第三章第三节

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(b)分散相粘度:当分散相为液体时，剪切力会使球状 的分散相粒子发生旋转，因而会引起内部的流动。这 种流动的程度与分散相的粘度有关。假设分散相的粘 度为η＇，Taylor 推出了如下流体动力学公式:
(c)分散相的形状:对于粒子形状的影响，有人推导出了 含形状因子的公式:

式中，F—形状因子; ρ1—浓度，单位体积微粒质量 (kg/m3); ρ2—微粒密度(kg/m3)。当微粒为球状时，相 当子流体具有对称的阻力，因此 F=1。 当微粒为一根细小纤维时，在流场中将会沿流线排列， 从而具有最小阻力。显然，这时微粒的存在所引起的 干扰被限制在它自身的容积中，爱因斯坦公式的比例 常数 a=1。其他形状微粒的场合应在这两种极端情况 范围之间。所以 F=0.4～1。
流变学：是力学的一个分支，是研究物质在力的作用
下变形或流动的科学
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流变性质 小于或等于重力 感官指标 外观流动性 质感手感或口感 粘度 稠度 粘弹性 或弹性 质构 牛顿流体 非牛顿流体 大于重力
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二. 研究的主要指标
流变学：粘度 （viscosity)
稠度 (consistence)
弹性 （elasticity)
第三章 食品流变学
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绪
一、什么是食品流变学
论
1. 是一门对食品品质进行评价的科学
感官评定：以人为主体，主观的评价方式 流变学：以仪器为主体，客观的评价方式 2. 流变学研究的主要是食品的动觉（力学）性质
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二 . 质构与流变的关系 1.定义
质构：不同种类的细胞或组织在食品中分布或组合
的方式;
人手或嘴触摸或咀嚼食品时的感觉
这类体系的特征是：当剪切速率一定时，随时间的推 移，应力和表观粘度ηa都随之下降。

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σ
t
一定
静止时，不对称粒 子通过粘附力（或次级 键）形成一个网状结构 （或聚集体），随剪切 的延续（时间的推移）， 粘附力（次级键）逐渐 被打破，故而ηa逐渐变 小。
触变体系的流变特性曲线
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ηa
3
2
1
t
＞ 1 2 ＞ 3
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对于具有一定浓度的液体，也就是说，当分散相 粒子浓度较高，粒子之间的碰撞、凝聚、聚合有可能 使有效体积分数发生变化时，布莱克曼推导出了一般 化粘度公式:
当把括号内的项展开成级数时，上式变为：
是带有附加浓度修正项的爱因斯坦方程式。悬浊液浓 度和表观粘度曲线的形状，在较低浓度时接近于一条 直线，但随着浓度的增加而不断上升，这与实验所得 的结果是一致的。
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3.2.2 影响液态食品粘度的因素
(1)温度的影响:在一般情况下，温度每上升 1℃，粘度 减小 5%-l0%。粘度和温度的关系可以用 Andrade 方程表示:
式中，T——热力学温度； A——常数； B——H 与 R 的比值； △H——表面激发能； R——气体常数。
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下图表示一种高粘度牛顿液体的粘度一温度关系的实测例。 对于非牛顿液体，粘度和转速有关。所以，测定各种转速 下的粘度一温度关系，就会得到倾角不同的平行线。
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流动与剪切速率
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剪切速率：表征流体在剪切应力作用下的应变状况 剪切速率的物理意义是指流动时流体内部在垂直于 流动方向上的速度梯度。 记作 粘度系数（η），简称粘度 σ＝η× 单位为Ｓ
－１
粘度是剪切应力和剪切速率的比值
粘度的大小表征流体流动时内部摩擦力，即粘滞阻力的 大小。
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3.1.1 牛顿流体-理想流体

