《食品电特性》PPT课件.ppt
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1、第8章 食品电特性v 概述概述v 食品的电特性及其测定食品的电特性及其测定v 食品电特性的应用食品电特性的应用主要内容主要内容学习目标与要求学习目标与要求掌握介电性能的一些基本概念,如介电常数、介质极化、介质损耗的物理意义;掌握食品介电特性的影响因素;了解介电松弛的现象及其原因;了解食品电特性的测定;掌握电离辐射、微波加热、远红外加热原理。一、食品电特性的概念一、食品电特性的概念食品电特性食品电特性指食品物料在特定的条件下,指食品物料在特定的条件下,处于电场中时自身所表现的性质。处于电场中时自身所表现的性质。l主动电特性主动电特性,包括由食品材料中存在某些,包括由食品材料中存在某些能源而产生的
2、电特性。能源而产生的电特性。l被动电特性被动电特性,反映了影响食品所占空间内,反映了影响食品所占空间内电场和电流电场和电流(电荷电荷)的分布特性。的分布特性。二、食品二、食品电电特性的分特性的分类类p食食品品材材料料在在受受到到外外界界的的刺刺激激时时,就就会会产产生生抵抵抗抗,其其通通常常表表现现为为食食品品材材料料的的电电导导率率、电电容容率率、击击穿穿电电位、刺激电位等。位、刺激电位等。二、食品二、食品电电特性的分特性的分类类1.电特性加工方法电特性加工方法l满足食品加工中对食品资源充分利用的要求满足食品加工中对食品资源充分利用的要求l减少加工中营养损失减少加工中营养损失l保持生物活性物
3、质的活性保持生物活性物质的活性三、三、研究食品研究食品电电特性的意特性的意义义微波干燥微波干燥高压脉冲电场杀菌高压脉冲电场杀菌2.使用电场或电磁场使用电场或电磁场l对对构构成成食食品品的的最最小小单单位位进进行行最最富富效效果果的的加加工工处理处理三、三、研究食品研究食品电电特性的意特性的意义义3.电磁场的生物效应电磁场的生物效应l生鲜食品的水果、蔬菜、种子等保鲜生鲜食品的水果、蔬菜、种子等保鲜三、三、研究食品研究食品电电特性的意特性的意义义4.食品电特性加工将广泛应用食品电特性加工将广泛应用l加热、杀菌、干燥等加热、杀菌、干燥等耗能耗能较高领域较高领域三、三、研究食品研究食品电电特性的意特性
4、的意义义5.运用食品电特性的检测运用食品电特性的检测l食品加工自动化食品加工自动化l食品品质控制精确化食品品质控制精确化三、三、研究食品研究食品电电特性的意特性的意义义1.食品的食品的电磁波电磁波处理和加工处理和加工四、四、电特性在食品加工中的应用电特性在食品加工中的应用2.食品加工中食品加工中静电场静电场的利用的利用分离分离:从谷粒、茶叶、油料种子及明胶中除去:从谷粒、茶叶、油料种子及明胶中除去杂质。杂质。食品保鲜食品保鲜:抑制果蔬的呼吸代谢,减少糖分的:抑制果蔬的呼吸代谢,减少糖分的消耗,保持颜色和形状。消耗,保持颜色和形状。食品干燥食品干燥:水的蒸发很活跃,干燥速率增大。:水的蒸发很活跃
5、,干燥速率增大。其他其他:杀菌、解冻、鱼及肉制品表面的除霉等。杀菌、解冻、鱼及肉制品表面的除霉等。四、四、电特性在食品加工中的应用电特性在食品加工中的应用3.直流电的应用直流电的应用电渗透:对食品进行固液分离或脱水处理电渗透:对食品进行固液分离或脱水处理电渗析:对加工食品进行净化处理及对乳制品电渗析:对加工食品进行净化处理及对乳制品中的去盐中的去盐电泳:牛奶蛋白分离电泳:牛奶蛋白分离电浮选:蛋白质、脂肪等干物质的增浓、食品电浮选:蛋白质、脂肪等干物质的增浓、食品厂排污的净化等。厂排污的净化等。四、四、电特性在食品加工中的应用电特性在食品加工中的应用4.交变电场的应用交变电场的应用欧姆欧姆加热(
