食品物性学--食品力学性质课件

第二章第二章 食品的力学基础食品的力学基础 食品的力学性质是食品物性中最主要的食品的力学性质是食品物性中最主要的性质。性质。食品物质的胶黏性食品物质的胶黏性 食品流变学食品流变学 1 一般的食品不仅含有固体，而且还有水、空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。气的存在，属于非均质分散系统。所谓分散系统所谓分散系统，是指数是指数 m以下，数以下，数nm以上的微以上的微粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊粒子，在气体、液体或固体中浮游悬浊(即分散即分散)的的系统。系统。分散系统组成：分散系统组成：分散相分散相 ，连续相，连续相 （也称分散介（也称分散介质）质）第一节第一节 食品物质的胶黏性食品物质的胶黏性 一、食品物性构成体系一、食品物性构成体系2食品物质物性具有非对称。食品物质物性具有非对称。物性值物性值=F(F(分散相物质，连分散相物质，连续相物质，续相物质，O/WO/W，W/O W/O型型)如：如：生奶油生奶油-黄油黄油 面包面包-面粉面粉 因此，在研因此，在研究食品物性时，究食品物性时，要注意到食品物要注意到食品物质的分散系性质。质的分散系性质。3二、胶体二、胶体 胶体系统是一种多相分散系统，亦称非均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，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：胶体系统可划分为三类：胶体粒子的大小和胶体特征胶体粒子的大小和胶体特征 类类 型型 高高 分分 子子 溶溶 液液胶胶 体体 溶溶 液液悬悬 浊浊 液液粒子大小粒子大小 1nm1100nm约约200 nm观察手段观察手段 电子显微镜可知电子显微镜可知其存在其存在 电子显微镜可观其电子显微镜可观其形，超显微镜可知其形，超显微镜可知其存在存在 光学显微镜光学显微镜可观其形可观其形渗透性渗透性可通过半透膜可通过半透膜 可透过滤纸，但不可透过滤纸，但不能透过半透膜能透过半透膜不能透过滤纸不能透过滤纸透光性透光性 透明，不显示廷透明，不显示廷德尔现象德尔现象显示廷德尔现象显示廷德尔现象很混浊很混浊表述物质状态表述物质状态4三、食品胶体系统三、食品胶体系统 食品胶体系统的分类食品胶体系统的分类 连续相连续相 分散相分散相 类别名称类别名称 食食 品品 举举 例例 气气体体液体液体气溶胶气溶胶弥漫香气的雾弥漫香气的雾固体固体粉粉 末末淀粉、小麦粉、砂糖、脱脂奶粉等淀粉、小麦粉、砂糖、脱脂奶粉等液液体体气体气体泡泡 沫沫掼奶油、软冰淇淋、啤酒沫等掼奶油、软冰淇淋、啤酒沫等液体液体乳胶体乳胶体牛奶、生奶油、黄油、卵黄、蛋黄酱等牛奶、生奶油、黄油、卵黄、蛋黄酱等固体固体悬胶体悬胶体果汁、汤汁果汁、汤汁溶溶 胶胶调味汁、肉汤、淀粉糊调味汁、肉汤、淀粉糊凝凝 胶胶果冻、凉粉、鸡蛋羹、豆腐果冻、凉粉、鸡蛋羹、豆腐固固体体 气体气体固体泡固体泡面包、馒头、蛋糕、饼干面包、馒头、蛋糕、饼干液体液体固体凝胶固体凝胶果冻、熟米饭粒果冻、熟米饭粒5(一一)气体为连续相的胶体气体为连续相的胶体 v 气溶胶气溶胶 液体分散于气体介质中液体分散于气体介质中 v 粉末粉末 固体颗粒分散于气体介质中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。沉积在一起的集合状态两种。粉末常有如下一些物理量：粉末常有如下一些物理量：1.1.外观比容外观比容：表示单位质量粉末所充填的体积。：表示单位质量粉末所充填的体积。2.2.外观密度外观密度：是指包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。：是指包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。3.3.孔隙率孔隙率：一定体积的粉末中，孔隙所占体积的比率。：一定体积的粉末中，孔隙所占体积的比率。孔隙率孔隙率V V0 0/V=(V-V/V=(V-V1 1)/V)/V 式中：式中：V V为粉末体积，为粉末体积，V V0 0为孔隙所占部分体积，为为孔隙所占部分体积，为V V1 1 为粉末本身所占体积为粉末本身所占体积 6(二)液体为连续相的胶体液体为连续相的胶体 1.气泡气泡 气泡是在液体中分散有许多气体的分散系统。气泡是在液体中分散有许多气体的分散系统。名称：名称：气泡溶胶气泡溶胶 ，泡沫，泡沫 。2.2.乳胶体乳胶体 乳胶体一般是指两种互不相溶的液体，其中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。一方为微小的液滴分散在另一方液体中的胶体。乳胶体一般由乳胶体一般由水、油和乳化剂水、油和乳化剂构成。构成。