食品流变学研究

食品流变学研究

060811206 季聪仪

1.食品流变学的基本概念

流变学是力学的一个新分支，是从应力、应变、温度和时间等方面来研究物质变形和（或）流动的物理力学。主要研究物理材料在应力、应变、温度、湿度以及辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。

食品流变学是在流变学基础上最新发展起来的一个分支，以弹性力学和流体力学为基础，主要研究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，因此在研究中人们多以流变学为主来阐述食品的力学性质，并用坐标图解或数学模型来表示这种特性。

工业流变学的理论是研究食品力学性质的重要基础。在食品加工过程中，由于大多数食品是容易变形、流动或破碎的混弹性体物质，为了防止这类问题的出现，进一步提高产品的质量，我们必须必须深入了解和掌握食品物质的流动和变形特性,研究在各种条件下这些特性变化的规律及对产品质量和加工过程的影响。正是这种生产的需求，使食品流变学应运而生。

2.食品流变学的研究对象和目的

食品流变学研究的对象是各种食品物质和食品材料的力学性质。由于食品的种类繁杂多样，简便起见，食品流变学常把食品物质按形态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品三大类。每一类分别有自己的流变特性和测量方法。

食品流变学在食品领域中的作用不可忽视，其对食品的运输、传送、加工工艺甚至咀嚼食品时的口感等都起到非常重要的作用。总的来说，研究食品流变学主要是为了从食品物质的构造组成上解释流动、变形等力学性质，并找出其表现规律。其研究目的可以从以下几方面进行具体阐述：

（1）对食品的原材料和中间产品进行鉴定，并对其生产过程进行控制。例如可以依据生产对象的流变特性来提高食品质量、监控生

产流程等。

（2）鉴别产品的优劣，预测产品在市场上的接受性，根据顾客的满意程度指导新产品的开发。

（3）对生产过程中食品结构组织的变化进行解释，并加以调节。例如，在食品烹饪过程中，可以根据需要对食品的软硬程度和疏松度进行调节。

（4）可以应用在有关工艺设计和设备设计中，为其提供有关数据。例如物料配送系统的设计以及乳化、雾化和浓缩工艺过程中的设计。

3.食品的流变特性

食品流变学主要是研究食品原材料、半成品和成品在加工、操作处理以及消费过程中产生的变形与流动的科学。虽然食品材料的组成成分与结构的复杂性给食品流变学的研究带来一定困难，但从食品的物质形态来说,可以按其基本流变规律，将其细分为液态食品流变学、半固态食品流变学和固态食品流变学三大类进行研究。

3.1液态食品的流变特性

液态食品主要是指具有流体性质的食品物质。根据流体性质的不同，其又可分为两大类：粘性流体和粘弹性流体。其中粘性流体包括：牛顿流体——符合牛顿粘性定律的液体，非牛顿流体——不符合牛顿粘性定律的液体；粘弹性流体则可分为：无限流动型粘弹性体，有限流动型粘弹性体，应力松弛和蠕变。下面分别对这两大类液态食品的流变性进行研究。

3.1.1粘性流体类食品的流变特性

阻碍流体流动的性质称为粘性。粘性是表现流体流动性质的指标。牛顿粘性定律指出:流体流动时剪切速率与剪切应力成正比关系，即

σηε

=⋅

式中，比例系数η称为粘度，是液体流动时由分子之间的摩擦产生的；ε是剪切应变。

（1）牛顿流体的流变特性

遵循牛顿粘性定律的液体称为牛顿流体。牛顿流体的主要特征是：剪切应力与剪切速率成正比，粘度不随剪切速率的变化而变化。其流动特性曲线是一条直线，斜率为该液体的粘度，如图3-1所示。

图3-1 牛顿流体流动特性曲线

粘度是牛顿流体最重要的流变学特性参数，用一般粘度计可测定其粘度。严格地讲，在自然界中是不存在没有弹性，不可压缩，且各向同性的理想的牛顿流体。所以在流变学中只能把在一定范围内基本符合牛顿流动定律的流体按牛顿流体处理。其中最典型的是水。此外，糖水溶液、低浓度牛乳、清果汁、油及其他透明稀溶液等都可归属于此类。

（2）非牛顿流体的流变特性

大多数液体食品，如一些固体悬浮液，乳浊液或胶体溶液等，都属于非牛顿流体。它们的粘度不是常数，随剪切速率的变化而变化，即剪切应力与剪切速率的关系曲线不是一条直线。其流动特性可用下列经验公式表示:

n k σε=⋅

式中，k 为粘性常数，又称浓度系数。显然当n=1时，上式就是牛顿流体公式。

非牛顿流体的范围较广，按照流动特性可以分为：①假塑性流体:在非牛顿流体流动状态方程中，当0＜n ＜1时，粘度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动。其流变特性是与时间无关。②胀塑性流体:又称剪切增稠流动。在非牛顿流体的流动状态方程中，当1＜n ＜∞时，表现为粘度随剪切速率的增大而增大。其流变特性随时间而变化。③塑性流体：根据宾汉理论，在流变学范围内，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。塑性流体的流动特性曲线不经过原点。根据其是否符

合牛顿流动规律，又可分为宾汉流动和非宾汉塑性流动。④触变性流体：所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时粘性减少，流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的现象。其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滞后曲线。有触变机理的食品口感比较柔和爽口，这与其作用机理有关。其机理可以表述为随着剪切应力的增加，粒子间结合的结构受到破坏，粘性减少。当作用力停止时粒子间结合的构造需要一段时间才能逐渐恢复至原样。⑤胶变性流体：又称逆触变性流体，与触变性流体相反，表现为剪切变稠现象即液体随着流动时间的增加，变得越来越粘稠。

其中假塑性流体、胀塑性流体、塑性流体的流动特性曲线分别如图3-2、3-3、3-4所示：

图3-2 假塑性流体流动特性曲线

图3-3 胀塑性流体流动特性曲线

图3-4 塑性流体流动特性曲线

（a）宾汉流动（b）非宾汉塑性流动