食品物性学食品力学性质

.,第二章食品的力学基础,食品的力学性质是食品物性中最主要的性质。食品物质的胶黏性食品流变学,.,一般的食品不仅含有固体，而且还有水、空气的存在，属于非均质分散系统。所谓分散系统，是指数m以下，数nm以上的微粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊(即分散)的系统。分散系统组成：分散相，连续相（也称分散介质）,第一节食品物质的胶黏性,一、食品物性构成体系,.,食品物质物性具有非对称。物性值=F(分散相物质，连续相物质，O/W，W/O型)如：生奶油-黄油面包-面粉,因此，在研究食品物性时，要注意到食品物质的分散系性质。,.,二、胶体,胶体系统是一种多相分散系统，亦称非均质分散系统。按分散相分散粒子大小的不同，胶体系统可划分为三类：胶体粒子的大小和胶体特征,表述物质状态,.,三、食品胶体系统,食品胶体系统的分类,.,(一)气体为连续相的胶体气溶胶液体分散于气体介质中粉末固体颗粒分散于气体介质中粉末的形态：分散飘浮在空气中的状态和沉积在一起的集合状态两种。粉末常有如下一些物理量：1.外观比容：表示单位质量粉末所充填的体积。2.外观密度：是指包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。3.孔隙率：一定体积的粉末中，孔隙所占体积的比率。孔隙率V0/V=(V-V1)/V式中：V为粉末体积，V0为孔隙所占部分体积，为V1为粉末本身所占体积,.,(二)液体为连续相的胶体1.气泡气泡是在液体中分散有许多气体的分散系统。名称：气泡溶胶，泡沫。2.乳胶体乳胶体一般是指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。乳胶体一般由水、油和乳化剂构成。乳胶体分为：水包油型（O/W型）和油包水型（W/O型）。有两相乳胶体和多相乳胶体（W/O/W型或O/W/O型）。,生奶油、蛋黄酱,黄油、人造奶油,.,两相之间相互转化概念图,两相之间是可以相互转化，但食品物性截然不同。,.,多相乳胶体概念图,.,乳胶体连续相是水还是油，这对它的物性往往起决定作用。判断乳胶体类型的方法主要如下：稀释法：导电法：色素染色法：,.,3.溶胶和凝胶(1)溶胶：对于可流动的胶体溶液，称之为溶胶。食品中一般胶体粒子的分散介质是水，所以把分散介质(连续相)是水的胶体称为亲水性胶体，这样的溶胶称为水溶胶。(2)凝胶：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。,果冻、豆腐、鸡蛋羹,大部分食品的主要形态。,.,（3）凝胶的分类关于凝胶的分类有很多种，若按照其物理性质可以作如下分类：1)按力学性质可以把凝胶分为：柔韧性凝胶具有一定柔韧性的凝胶，如面团、糯米团；脆性凝胶受力在较小的变形时便破坏的凝胶。2)按透光性质可把凝胶分为透明凝胶(果冻)和不透明凝胶(鸡蛋羹)。,凝胶食品多以多糖类、蛋白类为凝胶形成的主体,.,3)按保水性也可将凝胶分类。凝胶一般虽然都是亲水性胶体，但有些保水性差，放置时水分将会游离出来，称为易离水凝胶。相反为难离水凝胶。豆腐放置时水就会不断流出，而琼胶、明胶、果冻就几乎不发生离水现象。,.,4)按热学性质的分类：基于胶体随着温度的变化，由液态转变为固态，或由固态转变为液态的特点，可把凝胶分为热可逆性凝胶和热不可逆性凝胶。食品中的凉粉、肉冻、放凉了的粥都属于此类凝胶。然而，象蛋清这样的胶体，加热时会形成凝胶。而后无论是再进行热的或冷的处理，它再也不会成为溶胶状。把这样的凝胶称为热不可逆凝胶。,.,（4）凝胶的力学性质在食品物性学研究中的位置很多食品都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品质、风味品质。如：软硬、嚼劲、筋道感、柔嫩感等起着决定的作用。研究和改善食品的质地，主要就是研究凝胶状态物质的模型。因此，凝胶状态在食品物性学中占有十分重要的位置。,.,四、食品的胶黏性,绝大部分食品可看作胶体状态。食品的胶黏性：指食品既有塑性、黏性、又有弹性的性质1929年宾汉首先对食品这种胶黏性提出了流变学的概念。,.,第二节食品流变学,什么是流变学？