乳胶体分为：水包油型（乳胶体分为：水包油型（O/WO/W型）和油包水型型）和油包水型 （W/O W/O 型）。型）。有两相乳胶体和多相乳胶体（有两相乳胶体和多相乳胶体（W/O/WW/O/W型或型或O/W/OO/W/O型型 ）。生奶油、蛋黄酱生奶油、蛋黄酱黄油、人造奶油黄油、人造奶油7 两相之间相互转化概念图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。两相之间是可以相互转化，但食品物性截然不同。8 多相乳胶体概念图多相乳胶体概念图9 乳胶体连续相是水还是油，这对它的物性乳胶体连续相是水还是油，这对它的物性往往起决定作用。往往起决定作用。判断乳胶体类型的方法主要如下：判断乳胶体类型的方法主要如下：稀释法稀释法：导电法：导电法：色素染色法色素染色法：10 3.溶胶和凝胶溶胶和凝胶(1)溶胶溶胶：对于可流动的胶体溶液，称之为溶胶。对于可流动的胶体溶液，称之为溶胶。食食品品中中一一般般胶胶体体粒粒子子的的分分散散介介质质是是水水，所所以以把把分分散散介介质质(连连续续相相)是是水水的的胶胶体体称称为为亲亲水水性性胶胶体体，这这样样的的溶溶胶胶称称为水溶胶。为水溶胶。(2)(2)凝胶凝胶：在分散介质中的胶体粒子或高分子溶质，形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。液体介质而固化的状态称为凝胶。果冻、豆腐、果冻、豆腐、鸡蛋羹鸡蛋羹大部分食品大部分食品的主要形态。的主要形态。11（3）凝胶的分类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：下分类：1)1)按按力力学学性性质质可可以以把把凝凝胶胶分分为为：柔柔韧韧性性凝凝胶胶具具有有一一定定柔柔韧韧性性的的凝凝胶胶，如如面面团团、糯糯米米团团；脆脆性性凝凝胶胶受受力在较小的变形时便破坏的凝胶。力在较小的变形时便破坏的凝胶。2)2)按按透透光光性性质质可可把把凝凝胶胶分分为为透透明明凝凝胶胶(果果冻冻)和和不不透透明明凝凝胶胶(鸡蛋羹鸡蛋羹)。凝胶食品多以多糖类、蛋白类为凝胶凝胶食品多以多糖类、蛋白类为凝胶形成的主体形成的主体12 3)3)按保水性也可将凝胶分类。凝胶一般虽然都是亲水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，性胶体，但有些保水性差，放置时水分将会游离出来，称为称为易离水凝胶易离水凝胶。相反。相反为难离水凝胶为难离水凝胶。豆腐豆腐放置时水就会不断流出，而放置时水就会不断流出，而琼胶、明胶、果琼胶、明胶、果冻冻就几乎不发生离水现象。就几乎不发生离水现象。134)4)按热学性质的分类：基于胶体随着温度的变化，由液态按热学性质的分类：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，可把凝胶分转变为固态，或由固态转变为液态的特点，可把凝胶分为为热可逆性凝胶热可逆性凝胶和和热不可逆性凝胶热不可逆性凝胶。食品中的食品中的凉粉、肉冻、放凉了的粥凉粉、肉冻、放凉了的粥都属于此类凝都属于此类凝胶。然而，胶。然而，象蛋清象蛋清这样的胶体，加热时会形成凝胶。而这样的胶体，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。状。把这样的凝胶称为热不可逆凝胶。14（4）凝胶的力学性质在食品物性学研究中的位凝胶的力学性质在食品物性学研究中的位置置 很多食品都是在凝胶状态下食用的。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。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。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研究和改善食品的质地，主要就是研究凝胶状态物主要就是研究凝胶状态物质的模型。质的模型。因此，凝胶状态在食品物性学中占有十分重要的因此，凝胶状态在食品物性学中占有十分重要的位置。位置。15四、食品的胶黏性四、食品的胶黏性v绝大部分食品可看作胶体状态。绝大部分食品可看作胶体状态。v食品的胶黏性：指食品既有食品的胶黏性：指食品既有塑性、黏性、又有塑性、黏性、又有弹性的性质弹性的性质v1929年宾汉年宾汉首先对食品这种胶黏性提出了首先对食品这种胶黏性提出了流流变学变学的概念。的概念。16第二节第二节 食品流变学食品流变学v什么是流变学？什么是食品流变学？17牙膏牙膏一个最常见的流变问题一个最常见的流变问题 使用牙膏时挤出要容易，使用牙膏时挤出要容易，挤出后要求挺括，在牙刷挤出后要求挺括，在牙刷上不能下陷，刷牙时又要上不能下陷，刷牙时又要轻松，这就要求牙膏遇到轻松，这就要求牙膏遇到剪切时黏度迅速下降，静剪切时黏度迅速下降，静止时又具有一定的屈服应止时又具有一定的屈服应力，以保持坚挺。力，以保持坚挺。