草鸡蛋流变特性研究.doc

本科生毕业论文（设计）题 目: 草鸡蛋流变特性研究 姓 名: 李 锋 学 院: 工学院 专 业: 农业机械化及其自动化 班 级: 农机61班 学 号: 3016114 指导教师: 陈坤杰 职称: 教授 2010年 5 月 30 日南京农业大学教务处制目 录摘要2关键词2Abstract2Key words2引言21 绪论31.1 研究草鸡蛋流变特性的意义31.2 国内外研究情况31.2.1 国外研究情况31.2.2 国内研究情况31.3 应用前景31.4 本课题主要内容31.4.1 研究目标31.4.2 研究内容41.4.3 采取的技术路线42 材料与步骤42.1 材料42.2 仪器与设备42.3实验步骤43 结果与分析43.1 含水率的概念43.2 方差分析53.3 流变模型63.4 表观粘度93.5 “草鸡蛋”与“洋鸡蛋”的区别114 结论12致谢12参考文献13附录13草鸡蛋流变特性研究农业机械化及其自动化专业学生 李锋指导教师 陈坤杰摘要：通过对鸡蛋流变特性的研究，分别在5、10、15、20、25、30六个温度下来测定蛋黄、蛋清及蛋黄蛋清混合物三种物料的剪切应力随剪切速率的变化关系，建立三种物料的表观粘度随温度变化的数学模型。结果表明：鸡蛋的剪切应力随剪切速率的增大而增大，表观粘度随温度的增大而先增大后减小（剪切速率一定时）。通过回归分析，可以得到鸡蛋表观粘度随温度变化化的情况可以通过 Arrhenius 方程进行描述 。关键词：流变特性；剪切应力；剪切速率；表观粘度；温度Rheological properties of grass eggsStudent majoring in Agricultural Mechanization and its Automation Li FengTutor Chen KunjieAbstract: The rheological properties of egg, respectively 5, 10, 15, 20, 25, 30 temperature down determination of six egg yolk, egg white and yolk in egg white mixture of three kinds of materials with the shear stress The relationship between shear rate, the establishment of three kinds of materials change with temperature apparent viscosity model. The results showed that: eggs of shear stress with shear rate increases, the apparent viscosity increases with temperature, first increases and then decreases (shear rate is fixed). Through regression analysis, we have eggs of apparent viscosity with temperature changes the situation described by Arrhenius equation.Key words: rheological properties; shear stress; shear rate; apparent viscosity; temperature引言流体在受到外部剪切力作用时发生变形(流动)，接内部相应要产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体的一种固有物理属性，称为流体的粘滞性或粘性，也称流体流变特性1。它是物体在外力作用下发生的应变与其应力之间的定量关系，这种应变(流动或变形)与物体的性质和内部结构有关，也与物体内部质点之间相对运动状态有关，因此不同的物质具有不同的流变特性。1 绪论11 研究草鸡蛋流变特性的意义鸡蛋是人人皆知的营养健脑食品，被营养学家称为完全蛋白质的模式。鸡蛋中所含14.7%的蛋白质中，主要为卵蛋白和卵球蛋白，包括有人体必需的8种氨基酸，与人体蛋白质组成相近，吃进人体后的吸收率为99.7%，几乎全部吸收。鸡蛋中的蛋黄是健脑益智的精华物质，鸡蛋脂肪含量为11.6%，主要集中在蛋黄里，这种脂肪多为中性脂肪，极易被人体消化吸收。随着生活水平的提高和食品结构的改善，由于鸡蛋具有较高的营养价值，已成为人们生活中不可或缺的食品之一2。但随储藏时间的延长，鸡蛋会发生很多复杂的变化，如浓蛋白减薄、ph值增加、蛋黄膜弱化和伸展、蛋黄中水分含量的增加等，使鸡蛋的新鲜度、营养价值降低，所以对于研究鸡蛋的保鲜问题有着深远的意义3。本文通过给定不同的温度，来研究各个阶段温度下鸡蛋的流变特性，得到不同的剪切速率，从而了解鸡蛋在各个温度下的保存状况，对研究鸡蛋的新鲜度及深加工起着关键作用。12 国内外研究情况研究流变特性的一个目的是利用它对加工工艺进行监视和控制，对产品质量进行评定，这是一种简便而经济的物理方法，多数食品在加工过程中其流变特性是不断变化的，对各个加工环节不恰当的处理和控制都可能给最终产品的质量带来影响4。