食品流变学与质构

第十二章
12.1.2.3 粘性流动
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粘性是表现流体流动性质的指标，从微观上讲，
粘性是流体受力作用，其质点间作相对运动时产生阻
力的性质。这种阻力来自内部分子运动和分子引力。 一种物质粘性的大小通常用粘度来表示。粘度有剪切 粘度、延伸粘度和体积粘度三种，但通常我们所说的 是剪切粘度。
流体在力的作用下，会发生粘性流动，其流动过
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再也不能填满粒子之间的间隙、粒子与粒子没有了水层的 滑动作用，因而粘性阻力就会骤然增加，甚至失去流动的
性质。因此粒子在强烈的剪切力作用下会成为疏松排列结
构，引起外观体积的增加。 值得注意的是：有些假塑性液体 和胀塑性液体当采 用小于某一个值的剪切力作用于食品液体时，其并不表现 出流动，具有类似于牛顿类液体物质的性质，当施予的剪 切力超过此值时，其表现出流动，流动特性也不符合牛顿 液体特征。
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(2) 胀塑性液体(Dilatant Liquid) 在非牛顿液体状态方程中，当时1< n<∞时，即表观粘度 随剪切力的加大或剪切速率的增加而增加的的液体称为~， 其特征曲线如下。
在我们通常遇到的液体食品中属于胀塑性液体的不多， 比较典型的例子是生淀粉糊。
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触变液体具有摇溶现象的机理目前认为：随着剪切应力的增 加，粒子之间形成的结合构造受到破坏，因此粘性减少。但 这些粒子间结合构造在停止应力作用时，恢复需要一段时间， 逐渐形成。因此，剪切速率减慢时的曲线在前次增加时的曲 线下方，形成了与流动时间有关的履历曲线（滞变曲线）。 (4) 胶变性液体（rheopexy） 当液体随着流动时间的增加，变得越来越粘稠，其特性 曲线为：
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μ= e’/e
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对任何固体物质，当受到拉伸或压缩变形时，如不发生
体积的变化， μ为0.5。一些常见固体物质的泊松比μ如下。
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5）体积形变与体积模量
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由液体静压力作用在浮体表面所产生的表面压力，引 起浮体体积变形，这种形变称为体积形变。 σ = K εv 在这里，K称为体积模量。 6）四种模量之间的关系
为什么有的食品液体表现出假塑性液体特性，而有的表现
出胀性液体的特性，有许多不同的解释。 对于假塑性液体通常从两个方面进行解释，一方面认为随 着剪切力的增加，胶体粒子之间的结合会减弱；另一方面认为 随着剪切力的增加，胶体粒子本身会发生变形，由静止时的链 状粒子变为团状态粒子，从而减小了相互间的链接，出现了剪 切变稀现象。 对于胀塑性液体可用胀容现象来解释，胀塑性液体一般 是糊状体，水充满在致密排列的粒子间隙中，当施加压力较小、 缓慢流动时，由于水的滑动和流动作用，胶体糊表现出的粘性 阻力较小。可是如果用力搅动，处于致密排列的粒子就会一下 子被搅乱，成为多孔隙的疏松排列结构。这时由于原来的水分
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值得注意：真正的牛顿液体是没有的，但在实际情况中， 当在剪切力很宽的作用范围条件下，其粘度不变的液体通常 近视将其看成为牛顿液体。例如糖水溶液、低浓度的牛乳、 油、酒、水及其透明稀质液体均可归于牛顿液体。
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当采用小于某一个值的剪切力作用于食品液体时，其并 不表现出流动，具有类似于弹性体的性质，当施予的剪切力 超过此值时，其表现出流动，流动特性符合牛顿液体特征的 称为宾汉液体。
表面）的属性，它们由力、触觉，有时是视觉和听觉的接受器所感知的。
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12.1 食品流变学 （Rheology） 12.1.1 食品流变学的定义以及与食品工业的关系 12.1.1.1 食品流变学的定义 流变学是力学的一个分支，是研究物质在力作用下变形 或流动的科学。除了力的作用外，力的作用时间对变形的影响 也是研究内容之一。因此流变学中，物体的力学参数不仅有力、 变形，还有时间。这门学科是由宾汉倡导的。 食品流变学是研究食品和食品材料力学性质的一门科学， 它涉及到力学、胶体化学、高分子物理、化学流变学和生物流 变学等基本内容。 12.1.1.2 食品流变学与食品工业之间的关系
