十二章品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)

1、 首先應(yīng)弄清的兩個(gè)基本概念首先應(yīng)弄清的兩個(gè)基本概念 食品流變食品流變(rheology)：指食品膠體的粘性、彈性、粘彈性和塑性等基本內(nèi)容。 食品質(zhì)構(gòu)食品質(zhì)構(gòu)(texture): 一詞本指織物的編織組織。后來(lái)在食品中用來(lái)表示人們對(duì)某種食品的口感情況。 matz（1962年）年），他認(rèn)為：質(zhì)品是除溫度感覺(jué)和痛覺(jué)以外的食品物理性質(zhì)，它主要由口腔中皮膚及肌肉的感覺(jué)來(lái)感知。 bounce (1982)對(duì)質(zhì)構(gòu)作了更為全面的定義，具體包括如下四個(gè)方面：它是食品的一組物理性質(zhì)，主要由食品組織結(jié)構(gòu)決定的力學(xué)性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)。它主要由人的觸覺(jué)，一般是口腔，也包括人體其他部位，如手指所感知。它與味覺(jué)、嗅覺(jué)等化學(xué)知覺(jué)

2、無(wú)關(guān)。它可以用儀器測(cè)定。并可用長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間來(lái)表示。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(1979)對(duì)質(zhì)構(gòu)定義：對(duì)質(zhì)構(gòu)定義：食品所有流變學(xué)和結(jié)構(gòu)（同何和表面）的屬性，它們由力、觸覺(jué)，有時(shí)是視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的接受器所感知的。 12.1 食品流變學(xué)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)的定義食品流變學(xué)的定義 流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，是研究物質(zhì)在力作用下變形或流動(dòng)的科學(xué)。除了力的作用外，力的作用時(shí)間對(duì)變形的影響也是研究?jī)?nèi)容之一。因此流變學(xué)中，物體的力學(xué)參數(shù)不僅有力、有力、變形，還有時(shí)間變形，還有時(shí)間

3、。這門(mén)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(mén)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(shí)驗(yàn)，可以用于鑒別食品原材料、中間產(chǎn)品，食品流變學(xué)的實(shí)驗(yàn)，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(guò)程?？梢杂糜诳刂粕a(chǎn)過(guò)程。例如面包制作過(guò)程中面團(tuán)的流變學(xué)控 制就是一個(gè)實(shí)例。 2）流變學(xué)能夠根據(jù)顧客的愛(ài)好，鑒定或預(yù)測(cè)顧客）流變學(xué)能夠根據(jù)顧客的愛(ài)好，鑒定或預(yù)測(cè)顧客對(duì)某種食品是否滿意。對(duì)某種食品是否滿意。例如，人造奶油的擴(kuò)展能力、牛乳的粘度、

4、硬糖果的硬度、肉的韌度都是可以用來(lái)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(lái)調(diào)節(jié)食品）可借助中間產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)流變學(xué)特性來(lái)調(diào)節(jié)食品物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)。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(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)。）流變學(xué)可以應(yīng)用于有關(guān)工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)。例如泵送管路系統(tǒng)，放料裝置及攪拌裝置的設(shè)計(jì)，乳化、霧化及濃縮工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)，都要用到物質(zhì)流變學(xué)特性數(shù)據(jù)。 12.1.2 形變與粘性流動(dòng)形變與粘性流動(dòng) 12.1.2.1 形變的類型形變的類型 1）彈性形變：加力發(fā)生形變，去掉力又恢復(fù)原來(lái)的形狀。 2）流動(dòng)形變：加力后瞬間發(fā)生較大形變，隨著時(shí)間的推移徐 徐形變，外力除去后不能恢復(fù)原狀。

