食品工程特性WD讲义2.doc

江南大学食品学院工程硕士班讲义食 品 工 程 特 性Engineering properties of foods许学勤 编二一二年九月1目录目录食品工程特性（前言）1工程特性（定义）:1食品工业中的主要单元操作.1常见单元操作中起主要作用的食品物理性质1主要内容 各章内容1参考书1考核1第1章 食品流体变学特性（1）3一、引言：3（一）什么是流变学3（二）流变学研究对象:3（三）食品流变学研究的对象:3（四）研究食品流变学特性的原因3（五）食品工业中应用流变学参数的主要方面3二、流变学基本概念4（一）应力4（二）应变4（三）切变速率5（四）流变特性5（五）理想弹性体5（六）理想塑性体5（七）理想粘性体（牛顿流体）6（八）粘度h及相关物理量6（九）粘弹体7（十）非牛顿流体7三、非牛顿流体的流动特性7（一）常见非牛顿流体的类型7（二）常见时间无关型流体的流动特性8（三）时间有关型流体10四、流体食品流动参数的测定11（一）基础试验:11（二）经验试验:15（三）模拟试验方法:17（四）稠度的连续测定记录17五、影响液体粘度的因素18（一）温度对粘度的影响18（二）浓度对粘度的影响19第二章 固体食品流变特性21一、引言21（一）研究流变性质的原因21（二）固体食品流变特性试验类型21二、固体食品特性的基础试验测定21（一）固体的流变学行为21（二）简单的固体特性试验23（三）粘弹性体的曲线实验法25三、固体材料的经验和模拟试验31（一）食品的质构（Texture）31（二）试验仪器设备31（三）压缩试验32（四）拉伸试验32（五）剪切试验33（六）质构整形图试验33第三章 食品热性质36一、引言36（一）传热估计能力决定对热性质了解程度要求36（二）热性质可以通过组成等因素得到估计36（三）对热性质数据要求36（四）要讨论的热性质36二、常用热性质的定义与含义36（一）比热Specific Heat：36（二）焓Enthalpy37（三）热传导率37（四）导温系数（热扩散系数）37（五）表面换热系数38三、食品热性质的测量38（一）有关食品热性测量的综述：38（二）选用测量方法要考虑的因素38（三）比热容测量38（四）焓的测量39（五）热传导率39（六）导温系数40四、热性质数据的报道40（一）热性质数据报道应包含的信息40（二）热性质数据报道历史、现状与特点40（三）一般热数据报道源及报道情况41五、热性质预测41（一）引言41（二）热性质预测模型的来源41（三）比热预测方程42（四）焓的预测方法43（五）热导率模型43第四章 食品传质特性47一、引言47（一）传质过程的特点47（二）食品工业中与传质有关的操作47（三）食品工程中重要传质特性47（四）传质特性的用途47（五）本章内容：48二、平衡特性48（一）气液平衡的特性48（二）Ki和在平衡时对挥发性成分损失的影响49（三）液/液和液/固平衡50（四）气/固和汽/固平衡51三、扩散系数51（一）Fick第一定律51（二）Fick第二定律51（三）小分子在固体中扩散行为52（四）小分子在固体中扩散系数的估计52四食品中的传质54（一）水份传递54（二）其他溶质的扩散55（三）香气化合物扩散56（四）液/固萃取57第五章 水分活度61一、引言61二、水分活度61（一）基本概念61（二）水分活度的测量63（三）水分活度的调节65三、水分吸着等温线（Moisture sorption Isotherms）(MSI)68（一）定义68（二）表示方法68（三）等温线的类型（图5- 5）68（四）吸附（回吸）曲线与解吸曲线及其滞后69（五）MSI的理论描述69（六）温度效应70（七）实际应用71第六章 光学性质73一、引言73（一）色泽与食品73（二）食品的颜色与滋味感觉74（三）颜色的特点74（四）颜色的表达74二、颜色的物理性质74三、颜色的生理基础75四、简单比色76五、分光光度法测色76（一）原理76（二）颜色的三角形表示法77（三）早期的XYZ参考剌值表色77（四）CIE、标准观察者曲线77（六）色品图（色度图）78六、三剌值测色仪79（一）原理79（二）CIE LAB表色系统80（三）色差研究81（四）Judd-Hunter Lab色立体81七、食品的颜色测定82（一）测定食品颜色时的注意事项82（二）试样的制作823前言食品工程特性（前言）工程特性（定义）: 与食品单元操作(包括设备设计和过程控制)有关的食品特性(主要是物理特性) 食品工业中的主要单元操作.1. 