食品流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)實用教案

1、第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 12.1 食品流變學(xué) （Rheology） 食品流變學(xué)的定義以及與食品工業(yè)的關(guān)系 食品流變學(xué)的定義 流變學(xué)是力學(xué)的一個分支，是研究物質(zhì)在力作用下變形或流動的科學(xué)。除了力的作用外，力的作用時間對變形的影響也是研究內(nèi)容之一。因此流變學(xué)中，物體(wt)的力學(xué)參數(shù)不僅有力、變形，還有時間。這門學(xué)科是由賓漢倡導(dǎo)的。 食品流變學(xué)是研究食品和食品材料力學(xué)性質(zhì)的一門科學(xué)，它涉及到力學(xué)、膠體化學(xué)、高分子物理、化學(xué)流變學(xué)和生物流變學(xué)等基本內(nèi)容。 食品流變學(xué)與食品工業(yè)之間的關(guān)系 1) 食品流變學(xué)的實驗，可以用于鑒別食品原材料、中間產(chǎn)品，可以

2、用于控制生產(chǎn)過程。例如面包制作過程中面團的流變學(xué)控第1頁/共35頁第一頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 制就是一個實例。 2）流變學(xué)能夠根據(jù)顧客的愛好，鑒定或預(yù)測顧客對某種食品是否滿意。例如，人造奶油的擴展能力、牛乳的粘度(zhn d)、硬糖果的硬度、肉的韌度都是可以用來鑒定食品優(yōu)劣的流變特性。 3）可借助中間產(chǎn)品的標準流變學(xué)特性來調(diào)節(jié)食品物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)。 4）流變學(xué)可以應(yīng)用于有關(guān)工藝設(shè)計和設(shè)備設(shè)計。例如泵送管路系統(tǒng)，放料裝置及攪拌裝置的設(shè)計，乳化、霧化及濃縮工藝過程的設(shè)計，都要用到物質(zhì)流變學(xué)特性數(shù)據(jù)。 第2頁/共35頁第二頁，共35頁。

3、第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 形變與粘性流動 形變的類型 1）彈性形變：加力發(fā)生形變，去掉力又恢復(fù)原來的形狀。 2）流動形變：加力后瞬間發(fā)生較大形變，隨著時間的推移徐 徐形變，外力(wil)除去后不能恢復(fù)原狀。 3）粘彈性形變：彈性形變與流動形變的交織。 彈性形變 1) 理想彈性體與彈性模量：又稱虎克固體，指物體在一定外力(wil)作用下,發(fā)生彈性形變的大小與外力(wil)之間的關(guān)系呈線性關(guān)系，此物體叫理想彈性體。 即 =E 外力(wil)， 形變量 E彈性系數(shù)（dyn/cm*cm。達因厘米）楊氏模量 第3頁/共35頁第三頁，共35頁。 這種理想固

4、體實際上是不存在的，但是(dnsh)當物質(zhì)在力作用下形變小于1%時，我們可以將其看成的虎克固體。如干面團、硬糖果、核桃、蛋殼、土豆和蘋果等在一定力范圍內(nèi)都可看成是虎克固體。2) 縱向形變：線性物體在長度方向上的形變。 F=Wg/A = L/L 按F=E E=F/=WgL/AL E 為楊氏模量 A 為線性物體橫截面積 L F 為單位面積上的外力 L 第4頁/共35頁第四頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 3） 剪切形變與剪切模量 設(shè)外力作用(zuyng)面積為A,切變?yōu)閐。 則 =P/A =tg=d/h 令E=G, d 由 =E 得： p G

5、= /Ph/Ad h G為剪切模量 4) 縱向、橫向形變與泊松比 當固體物質(zhì)拉伸或壓縮時，在它的長度發(fā)生變化的同時，它的寬度也發(fā)生變化。例如園桿受壓縮時它的直徑將增大，而在受 拉 時 它 的 直 徑 將 縮 小 。 在 彈 性 范 圍 內(nèi) ， 受 正 應(yīng) 力 作 用(zuyng)的固體，其橫向收縮和縱向伸長的比值稱為泊松比。第5頁/共35頁第五頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) = e/e 對任何固體物質(zhì)，當受到拉伸或壓縮變形時，如不發(fā)生體積的變化， 為0.5。一些常見(chn jin)固體物質(zhì)的泊松比如下。 第6頁/共35頁第六頁，共35

