食品物性學(xué)第三四章

食品物性學(xué)第三四章緒論一、什么是食品流變學(xué)1.是一門對食品品質(zhì)進行評價的科學(xué)感官評定：以人為主體，主觀的評價方式流變學(xué)：以儀器為主體，客觀的評價方式2.流變學(xué)研究的主要是食品的動覺（力學(xué)）性質(zhì)第2頁,共94頁，2024年2月25日，星期天二.質(zhì)構(gòu)與流變的關(guān)系1.定義質(zhì)構(gòu)：不同種類的細(xì)胞或組織在食品中分布或組合的方式;人手或嘴觸摸或咀嚼食品時的感覺流變學(xué)：是力學(xué)的一個分支，是研究物質(zhì)在力的作用下變形或流動的科學(xué)第3頁,共94頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

二.研究的主要指標(biāo)流變學(xué)：粘度（viscosity)

稠度(consistence)

彈性（elasticity)

粘彈性(viscoelasticity)質(zhì)構(gòu)：

粘著性、硬度脆度、耐咀嚼性、粘彈性、拉伸強度

第5頁,共94頁，2024年2月25日，星期天三.研究意義(1)可用于鑒別食品的原材料、中間產(chǎn)品，也可用于控制生產(chǎn)過程，對提高食品質(zhì)量、調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝過程等都有一定的作用。(2)用食品流變儀測定法來代替感官評定法，定量地評定食品的品質(zhì)、鑒定和預(yù)測顧客對某種食品是否滿意。(3)可以解釋食品在加工過程中所發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化。(4)流變學(xué)理論己經(jīng)廣泛應(yīng)用于有關(guān)的工藝設(shè)計和設(shè)備設(shè)計。第6頁,共94頁，2024年2月25日，星期天四.研究流變學(xué)的主要方法①

數(shù)學(xué)法：即根據(jù)實驗測定的流變性質(zhì)建立數(shù)學(xué)模型，再用此數(shù)學(xué)模型來描述流體流動規(guī)律。②實驗法（結(jié)構(gòu)法）：將測出的流變性質(zhì)與物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析，從結(jié)構(gòu)上找出產(chǎn)生流變性質(zhì)的內(nèi)在因素。第7頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

五.發(fā)展歷史1.始于20世紀(jì)60年代初—流變學(xué)的測量方法，70年代中期流變學(xué)測量開始在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。2.促進食品與流變學(xué)發(fā)展的一個重要因素是食品質(zhì)構(gòu)與流變性質(zhì)的測量為評價食品的感官質(zhì)量提供了極為有效的手段，新的儀器和分析軟件不斷涌現(xiàn)。第8頁,共94頁，2024年2月25日，星期天六.食品的流變學(xué)分類１.液體（流體）食品：在力的作用下只產(chǎn)生流動第9頁,共94頁，2024年2月25日，星期天２.固體食品：在力的作用下只發(fā)生變形第10頁,共94頁，2024年2月25日，星期天３.塑性食品：

介于液體食品和固體食品之間，在小應(yīng)力作用下不產(chǎn)生流動而是象固體那樣發(fā)生變形，在應(yīng)力超過某一界限時才開始流動.第11頁,共94頁，2024年2月25日，星期天4.粘彈性食品

在力的作用下即產(chǎn)生流動又產(chǎn)生變形第12頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.1流體的流變學(xué)性質(zhì)在相同力的作用下有不同的流動狀態(tài)第13頁,共94頁，2024年2月25日，星期天流變的基本概念應(yīng)力σ與矢量F方向相同，即亦與作用面成θ角F，σθ力，應(yīng)力應(yīng)力（σ）：就是作用于單位面積上的力。 理想固體：σ=F/A非理想體系，σ=dF/dA

第14頁,共94頁，2024年2月25日，星期天一般研究時將應(yīng)力分解成兩個分量:

σ

n

:正應(yīng)力,與截面垂直

σ

t

:

剪切應(yīng)力,與截面平行

應(yīng)力單位:dynes/cm2,國際單位為“帕斯卡”，1.0帕斯卡=1N/m2

=10dynes/cm2第15頁,共94頁，2024年2月25日，星期天流體受到外力時會產(chǎn)生與外力方向平行的流動，因此所受的應(yīng)力就為剪切應(yīng)力應(yīng)力作用下的變形就稱為應(yīng)變，記作ε

在恒定力的作用下，流體產(chǎn)生的應(yīng)變是流動，而隨著流動的進行，流體的形狀是不斷變化的，因此流體的應(yīng)變通常用單位時間的變形，即應(yīng)變的時間導(dǎo)數(shù)來表示。第16頁,共94頁，2024年2月25日，星期天流動與剪切速率第17頁,共94頁，2024年2月25日，星期天剪切速率：表征流體在剪切應(yīng)力作用下的應(yīng)變狀況剪切速率的物理意義是指流動時流體內(nèi)部在垂直于流動方向上的速度梯度。記作單位為Ｓ－１粘度系數(shù)（η），簡稱粘度σ＝η×粘度是剪切應(yīng)力和剪切速率的比值粘度的大小表征流體流動時內(nèi)部摩擦力，即粘滯阻力的大小。第18頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.1.1牛頓流體-理想流體

