第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

12.1食品流變學(xué)（Rheology）

12.1.1食品流變學(xué)的定義以及與食品工業(yè)的關(guān)系

12.1.1.1食品流變學(xué)的定義流變學(xué)是力學(xué)的一個分支，是研究物質(zhì)在力作用下變形或流動的科學(xué)。除了力的作用外，力的作用時間對變形的影響也是研究內(nèi)容之一。因此流變學(xué)中，物體的力學(xué)參數(shù)不僅有力、變形，還有時間。這門學(xué)科是由賓漢倡導(dǎo)的。食品流變學(xué)是研究食品和食品材料力學(xué)性質(zhì)的一門科學(xué)，它涉及到力學(xué)、膠體化學(xué)、高分子物理、化學(xué)流變學(xué)和生物流變學(xué)等基本內(nèi)容。

12.1.1.2食品流變學(xué)與食品工業(yè)之間的關(guān)系

1)

食品流變學(xué)的實驗，可以用于鑒別食品原材料、中間產(chǎn)品，可以用于控制生產(chǎn)過程。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

制就是一個實例。

2）流變學(xué)能夠根據(jù)顧客的愛好，鑒定或預(yù)測顧客對某種食品是否滿意。例如，人造奶油的擴展能力、牛乳的粘度、硬糖果的硬度、肉的韌度都是可以用來鑒定食品優(yōu)劣的流變特性。

3）可借助中間產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)流變學(xué)特性來調(diào)節(jié)食品物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)。

4）流變學(xué)可以應(yīng)用于有關(guān)工藝設(shè)計和設(shè)備設(shè)計。例如泵送管路系統(tǒng)，放料裝置及攪拌裝置的設(shè)計，乳化、霧化及濃縮工藝過程的設(shè)計，都要用到物質(zhì)流變學(xué)特性數(shù)據(jù)。

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12.1.2形變與粘性流動

12.1.2.1形變的類型

1）彈性形變：加力發(fā)生形變，去掉力又恢復(fù)原來的形狀。

2）流動形變：加力后瞬間發(fā)生較大形變，隨著時間的推移徐徐形變，外力除去后不能恢復(fù)原狀。

3）粘彈性形變：彈性形變與流動形變的交織。

12.1.2.2彈性形變

1)理想彈性體與彈性模量：又稱虎克固體，指物體在一定外力作用下,發(fā)生彈性形變的大小與外力之間的關(guān)系呈線性關(guān)系，此物體叫理想彈性體。

即σ=Eγ

σ—外力，γ——形變量

E—彈性系數(shù)（dyn/cm*cm。達因／厘米２）楊氏模量第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

這種理想固體實際上是不存在的，但是當(dāng)物質(zhì)在力作用下形變小于1%時，我們可以將其看成的虎克固體。如干面團、硬糖果、核桃、蛋殼、土豆和蘋果等在一定力范圍內(nèi)都可看成是虎克固體。。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

3）剪切形變與剪切模量設(shè)外力作用面積為A,切變?yōu)閐。則σ=P/Aγ=tgθ=d/h

令E=G,d

由σ=Eγ得：pG=σ/γ＝P·h/A·dθhG為剪切模量

4)縱向、橫向形變與泊松比當(dāng)固體物質(zhì)拉伸或壓縮時，在它的長度發(fā)生變化的同時，它的寬度也發(fā)生變化。例如園桿受壓縮時它的直徑將增大，而在受拉時它的直徑將縮小。在彈性范圍內(nèi)，受正應(yīng)力作用的固體，其橫向收縮和縱向伸長的比值稱為泊松比。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

μ=e’/e

對任何固體物質(zhì)，當(dāng)受到拉伸或壓縮變形時，如不發(fā)生體積的變化，

μ為0.5。一些常見固體物質(zhì)的泊松比μ如下。

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5）體積形變與體積模量由液體靜壓力作用在浮體表面所產(chǎn)生的表面壓力，引起浮體體積變形，這種形變稱為體積形變。

σ=Kεv

在這里，K稱為體積模量。

6）四種模量之間的關(guān)系

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6）形變測量與食品品質(zhì)可拉伸的食品物料或食品，如面條、煮熟的面條等其品質(zhì)可以通過其彈性與粘度測量的結(jié)果進行評價。

①

流速計：測定魚糕的E和△L/L(γ)

志水等測得：Ａ級魚糕E＝（2.13～1.34）×10３g／cm2

Ｂ級魚糕E＝（1.92～0.97）×10３g／cm2

Ｃ級魚糕E＝（1.95～0.97）×10３g／cm2

②凝乳計：可用于測定凝乳、奶油、豆腐、膠狀食品的壓縮度、壓縮力從而計算出其剪切模量，根據(jù)其模量的大小來評定這些食品品質(zhì)的質(zhì)量。

③貝克壓縮計：可用來測定面包老化過程中的壓縮度、壓縮力，借此來評價面包老化過程的老化特性。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)12.1.2.3粘性流動