Bounce (1982)对质构作了更为全面的定义，具体包括如下四个方面： ①它是食品的一组物理性质，主要由食品组织结构决定的力学性质和流
变学性质。②它主要由人的触觉，一般是口腔，也包括人体其他部位，
如手指所感知。③它与味觉、嗅觉等化学知觉无关。④它可以用仪器测 定。并可用长度、质量和时间来表示。
国际标准化组织(1979)对质构定义：食品所有流变学和结构（同何和
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3） 剪切形变与剪切模量 设外力作用面积为A,切变为d。 则 σ =P/A γ=tgθ=d/h 令E=G, d 由σ =Eγ 得： p G= σ /γ＝P· h/A· d θ h G为剪切模量 4) 纵向、横向形变与泊松比 当固体物质拉伸或压缩时，在它的长度发生变化的同时， 它的宽度也发生变化。例如园杆受压缩时它的直径将增大， 而在受拉时它的直径将缩小。在弹性范围内，受正应力作用 的固体，其横向收缩和纵向伸长的比值称为泊松比。
1) 食品流变学的实验，可以用于鉴别食品原材料、中间产品， 可以用于控制生产过程。例如面包制作过程中面团的流变学
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制就是一个实例。 2）流变学能够根据顾客的爱好，鉴定或预测顾客 对某种食品是否满意。例如，人造奶油的扩展能 力、牛乳的粘度、硬糖果的硬度、肉的韧度都是可 以用来鉴定食品优劣的流变特性。 3）可借助中间产品的标准流变学特性来调节食品 物质的组织结构。 4）流变学可以应用于有关工艺设计和设备设计。 例如泵送管路系统，放料装置及搅拌装置的设计， 乳化、雾化及浓缩工艺过程的设计，都要用到物质 流变学特性数据。
程中的粘度与作用力之间的关系表现出多种情况，主 要有下面几种。
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1）牛顿液体类物质 液体属于一种流体，描述流体的一个重要参数 就是粘度。粘度剪切粘度、延伸粘度和体积粘度等 几种不同的方式，通常我们所说的粘度就是剪切粘 度，即用普通粘度计测定的液体粘度。如果一种液 体的粘度与剪切速率无关，则我们称这种液体为顿 液体。 η=σ/ε 从这个式中可以看出，牛顿液体的剪切应力与 剪切速率的关系曲线是一条直线，这种液体没有弹 性，且不可收缩。
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6）形变测量与食品品质 可拉伸的食品物料或食品，如面条、煮熟的面条等其品 质可以通过其弹性与粘度测量的结果进行评价。 ① 流速计：测定鱼糕的E和△L/L(γ) 志水等测得： Ａ级鱼糕 E＝（2.13～1.34）×10３g／cm2 Ｂ级鱼糕 E＝（1.92～0.97）×10３g／cm2 Ｃ级鱼糕 E＝（1.95～0.97）×10３g／cm2 ② 凝乳计：可用于测定凝乳、奶油、豆腐、胶状食品的压缩 度、压缩力从而计算出其剪切模量，根据其模量的大小来评 定这些食品品质的质量。 ③贝克压缩计：可用来测定面包老化过程中的压缩度、压缩 力，借此来评价面包老化过程的老化特性。
在液态食品体系中，属于宾汉液体的事例很多，如浓缩 的肉汁就是一种典型的宾汉液体
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பைடு நூலகம்
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2）非牛顿类液体物质 凡是不符合牛顿流体定律的液体统称为非牛顿类液体物 质， 非牛顿类液体物质的流动方程可用下式表示。 σ= κ× εn （n为不等于1的任何正数） 在上式中，当n=1时，它就是牛顿液体公式，这时κ=η κ就成了粘度。假如设ηa= κ×εn-1，则非牛顿液体类物质的流 动状态方程可写为与牛顿液体类物质流动方程相似的形式： σ= η a × ε 由上式可以看出， η a 与η有同样的量纲，表示同样的物 理特性，所以称η a 为表观粘度（apparent viscosity） 。值得 注意的是η 是一个常数， 而η a则是一个变数，它与粘度系数 κ和流态指数n有关，是剪切速率 ε的函数。非牛顿类物质的 剪切力与剪切速率不是一条直线。