牛頓流體：流動狀態(tài)方程符合牛頓定律的流體統(tǒng)稱為牛頓流體。牛頓流體的特征是剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系是直線，也就是說牛頓方程σ＝η×中的η是常數(shù)。第19頁,共94頁，2024年2月25日，星期天牛頓流體的流動特征剪切應(yīng)力與剪切速率成正比；粘度不隨剪切速率的變化而變化。第20頁,共94頁，2024年2月25日，星期天1.不可壓縮性2.各向同性3.本身無結(jié)構(gòu)4.沒有彈性，受到剪切力作用時形成連續(xù)流動，外力撤去后變形不能恢復(fù)牛頓流體所應(yīng)具有的性質(zhì)：第21頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

自然界中真正的牛頓流體是不存在的，然而很多實際液體在剪切應(yīng)力很寬的范圍內(nèi)表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)，流變學(xué)家也就把這些流體歸為牛頓流體。最典型的牛頓流體是水。可歸屬于牛頓流體的食品有:糖水溶液、低濃度牛乳、油及其他透明稀溶液等。第22頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.1.2非牛頓流體

剪切應(yīng)力與剪切速率之間不滿足的關(guān)系，且流體的粘度不是常數(shù)，它隨剪切速率的變化而變化，這種流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系可表示:式中，k為粘性常數(shù)，又稱濃度系數(shù)。顯然當(dāng)n=1時，上式就是牛頓流體公式。第23頁,共94頁，2024年2月25日，星期天設(shè)，則非牛頓流體的流動狀態(tài)方程可寫成與牛頓流體相似的形式:上式中ηa稱為表觀粘度，與η不同的是:ηa與濃度系數(shù)k和流動指數(shù)n有關(guān)，且是剪切速率的函數(shù)。也就是ηa是非牛頓流體在某一特定剪切速率下的粘度。第24頁,共94頁，2024年2月25日，星期天非牛頓流體分類(a)假塑性流體:在中，當(dāng)O＜n＜1時，即表觀粘度隨著剪切應(yīng)力或剪切速率的增大而減少的流動，稱為假塑性流動。因為隨著剪切速率的增加，表觀粘度減少，所以還稱為剪切稀化流動。符合假塑性流動規(guī)律的流體稱為假塑性流體。假塑性流體最主要的特征是在較大的剪切速率范圍內(nèi)，顯示剪切變稀的性質(zhì)。

第25頁,共94頁，2024年2月25日，星期天為什么會有剪切稀化現(xiàn)象?

有假塑性流動性質(zhì)的液體食品，大多含有高分子的膠體粒子，這些粒子多由巨大的鏈狀分子構(gòu)成。在靜止或低流速時，它們互相勾掛纏結(jié)，粘度較大，顯得粘稠。但當(dāng)流速增大時，也就是由于流層之間的剪應(yīng)力的作用，使比較散亂的鏈狀粒子滾動旋轉(zhuǎn)而收縮成團，減少了相互勾掛，這就出現(xiàn)了剪切稀化現(xiàn)象。

第26頁,共94頁，2024年2月25日，星期天a.現(xiàn)在一般認(rèn)為體系之所以呈現(xiàn)假塑性，是因為分子定向排列（在外力作用下，分子從無序到有序移動）以及聚集體解體的緣故。b:大分子構(gòu)型的改變。體系呈現(xiàn)假塑性的原因:聚集體的解聚顆粒的定向排列第27頁,共94頁，2024年2月25日，星期天很多濃縮果汁、果醬都屬于假塑性流體，一些高分子溶液也屬于假塑性流體，比如多糖溶液。對于這一類食品在加工時應(yīng)注意其剪切變稀的流變性質(zhì)。第28頁,共94頁，2024年2月25日，星期天(b)脹塑性流體

在非牛頓流體的流動狀態(tài)方程中，如果1＜n＜∞，則稱為脹塑性流體。它的表觀粘度隨剪切速率的增大而增大。脹塑性流體最主要的特征是在較大的剪切速率范圍內(nèi)，顯示剪切變稠的性質(zhì)。第29頁,共94頁，2024年2月25日，星期天為什么出現(xiàn)剪切變稠現(xiàn)象？剪切變稠往往發(fā)生在中等或較高的剪切速率下，通常是由懸浮粒子的聚結(jié)以及大分子的進一步纏繞導(dǎo)致的。在高體積分?jǐn)?shù)時，有可能在剪切力的作用下導(dǎo)致體積膨脹。當(dāng)受到較大剪切力作用時，粒子發(fā)生重排，由緊密排列變成多孔性的疏松排列結(jié)構(gòu)，連續(xù)相不能再充滿粒子間隙，粒子之間直接接觸，相對運動時阻力增大，ηa增大。第30頁,共94頁，2024年2月25日，星期天剪切作用撤去外力

