食品感官評價

三、黏彈性（一）黏彈性基本概念許多食品屬于固體或半固體。當給它們施以作用力時，會發(fā)生相應的變形，去掉作用力后，又會發(fā)生彈性恢復。如果彈性恢復可以完全回到原來的狀態(tài)，稱之為完全彈性；如果不產(chǎn)生彈性恢復，則是流動。第二章食品的力學基礎

第二節(jié)食品流變學

食品類物質(zhì)，往往即表現(xiàn)彈性的性質(zhì)，又變現(xiàn)黏性的性質(zhì)。它們的力學性質(zhì)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。面包、面團、面條、奶糖等，我們都可觀察到它們的彈性性質(zhì)和黏性性質(zhì)。只是在不同的條件下，有的彈性表現(xiàn)得比較明顯，有的黏性表現(xiàn)得比較明顯。

總之，把既有彈性，又可以流動的現(xiàn)象稱為黏彈性。具有黏彈性的物質(zhì)稱為黏彈性物質(zhì)或黏彈性體。通過測定食品的黏彈性即可把握食品的狀態(tài)。

1．變形（deformation）一般固體施以作用力，則產(chǎn)生變形；去掉作用力，又會產(chǎn)生彈性恢復。使物體彈性恢復的力稱之為內(nèi)應力（internalstress）。如果去掉外力，內(nèi)應力也隨之消失，這種性質(zhì)也稱為彈性（elasticity）。研究物體的變形以及黏彈性時，要進行應力與應變關系的分析，因此需掌握以下概念。（1）宏觀應變（macro-strain）：平均應變范圍為大于原子間距離的有限尺寸場合下的應變。（2）微觀應變（micro-strain）：應變尺寸范圍為原子距離數(shù)量級的應變。

（3）壓縮強度：物質(zhì)所能承受的最大壓縮應力，即試驗時試樣能承受的最大荷重與最初斷面積之比。

（4）彈性率：在彈性極限范圍內(nèi)，應力和應變之比。當應力和應變?yōu)榉蔷€性關系時，定義了以下彈性率。a．初始切線彈性率：應力-應變曲線在原點處的斜率。b．切線彈性率：在曲線上某一點，曲線的斜率，亦稱瞬時彈性率。c．正割彈性率：從曲線上任一點到原點的連接直線的斜率，亦稱表觀彈性率。d．弦彈性率：應力-應變曲線上任意兩點之間弦的斜率。

當給食品物質(zhì)持續(xù)加載時，不僅要變形，而且還會發(fā)生斷裂現(xiàn)象。實際上人們對食品進行壓、拉、扭、咬、切時，食品的變形逐漸增大，但一般并非線性變形，而是發(fā)生大的破壞性變形。對于具有這樣性質(zhì)的物體，人們往往用一定載荷進行斷裂強度和蠕變試驗。由于斷裂現(xiàn)象同試樣的組織結(jié)構(gòu)有敏感的關系，因此，在測定斷裂強度時，對試樣要進行嚴格處理，并且要取大量數(shù)據(jù)進行平均，然后從概率角度去討論。在進行斷裂試驗時需要掌握以下概念。

（1）屈服點（yieldpoint）：當載荷增加，應力達到最大值后，應力不再增加，而應變依然增加時的應力點。并非所有物質(zhì)都有屈服點。（2）屈服強度（亦稱彈性極限）：應變和應力之間的線性關系，在有限范圍內(nèi)不再保持時的應力點。當用偏離法求解時，一般認為偏離直線的變形為變形量的0.2%時，稱為屈服強度點。（3）生物屈服點：應力-應變曲線中，應力開始減少或應變不再引起應力增加的點。一般生鮮食品都具有生物屈服點。在此點，物質(zhì)的細胞構(gòu)造，開始受到破壞。生物屈服點一般都出現(xiàn)在曲線的直線部分以后。

（4）破斷點：在應力-應變曲線上，作用力引起物質(zhì)破碎或斷裂的點。作為生物物質(zhì)破斷，它包括殼和表皮的破裂、整體碎裂、表面產(chǎn)生斷裂裂縫等。生物屈服點通常屬于物質(zhì)的微觀應變，而破斷點屬于物質(zhì)的宏觀應變。對于脆性物質(zhì)，破斷點往往出現(xiàn)在曲線的初期部分，而強韌（堅韌）性食品物質(zhì)，破斷點的出現(xiàn)往往很晚，也就是在物質(zhì)出現(xiàn)塑性流動之后很久才出現(xiàn)。據(jù)此，食品物質(zhì)的斷裂通?？煞譃椤按嘈詳嗔选焙汀把有詳嗔选薄?/p>

（13）生物屈服強度：達到生物屈服點的應力。（14）堅韌性（強韌性）：使物質(zhì)達到破斷時所需要作的功，它是應力和應變曲線之間包圍的面積。用力-變形曲線時一定要對試樣的大小、形狀和作用力面積進行考慮。相當于脆性斷裂時的斷裂能。（15）彈性能：物質(zhì)以彈性變形的形式保存的能量。它等于曲線的直線部分與橫軸所包圍的面積，或回彈曲線與橫軸所包圍的面積。

