物料光学特性第二章

1、4固态与半固态食品的流变特性固态与半固态食品的流变特性4.1固态的流变特性固态的流变特性1)食品的变形OL为直线段，L称弹性极限点，在弹性极限范围内，力与变形成正比，比例系数称弹性模量。Y为屈服点，达到屈服点时，食品材料的一部分结构单元被破坏，开始屈服并产生流动，发生屈服时所对应的应力称为屈服应力。超过屈服点后增加应变时应力并不明显增加，这个阶段称为塑性变形。继续增加应变，应力也随之增加，达到R点时，试样发生大规模破坏，R点称为断裂点，它所对应的应力称为断裂极限(或断裂强度)。把试样放在万能试验仪的固定板上，活动板以一定速率压试样时，食品的典型压缩变形曲线(1)脆性断裂:特点是屈服点与断裂点一

2、致。 式中，C换算系数 A面积(2)塑性断裂:特点是试样经过塑性变形后断裂 2) 弹性弹性 物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状态物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状态的性质称为弹性。撤去外力后形变立即完全消失的弹性的性质称为弹性。撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为完全弹性。形变超过某一限度时，物体不能完全恢称为完全弹性。形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态，这种限度称为弹性极限。在弹性极限范围复原来状态，这种限度称为弹性极限。在弹性极限范围内，外力内，外力F和变形量和变形量d之间成正比关系，即之间成正比关系，即 Fkd 上式称为虎克定律，式中比例系数上式称为虎克

3、定律，式中比例系数k为弹性系数。为弹性系数。 3种类型：种类型：受正应力作用产生的轴向应变；受正应力作用产生的轴向应变；受表面压受表面压力作用的体积应变；力作用的体积应变；受剪切应力作用发生的剪切应变。受剪切应力作用发生的剪切应变。(1)弹性模量(杨氏模量) 物体受正应力作用,产生轴向的变形称拉伸(或压缩)变形，表示拉伸变形的弹性模量也称作杨氏模量nF/And/LnEn 比例系数E称弹性模量(杨氏模量)，单位是N/m2 (2)剪切模量F/Ad/Htan G比例系数G称为剪切模量，单位是N/m2。 (3)体积模量式中，K为体积模量，它是材料的固有性质，单位是N/m2。 (4)泊松比 比例系数是物

4、质的固有常数，称泊松比。它是无量纲的量。 在拉伸或压缩面团、凝胶等食品的过程中，物体的体积不发生变化，则泊松比等于0.5。 海绵状食品(如面包)，在压缩的垂直方向没有明显的变形，则=0。 土豆的泊松比为0.49，苹果的泊松比为0.37。e n 5)几个弹性系数之间的相互关系式中，K为体积模量，它是材料的固有性质，单位是N/m2。 3） 食品的粘弹性体(1) 粘弹性:许多食品往往既表现弹性性质，又表现粘性性质。把这种既有弹性又可以流动的现象称为粘弹性，具有粘弹性的物质称为粘弹性体(或半固态物质。 粘弹性体的力学性质不像完全弹性体那样仅用力与变形的关系来表示，还与力的作用时间有关。所以，研究粘弹性

5、体的力学物性时，掌握力与变形随时间变化的规律是非常重要的 应力松弛:所谓应力松弛是指试样瞬时变形后，在变形(应变)不变情况下，试样内部的应力随时问的延长而减少的过程。值得注意的是，应力松弛是以一定大小的应变为条件的蠕变:蠕变和应力松弛相反。蠕变是指把一定大小的力(应力)施加于粘弹性体时，物体的变形(应变)随时间的变化而逐渐增加的现象。要注意，蠕变是以一定大小的应力为条件的。 (2)曳丝性 当筷子插入其中，再提起时,会观察到一部分液体被拉起形成丝状，把这种现象称为曳丝性，具有曳丝性的液体，分子之间存在着一定的结合，形成了弱的网络结构。曳丝性是黏性与弹性双重性质的表现。(3)威森伯格效果 将黏弹性

6、液体放入圆桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃将黏弹性液体放入圆桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，当急速棒，当急速转动玻璃棒或容器时，可观察到液体会缠绕玻璃棒转动玻璃棒或容器时，可观察到液体会缠绕玻璃棒而上，在棒周围形成隆起于液面的液柱而上，在棒周围形成隆起于液面的液柱,把这种现象称作威森伯把这种现象称作威森伯格效果格效果 3.3.2 粘弹性的力学模型1) 单要素模型 (1)虎克模型在研究粘弹性体时，其弹性部分往往用一个代表弹性体的模型表示。虎克模型便是用一根理想的弹簧表示弹性的模型，因此也称“弹簧体模型”或“虎克体”。虎克模型代表完全弹性体的力学表现，即加上载荷的瞬间同时发生相应的变形，变形大

7、小与受力的大小成正比(2)阻尼模型流变学中把物体粘性性质用一个阻尼体模型表示，因此称为“阻尼模型”或“阻尼体”。阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时阻尼模型立即停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。阻尼模型既可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质。(3)滑块模型滑块模型虽不能独立地用来表滑块模型虽不能独立地用来表示某种流变性质，但常与其他示某种流变性质，但常与其他流变元件组合，表示有屈服应流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质。滑块力存在的塑性流体性质。滑块模型亦称为模型亦称为“摩擦片摩擦片”、“文思文思特滑片特滑片”。2)麦克斯韦模型 由一个弹簧和一个阻尼器串联组成，这

