1、3.3 食品分散體系,第三章 食品化學,2,2020/8/1,目錄,3.3.1 分散體系的特征 3.3.2 界面活性 3.3.3 膠體相互作用 3.3.4 液態(tài)分散體系 3.3.5 凝膠 3.3.6 乳狀液 3.3.7 泡沫體系,分散體系是一種或幾種物質分散在另一種物質中形成的體系。 分散相是分散體系中不連續(xù)的部分，即被分散的物質。 連續(xù)相是分散體系中連續(xù)的部分，稱分散介質。,第三章 食品化學,3,2020/8/1,3.3.1 分散體系的特征,第三章 食品化學,4,2020/8/1,絕大部分食品屬于分散體系 簡單結構：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聚集體的

2、溶液。 復雜結構：夾心凝膠、膠狀泡沫、粉狀食品、人造黃油、面團及面包等。 分散狀態(tài)的影響 不同組分存在不同相內或結構單元內，不存在熱力學平衡。（分散體系非常重要的特征）,第三章 食品化學,5,2020/8/1,香料組分分散在不同相內或結構單元，香料組分的不均勻分布導致不均勻釋放，達到增香效果。 結構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性，使傳質只能采取擴散而非對流，影響反應速率。 分散狀態(tài)可能會極大地改變體系的外觀。 因為體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。在儲存過程中會發(fā)生許多形式的變化。,第三章 食品化

3、學,6,2020/8/1,分散體系是一個粒子分散在連續(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：10nm1mm。 粒子尺寸大小導致的影響： 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,3.3.2 界面活性,相界面存在過量自由能，單位焦耳/米（J/m） 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二維的界面張力，符號：；單位:牛頓/米（N/m）;數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會自動吸附到相界面上，這樣能降低體系總的自由能，這一類物質通稱為表面活性劑。,第三章

4、食品化學,7,2020/8/1,第三章 食品化學,8,2020/8/1,類肥皂物質是小相對分子質量的兩親分子，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。,HLB值：指一個兩親物質的親水-疏水平衡值。 表面活性劑的HLB值為140。,第三章 食品化學,9,2020/8/1,在臨界膠束濃度（CMC）以上，許多小分子兩親性物質傾向于形成膠束。,第三章 食品化學,10,2020/8/1,接觸角,接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角，是潤濕程度的量度。,第三章 食品化學,11,2020/8/1,曲形界面,在一個曲形的相邊界上，凹面的壓力總是

5、大于凸面的壓力，兩者之差成為Laplace壓力。 Laplace壓力PL可表達為： PL= Laplace產生的后果： 毛細上升現象； 影響粉粒在水中的分散； 增強氣泡中氣體在氣泡周圍液體中的溶解性。,第三章 食品化學,12,2020/8/1,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，對潤濕和分散過程非常重要。 界面自由能降低會相應減慢奧氏熟化。 表面活性劑的存在產生表面張力梯度。 表面活性劑吸附到離子表面可能會極大改變膠體粒子間相互作用力，絕大多數加強排斥力。 小分子表面活性劑與大分子發(fā)生一些特定的相互反應。它們與蛋白質經常發(fā)生締合，大大改變

6、了蛋白質的性質。 目錄,第三章 食品化學,13,2020/8/1,3.3.3 膠體相互作用,流體物質性質 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對粒子表面施加作用 影響： 決定粒子聚集，決定體系的物理不穩(wěn)定性； 聚集的粒子可能會形成某種網狀結構，而含有網狀結構的體系，其流變性質和穩(wěn)定性取決于膠體相互作用力； 影響了乳狀粒子對（局部）聚結的敏感性。,第三章 食品化學,14,2020/8/1,范德華力吸引作用,普遍性 加和性 兩個相同球狀粒子，范德華力相互作用自由能： VAAr/12h h10nm r是粒子的半徑； h是粒子間距離； A是Hamaker常數，取決于粒子的物質及存

7、在于粒子之間的流體，在數量上隨著兩種物質性質差別增大而增加。,第三章 食品化學,15,2020/8/1,雙電層,雙電層為粒子表面到溶液中某一個平面所包圍的區(qū)域，在這個平面上電荷被完全中和。,第三章 食品化學,16,2020/8/1,DLVO理論,排斥靜電作用自由能VE 同樣尺寸的球狀粒子： VE(4.3109)r0ln(1ekh) k3.2I0.5 I12mizi2 該式適用條件：h10nm,| 0 |40mV,kr1，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)定的第一個有用的理論DLVO理論。,第三章 食品化學,17,202

