物料的光學(xué)特性第二章

1、4固態(tài)與半固態(tài)食品的流變特性固態(tài)與半固態(tài)食品的流變特性4.1固態(tài)的流變特性固態(tài)的流變特性1)食品的變形OL為直線段，L稱彈性極限點(diǎn)，在彈性極限范圍內(nèi)，力與變形成正比，比例系數(shù)稱彈性模量。Y為屈服點(diǎn)，達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，食品材料的一部分結(jié)構(gòu)單元被破壞，開(kāi)始屈服并產(chǎn)生流動(dòng)，發(fā)生屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。超過(guò)屈服點(diǎn)后增加應(yīng)變時(shí)應(yīng)力并不明顯增加，這個(gè)階段稱為塑性變形。繼續(xù)增加應(yīng)變，應(yīng)力也隨之增加，達(dá)到R點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生大規(guī)模破壞，R點(diǎn)稱為斷裂點(diǎn)，它所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為斷裂極限(或斷裂強(qiáng)度)。把試樣放在萬(wàn)能試驗(yàn)儀的固定板上，活動(dòng)板以一定速率壓試樣時(shí)，食品的典型壓縮變形曲線(1)脆性斷裂:特點(diǎn)是屈服點(diǎn)與斷裂點(diǎn)一

2、致。 式中，C換算系數(shù) A面積(2)塑性斷裂:特點(diǎn)是試樣經(jīng)過(guò)塑性變形后斷裂 2) 彈性彈性 物體在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)物體在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力后恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)的性質(zhì)稱為彈性。撤去外力后形變立即完全消失的彈性的性質(zhì)稱為彈性。撤去外力后形變立即完全消失的彈性稱為完全彈性。形變超過(guò)某一限度時(shí)，物體不能完全恢稱為完全彈性。形變超過(guò)某一限度時(shí)，物體不能完全恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍復(fù)原來(lái)狀態(tài)，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍內(nèi)，外力內(nèi)，外力F和變形量和變形量d之間成正比關(guān)系，即之間成正比關(guān)系，即 Fkd 上式稱為虎克定律，式中比例系數(shù)上式稱為虎克

3、定律，式中比例系數(shù)k為彈性系數(shù)。為彈性系數(shù)。 3種類型：種類型：受正應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)變；受正應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)變；受表面壓受表面壓力作用的體積應(yīng)變；力作用的體積應(yīng)變；受剪切應(yīng)力作用發(fā)生的剪切應(yīng)變。受剪切應(yīng)力作用發(fā)生的剪切應(yīng)變。(1)彈性模量(楊氏模量) 物體受正應(yīng)力作用,產(chǎn)生軸向的變形稱拉伸(或壓縮)變形，表示拉伸變形的彈性模量也稱作楊氏模量nF/And/LnEn 比例系數(shù)E稱彈性模量(楊氏模量)，單位是N/m2 (2)剪切模量F/Ad/Htan G比例系數(shù)G稱為剪切模量，單位是N/m2。 (3)體積模量式中，K為體積模量，它是材料的固有性質(zhì)，單位是N/m2。 (4)泊松比 比例系數(shù)是物

4、質(zhì)的固有常數(shù)，稱泊松比。它是無(wú)量綱的量。 在拉伸或壓縮面團(tuán)、凝膠等食品的過(guò)程中，物體的體積不發(fā)生變化，則泊松比等于0.5。 海綿狀食品(如面包)，在壓縮的垂直方向沒(méi)有明顯的變形，則=0。 土豆的泊松比為0.49，蘋果的泊松比為0.37。e n 5)幾個(gè)彈性系數(shù)之間的相互關(guān)系式中，K為體積模量，它是材料的固有性質(zhì)，單位是N/m2。 3） 食品的粘彈性體(1) 粘彈性:許多食品往往既表現(xiàn)彈性性質(zhì)，又表現(xiàn)粘性性質(zhì)。把這種既有彈性又可以流動(dòng)的現(xiàn)象稱為粘彈性，具有粘彈性的物質(zhì)稱為粘彈性體(或半固態(tài)物質(zhì)。 粘彈性體的力學(xué)性質(zhì)不像完全彈性體那樣僅用力與變形的關(guān)系來(lái)表示，還與力的作用時(shí)間有關(guān)。所以，研究粘彈性

5、體的力學(xué)物性時(shí)，掌握力與變形隨時(shí)間變化的規(guī)律是非常重要的 應(yīng)力松弛:所謂應(yīng)力松弛是指試樣瞬時(shí)變形后，在變形(應(yīng)變)不變情況下，試樣內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)問(wèn)的延長(zhǎng)而減少的過(guò)程。值得注意的是，應(yīng)力松弛是以一定大小的應(yīng)變?yōu)闂l件的蠕變:蠕變和應(yīng)力松弛相反。蠕變是指把一定大小的力(應(yīng)力)施加于粘彈性體時(shí)，物體的變形(應(yīng)變)隨時(shí)間的變化而逐漸增加的現(xiàn)象。要注意，蠕變是以一定大小的應(yīng)力為條件的。 (2)曳絲性 當(dāng)筷子插入其中，再提起時(shí),會(huì)觀察到一部分液體被拉起形成絲狀，把這種現(xiàn)象稱為曳絲性，具有曳絲性的液體，分子之間存在著一定的結(jié)合，形成了弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。曳絲性是黏性與彈性雙重性質(zhì)的表現(xiàn)。(3)威森伯格效果 將黏彈性

