《食品感官评价》

三、黏弹性（一）黏弹性基本概念许多食品属于固体或半固体。当给它们施以作用力时，会发生相应的变形，去掉作用力后，又会发生弹性恢复。如果弹性恢复可以完全回到原来的状态，称之为完全弹性；如果不产生弹性恢复，则是流动。第二章食品的力学基础

第二节食品流变学

编辑ppt

食品类物质，往往即表现弹性的性质，又变现黏性的性质。它们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。面包、面团、面条、奶糖等，我们都可观察到它们的弹性性质和黏性性质。只是在不同的条件下，有的弹性表现得比较明显，有的黏性表现得比较明显。

总之，把既有弹性，又可以流动的现象称为黏弹性。具有黏弹性的物质称为黏弹性物质或黏弹性体。通过测定食品的黏弹性即可把握食品的状态。编辑ppt

1．变形（deformation）一般固体施以作用力，则产生变形；去掉作用力，又会产生弹性恢复。使物体弹性恢复的力称之为内应力（internalstress）。如果去掉外力，内应力也随之消失，这种性质也称为弹性（elasticity）。研究物体的变形以及黏弹性时，要进行应力与应变关系的分析，因此需掌握以下概念。（1）宏观应变（macro-strain）：平均应变范围为大于原子间距离的有限尺寸场合下的应变。（2）微观应变（micro-strain）：应变尺寸范围为原子距离数量级的应变。

编辑ppt

（3）压缩强度：物质所能承受的最大压缩应力，即试验时试样能承受的最大荷重与最初断面积之比。

（4）弹性率：在弹性极限范围内，应力和应变之比。当应力和应变为非线性关系时，定义了以下弹性率。a．初始切线弹性率：应力-应变曲线在原点处的斜率。b．切线弹性率：在曲线上某一点，曲线的斜率，亦称瞬时弹性率。c．正割弹性率：从曲线上任一点到原点的连接直线的斜率，亦称表观弹性率。d．弦弹性率：应力-应变曲线上任意两点之间弦的斜率。

编辑ppt

当给食品物质持续加载时，不仅要变形，而且还会发生断裂现象。实际上人们对食品进行压、拉、扭、咬、切时，食品的变形逐渐增大，但一般并非线性变形，而是发生大的破坏性变形。对于具有这样性质的物体，人们往往用一定载荷进行断裂强度和蠕变试验。由于断裂现象同试样的组织结构有敏感的关系，因此，在测定断裂强度时，对试样要进行严格处理，并且要取大量数据进行平均，然后从概率角度去讨论。在进行断裂试验时需要掌握以下概念。

编辑ppt

（1）屈服点（yieldpoint）：当载荷增加，应力达到最大值后，应力不再增加，而应变依然增加时的应力点。并非所有物质都有屈服点。（2）屈服强度（亦称弹性极限）：应变和应力之间的线性关系，在有限范围内不再保持时的应力点。当用偏离法求解时，一般认为偏离直线的变形为变形量的0.2%时，称为屈服强度点。（3）生物屈服点：应力-应变曲线中，应力开始减少或应变不再引起应力增加的点。一般生鲜食品都具有生物屈服点。在此点，物质的细胞构造，开始受到破坏。生物屈服点一般都出现在曲线的直线部分以后。

编辑ppt

（4）破断点：在应力-应变曲线上，作用力引起物质破碎或断裂的点。作为生物物质破断，它包括壳和表皮的破裂、整体碎裂、表面产生断裂裂缝等。生物屈服点通常属于物质的微观应变，而破断点属于物质的宏观应变。对于脆性物质，破断点往往出现在曲线的初期部分，而强韧（坚韧）性食品物质，破断点的出现往往很晚，也就是在物质出现塑性流动之后很久才出现。据此，食品物质的断裂通常可分为“脆性断裂”和“延性断裂”。

编辑ppt

（5）脆性断裂：屈服点与断裂点几乎一致的断裂情况，称为脆性断裂。饼干、琼脂、牛油、巧克力、花生米等属于脆性断裂。（6）延性断裂：指塑性变形之后的断裂。食品中这种断裂也很多，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。