18流变学涉及的相关学科与对象荷兰人斯科特布莱尔(G.N.Scott Blair),1953 年,他编辑出版了Foodstuffsthe Plasticity,Fluidity and Consistency一书。1920(一一)流变学的定义流变学的定义 流变学是研究物质在流变学是研究物质在力作用力作用下下变形或流动变形或流动规律的科学。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：用下式来表示：F(t ,)=0.一、食品流变学概念一、食品流变学概念-剪切应变剪切应变21v食品流变学食品流变学研究对象研究对象食品及食品原料食品及食品原料 液态食品、固态食品、半固态食品液态食品、固态食品、半固态食品研究内容研究内容对这些食品物质的异常黏性、塑性、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。的构造、组成上解释以上现象，找出其表现规律。22食品流变学的研究意义食品流变学的研究意义 产品开发：组分的功能性产品开发：组分的功能性 原料组分：质量保证原料组分：质量保证 加工工艺：在泵、管道、挤压机、混合加工工艺：在泵、管道、挤压机、混合设备、均质机、热交换器中的流动行为设备、均质机、热交换器中的流动行为 包装设计：输送能力包装设计：输送能力 终产品：质量控制，稳定性终产品：质量控制，稳定性 消费特性：连续性，涂抹性，口感，外消费特性：连续性，涂抹性，口感，外观，质构等观，质构等23研究的方法和步骤：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；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；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；性质的可靠方法；从方法中得出有效控制食品品质从方法中得出有效控制食品品质(力学性质力学性质)的思路。的思路。24二、黏性二、黏性（一）（一）黏性概念黏性概念 黏性：指黏性：指阻碍流体流动的性质。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）来表黏性的大小用黏度（或称黏性率、黏性系数）来表 示，示，是流体最基本的特性参数。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：根据变形的方式，黏度还可分为以下几种：剪切黏剪切黏度度、延伸黏度、体积黏度、延伸黏度、体积黏度黏性是表现流体流动性质的指标。黏性是表现流体流动性质的指标。25(二二)黏性流动的分类黏性流动的分类 1.1.牛顿流动牛顿流动 2.2.非牛顿流动非牛顿流动水，酒水，酒桃酱桃酱生淀粉糊生淀粉糊261.1.牛顿流动牛顿流动（1 1）剪切速率）剪切速率 ：液体流动过程中，应变大小与：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应变所需时间之比表示剪切速率 。也称为应。也称为应变速率。变速率。（2 2）流动状态方程）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关系式称为“流动状态方程流动状态方程”。=n 27牛顿流体定律：牛顿流体定律：牛顿流体的特征是：牛顿流体的特征是：剪切应力与剪切速率成正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。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。液体流动的阻力大小。28 基本符合牛顿流动的食品有基本符合牛顿流动的食品有水、糖液、清水、糖液、清炖肉汤、酒、油炖肉汤、酒、油等等。29牛顿流体牛顿流体2.2.非牛顿流动非牛顿流动 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。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：非牛顿流体的流动状态方程主要有两种经验形式：=k n=a (1 n ,0 n 1)=0+k n (0 0)式中：式中：k 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，数，n n：称为流态特性指数。称为流态特性指数。a a表观黏度，表观黏度，0 0屈服应力屈服应力 。