1.2.1 国外研究情况 60年代初期，国外已开展了流变学的研究，但当时只侧重于物质流变特性的测定，局限于具体物质影响因素的分析，对于系统的研究，特别是关于利用流变特性来控制生产过程、评价质量还很少提及，更由于物质种类繁多、特性复杂，在很大程度上控制了其应用，尚未显示出流变学对各产业的重大价值和指导意义5。近年来，随着各学科的发展，流变学得到了进一步的发展和完善。国外关于流变学的研究由于生产需要获得了迅猛的发展，流变现象等方面的研究显得十分活跃。研究的内容可分为两个方面：（1）基本理论:主要包括宏观食品流变学和微观食品流变学；（2）建立流变特性和实际工程应用特性的关系67。1.2.2 国内研究情况 近几年来，我国在流变学的各个研究方面发展较快，研究力量主要分布在北京、成都、上海、湘潭等地区12。我国流变学的发展主要在以下几个方面：（1）非牛顿流体力学；（2）固体流变学；（3）工业流变学；（4）高分子流变学；（5）生物流变学；（6）流变测量学811。13 应用前景 随着食品工业的发展，国内外对食品流变学的研究越来越重视。由于食品物质的组成及结构十分复杂，大部分食品都是非均质和不定性的结构。在流变性特性的研究中还存在着许多有待解决的复杂问题。目前，虽然有多种专门的食品流变学特性检验方法，但是没有一种方法能提供一个完整流变学描述所必需的全部信息。随着离散介质流变学的发展和统计力学方法在流变学中的广泛应用，特别是网络理论研究的不断深入以及统计力学方法在不定性结构和形成网络结构的食品流变特性研究中的应用，必将使这方面的研究更具有实际意义，应用更加广泛1315。14 本课题主要内容1.4.1 研究目标 分别测定不同温度下蛋黄、蛋白及蛋黄蛋白混合物三种物料的剪切应力随剪切速率的变化关系，测定三种物料的表观粘度并对实验数据进行统计分析、建立三种物料的表观粘度随温度变化的数学模型，撰写研究论文。1.4.2 研究内容 以农户散养土鸡所产的草鸡蛋为研究对象，分别研究蛋黄、蛋白及蛋黄蛋白混合物三种物料的流变特性。1.4.3 采取的技术路线 确定草鸡蛋的数量 采用适当的方法分离蛋白和蛋黄以及确定如何搅拌蛋白和蛋黄的混合物 熟悉实验仪器、做实验、对实验数据进行统计分析、建立数学模型 撰写研究论文。2 材料与步骤21 材料草鸡蛋：六合农户散养的草鸡所生的蛋。主要饲料：菊苣、青菜、青草、虫子、谷物。22 仪器与设备RS-CC流变仪、恒温水浴箱（HH-60快速恒温数显水箱）、干燥箱（DHG-101电热恒温鼓风干燥箱，上海华连医疗器械有限公司）、西门子冰箱、游标卡尺、电子天平（G&G JJ1000型精密电子天平，美国双杰兄弟有限公司）、温度探针、杯子（9个）、大烧杯（1个）、蛋清分离器、搅拌器、保鲜膜。23实验步骤蛋清与蛋黄的分离采用蛋清分离器分离，搅拌用鸡蛋搅拌器搅拌，搅拌对象为混合物和蛋黄（蛋清不需要搅拌），搅拌时间为10秒。拿5举例，取出12个“草鸡蛋”，将三个鸡蛋打开，分别放在三个样品杯中，作为三组混合物，搅拌；分离剩下9个的鸡蛋，三个鸡蛋的蛋黄放在一个杯子中，作为三组蛋黄，搅拌；两个鸡蛋的蛋清放在一个杯子中，多余的蛋清弃之，作为三组蛋清，同一个温度做三组实验，最后取三组的均值，其它的几个温度同以上方法描述。5控制：将冰箱的变温室调至5，将样品杯放入,恒温30分钟；10控制：将冰箱的变温室调至10，将样品杯放入,恒温25分钟；15控制：将恒温水浴箱调至12.8，水浴箱内实际水温16.4，将样品杯放入,恒温6分钟；20控制：将恒温水浴箱调至17，水浴箱内实际水温21.3，将样品杯放入,恒温13分钟；25控制：将恒温水浴箱调至22.7，水浴箱内实际水温31.6，将样品杯放入,恒温15分钟；30控制：将恒温水浴箱调至27.5，水浴箱内实际水温31.6，将样品杯放入,恒温20分钟；按以上方法恒温，样品可以达到所需要的温度5、10、15、20、25、30，但有时还是会存在一定的误差，我们用温度探针对样品杯进行测量，有时会出现比5、10低的现象，比15、20、25、30高的现象，由于当时的测量时间段平均常温13，所以我们将这些温度存在误差的样品杯放在常温中回温，以达到所需要的温度。流变仪（测量系统选用CC40,设备选用R/S+ Rheometer,“草鸡蛋”蛋黄的剪切速率范围设为1500s-1,蛋清和混合物的剪切速率范围设为12000s-1，测量“草鸡蛋”蛋黄、蛋清和混合物时，程序设定时间为100s,测量点数为100个，即一秒对应一个点。）在每个温度下用流变仪测出这三种物料的剪切应力及表观粘度（剪切速率恒定）。最后进行数据统计与分析，列出剪切应力、表观粘度、流变参数的表及剪切应力与剪切速率关系、温度及表观粘度关系的图。3 结果与分析3.1 含水率的概念含水率通常是指固体，液体或气体物质中含水的百分率，具体反映材料吸湿性大小的一项指标16。含水率的数值是随空气湿度的变化而变化的，在通常情况下所说的含水率，是只当材料中所含水分与空气湿度相平衡时的含水率。草鸡蛋蛋清、蛋黄、混合物三种物料的含水率样本时间段重量干燥前干燥后含水率的重量的重量蛋清 119.164.5576.25%蛋清 218.043.9378.22%蛋清 318.684.0378.43%蛋黄 128.7710.0764.99%蛋黄 221.48.8958.46%蛋黄 325.79.3663.36%混合物 146.4713.0971.83%混合物 243.3211.9972.32%混合物 339.6510.9472.41%注：干燥前和干燥后的重量都不包含蛋壳的重量由表可知： 草鸡蛋蛋清平均含水率为77.63%，草鸡蛋蛋黄平均含水率为62.27%，草鸡蛋混合物平均含水率为72.19%。