食品的流变学特性专题.ppt

第二讲 食品的流变学特性专题 1、流变学概念：即Rheology，最初由宾汉姆倡导，它本是 力学的一个分支，研究物质在力作用下变形或流动的科学，流变 学中物质的力学参数不但有力、变形，同时还有时间的影响。力 、变形、时间。 2、食品流变学研究内容：解决食品实际加工中出现的 问题，例如面粉糊、果冻、黄油、香肠等胶体分散系统 的流变性质与加工中遇到的切断、搅拌、混合、成型、 冷冻等操作的关系。 因为食品的组织形态非常复杂，因此研 究食品流变学时应按流变性质分成几大类， 如液体、粘弹性固体等，对每类物质建立起 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。 (1)黏性 1)黏性的概念：表示流体流动性质的指标，从微观上讲， 就是流体受力作用时，其质点间相对运动时产生阻力的性 质。这种阻力来自内部分子的运动和分子引力。黏性用黏 度 来表示。 上式中， 为剪应力， 即流体内摩擦力 为黏度，即摩擦系数 为速度梯度 图1 牛顿流动与剪切速率的概念 n2）黏度分类 n剪切黏度（coefficient of shear viscosity）：一般实用上所 指的黏度，用普通的黏度计测定的液体黏度. n毛细管黏度计、旋转式黏度计、椎板式黏度计。 n延伸黏度（coefficient of tensile viscosity）：表示液体延伸 时的黏度，无法用普通黏度计测得。 n动力黏度（coefficient of volume viscosity） n运动黏度：针对牛顿流体 ， 为剪切应力， 为剪切应变， 为黏度。 n表观黏度：针对非牛顿流体， ， 为表观 黏度，与液体的浓度系数和流动指数有关。 3）黏性流体的分类类 牛顿顿流体：剪切应应力与剪切速率成正比，黏度 不随着剪切速率的变变化而变变化，黏度为为常量（在层层流状 态态下）特性曲线的流体称为牛顿流体。 图2 牛顿流体特性曲线 （a）剪切速率与剪切应力的关系 （b）剪切速率与黏度的关系 理想的牛顿流体没有弹性，且不可压缩，各向 同性。所以，自然界完全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 牛顿流动定律的液体按牛顿流体处理。食品中水 、液糖、酒、油等，往往都按牛顿流体来分析计 算，因此，可用牛顿流体黏 度 来表示其流变特 性。 自然界，尤其是食品中，更多的是不符合牛顿 流体定律的非牛顿流体。 非牛顿流体的流动类型： n假塑性流动 n胀塑性流动 n塑性流动 n触变性流动 n胶变性流动 为非牛顿流体的表观黏度 非牛顿流体黏度的的经验公式： n假塑性流动：0 n 1 假塑性流体，表观黏度随剪应力的增大 而减小的流动类型 图3 假塑性流体特性曲线 食品中大部分液体为假塑性流体，当流 体流动时，黏滞阻力的增加滞后于流速的 增加，即流速增加快，阻力增加慢，这是 因为n越小，流体内部的构造越弱，随着 剪切流速的增大，其内部分子结合而形成 的阻力由于构造破坏而减少，当n=1时，流 速对内部构造没有影响，即为理想流体。 表 1 部分液态食品的流态特性参数 n 塑性流动：流动特性曲线不通过原点的流动， 食品液体中，小应力作用时并不发生流动，表现 出固体弹性一样的性质，当应力超过某一界限值 时才开始流动，此界限值为屈服应力。 n 对于塑性流动，当应力超过屈服应力时，流动 特性符合牛顿流动规律的，称为宾汉流动 (Bingham flow)，对于不符合牛顿流动规律的流 动称为非宾汉塑性流动。把具有这两种流动特性 的液体分别称为宾汉流体或非宾汉流体。 图4 塑性流动曲线 （a) 宾汉流动 (b)非宾汉塑性流动 n浓缩肉汁是典型的宾汉流体 图5 浓缩肉汁的宾汉流动特性 表2 部分宾汉流体食品的屈服应力值 表4 非宾汉流动食品的流态特性参数 n胀塑性流动： n n胀塑性流动，随剪切应力和流速的增大，表观黏度 逐渐增大，胀塑性流动也称剪切增稠流动。 