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由上可以看出，当剪切速率加大，达到最大值后，再 减低剪切速率，减低剪切速率的流动曲线反而在增大剪切速 率曲线的上方。这说明流动促进了液体粒子间构造的形成。 所以，这种现象也被称为逆触变现象。 3) 粘性流动的特性 (1) 内粘性 A. 绝大多数液体食品体系内粘性（形态粘性）随着速度梯 度的增大，粘度减小，流动性能增强。少数液体食品体系如 巧克力、黄油、蕃茄酱等产品常表现出触变性特性，即静置 时逐渐变稠，多次搅拌时逐渐变稀。 触变性和内粘性的主要区别在于：前者是流体未发生 流动表现出的特性，后者则是在流动过程中表现出的特性。 即前者是在搅拌时粘度下降，而后者是在流动时粘性下降。
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在上图中，表观粘度η a = tanθi(i=1, 2, 3, ··· )
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续表
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由上表可以看出，大部分液态食品0<n<1，都是假塑性 液体。n值越小, 随着剪切速率的增加，粘滞阻力增加相对越 慢，这是因为n值越小，液体内部构造越弱，随着剪切速率的 增大，其内部分子结合而形成的阻力就越小。
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首先应弄清的两个基本概念
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食品流变(rheology)：指食品胶体的粘性、弹性、粘弹性和塑性等基本内 容。
食品质构(texture): 一词本指织物的编织组织。后来在食品中用来表示
人们对某种食品的口感情况。 Matz（1962年），他认为：质品是除温度感觉和痛觉以外的食品物
理性质，它主要由口腔中皮肤及肌肉的感觉来感知。
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12.1.2 形变与粘性流动 12.1.2.1 形变的类型 1）弹性形变：加力发生形变，去掉力又恢复原来的形状。 2）流动形变：加力后瞬间发生较大形变，随着时间的推移徐 徐形变，外力除去后不能恢复原状。 3）粘弹性形变：弹性形变与流动形变的交织。 12.1.2.2 弹性形变 1) 理想弹性体与弹性模量：又称虎克固体，指物体在一定外 力作用下,发生弹性形变的大小与外力之间的关系呈线性关系， 此物体叫理想弹性体。 即 σ=Eγ σ—外力， γ——形变量 E—弹性系数（dyn/cm*cm。达因／厘米２）杨氏模量
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在实际过程中，非牛顿类液体物质只有当施加的剪切 力σ大于某一个值σo时,才开始流动。据此，Herschel和 Bulkey 提出了表示非牛顿液体类物质流动状态的方程式为： σ= σo+κ× εn 非牛顿液体类物质 根据σo的有无和n的取值范围可以分 为假塑性液体（Pseudoplastic Liquid）、胀塑性流体 (Dilatant Liquid)、触变性液体(Tixotropic Liquid)和胶变性 液体(Rheopectic Liquid)四种类型。前两种非牛顿液体其流 变特性与时间无关，后两种非牛顿液体的流变特性却随时 间而变化。 (1) 假塑性液体（Pseudoplastic Liquid） 在非牛顿液体状态方程中，当时0< n<1时，即表观粘 度随剪切力的加大或剪切速率的增加而减小的液体称为~， 也称准塑性液体或拟塑性液体 。其特征曲线如下。
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这种理想固体实际上是不存在的，但是当物质在力作用 下形变小于1%时，我们可以将其看成的虎克固体。如干面 团、硬糖果、核桃、蛋壳、土豆和苹果等在一定力范围内都 可看成是虎克固体。。
2) 纵向形变：线性物体在长度方向上的形变。 F=Wg/A γ = △L/L 按 F=Eγ E=F/γ =Wg·L/A·△L E 为杨氏模量 A 为线性物体横截面积 F 为单位面积上的外力 L △L
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(3) 触变性液体(Tixotropic Liquid) 当液体在振动、搅拌、摇动时，其粘性减少，流动性增 加，但静置一段时间后，流动又变得困难，这种现象称为摇溶 现象，具有摇溶现象的液体称之为触变性液体。其流动的特性 曲线如下：
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