物料的光學特性第二章

1、4固態(tài)與半固態(tài)食品的流變特性固態(tài)與半固態(tài)食品的流變特性 4.1固態(tài)的流變特性固態(tài)的流變特性 1)食品的變形 OL為直線段，L稱彈性極限點，在彈性極 限范圍內，力與變形成正比，比例系數 稱彈性模量。Y為屈服點，達到屈服點時， 食品材料的一部分結構單元被破壞，開 始屈服并產生流動，發(fā)生屈服時所對應 的應力稱為屈服應力。超過屈服點后增 加應變時應力并不明顯增加，這個階段 稱為塑性變形。繼續(xù)增加應變，應力也 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，它所對應的應力 稱為斷裂極限(或斷裂強度)。 把試樣放在萬能試驗儀的固定板上，活動 板以一定速率壓試樣時，食品的典型壓縮 變形曲線 (1

2、)脆性斷裂:特點是屈服點與斷裂點一致。 式中，C換算系數 A面積 (2)塑性斷裂:特點是試樣經過塑性變形后斷裂 2) 彈性彈性 物體在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后恢復原來狀態(tài)物體在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后恢復原來狀態(tài) 的性質稱為彈性。撤去外力后形變立即完全消失的彈性的性質稱為彈性。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，物體不能完全恢稱為完全彈性。形變超過某一限度時，物體不能完全恢 復原來狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍復原來狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍 內，外力內，外力F和變形量和變形量d之間成正比關系，即之間成正比關系，即 Fkd

3、 上式稱為虎克定律，式中比例系數上式稱為虎克定律，式中比例系數k為彈性系數。為彈性系數。 3種類型：種類型：受正應力作用產生的軸向應變；受正應力作用產生的軸向應變；受表面壓受表面壓 力作用的體積應變；力作用的體積應變；受剪切應力作用發(fā)生的剪切應變。受剪切應力作用發(fā)生的剪切應變。 (1)彈性模量(楊氏模量) 物體受正應力作用,產生軸向的變 形稱拉伸(或壓縮)變形，表示拉伸 變形的彈性模量也稱作楊氏模量 nF/A nd/L nEn 比例系數E稱彈性模量(楊氏模量)，單位是N/m2 (2)剪切模量 F/A d/Htan G 比例系數G稱為剪切模量，單位是N/m2。 (3)體積模量 式中，K為體積模量

4、，它是材料的固有性質，單 位是N/m2。 (4)泊松比 比例系數是物質的固有常數，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=0。 土豆的泊松比為0.49，蘋果的泊松比為 0.37。 e n 5)幾個彈性系數之間的相互關系 式中，K為體積模量，它是材料的固有性質，單 位是N/m2。 3） 食品的粘彈性體 (1) 粘彈性:許多食品往往既表現彈性性質，又表 現粘性性質。把這種既有彈性又可以流動的現象 稱為粘彈性，具有粘彈性的物質稱為粘彈性體(或 半固態(tài)物質。 粘彈性體的

5、力學性質不像完全彈性體那樣僅用力與變形的關 系來表示，還與力的作用時間有關。所以，研究粘彈性體的 力學物性時，掌握力與變形隨時間變化的規(guī)律是非常重要的 應力松弛:所謂應力松弛是指試樣瞬時變形后，在變形(應變) 不變情況下，試樣內部的應力隨時問的延長而減少的過程。 值得注意的是，應力松弛是以一定大小的應變?yōu)闂l件的 蠕變:蠕變和應力松弛相反。蠕變是指把一定大小的力(應力) 施加于粘彈性體時，物體的變形(應變)隨時間的變化而逐漸 增加的現象。要注意，蠕變是以一定大小的應力為條件的。 (2)曳絲性 當筷子插入其中，再提起時,會觀察到一部分液 體被拉起形成絲狀，把這種現象稱為曳絲性，具有曳 絲性的液體，

6、分子之間存在著一定的結合，形成了弱 的網絡結構。曳絲性是黏性與彈性雙重性質的表現。 (3)威森伯格效果 將黏彈性液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃將黏彈性液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃 棒，當急速棒，當急速轉動玻璃棒或容器時，可觀察到液體會纏繞玻璃棒轉動玻璃棒或容器時，可觀察到液體會纏繞玻璃棒 而上，在棒周圍形成隆起于液面的液柱而上，在棒周圍形成隆起于液面的液柱,把這種現象稱作威森伯把這種現象稱作威森伯 格效果格效果 3.3.2 粘彈性的力學模型 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。虎克模型便是 用一根理想的彈簧表

7、示彈性的模型，因此 也稱“彈簧體模型”或“虎克體”?；⒖?模型代表完全彈性體的力學表現，即加上 載荷的瞬間同時發(fā)生相應的變形，變形大 小與受力的大小成正比 (2)阻尼模型 流變學中把物體粘性性質用一個阻 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。阻尼模 型既可表示牛頓流體性質，也可表 示非牛頓流體性質。 (3)滑塊模型 滑塊模型雖不能獨立地用來表滑塊模型雖不能獨立地用來表 示某種流變性質，但常與其他示某種流變性質，但常與其他 流變元件組合，表示有屈服應流變元件組合，表示有屈服應 力存在

