食品流变学

食品流变学特性流变学的基本内容：作用于物体上的应力和由此产生的应变规律，是力、变形和时间的函数主要是弹性力学和黏性流体力学。食品流变学研究的对象：各种食品和食品材料的力学性质。食品流变学研究的目的：要解决实际食品加工中出现的问题。研究食品流变学时，首先把食品按其流变性质分成几大类，如固体、液体、黏弹性体等，然后再对每种类型的物质，建立起表现其流变性质的力学模型，从这些模型的分解、组合和解析中，找出测定食品力学性质的可靠方法，或得出有效控制食品品质(力学性质)的思路。根据流变特性来区分食品物质1、固体类食品物质虎克固体是固体物质的理想概念，它具有变形与作用力大小成正比例的特性。虎克固体所遵循的虎克定律为：应力＝应变×比例系数变形与作用力的作用时间的关系曲线，表示了虎克固体一旦受力作用就立即出现变形，作用力一旦消失，变形也就完全恢复。因此虎克固体也称为理想弹性体。有许多物质在力作用下其变形不超过1%时，能基本上满足理想弹性体的特性定义，呈现出虎克固体的性质，流变学家就把这些物质不确切地称为固体。对于符合上述条件的食品物质，就归属为固体食品物质。固体食品物质的流变特性主要由弹性模量E、剪切模量G、泊松比μ、容积模量K等来表示。固体食品物质很多，例如干面团、硬糖果、核桃、蛋壳等。土豆和苹果这类食品，有时也可以归到固体物质这一类。2、牛顿液体类食品物质流体的粘度η在定量上规定为剪切应力和剪切速率的比值。对于牛顿流体，流体所受到的剪切应力与剪切速率成比例，其比例系数就是流体的粘度系数(简称粘度)。如果液体中的粘度η与剪切速度无关，符合牛顿粘性定律，这种液体就叫牛顿液体。牛顿液体没有弹性，且不可压缩，与虎克固体一样，完全的牛顿液体是不存在的。然而，有很多实际液体在剪切应力在很宽的作用范围内呈现出牛顿液体的性质，流变学家也就把这些液体不确切地称为牛顿液体。最典型的牛顿液体是水。可以归属于牛顿液体的食品物质也很多，例如：糖水溶液、低浓度牛乳、油、酒、水及其他透明稀质液体都可归属于牛顿液体，都可以用牛顿液体的粘度η来表示其流变特性。3、非牛顿液体类食品物质在牛顿液体中，液体的粘度是常数，和剪切速率无关。因此，简单地测定出η就能完全表征液体的流变特性。更多的液体却不满足牛顿粘性定律，粘度不是常数，随着剪切速率而变化。这类液体虽然不具备牛顿粘性定律，但还是具备了液体的基本特性，故称为非牛顿液体。在食品工业中有很多液体属于非牛顿液体，一股是固体悬浮液和乳状液，例如：酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉、苹果浆等等，都属于这一类液体。非牛顿液体的流变特性由表观粘度ηa，液态特性系数n和浓度系数k来表示。4、塑性流体类食品物质典型的塑性流体类食品物质有：土豆浆、浓奶油、熔化巧克力、脂肪、牛轧糖等等。这些物质在重力作用下，能保持它们的原有形状，然而，如果受到大于重力的作用力的作用，它们就能类似于液体一样的流动，移去作用力，它们就保持即时形状并停止流动。例如，在盘子里的土豆浆不可能在重力作用下流动，但在贮藏罐里靠近底部的土豆浆，所承受的压力已大于本身重力，因而会引起局部流动。根据Bingham理论，在流变学范围内描述塑性流体物质就是：当作用在物质上的剪切应力大于极限值时，物质就流动，否则，物质就保持即时形状并停正流动，这种物质称为塑性流体，或叫宾汉流体。剪切应力的极限值定义为屈服应力。塑性流体的流变特性可用屈服应力和表观粘度来表示。5、粘弹性体类食品物质如果按适当比例把面粉和水混合搅拌，就形成了面团，采用挤压或剪切把面团变成片状，如果把这片面团放置在水银上面，并捏住一端轻轻地拉动，那么面团开始是伸长，紧接着会呈现出像粘性液体一样的流动状态。一旦放开面团的末端，它就会像—片柔软的橡皮—样收缩，但变形的恢复只能是局部的，不可能是完全弹性体。这表明了面团同时呈现出液体的粘性和固体的弹性这两种性质，这种物质称为粘弹性体。粘弹性体类的食品物质还有米粉团、冻凝胶等。粘弹性体在力作用下的剪切速率和变形恢复的弹性程度可体现出它的流体待性。三、应力和应变（STRESSANDSTRAIN)1、应力单位面积上所承受的力的大小称为应力，记为σ。