3.2 方差分析方差分析通常指“变异数分析”或“F检验”,是用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。“草鸡蛋”蛋清含水率t检验表“草鸡蛋”蛋清含水率Test Value = 0tdfSig. (2-tailed)Mean Difference95% Confidence Interval of the DifferenceLowerUpper111.812200.77633330.7464590.806207三组样本的“草鸡蛋”蛋清含水率均值为77.63%，标准差为1.20%,平均含水率的置信水平为95%的置信区间为74.65%，80.62%,故“草鸡蛋”蛋清的平均含水率在74.65%到80.62%之间。“草鸡蛋”蛋黄含水率t检验表“草鸡蛋”蛋黄含水率Test Value = 0tdfSig. (2-tailed)Mean Difference95% Confidence Interval of the DifferenceLowerUpper31.73420.0010.62270.5382710.707129三组样本的“草鸡蛋”蛋黄含水率均值为62.27%，标准差为3.39%,平均含水率的置信水平为95%的置信区间为53.83%，70.71%,故“草鸡蛋”蛋黄的平均含水率在53.83%到70.712%之间。“草鸡蛋”混合物含水率t检验表“草鸡蛋”混合物含水率Test Value = 0tdfSig. (2-tailed)Mean Difference95% Confidence Interval of the DifferenceLowerUpper400.557200.72186670.7141130.729621三组样本的“草鸡蛋”混合物含水率均值为72.19%，标准差为0.31%,平均含水率的置信水平为95%的置信区间为71.41%，72.96%,故“草鸡蛋”蛋黄的平均含水率在71.41%到72.96%之间。3.3 流变模型按上述实验方法，测得6种不同温度下蛋黄、蛋清及混合物的剪切速率和剪切应力的关系，如表1、2、3所示。表1草鸡蛋蛋黄不同温度和剪切速率下的剪切应力值 单位：Pa速率/S-1温度/510152025301.0070.471.1080.9710.6450.520.4841.30.5461.5321.3361.0190.8090.5381.7740.7892.1541.7791.4341.2350.7922.4341.1952.9222.381.9931.5861.1963.3121.6153.3853.1292.7732.3031.6074.5412.245.0364.4113.7893.0352.2146.2122.9736.6085.9635.2084.1262.9798.5064.0098.7697.9497.1425.5314.08911.6295.26111.63610.5359.417.4195.51415.916.98815.14314.13612.3059.2757.36621.7729.35620.16218.7715.66912.8089.7829.79312.91126.60524.87119.75816.98913.33240.77116.34333.27232.95728.03522.69817.4655.74121.82844.54243.24235.11329.56622.87376.24528.51957.6855.71348.21339.30630.803104.31537.83574.40872.62462.99451.73440.867142.73250.90995.57395.26882.6168.31454.739195.25368.636126.611125.481109.29389.76972.677267.16690.986163.745163.592144.039116.96495.907365.482119.425210.318209.786186.861150.929125.35500157.48268.765267.219239.957193.664162.695表2 草鸡蛋蛋清不同温度和剪切速率下的剪切应力值 