第 7 章
分散系統
Dispersed Systems

食物的「結構」決定它的命運

改編自 Fennema's Food Chemistry, 5th Ed.｜Van Vliet & Walstra

食品化學 · SOIL Teaching Deck

為什麼要學「分散系統」？

大多數食物不是均勻溶液：

牛奶 = 蛋白質微胞 + 脂肪球
麵包 = 氣泡 + 凝膠網絡
美乃滋 = 80% 油滴 + 蛋黃
冰淇淋 = 氣泡 + 冰晶 + 脂肪 + 糖

本章六顆 SOIL 引擎

素材 PDF

概念 6 大分散結構

脈絡牛奶→冰淇淋

架構從界面到食品

認知圖+滑桿+情境

風格雙語可分享

PART 1 / 5

什麼是分散系統？

7.1 Introduction

分散系統的定義

Dispersion：在連續液體中含有許多離散顆粒的系統。

三大分類（依分散相的物態）

分散相	連續相	名稱	食品例子
氣體	液體	泡沫 Foam	啤酒泡、蛋白霜
液體	液體	乳液 Emulsion	牛奶、美乃滋
固體	液體	懸浮液 Suspension	果汁、可可漿
液體	固體（凝膠）	固體分散 Solid dispersion	奶油、巧克力
多元	多元（雙連通）	Bicontinuous	麵包

關鍵：乳液有 o/w（油在水）與 w/o（水在油）之分。

結構帶來的 6 個後果

1無熱力學平衡
2風味分隔釋出
3形成質地（consistency）

4水被固定，傳質靠擴散
5光散射 → 顏色變化
6物理不穩定 → 分層、結塊

＝「為什麼食品科學家必須懂分散系統」的六個答案。

分散結構的尺度（橫跨 6 個數量級）

水分子 0.3 nm｜酪蛋白微胞 100 nm｜脂肪球 1–10 µm｜細胞 100 µm｜麵包氣孔 1 mm

PART 2 / 5

界面現象

7.2 Surface Phenomena

界面張力 γ：界面想縮小的力

分子在界面比在體相缺鄰居 → 多了過剩自由能 → 界面想縮小到最小。

計算與意義

單位 N/m 或 mN/m

純水 vs 空氣 ≈ 72 mN/m

加 SDS 可降到 ≈ 10 mN/m

γ 越低，越容易做出小液滴

因為打碎液滴的能量 ∝ γ × 新生界面面積

這就是 surfactant 的核心價值

各物質的界面張力（mN/m）

界面活性劑：兩端拉扯的橋樑

分子一端親水（COO⁻、OH、糖基）一端親油（C16+ 烷鏈）。

HLB 值：選對 surfactant 的關鍵

HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) = 親水與親油的平衡分數

HLB 範圍	性質	適合做	例子
1–6	偏親油	w/o 乳液、消泡劑	單甘酯 (3.8)
7–9	濕潤劑	潤濕固體粉末	Span 80 (4.3)
10–18	偏親水	o/w 乳液、發泡	Tween 80 (16)、SDS (40)

Bancroft's rule: surfactant 溶在哪一相，哪一相就是連續相。

Laplace 壓力：小液滴的「鋼鐵防線」

p_L = 2γ / R

意義

液滴內部比外部多出的壓力

R 越小、γ 越大 → p_L 越大

小液滴幾乎不可變形

例子

R = 0.5 µm, γ = 10 mN/m

→ p_L = 4×10⁴ Pa（0.4 bar）

所以高壓均質機才需要那麼大的壓力

Marangoni 效應與 Gibbs 機制

界面活性劑分布不均 → 局部 γ 變化 → 帶動液體流動

葡萄酒的「酒淚」現象
乳化時防止 recoalescence
泡沫薄膜的自我修復

為什麼泡沫穩定？

薄膜被拉薄 → γ 局部升高 → 液體被往薄處推回 → 厚度恢復

沒有 surfactant 就沒有泡沫！

PART 3 / 5

膠體交互作用

7.3 Colloidal Interactions

DLVO 理論：吸引 vs 排斥的拉鋸戰

藍：van der Waals 吸引｜紅：電雙層排斥｜紫：合成淨力。能量阱越深，越容易凝集。

四大膠體作用力

類型	性質	受何影響
van der Waals	恆吸引	顆粒材質、距離
電雙層	排斥（同電荷）	pH、離子強度
立體障礙 Steric	排斥（高分子刷）	蛋白質、多醣吸附
Depletion	誘導吸引	未吸附高分子濃度