靜止時，緊密堆積，空隙小，連續(xù)相充滿粒子周圍；在較小剪切力作用下，連續(xù)相仍然在粒子周圍，潤滑粒子的相對運動，阻力小，ηa小。當(dāng)受到較大剪切力作用時，粒子發(fā)生重排，由緊密排列變成多孔性的疏松排列結(jié)構(gòu)，連續(xù)相不能再充滿粒子間隙，粒子之間直接接觸，相對運動時阻力增大，ηa大。第31頁,共94頁，2024年2月25日，星期天低剪切高剪切粒子在強烈的剪切作用下結(jié)構(gòu)排列疏松，外觀體積增大，這種現(xiàn)象稱之為脹容現(xiàn)象。脹容現(xiàn)象第32頁,共94頁，2024年2月25日，星期天脹塑性流體在食品中較少遇到。只有很少一部分溶液和懸浮液在一定的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)為脹塑性流體。最具代表性的脹塑性流體是蜂蜜。第33頁,共94頁，2024年2月25日，星期天非牛頓流體sh·gh剪切變稀剪切變稠第34頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.1.3塑性流體當(dāng)作用在物質(zhì)上的剪切應(yīng)力大于極限值時，物質(zhì)開始流動，否則，物質(zhì)就保持即時形狀并停止流動。剪應(yīng)力的極限值定義為屈服應(yīng)力，所謂屈服應(yīng)力是指使物體發(fā)生流動的最小應(yīng)力，用σ0表示。塑性流體的流動狀態(tài)方程為:

式中，

μ——塑性流體的穩(wěn)定性系數(shù);

n——流動特性指數(shù);少。

σ0——屈服應(yīng)力。第35頁,共94頁，2024年2月25日，星期天塑性流體的流動特性曲線不通過坐標(biāo)原點。對于塑性流動來說，當(dāng)應(yīng)力超過σ0時，流動特性符合牛頓流動規(guī)律的，稱為賓漢流動，不符合牛頓流動規(guī)律的流動稱為非賓漢塑性流動。把具有上述流動特性的液體分別稱為賓漢流體或非賓漢流體。第36頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.1.4觸變性流體

觸變性是指當(dāng)液體在振動、攪拌、搖動時粘性減少，流動性增加，但靜置一段時間后，又變得不易流動的現(xiàn)象。這類體系的特征是：當(dāng)剪切速率一定時，隨時間的推移，應(yīng)力和表觀粘度ηa都隨之下降。第37頁,共94頁，2024年2月25日，星期天σt觸變體系的流變特性曲線一定靜止時，不對稱粒子通過粘附力（或次級鍵）形成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（或聚集體），隨剪切的延續(xù)（時間的推移），粘附力（次級鍵）逐漸被打破，故而ηa逐漸變小。第38頁,共94頁，2024年2月25日，星期天t3213

一開始結(jié)構(gòu)破壞很快，而隨時間的變化有一部分鍵較為牢固難以打破，且剪切力越大，未被打破的鍵就越少，反映為t越大，則平衡時的ηa就越小。

ηa2＞＞1第39頁,共94頁，2024年2月25日，星期天觸變體系與假塑性流體有些類似體系變化趨勢可逆與否變化情況觸變體系剪切變稀可逆撤去外力后恢復(fù)很慢假塑性體系撤去外力后恢復(fù)很快第40頁,共94頁，2024年2月25日，星期天粘性是液態(tài)食品最基本的特征，在研究液態(tài)食品的粘度時，為了方便，規(guī)定了一些不同定義的粘度。

（1）相對粘度在一般情況下，分散體系溶液的粘度比分散介質(zhì)的粘度大。設(shè)η0表示分散體系介質(zhì)的粘度，η表示溶液的粘度(表觀粘度)，則

ηr稱為相對粘度。3.2剪切粘度影響因素

3.2.1液態(tài)食品分散體系的粘度表示方法

第41頁,共94頁，2024年2月25日，星期天（2）、比粘度ηs

在同一溫度下，一般來說η>η0

，相對于溶劑來說，體系粘度增加的分?jǐn)?shù)稱為比粘度。

（3）、換算粘度ηd

換算粘度表示單位濃度的的液中粘度的增加比例。

有時用相對粘度的對數(shù)與濃度的比來表示換算粘度，即第42頁,共94頁，2024年2月25日，星期天（4）特性粘度

換算粘度表示在一定濃度的分散相中由子很多分散粒子的相互作用而增加的粘度對每個粒子進行平均分配的結(jié)果。如果忽略粒子間的相互作用，可用如下極限粘度來表示，即基本反應(yīng)了溶質(zhì)分子和溶劑分子的內(nèi)摩擦。第43頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.2.2影響液態(tài)食品粘度的因素