什么是食品流变学？,.,牙膏一个最常见的流变问题,使用牙膏时挤出要容易，挤出后要求挺括，在牙刷上不能下陷，刷牙时又要轻松，这就要求牙膏遇到剪切时黏度迅速下降，静止时又具有一定的屈服应力，以保持坚挺。,.,流变学涉及的相关学科与对象,荷兰人斯科特布莱尔(G.N.ScottBlair),1953年,他编辑出版了FoodstuffsthePlasticity,FluidityandConsistency一书。,.,.,(一)流变学的定义流变学是研究物质在力作用下变形或流动规律的科学。流变学中，物体的力学参数不仅有力、变形，还有时间。可用下式来表示：F(t,)=0,.,.,一、食品流变学概念,-剪切应变,.,食品流变学研究对象食品及食品原料液态食品、固态食品、半固态食品研究内容对这些食品物质的异常黏性、塑性、触变性、黏弹性等现象进行研究，并从这些食品的构造、组成上解释以上现象，找出其表现规律。,.,食品流变学的研究意义,产品开发：组分的功能性原料组分：质量保证加工工艺：在泵、管道、挤压机、混合设备、均质机、热交换器中的流动行为包装设计：输送能力终产品：质量控制，稳定性消费特性：连续性，涂抹性，口感，外观，质构等,.,研究的方法和步骤：,首先把食品按其流变性质分成几大类，如：固体、液体、黏弹性体等；然后再对每种类型的物质，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，找出测定食品力学性质的可靠方法；从方法中得出有效控制食品品质(力学性质)的思路。,.,二、黏性,（一）黏性概念黏性：指阻碍流体流动的性质。黏性的大小用黏度（或称黏性率、黏性系数）来表示，是流体最基本的特性参数。产生条件：流体流层发生相对运动根据变形的方式，黏度还可分为以下几种：剪切黏度、延伸黏度、体积黏度,黏性是表现流体流动性质的指标。,.,(二)黏性流动的分类1.牛顿流动2.非牛顿流动,水，酒桃酱生淀粉糊,.,1.牛顿流动,（1）剪切速率：液体流动过程中，应变大小与应变所需时间之比表示剪切速率。也称为应变速率。（2）流动状态方程把表示液体所受的剪切应力与剪切速率的函数关系式称为“流动状态方程”。=n,.,牛顿流体定律：,牛顿流体的特征是：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。,为黏度，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。,.,基本符合牛顿流动的食品有水、糖液、清炖肉汤、酒、油等。,.,牛顿流体,2.非牛顿流动,液体在流动过程中不符合牛顿流体定律的称为非牛顿流体的流动。非牛顿流体的流动状态方程主要有两种经验形式：=kn=a(1n,0n1)=0+kn(00)式中：k称为黏性常数，因为它往往与液体浓度有关，因此也称为浓度系数，n：称为流态特性指数。a表观黏度，0屈服应力。,.,根据以上流动状态方程中0的有无和n的取值范围，非牛流动还可以如下分类：,假塑性流动（0n1）胀塑性流动(1n）塑性流动宾汉流动（00，n=1）非宾汉塑性流动（00，n1）触变性流动胶变性流动,.,1）假塑性流动：在非牛顿流动状态方程式中，当0n1时，即：表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动，称作假塑性流动，亦称准塑性流动或拟塑性流动。符合假塑性流动规律的液体称为假塑性液体。,.,假塑性液体的流动特性曲线为：,把随着流速的增加，表观黏度减少的现象也称为剪切稀化。,特点：无屈服应力，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。,.,剪切稀化概念图,.,部分液态食品的流态特性参数如表：,.,造成假塑性流动的机理，主要有以下一些解释。,(1)胶体粒子间结合受剪切应力作用发生改变，影响黏度的变化。当液体流动时，受剪切应力作用，胶体粒子间网架构造不断被破坏。(2)胶体粒子变形，引起黏度的相对减少。有假塑性流动性质的食品液体，大多含有高分子的胶体粒子。这些粒子多由链状巨大分子构成，在静止或低流速时，互相勾挂缠结，黏度较大，显得黏稠。