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食品材料热物理性质的测量

2022-03-291150

比热容(specific heat)。是使单位质量的物体温度升高IK所需要的热量,是物质的基本物性,对食品冷冻过程的分析和计算非常重要。

比热容测量方法有很多种,常用的有传统方法一冷却法(投入法)。

近年来发展用差式扫描量热术(differential scanning calorimetry,DSC)

来测量材料的比热容。此法所用的样品少(5~15mg),而且能测量较大的温度范围,故特别适合于测量食品材料的比热容和温度的关系。但是此法也有其不足:DSC仪器较贵,技术要求高;DSC是比较测量法,需用某些标准物质进行校核。对于食品材料,因其相变不是在一个确定温度,而是在一段温度范围内进行的,可以用DSC法测其焓值随温度的变化,再通过微分求得表观比热容ce.DSC测量比热容的方法有标准的三线法、简易的两线法和单线法、分步扫描(stepscan)法等。

现以Perkin-Elmer公司生产的功率补偿型DSC(Pyris diamond DSC)为例,说明比热容的测量方法和技术。

1.标准的三线法在测量比热容之前,首先对仪器进行标定。标定包括基线优化、温度标定、炉子标定和热流标定四个步骤,其中要选取合适的温度范围和扫描速率。测定比热容时,标定的扫描速率一般选取2~5℃/mi。

(1)样品皿选择:首先桃选质量相近的三个空皿,分别用于基线标定、装标准物质、装待测物料。另外,还要选取一个空皿作为参比皿,其质量可以与以上三个皿不相等。

(2)实验步骤:

①将参比皿和用于基线标定的空皿,分别放在仪器的参比侧(右侧)和样品侧(左侧),执行“等温一升温一等温”程序,获得第一条热流曲线(一般升温的温度范围不要超过50℃)。“等温”的作用是确保热流平衡,等温时间的长短依样品量和仪器本身的灵敏度确定。②将样品侧的空皿取出,放人装有标准物质的皿,而在右侧,仍为参比皿;按同样的温度程序获得第二条热流曲线。③将样品侧标准物质皿取出,放人装盛有待测物料器皿,而在右侧,仍为参比皿;按相同温度程序获得第三条热流曲线。

有了三条热流曲线,即可利用仪器附带的计算软件来计算比热容。

(3)实验结果处理:由于标准物质的比热容已知,扫描速率恒定,故经过简单的比例关系,即可求得待测物质的比热容。设9、9s、9取分别表示上述的基线热流、被测样品热流和标准物质热流,则有:

式中、9π的值已由仪器直接量,质量m事先称得,标准物质的比热容ck已知,故可计算出被测物质的比热容cg。对Pyris diamond DSC,用这种方法测比热容的误差可控制在0.1%以内。在一50℃以下或300℃以上,由于基线受到影响,精度稍差,但也可控制在2%以内。

2.简易的两线法和单线法两线法也是采用和三线法类似的温度程序,但不需要标准物质,因而只用两个质量相同的空皿(偏差小于0.1g):一个用于基线标定,另一个装样品。执行“等温一升温一等温”程序,分别获得基线热流曲线和样品热流曲线。利用这两条热流曲线进行减运算,获得被测物质的净热流,然后就可用公式(4-2)计算被测物质的比热容cs。显然,此公式中除了有热流数据和质量数据外,还有升温速率3,故增加了引入误差的可能性,其精度稍低于三线法。

单线法的步骤更简单,既不需要标准物质的热流曲线,也不需要空皿的热流曲线,甚至不需要等温程序。只要做一条被测物料的热流曲线(注意,此时置于右侧参比皿的质量,与左侧样品空皿的质量应尽量相同),根据下列公式就可得出比热容数值:

在单线法测量中,由于没有扣除基线热流,其误差显然比两线法要大。

这种方法一般不用于比热容的精确测量,而只用于快速浏览比热容的大致范围。

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