流体流动:泵送 2. 传热: 杀菌,冷冻,热烫3. 传质: 混合, 风味成分扩散 4. 浓缩: 5: 干燥: 常见单元操作中起主要作用的食品物理性质1. 流体食品的流变特性 2. 热性质3. 胶体性质 4. 传质性质5. 热力学性质 6. 固体的流变学性质主要内容 各章内容食品流变学性质 基本概念、 液体食品的流变学性质 测定原理方法、 固体食品流变特性 文献数据取舍、食品的热性质 预测方法食品的传质特性 应用食品脱水特性食品的光学特性参考书食品流变学及其测量 轻工出版社食品物性学 李里特 中国农业出版社Engineering properties of foods M.A. Rao and S.S. H. Rizvi Physical properties of foods Micha Peleg and Edward B. BagleyPhysical properties of foods Ronard Jowitt考核开蔽卷两部分。19第一章 食品流变学特性（1）第1章 食品流体变学特性（1）流体食品流变特性一、引言：（一）什么是流变学研究物体在力作用下变形和流动的科学。除力以外，力的作用时间对变形影响也是研究内容，物体的力学参数除力以外，还有时间。（二）流变学研究对象: 从弹性固体到粘性流体所有的宏观物质（三）食品流变学研究的对象: 固体： 主要有固体特性的食品物质粘弹性体：同时具有固体特性和液体特性；液体： 主要有液体特性的食品物质塑性流体：同时具固液特性，但主要表现液体特性的食品物质（四）研究食品流变学特性的原因1. 装运,加工,储藏过程中,食品的流亦学特性要受影响2. 食品的力学性质(主要是流变学性质) 左右着食品加工活动3. 流变学性质是质构感官性质的基础, 对食品的质构研究近二三十年开展得相当广泛4. 流变学性质与生化,物化性质密切相关（五）食品工业中应用流变学参数的主要方面1. 工程设计计算方面: 管路设计和泵的选择 换热器的设计和分析 挤压设备的设计 混合设备的选择与分析设计2. 加工工艺设计与过程控制 涂布问题 对化学反应的估计 加工过程控制3. 品质控制 原料,中间产品质量控制 产品的均一性控制 货架寿命估计4.产品开发 配方设计 流变-质构-感官评价的相关性研究 二、流变学基本概念（一）应力定义: 物体因外因作用(如力,温度)在内部任一截面单位面积上两方的相互作用力称为应力(单位:N/m2)分类(根据力与截面的相对方向)：图1- 1 切应力图1- 2 正应力1. 正应力（也称法向应力）是同截面垂直的应力(s). (图示)。又可分为: 压应力: 一对在同一轴上相向的正应力；拉应力: 一对在同一轴上反向的正应力。2.切应力: 同截面相切的应力(t) (图1- 1)（二）应变定义: 物体受外力作用发生的相对变形称应变 应变 = 分类:1. 线应变: 物体长度方面的相对变形, 是一个无因次量, 常用e表示2. 剪(切)应变: 角度方面的变形, 常用弧度表示 （三）切变速率定义: 流体流动时,因摩擦力作用的原因,与流动方向相垂直的各液层的流动速率是不同的, 所以将这种方向与流动垂直的流体流动变化速率称为切变速率(剪切速率), 用g 表示, 单位为弧度(S-1)（秒-1）（四）流变特性物质变形与引起变形应力的关系，对于固体是应力与应变的关系对于流体是应力与切变速率的关系可由曲线（通过实验得到）、数学表达式（模型）（由曲线体拟合得到），或确定曲线形状（数学式关系的）的参数（常数）表达，这些参数与应力或应变变化无关，是物质固有的物性。如，固体的弹性模量，牛顿流体的粘度，非牛顿流体的流变系数和指数等都是流变特性。但非牛顿流体的表观粘度严格说来不是流变特性，因为它随切变速率而变。（五）理想弹性体应力一出现就发生变形(应变)并且应变与应力成正比,当应力消除后,变形立即恢复, 变称变形称为弹性变形(应力-应变同时产生,同时消失),具有这种纯弹性变形特性的物体称为理想弹性体(变称为虎克体).特性: 可用虎克定律表示 应力= 模量 应变 模量包括: 弹性模量E, 剪切模量G, 和体积模量（六）理想塑性体定义: 物体受外因作用, 应力达到一定值以前, 不发生变形, 只有当到某一值后才发生变形, 且当应力消除后, 变形不会恢复, 变形是永久性的,这种变形称为塑性变形. 