但当流速增大时，也就是由于流层之间剪切应力的作用，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，这就出现了黏度降低。,.,2）胀塑性流动：在非牛顿流动状态方程式中，如果1n，称为胀塑性流动。即：随着剪切应力或流速的增大，表观黏度a逐渐增大。符合胀塑性流动规律的液体称为胀塑性液体。,.,胀塑性液体的流动特性曲线为：,液体食品中胀塑性流体不很多，比较典型的是生淀粉糊。,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。,.,造成胀塑性流动的机理，主要有以下一些解释。,胀容现象：对于剪切增黏现象可以用胀容现象来说明。具有剪切增黏现象的液体，其胶体粒子一般处于致密充填状态，是糊状液体。作为分散介质的水，则充满在致密排列的粒子间隙。,胀容现象概念图,.,3）塑性流动：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。,.,对于塑性流动中，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，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。,塑性液体的流动特性曲线为：,.,部分宾汉流体食品的屈服应力值,.,非宾汉流体食品的流态特性参数,.,4）触变性流动（亦称摇溶性流动）：所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时，其黏性减少，流动性增加，但静置一段时间后，流动又变得困难的现象。特点：振动、搅拌、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）。,.,触变性流动的特性曲线为：,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。,.,5）胶变性流动胶变性流动与触变性流动相反，即：液体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。特点：振动、搅拌、摇动流动性增加；加载曲线在卸载曲线之下，并形成了与流动时间有关的履历曲线(滞变回环）。,.,胶变性流动的特性曲线为：,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。因此，这种现象也被称为逆触变现象。有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感。,.,三、黏弹性,(一)黏弹性基本概念当给物质施以作用力时，把既有弹性，又可以流动的现象称为黏弹性。具有黏弹性的物质称为黏弹性物质或黏弹性体。,物质恢复原形的能力。,.,食品物质受力断裂时应力应变曲线,.,1.分析物质的应力应变曲线时需用到以下概念：,(1)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。(2)微观应变：是指应变尺寸范围为原子距离数量级的应变。(3)弹性：物质恢复原形的能力。(4)塑性：物质产生永久变形的性质。(5)强度：物质承受施加外力的能力。(6)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。,.,（7)弹性率：在弹性极限范围内，应力和应变之比。当应力和应变为非线性关系时，又定义了以下弹性率。a.初始切线弹性率：b.切线弹性率：瞬时弹性率c.正割弹性率：表观弹性率d.弦弹性率。,.,(8)屈服点：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。即图2-16“Y”点。(9)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。即图2-16“LL”点。(10)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。一般认为是图2-16“Y”点。(11)生物屈服强度：达到生物屈服点的应力。,.,(12)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。