6、液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃將黏彈性液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，當(dāng)急速棒，當(dāng)急速轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃棒或容器時(shí)，可觀察到液體會(huì)纏繞玻璃棒轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃棒或容器時(shí)，可觀察到液體會(huì)纏繞玻璃棒而上，在棒周圍形成隆起于液面的液柱而上，在棒周圍形成隆起于液面的液柱,把這種現(xiàn)象稱作威森伯把這種現(xiàn)象稱作威森伯格效果格效果 3.3.2 粘彈性的力學(xué)模型1) 單要素模型 (1)虎克模型在研究粘彈性體時(shí)，其彈性部分往往用一個(gè)代表彈性體的模型表示。虎克模型便是用一根理想的彈簧表示彈性的模型，因此也稱“彈簧體模型”或“虎克體”?；⒖四Ｐ痛硗耆珡椥泽w的力學(xué)表現(xiàn)，即加上載荷的瞬間同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變形，變形大

7、小與受力的大小成正比(2)阻尼模型流變學(xué)中把物體粘性性質(zhì)用一個(gè)阻尼體模型表示，因此稱為“阻尼模型”或“阻尼體”。阻尼模型瞬時(shí)加載時(shí)，阻尼體即開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；當(dāng)去載時(shí)阻尼模型立即停止運(yùn)動(dòng)，并保持其變形，沒(méi)有彈性恢復(fù)。阻尼模型既可表示牛頓流體性質(zhì)，也可表示非牛頓流體性質(zhì)。(3)滑塊模型滑塊模型雖不能獨(dú)立地用來(lái)表滑塊模型雖不能獨(dú)立地用來(lái)表示某種流變性質(zhì)，但常與其他示某種流變性質(zhì)，但常與其他流變?cè)M合，表示有屈服應(yīng)流變?cè)M合，表示有屈服應(yīng)力存在的塑性流體性質(zhì)。滑塊力存在的塑性流體性質(zhì)。滑塊模型亦稱為模型亦稱為“摩擦片摩擦片”、“文思文思特滑片特滑片”。2)麥克斯韋模型 由一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器串聯(lián)組成，這

8、是最早提出的粘彈模型。這一模型可以用來(lái)形象地反映應(yīng)力松弛過(guò)程。 當(dāng)模型一端受力而被拉伸一定長(zhǎng)度時(shí)，由于彈簧可在剎那間變形，而阻尼器由于粘性作用來(lái)不及移動(dòng)，彈簧首先被拉開(kāi)，然后在彈簧恢復(fù)力作用下，阻尼器粘性起作用，隨時(shí)間的增加而逐漸被拉開(kāi)，彈簧受到的拉力也逐漸減小，直到零。這就類似于應(yīng)力松弛過(guò)程?？梢酝茖?dǎo)出該模型的松弛模量隨時(shí)間的變化規(guī)律為：3) 伏格特-開(kāi)爾芬模型伏格特伏格特-開(kāi)爾芬模型是由一個(gè)彈簧和一個(gè)開(kāi)爾芬模型是由一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器并聯(lián)組并聯(lián)組成成, 此模型可以描述食品的蠕變過(guò)程。此模型可以描述食品的蠕變過(guò)程。 t1解除應(yīng)力的時(shí)刻解除應(yīng)力的時(shí)刻 ； 1解除應(yīng)力時(shí)的最大形變。解除應(yīng)力時(shí)的最

9、大形變。4)多要素模型(1)四要素模型 四要素模型也稱為伯格斯模型,四要素模型還有許多等效表現(xiàn)形式，在研究不同的流變現(xiàn)象時(shí)，為了解析方便，可以選用不同的等效模型。 (2)三要素模型 三要素模型可以看作是四要素模型的一個(gè)特例。例如當(dāng)粘彈性體存在著不能完全松弛的殘余應(yīng)力，就可以認(rèn)為四要素模型阻尼體成了不能流動(dòng)的剛性連接三要素模型瞬時(shí)彈性模量 延遲彈性模量黏度黏度:從卸載曲線達(dá)到平衡后的曲線部分求出。已從卸載曲線達(dá)到平衡后的曲線部分求出。已知常值應(yīng)力和蠕變時(shí)間，則可從實(shí)驗(yàn)值求出粘度知常值應(yīng)力和蠕變時(shí)間，則可從實(shí)驗(yàn)值求出粘度。延遲時(shí)間延遲時(shí)間若令左邊部分即為某時(shí)間的延遲彈性變形量，可寫成左邊部分即為某