30 根据以上流动状态方程中根据以上流动状态方程中0 0的有无和的有无和n n的取值范围，的取值范围，非牛流动还可以如下分类：非牛流动还可以如下分类：假塑性流动假塑性流动 （0 n 1）胀塑性流动胀塑性流动 (1 n ）塑性流动塑性流动 宾汉流动宾汉流动 （0 0，n=1）非宾汉塑性流动非宾汉塑性流动 （0 0，n 1）触变性流动触变性流动 胶变性流动胶变性流动 311）假塑性流动假塑性流动：在非牛顿流动状态方程式中，当在非牛顿流动状态方程式中，当0n1时，即：时，即：表观黏度表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而随着剪切应力或剪切速率的增大而减少减少的流的流动，称作假塑性流动，亦称准塑性流动或拟塑性流动。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。符合假塑性流动规律的液体称为假塑性液体。32假塑性液体的流动特性曲线为：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把随着流速的增加，表观黏度减少的现象也称为剪切稀剪切稀化化。特点：特点：无屈服应力，即应力应变曲线通过坐标原点；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。随着流速的增加，表观黏度减少。33 剪切稀化概念图剪切稀化概念图34食品名食品名固形分率固形分率%温度温度n nk k苹果沙司苹果沙司11.011.082820.340.34 90 90杏杏 酱酱19.019.060600.340.34 88 88浓缩杏汁浓缩杏汁26.026.060600.320.32400400浓缩橘子汁浓缩橘子汁-15.0 15.0 0.584 0.584 11.9 11.9梨梨 酱酱45.745.78282 0.481 0.481 160.0 160.0桃桃 酱酱11.911.982820.270.275858葡萄浆葡萄浆141430300.340.342222葡萄浆葡萄浆141482820.340.342020西红柿酱西红柿酱16.016.032320.450.45 31.60 31.60部分液态食品的流态特性参数如表：部分液态食品的流态特性参数如表：35 造成假塑性流动的机理，主要有以下一些解释。造成假塑性流动的机理，主要有以下一些解释。v(1)(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。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，当液体流动时，受剪切应力作用，胶体粒子间胶体粒子间网架构造不断网架构造不断被破坏。被破坏。v(2)(2)胶体粒子变形，引起黏度的相对减少。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。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。成团，减少了互相的勾挂，这就出现了黏度降低。362）胀塑性流动胀塑性流动 ：在非牛顿流动状态方程式中，如果在非牛顿流动状态方程式中，如果1 1n n，称为胀塑性流动。即：随着剪称为胀塑性流动。即：随着剪切应力或流速的增大，表观黏度切应力或流速的增大，表观黏度 a a逐渐逐渐增大。增大。符合胀塑性流动规律的液体称为胀符合胀塑性流动规律的液体称为胀塑性液体。塑性液体。37胀塑性液体的流动特性曲线为：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，比较典型的是液体食品中胀塑性流体不很多，比较典型的是生淀粉糊生淀粉糊。特点：特点：无屈服应力，即应力应变曲线通过坐标无屈服应力，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。原点；随着剪切流速的增加，表观黏度增加。38 造成胀塑性流动的机理，主要有以下一些解释。造成胀塑性流动的机理，主要有以下一些解释。v胀容现象：胀容现象：对于剪切增黏现象可以用胀容现象来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，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。则充满在致密排列的粒子间隙。胀容现象概念图胀容现象概念图393）塑性流动塑性流动 ：塑性流动是指流动特性曲线不通过原点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，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当应力超过某一界限值0 0时才开始流动。时才开始流动。特点：特点：有屈服应力，即应力应变曲线不通有屈服应力，即应力应变曲线不通过坐标原点。过坐标原点。40 对于塑性流动中，当应力超过屈服应力时，流动特对于塑性流动中，当应力超过屈服应力时，流动特性符合牛顿流动规律的，称为性符合牛顿流动规律的，称为宾汉流动宾汉流动，对于不符合牛对于不符合牛顿流动规律的流动称为顿流动规律的流动称为非宾汉塑性流动非宾汉塑性流动。