(1)溫度的影響:在一般情況下，溫度每上升1℃，粘度減小5%-l0%。粘度和溫度的關(guān)系可以用Andrade方程表示:式中，T——熱力學(xué)溫度；

A——常數(shù)；

B——H與R的比值；△H——表面激發(fā)能；

R——氣體常數(shù)。

第44頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

下圖表示一種高粘度牛頓液體的粘度一溫度關(guān)系的實測例。對于非牛頓液體，粘度和轉(zhuǎn)速有關(guān)。所以，測定各種轉(zhuǎn)速下的粘度一溫度關(guān)系，就會得到傾角不同的平行線。第45頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(2)分散相的影響:分散相的影響因素有分散相的濃度、粘度及形狀。

(a)分散相的濃度:分散相為球形固體粒子的液體，影響其粘度的是分散相的體積分?jǐn)?shù)。愛因斯坦根據(jù)流體動力學(xué)方法，推導(dǎo)出如下公式:

式中，φ——分散相的體積分?jǐn)?shù)；

α——常數(shù)。當(dāng)分散相為理想的剛體球，且粒子間沒有相互作用時，α取值為2.5。即當(dāng)a=2.5時，上式稱為愛因斯坦公式。愛因斯坦公式是理想狀態(tài)的理論公式。當(dāng)粒子表面存在水化層或分散介質(zhì)吸附層、粒子變形、粒子有粘性時，該公式則不適用。但對很稀的懸浮液也可以近似地應(yīng)用此式。第46頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

對于具有一定濃度的液體，也就是說，當(dāng)分散相粒子濃度較高，粒子之間的碰撞、凝聚、聚合有可能使有效體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時，布萊克曼推導(dǎo)出了一般化粘度公式:

當(dāng)把括號內(nèi)的項展開成級數(shù)時，上式變?yōu)椋菏菐в懈郊訚舛刃拚椀膼垡蛩固狗匠淌?。懸濁液濃度和表觀粘度曲線的形狀，在較低濃度時接近于一條直線，但隨著濃度的增加而不斷上升，這與實驗所得的結(jié)果是一致的。第47頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(b)分散相粘度:當(dāng)分散相為液體時，剪切力會使球狀的分散相粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因而會引起內(nèi)部的流動。這種流動的程度與分散相的粘度有關(guān)。假設(shè)分散相的粘度為η＇，Taylor推出了如下流體動力學(xué)公式:

(c)分散相的形狀:對于粒子形狀的影響，有人推導(dǎo)出了含形狀因子的公式:

式中，F(xiàn)—形狀因子;ρ1—濃度，單位體積微粒質(zhì)量(kg/m3);ρ2—微粒密度(kg/m3)。當(dāng)微粒為球狀時，相當(dāng)子流體具有對稱的阻力，因此F=1。當(dāng)微粒為一根細(xì)小纖維時，在流場中將會沿流線排列，從而具有最小阻力。顯然，這時微粒的存在所引起的干擾被限制在它自身的容積中，愛因斯坦公式的比例常數(shù)a=1。其他形狀微粒的場合應(yīng)在這兩種極端情況范圍之間。所以F=0.4～1。第48頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(3)分散介質(zhì)的影響:無論是從愛因斯坦公式分析，還是從實際液體考慮，對乳濁液粘度影響最大的當(dāng)然是分散介質(zhì)本身的粘度。與分散介質(zhì)本身粘度有關(guān)的影響因素主要是其本身的流變性質(zhì)化學(xué)組成、極性、pH以及電解質(zhì)濃度等。

(4)乳化劑的影響:乳化劑對乳濁液粘度的影響，主要有以下幾方面:

①化學(xué)成分，它影響到粒子間的位能;

②乳化劑濃度及其對分散粒子分散程度（溶解度)的影響。它還影響到乳濁液的狀態(tài);

③粒子吸附乳化劑形成的膜厚及其對粒子流變性質(zhì)、粒子間流動的影響;

④改變粒子電荷性質(zhì)引起的黔度效果;

⑤穩(wěn)定劑的影響。第49頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

3.3液態(tài)食品的流變性質(zhì)測定

對液態(tài)食品來說無論是改善食用品質(zhì)還是提高加工性能，最重要的流變特性還是粘度。因此，粘度測量是研究液態(tài)食品物性的重要手段。做粘度測量時，一定要針對測定目的和被測對象的性質(zhì)正確選擇測定儀器。常見的測定方法有:毛細(xì)管測定法、圓筒旋轉(zhuǎn)式測定法和錐板旋轉(zhuǎn)式測定法、落球式測定法、平行板測定法等。第50頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