有假塑性流动性质的液体食品， 大多含有高分子的胶体粒子，这些 粒子多由巨大的链状分子构成。在 静止或低流速时，它们互相勾挂缠 结，粘度较大，显得粘稠。但当流 速增大时，也就是由于流层之间的 剪应力的作用，使比较散乱的链状 粒子滚动旋转而收缩成团，减少了 相互勾挂，这就出现了剪切稀化现 象。
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体系呈现假塑性的原因: a.现在一般认为体系之所以呈现假塑性，是因为分 子定向排列（在外力作用下，分子从无序到有序移 动）以及聚集体解体的缘故。 b:大分子构型的改变。
（3）、换算粘度ηd 换算粘度表示单位浓度的的液中粘度的增加比例。
有时用相对粘度的对数与浓度的比来表示换算粘 度，即
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（4）特性粘度
换算粘度表示在一定浓度的分散相中由子很多 分散粒子的相互作用而增加的粘度对每个粒子 进行平均分配的结果。如果忽略粒子间的相互 作用，可用如下极限粘度来表示，即基本反应 了溶质分子和溶剂分子的内摩擦。
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(2)分散相的影响:分散相的影响因素有分散相的浓度、 粘度及形状。 (a)分散相的浓度:分散相为球形固体粒子的液体，影响 其粘度的是分散相的体积分数。爱因斯坦根据流体动力 学方法，推导出如下公式:
式中，υ——分散相的体积分数； α——常数。 当分散相为理想的刚体球，且粒子间没有相互作用 时，α取值为2.5。即当a=2.5时， 上式 称为爱因斯坦 公式。 爱因斯坦公式是理想状态的理论公式。当粒子 表面存在水化层或分散介质吸附层、粒子变形、粒子有 粘性时，该公式则不适用。但对很稀的悬浮液也可以近 似地应用此式。
聚集体的解聚
颗粒的定向排列
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很多浓缩果汁、果酱都属于假塑性流 体，一些高分子溶液也属于假塑性流 体，比如多糖溶液。对于这一类食品 在加工时应注意其剪切变稀的流变性 质。
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(b)胀塑性流体
在非牛顿流体的流动状态方程中，如果1＜n＜∞，则称为 胀塑性流体。它的表观粘度随剪切速率的增大而增大。 胀塑性流体最主要的特征是在较大的剪切速率范围内，显示 剪切变稠的性质。

塑性流体的流动特性曲线不通过坐标原点。 对于塑性流动来说，当应力超过σ0时，流动特性符合 牛顿流动规律的，称为宾汉流动，不符合牛顿流动规 律的流动称为非宾汉塑性流动。把具有上述流动特性 的液体分别称为宾汉流体或非宾汉流体。
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3.1.4 触变性流体

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。
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胀容现象
低剪切
粒子在强烈的剪切作用下结 构排列疏松，外观体积增大，这 种现象称之为胀容现象。
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胀塑性流体在食品中较少遇到。 只 有很少一部分溶液和悬浮液在一定 的浓度范围内表现为胀塑性流体。 最具代表性的胀塑性流体是蜂蜜。
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s
h h
g
非牛顿流体

剪切变稀 剪切变稠
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3.1.3 塑性流体
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自然界中真正的牛顿流体是不存在 的，然而很多实际液体在剪切应力很宽 的范围内表现出牛顿流体的性质，流变 学家也就把这些流体归为牛顿流体。 最典型的牛顿流体是水。可归属于 牛顿流体的食品有:糖水溶液、低浓度牛 乳、油及其他透明稀溶液等。
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3.1.2 非牛顿流体
剪切应力与剪切速率之间不满足 的 关系，且流体的粘度不是常数，它随剪切速率的变化 而变化，这种流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的剪 切应力与剪切速率之间的关系可表示:
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四.研究流变学的主要方法
① 数学法：即根据实验测定的流变性质建立数学模
型，再用此数学模型来描述流体流动规律。
②实验法（结构法）：将测出的流变性质与物质
的内在结构联系起来，结合结构分析，从结构上找出
产生流变性质的内在因素。
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五. 发展历史
1.始于20世纪60年代初—流变学的测量方法，
70年代中期流变学测量开始在工业中得到广泛的 应用。
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。
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设 ，则非牛顿流体的流动状 态方程可写成与牛顿流体相似的形式:

上式中ηa称为表观粘度，与η不同的是:ηa 与浓度系数k和流动指数n有关，且是剪 切速率的函数。也就是ηa是非牛顿流体 在某一特定剪切速率下的粘度。
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非牛顿流体分类
(a)假塑性流体:在 中，当O＜n＜1时，即表观粘度随着 剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动，称为假塑性流动。因 为随着剪切速率的增加，表观粘度减少，所以还称为剪切稀化流 动。符合假塑性流动规律的流体称为假塑性流体。 假塑性流体最主要的特征是在较大的剪切速率范围内，显示 剪切变稀的性质。
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为什么会有剪切稀化现象?