5、3）粘彈性形變：彈性形變與流動(dòng)形變的交織。 12.1.2.2 彈性形變彈性形變 1) 理想彈性體與彈性模量：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 =e 外力， 形變量 e彈性系數(shù)（dyn/cm*cm。達(dá)因厘米）楊氏模量 這種理想固體實(shí)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(shí)，我們可以將其看成的虎克固體。如干面團(tuán)、硬糖果、核桃、蛋殼、土豆和蘋(píng)果等在一定力范圍內(nèi)都可看成是虎克固體。2) 縱向形變：線性物體在長(zhǎng)度方向上的形變。 f=wg/a = l/l 按f=e e=f/=wgl/al e 為楊氏

6、模量 a 為線性物體橫截面積 l f 為單位面積上的外力 l = e/e 對(duì)任何固體物質(zhì)，當(dāng)受到拉伸或壓縮變形時(shí)，如不發(fā)生體積的變化， 為0.5。一些常見(jiàn)固體物質(zhì)的泊松比如下。 5）體積形變與體積模量）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。 = k v 在這里，k稱為體積模量。 6）四種模量之間的關(guān)系）四種模量之間的關(guān)系 6）形變測(cè)量與食品品質(zhì)）形變測(cè)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(guò)其彈性與粘度測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。 流速計(jì)：流速計(jì)：測(cè)定魚(yú)糕的e和l/l() 志水等測(cè)得： 級(jí)魚(yú)糕 e（2.1

7、31.34）10gcm2 級(jí)魚(yú)糕e（1.920.97）10gcm2 級(jí)魚(yú)糕e（1.950.97）10gcm2 凝乳計(jì)：凝乳計(jì)：可用于測(cè)定凝乳、奶油、豆腐、膠狀食品的壓縮度、壓縮力從而計(jì)算出其剪切模量，根據(jù)其模量的大小來(lái)評(píng)定這些食品品質(zhì)的質(zhì)量。 貝克壓縮計(jì)：貝克壓縮計(jì)：可用來(lái)測(cè)定面包老化過(guò)程中的壓縮度、壓縮力，借此來(lái)評(píng)價(jià)面包老化過(guò)程的老化特性。 12.1.2.3 粘性流動(dòng)粘性流動(dòng) 粘性是表現(xiàn)流體流動(dòng)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(diǎn)間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的性質(zhì)。這種阻力來(lái)自內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)和分子引力。一種物質(zhì)粘性的大小通常用粘度來(lái)表示。粘度有剪切粘度、延伸粘度和體積粘度三種，但通常我

8、們所說(shuō)的是剪切粘度。 流體在力的作用下，會(huì)發(fā)生粘性流動(dòng)，其流動(dòng)過(guò)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。 1）牛頓液體類物質(zhì)）牛頓液體類物質(zhì) 液體屬于一種流體，描述流體的一個(gè)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(shuō)的粘度就是剪切粘度，即用普通粘度計(jì)測(cè)定的液體粘度。如果一種液體的粘度與剪切速率無(wú)關(guān)，則我們稱這種液體為頓液體。 =/ 從這個(gè)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(méi)有彈性，且不可收縮。 值得注意：真正的牛頓液體是沒(méi)有的，但在實(shí)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

9、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。 當(dāng)采用小于某一個(gè)值的剪切力作用于食品液體時(shí)，其并不表現(xiàn)出流動(dòng)，具有類似于彈性體的性質(zhì)，當(dāng)施予的剪切力超過(guò)此值時(shí)，其表現(xiàn)出流動(dòng)，流動(dòng)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 2）非牛頓類液體物質(zhì)）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(dòng)方程可用下式表示。 = n （n為不等于1的任何正數(shù)） 在上式中，當(dāng)n=1時(shí)，它就是牛頓液體公式，這時(shí)= 就成了粘度。假如設(shè)a= n-1，則非牛