6、加热(Ohmicheating)原原理理:利利用用食食品品本本身身的的介介电电性性质质,当当电电流流通通过过时时,在在食食品品物物料料内内部部将将电电能能转转化化为为热热能能,引引起起食食品品温度升高温度升高,从而达到直接均匀加热杀菌的目的。从而达到直接均匀加热杀菌的目的。四、四、电特性在食品加工中的应用电特性在食品加工中的应用4.交变电场的应用交变电场的应用高压脉冲电场(高压脉冲电场(pulsedelectricfield,PEF)原原理理:将将食食品品置置于于高高压压脉脉冲冲电电场场中中,由由于于细细胞胞膜膜两两侧侧的的电电位位差差变变大大,电电荷荷相相反反,它它们们相相互互吸吸引引形形成
7、成挤挤压压力力,挤挤压压力力大大于于细细胞胞膜膜的的恢恢复复力力时时,细细胞胞膜膜就就要要破破裂裂,从从而达到在非热条件下的杀菌目的。而达到在非热条件下的杀菌目的。四、四、电特性在食品加工中的应用电特性在食品加工中的应用五、利用食品电特性加工的课题五、利用食品电特性加工的课题食品的电特性与其组织结构、力学性质、热学性质等食品的电特性与其组织结构、力学性质、热学性质等的相互关联和影响的相互关联和影响;作为浓缩能源的电力,在食品工程传热传质操作中的作为浓缩能源的电力,在食品工程传热传质操作中的合理应用方法合理应用方法;以电力为基础的食品加工装置计算和设计理论的建立以电力为基础的食品加工装置计算和设
8、计理论的建立;利用电学性质对利用电学性质对食品品质的检测和评价食品品质的检测和评价;通过传统加工方法与电力加工方法的合理组合,使电通过传统加工方法与电力加工方法的合理组合,使电力加工从经济性、安全性和效率上满足实际生产的需力加工从经济性、安全性和效率上满足实际生产的需要。要。食品的介电特性食品的介电特性一、基本概念一、基本概念1.电介质的极化电介质的极化电子位移极化(electronicpolarization)原子极化(atomicpolarization)取向极化(orientation)一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念2.介电常数介电常数相对介电常数是物料实际介电常数和真
9、空介电常数0电介质的相对介电常数,可定义为:式中,C以某种材料为介质时的电容器的电容;C0以真空为介质时的电容。相对介电常数是一个无量纲的量,可写成真空的介电常数0为8.8510-12F/m。损耗角相位角3.介电损耗介电损耗极性分子在电场中不断地作取向运动,分子间发生碰撞和摩擦将消耗电能并转为热能,这种消耗称为介电损耗。一、基本概念一、基本概念3.介质损耗介质损耗食品物质在电磁场中能量损失由两部分组成:第一部分来自电导引起的电导损失,产生热量;第二部分来自极化运动产生的热损耗,称为介电损耗。介电损耗在电场中吸收的电能为:Q=55.610-12E2f式中,Q吸收能量(W/m3);E电场强度(V/
10、m);f电场频率(Hz);相对介电损耗因数;一、基本概念一、基本概念二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 p电场频率电场频率p温度温度p物料含水率物料含水率p食品成分食品成分二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 小麦在任何频率下介电常数随含水量的增加而增加,这是由于水的介电常数相当大的原因。二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 二、食品介
