第三章第三节课件

1、1第三章第三章 食品流变学食品流变学 2绪绪 论论一、什么是食品流变学一、什么是食品流变学 1. 是一门对食品品质进行评价的科学 感官评定：以人为主体，主观的评价方式 流变学：以仪器为主体，客观的评价方式2. 流变学研究的主要是食品的动觉（力学）性质3二二 . . 质构与流变的关系质构与流变的关系1. 1.定义定义质构：质构：不同种类的细胞或组织在食品中分布或组合 的方式; 人手或嘴触摸或咀嚼食品时的感觉流变学流变学：是力学的一个分支，是研究物质在力的作用 下变形或流动的科学4流变性质 小于或等于重力 感官指标 牛顿流体 非牛顿流体 大于重力 外观- 流动性 质感- 手感或口感 粘度 稠度 粘

2、弹性或弹性 质构 5 二二. . 研究的主要指标研究的主要指标流变学流变学：粘度粘度 （viscosity) ) 稠度稠度 ( (consistence) ) 弹性弹性 （elasticity) ) 粘弹性粘弹性 ( (viscoelasticity) )质构质构： 粘着性、硬度脆度、耐咀嚼性、粘弹性、拉伸强度粘着性、硬度脆度、耐咀嚼性、粘弹性、拉伸强度 6三三 . . 研究意义研究意义(1) (1) 可用于鉴别食品的原材料、中间产品，也可用于可用于鉴别食品的原材料、中间产品，也可用于控制生产过程，对提高食品质量、调节生产工艺控制生产过程，对提高食品质量、调节生产工艺过程等都有一定的作用。过程

3、等都有一定的作用。 (2)(2)用食品流变仪测定法来代替感官评定法，定量地用食品流变仪测定法来代替感官评定法，定量地评定食品的品质、鉴定和预测顾客对某种食品是评定食品的品质、鉴定和预测顾客对某种食品是否满意。否满意。(3) (3) 可以解释食品在加工过程中所发生的组织结构变可以解释食品在加工过程中所发生的组织结构变化。化。 (4)(4)流变学理论己经广泛应用于有关的工艺设计和设流变学理论己经广泛应用于有关的工艺设计和设备设计。备设计。7 四四.研究流变学的主要方法研究流变学的主要方法 数学法数学法：即根据实验测定的流变性质建立数学模型，再用此数学模型来描述流体流动规律。实验法（结构法）实验法（

4、结构法）：将测出的流变性质与物质的内在结构联系起来，结合结构分析，从结构上找出产生流变性质的内在因素。8 五五. . 发展历史发展历史1.始于20世纪世纪60年代初年代初流变学的测量方法， 70年代中期流变学测量开始在工业中得到广泛的应用。2.促进食品与流变学发展的一个重要因素是食品质构与流变性质的测量为评价食品的感官质量评价食品的感官质量提供了极为有效的手段，新的仪器和分析软件不断涌现。9六六. . 食品的流变学分类食品的流变学分类.液体（流体）食品液体（流体）食品：在力的作用下只产生流动10. .固体食品固体食品：在力的作用下只发生变形11. .塑性食品：塑性食品： 介于液体食品和固体食品

5、之间，在小应力作用下不产生流动而是象固体那样发生变形，在应力超过某一界限时才开始流动.124. 4. 粘弹性食品粘弹性食品 在力的作用下即产生流动又产生变形在力的作用下即产生流动又产生变形133.1 流体的流变学性质在相同力的作用下有不同的流动状态在相同力的作用下有不同的流动状态14流变的基本概念流变的基本概念 应力与矢量F方向相同，即亦与作用面成角F， 力，应力力，应力应力应力（ ）：就是作用于单位面积上的力。 理想固体： =F/A 非理想体系， =dF/dA 15一般研究时将应力分解成两个分量: n : 正应力,与截面垂直 t : 剪切应力,与截面平行 应力单位:dynes/cm2,国际单

6、位为“帕斯卡”，1.0帕斯卡= 1N/m2 = 10dynes/cm216流体受到外力时会产生与外力方向平行的流动，因此所受的应力就为剪切应力剪切应力应力作用下的变形就称为应变，记作应变，记作 在恒定力的作用下，流体产生的应变是流动，而随着流动的进行，流体的形状是不断变化的，因此流体的应变通常用单位时间的变形，即应变的时间导数来表示。17流动与剪切速率流动与剪切速率18剪切速率剪切速率：表征流体在剪切应力作用下的应变状况剪切速率的物理意义是指流动时流体内部在垂直于剪切速率的物理意义是指流动时流体内部在垂直于流动方向上的速度梯度。流动方向上的速度梯度。记作记作 单位为单位为粘度系数（粘度系数（）

7、，简称粘度粘度是剪切应力和剪切速率的比值粘度的大小表征流体流动时内部摩擦力，即粘滞阻力的大小。193.1.1 牛顿流体-理想流体 牛顿流体：流动状态方程符合牛顿定律的流体统称为牛顿流体。牛顿流体的特征是剪切应力与剪切速率的关系是直线，也就是说牛顿方程 中的是常数。20牛顿流体的流动特征剪切应力与剪切速率成正比；剪切应力与剪切速率成正比；粘度不随剪切速率的变化而变化。粘度不随剪切速率的变化而变化。 211.不可压缩性2.各向同性3.本身无结构4.没有弹性，受到剪切力作用时形成连续流动，外力撤去后变形不能恢复牛顿流体所应具有的性质：牛顿流体所应具有的性质：22 自然界中真正的牛顿流体是不存在的，然