食品中胀塑性流体不很多，典型的为生淀粉糊。 现象：当给淀粉中加入水，混合成糊状后，缓慢倾斜 容器，淀粉糊会像液体那样流动，但如果施加更大的 剪切应力，如用力快速搅动淀粉，那么淀粉稀糊反而 会变“硬” ，失去流动的性质。如果用筷子迅速搅动， 阻力大至甚至会使筷子折断。 原因：高分子的胶体粒子处于致密充填状态，水作 为分散介质(连续相)充满在粒子间隙间，起滑动和 流动的作用。当用力搅动时，致密排列的粒子被打 乱，水不能填满粒子之间的间隙，失去了滑动作用 ，黏滞阻力骤然增加，甚至失去流动的性质。 n触变性流动：也称摇 溶性流动。外力作用 下（振动、搅拌、摇 动）黏度减小、流动 性增加，静置一段时 间后流动又变得困难 的流动现象。如番茄 调味酱、蛋黄酱等。 图6 加糖炼乳触变性 流动特性曲线 时间间隔越短，滞变回路包 围成的面积越大，构造破坏越大 。 n胶变性流动：液体随着流动时间的增加变得越 来越粘稠。也称逆触变现象。 有这种现象的食品往往给人以粘稠的口感。 图7 胶变性流动特性曲线 （a）有屈服应力的胶变性流动 （b）无屈服应力的胶变性流动 下方曲线为流速增加时的曲线，上方曲线为流速 减小时的曲线，说明流动促进了粒子间构造的形成。 （2）弹性：物质受力是力与变形的关系符合胡克定 律的性质，表示物质受力后恢复原形的能力。 虎克定律:在弹性极限范围内，物体的应力与应变大 小成正比，比例系数即为弹性模量，不同物质，弹性 模量不同。 弹性变形有三种： 受正应力作用产生的轴向应变； 受表面压力作用产生的体积应变； 受剪应力作用产生的剪切应变。 n表示物体弹性的物理量： 弹性模量：物体受正应力作用下产生的轴向拉伸或 压缩变形时的弹性系数E 泊松比：物体在拉压变形时，横纵方向应变的比值。 剪切模量：剪切变形时，剪切应力与应变也满足虎克定律， 比例系数为剪切模量，量纲与弹性模量相同。 体积模量：表示物体受表面正压力作用时，产生体积变化的 难易程度。正压力一般为压应力，体积应变为 各弹性模量与泊松比之间存在一定关系。 （3）粘弹性 n食品中的许多东西属于固体或半固体。当 给它们施加外力时，会发生相应的变形， 去掉作用力后，又会出现弹性恢复。 如果弹性恢复完全可以回到原来的状态， 称之为完全弹性，如果不产生弹性恢复就 是流动，也即固体物质粘性的表现。 n把既有弹性又有流动的现象称为粘弹性。 具有粘弹性的物质称为粘弹性体。 食品的力学性质由化学组成、分子构造、分子内结合 、分子间结合、胶体组织、分散状态等因素决定，因 此，通过测定食品的粘弹性就可以把握以上食品的状 态。 变形：一般固体施以作用力，则产生变形，去掉外 力有会产生弹性回复。使变形恢复的力为内应力。去 掉外力内应力也消失弹性。 变形有： n宏观应变：平均应变范围大于原子间距离的有 限尺寸场合下的应变。 n微观应变：组织细胞的变化 n压缩强度：物体所能承受的最大压缩应力。 n弹性率：弹性极限范围内应力和应变之比。 研究物体的变形、断裂和粘弹性时经常用到应 力应变关系曲线。 断裂： 当给食品物质持续加载时，往往不仅要变形而且还 会发生断裂现象。 对食品进行压、拉、扭、咬、切时，变形逐渐加大 ，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质，人们一般都用一定的载 荷进行断裂强度或蠕变试验。 进行变形、断裂（破裂）试验时要掌握以下概念： 1)屈服点(yield point)： 当载荷增加。应力达到最大值后，应力不再增加而应 变依然增加的应力点。并非所有物质都有屈服点。Y 点 2）屈服强度（弹性极限elastic limit）： 应力和应变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（offset）求解时，一般认为 偏离直线的变形为变形量0.2%时，称为屈服强度点。 