8、的塑性流體性質?；瑝K力存在的塑性流體性質?；瑝K 模型亦稱為模型亦稱為“摩擦片摩擦片”、“文思文思 特滑片特滑片”。 2)麥克斯韋模型 由一個彈簧和一個阻尼器 串聯組成，這是最早提出的粘彈 模型。這一模型可以用來形象地 反映應力松弛過程。 當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，而阻尼器由于粘性作用來 不及移動，彈簧首先被拉開，然 后在彈簧恢復力作用下，阻尼器 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 力松弛過程。 可以推導出該模型的松 弛模量隨時間的變化規(guī) 律為： 3) 伏格特-開爾芬模型 伏格特伏格特-開爾芬模型是由一個彈

9、簧和一個開爾芬模型是由一個彈簧和一個阻尼器并聯組并聯組 成成, 此模型可以描述食品的蠕變過程。此模型可以描述食品的蠕變過程。 t1解除應力的時刻解除應力的時刻 ； 1解除應力時的最大形變。解除應力時的最大形變。 4)多要素模型 (1)四要素模型 四要素模型也稱為伯格斯模型,四要素模型還有許多 等效表現形式，在研究不同的流變現象時，為了解 析方便，可以選用不同的等效模型。 (2)三要素模型 三要素模型可以看作是四要素模型的一個特例。例如 當粘彈性體存在著不能完全松弛的殘余應力，就可以認 為四要素模型阻尼體成了不能流動的剛性連接 三要素模型 瞬時彈性模量 延遲彈性模量 黏度黏度:從卸載曲線達到平衡

10、后的曲線部分求出。已從卸載曲線達到平衡后的曲線部分求出。已 知常值應力和蠕變時間，則可從實驗值求出粘度知常值應力和蠕變時間，則可從實驗值求出粘度。 延遲時間延遲時間 若令 左邊部分即為某時間的延遲彈性變形量，可寫成左邊部分即為某時間的延遲彈性變形量，可寫成 將上式畫在半對數紙上，其結果為一條直線。直 線的斜率為,根據此斜率即可求出時間常數。 伯格斯模型開爾文元件的黏度即可求出 5)廣義模型 食品體系是一個多分散的復雜體系，在力學松弛過 程不止一個值，而是一個分布很寬的連續(xù)譜，即時間譜。 因此, 模擬實際黏彈性體的流變特征往往要建立更復 雜的模型。常見的黏彈性體流變學分析試驗多為應力松弛 或蠕變

11、試驗，常用廣義模型研究這兩種試驗的復雜流變現 象。所謂廣義模型就是把若干(M個)麥克斯韋模型或開爾芬 模型并聯或串聯而組合成的模型。 (1)廣義麥克斯韋模型 廣義麥克斯韋模型由許多麥克斯韋模型并聯而成. (2)廣義開爾芬模型 由許多開爾芬模型串聯而 成。 但是，在大多數情況下，應 力對數和時間的關系曲線是 非線性的。 小麥面團的應力松弛曲線。 這時，物料的流變性質不能用一個麥克斯韋元件表 示，需把一系列麥克斯韋元件以并聯方式聯結，構 成廣義麥克斯韋模型。 廣義麥克斯韋模型的應力松弛時間可以利用逐次余數 法確定。 用逐次余數法確定小 麥面團應力松弛數據 的方法。 首先要畫應力對數和時 間的關系曲

12、線。 在較長時間后由這條 原始曲線的直線部分的 斜率求出第一指數項的 最長松弛時間,將這條 直線延長到縱座標上， 所得截距即為第一指數 項系數。 把這條直線和原始曲線 之間的縱座標的差值畫 在同一張半對數紙上， 得出第一余數項曲線。 然后，把第一余數項曲 線的直線部分延長到縱 座標上并截取縱座標， 則第二指數項再次利用 截距和斜率求出。 從第一余數項的縱座標 減去相應的第二指數項 的縱座標，得出第二余 數項曲線，并由第二余 數項曲線推導出第三指 數項。以此類推，直到 這條原始曲線用足夠數 量的指數項表示為止。 食品流變學在食品加工中的應用 1)在奶油蛋糕加工中的應用 按表中的配方比制造的奶油蛋

13、糕 蠕變曲線，其蠕變特性可用八要素模型解釋。 式中各粘彈系數的計算結果列于表 2)在改善產品品質方面的應用 魚糕是將魚肉磨成糊后攤在木板上蒸熟 而成的一種日本食品。為研究魚糕的流變特性， 把魚糕切成長條作拉伸試驗或切成方塊形作壓 縮試驗。 試驗結果表明，魚糕的拉伸或壓縮應變與 時間的關系曲線可用伯格斯模型加以解釋，并根 據這些曲線計算彈性模量和粘性系數。用這種方 法對公認的“優(yōu)質魚糕”和“劣質魚糕”進行實 驗確立了“優(yōu)質魚糕模型”和“劣質魚糕模型”。 比較就能弄清楚它們在彈性方面或粘性方面的差 別。 通過研究發(fā)現，優(yōu)質魚糕的彈性模量值較 大。因此，可根據實驗結果對質量差的魚糕制定 改進措施，提高了產品質量。 應力松弛試驗應力松弛性質往往與食品的口感 品質有很大關系。例如人在吃米飯、面條等食 品時，雖然牙齒張合咀嚼食品，但是在牙齒咬 下到重新張開的短暫靜止之間，食品有一個很 短的應力松弛過程。這松弛時間的快慢，通過 齒齦膜傳給神經給人以某種口感。加藤等人 對各種大米的米飯團進行了應力松弛試驗，求 出了它