3.3.1毛細(xì)管粘度計

(1)測量原理:根據(jù)圓管內(nèi)液體作層流流動建立的。模型特征：特性處于恒穩(wěn)流動狀態(tài)，即體系中任何一點位置上的流動速度（大小和方向）不隨時間改變。

第51頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(2)常見毛細(xì)管粘度計結(jié)構(gòu)及使用方法:毛細(xì)管粘度計種類很多，一般可以分為三大類:

①定速流動式(活塞式)，測定時，可使液體以恒定流速通過毛細(xì)管。適于測定粘度隨流動速度變化的非牛頓流體；

②定壓流動式，通常以恒定氣壓控制毛細(xì)管中壓力維持不變，如槍式流變儀。適于測定具有觸變性或具有屈服應(yīng)力的流體；

③位差式，流動壓力靠液體自重產(chǎn)生。這也是最常見的毛細(xì)管粘度計類型。它多用來測定較低粘度的液體。第52頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

（a）奧氏粘度計：如圖所示。粘度計由導(dǎo)管、毛細(xì)管和球泡組成。毛細(xì)管的孔徑和長度有一定的規(guī)格和精度要求。球泡兩端導(dǎo)管上都有刻線(如M1、M2等)，刻線之間導(dǎo)管和球泡的容積也有一定規(guī)格和較高精度要求。測定時，先把一定量(一定體積)的液體注入左邊管，然后，將乳膠管套在右邊導(dǎo)管的上部開口，把注入的液體抽吸到右管，直到上液面超過刻線M1。這時，使粘度計垂直豎立，去掉上部膠管，使液體在自重下向左管回流。測定液面通過M1至M2之間所需的時間，即一定量液體通過毛細(xì)管的時間。往往需要測定多次，取平均值。通過對標(biāo)準(zhǔn)液和試樣液通過時間的測定，就可求出液體粘度。

第53頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(b)烏式粘度計:烏式粘度計由三根豎管組成，其中右邊的第三根管與中間球泡管的下部旁通。即在球泡管下部有一個小球泡與右管連通。這一結(jié)構(gòu)可以在測量時，使流經(jīng)毛細(xì)管的液體形成一個氣懸液柱，也就是減少了因左邊導(dǎo)管液面升高對毛細(xì)管中液流壓力差帶來的影響。

測定方法是:首先向左管注入液體，然后堵住右管，由中間管吸上液體，直至充滿上面的球泡。這時，同時打開中間管和右管，使液體自由流下。測定液面由M1到M2的時間。粘度值求法與奧氏粘度計相同。

烏式粘度計與奧氏粘度計相比有如下優(yōu)點:奧氏粘度計在液體流動時，由于左管液面上升對液柱的壓力差有較大影響，因此不僅誤差大，而且還要求每次加入的液量要準(zhǔn)確、一定。相比之下，烏式粘度計對加入液量精度的要求略低一些。第54頁,共94頁，2024年2月25日，星期天3.3.2圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計

(1)測量原理:設(shè)半徑為Rb(Ri)和Rc(R0)的兩圓筒同心套疊在一起(如圖3-27所示)外筒固定，內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)角速度為ωb(ωi)，內(nèi)筒在液體中的高度為h，內(nèi)外筒底之間的距離為l,則液體的粘度可能下面的的馬占列式方程計算:

式中，M——作用于內(nèi)筒的力矩。第55頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(2)圓筒粘度計的基本構(gòu)造及粘度測量:圓筒粘度計一般由三個主要部分組成:①測量系統(tǒng);②轉(zhuǎn)矩測量機構(gòu);③驅(qū)動機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)粘度計的結(jié)構(gòu)和原理如圖所示。圖中M為同步電動機，B為轉(zhuǎn)筒，C為外筒，P為指針，S為彈簧，T為傳感器。第56頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

4固態(tài)與半固態(tài)食品的流變特性

4.1固態(tài)與半固態(tài)食品的流變學(xué)基礎(chǔ)

食品中有許多東西屬于固體和半固體。當(dāng)給它們施以作用力時，會發(fā)生相應(yīng)的變形，去掉作用力后，又會發(fā)生彈性恢復(fù)。實際的物質(zhì)，尤其是食品物質(zhì)，往往即表現(xiàn)彈性的性質(zhì)，又表現(xiàn)粘性的性質(zhì)。即它們的力學(xué)性質(zhì)不像完全彈性體那樣僅用力與變形的關(guān)系來表示，還與力的作用時間有關(guān)。食品的力學(xué)性質(zhì)由化學(xué)組成，分子構(gòu)造，分子內(nèi)結(jié)合、分子間結(jié)合、膠體組織，分散狀態(tài)等因素決定。因此，通過測定食品的粘彈性就可以把握以上食品的狀態(tài)。