（7）断裂能：脆性断裂时，应力在断裂前所作的功。

编辑ppt

（8）刚度：当变形未超出弹性极限时，刚度为应力-应变曲线的初期斜率，即弹性模量。当应力和应变为非线性关系时，刚度即为表观弹性率，也就是初期切线弹性率、割线弹性率或切线弹性率。（9）弹性：物质恢复原形的能力。（10）塑性：物质产生永久变形的性质。（11）弹性度：物质在去掉外力作用后，弹性变形和总变形量之比。弹性度=Se/（Sp+Se）（12）强度：物质承受施加外力的能力。编辑ppt

（13）生物屈服强度：达到生物屈服点的应力。（14）坚韧性（强韧性）：使物质达到破断时所需要作的功，它是应力和应变曲线之间包围的面积。用力-变形曲线时一定要对试样的大小、形状和作用力面积进行考虑。相当于脆性断裂时的断裂能。（15）弹性能：物质以弹性变形的形式保存的能量。它等于曲线的直线部分与横轴所包围的面积，或回弹曲线与横轴所包围的面积。

编辑ppt

（16）力学滞后：从载荷的加载到卸载过程中物质吸收的能量，是当产生塑性变形时，应力-应变曲线回路中包围部分的面积。力学滞后表示能量的损耗。是物质在变形过程中转化为热能的损失。（17）应力松弛：试样在瞬时变形后并保持变形时，应力随时间的经过而消失的过程。

编辑ppt

2．弹性变形弹性本来是反映固体力学性质的物理量。虎克定律：在弹性极限范围内，物体的应变与应力的大小成正比。其中的比例系数，对不同的物质有不同的值，称为弹性模量（或称弹性率）。弹性变形可归纳为3种类型：①

受正应力作用产生的轴向应变；②

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。

编辑ppt

（1）弹性模量：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杨氏模量。设物体在拉伸变形时所受正应力为σ（Pa），所产生的应变为ε，据虎克定律：σ=E·ε比例系数E称为杨氏模量，因为研究中弹性模量常指杨氏模量，所以杨氏模量也称弹性模量。由于ε量纲为1，所以E的量纲与σ相同为Pa。在室温下，下列食品的杨氏模量分别为：小麦面团105Pa，琼胶、明胶的凝胶105～106Pa，硬质干酪109～1010Pa，意大利干挂面1011Pa。

编辑ppt

编辑ppt

编辑ppt

（2）剪切模量或刚性率：剪切变形时，剪切应力σs（Pa）与剪切应变εs（弧度）的关系式也符合虎克定律，如下式表示：σs=Gεs

（2-2-5）式（2-2-5）中的比例系数G称为剪切模量，亦称刚性率。其量纲与杨氏模量相同，为Pa。剪切模量的倒数称为柔量。牛顿流体的剪切模量为0，果冻、橡胶、水泥、铜、钢的剪切模量分别为2×105、2.9×105、0.7×1010、4×1010、8×1010Pa。一般说来固体的剪切模量是杨氏模量的1/2～1/3。编辑ppt

（3）体积模量（bulkmodulus）：体积模量表示物体受表面正应力作用时，产生体积变化的难易程度。表面正应力一般认为是正压力。在正压力σv（Pa）作用时，体积应变如果为εv，根据虎克定律，下式成立：σv=K·εv（2-2-6）式中比例系数K称为体积模量，其量纲为Pa。

各弹性模量和泊松比相互之间存在着一定关系（略）。（如：E与G的关系式中，代入泊松比0.5，可得E=3G，称为三陪率。）

编辑ppt

3．能弹性和熵弹性

对于由内能决定的弹性，可以认为在外力作用下弹性变形所作的功全部作为内能贮存时，称这种弹性为能弹性。把与熵有关的弹性称为熵弹性，这一现象在橡胶上表现比较明显，因此也称之为橡胶弹性。

4．黏弹性体的特点

黏弹性体除了兼有弹性性质和流动的黏性性质外，还有如下一些特殊的性质。

编辑ppt

（1）曳丝性

有许多黏弹性食品，如蛋清、山药糊、糊化淀粉糊等，当筷子插入其中，在提起时，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，可认为其分子之间存在着一定的结合，形成了弱的网络结构。

有些黏度高的液体，如食用油、糖液等，虽然用筷子也可提起“液线”，但它不是曳出的丝，而是黏性降下的液流。

编辑ppt

对曳丝性的判断方法：将直径为1mm的玻璃棒浸入液体1cm，然后再以5cm/s的速度提起，用液体丝在断掉前可拉出的长度表示曳丝性的大小。例如：日本纳豆等发酵豆类食品都具有一定的曳丝性。