11、电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 l冻结状态介电性能均很小l增加到融化温度介电常数介电损耗因数l超过融化温度介电性能均二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素(3GHz)温度对取向极化有两种相反的作用:l一方面温度升高,分子间相互作用力减弱,使得偶极转动取向容易进行,极化加强,l另一方面,温度升高,分子热运动加强,对偶极的干扰增大,反而不利于偶极取向,是极化减弱。因此,在温度不太高时,前者占主要地位,随温度升高,介电常数增大,到一定温度范围,后者超过前者,介电常数随温度升高而减小二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 粘稠度降低,粘稠度降低,粘稠度降低,粘稠
12、度降低,离子运动加速离子运动加速离子运动加速离子运动加速氢氢氢氢键键键键数数数数量量量量及及及及分分分分子子子子间间间间作作作作用用用用力力力力降降降降低低低低,偶偶偶偶极极极极子旋转位垒降低子旋转位垒降低子旋转位垒降低子旋转位垒降低二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 l盐在食品中主要以离子状态存在,在外电场作用下盐在食品中主要以离子状态存在,在外电场作用下盐在食品中主要以离子状态存在,在外电场作用下盐在食品中主要以离子状态存在,在外电场作用下发生迁移。发生迁移。发生迁移。发生迁移。盐离子可降低水分子极化程度盐离子可降低水分子极化程度盐离子可降低水分子极化程度盐离子可降低水分
13、子极化程度介电常数介电常数介电常数介电常数盐的增加对盐的增加对盐的增加对盐的增加对介电损耗因数介电损耗因数介电损耗因数介电损耗因数的影响的影响的影响的影响二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 食食品品含含水水率率高高,介介电电常常数数和和介介电电损损耗耗因因数数均均增增加加。二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 l碳水化合物与水分子的相互作用碳水化合物与水分子的相互作用碳水化合物与水分子的相互作用碳水化合物与水分子的相互作用l介电性能大小:介电性能大小:介电性能大小:介电性能大小:u淀粉水溶液淀粉水溶液淀粉水溶液淀粉水溶液蔗糖水溶液蔗糖水溶液蔗糖水溶液蔗糖水溶液
14、u 糊化淀粉糊化淀粉糊化淀粉糊化淀粉未糊化淀粉未糊化淀粉未糊化淀粉未糊化淀粉二、食品介电特性的影响因素二、食品介电特性的影响因素 v不同来源的蛋白质有不同的介电性能。不同来源的蛋白质有不同的介电性能。不同来源的蛋白质有不同的介电性能。不同来源的蛋白质有不同的介电性能。v蛋白质吸附自由水越多,蛋白质的介电性能越差。蛋白质吸附自由水越多,蛋白质的介电性能越差。蛋白质吸附自由水越多,蛋白质的介电性能越差。蛋白质吸附自由水越多,蛋白质的介电性能越差。v蛋白质变性蛋白质变性蛋白质变性蛋白质变性农产品或食品在交流电场中时,相当于在极性分子上施加交流电压,这时,偶极子就会伴随电场的转动而取向,而且,随转动频
15、率的增高,偶极子追不上电场的变化,该取向就产生一个时间延迟,此时复复介介电电常常数数的的实实部部就随之减少,这种随频率增加而减少的变化叫做耗耗散散,而相反的增加变化叫做吸收,两者一并被称为松松弛弛。三、介电松弛三、介电松弛三、介电松弛三、介电松弛p介电松弛本质上反映分子运动的难易程度。介电松弛本质上反映分子运动的难易程度。p极极化化松松弛弛时时间间:处处于于极极化化状状态态的的介介质质,去去掉外电场后,极化消失所需要的时间。掉外电场后,极化消失所需要的时间。p特征频率特征频率:极化松弛时间的倒数。:极化松弛时间的倒数。对于电场中的农产品和食品来说,除了水中的偶极子之外,其他各种因素也能产生松弛