第57頁,共94頁，2024年2月25日，星期天變形

一般固體施以作用力，則產(chǎn)生變形；去掉力后，又會產(chǎn)生彈性恢復(fù)。把使之恢復(fù)的力稱為內(nèi)應(yīng)力。如果去掉外力，內(nèi)應(yīng)力也消失，這種性質(zhì)也稱為彈性。研究物體的變形以及粘彈性時，經(jīng)常用應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線來分析。第58頁,共94頁，2024年2月25日，星期天屈服點：當(dāng)載荷增加，應(yīng)力達到最大值后，應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變依然增加時的點。塑性：物質(zhì)產(chǎn)生永久變形的能力。破斷點：在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上，作用力引起物質(zhì)破碎或斷裂的點，生物物質(zhì)的破斷，包括殼和表皮的破裂、整體脆裂、表面產(chǎn)生斷裂裂縫等。第59頁,共94頁，2024年2月25日，星期天1食品的變形

OL為直線段，L稱彈性極限點

力與變形成正比，比例系數(shù)稱彈性模量。Y為屈服點，達到屈服點時，食品材料開始屈服并產(chǎn)生流動，發(fā)生屈服時所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。超過屈服點后增加應(yīng)變時應(yīng)力并不明顯增加，這個階段稱為塑性變形。繼續(xù)增加應(yīng)變，應(yīng)力也隨之增加，達到R點時，試樣發(fā)生大規(guī)模破壞，R點稱為斷裂點，它所對應(yīng)的應(yīng)力稱為斷裂極限。第60頁,共94頁，2024年2月25日，星期天食品的斷裂形式

(1)脆性斷裂:屈服點與斷裂點一致。圖中斷裂點的應(yīng)力σR＝σ(εR)，斷裂應(yīng)變?yōu)棣臨可用下面斷裂所需要的能量（斷裂能）Wn表示為：

式中，C——換算系數(shù)

A——面積第61頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(2)塑性斷裂:試樣經(jīng)過塑性變形后斷裂。食品中這種斷裂也很多，如面包、面條、米飯、水果、蔬菜等。有些糖果，當(dāng)緩慢拉伸時產(chǎn)生塑性斷裂，急速拉伸時產(chǎn)生脆性斷裂。第62頁,共94頁，2024年2月25日，星期天2食品的彈性物體在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后恢復(fù)原來狀態(tài)的性質(zhì)稱為彈性。撤去外力后形變立即完全消失的彈性稱為完全彈性。形變超過某一限度時，物體不能完全恢復(fù)原來狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限?；⒖硕桑涸趶椥詷O限范圍內(nèi)，外力F和變形量d之間成正比關(guān)系，即

F＝kd

（k為彈性系數(shù)）

第63頁,共94頁，2024年2月25日，星期天4個實用彈性系數(shù)

(1)彈性模量(楊氏模量)

設(shè)當(dāng)沿著橫截面為A、長度為L的均勻彈性棒的軸線方向施加力F時，棒伸長了d,則單位面積的作用力σn為σn＝F/A

式中，σn——拉伸應(yīng)力（N/m2)。單位長度的伸長量εn為:εn＝d/L，εn——拉伸應(yīng)變。在彈性限度范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間符合虎克定律，即σn＝E·εn

E稱彈性模量(楊氏模量)，單位是N/m2

。第64頁,共94頁，2024年2月25日，星期天(2)剪切模量

如圖固定立方體的底面，上面沿切線方向施加力F時，發(fā)生這種變形稱剪切變形。設(shè)立方體的上面移動距離為d，與它對應(yīng)的角度高度為H,則上面單位面積上的作用力στ為στ＝F/A

στ稱為剪切應(yīng)力。相應(yīng)的形變ετ為ετ＝d/H＝tanθ=θ

ετ稱為剪切應(yīng)變。由虎克定律可得στ＝G·ετ＝G·θ

G稱為剪切模量，單位是N/m2。

第65頁,共94頁，2024年2月25日，星期天(3)體積模量

設(shè)體積為V的物體表面所受的靜水壓為p,當(dāng)壓力由p增大到p+△p時，物體體積減少了△V。則體積應(yīng)變εV為假設(shè)壓力的變化△p和體積應(yīng)變εV之間符合虎克定律，則式中，K為體積模量，它是材料的固有性質(zhì)，單位是N/m2。第66頁,共94頁，2024年2月25日，星期天(4)泊松比

把棒狀試樣沿軸線方向拉伸時，除了在軸方向發(fā)生拉伸應(yīng)變εn外，橫方向也產(chǎn)生壓縮應(yīng)變εe。且有下列關(guān)系

εe＝－μ·εn

比例系數(shù)μ是物質(zhì)的固有常數(shù)，稱泊松比。它是無量綱的量。在拉伸或壓縮面團、凝膠等食品的過程中，物體的體積不發(fā)生變化，則泊松比等于0.5；海綿狀食品（如面包)，在壓縮的垂直方向沒有明顯的變形，則μ=0；土豆的泊松比為0.49，蘋果的泊松比為0.37。