即图2-16“R”点。(13)脆性断裂：屈服点与断裂点几乎一致的断裂情况，称为脆性断裂。(14)延性断裂：指塑性变形之后的断裂。,.,(15)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。如图2-17S斜线部分表示的面积。(16)坚韧性(强韧性)：使物质达到破断时所需要做的功。如图2-16，它是应力和应变曲线之间包围的面积。,.,(17)弹性度：物质在去掉外力作用后，弹性变形和总变形量之比。如图2-16中，弹性度=Se/(Sp+Se)。(18)弹性能：物质以弹性变形形式保存的能量。它等于曲线的直线部分与横轴所包围的面积，或回弹曲线与横轴包围的面积。,.,(19)力学滞后：在载荷的加除过程中物质吸收的能量。(20)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。,.,虎克定律：在弹性极限范围内，物体的应变与应力的大小成正比。根据物体受力不同，弹性变形分为三种类型。物体受正应力作用产生轴向应变。受剪切应力作用发生剪切应变。受表面压力作用的体积应变。,2.弹性变形,.,(1)弹性模量E：物体受正应力作用产生轴向的变形称拉伸(或压缩)变形。其应力与应变之比称作弹性模量，也称作杨氏模量。=E小麦面团为105Pa；琼胶、明胶的凝胶为105106Pa；硬质干酪为1091010Pa；意大利干挂面为1011Pa。,.,表现弹性拉伸(或压缩)变形的另一个物性参数是泊松比。泊松比是物体受拉伸(或压缩)时，其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00.5之间。,.,(2)剪切模量（刚性率）：剪切变形时，剪切应力与剪切应变的比值称剪切模量，用G表示。S=GS牛顿液体的剪切模量为0Pa，果冻、橡胶、水泥、铜、钢的剪切模量分别为2105、2.9105、0.71010、41010、81010Pa。一般说来固体的剪切模量是杨氏模量的1/21/3。,.,(3)体积模量：体积模量表示物体受表面正应力作用时，产生体积变化的难易程度。比例系数K称为体积模量。V=KV体积模量的倒数称为压缩率。,.,3.黏弹性体的特点,(1)曳丝性：曳丝性的判断有一个方法：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。,发酵豆制品的曳丝性,.,(2)威森伯格效果：将黏弹性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。把这种现象称作威森伯格效果。,.,虎克模型,阻尼模型,滑块模型,(二)黏弹性的基本力学模型,为了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，建立力学模型。,.,(三)静黏弹性,用静态测定法所揭示的物体的黏弹性质称为静黏弹性。研究静黏弹性主要有以下一些试验方法。,基本流变特性参数测定法应力松弛试验蠕变试验滞变曲线,.,1.基本流变特性参数测定法,双重剪切测定,拉力试验,.,续,套筒流动,平行板塑性计,.,2.应力松弛试验,应力松驰试验步骤：1、首先要找出试样应力与应变的线性关系范围。2、在这一范围内使试样达到并保持某一变形，测定其应力与时间的关系曲线。3、根据测定结果绘制松弛曲线并建立其流变学模型。3.蠕变试验蠕变试验是给试样施以恒定应力，测定应变随时间变化的情况。,.,4.滞变曲线,滞变曲线是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线。,大米滞变曲线,R,.,米饭团的滞变曲线和感官评价,.,(四)动黏弹性及其测定,动黏弹性就是给黏弹性体施以振动，或施以周期变动的应力或应变时，该黏弹性体所表现出的黏弹性质。研究静黏弹性主要有以下一些试验方法。,谐振动试验(正弦波应力应变试验）共振试验脉冲振动试验,.,思考题,1.食品物性学研究的主要内容。2.食品物性学要解决的主要问题。3.食品胶体系统的分类有哪些？4.非牛顿流体的分类有哪些？5.假塑性液体的流动特征及特性曲线。6.黏弹性体的特点有哪些？,.,1.