有这种应力-应变关系的物体的称为理想塑性体. 这个一定的使物体开始发生形变的应力值称为屈服应力.（七）理想粘性体（牛顿流体）理想粘性体在受到应力作用时,就发生变形(流动),但它与弹性体不同,它的应力与应变速(切变速)成正比, 并且当应力消除后, 不再恢复原来的状态, 这种变形形式称粘性变形(粘性流动), 具有这种流动形式的物体称为理相粘性体（又称为牛顿流体）. 牛顿流体的t -g关系式（牛顿粘性定律）牛顿流体的t -g 关系曲线(流动特性曲线)：通过坐标原点的一条直线。图1- 3 牛顿型流体的（1）流动曲线；（2）粘度与剪切速度关系（八）粘度h及相关物理量粘度 流体应力与切变速率之比 单位：国际 Pa/s-1=Pas （帕秒）=10 P（泊）=1000 cP（厘泊） 物理意义：用于引起单位切变速率所需的应力。运动粘度n：流体粘度与其密度之比（有时在工程计算中用到）单位：m2/s流体化系数f：液体的倒数 说明粘度高的液体，在同样剪切应力作用下，流动越困难。牛顿流体的粘度：是一个与切变速率无关的常数 它是牛顿流体的流变特性，与液体有关（不同的液有不同的粘度），也与温度有关。牛顿流体的粘度h与切变速率g关系：由式（1-5）可知，两者不相干（图1- 3（2）。所以粘度是牛顿的流变特性。（九）粘弹体有许多物体, 受力作用后所表现出的应力应变关系既含有弹性变形成分,以含有粘性流动成分, 这种应力应变关系称为粘弹体。（十）非牛顿流体 凡是t -g 关系不符合牛顿粘性定律的流体都称为非牛顿流体。有以下特点：l -g 关系不是线性关系数或，或虽是线性关系，但流动曲线存在屈服应力。l 粘度与 g 有关，不是常数，某一粘度只是表观粘度，它不是非牛流体的特性。l 它的流动特性要用两个以上的参数表示。l 流变特性与流体的构成有很大关系。三、非牛顿流体的流动特性（一）常见非牛顿流体的类型1 时间无关型流体 指数律流体 （无屈服应力） 剪切变稀 剪切变稠 赫歇尔-布克雷流体（有屈服应力） 宾哈姆流体（有屈服应力）2 时间有关型流体 触变性流体 震凝型流体（二）常见时间无关型流体的流动特性1 流动曲线（图1- 4） 图1- 4 常见流体的流动特性曲线2数学模型与对应的食品(1) 指数律 （1-6）k稠度系数，n稠度指数，根据n大小可以将此类流体分为三类。表1- 1 指数律流体按稠度指数分类流体类型n曲线形状假塑性流体1向上跷牛顿流体（特例）=1直线(2) Bingham 流体 （1-7）t0屈服应力kB宾汉姆系数（3） Herschel-Bulkley 模型 （1-8）t0屈服应力kH系数n流动指数特例：当t0=0，n=1时，可表达牛顿流体当t0=0，n1时， 可表指数律流体当n=1时， 可表达宾汉姆流体(4) Casson 模型 t0.5 = koc2 + kc g0.5 （1-9）适用于巧克力koc可以看作是屈服应力，因g=0时，t= koc。3表观粘度 非牛顿流体的粘度称为表观粘度 ha ,单位也是泊,cp ha = （1-10）由于 t -g 是非线性的, 所以非牛顿流体中表现的表观粘度是一个变量, 随t或g的变化而变化, 有时,表观粘度也称为粘度,但要了解,这种流体是非牛顿流体时,粘度是指一定温度下,一定剪切速率下(或剪应力下)其剪应力与剪切速率的比值,它不是一个常数. (用牛顿流体和非牛流体的 t -g 关系, 图示说明, 后者的 t /g 不是一常数)图1- 5 常见流体的表观粘度与剪切速率的关系（1）指数律流体的表观粘度a = = = Kpn-1 （1-11）表1- 2 典型流体的剪切速率与表观粘度的关系流体类型剪切速率表观粘度a假塑性流体=0=0胀流性流体=00=牛顿流体（特例）与无关食品中常见的指数律流体举例(2) 宾汉姆流体表观粘度a = = = KB + （1-12）a与的关系（图示）*请给出赫歇尔-布克雷流体和casson流体的表观粘度的表达式并讨论粘度与剪变速率的关系4不同类型的液体食品 牛顿液体 糖水溶液, 低浓度牛乳 食用油宾汉姆流体 干酪 ，巧克力浆假塑性 蛋黄浆，血液,某些蜂蜜，番茄酱,果酱,其他高分子物质的溶液胀流性 浓淀粉溶液,许多蜂蜜等5若干食品的k和n值表1- 3 若干食品的k值和n值（大部分食品n1，剪切变稀，曲线下弯）食品种类kn汤和酱油（12.8）苹果汁（24)番茄汁（32）固形物含量5.8%12.8%16%25%30%杏酱芥末瓜尔胶1.5%黄原胶1.2%甜炼乳3.65.60.50.222.03.1612.918.92033.446.43.983. 