第67頁,共94頁，2024年2月25日，星期天各彈性模量及泊松比之間的關(guān)系

在虎克固體的條件下,由于物質(zhì)具有各向同性,以上三個彈性模量(E,K,G)以及泊松比(μ)之間存在著互換關(guān)系,如果知道其中兩個,其他兩個就可以按關(guān)系式計算出來。第68頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

4.2力學(xué)模型4.2.1食品的粘彈性

(1)粘彈性:許多食品往往既表現(xiàn)彈性性質(zhì)，又表現(xiàn)粘性性質(zhì)。例如，把圓柱形面團的一端固定，另一端用定載荷拉伸。此時面團如粘稠液體慢慢流動。當(dāng)去掉載荷時，被拉伸的面團收縮一部分(這種現(xiàn)象稱回彈現(xiàn)象，是彈性表現(xiàn))，但面團不能完全恢復(fù)原來長度，有永久變形，這是粘性流動表現(xiàn)，即面團同時表現(xiàn)出類似液體的粘性和類似固體的彈性。我們把這種既有彈性又可以流動的現(xiàn)象稱為粘彈性，具有粘彈性的物質(zhì)稱為粘彈性體(或半固態(tài)物質(zhì))。第69頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)不像完全彈性體那樣僅用力與變形的關(guān)系來表示，還與力的作用時間有關(guān)。所以，研究粘彈性體的力學(xué)物性時，掌握力與變形隨時間變化的規(guī)律是非常重要的。研究粘彈性時要用到應(yīng)力松弛和蠕變兩個重要概念。（2）應(yīng)力松弛:所謂應(yīng)力松弛是指試樣瞬時變形后，在變形(應(yīng)變)不變情況下，試樣內(nèi)部的應(yīng)力隨時間的延長而減少的過程。值得注意的是，應(yīng)力松弛是以一定大小的應(yīng)變?yōu)闂l件的。（3）蠕變:蠕變和應(yīng)力松弛相反。蠕變是指把一定大小的力(應(yīng)力)施加于粘彈性體時，物體的變形(應(yīng)變)隨時間的變化而逐漸增加的現(xiàn)象。要注意，蠕變是以一定大小的應(yīng)力為條件的。

第70頁,共94頁，2024年2月25日，星期天4.2.2粘彈性的力學(xué)模型

1單要素模型

(1)虎克模型在研究粘彈性體時，其彈性部分往往用一個代表彈性體的模型表示?；⒖四Ｐ捅闶怯靡桓硐氲膹椈杀硎緩椥缘哪Ｐ停虼艘卜Q“彈簧體模型”或“虎克體”?；⒖四Ｐ痛硗耆珡椥泽w的力學(xué)表現(xiàn)，即加上載荷的瞬間同時發(fā)生相應(yīng)的變形，變形大小與受力的大小成正比。第71頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

(2)阻尼模型：流變學(xué)中把物體粘性性質(zhì)用一個阻尼體模型表示，因此稱為“阻尼模型”或“阻尼體”。阻尼模型瞬時加載時，阻尼體即開始運動；當(dāng)去載時阻尼模型立即停止運動，并保持其變形，沒有彈性恢復(fù)。阻尼模型既可表示牛頓流體性質(zhì)，也可表示非牛頓流體性質(zhì)。

(3)滑塊模型：滑塊模型雖不能獨立地用來表示某種流變性質(zhì)，但常與其他流變元件組合，表示有屈服應(yīng)力存在的塑性流體性質(zhì)。第72頁,共94頁，2024年2月25日，星期天第73頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

2麥克斯韋模型

麥克斯韋模型是由一個彈簧和一個粘壺串聯(lián)組成的，當(dāng)模型一端受力而被拉伸一定長度時，由于彈簧可在剎那間變形，而粘壺由于粘性作用來不及移動，彈簧首先被拉開，然后在彈簧恢復(fù)力作用下，粘壺粘性起作用，隨時間的增加而逐漸被拉開，彈簧受到的拉力也逐漸減小，直到零。這就類似于應(yīng)力松弛過程。第74頁,共94頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共94頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)力松弛：黏彈體受力變形時，存在恢復(fù)變形的彈性應(yīng)力。但由于內(nèi)部粒子也具有流動的性質(zhì)，當(dāng)在內(nèi)部應(yīng)力作用下，各部分流到平衡位置，產(chǎn)生永久變形時，內(nèi)部的應(yīng)力也就消失。這一現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。應(yīng)力完全消失的時間非常長。為了表示應(yīng)力松弛的快慢，定義τM為應(yīng)力松弛時間。米飯、雞肉實驗第76頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