σ=F/A(N/m2)单位：Pa（帕），1Pa=1N/m2。兆帕（MPa）和吉帕（GPa）1MPa=106Pa，1GPa=109Pa。应力分为正应力(Normalstress)和剪切应力(shearstress)。通常将应力分解成垂直于截面的法向分量和与截面平行的切向分量。同截面垂直的作用力称为正应力，正应力可以是拉伸应力，也可以是压缩应力。同截面相切的作用力称为剪切应力。2、应变：物体在应力作用下变形量的描述，记为ε。正应变（Normalstrain):正应力作用下所引起的变形。εn=dL/Lo(无单位）固体食品的流变学食品的变形R--称为断裂点，所对应的应力称为断裂极限（或断裂强度）Y--屈服点，所对应的应力称为屈服应力。L--称弹性极限点（1）脆性断裂：特点是屈服点与断裂点一致（2）塑性断裂塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂。食品中这种断裂也很多，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。有些糖果，当缓慢拉仲时产生塑性断裂，急速拉仲时产生脆性断裂。物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状态的性质称为弹性。撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为完全弹性。形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态，这种限度称为弹性极限。在弹性极限范围内，外力和变形量之间成正比关系。对于确定的材料，应力与应变之间存在一定的关系；实验表明：当正应力小于一定数值时，即在线弹性范围内加载时，外力F与其相应的变形量d成正比。引入比例常数k，F=kdk称为弹性系数四种弹性系数弹性摸量（E，elasticitymodulus）又称杨氏模量（Young’smodulus）；它是固体食品的力学性质之一，是衡量食品材料抵抗弹性变形能力的一个指标，抗拉伸和压缩的一个指标；对同一材料，弹性模量E为常数。E的数值随材料而异，由试验测定。弹性模量E的单位与应力的单位相同。设当沿着横截面为A、长度为L的均匀弹性棒的轴线方向施加力F时，棒伸长了d，单位面积的作用力σn为σn＝F/Aσn——拉伸应力（N/m2)εn＝d/L在弹性限度范围内，应力和应变之间符合虎克定律，即σn＝E·εnE物理意义：物质单位变形所需要的力。剪切模量（Shearmodulus）στ＝G·ετ＝G·θG物理意义：物体单位剪切变形所需要的剪切应力。体积模量（Bulkmodulus）设体积为V的物体表面所受的静水压为p，当压力由p增大到p+△p时，物体体积减少了△V：VVΔεV−=假设压力的变化△p和体积应变εV之间符合虎克定律，则：VdVKdp−=)dVdp(VV/dVdpK−==其中，K为体积模量，是材料的固有性质，单位N/m2。1/K称为压缩率。泊松比固体被拉伸或压缩时，其长度变化的同时其宽度也发生变化。泊松比：在弹性范围内，受正应力作用的固体，其横向收缩和纵向拉长两者之间的比值。测量方法液体食品流变学微元的上下两层流体接触面积为A(m2)、两层距离为dy(m)，两层间黏性阻力为F(N)，两层的流速分别为u和u+du(m/s)。这一流体微元，可以看成是在某一短促时间dt(s)内发生了剪切变形的过程。剪切应变ε一般用它在剪切应力作用下转过的角度(弧度)来表示，即ε=θ=dx/dy。则剪切应变的速率为应变大小与应变所需时间之比：应变速率=应变/时间应变速率又称剪切速率，单位：s-1剪切应力σ=F/A，单位Pa应力/剪切速率=黏度系数（η）εησ&⋅=比例系数（η）称为黏度：是液体流动时由分子之间的摩擦产生的。牛顿流体的特点剪切应力与剪切速率成正比的流体，称为牛顿流体。牛顿流体的特征是：剪切应力与剪切速率成正比；黏度不随剪切速率的变化而变化。也就是在层流状态下，黏度是一个不随流速变化而变化的常量。严格的讲：理想的牛顿流体没有弹性，且不可压缩，各向同性。