60.510.650.590.430.450.410.400.310.40.160.260. 83（三）时间有关型流体在一定的剪切变形速率下，对应的会随着时间的推移而发生变化.1 触变性体: 其应力随时间而减小. 因而表观粘度也随时间而降低.(这种变化可以是可逆的,也可是不可逆的).2 流凝性,震凝性体: 其应力随时间而增大. 表观粘度也随时间而升高.(负触变性)四、流体食品流动参数的测定分类:基础试验, 经验试验,模拟试验（一）基础试验:测量明确定义了的特性, 利用的是能进行流体流动分析的几何体(重点)仪器:很多.粘度计:只提供粘度信息流变仪: 概给粘度, 也给别的参数, 如粘弹性方面的参数毛细管, 同心圆, 锥板式, 平行板以上仪器使用的前提: 流体的流动是层流, 流体在等温条件下测定 测量器具固体表面与流体界面处没有滑动1 毛细管流动测量图1- 6 毛细管流动粘度计（1）原理（以牛顿流体为例）对于牛顿流体在下列特殊前提下 稳定流动（流速不是时间的函数） 没有末端效应 无切向和径向的速度成分 轴向速度只是轴线距离的的函数可以根据牛顿液体在管内的层流流动分析得出(Hagen-Poiseuille 式)即 其中： 粘度(Pa.S) P管子两端的压降(N/m2) R 毛细管内径(m)U在毛细管内的平均流速（m/s）L毛细管长度(m) 因此，只要在一定压力降P下，使被测流体以U的（平均）速度通过半径为R长度为L的细管子，就可以根据上式求得粘度。（2）重力式玻璃毛细管粘度计测量原理（只能测牛顿流体）当式（1-14）中的P以（液柱）（如图所示）重力提供时，可得P = gh （1-15）其中_液体的密度(kg/m3)g _重力加速度9.18m/s2h _管子液位的高(m)，将式（1-15）与式（1-14）结合可得即其中, 为运动粘度,设体积为V（代表粘度计液泡的体积）的液体, 在时间t内流过(截面积为A=R2)的管子.则: 将其代入式（1-17）,得设 (粘度计常数)则 或 即, 只要知道其k值, 就可测某一已(知密度的)液体的粘度.(3)玻璃毛细管粘度计的使用如果k已知,可直接测定;如果k未知, 可以用一已知粘度和密度的液体的定出其值, 即 从而可以用得到的k值,对未知粘度的液体进行测定.最常用的标定用的已知液体是水, ;因它的物理特性了解得透彻.(以上方法, 没有考虑到动能损失, 但通常可以满足精度要求.)(4)各种形式的玻璃毛细管粘度计 奥氏(最简单),双球奥氏, 乌氏, 凯芬氏, (5) 玻璃毛细管粘度计的适用性:1. 适用于易清洗的液体2. 这是一种低剪切速率的仪器, 适合于粘度比较低的流体.(6) 适用于非牛流体的毛细管式流变参数测定计根据流变参数（如屈服应力，流变指数，稠度系数等）可变动流动控制参数(压力差, 流速)关系式设计。 可用来测非牛顿流体的流变特性参数。2. 落球式粘度计(falling-sphere viscometer)（只测牛顿流体）原理: 根据斯托克思定律(Stokes law), 当球体在圆管液体中下落时，有式中： d球直径； 0球密度 ； 液体密度g重力加速度 t球下落时间；D圆筒直径L球下落距离由于，d、L和D可以固定, g取常数，所以式(1-23)可以变成 与式(1-23)比较,可见, 测定：（1）只要已知球的0和系统的k，及液体的密度就可根据式（1-24）测定。 （2）在 k,未知时,可如毛细管粘度计测定一样,用一已知密度和的粘度的液体进行标定.求取k,即3. 心圆筒旋转流动粘度计(Conette Flow Viscometers)原理：几何构造(图1- 7) 图1- 7 同心圆粘度计假定：恒定流动（筒足够长）没有径向和轴向速度成分没有圆筒端造成的流动场波动取柱坐标系，Z轴与旋转轴重合，r, q轴如图所示，不计重力影响，可得ur = 0, uz = 0 (即无径向轴向速度)uq= u0 ( r )有两种传动方式: 内筒转或外筒转根据力学分析可以推导得1. 对于内筒转, 外筒不转形式时, 轴的转速为 2. 