食品流变学与质构

1、 首先应弄清的两个基本概念首先应弄清的两个基本概念 食品流变食品流变(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）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。 Bounce (1982)对质构作了更为全面的定义，具体包括如下四个方面：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。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。它与味觉、嗅觉等化学知觉

2、无关。它可以用仪器测定。并可用长度、质量和时间来表示。 国际标准化组织国际标准化组织(1979)对质构定义：对质构定义：食品所有流变学和结构（同何和表面）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。 12.1 食品流变学食品流变学 （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、有力、变形，还有时间变形，还有时间

3、。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食品流变学与食品工业之间的关系 1) 食品流变学的实验，可以用于鉴别食品原材料、中间产品，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。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控 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）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。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、

4、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）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。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。）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。 12.1.2 形变与粘性流动形变与粘性流动 12.1.2.1 形变的类型形变的类型 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。

5、3）粘弹性形变：弹性形变与流动形变的交织。 12.1.2.2 弹性形变弹性形变 1) 理想弹性体与弹性模量：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 =E 外力， 形变量 E弹性系数（dyn/cm*cm。达因厘米）杨氏模量 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 = L/L 按 F=E E=F/=WgL/AL E 为杨

6、氏模量 A 为线性物体横截面积 L F 为单位面积上的外力 L 3） 剪切形变与剪切模量剪切形变与剪切模量 设外力作用面积为A,切变为d。 则 =P/A =tg=d/h 令E=G, d 由 =E 得： p G= /Ph/Ad h G为剪切模量 4) 纵向、横向形变与泊松比纵向、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。 = e/e 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， 为0.5。一些常见固体物质的

7、泊松比如下。 5）体积形变与体积模量）体积形变与体积模量 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。 = K v 在这里，K称为体积模量。 6）四种模量之间的关系）四种模量之间的关系 6）形变测量与食品品质）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。 流速计：流速计：测定鱼糕的E和L/L() 志水等测得： 级鱼糕 E（2.131.34）10gcm2 级鱼糕E（1.920.97）10gcm2 级鱼糕E（1.950.97）10gcm2 凝乳计：凝乳计：可用于测定凝乳、奶油、豆腐、胶状食品的

8、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。 贝克压缩计：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。 12.1.2.3 粘性流动粘性流动 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。 1）牛顿液体类物质）牛顿液体类物质 液

9、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。 =/ 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。 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。 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

10、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。 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 2）非牛顿类液体物质）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。 = n （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= 就成了粘度。假如设a= n-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： = a 由上式可以看出， a 与有同样的量纲，表示同样的物理特性，所以称 a 为表观粘度（ap

11、parent viscosity） 。值得注意的是 是一个常数， 而 a则是一个变数，它与粘度系数和流态指数n有关，是剪切速率 的函数。非牛顿类物质的剪切力与剪切速率不是一条直线。 在实际过程中，非牛顿类液体物质只有当施加的剪切力大于某一个值o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： = o+ n 非牛顿液体类物质 根据o的有无和n的取值范围可以分为假塑性液体（假塑性液体（Pseudoplastic Liquid）、胀塑性流体）、胀塑性流体(Dilatant Liquid)、触变性液体、触变性液体(Tixotropic Liquid)

12、和胶变性和胶变性液体液体(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（假塑性液体（Pseudoplastic Liquid） 在非牛顿液体状态方程中，当时0 n1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。 在上图中，表观粘度 a = tani(i=1, 2, 3, ) 续表 由上表可以看出，大部分液态食品0n1，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

13、率的增大，其内部分子结合而形成的阻力就越小。 (2) 胀塑性液体胀塑性液体(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。 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

14、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 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

15、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。 (3) 触变性液体触变性液体(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： 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) 胶变性液体胶变性液体（r

16、heopexy） 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： 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) 粘性流动的特性粘性流动的特性 (1) 内粘性内粘性 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：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

17、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。 (2) 膨胀特性：膨胀特性：有一些液体食品体系随着剪切速率的增加，表观粘度逐渐增加。如生淀粉糊。 4) 粘度的测量粘度的测量 (1) 毛细血管粘度法毛细血管粘度法 A. 粘度计算公式粘度计算公式 哈根-泊稷发现液体流经毛细管的流量Q与粘度之间存在如下关系： = pr4t/8QL Q: 在t 时间里，自毛细管流出的液体体积总量，m3 : 流体的粘度， N.s/m2 P: 压力差，N/m2 L：毛细管长度 r: 毛细管直径 从理论上讲，可以通过上述公式可以测定液体的粘度，但 在实际中，由于涉及的参数较多，

18、在测量过程中很难满足所有的条件，操作困难，测定结果误差大。因此，实际测量中，通常测定所测液体的相对粘度，即测定试样的粘度与标准液体粘度的比值，在测定时，试样与标准液体必须在同一毛细管粘度计中测定，其半径、长度都是相同的。 设水为标准溶液，则其粘度为： o= por4to/8QL 而试样的粘度为： = pr4t/8QL / o = pt/poto 如果在测定时，都是靠液位来产生压力差，那么两种液体之间的压力差之比可用它们的密度比代替，即： p/po= / o 因此，被测液的粘度为： = ot / oto 物理上，粘度通常采用cp, 所以，= 1000ot / oto 注意：注意： 上述公式仅适用牛顿液体，对于非牛顿液体的粘度来按如下公式进行计算： = n ，a= n-1 哈根-泊稷推导出非牛顿液体经过毛细血管流过的液体流量与其流体特性指数n之间存在如下关系： 令 ，两边取对数变形得： RnnnnnLkpQ311312CnnRnn3131LKCpnQn2lnln1ln1 在上述公式中，只要测定不同压力差p下的流量Q，即可得到lnQ