把具有这两种流动特性的液体分别称为把具有这两种流动特性的液体分别称为宾汉流体宾汉流体或或非宾汉流体非宾汉流体。塑性液体的流动特性曲线为：塑性液体的流动特性曲线为：41部分宾汉流体食品的屈服应力值部分宾汉流体食品的屈服应力值 食食 品品 名名 称称屈服应力值屈服应力值PaPa融化的巧克力融化的巧克力1.21.2掼奶油掼奶油40.040.0瓜尔豆胶水溶液瓜尔豆胶水溶液(0.5%(0.5%固形固形)2.02.0桔子汁桔子汁(浓度浓度6060 Bx)Bx)0.70.7酵母蛋白液酵母蛋白液(25%(25%固形固形)4.24.2西红柿浆西红柿浆(11%(11%固形固形)2.02.0大豆分离蛋白大豆分离蛋白(20%(20%固形固形)121.7121.742非宾汉流体食品的流态特性参数非宾汉流体食品的流态特性参数 食品名食品名 称称 测测定定温温度度n nk k 0 0PaPa法国芥子酱法国芥子酱25250.400.4033433441.041.0西红柿酱西红柿酱25250.2270.22718718732.032.0西红柿酱西红柿酱95950.2530.25374.574.510.510.5白汁沙司白汁沙司1201200.550.553 30.40.4434）触变性流动（亦称摇溶性流动）触变性流动（亦称摇溶性流动）：所谓触变性是指当液体在所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇振动、搅拌、摇动动时，其黏性减少，流动性增加，但静置一段时，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。时间后，流动又变得困难的现象。特点：特点：振动、搅拌、摇动流动性增加；加载曲振动、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线在卸载曲线之上，并形成了与流动时间有关的履历曲线的履历曲线(滞变回环）滞变回环）。44触变性流动的特性曲线为：触变性流动的特性曲线为：代表性的食品有代表性的食品有西红柿调味酱、西红柿调味酱、蛋黄酱、加糖炼蛋黄酱、加糖炼乳乳等等 。呈现触变现象的呈现触变现象的食品口感比较柔食品口感比较柔和爽口。和爽口。455）胶变性流动胶变性流动 胶变性流动与触变性流动相反，即：液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。体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。特点：特点：振动、搅拌、摇动流动性增加；加载曲振动、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线在卸载曲线之下，并形成了与流动时间有关的履历曲线的履历曲线(滞变回环）滞变回环）。46胶变性流动的特性曲线为：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逆触变现象。有这种现象的食品往往给人以有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感黏稠的口感。47三、黏弹性三、黏弹性(一一)黏弹性基本概念黏弹性基本概念 当给物质施以作用力时，当给物质施以作用力时，把既有弹性，又把既有弹性，又可以流动的现象称为黏弹性可以流动的现象称为黏弹性。具有黏弹性的物质称为具有黏弹性的物质称为黏弹性物质或黏弹黏弹性物质或黏弹性体性体。物质恢复物质恢复原形的能原形的能力。力。48Y YR R初始切线弹性率初始切线弹性率正割弹性率正割弹性率切线弹性率切线弹性率 脆性断裂应力应变曲线脆性断裂应力应变曲线Y YR R 延性断裂时应力应变曲线延性断裂时应力应变曲线食品物质受力断裂时应力应变曲线食品物质受力断裂时应力应变曲线49491.1.分析物质的应力应变曲线时需用到以下概念：分析物质的应力应变曲线时需用到以下概念：(1)宏宏观观应应变变：是是指指平平均均应应变变范范围围为为大大于于原原子子间间距距离离的的有有限尺寸场合下的应变。限尺寸场合下的应变。(2)微微观观应应变变：是是指指应应变变尺尺寸寸范范围围为为原原子子距距离离数数量量级级的的应应变。变。(3)弹性：弹性：物质恢复原形的能力。物质恢复原形的能力。(4)塑性：塑性：物质产生永久变形的性质。物质产生永久变形的性质。(5)强度：强度：物质承受施加外力的能力。物质承受施加外力的能力。(6)压压缩缩强强度度：物物质质所所能能承承受受的的最最大大压压缩缩应应力力，即即：试试验验时试样能承受的最大荷重和与试料的最初断面积之比。时试样能承受的最大荷重和与试料的最初断面积之比。50（7)7)弹性率：弹性率：在弹性极限范围内，应力和应变之比。在弹性极限范围内，应力和应变之比。当当应应力力和和应应变变为为非非线线性性关关系系时时，又又定定义义了了以以下下弹弹性率。性率。a.a.初始切线弹性率：初始切线弹性率：b.b.