基本流变特性参数测定法,常见的测试方法有：双重剪切测定拉力试验套筒流动平行板塑性计,.,(1)双重剪切测定,式中:f为测得拉力，G为剪切模量(刚性率)，d为拉动位移，H为试样厚度。,.,当保持拉力不变时，还可以求得蠕变曲线、蠕变柔量：,双重剪切测定常用来进行蛋糕、人造奶油、冰淇淋、干酪、鱼糜糕等许多食品的黏弹性测定。,.,(2)拉力试验,.,t延伸黏度,剪切黏度,E弹性模量,拉力试验常用来测定小麦粉面团的黏弹性质。,.,(3)套筒流动,.,(4)平行板塑性计,平行板塑性计的测定原理如图所示。在半径为R的平行圆板之间放入试样，然后夹住试样，并施以夹紧力f，试样厚度随之减少。根据Navier-Stokes公式：,.,2.应力松弛试验,应力松驰试验步骤：1、首先要找出试样应力与应变的线性关系范围。2、在这一范围内使试样达到并保持某一变形，测定其应力与时间的关系曲线。3、根据测定结果绘制松弛曲线并建立其流变学模型。,蠕变试验也是一种静态测定试验。它是给试样施以恒定应力，测定应变随时间变化的情况。,3.蠕变试验,.,4.滞变曲线,滞变曲线是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线。,大米滞变曲线,R,.,米饭团的滞变曲线和感官评价,.,(四)动黏弹性及其测定,动黏弹性就是给黏弹性体施以振动，或施以周期变动的应力或应变时，该黏弹性体所表现出的黏弹性质。研究静黏弹性主要有以下一些试验方法。,谐振动试验(正弦波应力应变试验）共振试验脉冲振动试验,.,1.谐振动测定,谐振动黏弹性就是对试样施加固定频率和振幅的，以正弦波变化的作用力时，通过其应变响应所反映出的流变性质。谐振动测定对于食品黏弹性测定主要可分为两种方法:伸缩振动剪切振动在振动测定中，要防止食品的干燥或离液，因为这对测定结果影响很大。,.,2.共振法测定,在黏弹性体中，对于弹性较大的固体物料可以采用共振方法测定。这种方法是基于下式所表示的关系原理。,式中，E：弹性模量，fr：试样的共振频率，k：常数，它与试样的密度、形状有关。,.,测定原理是：连续不断地改变激振器的频率，同时测定试样振动的振幅。当试样振幅达最大值时的频率就是共振频率。如图共振法测试马铃薯测试装置。,.,3.超声波脉冲法测定,这种方法是给试样发射一个弹性波(脉冲)，这个波作用于物体后会对物体产生压缩或剪切作用，并在物体中传播。这种波可以分为两部分：压缩作用产生的波称为纵波；剪切作用产生的波称为横波。波的传播速度与物体的弹性模量E、质量密度有关。,.,.,关于动态测定的方法还很多，例如，打击振动法、电磁振动变换法、霍尔姆茨共振法等等。尤其是对于固体食品的无损品质鉴定，振动的方法成为一种重要的手段。,.,四、液态食品的流变性质及测定,食品分散体系：分散相、分散介质泡沫、乳胶体、溶胶、悬浮液液态食品分散体系的黏度液态食品流变性的测量流变仪操作指南,.,（）液态食品分散体系的黏度,一般分散体系溶液的黏度比分散介质的黏度大0：分散介质黏度：分散体系溶液的黏度,.,影响液态食品黏度的因素,A.温度B.分散相：浓度、黏度、形状C.分散介质D.乳化剂,.,.,在搅拌各种浆料之类的假塑性食品时，应采用大浆叶低转速的搅拌器。浆叶所在的区域的流体受力黏度迅速降低，但在浆叶以外的区域却因黏度较大而不能流动。,.,.,.,（）液态食品流变性质的测定,A.黏度的测定毛细管黏度计测液体在毛细管里的流动速度落球式黏度计圆球在液体中落下的速度转动式黏度计液体在同轴圆柱间对转动的阻碍圆筒旋转黏度计锥板式黏度计B.非牛顿流体的浓度系数和流动特性指数测定C.塑性流体的屈服应力测量,测定原理：一旋转，二拉升，三落穿。,.,.,.,.,.,.,.,.,奥氏黏度计：液柱与大球中液面高度有关，所以每次测定时液体的体积必须固定乌氏黏度计：不受此限制，当液体自A管的大球吸到B管时，C管关闭，然后打开C管，D球与大气相连，毛细管下端的液面下降，在毛细管内流下的液体，形成一个悬液柱，出毛细管时沿壁流下，液柱高度h与A管内液面的高度无关，仪器常数就不受A管液面的影响。,.,同轴圆筒旋转黏度计,一种外筒转，内筒不动；一种内筒转，外筒不动。以内筒浸入被测液体中，内筒以角速度转动。,.,锥板式黏度计,黏度计内各点的剪切速率是均匀的，这是它与圆筒型的主要区