8、而很多实际液体在剪切应力很宽的范围内表现出牛顿流体的性质，流变学家也就把这些流体归为牛顿流体。 最典型的牛顿流体是水。可归属于牛顿流体的食品有:糖水溶液、低浓度牛乳、油及其他透明稀溶液等。233.1.2 3.1.2 非牛顿流体非牛顿流体 剪切应力与剪切速率之间不满足剪切应力与剪切速率之间不满足 的关的关系，且流体的粘度不是常数，它随剪切速率的变化而系，且流体的粘度不是常数，它随剪切速率的变化而变化，这种流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的剪切变化，这种流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间的关系可表示应力与剪切速率之间的关系可表示: : 式中，式中，k k为粘性常数，又称浓度系数。

9、显然当为粘性常数，又称浓度系数。显然当n=1n=1时，上式就是牛顿流体公式。时，上式就是牛顿流体公式。 24n设 ，则非牛顿流体的流动状态方程可写成与牛顿流体相似的形式:n上式中a称为表观粘度，与不同的是:a与浓度系数k和流动指数n有关，且是剪切速率的函数。也就是a是非牛顿流体在某一特定剪切速率下的粘度。25非牛顿流体分类(a)(a)假塑性流体假塑性流体: :在在 中，当中，当O On n1 1时，即表观粘度随着时，即表观粘度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动，称为剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动，称为假塑性流动假塑性流动。因。因为随着剪切速率的增加，表观粘度减少，所以还称为剪切稀化

10、流为随着剪切速率的增加，表观粘度减少，所以还称为剪切稀化流动。符合假塑性流动规律的流体称为动。符合假塑性流动规律的流体称为假塑性流体假塑性流体。 假塑性流体最主要的特征是在假塑性流体最主要的特征是在较大的剪切速率范围内较大的剪切速率范围内，显示，显示剪切变稀的性质。剪切变稀的性质。 26为什么会有剪切稀化现象?n 有假塑性流动性质的液体食品，有假塑性流动性质的液体食品，大多含有高分子的胶体粒子，这些大多含有高分子的胶体粒子，这些粒子多由巨大的链状分子构成。在粒子多由巨大的链状分子构成。在静止或低流速时，它们互相勾挂缠静止或低流速时，它们互相勾挂缠结，粘度较大，显得粘稠。但当流结，粘度较大，显得

11、粘稠。但当流速增大时，也就是由于流层之间的速增大时，也就是由于流层之间的剪应力的作用，使比较散乱的链状剪应力的作用，使比较散乱的链状粒子滚动旋转而收缩成团，减少了粒子滚动旋转而收缩成团，减少了相互勾挂，这就出现了剪切稀化现相互勾挂，这就出现了剪切稀化现象。象。 27a.现在一般认为体系之所以呈现假塑性，是因为分分子定向排列子定向排列（在外力作用下，分子从无序到有序移动）以及聚集体解体聚集体解体的缘故。b:大分子构型的改变。 体系呈现假塑性的原因体系呈现假塑性的原因:聚集体的解聚聚集体的解聚颗粒的定向排列颗粒的定向排列28很多浓缩果汁、果酱都属于假塑性流体，一些高分子溶液也属于假塑性流体，比如多

12、糖溶液。对于这一类食品在加工时应注意其剪切变稀的流变性质。29(b)胀塑性流体 在非牛顿流体的流动状态方程中，如果在非牛顿流体的流动状态方程中，如果1n，则称为，则称为胀塑性流体胀塑性流体。它的表观粘度随剪切速率的增大而增大。它的表观粘度随剪切速率的增大而增大。 胀塑性流体最主要的特征是在胀塑性流体最主要的特征是在较大的剪切速率范围内较大的剪切速率范围内，显示，显示剪切变稠剪切变稠的性质。的性质。30为什么出现剪切变稠现象？为什么出现剪切变稠现象？剪切变稠往往发生在中等或较高的剪切速率下，剪切变稠往往发生在中等或较高的剪切速率下，通常是由悬浮粒子的聚结以及大分子的进一步缠绕通常是由悬浮粒子的聚

13、结以及大分子的进一步缠绕导致的。导致的。在高体积分数时，有可能在剪切力的作用下导致体在高体积分数时，有可能在剪切力的作用下导致体积膨胀。积膨胀。当受到较大剪切力作用时，粒子发生重排，当受到较大剪切力作用时，粒子发生重排，由紧密排列变成多孔性的疏松排列结构，连续相不由紧密排列变成多孔性的疏松排列结构，连续相不能再充满粒子间隙，粒子之间直接接触，相对运动能再充满粒子间隙，粒子之间直接接触，相对运动时阻力增大，时阻力增大，a增大。增大。31剪切作用剪切作用撤去外力撤去外力 静止时，紧密堆积，空隙小，连续相充满粒子周围；静止时，紧密堆积，空隙小，连续相充满粒子周围；在较小剪切力作用下，连续相仍然在粒子