单位：Pa速率/S-1温度/5101520253010.8780.5530.6411.4710.4550.2440.61720.0860.7631.0242.1470.9920.4671.05737.0941.0061.3582.9761.6560.6021.17168.5041.3191.823.282.3240.8691.656126.5451.8042.2423.9522.7441.282.327317.6294.7424.0237.1664.5982.7053.323431.5336.0825.5849.03563.5284.668503.0646.0746.3039.6536.6454.0174.964586.4796.8397.30810.6058.1214.6195.404683.6187.4458.2212.9168.7845.5296.195796.8678.1699.71913.51411.346.0397.287929.0319.59211.08413.74912.3897.0068.1941082.9710.80711.86114.48414.1668.1189.4921262.4511.95313.04614.83716.1339.95711.0231471.7213.91215.0315.49716.75611.33213.1351715.6316.04917.47517.24216.9913.86515.4951999.9919.48920.53320.13220.01316.96818.654表3 草鸡蛋混合物不同温度和剪切速率下的剪切应力值 单位：Pa速率/S-1温度/5101520253020.0840.2610.4710.2250.4220.6310.54625.2820.5290.6040.3180.5670.7290.61431.820.5810.7190.4630.690.90.82840.0490.7030.8350.5450.8221.0920.99350.4090.8851.0020.6991.0211.3111.19363.4521.0851.1990.8351.2411.5251.38179.8581.271.4051.0661.4291.8131.69100.5181.531.6581.311.6922.1731.958126.5191.931.9481.5962.032.5872.333159.2462.3322.381.982.4813.0772.812200.4342.812.8492.43.0043.6543.374252.2783.4783.5273.053.6964.4024.309317.5324.3184.4393.8384.6655.1475.089399.6555.4345.5594.8495.7376.5086.136503.0346.9256.9886.1357.1697.7787.717633.1298.8868.7277.7729.0579.5149.439796.89111.16311.0479.86911.3111.76911.7561003.0114.15914.00612.52514.3614.64114.7771262.4617.76817.76615.96217.98518.41818.4631589.0322.57322.16120.25522.5323.00622.7721999.9828.44927.78825.61328.16528.32628.567绘出不同温度下蛋黄、蛋清及混合物的剪切应力随着剪切速率变化的规律可得图1、2、3。对图中所示剪切速率和剪切应力的关系曲线用指数方程进行拟合： （3-1）式中：剪切应力 （Pa） 剪切速率 （S-1）剪切速率（S-1）剪切应力图表1 草鸡蛋蛋黄在不同温度和剪切速率下剪切应力的变化图剪切速率 (S-1)剪切应力图表2 草鸡蛋蛋清在不同温度和剪切速率下剪切应力的变化图剪切应力剪切速率 (S-1)图表3 草鸡蛋混合物在不同温度和剪切速率下剪切应力的变化图回归分析计算结果见表4、5、6。由表4、5、6表明，在6种温度条件下，剪切速率和剪切应力之间的指数变化规律具有极高的相关性，剪切速率和剪切应力的关系可以由式(1)进行描述。另外，表4、5、6显示，在6种温度条件下，均有n1。 表4 草鸡蛋蛋黄不同温度下的流变参数值流变参数温度/51015202530k0.5051.291.0980.8730.7030.505n0.9340.8720.9010.9210.9230.945R20.9990.9990.9990.9970.9970.999表5 草鸡蛋蛋清不同温度下的流变参数值流变参数温度/51015202530k0.0860.1220.4470.1130.0350.13n0.6920.650.4950.6780.780.612R20.9880.9860.9880.9850.9890.973表6 草鸡蛋混合物不同温度下的流变参数值流变参数温度/51015202530k0.020.0310.0130.0290.0510.04n0.9450.8750.9890.8910.8160.851R20.9950.9950.9980.9970.9980.99834 表观粘度在6种不同温度条件下测得的表观粘度如表7、8、9所示。 