切线弹性率：切线弹性率：瞬时弹性率瞬时弹性率 c.c.正割弹性率：正割弹性率：表观弹性率表观弹性率 d.d.弦弹性率。弦弹性率。51(8)屈屈服服点点：当当载载荷荷增增加加，应应力力达达到到最最大大值值后后，应应力力不不再再增加，而应变依然增加时的应力。即图增加，而应变依然增加时的应力。即图2-16“Y”点。点。(9)屈屈服服强强度度（弹弹性性极极限限）：应应变变和和应应力力之之间间的的线线性性关关系系，在在有有限限范范围围内内不不再再保保持持时时的的应应力力点点的的应应力力。即即图图2-16“LL”点。点。(10)生物屈服点：生物屈服点：应力应变曲线中，应力应变曲线中，应力开始减少或应变不再随应力应力开始减少或应变不再随应力变化的点。一般认为是图变化的点。一般认为是图2-16“Y”点。点。(11)生物屈服强度：生物屈服强度：达到生物屈服达到生物屈服点的应力。点的应力。52(12)破断点：破断点：在应力在应力应变曲线上，应变曲线上，当作用力引起物质破碎或断裂的点。当作用力引起物质破碎或断裂的点。即图即图2-16“R”点。点。(13)脆脆性性断断裂裂：屈屈服服点点与与断断裂裂点点几几乎乎一致的断裂情况，称为脆性断裂。一致的断裂情况，称为脆性断裂。(14)延延性性断断裂裂：指指塑塑性性变变形形之之后后的的断断裂。裂。53(15)断断裂裂能能：应应力力在在断断裂裂前前所所作作的的功功。表表示示应应力力应应变变曲曲线线与与横横坐坐标标包包围围的的面面积积。如如图图2-17 S 斜斜线线部部分分表表示示的的面积。面积。(16)坚坚韧韧性性(强强韧韧性性)：使使物物质质达达到到破破断断时时所所需需要要做做的的功功。如图如图2-16，它是应力和应变曲线之间包围的面积。，它是应力和应变曲线之间包围的面积。54(17)弹性度：弹性度：物质在去掉外力作物质在去掉外力作用后，弹性变形和总变形量之比。用后，弹性变形和总变形量之比。如图如图2-16中，弹性度中，弹性度=Se/(Sp+Se)。(18)弹性能：弹性能：物质以弹性变形形物质以弹性变形形式保存的能量。它等于曲线的直式保存的能量。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。回弹曲线与横轴包围的面积。55(19)力力学学滞滞后后：在在载载荷荷的的加加除除过过程程中中物物质质吸吸收收的的能量。能量。(20)应应力力松松弛弛：试试料料在在瞬瞬时时变变形形后后，并并保保持持变变形形时时，应应力力随随时时间间经经过过而而消失的过程。消失的过程。56虎克定律虎克定律：在弹性极限范围内，物体的应变与应：在弹性极限范围内，物体的应变与应 力的大小成正比。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。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。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。受剪切应力作用发生剪切应变。受表面压力作用的体积应变。受表面压力作用的体积应变。2.弹性变形弹性变形57(1)(1)弹弹性性模模量量E E：物物体体受受正正应应力力作作用用产产生生轴轴向向的的变变形形称称拉拉伸伸(或或压压缩缩)变变形形。其其应应力力与与应应变变之之比称作弹性模量，也称作杨氏模量。比称作弹性模量，也称作杨氏模量。=E 小小麦麦面面团团为为10105 5PaPa；琼琼胶胶、明明胶胶的的凝凝胶胶为为10105 5 10106 6PaPa；硬硬质质干干酪酪为为10109 9 10101010PaPa；意意大大利利干干挂挂面为面为10101111PaPa。58 表表现现弹弹性性拉拉伸伸(或或压压缩缩)变变形形的的另另一一个个物物性性参参数数是是泊泊松松比比 。泊泊松松比比是是物物体体受受拉拉伸伸(或或压压缩缩)时，其横向应变与纵向应变的比值。时，其横向应变与纵向应变的比值。根根据据物物体体不不同同，泊泊松松比比的的取取值值在在0 0 0.50.5之间。之间。59 (2)(2)剪剪切切模模量量（刚刚性性率率）：剪剪切切变变形形时时，剪剪切切应应力力与与剪切应变的比值称剪切模量，用剪切应变的比值称剪切模量，用G G表示。表示。S S=G GS S 牛牛顿顿液液体体的的剪剪切切模模量量为为0Pa，果果冻冻、橡橡胶胶、水水泥泥、铜铜、钢钢的的剪剪切切模模量量分分别别为为2105、2.9105、0.71010、41010、81010 Pa。一一般般说说来来固固体体的的剪剪切切模模量量是是杨杨氏氏模量的模量的1/21/3。60(3)(3)体积模量：体积模量：体积模量表示物体受表面正应力作用时，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。比例系数产生体积变化的难易程度。比例系数K称为体积模量。称为体积模量。V V=K KV V 体积模量的倒数称为压缩率。