14、周围，润滑粒子在较小剪切力作用下，连续相仍然在粒子周围，润滑粒子的相对运动，阻力小，的相对运动，阻力小，a小。小。 当受到较大剪切力作用时，粒子发生重排，由紧密排当受到较大剪切力作用时，粒子发生重排，由紧密排列变成多孔性的疏松排列结构，连续相不能再充满粒子间列变成多孔性的疏松排列结构，连续相不能再充满粒子间隙，粒子之间直接接触，相对运动时阻力增大，隙，粒子之间直接接触，相对运动时阻力增大，a大。大。32低剪切低剪切高剪切高剪切 粒子在强烈的剪切作用下结构粒子在强烈的剪切作用下结构排列疏松，外观体积增大，这种现排列疏松，外观体积增大，这种现象称之为胀容现象。象称之为胀容现象。胀容现象胀容现象33

15、胀塑性流体在食品中较少遇到。胀塑性流体在食品中较少遇到。 只只有很少一部分溶液和悬浮液在一定有很少一部分溶液和悬浮液在一定的浓度范围内表现为胀塑性流体。的浓度范围内表现为胀塑性流体。最具代表性的胀塑性流体是蜂蜜。最具代表性的胀塑性流体是蜂蜜。34非牛顿流体非牛顿流体s sh hgh h剪切变稀剪切变稠353.1.3 塑性流体塑性流体n当作用在物质上的剪切应力大于极限值时，物质开始流动，否则，当作用在物质上的剪切应力大于极限值时，物质开始流动，否则，物质就保持即时形状并停止流动。物质就保持即时形状并停止流动。n剪应力的极限值定义为屈服应力，所谓剪应力的极限值定义为屈服应力，所谓屈服应力屈服应力是

16、指使物体发生是指使物体发生流动的最小应力，用流动的最小应力，用0表示。表示。n塑性流体的流动状态方程为塑性流体的流动状态方程为: 式中，式中， 塑性流体的稳定性系数塑性流体的稳定性系数; n流动特性指数流动特性指数;少。少。 0屈服应力。屈服应力。36n塑性流体的流动特性曲线不通过坐标原点。塑性流体的流动特性曲线不通过坐标原点。n对于塑性流动来说，当应力超过对于塑性流动来说，当应力超过0时，流动特性符合时，流动特性符合牛顿流动规律的，称为牛顿流动规律的，称为宾汉流动宾汉流动，不符合牛顿流动规，不符合牛顿流动规律的流动称为非宾汉塑性流动。把具有上述流动特性律的流动称为非宾汉塑性流动。把具有上述流

17、动特性的液体分别称为的液体分别称为宾汉流体或非宾汉流体宾汉流体或非宾汉流体。373.1.4 触变性流体触变性流体 n触变性触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时粘性减少，是指当液体在振动、搅拌、摇动时粘性减少，流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的现象。现象。n这类体系的特征是这类体系的特征是：当剪切速率一定时，随时间的推：当剪切速率一定时，随时间的推移，应力和表观粘度移，应力和表观粘度a都随之下降。都随之下降。38t触变体系的流变特性曲线触变体系的流变特性曲线一定 静止时，不对称粒静止时，不对称粒子通过粘附力（或次级子通过粘附力（或次级键）

18、形成一个网状结构键）形成一个网状结构（或聚集体），随剪切（或聚集体），随剪切的延续（时间的推移），的延续（时间的推移），粘附力（次级键）逐渐粘附力（次级键）逐渐被打破，故而被打破，故而a逐渐变逐渐变小。小。39t3213 一开始结构破坏很快，一开始结构破坏很快，而随时间的变化有一部分而随时间的变化有一部分键较为牢固难以打破，且键较为牢固难以打破，且剪切力越大，未被打破的剪切力越大，未被打破的键就越少，键就越少， 反映为反映为t越大，越大，则平衡时的则平衡时的a就越小。就越小。 a2140触变体系与假塑性流体有些类似触变体系与假塑性流体有些类似体系体系变化趋势变化趋势可逆与否可逆与否变化情况变化

19、情况触变体系触变体系 剪切变稀剪切变稀 可逆可逆撤去外力后撤去外力后恢复很慢恢复很慢假塑性体系假塑性体系撤去外力后撤去外力后恢复很快恢复很快41 粘性是液态食品最基本的特征，在研究液态食品的粘度时，为了方便，规定了一些不同定义的粘度。 （1）相对粘度 在一般情况下，分散体系溶液的粘度比分散介质的粘度大。设0表示分散体系介质的粘度，表示溶液的粘度(表观粘度)，则 r称为相对粘度。3.2 剪切粘度影响因素剪切粘度影响因素3.2.1 液态食品分散体系的粘度表示方法液态食品分散体系的粘度表示方法 42（2）、比粘度s 在同一温度下，一般来说 0 ，相对于溶剂来说，体系粘度增加的分数称为比粘度。 （3）