对于外筒转, 内筒不转形式时,轴的转速为其中，为半径为r处流体的剪切速率， 这个速率是 = （，s，k，n）对不同的流体有不同的流动特性关系式流体 关系牛顿=/指数律=（/k）1/n宾汉姆=（-0）/kb 为半径为r处的剪切力,它是半径的函数，根据积分可以得到 = f （M，n，k，0,R1,R2,） (1-29)这里，为角速度；M为外筒的扭矩；s，k，0为流变学常数这些关系式中， 为变量M为应变量，R1R2为常数，因而，普通的旋转粘度计对于牛顿流体只要测到一个对应的, M就可由关系式求出粘度。对于其他流体，只要变动，得到一组M对应的数据（曲线），此曲线的形状应与流体的流动特性曲线相似的（图1- 4）此曲线可以转化为曲线。至于M-，-的关系是由仪器的几何尺寸（R1R2）及传感信号所确定的，可以根据具体的仪器查到，从而可以算得，和a.。高级的粘度计(如哈克粘度计)，可自动改变,同时计下M（）-()曲线，所以从记录曲线上可以方便地直接看出流体是什么类型的。更进一步地,可以自动给出所要的流变学特性.。利用粘度计循环变化（即从小到大，再从大到小，）可以检验流体是否与时间有关。如出现的记录如图所示（图。），则说明流体与时间有关。3锥板式粘度计图1- 8 板锥粘度计由一块圆板和一个圆锥构成， 如图所示的锥角约为3或更小若板固定， 锥转动，那么有p = (1-30)p= (1-31)其中, p板处的剪切力, M为扭矩, R圆板的半径，板处的剪切速率，锥角。可以证明, 整块板上的剪切速率是一个常数(因而板上的剪切力也是一个常数)。因此, 只要求出 M的对应关系, 就可以求出pp的对应关系. 从而可以求出所要求的流体流动特性参数. 特点: 装卸方便, 试样消耗少,测果结果准, 剪切速率处处相等；它不适于含较大颗粒的高固体含量的试样；转速高时, 由于离心力作用, 试样向四周溅出。图1- 9 平板粘度计4 平板式粘度计与锥板式不同的是,转动的是一块平行的圆板,试样在两块板之间的剪切速率和剪切应力均随位置的不同而变化。.两板间距为h，在距轴线为处的剪切速率为 (1-32)取半径为r宽为dr圆环， 则扭矩dM为dM = 2r2dr (1-33) 根据流动曲线=f() 和 式(1-32) 得= f() (1-34 )将(1-34) 代入(1-33) 得dM = 2r2 f() dr (1-35) 积分得 M = f (,k,n,0) （1-36）从而, 只要变动 , 就有对应的M, 可得_M曲线;再从曲线求出流动特性参数.例如: 指数律流体 = kn将(1-32)式右侧代入上式得, 将上式代入(1-33)得, 图1- 10lnM对ln作图求n和AM = 2r2 k()n dr从0到R积分可以得到 M = ()n n 设 A = ()n 则 M = An 两边取对数 ln M = ln A + n ln (此曲线可由实验得到(图1- 10)。从而可以得到 A 和 n, 根据A 和n可以求出 k. 图1- 11 纺锤式搅拌头（二）经验试验: 测量没有明确定义的参数, 但这些参数已经证明是有用的1. 带纺锤式搅拌头的旋转粘度计(图1- 11)这是一种经验性的粘度计。 因为很难对它进行数学上的分析。 这种粘度计的几何构造是在纺锤器的头上带有外凸的钉头. 具体的形式可有多种变化.利用这种几何结构, 可以对非牛流体的表观粘度进行测定. 其单位是任意的.这种复杂几何体的粘度计不被用以质量控制上。2.稠度计(consistometer)图1- 12 Adam稠度计稠度:用以描述与悬液的表观粘度有关的一个词(consistency)稠度计多半用以测果泥菜泥的稠度。用以品质控制。（1）Adam稠度计结构:如图1- 12所示)测定方法: 提起漏斗, 使流体下落到(带刻度的)板上, 一定时间(30s)后计下刻度般上流体的距离. 取四点的平均值, 即被认为是该产品的稠度。图1- 13 Bostwick稠度计（2） Bostwick稠度计结构:如图1- 13所示。方法: 打开门, 使流体开始在板上流下, 经30秒钟后, 记下流动的距离。这个流动的距离被定义为该食品的稠度。（3） 流出管粘度计 Efflux Tube Viscometer用以测量一定量的流体通过一个管子或毛细管所需的时间,(类似于毛细管粘度计), 但它可用于非牛顿流体, 因为它只以时间衡量。图1- 14 Farinograph试验仪及记录曲线有人发现, Adam和Bostwick稠度计得到的结果有线性关系, 而流出管粘度计得到的结果与它们有差异. 