图8 延性断裂时的应力应变曲线 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 有生物屈服点， L 点。在生物屈服点时，物质的细 胞构造开始遭到破坏。 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。R 点。生物屈服点属于物质的微 观应变，是微观破坏，而破断点属于物质的宏观 应变，属于宏观破坏。 脆性物质，破断点出现在曲线初期阶段，韧性 物质的破断点出现得很晚。食品物质往往分为脆 性物和韧性物质。 5）脆性断裂：屈服点和破断点几乎一致的断 裂情况。饼干、琼脂、巧克力、牛油等。 6）延性（韧性）断裂：塑性变形之后的断裂 。面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。 7）断裂能：脆性断裂时，应力在断裂前所做的功。 做断裂试验测定食品的断裂特性时，一般要用定速压 缩或定速伸长的应力应变曲线得到。 脆性断裂时，断裂能为斜线的面积S；计算如下: 8）刚度：当变形未超过弹性极限时，刚度为应力应 变曲线的初期斜率，即弹性模量。当应力应变为非线 性关系时，刚度即为表观弹性率，也即是初期切线弹 性率、或割线弹性率。 9）弹性：物质恢复变形的能力 10) 弹性度：物质在去掉外力后，弹性变形与 总变形量的比值。 11）塑性：物质产生永久变形的性质。 12）坚韧性（强韧性）:物质达到破断时所需 要做的功，是应力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 于脆性断裂时的破裂能。 13）生物屈服强度：达到生物屈服点的应力。 14）力学滞后：载荷加载过程中物质吸收的能 量，也就是当产生塑性变形时，等于应力应 变曲线中回路所包围的面积，或回弹曲线与横 轴所包围的面积。 15）应力松弛：物料在瞬间变形后并保持变形 时，应力随时间延长而消失的过程。 三、基本流变模型及其表现的力学性质 力学模型是对客观世界存在体的共性的一种物理原 理性抽象，如理论力学研究欧几里德体（刚体）一样， 流变力学对对象进行分类，然后用模型或模型的组合来 表现对象力学性质。 基本的和常用的流变模型包括：弹性模型、粘性 模型、塑性模型以及由前三种模型组合构成的粘一弹性 模型(Kelvin模型和Maxwell模型)和粘塑性模型(Binham 模型)。前三种模型是构建复杂模型的基础，故又称为 弹性元件、塑性元件、粘性元件。 （4）粘弹性基本力学模型 1）虎克模型（表征弹性的模型） 2）阻尼模型（表征粘性的模型） 3）滑块模型（表征塑性的模型） 4）麦克斯韦模型（表征物质应力松弛特性最 简单的模型） 1弹性模型 又称虎克体模型，即该类对象满足HOOK定律变 形与其受力成正比关系，(用弹簧表示)及变形曲线如图1 所示。 虎克体的数学表达式为： 力和变形的关系： 应力和应变的关系： n确切地，应力应变关系应该写成： 当正应力、正应变时，比例系数x则为杨氏弹性模量E 当剪应力、剪应变时，比例系数x则为剪切弹性模量G 当体积应力、体积应变时，比例系数x则为体积模量K 图9 基本力学元件和模型 (a) 虎克模型 (b) 阻尼模型 (c)滑块模型 当加载时，阻尼体开始运动； 当卸载时，运动停止并保持其变形，没有弹性恢复。 2 阻尼模型(粘性模型)：又称牛顿体，用来表现物 质的粘性（或阻尼）。 阻尼模型（用粘壶表示）及其应力应变关系曲线如 图2所示。数学表达式为： 为应变速率，即速度梯度，为动力粘度，单位 Pa.s 同一物体的粘度会因温度、压力的变化而发生变化， 这就是常说的温度粘、压力粘度关系。 3.滑块模型(塑性模型) 又称圣维南（St.Venant)体，也称滑块模型，所表 示的材料在极限摩擦力(屈服应力）以下时呈刚性， 而在超过该极限后能克服摩擦而自由滑动。 一般滑块模型常与其他流变元件组合来表示有屈 服应力存在的塑性性质。