6、頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 5）體積形變與體積模量 由液體(yt)靜壓力作用在浮體表面所產(chǎn)生的表面壓力，引起浮體體積變形，這種形變稱為體積形變。 = K v 在這里，K稱為體積模量。 6）四種模量之間的關(guān)系 第7頁/共35頁第七頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 6）形變測量與食品品質(zhì) 可拉伸的食品物料或食品，如面條、煮熟的面條等其品質(zhì)可以通過其彈性與粘度測量的結(jié)果進行評價。 流速計：測定魚糕的E和L/L() 志水等測得： 級魚糕 E（2.131.34）10gcm2 級魚糕E（1.920.

7、97）10gcm2 級魚糕E（1.950.97）10gcm2 凝乳計：可用于測定凝乳、奶油、豆腐、膠狀食品的壓縮度、壓縮力從而計算出其剪切模量，根據(jù)其模量的大小來評定這些食品品質(zhì)的質(zhì)量。 貝克壓縮計：可用來測定面包老化過程(guchng)中的壓縮度、壓縮力，借此來評價面包老化過程(guchng)的老化特性。 第8頁/共35頁第八頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)粘性流動 粘性是表現(xiàn)流體流動性質(zhì)的指標，從微觀上講，粘性是流體受力作用，其質(zhì)點間作相對運動時產(chǎn)生阻力的性質(zhì)。這種阻力來自(li z)內(nèi)部分子運動和分子引力。一種物質(zhì)粘性的大小通常用粘

8、度來表示。粘度有剪切粘度、延伸粘度和體積粘度三種，但通常我們所說的是剪切粘度。 流體在力的作用下，會發(fā)生粘性流動，其流動過程中的粘度與作用力之間的關(guān)系表現(xiàn)出多種情況，主要有下面幾種。 第9頁/共35頁第九頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 1）牛頓液體類物質(zhì) 液體屬于一種流體，描述流體的一個重要參數(shù)就是粘度。粘度剪切粘度、延伸粘度和體積粘度等幾種不同的方式，通常我們(w men)所說的粘度就是剪切粘度，即用普通粘度計測定的液體粘度。如果一種液體的粘度與剪切速率無關(guān)，則我們(w men)稱這種液體為頓液體。 =/ 從這個式中可以看出，牛頓液體

9、的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線是一條直線，這種液體沒有彈性，且不可收縮。 第10頁/共35頁第十頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 值得注意：真正的牛頓液體是沒有的，但在實際情況中，當在剪切力很寬的作用范圍(fnwi)條件下，其粘度不變的液體通常近視將其看成為牛頓液體。例如糖水溶液、低濃度的牛乳、油、酒、水及其透明稀質(zhì)液體均可歸于牛頓液體。第11頁/共35頁第十一頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 當采用小于某一個值的剪切力作用于食品液體時，其并不表現(xiàn)出流動，具有類似于彈性體的性質(zhì)，當施

10、予的剪切力超過此值時，其表現(xiàn)出流動，流動特性符合牛頓液體特征的稱為賓漢液體。 在液態(tài)食品體系中，屬于(shy)賓漢液體的事例很多，如濃縮的肉汁就是一種典型的賓漢液體第12頁/共35頁第十二頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 第13頁/共35頁第十三頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)第14頁/共35頁第十四頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 2）非牛頓類液體物質(zhì) 凡是不符合牛頓流體定律的液體統(tǒng)稱為非牛頓類液體物質(zhì)， 非牛頓類液體物質(zhì)的流

11、動方程可用下式表示。 = n （n為不等于1的任何正數(shù)） 在上式中，當n=1時，它就是牛頓液體公式，這時= 就成了粘度。假如設(shè)a= n-1，則非牛頓液體類物質(zhì)的流動狀態(tài)方程可寫為與牛頓液體類物質(zhì)流動方程相似的形式： = a 由上式可以看出， a 與有同樣的量綱，表示同樣的物理特性，所以稱 a 為表觀粘度（apparent viscosity） 。值得注意的是 是一個常數(shù)(chngsh)， 而 a則是一個變數(shù)，它與粘度系數(shù)和流態(tài)指數(shù)n有關(guān)，是剪切速率 的函數(shù)。非牛頓類物質(zhì)的剪切力與剪切速率不是一條直線。第15頁/共35頁第十五頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)

