物理学与食品科学 摘要作为食品科学与营养过程专业的学生，对物理在食品科学中的应用很感兴趣，故从各种文献 中摘要相关内容再加自己的体会成此文。本文主要是从不同的方面，列举了物理学在食品科学中的典型的渗透，其中重点在于典型的 应用技术的原理，说明了物理学在食品科学中存在广泛应用。关键字：物理学，食品科学，应用原理超声波在食品科学中的应用1) 超声波对提取过程的强化作用食品科学研究的过程中经常需要提取某些成分，通常我们采用的是传统的方法是，选取正确 的溶剂，同时采用加热或搅拌等方法进行提取。但是这样的方法所耗的时间一般较长。如果 在提取过程中引入超声波，便可大大提高溶剂提取过程的效率。超声波的力学效应赋予溶剂 对细胞膜的更大的渗透力，并强化细胞内外的质量传输。超声波的另一个作用在于破坏细胞 的细胞壁，使细胞内含物更易释放。超声波形成的微流效应也是其提高提取过程的一个重要 原因。梁汉华【1】等人用超声波处理大豆浆体后，发现大大提高了蛋白质和固形物的萃取 率。从茶叶中提取固形物具有重要的商业意义，因为这是生产速溶茶的第一步，其常规工艺 为用喷雾干燥出去茶浸提液中的水分而得到粉状物了。郭孝武【2】等用超声波提取黄连素 时标明，提出率随超声频率的增大而减小，随超声处理时间的增加而提高。2) 超声波在肉类产品加工中的应用【3】 传统的肉类嫩化方法要将肉机械捣碎，这常使肉质本来就不好的肉产品更加老化。但是用超 声波处理过的肉，因为肉的肌原纤维被破坏并释放出粘稠的渗出液，肉纤维得以相互粘贴， 从而改良产品的强度。Roberts等在室温下用40KHz, 2W/c 的超声波处理肉产品2小时， 可以清楚地看到结缔组织的减少。3) 超声波对结晶和冷冻的强化作用 超声波在结晶过程中十分有用，它对晶种的形成，晶体的生长，以及防止晶体在冷冻条件下 结壳，从而确保连续有效的传热作用，具有明显的效果。美国的一项专利报道【4】，曾用一 个操作单元成功地进行了药物结晶生产。在美国的专利设计中，超声波通过一排喇叭从底部 传入溶液中。当超声波进入容器底部时随着溶液的流动，小的晶核上升并继续长大，最后在 重力作用下沉降，大的晶体接近超声波源时被振碎并再次上升，这样就形成大量的晶体碎片。 这些碎片可作为晶种。在食品工业中，与结晶有关的一个重要领域是水在冷冻时结成冰晶， 所以经过冷藏后的食品，其质量、质地都不太令人满意。但是在超声波的作用下，材料温度 下降更快，晶种形成更快，导致“肿胀时间”更短。此外，存在大量晶种，冰晶的最终大小 和细胞的损害程度都大大下降。近红外技术在食品科学的应用【5】20世纪60年代初，Norri和Buler将近红外的反射光谱技术用于分析谷物类农产品的湿度研 究，揭示了这一技术在农产品及其加工领域、食品工业领域应用研究的新篇章。从而近红外 技术在食品和农产品加工中的应用实例及方法被不断的提出，主要应用在工程中的食品成分 分析、品质检测以及在线的品质监测与控制。而品质检测和在线监测与控制往往是基于成分 分析之上的。常规化学分析具有较高的准确度和可靠性，而且还是许多近代仪器分析技术的 基础，但是，无论是化学分析还是仪器分析,其试样的前处理、实验本身的耗时性以及对物 料的破坏性义是许多场合所不允许的。近红外技术则以他的快速、准确和实时性受到越来越 多的食品行业研究者的青睐。董秀玲等采用近红外光谱仪DA7200研究了冻玉米中主要成分的测定方法。讨论了采用偏最小二乘法（PLS）建立校正模型过程中样品预处理 及利用常规吸收峰优选波长的方法。经验证，水分、淀粉测量值同浓度参考值具有良好相关 性（相关系数大于09），测量重复性变异系数（cy）优于2%。