食品物性学绪论二

食品的力学性质

食品的力学特性主要有应力、变形和时间三要素。食品力学是食品物性学中发展最早、研究最为深入的性质.食品流变特性和食品质构特性是力学研究较为成熟的核心内容。流变学是研究物体在力的作用下变形与流动的科学；食品质构是通过力学的、触觉的、视觉的、听觉的方法能够感知的食品流变学特性的综合感觉。第一章食品流变学第一节绪论一定义食品流变学是研究食品物质在力作用下变形或流动的科学。力、力作用时间、变形二根据流变特性对食品的分类，基本概念食品物质固体食品主要具有固体特性

液体食品主要具有液体特性粘弹性食品同时表现出固体特性和液体特性的食品物质牛顿型液体非牛顿型液体1固体类食品物质固体食品物质很多，例如干面团、核桃等。马铃薯和苹果这类食品有时也可以归为固体食品。它们都具有变形与作用力的大小成正比例的特性。2牛顿液体类食品物质如果液体中的粘度与剪切速度无关，符合牛顿粘性定律，这种液体就称为牛顿液体。可以归属为牛顿液体的食品物质也很多，例如：糖水溶液、低浓度牛乳、油、水及其他透明稀质液体均可归为牛顿液体，都可以用牛顿液体的粘度来表示其流变特性。3非牛顿液体类食品物质在牛顿液体中，液体的粘度是常数，特征曲线是一条直线并且通过坐标原点，直线的斜率是由粘度来决定的。但是，更多的液体却不满足牛顿粘性定律，粘度不是常数，而是随着剪切速率而变化。这类液体虽然不具备牛顿粘性定律，但是还具备了液体的基本特性，故称为非牛顿液体。食品中的非牛顿液一般是固体乳液体，例如酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉浆、苹果浆等等，都属于这类物体。4塑性流体类食品当作用在物质上的剪切应力大于极限值时，物体就流动，否则物质就保持即时形状并且停止流动。典型的塑性流体类食品物质有马铃薯浆、熔化巧克力、脂肪。它们在重力作用下，能保持它们的原有形状，然而，如果受到大于重力的作用力的作用，它们就能类似于液体一样的流动。5粘弹性体这类物质同时表现出液体的粘性和固体的弹性两种性质。例如按适当的比例将水和面粉混合搅拌就形成了湿面团，采用挤压或剪切把面团变成片状。如果把这片面团放在水银上面，并且捏住一端轻轻地拉动，那么面团开始是伸长，紧接着会呈现出像粘性液体一样的流动状态，一旦放开面团的末端，它就会慢慢地收缩，但变形的恢复只能是局部的，不可能像完全弹性体。属于粘弹性体的食品物质有湿面团、米粉团、凝胶冻等等。食品属于分散系统，或者是说属于非均质分散系统，也称分散体系。分散体系是指数微米以下，数纳米以上的微粒子在气体、液体或固体中浮游悬浊(即分散)的系统。分散的微粒子称为分散相，而连续的气体、液体或固体称为分散介质。特点：①分散体系中的分散介质和分散相都以各自独立的状态存在，所以分散体系是一个非平衡状态。②每个分散介质和分散相之间都存在着接触面，整个分散体系的两相接触面面积很大，体系处于不稳定状态。按照分散程度的高低(即分散粒子的大)：1分子分散体系分散的粒子半径小于10-7cm，相当于单个分子或离子的大小。均匀的一相。是一种单相体系。与水的亲和力较强的化合物，如蔗糖溶于水后形成的“真溶液”2胶体分散体系分散相粒子半径在10-7～10-5cm的范围内，比单个分子大得多。一个高分散的多相体系，大的比表面积和高的表面能，胶体粒子具有自动聚结的趋势。“溶胶”。3粗分散体系分散相的粒子半径在10-5～10-3cm的范围内，可用普通显微镜甚至肉眼都能分辨出是多相体系。牛奶。按照分散相与分散介质的聚集态来进行分类三食品流变学的研究目的

(1)食品流变学可用于对食品的半成品或成品的质量控制，也可用于控制生产过程。食品流变学对提高食品质量、调节生产工艺过程以及产品的开发等方面都有一定的作用。

(2)食品加工中有许多操作都直接与流变学性质有关，如混合、搅拌、筛分、压榨、过滤、分离、粉碎、整形、均质、输送、膨化、成型、喷雾等。研究和掌握加工对象的流变特性，就成了食品工程设计和单元操作的基础。(3)流变学理论已经广泛应用于与食品加工有关的工艺设备设计开发。