16、现象。三、介电松弛三、介电松弛n n 引起电特性中松弛现象的因素引起电特性中松弛现象的因素 三、介电松弛三、介电松弛三、介电松弛三、介电松弛思考题思考题11.何谓食品的介电损耗、介电松弛?2.食品电特性的研究意义,并举例说明食品电特性在食品加工中的应用?3.食品的介电特性包括哪些?并简述影响因素。食品的电导特性食品的电导特性一、电阻率一、电阻率电电阻阻率率(electricalresistivity)是反映介质材料绝缘性能的特征参数,是由材料的导电性能所决定的物理量。数值上等于这种材料制成的长度和截面积都为一个单位的样品所具有的电电阻阻值值,国际单位制中,电阻率的单位为欧米。一、电阻率一、电阻
17、率 p生物物料生物物料的电阻率不仅与的电阻率不仅与物料性质物料性质有关,有关,而且还与而且还与含水率和温度含水率和温度有关。有关。p温度升高温度升高引起电子间频繁的碰撞,导致碰引起电子间频繁的碰撞,导致碰撞时间缩短,从而撞时间缩短,从而使电阻率增大使电阻率增大。二、电导和电导率二、电导和电导率l电导电导是描述物体传导电流性能的物理量,记作G。物体的电导物体的电导为通过该物体电流与该物体所加电压的比值。l对于直流电路直流电路而言,电导就是电阻的倒数,其单位为S。电导率是电阻率的倒数,电导率的单位为S/m。一、电导和电导率一、电导和电导率在交流电场中在交流电场中:式中,电导率(S/m);f频率(H
18、z);介质损耗因数;真空介电常数,其值为8.85410-12F/m。动物血液动物血液的电导率与其中干物质含量干物质含量有关,并且随温度温度的上升而上升。二、食品电导特性及其应用二、食品电导特性及其应用u在考虑一般液体电导率时,首先要看干物质含量干物质含量的影响。u液体电导率与温度温度线性线性相关,如图8-18所示。二、食品电导特性及其应用二、食品电导特性及其应用u在电导率的利用上,人们还注意到了电电导导率率与与某某些些食品的品质的关系食品的品质的关系。u如图8-19所示,大蒜之所以具有不同的电导率,与芽的状态有关。u因此,通过电导率的测定就有可能简单、准确、迅速地客观评价大蒜品质。二、食品电导
19、特性及其应用二、食品电导特性及其应用食品电特性的测定食品电特性的测定一、食品介电特性的测定一、食品介电特性的测定 电场中食品的电物性与电场频率有关,目前所指的电场频率为0-1013Hz。在如此宽的电场频带内,测定食品的电物性应有不同的方法。二、电导率的测定二、电导率的测定l离子的导电性对介电损耗的影响可由下式表示:式中,L偶极矩极化产生的介电损耗;C介电常数的实测值;电导率;f测定电导率时所使用的电场频率。对对食食品品电电物物性性的的利利用用,除除了了对对食食品品品品质质的的无无损损检检测测或品质分析或品质分析外,还可用于对食品的加工处理,包括:外,还可用于对食品的加工处理,包括:n电磁辐射电
20、磁辐射n远红外线加热远红外线加热n微波加热微波加热n静电场处理静电场处理n电渗透脱水电渗透脱水n通电加热通电加热p电磁波谱电磁波谱电磁辐射以波的形式传输,因此可以根据波长和频率分类,波长与频率的关系为C,其中,常 数 C为3.0108m/s,即真空中光速。一、电离辐射一、电离辐射表表表表8-78-7总结了通过气体、液体和固体的各种辐射形式的吸收总结了通过气体、液体和固体的各种辐射形式的吸收总结了通过气体、液体和固体的各种辐射形式的吸收总结了通过气体、液体和固体的各种辐射形式的吸收效果。效果。效果。效果。一、电离辐射一、电离辐射一、电离辐射一、电离辐射1.电离辐射定义电离辐射定义、射线及中子射线
