,杠杆秤分级机,2023/2/1,77,滚筒和通风干燥,2023/2/1,78,送货和分级作业,2023/2/1,79,柿子排列和装箱作业,2023/2/1,80,柿子上线前和柿子倒出作业,2023/2/1,81,板式分级机,2023/2/1,82,2023/2/1,83,2023/2/1,8
28、4,2023/2/1,85,2023/2/1,86,2023/2/1,87,2023/2/1,88,2023/2/1,89,2023/2/1,90,3.7.3 密度分离,谷物或种子密度差别很大的颗粒,重力台分离,果疏（小水果）,溶液密度分离法,计算机图像识别系统分离,2023/2/1,91,重力台分离,轻物质“流动”到气流顶部，较重颗粒滞留在底层,通过调节重力台振动部分、气流和台面倾斜度控制分离情况。,1、倾斜的台面 2、气流3、振动,食物密度,分离被加工的谷物中的石头、玻璃和金属，并除去较轻谷物。还用在大豆加工中，除去较轻大豆。,2023/2/1,92,溶液密度分离法,具有一定密度的溶液,根
29、据需要选择溶液密度进行分离，主要用于樱桃、蓝莓和西红柿成熟度分类及甜土豆种分离,1、确定使用酒精水溶液时对品质的损害；2、灰尘对溶液的污染会影响溶液密度；3、混合和维护盐溶液或酒精水溶液时会造成一定的损耗。,需解决问题,流体床分离机,2023/2/1,93,2.7.4 表面积的影响,植物的叶片面积及组成可用来划分并预测其蒸发、呼吸及光合作用的速度。水果和蔬菜的表面积可用来研究其在贮藏过程中的呼吸速率、浸泡过程中以及涂蜡后的吸水率。,2023/2/1,94,光反射率及颜色的光学测定作为食品品质划分及分类方法也需要表面积测定。果蔬的加热或冷却速率也受到其体积与表面积之比的影响。表面积会影响谷物、种子及其他物质在干燥过程中的水分流失。,2023/2/1,95,Thank You!,