非牛顿流体的流变学特性假塑性流体nεkσ&⋅=当0＜n＜1时，表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少，这时流体的流动，称为假塑性流动。因为随着剪切速率的增加，表观黏度减少，所以还称为剪切稀化流动。符合假塑性流动规律的流体称为假塑性流体。胀塑性流体如果1＜n＜∞，则称为胀塑性流体。它的特征是，表观黏度随剪切应力或剪切速率的增大而增大。由于这一特点，胀塑性流动也被称为剪切增稠流动。表现为胀塑性流动的流体，称为胀塑性流体。食品体系中典型的胀塑性流体是淀粉糊。塑性流体在流变学范围内将具有下述性质的物质称为塑性流体:当作用在物质上的剪切应力大于极限值时，物质开始流动，否则，物质就保持即时形状并停止流动。剪应力的极限值定义为屈服应力，所谓屈服应力是指能使物体发生流动的最小应力，用σ0表示。塑性流体的流动状态方程为:n0εμσσ&⋅=−对于塑性流动来说，当应力超过屈服应力σ0时，流动特性符合牛顿流动规律的，称为宾汉流动，流动特性不符合牛顿流动规律的流动称为非宾汉塑性流动，这些流体的剪切黏度随剪切速率的变化而变化。把具有宾汉流动特性的液体称为宾汉流体，具有非宾汉流动特性的液体称为非宾汉流体，称为H-B（Herschel-Bulkley）流体。流动特性曲线不通过坐标原点。表观黏度：触变性：当液体在振动、搅拌、摇动时黏性减少，流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的现象。触变性流体的机理：随着剪切应力的增加，粒子间结合的结构受到破坏，黏性减少。当作用力停止时粒子间结合的构造逐渐恢复原样，但需要一段时间。因此，剪切速率减少时的曲线与增加时的曲线不重叠，形成了与流动时间有关的履历曲线(滞后曲线)。一般来说，有触变现象的食品口感比较柔和爽口。胶变性(rheopexy)流动与触变性流动相反，即液体随着流动时间的增加，变得越来越就稠。由其特性曲线可以看出，当流速加大，达到最大值后，再减低流速，减低流速时的流动曲线反而在加大流速曲线的上方。这说明流动促进了液体粒子间构造的形成。因此，这种现象也被称为逆触变现象(negativethixotropy)。有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感。„Thefamousexamplefortheelasticrecoilphenomenonofviacoelasticmaterialiswheatflourdough.TheelasticrecoilpropertiesofdifferentmaterialFluidkindsElasticrecoilpropertyNewtonianfluidzeroNon-NewtonianfluidverysmallPlasticFluidcertainViscoelasticmaterialbiggerHookeansolidcompleteThreadFormingProperty„WhenputachopstickintosomeViscoelasticmaterial,thenpickitup,andthreadformingphenomenoncanbefound------Threadformingproperty.„Mechanism:softnetstructurebecauseofthelinkingbetweendifferentmolecules.„Determination:GlassrodwithD=1mm,dippingintodeterminedmaterialfor1cm,thentherodbeingputupwithvelocity5cm/s,thelengthbeingpickedupinthemomentthethreadbeingbrokenisregardasthreadformingproperty.„Threadformingpropertyistheexpressionofviscousandelasticproperties.半固体食品的流变学特性„Solid:stress,elasticdeformationTherheologicalpropert