提高鹽濃度會壓縮電雙層 → 失去排斥 → 凝集！

PART 4 / 5

乳液

7.6 Emulsions

乳化的四個關鍵變數

液滴大小分布：典型 1 µm，可從 0.2 µm 到數 µm
體積分率 φ：牛奶 0.04、美乃滋 0.8
界面層成分：蛋白質 / 小分子 surfactant
連續相組成：pH、離子強度、黏度

做乳液需要

油 + 水 + 界面活性劑 + 能量（通常是機械攪動或高壓均質）

5 種乳液不穩定機制

如何防止 coalescence？

小液滴：Weber 數低，膜很難形成且斷裂機率小
厚膜＋強排斥：用蛋白質形成厚吸附層
較大 γ：需要更多能量才能讓膜變形（反直覺！）

蛋白質是 o/w 乳液最佳乳化劑：可食用、水溶、有 steric 排斥。

Partial Coalescence：冰淇淋的秘密

當油滴內有脂肪結晶時，結晶可能穿破薄膜：

不會完全融合 → 形成「葡萄串」
速率比 true coalescence 快 10⁶ 倍
形成 空間網絡 包住氣泡

影響因素

剪切率 ↑、φ ↑、ψ (固體脂比例)、液滴大小

添加小分子 surfactant 可促進此效果（製作冰淇淋的工業手法）

PART 5 / 5

泡沫 & 凝膠

7.7 Foams · 7.5 Soft Solids

泡沫：氣泡分散在液體中

性質	泡沫	o/w 乳液
氣泡 / 液滴直徑	10⁻³ m (1 mm)	10⁻⁶ m (1 µm)
體積分率 φ	0.8–0.95	~0.1
γ (mN/m)	50	10
Laplace 壓力	~10² Pa	4×10⁴ Pa
溶解度差	大（氣體可擴散）	幾乎為 0

所以泡沫的 Ostwald ripening 比乳液快得多！

泡沫的三大不穩定機制

1. Ostwald ripening

氣體從小泡擴散到大泡
小泡縮小消失

2. Drainage

液體因重力流到下方
泡膜變薄

3. Coalescence

薄膜破裂
兩泡合一

穩定泡沫的方法：高 E_SD 蛋白質吸附、固體顆粒覆蓋（Pickering）、增稠連續相、凝膠化液相。

凝膠：被網絡固定的水

凝膠 = 高分子（或顆粒）形成連通空間網絡，把溶劑「鎖住」。

類型	形成機制	食品例子
Polymer gels	多醣纏結、雙螺旋、氫鍵	果凍 (pectin)、洋菜
Protein gels	變性後互聯	蛋白霜、火腿
Particle gels	顆粒聚集成網	優格、奶油 cheese
Mixed gels	多體系並存	香腸、肉糜

食物口感（Mouthfeel）來自結構

滑順：小液滴、無結晶
緊實：強凝膠網絡
沙感：顆粒 > 50 µm
乾爽：partial coalescence 網絡

濃郁：高 φ、高黏度
融化：結構在口中崩解
泡感：氣泡釋出
清爽：低 φ、低黏度

整合案例：冰淇淋的四重結構

冰晶 — 固體分散，影響粗糙度
空氣泡 — 泡沫，提供蓬鬆感
脂肪球網絡 — partial coalescence，提供 meltdown resistance
濃縮糖水 — 連續相，含未冷凍的糖溶液

四個結構同時存在！這就是為什麼冰淇淋是「最複雜的食品分散系統」之一。

食品工程的四個控制槓桿

調整這四個變數，就能設計出不同口感、穩定度的食品。

本章重點 SUMMARY

大多數食物都是分散系統，性質取決於結構而非僅化學組成
界面張力 γ + Laplace 壓力是核心物理量
Surfactant 透過降低 γ 與 Marangoni 機制穩定界面
乳液 5 種不穩定：creaming → aggregation → coalescence → 分層
Partial coalescence 是冰淇淋與奶油的關鍵
泡沫不穩定速度比乳液快 10²–10³ 倍
凝膠把水「鎖住」，賦予質地

延伸閱讀 & 評量

Fennema's Food Chemistry 5th Ed., Ch. 7 (Van Vliet & Walstra)
Walstra, P. Physical Chemistry of Foods, Marcel Dekker
Dickinson, E. An Introduction to Food Colloids

互動小遊戲（中文）→

6 個形成性評量遊戲

Interactive Games (EN) →

6 formative quiz games

謝謝聆聽！

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