研究结果表明，近红外光谱法可 以满足冻玉米中主要成分的实际测量要求，为玉米深加工企业提供了冬季原料玉米“按质收 购”的参考方法同时研究结果也表明，采用近红外光谱（NIR）测量冻玉米中的水分、淀粉、蛋 白质，同常规化学分析相比较，测定数据较接近，测量精度及准确度符合要求，该方法是可 行的。传热学在食品中的应用【6】1）食品热性质参数在食品冷链物流中的重要作用 食品的热性质参数包括比热容、热导率和热扩散系数等。比热容是单位质量产品在不改变状 态情况下温度改变一个单位所获得或失去的热量。食品比热容受到食品的组成水分含量、 温度和压强等多方面的影响。食品的热导率是个用于计算传热速率的重要性质。热导率的 定量表达是单位时间内传导通过单位厚度食品材料的热量。食品热导率不仅和食品材料 的组分颗粒大小等因素有关，还与材料的均匀性有关。食品的热扩散系数是一个与热导率、 密度和比热容相关的比值反映了材料在传热过程中温度的传递速率。在进行食品加工过程 或运输加工设备设计时我们就需要了解食品和设备材料的比热容、热导率和热扩散系数等 热性质参数。2）传热模型在食品冷链物流中的应用在食品冷链物流过程中伴随着导热对流和热辐射三种传递热量的方式。例如 蔬菜水果在其贮藏加工、运输过程中均伴随热量的交换和传递对这些加工工艺及其设备的 计都需了解热传递过程中的热流量以及食品各处各时刻的温度分布，这些问题的解决就需 要应用定量的手段给以解决。传热模型就是通过大量实验总结的规律建立合理的物理模型 和数学模型然后利用数学分析方法进行求解对难以利用解析法求解的问题，可以用数值 求解方法和电阻计算机进行求解。微波贮藏与食品保鲜【7】1）微波贮藏的构造 微波贮藏箱由电源、磁控管、矩形谐振腔和模式搅拌器组成。磁控管由阴极和阳极块构成。 阳极块上有偶数个谐振空腔，其中一个，每个谐振空腔之电感集中在它的圆筒部分内，电容 则集中于平极间的狭缝中。通常这些谐振空腔是由整块铜质圆柱体阳极块中控制出来的。 由于微波穿透深度非常微小、约微米数量级，所以各个谐振空腔好像被金属层绝缘开来。若 在阳极与阴极（具有内加热器）之间加直流电压（阳极接直流电源正极，阴极接直流电源负 极），在与阴极轴平行方向加一个稳恒磁场，则从热阴极发射出来的电子受阳极与阴极间直 流电场的加速，飞向阳极。运动电子又受到稳恒磁场作用，偏离原来方向而作圆周运动，电 子的圆周运动半径由稳恒磁场和直流电场之比值来决定。在某一比值时，电子正好从阳极表 面飞过，又不碰上阳极，在阴极与阳极之间形成旋转的电子流。 当电子从阳极表面附近飞过时，在各谐振空腔中将激起微波振荡。2）食品保鲜与保存 微波穿透深，杀菌能力强，是很好的杀菌保鲜武器。问题是在于：如何解决微波照射新鲜食 品，既能消灭细菌又不致将食品烧熟。为了解决这个问题，日本有人用脉冲调制的高强度微 波处理食品，瞬间超强的微波场使食品中的细菌受到强烈作用，灭菌效果明显，而整个食品 按时间平均吸收的微波能量不大，这样既能灭菌，食品温度上升也不高；目前国内外用连续 微波杀菌，其试验均很成功。例如刚出炉的盐水鸭，经连续微波处理过的菌检结果表明：频 率为 2450 兆赫、功率为 650 瓦的微波处理时间为 40 秒，大肠杆菌全部消灭，杂菌数由数 万个到数千个。又如蔬菜的微波处理保鲜试验研究报道：西红柿、青椒和四季豆经过微波灭 菌，在2130 的环境中，其保存期比对照组延长了解情况59 天，如经微波灭菌后置入冰 箱冷藏（温度48C ）则西红柿照射520秒保存期比未经处理的样品延长1540天。青椒 照射215 秒，保存期可延长大1230天。特别令人感兴趣的是经微波短时间照射的食品在室温条件下贮藏，食品在组织结构、营养成 分和颜色方面都不会受到破坏，保鲜期一般可达1 个月之久，而且味道较冷冻食品更加鲜美。 食品不因短时间微波照射而产生不良影响。