（16）力學滯后：從載荷的加載到卸載過程中物質(zhì)吸收的能量，是當產(chǎn)生塑性變形時，應力-應變曲線回路中包圍部分的面積。力學滯后表示能量的損耗。是物質(zhì)在變形過程中轉(zhuǎn)化為熱能的損失。（17）應力松弛：試樣在瞬時變形后并保持變形時，應力隨時間的經(jīng)過而消失的過程。

2．彈性變形彈性本來是反映固體力學性質(zhì)的物理量?；⒖硕桑涸趶椥詷O限范圍內(nèi)，物體的應變與應力的大小成正比。其中的比例系數(shù)，對不同的物質(zhì)有不同的值，稱為彈性模量（或稱彈性率）。彈性變形可歸納為3種類型：①

受正應力作用產(chǎn)生的軸向應變；②

受表面壓力作用的體積應變；③

受剪切應力作用發(fā)生的剪切應變。

（1）彈性模量：物體受正應力作用產(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楊氏模量。設物體在拉伸變形時所受正應力為σ（Pa），所產(chǎn)生的應變?yōu)棣?，?jù)虎克定律：σ=E·ε比例系數(shù)E稱為楊氏模量，因為研究中彈性模量常指楊氏模量，所以楊氏模量也稱彈性模量。由于ε量綱為1，所以E的量綱與σ相同為Pa。在室溫下，下列食品的楊氏模量分別為：小麥面團105Pa，瓊膠、明膠的凝膠105～106Pa，硬質(zhì)干酪109～1010Pa，意大利干掛面1011Pa。

（2）剪切模量或剛性率：剪切變形時，剪切應力σs（Pa）與剪切應變εs（弧度）的關系式也符合虎克定律，如下式表示：σs=Gεs

（2-2-5）式（2-2-5）中的比例系數(shù)G稱為剪切模量，亦稱剛性率。其量綱與楊氏模量相同，為Pa。剪切模量的倒數(shù)稱為柔量。牛頓流體的剪切模量為0，果凍、橡膠、水泥、銅、鋼的剪切模量分別為2×105、2.9×105、0.7×1010、4×1010、8×1010Pa。一般說來固體的剪切模量是楊氏模量的1/2～1/3。

（3）體積模量（bulkmodulus）：體積模量表示物體受表面正應力作用時，產(chǎn)生體積變化的難易程度。表面正應力一般認為是正壓力。在正壓力σv（Pa）作用時，體積應變?nèi)绻麨棣舦，根據(jù)虎克定律，下式成立：σv=K·εv（2-2-6）式中比例系數(shù)K稱為體積模量，其量綱為Pa。

各彈性模量和泊松比相互之間存在著一定關系（略）。（如：E與G的關系式中，代入泊松比0.5，可得E=3G，稱為三陪率。）

3．能彈性和熵彈性

對于由內(nèi)能決定的彈性，可以認為在外力作用下彈性變形所作的功全部作為內(nèi)能貯存時，稱這種彈性為能彈性。把與熵有關的彈性稱為熵彈性，這一現(xiàn)象在橡膠上表現(xiàn)比較明顯，因此也稱之為橡膠彈性。

4．黏彈性體的特點

黏彈性體除了兼有彈性性質(zhì)和流動的黏性性質(zhì)外，還有如下一些特殊的性質(zhì)。

（1）曳絲性

有許多黏彈性食品，如蛋清、山藥糊、糊化淀粉糊等，當筷子插入其中，在提起時，會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，可認為其分子之間存在著一定的結(jié)合，形成了弱的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

有些黏度高的液體，如食用油、糖液等，雖然用筷子也可提起“液線”，但它不是曳出的絲，而是黏性降下的液流。

對曳絲性的判斷方法：將直徑為1mm的玻璃棒浸入液體1cm，然后再以5cm/s的速度提起，用液體絲在斷掉前可拉出的長度表示曳絲性的大小。例如：日本納豆等發(fā)酵豆類食品都具有一定的曳絲性。

曳絲性是黏性與彈性雙重性質(zhì)的表現(xiàn)。因此，在進行曳絲性測定時，絲的長度與棒提起的速度有很大的關系。提起速度過慢，拔出的絲因自身流下而斷落不會太長，速度過快絲則會像固體那樣被拉斷，也不長。在兩種曳絲方式之間，存在著一個曳絲長度的最大值，該值的曳絲速度與黏彈性的松弛時間有關。

（2）威森伯格效果（Weissenbergeffect）

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，當急速轉(zhuǎn)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冢狀液柱，這種現(xiàn)象被稱為威森伯格效果。

威森伯格效果只有在具有彈性的液體中才會出現(xiàn)。即使用黏度很大的牛頓流體試驗，在旋轉(zhuǎn)時不僅沒有威森伯格效果，而且棒周圍的液體還會在離心力作用下凹下。