12、與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 在實際過程中，非牛頓類液體物質(zhì)只有當施加的剪切力大于某一個值o時,才開始流動。據(jù)此，Herschel和Bulkey 提出了表示非牛頓液體類物質(zhì)流動狀態(tài)的方程式為： = o+ n 非牛頓液體類物質(zhì) 根據(jù)o的有無和n的取值范圍可以分為假塑性液體（Pseudoplastic Liquid）、脹塑性流體(Dilatant Liquid)、觸變性液體(Tixotropic Liquid)和膠變性液體(Rheopectic Liquid)四種類型。前兩種非牛頓液體其流變特性與時間無關(guān)(wgun)，后兩種非牛頓液體的流變特性卻隨時間而變化。 (1) 假塑性液體（Pseudoplastic

13、 Liquid） 在非牛頓液體狀態(tài)方程中，當時0 n1時，即表觀粘度隨剪切力的加大或剪切速率的增加而減小的液體稱為，也稱準塑性液體或擬塑性液體 。其特征曲線如下。 第16頁/共35頁第十六頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 在上圖中，表觀粘度 a = tani(i=1, 2, 3, )第17頁/共35頁第十七頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)第18頁/共35頁第十八頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 續(xù)表 由上表可以看出，大部分液態(tài)食

14、品0n1，都是假塑性液體。n值越小, 隨著剪切速率的增加，粘滯阻力增加相對越慢，這是因為n值越小，液體內(nèi)部構(gòu)造越弱，隨著剪切速率的增大，其內(nèi)部分子(fnz)結(jié)合而形成的阻力就越小。第19頁/共35頁第十九頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) (2) 脹塑性液體(Dilatant Liquid) 在非牛頓液體狀態(tài)方程中，當時1 n時，即表觀粘度隨剪切力的加大或剪切速率的增加而增加的的液體稱為，其特征曲線如下。 在我們通常遇到(y do)的液體食品中屬于脹塑性液體的不多，比較典型的例子是生淀粉糊。 第20頁/共35頁第二十頁，共35頁。第十二章第

15、十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 為什么有的食品(shpn)液體表現(xiàn)出假塑性液體特性，而有的表現(xiàn)出脹性液體的特性，有許多不同的解釋。 對于假塑性液體通常從兩個方面進行解釋，一方面認為隨著剪切力的增加，膠體粒子之間的結(jié)合會減弱；另一方面認為隨著剪切力的增加，膠體粒子本身會發(fā)生變形，由靜止時的鏈狀粒子變?yōu)閳F狀態(tài)粒子，從而減小了相互間的鏈接，出現(xiàn)了剪切變稀現(xiàn)象。 對于脹塑性液體可用脹容現(xiàn)象來解釋，脹塑性液體一般是糊狀體，水充滿在致密排列的粒子間隙中，當施加壓力較小、緩慢流動時，由于水的滑動和流動作用，膠體糊表現(xiàn)出的粘性阻力較小。可是如果用力攪動，處于致密排列的粒子就會

16、一下子被攪亂，成為多孔隙的疏松排列結(jié)構(gòu)。這時由于原來的水分第21頁/共35頁第二十一頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 再也不能填滿粒子之間的間隙、粒子與粒子沒有了水層的滑動作用，因而粘性阻力就會驟然增加，甚至失去流動的性質(zhì)。因此粒子在強烈的剪切力作用下會成為疏松排列結(jié)構(gòu)，引起外觀體積的增加。 值得注意的是：有些假塑性液體 和脹塑性液體當采用(ciyng)小于某一個值的剪切力作用于食品液體時，其并不表現(xiàn)出流動，具有類似于牛頓類液體物質(zhì)的性質(zhì)，當施予的剪切力超過此值時，其表現(xiàn)出流動，流動特性也不符合牛頓液體特征。 第22頁/共35頁第二十二頁

17、，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 第23頁/共35頁第二十三頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) (3) 觸變性液體(yt)(Tixotropic Liquid) 當液體(yt)在振動、攪拌、搖動時，其粘性減少，流動性增加，但靜置一段時間后，流動又變得困難，這種現(xiàn)象稱為搖溶現(xiàn)象，具有搖溶現(xiàn)象的液體(yt)稱之為觸變性液體(yt)。其流動的特性曲線如下：第24頁/共35頁第二十四頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 觸變液體(yt)具有搖溶