20、、换算粘度d 换算粘度表示单位浓度的的液中粘度的增加比例。 有时用相对粘度的对数与浓度的比来表示换算粘度，即43（4）特性粘度 换算粘度表示在一定浓度的分散相中由子很多分散粒子的相互作用而增加的粘度对每个粒子进行平均分配的结果。如果忽略粒子间的相互作用，可用如下极限粘度来表示，即基本反应了溶质分子和溶剂分子的内摩擦。443.2.2 影响液态食品粘度的因素影响液态食品粘度的因素 (1)温度的影响温度的影响:在一般情况下，温度每上升在一般情况下，温度每上升 1，粘度，粘度减小减小 5%-l0%。粘度和温度的关系可以用。粘度和温度的关系可以用 Andrade方程表示方程表示: 式中，式中，T热力学温

21、度；热力学温度； A常数；常数； BH 与与 R 的比值；的比值； H表面激发能；表面激发能； R气体常数。气体常数。 45 下图表示一种高粘度牛顿液体的粘度一温度关系的实测例。对于非牛顿液体，粘度和转速有关。所以，测定各种转速下的粘度一温度关系，就会得到倾角不同的平行线。46 (2)分散相的影响分散相的影响:分散相的影响因素有分散相的浓度、粘度及形状。 (a)分散相的浓度:分散相为球形固体粒子的液体，影响其粘度的是分散相的体积分数。爱因斯坦根据流体动力学方法，推导出如下公式: 式中，分散相的体积分数； 常数。 当分散相为理想的刚体球，且粒子间没有相互作用时，取值为2.5。即当a=2.5时，

22、上式 称为爱因斯坦公式。 爱因斯坦公式是理想状态的理论公式。当粒子表面存在水化层或分散介质吸附层、粒子变形、粒子有粘性时，该公式则不适用。但对很稀的悬浮液也可以近似地应用此式。47 对于具有一定浓度的液体，也就是说，当分散相粒子浓度较高，粒子之间的碰撞、凝聚、聚合有可能使有效体积分数发生变化时，布莱克曼推导出了一般化粘度公式: 当把括号内的项展开成级数时，上式变为： 是带有附加浓度修正项的爱因斯坦方程式。悬浊液浓度和表观粘度曲线的形状，在较低浓度时接近于一条直线，但随着浓度的增加而不断上升，这与实验所得的结果是一致的。48 (b)分散相粘度:当分散相为液体时，剪切力会使球状的分散相粒子发生旋转

23、，因而会引起内部的流动。这种流动的程度与分散相的粘度有关。假设分散相的粘度为，Taylor 推出了如下流体动力学公式: (c)分散相的形状:对于粒子形状的影响，有人推导出了含形状因子的公式: 式中，F形状因子; 1浓度，单位体积微粒质量(kg/m3); 2微粒密度(kg/m3)。当微粒为球状时，相当子流体具有对称的阻力，因此 F=1。n当微粒为一根细小纤维时，在流场中将会沿流线排列，从而具有最小阻力。显然，这时微粒的存在所引起的干扰被限制在它自身的容积中，爱因斯坦公式的比例常数 a=1。其他形状微粒的场合应在这两种极端情况范围之间。所以 F=0.41。 49 (3)分散介质的影响分散介质的影响

24、:无论是从爱因斯坦公式分析，还是从实际液体考虑，对乳浊液粘度影响最大的当然是分散介质本身的粘度。与分散介质本身粘度有关的影响因素主要是其本身的流变性质化学组成、极性、pH以及电解质浓度等。 (4)乳化剂的影响乳化剂的影响:乳化剂对乳浊液粘度的影响，主要有以下几方面: 化学成分，它影响到粒子间的位能; 乳化剂浓度及其对分散粒子分散程度（溶解度)的影响。它还影响到乳浊液的状态; 粒子吸附乳化剂形成的膜厚及其对粒子流变性 质、粒子间流动的影响; 改变粒子电荷性质引起的黔度效果; 稳定剂的影响。 50 3.3 液态食品的流变性质测定液态食品的流变性质测定 对液态食品来说无论是改善食用品质还是提高加工性

25、能，最重要的流变特性还是粘度。因此，粘度测量是研究液态食品物性的重要手段。做粘度测量时，一定要针对测定目的和被测对象的性质正确选择测定仪器。常见的测定方法有:毛细管测定法、圆筒旋转式测定法和锥板旋转式测定法、落球式测定法、平行板测定法等。51 3.3.1 毛细管粘度计毛细管粘度计 (1)测量原理: 根据圆管内液体作层流流动建立的。 模型特征：特性处于恒稳流动状态，即体系中任何一点位置上的流动速度（大小和方向）不随时间改变。 52 (2)常见毛细管粘度计结构及使用方法:毛细管粘度计种类很多，一般可以分为三大类: 定速流动式(活塞式)，测定时，可使液体以恒定流速通过毛细管。适于测定粘度随流动速度变