威森伯格效果出現(xiàn)的原因是由于液體具有的彈性。棒在旋轉(zhuǎn)時，纏繞在棒上的液體將周圍的液體不斷拉向中心，而內(nèi)部的液體則把拉向中心的液體向上涌，形成了沿棒而上的現(xiàn)象。

利用威森伯格效果可以判斷食品液體的結(jié)構(gòu)情況。例如當煉乳放陳后，由于酪蛋白會逐漸形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生彈性，于是會表現(xiàn)出威森伯格效果。

（二）黏彈性的基本力學模型

研究復雜黏彈性體的流變性質(zhì)，通常需要建立一些相應的力學模型，使復雜的問題得到簡化，并使之歸納為可以用數(shù)學公式表示的規(guī)律，從中弄清楚控制或測定其流變性質(zhì)的方法。

力學模型既可以是單一的簡單模型，也可以是由多個簡單模型（或稱模型元件）組合而成。

1．虎克模型

在研究黏彈性體時，其彈性部分通常用一個代表彈性體的模型表示?；⒖四Ｐ褪峭耆珡椥泽w的力學表現(xiàn)，即加載荷的瞬間同時發(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

流變學中把物體黏性性質(zhì)用阻尼模型表示。阻尼模型瞬時加載時，阻尼體即開始運動；當去載時，阻尼體立刻停止運動，并保持其變形，沒有彈性恢復。阻尼模型即可表示牛頓流體性質(zhì)，也可表示非牛頓流體性質(zhì)，在無特別說明時，一般表示牛頓流體的性質(zhì)。

3．滑塊模型

滑塊模型不單獨用來表示某種流變性質(zhì)，常與其它流變元件組合，表示有屈服應力存在的塑性流體性質(zhì)。

4．麥克斯韋模型

黏彈性體的流變性質(zhì)通常以應力松弛的形式表現(xiàn)。所謂應力松弛，是給黏彈性體瞬時加載，使其發(fā)生相應變形，在保持這一變形的情況下，黏彈性體內(nèi)部應力變化的過程。研究發(fā)現(xiàn)，黏彈性體的應力松弛現(xiàn)象可由虎克模型與阻尼模型串聯(lián)而成的模型表示，這一模型是研究黏彈性體的基本模型之一，稱為麥克斯韋模型。

5．開爾芬—沃格特模型

黏彈性體的流變特征之一，是在一定力的作用下發(fā)生蠕變現(xiàn)象。研究蠕變特性最簡單的模型，是由虎克體和阻尼體并聯(lián)組成的開爾芬—沃格特模型，也稱開爾芬模型或蠕變模型。

6．多要素模型

虎克模型、阻尼模型和滑塊模型，都是組成更復雜流變模型的最基本元件，在流變學中也稱它們?yōu)橐?。麥克斯韋模型、開爾芬模型都是由虎克模型與阻尼模型以不同的連接方式組成，分別含有兩個模型元件，稱為兩要素模型。這兩個模型雖然可以代表黏彈性體的某些流變規(guī)律，但與實際的黏彈性體還有一定差距。為了更準確地用模型表述實際黏彈性體的力學性質(zhì)，需要用更多的元件組成所謂的多要素模型。

（三）靜黏彈性

用靜態(tài)測定法所揭示的物體的黏彈性質(zhì)稱為靜黏彈性。研究靜黏彈性主要有以下一些試驗。

1．基本流變特性參數(shù)測定法

在黏彈性體的流變測定中，常利用流變儀進行靜態(tài)測定。（1）雙重剪切測定：常用來進行蛋糕、人造奶油、冰淇淋、干酪、魚糜糕等許多食品的黏彈性測定。

（2）拉力試驗：常用來測定小麥粉面團的黏彈性質(zhì)。

（3）套筒流動——波開蒂諾黏度計的設計原理。

（4）平行板塑性計——可間接測定黏彈性體的黏度。

2．應力松弛試驗

黏彈性體在受力變形時，存在著恢復變形的彈性應力。由于內(nèi)部粒子具有流動的性質(zhì)，當在內(nèi)部應力作用下，各部分粒子流動到平衡位置，產(chǎn)生永久變形時，內(nèi)部的應力也隨之消失。這一現(xiàn)象稱為應力松弛（stressrelaxation）。

應力松弛性質(zhì)常與食品的口感品質(zhì)有密切關系。例如人在吃米飯、面條等食品時，牙齒張合咀嚼食品，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(jīng)，給人以某種口感。相關研究發(fā)現(xiàn)：口感柔軟的米飯，其麥克斯韋模型的應力松弛時間為6～8s；當松弛時間達10～14s時，便感到口感較硬。

3．蠕變試驗

給試樣施以恒定應力，測定應變隨時間變化的情況。

大米飯團的蠕變曲線——分析飯團的彈性、總變形、永久變形（殘余變形）與感官品質(zhì)的相關性。曲線形狀——判定大米類型（軟質(zhì)米、硬質(zhì)米）。

（四）動黏彈性

靜黏彈性的測定有簡便、直觀等特點，但對于實際黏彈性體流變性質(zhì)的研究具有以下不足點：①靜黏彈性測定時