10、時(shí)間的延遲彈性變形量，可寫成將上式畫在半對(duì)數(shù)紙上，其結(jié)果為一條直線。直線的斜率為,根據(jù)此斜率即可求出時(shí)間常數(shù)。伯格斯模型開(kāi)爾文元件的黏度即可求出 5)廣義模型 食品體系是一個(gè)多分散的復(fù)雜體系，在力學(xué)松弛過(guò)程不止一個(gè)值，而是一個(gè)分布很寬的連續(xù)譜，即時(shí)間譜。 因此, 模擬實(shí)際黏彈性體的流變特征往往要建立更復(fù)雜的模型。常見(jiàn)的黏彈性體流變學(xué)分析試驗(yàn)多為應(yīng)力松弛或蠕變?cè)囼?yàn)，常用廣義模型研究這兩種試驗(yàn)的復(fù)雜流變現(xiàn)象。所謂廣義模型就是把若干(M個(gè))麥克斯韋模型或開(kāi)爾芬模型并聯(lián)或串聯(lián)而組合成的模型。(1)廣義麥克斯韋模型廣義麥克斯韋模型由許多麥克斯韋模型并聯(lián)而成.(2)廣義開(kāi)爾芬模型 由許多開(kāi)爾芬模型串聯(lián)而成

11、。但是，在大多數(shù)情況下，應(yīng)力對(duì)數(shù)和時(shí)間的關(guān)系曲線是非線性的。小麥面團(tuán)的應(yīng)力松弛曲線。這時(shí)，物料的流變性質(zhì)不能用一個(gè)麥克斯韋元件表示，需把一系列麥克斯韋元件以并聯(lián)方式聯(lián)結(jié)，構(gòu)成廣義麥克斯韋模型。廣義麥克斯韋模型的應(yīng)力松弛時(shí)間可以利用逐次余數(shù)法確定。用逐次余數(shù)法確定小麥面團(tuán)應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)的方法。首先要畫應(yīng)力對(duì)數(shù)和時(shí)間的關(guān)系曲線。在較長(zhǎng)時(shí)間后由這條原始曲線的直線部分的斜率求出第一指數(shù)項(xiàng)的最長(zhǎng)松弛時(shí)間,將這條直線延長(zhǎng)到縱座標(biāo)上，所得截距即為第一指數(shù)項(xiàng)系數(shù)。把這條直線和原始曲線之間的縱座標(biāo)的差值畫在同一張半對(duì)數(shù)紙上，得出第一余數(shù)項(xiàng)曲線。然后，把第一余數(shù)項(xiàng)曲線的直線部分延長(zhǎng)到縱座標(biāo)上并截取縱座標(biāo)，則第二指數(shù)

12、項(xiàng)再次利用截距和斜率求出。從第一余數(shù)項(xiàng)的縱座標(biāo)減去相應(yīng)的第二指數(shù)項(xiàng)的縱座標(biāo)，得出第二余數(shù)項(xiàng)曲線，并由第二余數(shù)項(xiàng)曲線推導(dǎo)出第三指數(shù)項(xiàng)。以此類推，直到這條原始曲線用足夠數(shù)量的指數(shù)項(xiàng)表示為止。食品流變學(xué)在食品加工中的應(yīng)用1)在奶油蛋糕加工中的應(yīng)用 按表中的配方比制造的奶油蛋糕蠕變曲線，其蠕變特性可用八要素模型解釋。式中各粘彈系數(shù)的計(jì)算結(jié)果列于表2)在改善產(chǎn)品品質(zhì)方面的應(yīng)用 魚糕是將魚肉磨成糊后攤在木板上蒸熟而成的一種日本食品。為研究魚糕的流變特性，把魚糕切成長(zhǎng)條作拉伸試驗(yàn)或切成方塊形作壓縮試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，魚糕的拉伸或壓縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線可用伯格斯模型加以解釋，并根據(jù)這些曲線計(jì)算彈性模量和粘性系數(shù)。用這種方法對(duì)公認(rèn)的“優(yōu)質(zhì)魚糕”和“劣質(zhì)魚糕”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確立了“優(yōu)質(zhì)魚糕模型”和“劣質(zhì)魚糕模型”。比較就能弄清楚它們?cè)趶椥苑矫婊蛘承苑矫娴牟顒e。 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)魚糕的彈性模量值較大。因此，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)質(zhì)量差的魚糕制定改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)力松弛試驗(yàn)應(yīng)力松弛性質(zhì)往往與食品的口感品質(zhì)有很大關(guān)系。例如人在吃米飯、面條等食品時(shí)，雖然牙齒張合咀嚼食品，但是在牙齒咬下到重新張開(kāi)的短暫靜止之間，食品有一個(gè)很短的應(yīng)力松弛過(guò)程。這松弛時(shí)間的快慢，通過(guò)齒齦膜傳給神經(jīng)給人以某種口感。加藤等人對(duì)各種大米的米飯團(tuán)進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn)，求出了它們