26、化的非牛顿流体； 定压流动式，通常以恒定气压控制毛细管中压力维持不变，如枪式流变仪。适于测定具有触变性或具有屈服应力的流体； 位差式，流动压力靠液体自重产生。这也是最常见的毛细管粘度计类型。它多用来测定较低粘度的液体。53 （a）奥氏粘度计）奥氏粘度计：如图所示。粘度计由：如图所示。粘度计由导导管、毛细管和球泡管、毛细管和球泡组成。毛细管的孔径和组成。毛细管的孔径和长度有一定的规格和精度要求。球泡两端长度有一定的规格和精度要求。球泡两端导管上都有刻线导管上都有刻线(如如M1、M2等等)，刻线之间，刻线之间导管和球泡的容积也有一定规格和较高精导管和球泡的容积也有一定规格和较高精度要求。测定时，先

27、把一定量度要求。测定时，先把一定量(一定体积一定体积)的液体注入左边管，然后，将乳胶管套在的液体注入左边管，然后，将乳胶管套在右边导管的上部开口，把注入的液体抽吸右边导管的上部开口，把注入的液体抽吸到右管，直到上液面超过刻线到右管，直到上液面超过刻线M1。这时，。这时，使粘度计垂直竖立，去掉上部胶管，使液使粘度计垂直竖立，去掉上部胶管，使液体在自重下向左管回流。测定液面通过体在自重下向左管回流。测定液面通过M1至至M2之间所需的时间，即一定量液体通过之间所需的时间，即一定量液体通过毛细管的时间。往往需要测定多次，取平毛细管的时间。往往需要测定多次，取平均值。通过对标准液和试样液通过时间的均值。

28、通过对标准液和试样液通过时间的测定，就可求出液体粘度。测定，就可求出液体粘度。 54 (b)乌式粘度计乌式粘度计:乌式粘度计由三根竖管组成，其乌式粘度计由三根竖管组成，其中右边的第三根管与中间球泡管的下部旁通。即中右边的第三根管与中间球泡管的下部旁通。即在球泡管下部有一个小球泡与右管连通。这一结在球泡管下部有一个小球泡与右管连通。这一结构可以在测量时，使流经毛细管的液体形成一个构可以在测量时，使流经毛细管的液体形成一个气悬液柱，也就是减少了因左边导管液面升高对气悬液柱，也就是减少了因左边导管液面升高对毛细管中液流压力差带来的影响。毛细管中液流压力差带来的影响。 测定方法是测定方法是:首先向左管

29、注入液体，然后堵住右首先向左管注入液体，然后堵住右 管，由中间管吸上液体，直至充满上面的球泡。管，由中间管吸上液体，直至充满上面的球泡。这时，同时打开中间管和右管，使液体自由流下。这时，同时打开中间管和右管，使液体自由流下。测定液面由测定液面由M1到到M2的时间。粘度值求法与奥氏的时间。粘度值求法与奥氏粘度计相同。粘度计相同。 乌式粘度计与奥氏粘度计相比有如下优点乌式粘度计与奥氏粘度计相比有如下优点:奥氏奥氏粘度计在液体流动时，由于左管液面上升对液柱粘度计在液体流动时，由于左管液面上升对液柱的压力差有较大影响，因此不仅误差大，而且还的压力差有较大影响，因此不仅误差大，而且还要求每次加入的液量要

30、准确、一定。相比之下，要求每次加入的液量要准确、一定。相比之下，乌式粘度计对加入液量精度的要求略低一些。乌式粘度计对加入液量精度的要求略低一些。 553.3.2 圆筒旋转粘度计圆筒旋转粘度计 (1)测量原理:设半径为Rb(Ri)和Rc(R0)的两圆筒同心套叠在一起(如图3-27所示)外筒固定，内筒的旋转角速度为b(i)，内筒在液体中的高度为h，内外筒底之间的距离为l,则液体的粘度可能下面的的马占列式方程计算: 式中，M 作用于内筒的力矩。56 (2)圆筒粘度计的基本构造及粘度测量:圆筒粘度计一般由三个主要部分组成: 测量系统; 转矩测量机构; 驱动机构。 旋转粘度计的结构和原理如图所示。图中M

31、为同步电动机，B为转筒，C为外筒，P为指针，S为弹簧，T为传感器。57 4 固态与半固态食品的流变特性固态与半固态食品的流变特性 4 .1固态与半固态食品的流变学基础固态与半固态食品的流变学基础 食品中有许多东西属于固体和半固体。当给它们施食品中有许多东西属于固体和半固体。当给它们施以作用力时，会发生相应的变形，去掉作用力后，又会以作用力时，会发生相应的变形，去掉作用力后，又会发生弹性恢复。实际的物质，尤其是食品物质，往往即发生弹性恢复。实际的物质，尤其是食品物质，往往即表现弹性的性质，又表现粘性的性质。即它们的力学性表现弹性的性质，又表现粘性的性质。即它们的力学性质不像完全弹性体那样仅用力与

32、变形的关系来表示，还质不像完全弹性体那样仅用力与变形的关系来表示，还与力的作用时间有关。与力的作用时间有关。 食品的力学性质由化学组成，分子构造，分子内结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。此，通过测定食品的粘弹性就可以把握以上食品的状态。 58变形 一般固体施以作用力，则产生变形；去掉力后，又会产生弹性恢复。把使之恢复的力称为内应力。 如果去掉外力，内应力也消失，这种性质也称为弹性。 研究物体的变形以及粘弹性时，经常用应力与应变关系曲线来分

