食品的力学性质和流变学基础.ppt

第二章食品的力学性质和流变学基础 食品物质的胶黏性食品物性构成体系与力学性质的复杂性胶体的概念分散系统的胶体食品的胶黏性与食品加工食品流变学食品流变学概述食品的黏性食品的黏弹性 第一节食品物质的胶黏性 2 胶体的概念 除了纯液体食品外 几乎所有的食品在食用时的状态都可以看做胶体 胶体系统主要由胶体粒子 colloidalparticle 组成 是一种多相分散系统 也称为非均质分散系统 胶体粒子的大小和胶体的特征 第一节食品物质的胶黏性 3 分散系统的胶体 按照胶体粒子在分散系统中的存在状态 可以把胶体系统分成9种 食品胶体系统的分类 第一节食品物质的胶黏性 气溶胶 稳定性 粉末表观比体积 单位质量粉末所充填的体积 表观密度 包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量 孔隙率 一定体积的粉末中 空隙所占体积的比率 孔隙率 V0 V V V1 V 气泡 bubble 在液体中分散有许多气体的分散系统 第一节食品物质的胶黏性 乳胶体 两种互不相溶的液体 其中一方为微小的液滴分散在另一方液体中的胶体 水包油型 O W 油包水型 W O 在外力的强烈作用下 两者可相互转化 第一节食品物质的胶黏性 乳胶体 多相乳胶体 multilayeremulsion 把 O W 或 W O 型乳胶体整个看成一个连续相 再向其中加入水或油后 得到的一种均一体系 包括W O W或O W O型乳胶体 第一节食品物质的胶黏性 乳胶体 乳胶体类型的判断 稀释法 将1滴乳胶液滴滴入水中 如果它能扩散到整个水中 就是O W型 反之就是W O型 导电法 水和油的导电性质有很大差异 用电流计的两极插入乳胶液中 入会路线是通电 则为O W型 反之为W O型 色素染色法 利用色素是否溶解于连续相来判断 用不溶于油的水溶性色素 如甲基橙 加入乳胶体中 如果溶解 则为O W型 反之为W O型 第一节食品物质的胶黏性 溶胶和凝胶 大部分食品的主要形态 溶胶 sol 可以流动的胶体溶液 把分散介质 连续相 是水的胶体称为亲水性胶体 hydrocolloid 对这样的溶胶称为水溶胶 hydrosol 凝胶 gel 在分散介质中的胶体粒子或高分子溶质 形成整体构造而失去了流动性 或胶体全体虽含有大量液体介质而固化的状态称为凝胶 干凝胶 xerogel 凝胶放置后 逐渐离浆脱水成为干燥状态 称为干凝胶 干凝胶浸泡在水中 一般会吸水变软 称为膨润 第一节食品物质的胶黏性 溶胶和凝胶 凝胶的形成机理 有纤维状高分子相互缠结 或分子间键结合 得到三维的立体网络结构而形成 水保持在网络的网格中 全体失去流动性质 凝胶可分为热不可逆凝胶 蛋白凝胶 和热可逆凝胶 多糖凝胶 或易离水凝胶 豆腐 和难离水凝胶 果冻 离浆 凝胶经过一段时间放置后 网格会逐渐收缩 并把网格中的水挤出来 凝胶的重要性 很多食品是在凝胶状态下食用的 凝胶状态食品的力学性质对其口感 风味起着决定的作用 研究和改善食品的质地 texture 主要是研究凝胶状态物质的模型 第二节食品流变学 1 食品流变学概述流变学 rheology 研究物质在力作用下变性或流动 以及力的作用时间对变形的影响的科学 流变学的研究对象一般指 油脂 橡皮 淀粉 蛋白 等力学性质介于固体和液体之间的物质 对这些物质的黏性 塑性 触变性 黏弹性等现象进行研究 从这些物质的构造 组成上解释以上现象 找出其表现规律 第二节食品流变学 1 食品流变学概述由于力学性质与食品的化学成分 分子构造 分子内结合状态 分子间结合状态 分散状态 以及组织构造有极大关系 因此流变学可以说是食品力学性质方面的物性理论 食品流变学研究的对象是所有的食品和食品原材 食品流变学研究的目的是要解决实际食品加工中出现的各种问题 提高食品的品质和质量 第二节食品流变学 2 食品的黏性 1 应力与应变的概念应力 stress 单位面积所承受的作用力正应力 受力面积与施力方向垂直 剪应力 shearstress 受力面积与施力方向互相正交应变 strain 外力作用下不产生位移时 几何形状和尺寸的变化 形变 剪切应变 shearstrain 在剪切应力作用下的形变 第二节食品流变学 2 食品的黏性 1 应力与应变的概念剪切速率 液体流动过程中 剪切应变与所需时间之比为剪切速率 也称为应变速率或速率梯度 单位为s 1 对于流体而言 内部某一点的剪切速率又可以表述为该点的即时速度与该点形变的截面尺寸的比值 