体积模量的倒数称为压缩率。613.3.黏弹性体的特点黏弹性体的特点(1)曳丝性曳丝性：曳丝性的判断有一个方法：将直径为曳丝性的判断有一个方法：将直径为1 1mmmm的玻璃棒的玻璃棒浸入液体浸入液体1 1cmcm，然后再以然后再以5 5cm/scm/s的速度提起，用液体丝的速度提起，用液体丝在断掉前可拉出的程度表示曳丝性的大小。在断掉前可拉出的程度表示曳丝性的大小。发酵豆种类发酵豆种类曳丝距离曳丝距离（cm）大豆大豆100 150小豆小豆5 10 菜豆菜豆20 30豌豆豌豆20 发酵豆制品的曳丝性发酵豆制品的曳丝性提起速度提起速度曳曳丝丝长长度度提起速度与曳丝长度的关系提起速度与曳丝长度的关系62 (2)(2)威威森森伯伯格格效效果果：将将黏黏弹弹性性液液体体放放入入圆圆桶桶形形容容器器中中，垂垂直直于于液液面面插插入入一一玻玻璃璃棒棒，当当急急速速转转动动玻玻璃璃棒棒或或容容器器时时，可可观观察察到到液液体体会会缠缠绕绕玻玻璃璃棒棒而而上上，在在棒棒周周围围形形成成隆隆起起于于液液面面的的冢冢状状液液柱柱。把把这这种种现现象象称称作作威威森森伯伯格效果。格效果。63E0 0虎克模型虎克模型 阻尼模型阻尼模型 滑块模型滑块模型 (二二)黏弹性的基本力学模型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，楚控制或测定其流变性质的方法，建立力学模型。建立力学模型。64(三三)静黏弹性静黏弹性 用静态测定法所揭示的物体的黏弹性质称为静黏用静态测定法所揭示的物体的黏弹性质称为静黏弹性。弹性。研究静黏弹性主要有以下一些试验方法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基本流变特性参数测定法 应力松弛试验应力松弛试验 蠕变试验蠕变试验 滞变曲线滞变曲线 651.1.基本流变特性参数测定法基本流变特性参数测定法 双重剪切测定双重剪切测定拉力试验拉力试验66续续套筒流动套筒流动 平行板塑性计平行板塑性计 672.2.应力松弛试验应力松弛试验 应力松驰试验步骤：应力松驰试验步骤：1 1、首先要找出试样应力与应变的线性关系范围。、首先要找出试样应力与应变的线性关系范围。2 2、在这一范围内使试样达到并保持某一变形，测定其应、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。力与时间的关系曲线。3 3、根据测定结果绘制松弛曲线并建立其流变学模型。、根据测定结果绘制松弛曲线并建立其流变学模型。3.3.蠕变试验蠕变试验 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。的情况。684.4.滞变曲线滞变曲线 滞变曲线是测定试滞变曲线是测定试样在定速压缩和定速拉样在定速压缩和定速拉伸过程中，应力随时间伸过程中，应力随时间的变化曲线。的变化曲线。ROPSQTU大米滞变曲线大米滞变曲线大米滞变曲线大米滞变曲线R69米饭团的滞变曲线和感官评价米饭团的滞变曲线和感官评价 70(四四)动黏弹性及其测定动黏弹性及其测定 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变动的应力或应变时，该黏弹性体所表现出的黏弹性质。性质。研究静黏弹性主要有以下一些试验方法研究静黏弹性主要有以下一些试验方法。谐振动试验谐振动试验(正弦波应力应变试验）正弦波应力应变试验）共振试验共振试验 脉冲振动试验脉冲振动试验71思考题思考题v1.食品物性学研究的主要内容。食品物性学研究的主要内容。v2.食品物性学要解决的主要问题。食品物性学要解决的主要问题。v3.3.食品胶体系统的分类有哪些？食品胶体系统的分类有哪些？v4.4.非牛顿流体的分类有哪些？非牛顿流体的分类有哪些？v5.假塑性液体的流动特征及特性曲线。假塑性液体的流动特征及特性曲线。v6.6.黏弹性体的特点有哪些？黏弹性体的特点有哪些？721.1.基本流变特性参数测定法基本流变特性参数测定法 常见的测试方法有：常见的测试方法有：双重剪切测定双重剪切测定拉力试验拉力试验套筒流动套筒流动平行板塑性计平行板塑性计 73(1)双重剪切测定双重剪切测定 式中式中:f 为测得拉力，为测得拉力，G为剪切模量为剪切模量(刚性率刚性率)，d为拉动位为拉动位移，移，H为试样厚度。为试样厚度。74 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、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冰淇淋、干酪、鱼糜糕等许多食品的黏弹性测定。定。75(2)拉力试验拉力试验 76 t延伸黏度延伸黏度 剪切黏度剪切黏度E弹性模量弹性模量拉力试验常用来测定小麦粉面团拉力试验常用来测定小麦粉面团的黏弹性质。的黏弹性质。77(3)套筒流动套筒流动 78(4)平行板塑性计平行板塑性计 平行板塑性计的测定平行板塑性计的测定原理如图所示。