33、析。59n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点。n塑性：物质产生永久变形的能力。n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，生物物质的破断，包括壳和表皮的破裂、整体脆裂、表面产生断裂裂缝等。601 食品的变形食品的变形OLOL为直线段，为直线段，L L称弹性极限点称弹性极限点 力与变形成正比，比例系数称力与变形成正比，比例系数称弹性弹性模量模量。Y Y为为屈服点屈服点，达到屈服点时，达到屈服点时，食品材料开始屈服并产生流动，食品材料开始屈服并产生流动， 发生屈服时所对应的应力称为发生屈服时所对应的应力称为屈服应力屈服应力。 超过屈服点后增加应变

34、时应力超过屈服点后增加应变时应力并不明显增加，这个阶段称为并不明显增加，这个阶段称为塑性塑性变形变形。继续增加应变，应力也随之。继续增加应变，应力也随之增加，达到增加，达到R R点时，试样发生大规点时，试样发生大规模破坏，模破坏，R R点称为点称为断裂点断裂点，它所对，它所对应的应力称为应的应力称为断裂极限断裂极限 。61 食品的断裂形式食品的断裂形式 (1)(1)脆性断裂脆性断裂: :屈服点与断裂点一致。图中屈服点与断裂点一致。图中断裂点的应力断裂点的应力RR(R)(R)，断裂应变为，断裂应变为RR可用下面断裂所需要的能量（断裂能）可用下面断裂所需要的能量（断裂能）WnWn表示为：表示为：

35、式中，式中，CC换算系数换算系数 A A面积面积62 (2)(2)塑性断裂塑性断裂: :试样经过塑性试样经过塑性变形后断裂。食品中这种断变形后断裂。食品中这种断裂也很多，如面包、面条、裂也很多，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。有些米饭、水果、蔬菜等。有些糖果，当缓慢拉伸时产生塑糖果，当缓慢拉伸时产生塑性断裂，急速拉伸时产生脆性断裂，急速拉伸时产生脆性断裂。性断裂。 632 食品的弹性食品的弹性n物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状态的性质称为态的性质称为弹性弹性。n撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为

36、完全弹性完全弹性。n形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态，形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态，这种限度称为这种限度称为弹性极限弹性极限。n虎克定律：虎克定律：在弹性极限范围内，外力在弹性极限范围内，外力F F和变形量和变形量d d之间之间成正比关系，即成正比关系，即 F Fkdkd （k k为弹性系数）为弹性系数） 644 4个实用弹性系数个实用弹性系数 (1)(1)弹性模量弹性模量( (杨氏模量杨氏模量) ) n设当沿着横截面为设当沿着横截面为A A、长度为、长度为L L的均匀弹的均匀弹性棒的轴线方向施加力性棒的轴线方向施加力F F时，棒伸长了时，棒伸长了d,d,则单位面积

37、的作用力则单位面积的作用力nn为为nnF/AF/A 式中，式中，nn拉伸应力（拉伸应力（N/mN/m2 2) )。n单位长度的伸长量单位长度的伸长量nn为为: :nnd/Ld/L， nn拉伸应变。拉伸应变。n在弹性限度范围内，应力和应变之间符在弹性限度范围内，应力和应变之间符合虎克定律，即合虎克定律，即 nnEnEn E E称弹性模量称弹性模量( (杨氏模量杨氏模量) )，单位是，单位是N/mN/m2 2 。65(2)(2)剪切模量剪切模量 如图固定立方体的底面，上面沿切线方向施加力如图固定立方体的底面，上面沿切线方向施加力F F时，时，发生这种变形称发生这种变形称剪切变形剪切变形。 设立方体

38、的上面移动距离为设立方体的上面移动距离为d d，与它对应的角度高度为，与它对应的角度高度为H,H,则上面单位面积上的作用力则上面单位面积上的作用力为为 F/AF/A 称为剪切应力称为剪切应力。 相应的形变相应的形变为为d/Hd/Htan=tan= 称为剪切应变。称为剪切应变。 由虎克定律可得由虎克定律可得GGGG G G称为剪切模量，单位是称为剪切模量，单位是N/mN/m2 2。 66(3)(3)体积模量体积模量 n设体积为设体积为V V的物体表面所受的静水压为的物体表面所受的静水压为p,p,当压力由当压力由p p增大到增大到p+p+p p时，物体体积减少了时，物体体积减少了V V。则体积应变

39、。则体积应变VV为为n假设压力的变化假设压力的变化p p和体积应变和体积应变VV之间符合虎克定律，则之间符合虎克定律，则n式中，式中，K K为体积模量，它是材料的固有性质，单位是为体积模量，它是材料的固有性质，单位是N/m N/m 2 2。67(4)(4)泊松比泊松比 n把棒状试样沿轴线方向拉伸时，除了在轴方向发生拉把棒状试样沿轴线方向拉伸时，除了在轴方向发生拉伸应变伸应变nn外，横方向也产生压缩应变外，横方向也产生压缩应变ee。且有下列。且有下列关系关系 ee nn n比例系数比例系数是物质的固有常数，称是物质的固有常数，称泊松比泊松比。它是无量。它是无量纲的量。纲的量。n在拉伸或压缩面团、