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。 剪应力的极限值定义为屈服应力，所谓屈服应力是指使物体发生 流动的最小应力，用σ0表示。 塑性流体的流动状态方程为:
式中， μ——塑性流体的稳定性系数; n——流动特性指数;少。 σ0——屈服应力。
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时阻力增大，ηa增大。
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剪切作用 撤去外力 静止时，紧密堆积，空隙小，连续相充满粒子周围； 在较小剪切力作用下，连续相仍然在粒子周围，润滑粒子 的相对运动，阻力小，ηa小。 当受到较大剪切力作用时，粒子发生重排，由紧密排 列变成多孔性的疏松排列结构，连续相不能再充满粒子间 隙，粒子之间直接接触，相对运动时阻力增大，ηa大。
粘弹性 (viscoelasticity) 质构：
粘着性、硬度脆度、耐咀嚼性、粘弹性、拉伸强度
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三 . 研究意义
(1) 可用于鉴别食品的原材料、中间产品，也可用 于控制生产过程，对提高食品质量、调节生产工 艺过程等都有一定的作用。 (2)用食品流变仪测定法来代替感官评定法，定量地 评定食品的品质、鉴定和预测顾客对某种食品是 否满意。 (3) 可以解释食品在加工过程中所发生的组织结构 变化。 (4)流变学理论己经广泛应用于有关的工艺设计和设 备设计。
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一般研究时将应力分解成两个分量:
σn
: 正应力,与截面垂直
σt
: 剪切应力,与截面平行
应力单位:dynes/cm2, 国际单位为“帕斯卡”，1.0帕斯卡= 1N/m2 = 10dynes/cm2
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流体受到外力时会产生与外力方向平行的流动，
因此所受的应力就为剪切应力
应力作用下的变形就称为应变，记作ε 在恒定力的作用下，流体产生的应变是 流动，而随着流动的进行，流体的形状是不 断变化的，因此流体的应变通常用单位时间 的变形，即应变的时间导数来表示。
牛顿流体：流动状态方程符合牛顿定律的流体统 称为牛顿流体。 牛顿流体的特征是剪切应力与剪切速率的关系是 直线，也就是说牛顿方程 σ＝η× 中的η是常数。
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牛顿流体的流动特征
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。
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牛顿流体所应具有的性质：
1.不可压缩性 2.各向同性 3.本身无结构 4.没有弹性，受到剪切力作用时形成连续流动， 外力撤去后变形不能恢复
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为什么出现剪切变稠现象？
剪切变稠往往发生在中等或较高的剪切速率下，
通常是由悬浮粒子的聚结以及大分子的进一步缠绕 导致的。 在高体积分数时，有可能在剪切力的作用下导致体 积膨胀。当受到较大剪切力作用时，粒子发生重排， 由紧密排列变成多孔性的疏松排列结构，连续相不 能再充满粒子间隙，粒子之间直接接触，相对运动
2.促进食品与流变学发展的一个重要因素是食品 质构与流变性质的测量为评价食品的感官质量提 供了极为有效的手段，新的仪器和分析软件不断 涌现。
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六. 食品的流变学分类
１.液体（流体）食品：在力的作用下只产生流动
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２.固体食品：在力的作用下只发生变形
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３.塑性食品：
介于液体食品和固体食品之间，在小应力 作用下不产生流动而是象固体那样发生变形， 在应力超过某一界限时才开始流动.
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4. 粘弹性食品
在力的作用下即产生流动又产生变形
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3.1 流体的流变学性质
在相同力的作用下有不同的流动状态
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流变的基本概念
一. 力，应力
应力（ σ ）：就是作用于单位面积上的力。
理想固体：σ =F/A 非理想体系， σ =dF/dA F， θ
σ
应力σ与矢量F方向相同，即亦与作用面成θ角
一开始结构破坏很快， 而随时间的变化有一部分 键较为牢固难以打破，且 剪切力越大，未被打破的 键就越少， 反映为t越大， 则平衡时的ηa就越小。
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触变体系与假塑性流体有些类似
体系
触变体系 假塑性体系 剪切变稀 可逆
变化趋势
可逆与否
变化情况
撤去外力后 恢复很慢 撤去外力后 恢复很快
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3.2Baidu Nhomakorabea剪切粘度影响因素 3.2.1 液态食品分散体系的粘度表示方法
粘性是液态食品最基本的特征，在研究液 态食品的粘度时，为了方便，规定了一些不 同定义的粘度。 （1）相对粘度 在一般情况下，分散体系溶液的粘度比分 散介质的粘度大。设η0表示分散体系介质的粘 度，η表示溶液的粘度(表观粘度)，则 ηr称为相对粘度。
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（2）、比粘度ηs 在同一温度下，一般来说η >η0 ，相对于溶剂来 说，体系粘度增加的分数称为比粘度。