(4)与感官评定相结合，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。

(5)在食品制作过程中利用调节中间产品的流变特性方法可达到调节食品组织结构的目的。

(6)可用于食品产品货架期的预测。

(7)为研究食品分子论提供实验依据。随着对食品品质研究的深入，食品内部分子结构的研究己成为食品科学的重要组成部分。但分子水平的结构变化，很难用化学分析的方法了解，食品流变性质对食品的运输、传送、加工工艺、产品的开发设计以及人在咀嚼食品时的满足感等都起非常重要的作用。通过对流变性质的研究不仅能够了解食品组织结构的变化情况，还可以找出与加工过程有关的力学性质的变化规律，从而可以控制产品的质量，鉴别食品的优劣，还可为工艺及设备和产品的开发设计提供有关数据。四研究的思路首先把食品按其流变性质分类，然后再对每种类型的物质，建立起表现其流变性质的力学模型，从这些模型的分解、组合和解析中，找出测定食品力学性质的可靠方法，或得出有效控制食品品质（力学性质）的思路第二节液态食品的流变特性1黏性及牛顿黏性定律

1)黏性概念黏性是表现流体流动性质的指标，阻碍流体流动的性质称为黏性。从微观上讲，黏性是流体在力的作用下质点间作相对运动时产生阻力的性质。黏性的大小用黏度来表示。由流动力学可知，当流体在一定速度范围内流动时，就会产生与流动方向平行的层流流动。以流体平行流过固定平板为例，紧贴板壁的流体质点，因与板壁的附着力大于分子的内聚力，所以速度为零，在贴着板壁处形成一静止液层，而越远离板壁的液层流速越大。液体内部在垂直于流动方向就会形成速度梯度。层与层之间存在着粘性阻力。

如果从流体的层流流动沿平行于流动方向取一流体微元，微元的上下两层流体接触面积为A(m2)、两层距离为dy(m)，两层间粘性阻力为F(N)，两层的流速分别为u和u＋du(m/s)。这一流体微元，可以看成是在某一短促时间dt(s)内发生了剪切变形的过程。剪切应变ε一般用它在剪切应力作用下转过的角度(弧度)来表示，即ε=θ=dx/dy。则剪切应变的速率为可见液体的流动也是一个不断变形的过程。用应变大小与应变所需时间之比表示变形速率。上式表示的剪切应变速率

就是液体的应变速率，也称剪切速率或速度梯度，单位为:s-1。另外，剪切应力σ可定义为

剪切应力σ实际是截面切线方向的应力分量，单位为Pa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

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。2)黏度分类(1)剪切黏度对应于剪切流动的，这种流动产生的速度梯度场是横向速度梯度场，即速度梯度的方向与流动方向垂直。用普通的黏度计测定的液体黏度大多都是剪切黏度。

(2)拉伸黏度

流体流动可产生纵向的速度梯度，其速度梯度的方向与流动方向一致，这种流动称为拉伸流动。它只表示黏弹性体延伸时(区别于流动)的黏度。

(3)体积黏度给液体加以静水压时，体积会发生瞬时的变化而到达平衡值，这时不存在体积黏度。可是对更精密的测定，例如在超声波范围，液体所受压力与体积变化速度之间的关系将遵循黏性定律。3)流动状态方程

2黏性流体的分类及特点1)牛顿流体剪切应力与剪切速率之间满足牛顿黏性定律的流体称为牛顿流体。特征是剪切应力与剪切速率成正比，黏度不随剪切应力和剪切速率的变化而变化。即在层流状态下，黏度是一个不随流速变化而变化的常量。可以用粘度来表示其流变特性。严格地讲，理想的牛顿流体没有弹性，且不可压缩，各向同性。所以在自然界中理想的牛顿流体是不存在的。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。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。2)非牛顿流体剪切应力与剪切速率之间不满足式关系，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用下列经验公式表示:

为非牛顿流体的流动状态方程式中，k为粘性常数，又称浓度系数。n为流体状态特性指数设，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。

实际的非牛顿流体有许多并非所示那样当施加应力时就会产生流动，它们要在应力值大于某个一定值。(屈服应力)时才开始流动。非牛顿液体与时间无关与时间有关在给定温度和剪切速率时，物料的剪切应力为常数，它不随时间而变化流动曲线通过原点时粘性流动塑性流动液体只有当它所受剪切应力超过屈服应力时，才流动假塑性胀流性宾汉姆体非宾汉姆体(或卡生体)触变性胶变性或抗流变流体

(1)假塑性流体:在非牛顿流体流动状态方程中，当0＜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。具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。一些研究表明，剪切稀化的程度与分子链的长短和线形有关。直链分子构成的液体，比多支结构分子的液体剪切稀化程度大。食品工业中遇到的一些高分子溶液、悬浮液和乳状液，如酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉糊、苹果酱等都是假塑性流体。大多数非牛顿流体都属于假塑性流体。(2)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。表观粘度随剪切速率的增大而增大。由于这一特点，胀塑性流动也被称为剪切增稠流动。当往淀粉中加水，混合成糊状后缓慢倾斜容器时淀粉糊会像液体样流动。但如果施加更大的剪应力，用力快速搅动淀粉，那么淀粉糊反而变“硬”，失去流动性质，若用筷子迅速搅动，其阻力甚至能使筷子折断。(3)塑性流体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;