40、凝胶等食品的过程中，物体的体在拉伸或压缩面团、凝胶等食品的过程中，物体的体积不发生变化，则泊松比等于积不发生变化，则泊松比等于0.50.5；海绵状食品（如面；海绵状食品（如面包包) )，在压缩的垂直方向没有明显的变形，则，在压缩的垂直方向没有明显的变形，则=0=0；土；土豆的泊松比为豆的泊松比为0.490.49，苹果的泊松比为，苹果的泊松比为0.370.37。 68各弹性模量及泊松比之间的关系各弹性模量及泊松比之间的关系 在虎克固体的条件下在虎克固体的条件下, ,由于物质具有各向同性由于物质具有各向同性, , 以上三个弹以上三个弹性模量性模量(E,K,G)(E,K,G)以及泊松比以及泊松比()

41、()之间存在着互换关系之间存在着互换关系, ,如果知道其如果知道其中两个中两个, ,其他两个就可以按关系式计算出来。其他两个就可以按关系式计算出来。694.2 力学模型力学模型4.2.1 食品的粘弹性食品的粘弹性 (1)粘弹性:许多食品往往既表现弹性性质，又表现粘性性质。 例如，把圆柱形面团的一端固定，另一端用定载荷拉伸。此时面团如粘稠液体慢慢流动。当去掉载荷时，被拉伸的面团收缩一部分(这种现象称回弹现象，是弹性表现)，但面团不能完全恢复原来长度，有永久变形，这是粘性流动表现，即面团同时表现出类似液体的粘性和类似固体的弹性。 我们把这种既有弹性又可以流动的现象称为粘弹性，具有粘弹性的物质称为粘

42、弹性体(或半固态物质)。70 粘弹性体的力学性质不像完全弹性体那样仅用力与变形的关系来表示，还与力的作用时间有关。所以，研究粘弹性体的力学物性时，掌握力与变形随时间变化的规律是非常重要的。研究粘弹性时要用到应力松弛和蠕变两个重要概念。 （2） 应力松弛:所谓应力松弛是指试样瞬时变形后，在变形(应变)不变情况下，试样内部的应力随时间的延长而减少的过程。值得注意的是，应力松弛是以一定大小的应变为条件的。 （3）蠕变:蠕变和应力松弛相反。蠕变是指把一定大小的力(应力)施加于粘弹性体时，物体的变形(应变)随时间的变化而逐渐增加的现象。要注意，蠕变是以一定大小的应力为条件的。 714.2.2粘弹性的力学

43、模型粘弹性的力学模型 1 单要素模型单要素模型 (1)虎克模型在研究粘弹性体时，其弹性部分往往用一个代表弹性体的模型表示。虎克模型便是用一根理想的弹簧表示弹性的模型，因此也称“弹簧体模型”或“虎克体”。虎克模型代表完全弹性体的力学表现，即加上载荷的瞬间同时发生相应的变形，变形大小与受力的大小成正比。72 (2)阻尼模型：流变学中把物体粘性性质用一个阻尼体模型表示，因此称为“阻尼模型”或“阻尼体”。阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时阻尼模型立即停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。阻尼模型既可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质。 (3)滑块模型：滑块模型虽不能独立地用来表示某种

44、流变性质，但常与其他流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质。7374 2 麦克斯韦模型麦克斯韦模型 麦克斯韦模型是由一个弹簧和一个粘壶串联组成的，当模型一端受力而被拉伸一定长度时，由于弹簧可在刹那间变形，而粘壶由于粘性作用来不及移动，弹簧首先被拉开，然后在弹簧恢复力作用下，粘壶粘性起作用，随时间的增加而逐渐被拉开，弹簧受到的拉力也逐渐减小，直到零。这就类似于应力松弛过程。7576n应力松弛：黏弹体受力变形时，存在恢复变形的弹性应力。但由于内部粒子也具有流动的性质，当在内部应力作用下，各部分流到平衡位置，产生永久变形时，内部的应力也就消失。这一现象称为应力松弛。n应力完全消失的时间非常长

45、。为了表示应力松弛的快慢，定义M为应力松弛时间。n米饭、鸡肉实验77 3 伏格特伏格特-开尔芬模型开尔芬模型 n黏弹体的流变特征之一，就是在一定的作用力下会产生蠕变现象，研究蠕变最简单的模型就是开尔芬模型。n模型是由一个弹簧和一个粘壶并联组成，当模型上作用恒定外力时，由子粘壶作用，弹簧不能被立即拉开，而是缓慢发生形变。去掉外力后，在弹簧回复力的作用下，又可慢慢恢复原状，无剩余变形，故类似于蠕变过程。 n在这个模型中，作用于模型上的应力是由弹簧和粘壶共同承担的，而弹簧和粘壶的形变是相同的，并且与模型的总形变一致。78n当施加一个恒定作用力当施加一个恒定作用力0 时，由于粘性阻滞的作用，虎克体只能