即s 1 第二节食品流变学 2 食品的黏性 2 黏度的概念 viscosity 流体在流动时 阻碍流体流动的性质称为黏性 黏性是表征流体流动性质的指标 黏性产生的原因 从微观上讲就是流体受力作用 其质点间作相对运动时产生阻力的性质 这种阻力来自内部分子运动和分子引力 黏性的大小用黏度 或称黏性率 黏性系数 来表示 根据变形的方式 黏度可以分为剪切黏度 延伸黏度和体积黏度 第二节食品流变学 2 食品的黏性 2 黏度的概念牛顿流动状态方程 描述流体的应力与应变的关系 由于液体受剪切应力作用 变形表现为流动 即剪切速率的大小 因此流动状态方程表述为 式中 为剪切应力 为剪切应力与剪切速率之间的比例系数 表示液体流动的阻力大小 被定义为黏度 viscosity 黏度的倒数 称为流度 fluidity 黏度的值等于流体在剪切速率为1s 1时所产生的剪切力 单位是Pa s 泊 常用单位有厘泊 cP 第二节食品流变学 2 食品的黏性 2 黏度的概念非牛顿流动状态方程 自然界中的液体 多不符合牛顿流体定律 其流动状态方程可由经验公式表示 式中k为黏性常数 与液体浓度有关 也称浓度系数 n为流态特性指数 令 则 为表观黏度 apparentviscosity 不但与k和n有关 还是剪切速率的函数 即为液体在某一定流速下的黏度 第二节食品流变学 2 食品的黏性 2 黏度的概念对实际的许多流体 当施加应力时不会产生流动 需要将应力 增大到某一个定值 0后 液体才开始流动 因此流动状态方程又进一步被表述为 式中 0为屈服应力 yieldvalue 第二节食品流变学 2 食品的黏性 3 流体的分类 牛顿流体 n 1 假塑性流体 0 n 1 胀塑性流体 n 1 塑性流体 0 0 触变性流体 胶变性流体 液体 宾汉流体 非宾汉流体 第二节食品流变学 2 食品的黏性 4 牛顿流体凡是符合牛顿流动状态方程的液体 n 1 即应力与剪切速率成正比的流体 黏度不随剪切速率的变化而变化 称为牛顿流体 特点 剪切应力与剪切速率成正比 黏度不随剪切速率的变化而变化 理想的牛顿流体没有弹性 不可压缩 各向同性 所以自然界中是不存在牛顿流体的 水 液糖 酒 油等可近似为牛顿流体 第二节食品流变学 2 食品的黏性 5 假塑性流体 pseudoplasticflow 流动状态方程中 当0 n 1时 即表观黏度随剪切应力或剪切速率的增大而减小时 称为假塑性流体 也称为剪切稀化流体 特点 无屈服应力 0 即应力应变曲线通过坐标原点 随着流速的增加 表观黏度减少 第二节食品流变学 2 食品的黏性 5 假塑性流体 pseudoplasticflow 大部分液态食品都是假塑性流体 随着温度的升高 k值降低 表明高温会降低液体的黏度 这是因为升高温度 有利于液体分子的运动 使其阻碍应力作用的阻力减小 n值越小 随着流速的增加 黏滞阻力增加越慢 这是因为n越小 液体内部构造越弱 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的缘故 n越小 液体的表观黏度越大 越黏稠 第二节食品流变学 2 食品的黏性 6 胀塑性流体 dilatantflow 流动状态方程中 当n 1时 即表观黏度随剪切应力或剪切速率的增大而增大时 称为胀塑性流体 也称为剪切增稠流体 特点 无屈服应力 即应力应变曲线通过坐标原点 随着剪切流速的增加 表观黏度增加 液体食品中胀塑性流体不很多 比较典型的是生淀粉糊 第二节食品流变学 2 食品的黏性关于剪切稀化的解释 胶体粒子间结合力的变化 对于比较稠密的分散系统粒子 分子间的弱结合力使它们之间形成网架构造 当液体受剪切应力作用时 会破坏或增强网架构造 从而表现黏度降低或增加 第二节食品流变学 2 食品的黏性关于剪切稀化的解释 胶体粒子的变形 液体中的链状巨大的高分子胶体粒子 在静止或低流速时 互相勾挂缠结 黏度较大 但当流速增大时 剪切应力作用 使得比较散乱的链状粒子滚动旋转而收缩成团 减少了互相的勾挂 黏度降低 第二节食品流变学 2 食品的黏性关于剪切增稠流体的解释 胀容现象 当施加应力较小时 由于水的滑动和流动作用 胶体糊表现出的黏性阻力较小 可是如果用力搅动 那么处于致密排列的粒子就会成为多孔隙的疏松排列构造 原来的水分再也不能填满粒子之间的间隙 粒子与粒子间的黏性阻力就会骤然增加 甚至失去流动的性质 第二节食品流变学 2 食品的黏性 7 塑性流体 plasticflow 