其表示符号如图 4 粘弹性体模型 粘弹性体模型用于表示既有弹性又有粘性的物 质类。这类对象有两种重要的流变性质： 一是应力松弛（Stress relaxation）即给粘弹性 体瞬时加载并使其变形，在保持这一变形时，其内部 应力发生变化的过程； 一是蠕变(creep)变形即负载不变的条件下变形 作为时间函数而增加的过程。 应力松弛用Maxwell模型刻画 蠕变用KelvinVoigt 模型刻画 （1）Maxwell模型 由虎克模型和阻尼模型串联而成的模型. Maxwell模型 用来 表现黏弹性体的应力松弛情况,即给黏弹性体瞬时加载,并使其发 生相应变形,然后保持这一变形,其内部应力变化 的过程. 图10 Maxwell模型 (a)模型 (b) 应力松弛曲线 (c)瞬时卸载应变曲线 总应力等于弹簧上的应力，也等于黏壶上的应力，而应变等 于弹簧与黏壶应变值和。 将应变对时间微分： 粘弹性体虽然在受力变形时，存在着 恢复变形的弹性力，但由于内部粒子也具 有流动性质，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， 内部的应力也就消失，这一现象即应力松 弛。 应力松弛 应应力完全松弛需要很长时间长时间 。上面所定义义的M 即为为应应 力松弛时间时间 ，也称弹弹性滞后时间时间 ,表征应应力松弛快慢程 度。 从 知，粘性越大，应应力松弛时间时间 越长长。M 是当应应力松弛至初值值的时时所需时间时间 ，即 。 Maxwell模型在瞬时加载后,保持载荷不变,然后, 瞬时卸载时的应变-时间的关系曲线如图10(c) 应力松弛时间反映应力松弛的快慢。当t=时，=0 e-1。因此，应力松弛时间就是应力松弛至初始值的1/e时 所需要的时间。 应力松弛时间和应力松弛情况常用来研究和分析食品的 质地品质，如研究肉蛋白的粘结力，应力松弛时间越长 ，肌原纤维蛋白分子间的粘结力越大互相滑动所需要的 时间就越长。物质的粘性越大，应力松弛时间就越长。 例如，为了研究肉蛋白的骸结力，中山照雄等对各部位的鸡肉 、鱼肉肉糜作了应力松弛实验，并得到图222的弹性率松弛曲 线。 松弛弹性率； 由图222曲线可以得知， 应力松弛时间越长，肌原纤维蛋白分子间黏结力越大， 互相滑动所需时间就越长。从 的定义也可以看 出，黏性越大，应力松弛时间越长。 应力松弛试验： (2) 开尔文-沃格特模型(Kelvin-Voigt model) 由虎克体和阻尼体并联组成的模型, 它是研究蠕 变性质的最简单模型，模型如图11,由虎克体和阻 尼体并联。 由模型的构成可知，当模型受应力作用时，阻 尼体和虎克体所发生的应变相同，且都等于整体 产生的应变，而应力的大小等于两元件所受应 力之和。基本关系为Kelvin方程： 图11 Kelvin模型及其蠕变与恢复曲线 当施加一恒定作用力 时时，由于粘性阻滞的作用，虎克体 只能逐渐变渐变 形，直到： 虎克体才能伸长到与作用力平衡的位置；同样，当变形到 一定程度后，图中为 撤去力，虎克体也不能马马上恢复 到无应应力作用状态态，也要滞后很长时间长时间 。这这即是弹弹性滞 后(或称延迟弹迟弹 性)。显显然， 是应变应变 达到最终应变终应变 的 时时所需的时间时间 。 n为了表示弹性滞后的快慢, 定义 为弹性滞 后时间 是应变达到最终应变的 所需要的时间. 总结粘弹性体力学性能： 一是某些食品对象的恒应变下的应力松弛； 二是某些食品对象的恒应力下的应变蠕变及突然 卸载时的弹性后效。其主要的物性表征参数为 应力松弛的时间，/E 弹性滞后的时间，即达到最 终应变的时间，/E 图12 三要素模型 (3)伯格斯模型（四要素模型） 相当于一个麦克斯韦模型和一个凯尔文模型的串联。 (4)三要素模型:四要素模型的特例,即 图13 四要素模型及其等效表现形式(b)、 (c) 、(d) 、(e) 图14 四要素模型蠕曲线 (1)四要素模型的应力松弛过程解析： 由于四要素模型等效于2个麦克斯韦模型并 联而成，因此总应力等于2个麦克斯韦模型 应力之和。 