8、0/8/1,空間排斥效應,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），這些分子鏈伸進連續(xù)相中，有可能造成粒子之間的空間排斥作用。 產生機制： 毛狀物構象限制； 毛狀物層發(fā)生重疊。,第三章 食品化學,18,2020/8/1,排除作用,兩個分子在相互接近的過程中，它們之間的距離（一個分子的中心到另一個分子的表面的距離）不可能小于分子的有效半徑（無規(guī)線團），所以分布在這兩個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,19,2020/8/1,3.3.4 液態(tài)分散體系,不穩(wěn)定現象,第三章 食品化學,20,2020/8/1,奧氏熟化：一個分散體系中大粒子

9、的長大是以消耗小粒子為代價，最終導致小的粒子的消失。 沉降：如果分散相和連續(xù)相之間存在密度差，粒子就會受到一個浮力的作用。 對食品體系比較重要的影響因素： 粒子是不均勻的球體； 分散體系中的對流會擾亂小粒子的沉降； 粒子聚集，沉降速度加快； 粒子體積分數； 液體顯示一個小的屈服應力：低于這個應力值時液體不會發(fā)生流動。,第三章 食品化學,21,2020/8/1,聚集動力學:粒子在液體中表現布朗運動性質，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：通過添加某些試劑可以使聚集體達到解聚。 水稀釋體系是聚集粒子團解聚的原因： 滲透壓降低； 離子強度降低； 改善溶劑質量。,第三章

10、 食品化學,22,2020/8/1,3.3.5 凝膠,屈服應力、黏彈性,第三章 食品化學,23,2020/8/1,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,24,2020/8/1,3.3.6 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 乳化過程是在液滴破裂時，乳化劑采用對流的方式及時遷移到新形成的液/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，它們在碰撞中就有可能再次聚結在一起。 Gibbs-Marangoni效應,第三章 食品化學,25,2020/8/1,聚結現象的出現是

11、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。液膜如果出現小洞，液滴會立即流動到一起。 部分聚結,第三章 食品化學,26,2020/8/1,第三章 食品化學,27,2020/8/1,思考題,冰激凌是泡沫結構性食品，如果要提高其結構的穩(wěn)定性，該進行哪些方面研究呢？,第三章 食品化學,28,2020/8/1,3.3.7 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）所占的體積分數更大。 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、脂肪 連續(xù)相：水溶液、乳濁液或懸濁液。,第三章食

12、品化學,29,2020/8/1,食品泡沫是非常復雜的膠體體系。 泡沫結構中氣-液界面能達到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彈性的保護壁壘。如蛋白質。,第三章 食品化學,30,2020/8/1,泡沫的形成方法,1.多孔噴灑器 低蛋白質的水溶液（0.01-2%） 2. 攪拌和振蕩：大量氣相存在 3. 將預先加壓的溶液減壓。如啤酒、可樂等 乳濁液和泡沫之間的一個主要差別是在泡沫中分散相（氣體）所占的體積分數比起在乳濁液中在更大范圍內變動。,第三章 食品化學,31,2020/8/1,攪打過程中充氣機理,第三章 食品化學,3

13、2,2020/8/1,攪打稀奶油形成泡沫的三個階段： 迅速充氣階段：液相中未吸附的酪蛋白起泡性能好，導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體，聚結過程不可逆。 脂肪球快速聚結階段：液相中蛋白質濃度迅速上升，攪打過程中乳化劑快速競爭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。是可逆的動態(tài)過程。至氣泡界面被脂肪球及聚結物緊密包裹形成穩(wěn)定的氣泡。,第三章 食品化學,33,2020/8/1,大氣泡破裂形成小氣泡和小氣泡合并形成大氣泡的過程中伴隨著脂肪球部分聚結，從而導致脂肪球部分聚結

