物料的光學(xué)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(diǎn)，在彈性極 限范圍內(nèi)，力與變形成正比，比例系數(shù) 稱彈性模量。Y為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)， 食品材料的一部分結(jié)構(gòu)單元被破壞，開 始屈服并產(chǎn)生流動(dòng)，發(fā)生屈服時(shí)所對(duì)應(yīng) 的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。超過屈服點(diǎn)后增 加應(yīng)變時(shí)應(yīng)力并不明顯增加，這個(gè)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(dá)到R點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生大規(guī)模 破壞，R點(diǎn)稱為斷裂點(diǎn)，它所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 稱為斷裂極限(或斷裂強(qiáng)度)。 把試樣放在萬能試驗(yàn)儀的固定板上，活動(dòng) 板以一定速率壓試樣時(shí)，食品的典型壓縮 變形曲線 (1

2、)脆性斷裂:特點(diǎn)是屈服點(diǎn)與斷裂點(diǎn)一致。 式中，C換算系數(shù) A面積 (2)塑性斷裂:特點(diǎn)是試樣經(jīng)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(fù)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(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(shí)，物體不能完全恢稱為完全彈性。形變超過某一限度時(shí)，物體不能完全恢 復(fù)原來狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍復(fù)原來狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍 內(nèi)，外力內(nèi)，外力F和變形量和變形量d之間成正比關(guān)系，即之間成正比關(guān)系，即 Fkd

3、 上式稱為虎克定律，式中比例系數(shù)上式稱為虎克定律，式中比例系數(shù)k為彈性系數(shù)。為彈性系數(shù)。 3種類型：種類型：受正應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)變；受正應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)變；受表面壓受表面壓 力作用的體積應(yīng)變；力作用的體積應(yīng)變；受剪切應(yīng)力作用發(fā)生的剪切應(yīng)變。受剪切應(yīng)力作用發(fā)生的剪切應(yīng)變。 (1)彈性模量(楊氏模量) 物體受正應(yīng)力作用,產(chǎn)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(shù)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(shù)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(zhì)，單 位是N/m2。 (4)泊松比 比例系數(shù)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(tuán)、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(gè)彈性系數(shù)之間的相互關(guān)系 式中，K為體積模量，它是材料的固有性質(zhì)，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(xiàn)彈性性質(zhì)，又表 現(xiàn)粘性性質(zhì)。把這種既有彈性又可以流動(dòng)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)。 粘彈性體的

5、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(shí)間有關(guān)。所以，研究粘彈性體的 力學(xué)物性時(shí)，掌握力與變形隨時(shí)間變化的規(guī)律是非常重要的 應(yīng)力松弛:所謂應(yīng)力松弛是指試樣瞬時(shí)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(shí)問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 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(shí)，物體的變形(應(yīng)變)隨時(shí)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。 (2)曳絲性 當(dāng)筷子插入其中，再提起時(shí),會(huì)觀察到一部分液 體被拉起形成絲狀，把這種現(xiàn)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(jié)合，形成了弱 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。曳絲性是黏性與彈性雙重性質(zhì)的表現(xiàn)。 (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(dāng)急速棒，當(dāng)急速轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃棒或容器時(shí)，可觀察到液體會(huì)纏繞玻璃棒轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃棒或容器時(shí)，可觀察到液體會(huì)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(xiàn)象稱作威森伯把這種現(xiàn)象稱作威森伯 格效果格效果 3.3.2 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(shí)，其彈性部分往往用一 個(gè)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(xué)表現(xiàn)，即加上 載荷的瞬間同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變形，變形大 小與受力的大小成正比 (2)阻尼模型 流變學(xué)中把物體粘性性質(zhì)用一個(gè)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(shí) 加載時(shí)，阻尼體即開始運(yùn)動(dòng)；當(dāng)去 載時(shí)阻尼模型立即停止運(yùn)動(dòng)，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(dú)立地用來表滑塊模型雖不能獨(dú)立地用來表 示某種流變性質(zhì)，但常與其他示某種流變性質(zhì)，但常與其他 流變?cè)M合，表示有屈服應(yīng)流變?cè)M合，表示有屈服應(yīng) 力存在

8、的塑性流體性質(zhì)。滑塊力存在的塑性流體性質(zhì)?；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(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器 串聯(lián)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(yīng)力松弛過程。 當(dāng)模型一端受力而被拉伸一 定長度時(shí)，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(dòng)，彈簧首先被拉開，然 后在彈簧恢復(fù)力作用下，阻尼器 粘性起作用，隨時(shí)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。 可以推導(dǎo)出該模型的松 弛模量隨時(shí)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(gè)彈

9、簧和一個(gè)開爾芬模型是由一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器并聯(lián)組并聯(lián)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(yīng)力的時(shí)刻解除應(yīng)力的時(shí)刻 ； 1解除應(yīng)力時(shí)的最大形變。解除應(yīng)力時(shí)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(xiàn)形式，在研究不同的流變現(xiàn)象時(shí)，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(gè)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) 為四要素模型阻尼體成了不能流動(dòng)的剛性連接 三要素模型 瞬時(shí)彈性模量 延遲彈性模量 黏度黏度:從卸載曲線達(dá)到平衡