粘性是表現(xiàn)流體流動性質(zhì)的指標(biāo)，從微觀上講，粘性是流體受力作用，其質(zhì)點間作相對運動時產(chǎn)生阻力的性質(zhì)。這種阻力來自內(nèi)部分子運動和分子引力。一種物質(zhì)粘性的大小通常用粘度來表示。粘度有剪切粘度、延伸粘度和體積粘度三種，但通常我們所說的是剪切粘度。流體在力的作用下，會發(fā)生粘性流動，其流動過程中的粘度與作用力之間的關(guān)系表現(xiàn)出多種情況，主要有下面幾種。

第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)1）牛頓液體類物質(zhì)

液體屬于一種流體，描述流體的一個重要參數(shù)就是粘度。粘度剪切粘度、延伸粘度和體積粘度等幾種不同的方式，通常我們所說的粘度就是剪切粘度，即用普通粘度計測定的液體粘度。如果一種液體的粘度與剪切速率無關(guān)，則我們稱這種液體為頓液體。

η=σ/ε

從這個式中可以看出，牛頓液體的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線是一條直線，這種液體沒有彈性，且不可收縮。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

值得注意：真正的牛頓液體是沒有的，但在實際情況中，當(dāng)在剪切力很寬的作用范圍條件下，其粘度不變的液體通常近視將其看成為牛頓液體。例如糖水溶液、低濃度的牛乳、油、酒、水及其透明稀質(zhì)液體均可歸于牛頓液體。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

當(dāng)采用小于某一個值的剪切力作用于食品液體時，其并不表現(xiàn)出流動，具有類似于彈性體的性質(zhì)，當(dāng)施予的剪切力超過此值時，其表現(xiàn)出流動，流動特性符合牛頓液體特征的稱為賓漢液體。

在液態(tài)食品體系中，屬于賓漢液體的事例很多，如濃縮的肉汁就是一種典型的賓漢液體第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)2）非牛頓類液體物質(zhì)

凡是不符合牛頓流體定律的液體統(tǒng)稱為非牛頓類液體物質(zhì)，非牛頓類液體物質(zhì)的流動方程可用下式表示。

σ=κ×εn

（n為不等于1的任何正數(shù)）

在上式中，當(dāng)n=1時，它就是牛頓液體公式，這時κ=ηκ就成了粘度。假如設(shè)ηa=κ×εn-1，則非牛頓液體類物質(zhì)的流動狀態(tài)方程可寫為與牛頓液體類物質(zhì)流動方程相似的形式：σ=ηa

×ε

由上式可以看出，ηa

與η有同樣的量綱，表示同樣的物理特性，所以稱ηa

為表觀粘度（apparentviscosity）。值得注意的是η

是一個常數(shù)，而ηa則是一個變數(shù)，它與粘度系數(shù)κ和流態(tài)指數(shù)n有關(guān)，是剪切速率ε的函數(shù)。非牛頓類物質(zhì)的剪切力與剪切速率不是一條直線。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

在實際過程中，非牛頓類液體物質(zhì)只有當(dāng)施加的剪切力σ大于某一個值σo時,才開始流動。據(jù)此，Herschel和Bulkey提出了表示非牛頓液體類物質(zhì)流動狀態(tài)的方程式為：

σ=σo+κ×εn

非牛頓液體類物質(zhì)根據(jù)σo的有無和n的取值范圍可以分為假塑性液體（PseudoplasticLiquid）、脹塑性流體(DilatantLiquid)、觸變性液體(TixotropicLiquid)和膠變性液體(RheopecticLiquid)四種類型。前兩種非牛頓液體其流變特性與時間無關(guān)，后兩種非牛頓液體的流變特性卻隨時間而變化。

(1)假塑性液體（PseudoplasticLiquid）在非牛頓液體狀態(tài)方程中，當(dāng)時0<n<1時，即表觀粘度隨剪切力的加大或剪切速率的增加而減小的液體稱為~，也稱準(zhǔn)塑性液體或擬塑性液體。其特征曲線如下。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

在上圖中，表觀粘度ηa

=tanθi(i=1,2,3,···)第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

續(xù)表

由上表可以看出，大部分液態(tài)食品0<n<1，都是假塑性液體。n值越小,隨著剪切速率的增加，粘滯阻力增加相對越慢，這是因為n值越小，液體內(nèi)部構(gòu)造越弱，隨著剪切速率的增大，其內(nèi)部分子結(jié)合而形成的阻力就越小。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

(2)脹塑性液體(DilatantLiquid)

在非牛頓液體狀態(tài)方程中，當(dāng)時1<n<∞時，即表觀粘度隨剪切力的加大或剪切速率的增加而增加的的液體稱為~，其特征曲線如下。在我們通常遇到的液體食品中屬于脹塑性液體的不多，比較典型的例子是生淀粉糊。第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