14、速度快速增加。 繼續(xù)攪打起泡率保持快速增加，泡沫結構穩(wěn)定性明顯變好，泡沫結構的硬度、稠度、內聚性和黏性也快速增加。,第三章 食品化學,34,2020/8/1,第三章 食品化學,35,2020/8/1,第三章 食品化學,36,2020/8/1,脂肪球急劇聚結階段：此時脂肪部分聚結體已相當大，易刺破氣泡的界面膜，導致攪打起泡率降低。此時開始形成較大相互聯結的聚結體，這會顯著增大脂肪球的粒徑和提高攪打稀奶油的硬度、稠度、內聚性和黏性。 繼續(xù)攪打起泡率急速下降，氣泡增大，聚結體形成大的脂肪聚結體.,第三章 食品化學,37,2020/8/1,泡沫中氣泡測量,掃描電子顯微鏡(SEM) 透射電子顯微鏡(TE

15、M) 光學金相顯微鏡,第三章 食品化學,38,2020/8/1,攪打稀奶油：TEM和SEM 冰激淩：SEM 獲得的結構是二維的。 X射線斷層攝像技術可拍攝氣泡的三維結構，可獲得氣泡非常詳盡的信息。,第三章 食品化學,39,2020/8/1,攪打過程中氣泡的粒徑變化,攪拌越久是否超好？ 過長時間（9分鐘以后）攪打，使脂肪球過度聚結，破壞氣-液界面，小氣泡破裂合并成大氣泡。,第三章 食品化學,40,2020/8/1,第三章 食品化學,41,2020/8/1,氣泡失穩(wěn)機制：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

16、接觸面積增加所引起（在食品乳濁液中的氣泡被拉長） Kelvin-Helmholtz失穩(wěn)是由于兩個疊加的流體不同的湍流速度而引起的剪切壓力引起的。,第三章 食品化學,42,2020/8/1,泡沫的穩(wěn)定性,（一）泡沫的去穩(wěn)定化機理 乳濁液是一種熱力學不穩(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，形成一個由蛋白質穩(wěn)定的乳濁液和由脂肪球穩(wěn)定的氣泡共存的泡沫結構。能在凍結的狀態(tài)下長時間保持穩(wěn)定。 泡沫內在的不穩(wěn)定更甚于乳濁液，讓氣泡長時間保持穩(wěn)定不易。,第三章 食品化學,43,20

17、20/8/1,泡沫體系的穩(wěn)定機制,氣體擴散 毛細流動 重力排液 Ostwald熟化,第三章 食品化學,44,2020/8/1,1.氣體擴散,由于液膜的曲率不同導致氣泡內氣壓不同而引起的。如果兩個氣泡聚結在一起，則它們之間存在一薄的液膜。如圖所示：,a. 兩氣泡半徑相同,b. 兩氣泡半徑不同,兩接觸氣泡的變形,第三章 食品化學,45,2020/8/1,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：,第三章 食品化學,46,2020/8/1,氣體擴散的最終結果是：小氣泡收縮，大氣

18、泡長大。如果初始半徑相差不大，則擴散慢。,第三章 食品化學,47,2020/8/1,2. 毛細流動,當三個氣泡聚結在一起時，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），簡稱PB區(qū)，如下圖所示：,第三章 食品化學,48,2020/8/1,如果3個氣泡大小相同，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)方向流動而導致液膜變薄，泡沫的穩(wěn)定性下降，這就是泡沫膜的液體滲出作用。,第三章 食品化學,49,2020/8/1,3. 重力排液,啤酒泡

19、沫排水時泡沫漸漸從球形氣泡變成多面體氣泡，Why? 排水的主要推動力是重力，在多面體泡沫中，Plateau平穩(wěn)態(tài)邊界吸力對排水起推動作用。 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，使氣泡維持時間得以延長。 5-15nm的臨界厚度,第三章 食品化學,50,2020/8/1,4. Ostwald熟化,Ostwald熟化是由于不同直徑的氣泡之間毛細管壓力差，小泡中的氣體會向大氣泡轉移，導致大氣泡越變越大，小氣泡越變越小，最終消失。 氣體轉移的動力與氣泡的直徑成反比，隨著時間的推移，大氣泡越來越多，泡沫的組織結構變得粗糙。 泡沫的不穩(wěn)定是由多種機制共同作用的結果。,第三章 食品化學,51,2020/8/1,攪打稀奶油：氣泡由蛋白質和脂肪球部分聚結網絡穩(wěn)定的，泡沫去穩(wěn)定化主要是由氣體擴散和Ostwald熟化兩種機制引起。 氣體的擴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散動力與氣泡的直徑成反比）等因素有關。 乳化劑的分子量和堆積密度決定了吸附層的通透性，當氣泡體積變小，吸附層上乳化劑濃度增大，導致氣泡的表