10、頓液體類物質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)方程可寫(xiě)為與牛頓液體類物質(zhì)流動(dòng)方程相似的形式： = a 由上式可以看出， a 與有同樣的量綱，表示同樣的物理特性，所以稱 a 為表觀粘度（apparent viscosity） 。值得注意的是 是一個(gè)常數(shù)， 而 a則是一個(gè)變數(shù)，它與粘度系數(shù)和流態(tài)指數(shù)n有關(guān)，是剪切速率 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。 在實(shí)際過(guò)程中，非牛頓類液體物質(zhì)只有當(dāng)施加的剪切力大于某一個(gè)值o時(shí),才開(kāi)始流動(dòng)。據(jù)此，herschel和bulkey 提出了表示非牛頓液體類物質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)的方程式為： = o+ n 非牛頓液體類物質(zhì) 根據(jù)o的有無(wú)和n的取值范圍可以分為假塑性液體（假塑性液體（

11、pseudoplastic liquid）、脹塑性流體）、脹塑性流體(dilatant liquid)、觸變性液體、觸變性液體(tixotropic liquid)和膠變性和膠變性液體液體(rheopectic liquid)四種類型。前兩種非牛頓液體其流變特性與時(shí)間無(wú)關(guān)，后兩種非牛頓液體的流變特性卻隨時(shí)間而變化。 (1) 假塑性液體（假塑性液體（pseudoplastic liquid） 在非牛頓液體狀態(tài)方程中，當(dāng)時(shí)0 n1時(shí)，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。 續(xù)表 由上表可以看出，大部分液態(tài)食品0n1，都是假塑性液體。

12、n值越小, 隨著剪切速率的增加，粘滯阻力增加相對(duì)越慢，這是因?yàn)閚值越小，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。 (2) 脹塑性液體脹塑性液體(dilatant liquid) 在非牛頓液體狀態(tài)方程中，當(dāng)時(shí)1 n時(shí)，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。 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(duì)于假塑性液體通常從兩個(gè)方面進(jìn)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(huì)減弱；另一方面認(rèn)為隨著剪

13、切力的增加，膠體粒子本身會(huì)發(fā)生變形，由靜止時(shí)的鏈狀粒子變?yōu)閳F(tuán)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(duì)于脹塑性液體可用脹容現(xiàn)象來(lái)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(dòng)時(shí)，由于水的滑動(dòng)和流動(dòng)作用，膠體糊表現(xiàn)出的粘性阻力較小?？墒侨绻昧噭?dòng)，處于致密排列的粒子就會(huì)一下子被攪亂，成為多孔隙的疏松排列結(jié)構(gòu)。這時(shí)由于原來(lái)的水分 再也不能填滿粒子之間的間隙、粒子與粒子沒(méi)有了水層的滑動(dòng)作用，因而粘性阻力就會(huì)驟然增加，甚至失去流動(dòng)的性質(zhì)。因此粒子在強(qiáng)烈的剪切力作用下會(huì)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

14、體當(dāng)采用小于某一個(gè)值的剪切力作用于食品液體時(shí)，其并不表現(xiàn)出流動(dòng)，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(guò)此值時(shí)，其表現(xiàn)出流動(dòng)，流動(dòng)特性也不符合牛頓液體特征。 (3) 觸變性液體觸變性液體(tixotropic liquid) 當(dāng)液體在振動(dòng)、攪拌、搖動(dòng)時(shí)，其粘性減少，流動(dòng)性增加，但靜置一段時(shí)間后，流動(dòng)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(dòng)的特性曲線如下： 觸變液體具有搖溶現(xiàn)象的機(jī)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(shí)，恢復(fù)需要一段時(shí)間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時(shí)的曲線在

15、前次增加時(shí)的曲線下方，形成了與流動(dòng)時(shí)間有關(guān)的履歷曲線（滯變曲線）。 (4) 膠變性液體膠變性液體（rheopexy） 當(dāng)液體隨著流動(dòng)時(shí)間的增加，變得越來(lái)越粘稠，其特性曲線為： 由上可以看出，當(dāng)剪切速率加大，達(dá)到最大值后，再減低剪切速率，減低剪切速率的流動(dòng)曲線反而在增大剪切速率曲線的上方。這說(shuō)明流動(dòng)促進(jìn)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(dòng)的特性粘性流動(dòng)的特性 (1) 內(nèi)粘性內(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(dòng)性能增強(qiáng)。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(shí)逐漸變稠，多次攪拌時(shí)