為什么有的食品液體表現(xiàn)出假塑性液體特性，而有的表現(xiàn)出脹性液體的特性，有許多不同的解釋。對于假塑性液體通常從兩個方面進行解釋，一方面認(rèn)為隨著剪切力的增加，膠體粒子之間的結(jié)合會減弱；另一方面認(rèn)為隨著剪切力的增加，膠體粒子本身會發(fā)生變形，由靜止時的鏈狀粒子變?yōu)閳F狀態(tài)粒子，從而減小了相互間的鏈接，出現(xiàn)了剪切變稀現(xiàn)象。對于脹塑性液體可用脹容現(xiàn)象來解釋，脹塑性液體一般是糊狀體，水充滿在致密排列的粒子間隙中，當(dāng)施加壓力較小、緩慢流動時，由于水的滑動和流動作用，膠體糊表現(xiàn)出的粘性阻力較小。可是如果用力攪動，處于致密排列的粒子就會一下子被攪亂，成為多孔隙的疏松排列結(jié)構(gòu)。這時由于原來的水分第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

再也不能填滿粒子之間的間隙、粒子與粒子沒有了水層的滑動作用，因而粘性阻力就會驟然增加，甚至失去流動的性質(zhì)。因此粒子在強烈的剪切力作用下會成為疏松排列結(jié)構(gòu)，引起外觀體積的增加。

值得注意的是：有些假塑性液體和脹塑性液體當(dāng)采用小于某一個值的剪切力作用于食品液體時，其并不表現(xiàn)出流動，具有類似于牛頓類液體物質(zhì)的性質(zhì)，當(dāng)施予的剪切力超過此值時，其表現(xiàn)出流動，流動特性也不符合牛頓液體特征。

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(3)觸變性液體(TixotropicLiquid)

當(dāng)液體在振動、攪拌、搖動時，其粘性減少，流動性增加，但靜置一段時間后，流動又變得困難，這種現(xiàn)象稱為搖溶現(xiàn)象，具有搖溶現(xiàn)象的液體稱之為觸變性液體。其流動的特性曲線如下：第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

觸變液體具有搖溶現(xiàn)象的機理目前認(rèn)為：隨著剪切應(yīng)力的增加，粒子之間形成的結(jié)合構(gòu)造受到破壞，因此粘性減少。但這些粒子間結(jié)合構(gòu)造在停止應(yīng)力作用時，恢復(fù)需要一段時間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時的曲線在前次增加時的曲線下方，形成了與流動時間有關(guān)的履歷曲線（滯變曲線）。

(4)膠變性液體（rheopexy）當(dāng)液體隨著流動時間的增加，變得越來越粘稠，其特性曲線為：第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

由上可以看出，當(dāng)剪切速率加大，達到最大值后，再減低剪切速率，減低剪切速率的流動曲線反而在增大剪切速率曲線的上方。這說明流動促進了液體粒子間構(gòu)造的形成。所以，這種現(xiàn)象也被稱為逆觸變現(xiàn)象。

3)粘性流動的特性

(1)內(nèi)粘性

A.

絕大多數(shù)液體食品體系內(nèi)粘性（形態(tài)粘性）隨著速度梯度的增大，粘度減小，流動性能增強。少數(shù)液體食品體系如巧克力、黃油、蕃茄醬等產(chǎn)品常表現(xiàn)出觸變性特性，即靜置時逐漸變稠，多次攪拌時逐漸變稀。

觸變性和內(nèi)粘性的主要區(qū)別在于：前者是流體未發(fā)生流動表現(xiàn)出的特性，后者則是在流動過程中表現(xiàn)出的特性。即前者是在攪拌時粘度下降，而后者是在流動時粘性下降。

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(2)膨脹特性：有一些液體食品體系隨著剪切速率的增加，，表觀粘度逐漸增加。如生淀粉糊。

4)粘度的測量

(1)毛細(xì)血管粘度法

A.粘度計算公式哈根-泊稷發(fā)現(xiàn)液體流經(jīng)毛細(xì)管的流量Q與粘度之間存在如下關(guān)系：η=πpr4t/8QL

Q:

在t時間里，自毛細(xì)管流出的液體體積總量，m3

η:

流體的粘度，N.s/m2

P:

壓力差，N/m2

L：毛細(xì)管長度

r:

毛細(xì)管直徑從理論上講，可以通過上述公式可以測定液體的粘度，但第十二章食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

在實際中，由于涉及的參數(shù)較多，在測量過程中很難滿足所有的條件，操作困難，測定結(jié)果誤差大。因此，實際測量中，通常測定所測液體的相對粘度，即測定試樣的粘度與標(biāo)準(zhǔn)液體粘度的比值，在測定時，試樣與標(biāo)準(zhǔn)液體必須在同一毛細(xì)管粘度計中測定，其半徑、長度都是相同的。設(shè)水為標(biāo)準(zhǔn)溶液，則其粘度為：

ηo=πpor4to/8QL

而試樣的粘度為：η=πpr4t/8QLη/ηo=pt/poto

如果在測定時，都是靠液位來產(chǎn)生壓力差，那么兩種液體之間的壓力差之比可用它們的密度比代替，即：

p/po=ρ/ρo

因此，被測液的粘度為：η=ηoρt/ρoto

物理