塑性流动是指流动特性曲线不通过原点的流动 食品液体中 有许多在小的应力作用时并不发生流动 表现出固体那样弹性性质 当应力超过某一界限值 0时才开始流动 特点 有屈服应力 即应力应变曲线不通过坐标原点 宾汉流体 非宾汉流体 第二节食品流变学 2 食品的黏性 8 触变性流体 thixotropy 又称摇溶性流体 当液体在振动 搅拌 摇动时 其黏性减少 流动性增加 但静置一段时间后 流动又变得困难 特点 振动 摇动流动性增加 加载曲线在卸载曲线之上 并形成了与流动时间有关的履历曲线 滞变回环 第二节食品流变学 2 食品的黏性 8 触变性流体 thixotropy 代表性的食品有西红柿调味酱 蛋黄酱 加糖炼乳等 呈现触变现象的食品口感比较柔和爽口 机理 随着剪切应力的增加 粒子之间形成的结合构造受到破坏 因此黏性减少 但这些粒子间结合构造在停止应力作用时 恢复需要一段时间 逐渐形成 因此 剪切速率减慢时的曲线在前次增加曲线的下方 形成了与流动时间有关的履历曲线 第二节食品流变学 2 食品的黏性 9 胶变性流体 rheopexy 胶变性流动与触变性流动相反 液体随着流动时间的增加 变得越来越黏稠 特点 振动 摇动流动性减弱 加载曲线在卸载曲线之下 也能形成与流动时间有关的履历曲线 滞变回环 第二节食品流变学 2 食品的黏性 9 胶变性流体 rheopexy 当流速逐渐加大 达到最大值后 再逐渐减低流速 减低流速时的流动曲线反而在加大流速曲线的上方 这说明流动促进了液体粒子间构造的形成 有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感 如面团 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 1 黏弹性基本概念施加作用力 产生形变 去掉作用力 形变恢复 弹性施加作用力产生形变后 去掉作用力不会恢复 黏性 当施以作用力时 把既有弹性又有黏性的物体 称为黏弹性物质或黏弹性体 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 1 黏弹性基本概念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 换句话说 通过测定食品的黏弹性就可以把握以上食品的状态 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 2 应力 应变曲线分析 A 脆性材料 B 具有屈服点的韧性材料 C 不具有屈服点的韧性材料 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 2 应力 应变曲线分析 A 宏观应变 是指平均应变范围为大于原子间距离的有限尺寸场合下的应变 B 微观应变 是指应变尺寸范围为原子距离数量级的应变 C 压缩强度 物质所能承受的最大压缩应力 即试验时试样能承受的最大荷重和与试料的最初断面积之比 D 弹性率 在弹性极限范围内 应力和应变之比 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 2 应力 应变曲线分析 E 屈服点 yieldpoint 当载荷增加 应力达到最大值后 应力不再增加 而应变依然增加时的应力 F 屈服强度 弹性极限 应变和应力之间的线性关系 在有限范围内不再保持时的应力点的应力 H 生物屈服点 应力应变曲线中 应力开始减少或应变不再随应力变化的点 一般生鲜食品都具有生物屈服点 在此点处 物质的细胞构造开始受到破坏 G 破断点 在应力 应变曲线上 当作用力引起物质破碎或断裂的点 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 2 应力 应变曲线分析 H 脆性断裂 屈服点与断裂点几乎一致的断裂情况 I 延性断裂 指塑性变形之后的断裂 J 断裂能 应力在断裂前所作的功 表示应力 应变曲线与横坐标包围的面积 K 刚度 当变形未超过弹性极限时 应力 应变曲线的斜率 L 弹性 物质受力后恢复原形的性质 M 塑性 物质受力后产生永久变形的性质 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 2 应力 应变曲线分析 N 弹性度 物质在去掉外力作用后 弹性变形和总变形量之比 弹性度 Se Sp Se O 强度 物质承受施加外力的能力 P 坚韧性 