设这2个麦克斯韦模型各元件的黏弹性参数 分别为 2个模型的应力松 弛时间分别 在恒定应变0情况下，应力松弛公式为： (5)广义麦克斯韦模型:有许多个麦克斯韦模型并联而成 (6)广义凯尔文模型：有许多个凯尔文模型串联而成 6、流变特性试验： 以上的各种流变模型都是研究粘弹性体最基本的模 型，对实际的粘弹性体流变性质进行分析时情况比上 述解析复杂得多，但通过对这些基本模型的各种组合 ，一般总是能对实际研究对象的流变性质进行某种程 度的描述。 根据试验时作用于物体的应力或应变是否保持 定值，可以把流变试验分为静态试验和动态试验（ 静态粘弹性和动态粘弹性） 建立模型，除了要对基本模型理解外，设计流变 试验的方法也很关键。 例如，对有些粘弹性体的流变特性，利用应力松 弛试验比较容易分析，有些则利用蠕变试验分析 较好。 1）基本流变特性参数测定法（静态粘弹性）： 双重剪切测定：常用来进行蛋糕、人造奶油、冰激 凌、干酪、鱼米糕等许多食品的粘弹性测定。 拉力试验：常用来测定小麦粉面团的粘弹性 压缩试验：用于测定硬度、应力-应变关系 套筒流动：黏度计，测定黏度 平行板塑性计：可求粘弹性体的黏度。 食品的流变性质及其测量 食品的流态特性（液态食品）参数及测定 n食品的粘度： 汽水、酒精饮料、淀粉糖浆、蔗糖和食盐溶液、植物油、 牛奶等都表现出近似牛顿流体的性质，对牛顿流体，其流 动性质就是用粘度来标定的。 n粘度测量 测定流体稳定粘度的仪器常用的有：毛细管粘度计，锥板 粘度计和平行板粘度计等。 粘度计简图 毛细管粘度计同轴圆筒粘度计 锥板粘度计 n毛细管粘度计：这种粘度计采用活塞加压，迫使筒体中的 流体通过毛细管挤出。在一定压降下，单位时间从毛细管 挤出的流体量即为粘度大小的量度。 n毛细管粘度计装料容易，测试温度和切变速率易调节；切 变速率以及流动时流线的几何形状与食品加工中的挤出、 浇模实际条件相似。 n主要缺点是：切变速率不均一而沿毛细管的径向发生变化 ，要得到正确的粘度值，必须进行一些修正。 n测量非牛顿流体时，所得粘度数值需进行修正。 n同轴圆筒粘度计：同轴圆筒粘度计一般仅用于低 粘度流体。测试时，将流体装填在两个圆筒间的 环形空间内。 这种仪器有两类： 一种是内筒以一定速度旋转，用传感器测定作用 在外筒或内筒上的转矩，或者是外筒旋转，而用 传感器测定作用在内筒轴上的转矩； 另一种则是在内筒上施加恒定的转矩，并用转速 表测定内筒的转速。 n锥板粘度计：在锥板粘度计中，一块平圆板与一个线性同 心锥作相对旋转，平板和锥体之间的空隙充填被测流体。 n这类粘度计的优点是：在整个被测流体中的应变速率都相 同；试样用量少；在高应变速率下产生的热量也比同轴圆 筒粘度计少；样品装填容易；测试结束后仪器也易于清理 。 n缺点是：只限于测试切变速率相当低的流体；在高切变速 率条件下，流体有溢出的倾向，难以得到正确的数据。 许多食品如通心粉、饼干、果冻、胶姆糖等，均具有弹性性质 。 n弹性的测量 体积模量的测量：食品体积模量的测量可以通过将 试样放入密闭金属的水中进行）。 固体食品的弹性及其测量 该密闭容器装有带刻度的 透明液位管，压缩空气由 管口通入，体积的变化可 以在刻度上读出。 该装置已成功地用于水果 和块茎食品体积模量的测 量。粮食谷物来说，则要 求大得多的流体静压。因 此需采用一套机械系统， 使用活塞对液体加压 食品体积模量测量 1-压缩空气 2-液位管 3-排气口 4-试样 5-水 n 动态模量： 如果使一根通心粉呈水平悬臂状态，并在其非支持 端轻轻一弹，那么通心粉就会振动，然后恢复静止 状态。这种振动称为自由振动。 利用一个电子激振器，试样就会以很短的时间间隔 反复受力，并产生振动，这种振动称为受迫振动。 在该实验中，可以测得运动的振幅。变形特点与静 态测量相同，但是加载卸载周期却非常快。负载 时间与变形时间相同，通常为5