表7 草鸡蛋蛋黄在不同温度和剪切速率下的表观粘度值 单位：PaS温度/K剪切速率/S-1 21.77240.77176.248142.732267.166365.482500278.20.430.4010.3740.3570.3410.3270.315283.20.9260.8170.7560.670.6130.5750.538288.20.8620.8090.730.6670.6120.5740.534293.20.7930.7670.6590.6010.5470.5140.48298.20.5880.5570.5150.4790.4380.4130.387303.20.4490.4280.4040.3830.3590.3430.325表8 草鸡蛋蛋清在不同温度和剪切速率下的表观粘度值 单位：PaS温度/K 剪切速率/S-143.25493.133200.496431.533929.0311363.12000278.20.0270.0180.0130.0140.010.0090.009283.20.0330.0230.0140.0130.0120.0090.01288.20.0720.0420.0270.0210.0160.0110.01293.20.0410.0260.0160.0140.0130.0120.01298.20.0150.010.0090.0080.0070.0070.008303.20.0290.0220.0140.0110.0090.0090.009表9 草鸡蛋混合物在不同温度和剪切速率下的表观粘度值 单位：PaS温度/K剪切速率/S-143.25493.133200.496431.533929.0311363.12000278.20.0180.0160.0140.0140.0140.0140.014283.20.0220.0170.0140.0140.0140.0140.013288.20.0130.0130.0120.0120.0120.0120.012293.20.0220.0180.0150.0140.0140.0140.014298.20.0270.0210.0180.0160.0150.0150.014303.20.0240.20.0170.0150.0150.0140.014由表7、8、9可知，表观粘度为温度和剪切速率的函数，但两者对表观粘度的影响有所不同。剪切速率增大，表观粘度降低；温度升高，表观粘度增大。它们对表观粘度的影响关系，可描述为： （3-2）式中：样品的表观粘度 ( Pas)0常数 ( Pas)E流动活化能 ( kJ /mol)R气体常数 (8.314J/molK)T温度 (K)表观粘度温度（K）图4 草鸡蛋蛋黄在不同剪切速率和温度下表观粘度的变化图表观粘度温度（K）图5 草鸡蛋蛋清在不同剪切速率和温度下表观粘度的变化图表观粘度温度（K）图6 草鸡蛋混合物在不同剪切速率和温度下表观粘度的变化图3.5 “草鸡蛋”与“洋鸡蛋”的区别图7 “洋鸡蛋”与“草鸡蛋”稠度系数与温度的关系变化比较图图8 “洋鸡蛋”与“草鸡蛋”流动指数与温度的关系变化比较图由图7、图8可以看出“洋鸡蛋”和“草鸡蛋”的流动稠度系数和流动指数， “草鸡蛋”的流变指数n1，表明和“草鸡蛋”的蛋黄、蛋清以及混合物三种物料均为假塑性流体。“洋鸡蛋”和“草鸡蛋”剪切应力与剪切速率的关系都符合幂律模型，“草鸡蛋”在同一温度下的相关系数值基本大于“洋鸡蛋”的相关系数值，表明“草鸡蛋”的剪切速率和剪切应力之间的指数变化规律相对具有更高的相关性，更符合幂律模型。4 结论在这几个月里，从做实验到撰写论文，期间遇到了许多困难，最终在导师、同学的帮助以及我自身的努力下，顺利完成了这一系列任务。通过用实验的方法对鸡蛋的流变特性进行分析，从中我了解了如何分离蛋黄与蛋清、草鸡蛋与洋鸡蛋的区别、鸡蛋剪切应力与剪切速率的变化关系以及不同温度和剪切速率下的表观粘度值。让我对鸡蛋、流变特性以及国内外的研究情况有了进一步的了解。致谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 感谢我的父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。参考文献1 荣建华,史俊丽,张正茂,吴雷雷,赵思明.超微细化大米淀粉流变特性的研究.中国粮油学报, 2007,2(3).2 周超,杨美艳,谢明勇,万茵,田颖刚,陈奕,黄璞.车前子胶的流变特性研究.食品科学, 2007,28(10).3 Michele Marcottea, Ali R. Taheriana, Maher Triguia, Hosahalli Swamy Ramaswamy. Evaluation of rheological properties of selected salt enriched food Hydrocolloids. Journal of Food Engineering. 2001, (48):157-167.4 N.L.Chin, S.M.Chan, Y.A.Yusof, T.G.Chuah, R.A.Talib. Modelling of rheological behaviour of pummelo juice concentrates using master-curve. Journal of Food Engineering. 2009, (93):134-140.5 陈坤杰.蜂乳的流变特性研究J.农业机械学报,2000(7):4-31.6 Hamed M. El-Mashad Wilko K.P.van Loon, Grietje Zeeman, Gerard P.A. Bot. Rheological properties of dairy cattle manure. Bioresource Technology. 2005, (96):531-535.7 Nkama, I. M.H.Badau. Rheological properties of reconstitu