10、后的曲線部分求出。已從卸載曲線達(dá)到平衡后的曲線部分求出。已 知常值應(yīng)力和蠕變時(shí)間，則可從實(shí)驗(yàn)值求出粘度知常值應(yīng)力和蠕變時(shí)間，則可從實(shí)驗(yàn)值求出粘度。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間 若令 左邊部分即為某時(shí)間的延遲彈性變形量，可寫成左邊部分即為某時(shí)間的延遲彈性變形量，可寫成 將上式畫在半對(duì)數(shù)紙上，其結(jié)果為一條直線。直 線的斜率為,根據(jù)此斜率即可求出時(shí)間常數(shù)。 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(gè)多分散的復(fù)雜體系，在力學(xué)松弛過 程不止一個(gè)值，而是一個(gè)分布很寬的連續(xù)譜，即時(shí)間譜。 因此, 模擬實(shí)際黏彈性體的流變特征往往要建立更復(fù) 雜的模型。常見的黏彈性體流變學(xué)分析試驗(yàn)多為應(yīng)力松弛 或蠕變

11、試驗(yàn)，常用廣義模型研究這兩種試驗(yàn)的復(fù)雜流變現(xiàn) 象。所謂廣義模型就是把若干(M個(gè))麥克斯韋模型或開爾芬 模型并聯(lián)或串聯(lián)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(lián)而成. (2)廣義開爾芬模型 由許多開爾芬模型串聯(lián)而 成。 但是，在大多數(shù)情況下，應(yīng) 力對(duì)數(shù)和時(shí)間的關(guān)系曲線是 非線性的。 小麥面團(tuán)的應(yīng)力松弛曲線。 這時(shí)，物料的流變性質(zhì)不能用一個(gè)麥克斯韋元件表 示，需把一系列麥克斯韋元件以并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)，構(gòu) 成廣義麥克斯韋模型。 廣義麥克斯韋模型的應(yīng)力松弛時(shí)間可以利用逐次余數(shù) 法確定。 用逐次余數(shù)法確定小 麥面團(tuán)應(yīng)力松弛數(shù)據(jù) 的方法。 首先要畫應(yīng)力對(duì)數(shù)和時(shí) 間的關(guān)系曲

12、線。 在較長時(shí)間后由這條 原始曲線的直線部分的 斜率求出第一指數(shù)項(xiàng)的 最長松弛時(shí)間,將這條 直線延長到縱座標(biāo)上， 所得截距即為第一指數(shù) 項(xiàng)系數(shù)。 把這條直線和原始曲線 之間的縱座標(biāo)的差值畫 在同一張半對(duì)數(shù)紙上， 得出第一余數(shù)項(xiàng)曲線。 然后，把第一余數(shù)項(xiàng)曲 線的直線部分延長到縱 座標(biāo)上并截取縱座標(biāo)， 則第二指數(shù)項(xiàng)再次利用 截距和斜率求出。 從第一余數(shù)項(xiàng)的縱座標(biāo) 減去相應(yīng)的第二指數(shù)項(xiàng) 的縱座標(biāo)，得出第二余 數(shù)項(xiàng)曲線，并由第二余 數(shù)項(xiàng)曲線推導(dǎo)出第三指 數(shù)項(xiàng)。以此類推，直到 這條原始曲線用足夠數(shù) 量的指數(shù)項(xiàng)表示為止。 食品流變學(xué)在食品加工中的應(yīng)用 1)在奶油蛋糕加工中的應(yīng)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(shù)的計(jì)算結(jié)果列于表 2)在改善產(chǎn)品品質(zhì)方面的應(yīng)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(yàn)或切成方塊形作壓 縮試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，魚糕的拉伸或壓縮應(yīng)變與 時(shí)間的關(guān)系曲線可用伯格斯模型加以解釋，并根 據(jù)這些曲線計(jì)算彈性模量和粘性系數(shù)。用這種方 法對(duì)公認(rèn)的“優(yōu)質(zhì)魚糕”和“劣質(zhì)魚糕”進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)確立了“優(yōu)質(zhì)魚糕模型”和“劣質(zhì)魚糕模型”。 比較就能弄清楚它們?cè)趶椥苑矫婊蛘承苑矫娴牟?別。 通過研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)魚糕的彈性模量值較 大。因此，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)質(zhì)量差的魚糕制定 改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 應(yīng)力松弛試驗(yàn)應(yīng)力松弛性質(zhì)往往與食品的口感 品質(zhì)有很大關(guān)系。例如人在吃米飯、面條等食 品時(shí)，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(gè)很 短的應(yīng)力松弛過程。這松弛時(shí)間的快慢，通過 齒齦膜傳給神經(jīng)給人以某種口感。加藤等人 對(duì)各種大米的米飯團(tuán)進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn)，求 出了它