8、是最早提出的粘弹模型。这一模型可以用来形象地反映应力松弛过程。 当模型一端受力而被拉伸一定长度时，由于弹簧可在刹那间变形，而阻尼器由于粘性作用来不及移动，弹簧首先被拉开，然后在弹簧恢复力作用下，阻尼器粘性起作用，随时间的增加而逐渐被拉开，弹簧受到的拉力也逐渐减小，直到零。这就类似于应力松弛过程。可以推导出该模型的松弛模量随时间的变化规律为：3) 伏格特-开尔芬模型伏格特伏格特-开尔芬模型是由一个弹簧和一个开尔芬模型是由一个弹簧和一个阻尼器并联组并联组成成, 此模型可以描述食品的蠕变过程。此模型可以描述食品的蠕变过程。 t1解除应力的时刻解除应力的时刻 ； 1解除应力时的最大形变。解除应力时的最

9、大形变。4)多要素模型(1)四要素模型 四要素模型也称为伯格斯模型,四要素模型还有许多等效表现形式，在研究不同的流变现象时，为了解析方便，可以选用不同的等效模型。 (2)三要素模型 三要素模型可以看作是四要素模型的一个特例。例如当粘弹性体存在着不能完全松弛的残余应力，就可以认为四要素模型阻尼体成了不能流动的刚性连接三要素模型瞬时弹性模量 延迟弹性模量黏度黏度:从卸载曲线达到平衡后的曲线部分求出。已从卸载曲线达到平衡后的曲线部分求出。已知常值应力和蠕变时间，则可从实验值求出粘度知常值应力和蠕变时间，则可从实验值求出粘度。延迟时间延迟时间若令左边部分即为某时间的延迟弹性变形量，可写成左边部分即为某

10、时间的延迟弹性变形量，可写成将上式画在半对数纸上，其结果为一条直线。直线的斜率为,根据此斜率即可求出时间常数。伯格斯模型开尔文元件的黏度即可求出 5)广义模型 食品体系是一个多分散的复杂体系，在力学松弛过程不止一个值，而是一个分布很宽的连续谱，即时间谱。 因此, 模拟实际黏弹性体的流变特征往往要建立更复杂的模型。常见的黏弹性体流变学分析试验多为应力松弛或蠕变试验，常用广义模型研究这两种试验的复杂流变现象。所谓广义模型就是把若干(M个)麦克斯韦模型或开尔芬模型并联或串联而组合成的模型。(1)广义麦克斯韦模型广义麦克斯韦模型由许多麦克斯韦模型并联而成.(2)广义开尔芬模型 由许多开尔芬模型串联而成

11、。但是，在大多数情况下，应力对数和时间的关系曲线是非线性的。小麦面团的应力松弛曲线。这时，物料的流变性质不能用一个麦克斯韦元件表示，需把一系列麦克斯韦元件以并联方式联结，构成广义麦克斯韦模型。广义麦克斯韦模型的应力松弛时间可以利用逐次余数法确定。用逐次余数法确定小麦面团应力松弛数据的方法。首先要画应力对数和时间的关系曲线。在较长时间后由这条原始曲线的直线部分的斜率求出第一指数项的最长松弛时间,将这条直线延长到纵座标上，所得截距即为第一指数项系数。把这条直线和原始曲线之间的纵座标的差值画在同一张半对数纸上，得出第一余数项曲线。然后，把第一余数项曲线的直线部分延长到纵座标上并截取纵座标，则第二指数

12、项再次利用截距和斜率求出。从第一余数项的纵座标减去相应的第二指数项的纵座标，得出第二余数项曲线，并由第二余数项曲线推导出第三指数项。以此类推，直到这条原始曲线用足够数量的指数项表示为止。食品流变学在食品加工中的应用1)在奶油蛋糕加工中的应用 按表中的配方比制造的奶油蛋糕蠕变曲线，其蠕变特性可用八要素模型解释。式中各粘弹系数的计算结果列于表2)在改善产品品质方面的应用 鱼糕是将鱼肉磨成糊后摊在木板上蒸熟而成的一种日本食品。为研究鱼糕的流变特性，把鱼糕切成长条作拉伸试验或切成方块形作压缩试验。 试验结果表明，鱼糕的拉伸或压缩应变与时间的关系曲线可用伯格斯模型加以解释，并根据这些曲线计算弹性模量和粘性系数。用这种方法对公认的“优质鱼糕”和“劣质鱼糕”进行实验确立了“优质鱼糕模型”和“劣质鱼糕模型”。比较就能弄清楚它们在弹性方面或粘性方面的差别。 通过研究发现，优质鱼糕的弹性模量值较大。因此，可根据实验结果对质量差的鱼糕制定改进措施，提高了产品质量。应力松弛试验应力松弛性质往往与食品的口感品质有很大关系。例如人在吃米饭、面条等食品时，虽然牙齿张合咀嚼食品，但是在牙齿咬下到重新张开的短暂静止之间，食品有一个很短的应力松弛过程。这松弛时间的快慢，通过齿龈膜传给神经给人以某种口感。加藤等人对各种大米的米饭团进行了应力松弛试验，求出了它们