所以在用到稠度这概念时, 必须结出所用的经验方法。（三）模拟试验方法:在模拟方法中， 流体的特性是在与实际相似的试验条件下进行测量的。用以进行模拟试验的仪器有若干种， 其中多数可用以固体食品的测试。例如，黄油扩展仪（Butter spreaders）、通用食品质构仪（General foods textrometer）、布拉帮达粉质仪（Branbender Farinograph）等。如Branbender Visco-Amylo-Granph 是用以测试面粉、淀粉和胶体糊的粘稠力的。 使用这种仪器，试样被放在一个容器中， 将旋转浆板上受到的拽力记录在一张记录纸上（图示。）同时，样品的温度可以以 1.5 C/min 的速率升降。显然,可以使样品的温度控制在实际应用的水平。 但是,采用这种几何形式所引起的剪切速率是否会与实际中所遇到的相吻合, 则是值得怀疑的。 用以测定流动性质的搅拌器 假如认为剪切速率与搅拌器转速成正比, 并且流体的流动行为是服从指数律的, 那么就可以用事有复杂几何体的搅拌器来定量地测取剪切速率剪切应力的数据。即= CN （1-37）其中 C比例常数 搅拌器的剪切率 N转速对于任何一种搅拌器， C可以从（1- n）- lg的作图中求出. 直线的斜率等于 log C. 这里，P功率，k，n已知流体的稠度系数和流变指数，d搅拌器的直径。显然, 对于给定的搅拌器,进行测试时, 要获得以下数据P:功率(Nm/s)N:转速(S-1)d: 搅拌头直径(m)若干种待测液体的指数律参数. 一旦C求出以后, 就可用= CN式进行别的流体的测定. 但是, C值的确定力求精确, 否则将引起很大的误差。（四）稠度的连续测定记录大量的糊状食品, 其稠度或总粘度是用Bostwick稠度计进行测定的. 但一般说来, Bostwick稠度计的用途随浓度的升高而变小. 并且当浓度超过15-17%时就不能用.而且这种稠度计不便进行产品的在线测量.Plastomater(塑度计)构成: 图1- 15示. 由四管子构成流桥. 发现图中所示点处的压力降与Bostwick稠度有线性关系Rao和Bourne 还发现, 糊状食品的Bostwick稠度计读数与食品的屈服应力有很好的相关性. 并且与两点处剪切速率下的表观粘度差有相关性. 这种装置和以上的相关性发现 可以用以加工厂中的稠度在线控制. 因此, , 这与Bostwick稠度计的不连续性形成了对照.并且,总固形物含量的范围可以高出Bostwick稠度计可能的范围.图1- 15 Eolkin 塑度计五、影响液体粘度的因素图1- 16 表观粘度与温度关系（液体）（一）温度对粘度的影响加工,贮藏运输,销售和消耗过程中,流体食品要经受不同的温度环境. 因此,有必要就流体的流体特性进行温度影响的研究.一般说来, 温度对牛顿粘度()或表观粘度(a)的影响, 在一定的剪切速率下, 可以用Arrhenius关系式表示.a=Aexp()（1-38）其中, A 常数，是无限剪切速率粘度（Pa S） Ea活化能（J/mol） R气体常数（8.314 J/molK） T绝对温度（K）一般， 物料的表观粘度随温度升高而降低。所以表观粘度与温度的对应曲线有如图所示形状。活化能Ea，常数A 可以通过实验测定， 对式（1-37）两边取对数lna= lnA + （1-39）作 lna 则lnA 为截距， 为斜率。（二）浓度对粘度的影响一定的流体食品，其粘度随浓度的增加而升高。 在一定浓度范围内，浓度对表观粘度影响效应， 既可以用对数型，也可以用指数型描述。一般， 前者（对数型）已证明适合于面糊和浓缩果汁，后者适合于泥型食品， 如蕃茄酱。可以将温度效应和浓度效应合成一个单独的方程。 指数型的， 其拟合型的方程形式为a=Aexp()C （1-40）第二章 食品流变学特性（2）第二章 固体食品流变特性一、引言固体食品流变性质为研究者食品消费者所关心。（一）研究流变性质的原因1了解材料的结构，因物料的物理表征是化学构成的反映。如高分子物的联结与弹性关系2改善食品工业的品质控制3设计固体食品的处理机械4将顾客的接受性与某些确定的流变学特性联系起来。如今，许多食品工业有一些固体食品流变方面的相关标准测试，如花生的硬度-顾客接受性。