强韧性 使物质达到破断时所需要做的功 Q 弹性能 物质以弹性变形形式保存的能量 为应力 应变曲线上直线部分与横轴所包围的面积 或回弹曲线与横轴所包围的面积 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 2 应力 应变曲线分析 R 力学滞后 在载荷的加除过程中物质吸收的能量 它等于应力 应变曲线与回路曲线中包围部分的面积 力学滞后表示能量的损耗 也就是物质在变形过程中转化为热能损失的性质 S 应力松弛 试料在瞬时变形后 并保持变形时 应力随时间经过而消失的过程 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 3 弹性变形 A 杨氏模量 物体受正应力作用产生轴向的变形称为拉伸变形 表示拉伸变形的弹性模量称为杨氏模量 根据胡克定律 E 比例系数E即为杨氏模量 由于 无量纲 所以杨氏模量的单位与 的单位相同 为N m2或Pa 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 3 弹性变形 B 泊松比 表现弹性拉伸变形的物性参数 即物体受力发生形变时 横向应变与纵向应变的比值 根据物体不同 泊松比的取值在0 0 5之间 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 4 黏弹性体的特点 A 曳丝性 threadformingproperty 是物体黏性和弹性双重性质的表现 将直径为1mm的玻璃棒浸入液体1cm 然后再以5cm s的速度提起 用液体丝在断掉前可拉出的程度表示曳丝性的大小 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 4 黏弹性体的特点 B 维森伯格效果 Weissenbergeffect 将某些液体放入圆桶形容器中 垂直于液面插入一玻璃棒 当急速转动玻璃棒或容器时 可观察到液体会缠绕玻璃棒而上 在棒周围形成隆起于液面的冢状液柱 原因 由于液体具有的弹性 使得棒在旋转时 缠绕在棒上的液体将周围的液体不断拉向中心 而内部的液体则把拉向中心的液体向上顶 而形成了沿棒而上的现象 应用 只有具有弹性的液体才会出现 可用于判断食品液体的结构组织情况 黏度大的液体旋转时 棒周围的液体会在离心力作用下凹下 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 5 黏弹性的基本力学方程 建立力学模型的目的 可使复杂的黏弹性体流变问题得到简化 并使之归纳为可以用数学公式表示的规律 从中搞清楚控制或测定其流变性质的方法 虎克模型阻尼模型滑块模型 麦克斯韦模型开尔芬 沃格特模型四要素模型多要素模型 组合 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 6 静黏弹性 staticviscoelasticity 用静态测定法 staticmethod 所揭示的物体的黏弹性质 如拉伸 压缩 测试所得到的弹性率 蠕变性质的滞后时间 蠕变柔量 松弛弹性的应力松弛时间等 基本流变特性参数测定法 应力松弛实验 蠕变实验 滞变曲线 双重剪切测定 测试方法 拉力试验 套筒流动 平行板塑性计 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 6 静黏弹性 staticviscoelasticity A 基本流变特性参数特定法 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 6 静黏弹性 staticviscoelasticity B 应力松弛实验 大米的米饭团进行应力松弛实验 发现口感柔软的米饭 应力松弛时间为6 8s 当松弛时间达到10 14s时 口感较硬 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 6 静黏弹性 staticviscoelasticity C 蠕变实验 给试验施以恒定应力 测定应变随时间变化的情况 蠕变试验除了用于建立适当的流变模型外 它所得到的弹性滞后时间也是代表试样力学性质的重要指标 第二节食品流变学 3 食品的黏弹性 6 静黏弹性 staticviscoelasticity D 滞变曲线 测定试样在定速压缩和定速拉伸过程中 应力随时间的变化曲