46、逐渐时，由于粘性阻滞的作用，虎克体只能逐渐变形，直到变形，直到t = 时，虎克体才能伸长到与作用力平衡的位置。时，虎克体才能伸长到与作用力平衡的位置。n当变形到一定程度后，在某时刻当变形到一定程度后，在某时刻t1突然除去作用力，虎克体同样不能立突然除去作用力，虎克体同样不能立刻恢复到无应力的状态，也要滞后很长时间，称这种现象为刻恢复到无应力的状态，也要滞后很长时间，称这种现象为弹性滞后弹性滞后。理论上，弹性恢复需要很长时间。理论上，弹性恢复需要很长时间。79 可以推导出，释放应力后该模型的形变随时间的变化规律为： t 1解除应力的时刻 ； 1解除应力时的最大形变。80 4 多要素模型多要素模型

47、 麦克斯韦模型和开尔芬模型虽然可以代表粘弹性体的某些流变规律。但这两个模型与实际的粘弹性体还有一定的差距。 如麦克斯韦模型不能说明弹性滞后和残余应力，开尔芬模型缺乏黏弹体实际存在的应力松弛，为了更确切地用模型表述实际粘弹性体的力学性质，就需要用更多的原件组成所谓的多要素模型。四要素模型就是最基本的多要素模型。 81(1)四要素模型: 四要素模型有许多等效表现形式，如图所示。在研究不同的流变现象时，为了解析方便，可以选用不同的等效模型。 82 四要素模型的应力松弛过程解析四要素模型的应力松弛过程解析 n由图所示的四要素模型等效，因此可选用图(b)所示的模型分析应力松弛情况。n这一模型是由2个麦克

48、斯韦模型并联而成。总应力等于2个麦克斯韦模型应力之和。n设这2个麦克斯韦模型各元件的粘弹性参数分别为 1、E1、2、E2，n 两个模型的应力松弛时间分别为1=1/E1，2=2/E2，在恒定应变0情况下，应力松弛公式为E11E22图图4-11四要素模型的应力松弛曲线见书四要素模型的应力松弛曲线见书P77图图4-12(a)83 当施加载荷当施加载荷时，立刻发生时，立刻发生/ E/ E1 1应变，然后的形变由应变，然后的形变由1 1阻尼阻尼体在速度体在速度/ / 1 1下的运动与开尔芬模型弹性滞后运动的叠加。下的运动与开尔芬模型弹性滞后运动的叠加。n / E2n / E1 / 1蠕变蠕变蠕变恢复蠕变

49、恢复/ E1（t）tt1当当t= ，开尔芬，开尔芬模型变形停止，模型变形停止，曲线逐渐平行于曲线逐渐平行于1阻尼体的变阻尼体的变形曲线形曲线 当在时刻当在时刻t1t1去掉载荷，模型将发生蠕变恢复，去掉载荷，模型将发生蠕变恢复， E1E1的虎克体瞬时恢复到原长，开的虎克体瞬时恢复到原长，开尔芬模型在尔芬模型在t= t= 后完全恢复，而阻尼体的变形无法恢复，整个模型将产生残余形变后完全恢复，而阻尼体的变形无法恢复，整个模型将产生残余形变，大小为，大小为 t1 / / 1 1。四要素模型的蠕变过程解析四要素模型的蠕变过程解析图4-11（a）E1E22184四要素模型的蠕变过程解析四要素模型的蠕变过程

50、解析 (2)三要素模型: 三要素模型可看作是四要素模型的一个特例。例如，当粘弹性体存在着不能完全松弛的残余应力，就可以认为图 (a)所示的四要素模型中2,即2的阻尼体成了不能流动的刚性连接。这时的模型可简化为下图所示的三要素模型。因为2，2，应力松弛式变为：85 当粘弹性体存在不完全松弛的残余应力，我们可以当粘弹性体存在不完全松弛的残余应力，我们可以把模型把模型1 1中中2 2 = = ，即，即2 2 成为不能流动的刚性连接，此成为不能流动的刚性连接，此时模型时模型1 1可简化成模型可简化成模型2 212 2 2 = , = , 2 2 = , = , 此时应力松弛式应为：此时应力松弛式应为：

51、= = 0 0 E E1 1e e-t/ 1-t/ 1+ + 0 0 E E2 2当当t= t= ， 存在残余应力。存在残余应力。t0 E10 E20= 0 E1e-t/ 1+ 0 E286三要素模型n在这里假设在这里假设 1 1= = ，则模型，则模型1 1可用模型可用模型2 2代替，代替，此时的蠕边公式为：此时的蠕边公式为：n(t)= / E(t)= / E1 1 + / E + / E2 2（1- 1- -t/ M-t/ M ）蠕变蠕变恢复 / E2 / E11287 5. 广义模型：以上几种模型，都是最简单的模型，实际的粘弹性食品中每一条高分子链的长短不一，所处的环境与起始构想也不同，链段的实际长度也有变化。所以，在力学松弛过程中，蠕变和应力松弛时间远不止是一个值，而是分布很宽的连续谱，即时间谱，因此，需把很多麦克斯韦和开尔芬模型进行并联或串联，并把由此产生的效应叠加。P80-8588 4.4基本力学实验 4.4.1常见静态流变测定方法n（1）双重剪切测定FAAh应力（应力（Pa）：）： = F/2 A速率（速率（S-1）： =/h黏度（黏度（ Pa S） =