（二）固体食品流变特性试验类型固体食品流变特性的估计试验可以分为两大类即，基础试验、经验试验（1）基础试验：测试材料固有的、与试验样的几何、荷载条件和模具无关的性质，如弹性模量、泊松比、松弛时间、剪切模量等；基础试验又可分为两大基本类型 静态（或准静态）试验：用万能试验机（如Instron。Lloyd）确定压缩弹性模量，就是准静态试验动态试验：如用一定频率的振动器测弹性，这种方法称动态法。（这里不介绍）（2）经验试验（模拟试验）确定如，穿剌力，挤压能等的性质，这时，样品量，几何形状，试验速度等对所估计的参数的大小也有影响。二、 固体食品特性的基础试验测定（一）固体的流变学行为从流变学观点看，可以出现两种极端流变学行为：即，固体的纯弹性变形，液体的纯粘性流动。纯弹性和纯粘性均不存在，所有固体均既含有弹性成分，也含有粘性成分，即所有固体严格说来均是粘弹体。为了简化起见，有时可以将弹性成分多的物体在一定范围内当作纯弹性体处理，将粘性成分多的物料当液体处理。1 固体的纯弹性行为简单曲线，线性关系，弹性模量等，简单试验当一物料受力作用时，就会立即发生有限变形。并且，当该 外力消除该物就瞬时回复到其原来的形状。这样的物体称为虎克固体。其变形的量与力的大小成正比。这种固体的流变学代表是一弹簧。具有这种性质的物料可以有一个流变学常数，称为弹性模量。弹性模量是作用与该物料的应与其应变的比值，应变= 弹性模量X应力弹性模量=应变/应力这里，应力=力/单位面积。应变是所观察到由于外力引起的变形被其原长度所除。对于虎克固形体，因所施的不同，而可以算得三种类型的模量。弹性模量（E）：由正应力算的模量 剪切模量（刚度模量）（G），由平行于应力面的力（剪切力）算得的模量体积模量（K）：如果力来自四周（各向同时地），它引起原来物体的体积发生变形，（单位体积的变形），从而可以算得体积模由于这些变形与所施的力成正比，并且，单位面积和长度也在计算中考虑进了，所以说，这些是材料的常数。2 液体的纯粘性流动行为简单曲线，线性关系、粘度，粘度测定只要稍有力作用，液体就开始流动，流动的速率与所受的力的大小成正比。该液体会一起流动，直到力消除为止，并且，一旦力撒除，液体没有能力回复到其原有的状态。这样的物料称为牛顿液体。对于这样的液体的流变学代表是一阻尼器（可以想象成：筒体内的活塞）。当一个力作用到该活塞时，它就以恒定的速度朝筒体内或外运动，其运动速度取决于力的大小。当力消除后，活塞保持不动，不能回到其原有位置。这种性的物料可以用一个流变学常数表达，即粘度（h） 这样，就很类似于虎克固体的模量3 物料的粘弹性行为 复杂曲线、非线性关系、模量是时间的函数如果，食品不是虎克固体，就是牛顿液体，那么，要确定其流体常数就很简单了。但是，食品同时具有弹性固体和粘性液体的流变学特性。这样的物料称为粘弹性体。（1）模型构成至少由一个表固体物性的元（弹簧）和至少一个代表粘性元（阻尼器）构成的整体。该代表性整体中的弹簧数阻尼器数以及其组成的方式的变化可以构成不同类型粘弹性物料的代表体，以表示该物体在应力或应变时的行为。这样，由弹簧和阻尼器数确定的代表流变行为粘 弹性物料可有若干流变学常数。（2）流变学常数给定模量的时间函数对于粘弹性，没有象模量那样的简单的常数。因为这样的模量在粘弹性中将随时间而发生改变。因此，如一粘弹性物料在情理恒应力作用下，其应变的方式将随时间而。粘弹性物料的流变学常数要用给定模量的时间函数表示。（3）描述粘弹性的三种实验曲线法由于食品属粘弹性物，所以，时间相关和时间无关的测定都需要。用以描述物料粘弹性的有三种实验曲线法。蠕变曲线，恒应力作用下，应变随时间变化的函数。松弛曲线，恒应变时，应力随时间变化的函数。动态模量曲线，由动态模量的正弦应变频率的函数表示。对于线性粘弹性物，这三种实验曲线应得到一致的结果，即，由松弛，蠕变和动态验得到的模量和粘度在数学上应该是可转换的，与所施的应力或应变的大小无关。线性粘弹性：Shama 和Sherman（1973）的描述为应变必须与应力成线性关系；应力-应变比值必须是所施应力时间的函数，而不是应力本身大小的函数；应服从波尔兹曼叠加原理（即：应力施加以后，任一时间的应变取决于样品的切变史）。（二）简单的固体特性试验1压缩拉伸试验也许所有半静态试验中，最简单的要数单轴压缩/拉伸试验了。在这种试验中：具有适当几何形状的样品（如，柱状或长条试件）经受变形或力作用，相应的力或变形被记录下来。如果力或变形不大，那么试验体可被认为了弹性的。