σ0——屈服应力。其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。

(4)触变性流体

触变性流动亦称摇溶性流动。当液体在振动、搅拌、摇动时，其黏性减少，流动性增加，但静置一段时间后，流动又变得困难的现象。触变流动是第二类剪切变稀流动，在触变流动中，随流速增加，黏度下降并不是瞬时发生的，在恒定的剪切速率下触变溶液的黏度下降是和时间有关的，剪切停止后，重新恢复到原有黏度需要一定时间.触变性行为根据流体结构的破坏程度又分为完全触变型流变和表观触变型流变。前者在剪切速率恢复到零时，流体重新恢复初始流动行为；后者流体的结构由于剪切应力的作用部分破坏，导致该类流体表观黏度不能完全恢复。流动机理:随着剪切应力的增加，粒子间的结构受到破坏，导致黏性减少；当作用力停止时粒子间结合构造的恢复需要一段时间。因此剪切速率减小时的曲线在前次增加时的曲线的下方，形成了与流动时间有关的履历曲线(滞后曲线)番茄酱、蛋黄酱.有触变现象的食品口感比较柔和爽口。

(5)抗流变流体

在恒定的剪切作用下，抗流变流体随时间的延长表现出抵抗流动的性质，即液体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。这种行为与剪切造成的聚集作用和缔合作用有关。当剪切速率增加至最大值后，再降低剪切速率，降低剪切速率的流动曲线反而在增加剪切速率流动曲线的上方。这说明流动促进了液体分子间的相互作用。因此，这种现象也被称为逆触变现象。具有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感。液态食品黏度的影响因素(1)温度的影响从分子热力学方面看，温度对分子运动有直接的影响。液体的黏度是物质分子间相互作用的结果，当液体流动时，分子问相互吸引力与分子运动(由温度控制)产生的分子间相互排斥力存在一个平衡状态。因此，如果没有其他作用力或力转化时，黏度随温度的升高而降低。(2)分散相的影响

(3)分散介质的影响(4)乳化剂的影响

3液态食品流变性质的测定

对液态食品来讲，最重要的流变特性是黏度。黏度测量是研究液态食品物性的重要手段。黏度测量也就是对液体流动性质的测量，常见的测定方法有毛细管测定法、圆筒回转式测定法、落球式测定法测定法等。常用毛细管粘度计有两种:奥式粘度计乌式粘度计(1)毛细管粘度计利用毛细管黏度计测量巧克力融浆的流动特性，已知毛细管直径lcm，长度60cm，测得压力差与流量下图所示。(1)证明巧克力融浆为非牛顿流体；用玻璃毛细管黏度计测量葵花子精制油的黏度，采用50％浓度的蔗糖溶液作为参考液，已知参考液25℃时密度为1227.4kg／m3，黏度0.0126Pa·s，流过毛细管上下刻度的时间100s，实验结果见表，(1)试用Arrhenium模型分析温度对黏性的影响；(2)确定活化能；(3)确定Arrhenium模型参数；(4)10℃该油的黏度是多少。(2)旋转圆筒黏度计3)锥板式黏度计由一个同心的圆锥和平板组成，圆锥面与平板夹角只有0.5º～4º。测定时，圆锥与平板的间隙充填试样，圆板以一定角速度。4）平行板式黏度计两块平板之间为被测样品，距离为h，其间距可以根据被测样品的颗粒大小而定。两块平板中，一块以一定转速转动，另一块静止。通过检测不同转速下的扭矩，从而获得被测样品的流变特性。与锥板式黏度计相比较，平行板式黏度计被测样品的剪切速率和应力均不是恒定值，而是随直径变化。

5)落球式黏度计在重力作用下，测量落球通过被测溶液所需要的时间。黏度高，同样条件下落球下落的时间长；反之，时间短。6)转子回转式转子回转式黏度计可以看作是外圆筒半径较内筒大得多的情况，电动机通过悬吊的弹簧，带动转子在被测液体中旋转。设弹簧扭转弹性率为K，当转子转动达到平衡状态，弹簧受黏性阻力矩作用，上部(刻度盘)与下部(指针)就会产生一个偏转角θ4固态与半固态食品的流变特性4.1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

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。在弹性极限范围内，外力F和变形量d之间成正比关系，即F＝kd

上式称为虎克定律，式中比例系数k为弹性系数。

3种类型：①受正应力作用产生的轴向应变；⑦受表面压力作用的体积应变；③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σn＝F/Aεn＝d/Lσn＝E·εn

比例系数E称弹性模量(杨氏模量)，单位是N/m2

(2)剪切模量στ＝F/Aετ＝d/H＝tanθ

＝θστ＝G·ετ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μ是物质的固有常数，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μ=0。土豆的泊松比为0.49，苹果的泊松比为0.37。εe＝－μ·εn

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液体放入圆桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，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示某种流变性质，但常与其他流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质。滑块模型亦称为“摩擦片”、“文思特滑片”。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-开尔芬模型是由一个弹簧和一个阻尼器并联组成,此模型可以描述食品的蠕变过程。

t1——解除应力的时刻；

ε1——解除应力时的最大形变。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: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。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。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。