16、逐漸變稀。 觸變性和內(nèi)粘性的主要區(qū)別在于：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(dòng)表現(xiàn)出的特性，后者則是在流動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出的特性。即前者是在攪拌時(shí)粘度下降，而后者是在流動(dòng)時(shí)粘性下降。 (2) 膨脹特性：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(cè)量粘度的測(cè)量 (1) 毛細(xì)血管粘度法毛細(xì)血管粘度法 a. 粘度計(jì)算公式粘度計(jì)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： = pr4t/8ql q: 在t 時(shí)間里，自毛細(xì)管流出的液體體積總量，m3 : 流體的粘度， n.s/m2 p: 壓力差，n/m2 l：毛細(xì)管長(zhǎng)度

17、r: 毛細(xì)管直徑 從理論上講，可以通過(guò)上述公式可以測(cè)定液體的粘度，但 在實(shí)際中，由于涉及的參數(shù)較多，在測(cè)量過(guò)程中很難滿足所有的條件，操作困難，測(cè)定結(jié)果誤差大。因此，實(shí)際測(cè)量中，通常測(cè)定所測(cè)液體的相對(duì)粘度，即測(cè)定試樣的粘度與標(biāo)準(zhǔn)液體粘度的比值，在測(cè)定時(shí)，試樣與標(biāo)準(zhǔn)液體必須在同一毛細(xì)管粘度計(jì)中測(cè)定，其半徑、長(zhǎng)度都是相同的。 設(shè)水為標(biāo)準(zhǔn)溶液，則其粘度為： o= por4to/8ql 而試樣的粘度為： = pr4t/8ql / o = pt/poto 如果在測(cè)定時(shí)，都是靠液位來(lái)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= / o 因此，被測(cè)液的粘度為： = ot /

18、oto 物理上，粘度通常采用cp, 所以，= 1000ot / oto 注意：注意： 上述公式僅適用牛頓液體，對(duì)于非牛頓液體的粘度來(lái)按如下公式進(jìn)行計(jì)算： = n ，a= n-1 哈根-泊稷推導(dǎo)出非牛頓液體經(jīng)過(guò)毛細(xì)血管流過(guò)的液體流量與其流體特性指數(shù)n之間存在如下關(guān)系： 令 ，兩邊取對(duì)數(shù)變形得： rnnnnnlkpq311312cnnrnn3131lkcpnqn2lnln1ln1 在上述公式中，只要測(cè)定不同壓力差p下的流量q，即可得到lnqlnp的關(guān)系圖，通過(guò)此關(guān)系圖的斜率與截距即可算出n與k，再根據(jù)a= n-1 即可求出非牛頓液體的粘度。 b. 常用毛細(xì)管粘度計(jì)介紹常用毛細(xì)管粘度計(jì)介紹 毛細(xì)管粘度計(jì)可分為三大類型。一類為定速流動(dòng)式三大類型。一類為定速流動(dòng)式，在測(cè)定時(shí)使液體以恒定的速度通過(guò)毛細(xì)管，適合于高粘度的液體；另一類是定壓流動(dòng)式另一類是定壓流動(dòng)式，通常以恒氣壓控制。例如槍式流變儀，適于測(cè)定具有觸變性和屈服應(yīng)力的流體；第三類為靠第三類為靠液體重的位差式液體重的位差式，測(cè)量時(shí)靠液體的位差使液體在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)，此種最常用。 a. 奧氏粘度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及粘度測(cè)量奧氏粘度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及粘度測(cè)量 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 在測(cè)理t與to時(shí)，隨著液體的流動(dòng)，兩管的液面發(fā)生改變，壓力差點(diǎn)p也發(fā)