得到的应力（s）和应变（e）可以由下式来计算： 和 其中，F是受力，A是试件的截面积，是变形，L是试件原长。通过压缩拉伸试验可以得到弹性模量和泊松比。（1）弹性模量（亦称杨氏模量）通常以E或Y表示，可以表达成（2）泊松比当固体受压缩或拉伸时，在它的长度发生变化的同时，它的宽度也发生变化。例，圆样受压缩时，它的直径将增大，而在拉伸时，直径将缩小。在弹性范围内，受正压力作用的同时，其横向收缩（或扩大）和纵向伸长（缩短）二者的比值就称为泊松比，以（m）记，属无量纲系数。泊松比计算式其中，e横向应变，无量纲e纵向应变，无量纲讨论：对于任何固体，当受到拉伸或压缩变形时，（含空气量少，泊松比大）1如不发生体积的变化(不可压缩,必有横纵向的变化)=0.5，橡胶接近于0.5;2软而含气泡的物料,如面包片或软木，在横向上不发生变化，故，=0，3.土豆比苹果包含的空气少，故它的泊松比就相应大些。泊松比在食品流变学的研究中经常用到，一般可以用来表示面包等膨松食品的膨松程度。一些常见固体物质的泊松比m如表2- 1所示。表2- 1一些固体的泊松比物料名称m物料名称m切达干酪0.5玉米胶乳0.32（含水80%）凝胶0.5钢0.3面粉团0.5铜0.3土豆块0.49玻璃0.24橡胶0.49面包0带壳玉米0.4软木0苹果块0.37糖果核0.103弯曲试验实验构成：所图图2- 1所示，受两垂直支点支持的受载物体,在中点受到垂直向下力的作用，使试样发生弯曲。取如图所示的坐标系。任一点（x，y）处的绕度(deflection)：图2- 1 弯曲试验 其中：P试样中点的受力；L两支点的距离；E物料的弹性模量；I试样的惯性矩最大挠度。在中点,即在x=L/2处:弹性模量(E)为 4. Hertz方程可用于球形体或不便作成适当几何形状的样品(如有些水果,蔬菜,谷物等)的弹性模量求取。图2- 2 Hertz方程试验实验方法：如图所示将试样夹于两平板中，上下施力F，使物体产生一个位移变形D，测出具泊松比。弹性模量： 1球形体 其中：d变形后球体的直径、D变形前球体的直径2不规则体 其中，R1和R1为如图所示的曲面半径,（最大半径和最小半径） 使用Hertz方程得到的结果也非常小, 这一技术应用亦较广。（三）粘弹性体的曲线实验法1实验模型图2- 3 流变学模型 （a）Viogh-Kelvin,(b)Maxwell,(c)Bergers,(d)St.Venant,(e)plasto-elastic body,(f)plasto-visoelastic or Bignham body。弹簧代表弹性元，阻尼代表粘性元，滑件代表磨擦元在确定流变学模型以及在对所选模型的条件的模型常数进行计算时，最有用的两个物理试验是：静态蠕变试验，和应力松弛试验。因此，有必要详细讨论这两个试验。用于构成更复杂流变模型的元模型有Maxwell模元（一弹簧与一阻尼延迟器相串）和Kelvin模元（弹簧与阻尼延迟器并联）2蠕变曲线试验目的：这了确定粘弹性物料的流变学模型（包括形式和其参数）方法：在恒定应力作用下对试样进行变形（应变）试验，记录变形随时间而变的情况。这种在恒定应力作用下的变形（应变）时间曲线称为蠕变曲线）。如果在试验过程消除应力，粘弹性会发变回弹变形，可以记录得到里面蠕变回弹曲线。注意：所旋加的应力不能太大以免造成样品的大变形，超过材料的弹性限，从而不再表现出线性粘弹性材料行为，这样流变模型不再能代表被试物料的流变学性质；恒定的剪切力和变化的施力必须与试件的长轴向保持平行。典型蠕变曲线及解释可由如图2- 4所示为典型的蠕变试验曲线进行。AB=DE。纵坐标为长度变化。图2- 4 典型的蠕变试验曲线蠕变曲线有三个区：（a） A即时弹性区，键成弹性伸展，应力消除后，完全回复（b） B受阻的弹性区，键断裂，重组（c） C牛顿流动线性区，试件一层流过一层，因为键重组的时间较试验时间长应力消除时，也出现三个区：（a） D弹性回复区，（b） E受阻弹性回复区，retarded，（c） F不可复原变形区 在蠕变试验中，从载负（或力）作用到样品的瞬间起，样品就迅速变形，于物料的应变不断地增加，但这种应变的速率在随时间降低。蠕变回复是蠕变试验的另一方面，在蠕变试验的某一点（时刻），消去这种恒定的应力，使得应变降低并接近于零值，这种应力撒除以后，应变变小的过程取决于样品的性质和其预测模型。图2- 5