18、現(xiàn)象的機理目前認為：隨著剪切應(yīng)力的增加，粒子之間形成的結(jié)合構(gòu)造受到破壞，因此粘性減少。但這些粒子間結(jié)合構(gòu)造在停止應(yīng)力作用時，恢復(fù)需要一段時間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時的曲線在前次增加時的曲線下方，形成了與流動時間有關(guān)的履歷曲線（滯變曲線）。 (4) 膠變性液體(yt)（rheopexy） 當液體(yt)隨著流動時間的增加，變得越來越粘稠，其特性曲線為：第25頁/共35頁第二十五頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 由上可以看出，當剪切速率加大，達到最大值后，再減低剪切速率，減低剪切速率的流動曲線反而在增大剪切速率曲線的上方。這說明流動促

19、進了液體粒子間構(gòu)造的形成。所以，這種現(xiàn)象也被稱為逆觸變現(xiàn)象。 3) 粘性流動的特性 (1) 內(nèi)粘性 A. 絕大多數(shù)液體食品體系內(nèi)粘性（形態(tài)粘性）隨著速度梯度的增大，粘度減小，流動性能增強。少數(shù)液體食品體系如巧克力、黃油、蕃茄醬等產(chǎn)品常表現(xiàn)出觸變性特性，即靜置時逐漸變稠，多次攪拌時逐漸變稀。 觸變性和內(nèi)粘性的主要區(qū)別在于：前者是流體(lit)未發(fā)生流動表現(xiàn)出的特性，后者則是在流動過程中表現(xiàn)出的特性。即前者是在攪拌時粘度下降，而后者是在流動時粘性下降。 第26頁/共35頁第二十六頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) (2) 膨脹特性：有一些液體食

20、品體系隨著剪切速率的增加，表觀粘度逐漸(zhjin)增加。如生淀粉糊。 4) 粘度的測量 (1) 毛細血管粘度法 A. 粘度計算公式 哈根-泊稷發(fā)現(xiàn)液體流經(jīng)毛細管的流量Q與粘度之間存在如下關(guān)系： = pr4t/8QL Q: 在t 時間里，自毛細管流出的液體體積總量，m3 : 流體的粘度， N.s/m2 P: 壓力差，N/m2 L：毛細管長度 r: 毛細管直徑 從理論上講，可以通過上述公式可以測定液體的粘度，但第27頁/共35頁第二十七頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 在實際中，由于涉及的參數(shù)較多，在測量過程中很難滿足所有的條件，操作困難，

21、測定結(jié)果誤差大。因此，實際測量中，通常測定所測液體的相對粘度，即測定試樣的粘度與標準液體粘度的比值，在測定時，試樣與標準液體必須在同一毛細管粘度計中測定，其半徑、長度都是相同的。 設(shè)水為標準溶液，則其粘度為： o= por4to/8QL 而試樣的粘度為： = pr4t/8QL / o = pt/poto 如果在測定時，都是靠液位來產(chǎn)生壓力(yl)差，那么兩種液體之間的壓力(yl)差之比可用它們的密度比代替，即： p/po= / o 因此，被測液的粘度為： = ot / oto 物理上，粘度通常采用cp, 所以，= 1000ot / oto第28頁/共35頁第二十八頁，共35頁。 注意： 上述公

22、式僅適用牛頓液體，對于非牛頓液體的粘度來按如下公式進行計算： = n ，a= n-1 哈根-泊稷推導(dǎo)出非牛頓液體經(jīng)過毛細血管流過的液體流量與其流體特性指數(shù)n之間存在如下關(guān)系： 令 ，兩邊(lingbin)取對數(shù)變形得： RnnnnnLkpQ311312CnnRnn3131LKCpnQn2lnln1ln1第29頁/共35頁第二十九頁，共35頁。第十二章第十二章 食品食品(shpn)(shpn)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu)流變學(xué)與質(zhì)構(gòu) 在上述公式中，只要測定不同壓力差p下的流量Q，即可得到lnQlnp的關(guān)系圖，通過此關(guān)系圖的斜率與截距即可算出n與K，再根據(jù)a= n-1 即可求出非牛頓液體的粘度。 B. 常用毛細管粘度計介紹 毛細管粘度計可分為三大類型。一類為定速流動式，在測定時使液體以恒定