计算流体力学在食品科学中的应用【8】计算流体力学（Computational Fluid Dynamics以下简称为CFD）是基于计算机技术的一种数值 计算工具，用于求解流体的流动和传热问题。它是流体力学的一个分支，用于求解固定几何 形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计算机模拟获得某 种流体在特定条件下的有关据。 CFD 最早运用于汽车制造业、航天业及核工业用离散方程 解决空气动力学中的流体力学问题。 CFD 计算相对于实验研究，具有成本低、速度快、资 料完备、可以模拟真实及理想条件等优点。20世纪60年代末，CFD技术已经在流体力学 各相关行业得到了广泛的应用。CFD在食品冷冻冷藏方面的研究近几年来非常的活跃，这也是有CFD的独特优势决定的。 以下它在冷冻方面的应用。冷藏陈列柜是冷藏链中的一个薄弱环节，国内外许多研究工作者都为如何改善柜内的气流组 织、温度控制、湿度控制、节能以及陈列柜外形等方面做了大量有益工作o Baleo等对陈列 柜风幕的空气流动分布情况作了数值研究。刘东毓和吴业正建立了冷藏陈列柜的二维 CFD 模型,并在此基础上对柜内气流场和传热机理作了研究; 为了节约占地面积，维持一个较大的 购物环境，超市更偏向于使用立式冷藏陈列柜。放冷冻食品的陈列柜常装有玻璃门，但是用 于冷却食品的陈列柜一般是敞开式的。Cortella等对敞开式陈列柜作了 CFD研究，考虑到压 力项给计算带来的困难计算中没有把压力作为原始变量直接求解，而是采用了涡量- 流函数 法进行间接求解。对陈列柜内的空气流场和温度分布情况作了数值分析，并进行了实验验证 等等。就国内而言。陈天及和孙英英研究了影响冷柜温度分布和能耗的因素,并指出了柜内 温度和柜门的开启次数是两个作用较大的因素。CFD在制冷方面的应用还体现在冷库方面。 由于冷库情况比较复杂，各类书籍对此介绍不多，而且数值计算在冷库方面的应用不多。余 克志和陈天及建立了小型装配式冷库的二维物理模型和紊流数学模型,并编制计算机程序进 行数值求解，揭示了库内气体流场特性与温度场分布特性，并分析了装货高度和位置对库内速度场和温度场的影响以及冷风机送风速度及库温控制对库内温度分布的影响。体会:以上只是从物理学的声光热电力这几个方面分别选取了一个典型的例子。只是一个小小的视 角就可以发现物理学在食品科学中的应用有如此之广泛。物理是探究物之理，正如一个哲人 所说，虽然我们现代人已经不能再狂妄的说我们要用科技改造这个上帝创造的世界，但是我 们深知，物理是一门探究上帝是如何创造这个世界的学科，所以它的应用广泛也就不足为奇 了。我们可喜的看到在应用物理方面我们有如此多的建树，以至于物理已经渗透进了各种科 学领域，足见其广泛的应用和深刻的影响。其实刚开始要写这篇论文的时候还在想，为什么 还要我们写参考文献，通过查找这方面的资料我发现还是有很多很高深的内容值得我们去探 求的，虽然现阶段很多原理我们没有学到，但是随着逐步的学习和将来的工作，我们会接触 到这些技术。通过以上的这些技术应用可以看出物理在食品中的科技应用是很广泛的，在各 个层面上都有渗透。参考文献：【1】梁汉华、杨汝德等，食品工业科技，1998, No5： 4。【2】郭孝武、张福成等，声学技 术， 1994， 13（4）： 185【3】雷德柱、高大维等，应用声学， 2000， 19（5）： 44。【4】 Midler。 US patent, 1970. 3, 510, 266【5】近红外的光学特性及在食品中的检测原理和应用史苏佳山西食品工业-2005年4期 【6】传热学理论在食品冷链物流中的应用【7】微波贮藏箱与食品保鲜【8】计算流体力学及应用