曳丝性是黏性与弹性双重性质的表现。因此，在进行曳丝性测定时，丝的长度与棒提起的速度有很大的关系。提起速度过慢，拔出的丝因自身流下而断落不会太长，速度过快丝则会像固体那样被拉断，也不长。在两种曳丝方式之间，存在着一个曳丝长度的最大值，该值的曳丝速度与黏弹性的松弛时间有关。

编辑ppt

（2）威森伯格效果（Weissenbergeffect）

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冢状液柱，这种现象被称为威森伯格效果。

威森伯格效果只有在具有弹性的液体中才会出现。即使用黏度很大的牛顿流体试验，在旋转时不仅没有威森伯格效果，而且棒周围的液体还会在离心力作用下凹下。

编辑ppt

威森伯格效果出现的原因是由于液体具有的弹性。棒在旋转时，缠绕在棒上的液体将周围的液体不断拉向中心，而内部的液体则把拉向中心的液体向上涌，形成了沿棒而上的现象。

利用威森伯格效果可以判断食品液体的结构情况。例如当炼乳放陈后，由于酪蛋白会逐渐形成网络结构，产生弹性，于是会表现出威森伯格效果。

编辑ppt

（二）黏弹性的基本力学模型

研究复杂黏弹性体的流变性质，通常需要建立一些相应的力学模型，使复杂的问题得到简化，并使之归纳为可以用数学公式表示的规律，从中弄清楚控制或测定其流变性质的方法。

力学模型既可以是单一的简单模型，也可以是由多个简单模型（或称模型元件）组合而成。编辑ppt

1．虎克模型

在研究黏弹性体时，其弹性部分通常用一个代表弹性体的模型表示。虎克模型是完全弹性体的力学表现，即加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

流变学中把物体黏性性质用阻尼模型表示。阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时，阻尼体立刻停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。阻尼模型即可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质，在无特别说明时，一般表示牛顿流体的性质。

编辑ppt

3．滑块模型

滑块模型不单独用来表示某种流变性质，常与其它流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质。

4．麦克斯韦模型

黏弹性体的流变性质通常以应力松弛的形式表现。所谓应力松弛，是给黏弹性体瞬时加载，使其发生相应变形，在保持这一变形的情况下，黏弹性体内部应力变化的过程。研究发现，黏弹性体的应力松弛现象可由虎克模型与阻尼模型串联而成的模型表示，这一模型是研究黏弹性体的基本模型之一，称为麦克斯韦模型。

编辑ppt

5．开尔芬—沃格特模型

黏弹性体的流变特征之一，是在一定力的作用下发生蠕变现象。研究蠕变特性最简单的模型，是由虎克体和阻尼体并联组成的开尔芬—沃格特模型，也称开尔芬模型或蠕变模型。

6．多要素模型

虎克模型、阻尼模型和滑块模型，都是组成更复杂流变模型的最基本元件，在流变学中也称它们为要素。麦克斯韦模型、开尔芬模型都是由虎克模型与阻尼模型以不同的连接方式组成，分别含有两个模型元件，称为两要素模型。这两个模型虽然可以代表黏弹性体的某些流变规律，但与实际的黏弹性体还有一定差距。为了更准确地用模型表述实际黏弹性体的力学性质，需要用更多的元件组成所谓的多要素模型。

编辑ppt

（三）静黏弹性

用静态测定法所揭示的物体的黏弹性质称为静黏弹性。研究静黏弹性主要有以下一些试验。

1．基本流变特性参数测定法

在黏弹性体的流变测定中，常利用流变仪进行静态测定。（1）双重剪切测定：常用来进行蛋糕、人造奶油、冰淇淋、干酪、鱼糜糕等许多食品的黏弹性测定。

（2）拉力试验：常用来测定小麦粉面团的黏弹性质。

（3）套筒流动——波开蒂诺黏度计的设计原理。

（4）平行板塑性计——可间接测定黏弹性体的黏度。

编辑ppt

2．应力松弛试验

黏弹性体在受力变形时，存在着恢复变形的弹性应力。由于内部粒子具有流动的性质，当在内部应力作用下，各部分粒子流动到平衡位置，产生永久变形时，内部的应力也随之消失。这一现象称为应力松弛（stressrelaxation）。

编辑ppt

应力松弛性质常与食品的口感品质有密切关系。例如人在吃米饭、面条等食品时