21、、原子射线、电子射线、紫外线等都属于射线类,当这些射线穿过食品或农产品时,会对分子起到离子化作用,这种现象叫做电离辐射。一、电离辐射一、电离辐射2.电离辐射机理电离辐射机理电离辐射对生物作用的全过程,可以简化如下电离辐射对生物作用的全过程,可以简化如下:3、辐射的化学效应、辐射的化学效应 由由电电离离辐辐射射使使食食品品产产生生各各种种粒粒子子、离离子子及及质子的基本过程有初级辐射和次级辐射。质子的基本过程有初级辐射和次级辐射。(1 1)初初级级辐辐射射:使使物物质质形形成成离离子子、激激发发态态分分子子或分子碎片。或分子碎片。(2 2)次次级级辐辐射射:使使初初级级辐辐射射的的产产物物相相互
22、互作作用用,生成与原始物质不同的化合物。生成与原始物质不同的化合物。一、电离辐射一、电离辐射4.辐射对微生物的作用辐射对微生物的作用(1 1)直接效应)直接效应细胞内蛋白质、细胞内蛋白质、DNADNA受损,即受损,即DNADNA分子碱分子碱基发生分解或氢键断裂等,致使微生物细胞基发生分解或氢键断裂等,致使微生物细胞活动紊乱,甚至停止。活动紊乱,甚至停止。细胞膜受损,酶释放出来,酶功能紊乱,细胞膜受损,酶释放出来,酶功能紊乱,干扰微生物代谢,使新陈代谢中断,从而使干扰微生物代谢,使新陈代谢中断,从而使微生物死亡。微生物死亡。一、电离辐射一、电离辐射4.辐射对微生物的作用辐射对微生物的作用(2)间
23、接效应)间接效应当当水水分分子子被被激激活活和和电电离离后后,成成为为游游离离基基,起起氧氧化化还还原原作作用用,这这些些激激活活的的水水分分子子就就与与微微生生物物内内的的生生理理活活性性物物质质相相互互作作用用,而而使使细细胞胞生生理理机能受到影响。机能受到影响。一、电离辐射一、电离辐射一、电离辐射一、电离辐射3.电离辐射对农产品和食品的影响电离辐射对农产品和食品的影响(1)生物学效应生物学效应杀菌、杀虫作用杀菌、杀虫作用使果树生长发育异常化使果树生长发育异常化抑制马铃薯、洋葱、大蒜、地瓜等生根发芽抑制马铃薯、洋葱、大蒜、地瓜等生根发芽防止蘑菇开伞防止蘑菇开伞延缓香蕉、番茄后熟延缓香蕉、番
24、茄后熟促进桃子、柿子成熟促进桃子、柿子成熟一、电离辐射一、电离辐射3.电离辐射对农产品和食品的影响电离辐射对农产品和食品的影响(2)化学效应化学效应增加干制食品的复水性能增加干制食品的复水性能提高小麦面粉加工面包的性能提高小麦面粉加工面包的性能改进酒的品质改进酒的品质促使蛋白质、淀粉等的变性促使蛋白质、淀粉等的变性提高发酵饲料中各种酶类的分解能力提高发酵饲料中各种酶类的分解能力二、二、远红外线加热远红外线加热 远远红红外外线线和和微微波波一一样样都都属属于于非非电电离离辐辐射射电电磁磁波波,把把波波长为长为0.781000m之间的电磁波称为红外线。之间的电磁波称为红外线。红红外外线线电电磁磁波
25、波波波长长范范围围相相当当宽宽。因因此此,又又进进一一步步把把这这部部分分电电磁磁波波划划分分为为近近红红外外线线(0.781.4m)、中中间间红红外外线线(1.43m)和和远红外线远红外线(3l000m)。在在实实际际应应用用中中,常常使使用用的的波波长长范范围围为为225m,因因此此,也也有有人人称称这这一一段段电电磁磁波波为为远远红红外外线线。远远红红外外线线加加热热之之所所以以在在食食品品加加工工中中得得到到很很广广泛泛的的应应用用,主主要要是是因因为为与与热热风风干干燥燥或或热热风风加加热热相相比比,远远红红外外辐辐射射的的能能量量可可以以直直接接被被食食品品物物料料吸收,减少了能量
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