3伏格特-開爾芬模型

黏彈體的流變特征之一，就是在一定的作用力下會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，研究蠕變最簡單的模型就是開爾芬模型。模型是由一個彈簧和一個粘壺并聯(lián)組成，當(dāng)模型上作用恒定外力時，由子粘壺作用，彈簧不能被立即拉開，而是緩慢發(fā)生形變。去掉外力后，在彈簧回復(fù)力的作用下，又可慢慢恢復(fù)原狀，無剩余變形，故類似于蠕變過程。在這個模型中，作用于模型上的應(yīng)力是由彈簧和粘壺共同承擔(dān)的，而彈簧和粘壺的形變是相同的，并且與模型的總形變一致。第77頁,共94頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)施加一個恒定作用力σ0時，由于粘性阻滯的作用，虎克體只能逐漸變形，直到t=∞時，虎克體才能伸長到與作用力平衡的位置。當(dāng)變形到一定程度后，在某時刻t1突然除去作用力，虎克體同樣不能立刻恢復(fù)到無應(yīng)力的狀態(tài)，也要滯后很長時間，稱這種現(xiàn)象為彈性滯后。理論上，彈性恢復(fù)需要很長時間。第78頁,共94頁，2024年2月25日，星期天可以推導(dǎo)出，釋放應(yīng)力后該模型的形變隨時間的變化規(guī)律為：

t1——解除應(yīng)力的時刻；

ε1——解除應(yīng)力時的最大形變。第79頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

4多要素模型

麥克斯韋模型和開爾芬模型雖然可以代表粘彈性體的某些流變規(guī)律。但這兩個模型與實際的粘彈性體還有一定的差距。如麥克斯韋模型不能說明彈性滯后和殘余應(yīng)力，開爾芬模型缺乏黏彈體實際存在的應(yīng)力松弛，為了更確切地用模型表述實際粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)，就需要用更多的原件組成所謂的多要素模型。四要素模型就是最基本的多要素模型。

第80頁,共94頁，2024年2月25日，星期天(1)四要素模型:

四要素模型有許多等效表現(xiàn)形式，如圖所示。在研究不同的流變現(xiàn)象時，為了解析方便，可以選用不同的等效模型。

第81頁,共94頁，2024年2月25日，星期天

四要素模型的應(yīng)力松弛過程解析

由圖所示的四要素模型等效，因此可選用圖(b)所示的模型分析應(yīng)力松弛情況。這一模型是由2個麥克斯韋模型并聯(lián)而成?？倯?yīng)力等于2個麥克斯韋模型應(yīng)力之和。設(shè)這2個麥克斯韋模型各元件的粘彈性參數(shù)分別為η1、E1、η2、E2，兩個模型的應(yīng)力松弛時間分別為τ1=η1/E1，τ2=η2/E2，在恒定應(yīng)變ε0情況下，應(yīng)力松弛公式為E1η1E2η2圖4-11四要素模型的應(yīng)力松弛曲線見書P77圖4-12(a)第82頁,共94頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)施加載荷σ時，立刻發(fā)生σ/E1應(yīng)變，然后的形變由?1阻尼體在速度σ/?1下的運動與開爾芬模型彈性滯后運動的疊加。

σ/E2σ/E1σ/?1蠕變?nèi)渥兓謴?fù)σ/E1ε（t）tt1當(dāng)t=∞，開爾芬模型變形停止，曲線逐漸平行于?1阻尼體的變形曲線當(dāng)在時刻t1去掉載荷，模型將發(fā)生蠕變恢復(fù)，E1的虎克體瞬時恢復(fù)到原長，開爾芬模型在t=∞后完全恢復(fù)，而阻尼體的變形無法恢復(fù)，整個模型將產(chǎn)生殘余形變，大小為σ·t1/?1。四要素模型的蠕變過程解析圖4-11（a）E1E2?2?1第83頁,共94頁，2024年2月25日，星期天四要素模型的蠕變過程解析

(2)三要素模型:

三要素模型可看作是四要素模型的一個特例。例如，當(dāng)粘彈性體存在著不能完全松弛的殘余應(yīng)力，就可以認(rèn)為圖(a)所示的四要素模型中η2＝∞,即η2的阻尼體成了不能流動的剛性連接。這時的模型可簡化為下圖所示的三要素模型。因為η2＝∞，τ2＝∞，應(yīng)力松弛式變?yōu)椋旱?4頁,共94頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)粘彈性體存在不完全松弛的殘余應(yīng)力，我們可以把模型1中?2=∞，即?2成為不能流動的剛性連接，此時模型1可簡化成模型212∵?2=∞,∴τ2=∞,此時應(yīng)力松弛式應(yīng)為：σ=ε0E1e-t/τ1+ε0E2當(dāng)t=∞，存在殘余應(yīng)力。tε0E1ε0E20σ=ε0E1e-t/τ1+ε0E2第85頁,共94頁，2024年2月25日，星期天三要素模型在