在半径原理如图所示。在半径为为R R的平行圆板之间放入的平行圆板之间放入试样，然后夹住试样，试样，然后夹住试样，并施以夹紧力并施以夹紧力f f，试样厚试样厚度随之减少。度随之减少。根据根据Navier-StokesNavier-Stokes公式：公式：792.2.应力松弛试验应力松弛试验 应力松驰试验步骤：应力松驰试验步骤：1 1、首先要找出试样应力与应变的线性关系范围。、首先要找出试样应力与应变的线性关系范围。2 2、在这一范围内使试样达到并保持某一变形，测定其应、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。力与时间的关系曲线。3 3、根据测定结果绘制松弛曲线并建立其流变学模型。、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，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。测定应变随时间变化的情况。3.3.蠕变试验蠕变试验 804.4.滞变曲线滞变曲线 滞变曲线是测定试滞变曲线是测定试样在定速压缩和定速拉样在定速压缩和定速拉伸过程中，应力随时间伸过程中，应力随时间的变化曲线。的变化曲线。ROPSQTU大米滞变曲线大米滞变曲线大米滞变曲线大米滞变曲线R81米饭团的滞变曲线和感官评价米饭团的滞变曲线和感官评价 82(四四)动黏弹性及其测定动黏弹性及其测定 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变动的应力或应变时，该黏弹性体所表现出的黏弹性质。性质。研究静黏弹性主要有以下一些试验方法研究静黏弹性主要有以下一些试验方法。谐振动试验谐振动试验(正弦波应力应变试验）正弦波应力应变试验）共振试验共振试验 脉冲振动试验脉冲振动试验831.1.谐振动测定谐振动测定 谐振动黏弹性就是对试样施加固定频率和振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。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谐振动测定对于食品黏弹性测定主要可分为两种方法两种方法:伸缩振动伸缩振动 剪切振动剪切振动 在振动测定中，要防止食品的干燥或离液，因在振动测定中，要防止食品的干燥或离液，因为这对测定结果影响很大。为这对测定结果影响很大。842.2.共振法测定共振法测定 在黏弹性体中，对于弹性较大的固体物料在黏弹性体中，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。所表示的关系原理。式中，式中，E：弹性模量，弹性模量，fr：试样的共振频率，试样的共振频率，k：常数，它与试样的密度、形状有关。常数，它与试样的密度、形状有关。85412351试样试样 2电磁震荡器电磁震荡器 3测量显微镜测量显微镜 4玻璃板玻璃板 5玻璃容器玻璃容器测定原理是：测定原理是：连续不断地改变激振器的连续不断地改变激振器的频率，同时测定试样振动的振频率，同时测定试样振动的振幅。当试样振幅达最大值时的幅。当试样振幅达最大值时的频率就是共振频率。频率就是共振频率。如图共振法测试马铃薯测如图共振法测试马铃薯测试装置。试装置。863.3.超声波脉冲法测定超声波脉冲法测定 这种方法是给试样发射一个弹性波这种方法是给试样发射一个弹性波(脉冲脉冲)，这个，这个波作用于物体后会对物体产生压缩或剪切作用，并在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。物体中传播。这种波可以分为两部分：这种波可以分为两部分：q压缩作用产生的波称为纵波；压缩作用产生的波称为纵波；q剪切作用产生的波称为横波。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波的传播速度与物体的弹性模量E E、质量密度质量密度 有关。有关。8788 关于动态测定的方法还很多，例如，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、霍尔姆打击振动法、电磁振动变换法、霍尔姆茨共振法茨共振法等等。尤其是对于固体食品的等等。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无损品质鉴定，振动的方法成为一种重要的手段。要的手段。89四、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90（）液态食品分散体系的黏度（）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：分散介质黏度：分散体系溶液的黏度：分散体系溶液的黏度91影响液态食品黏度的因素影响液态食品黏度的因素A.温度温度B.分散相：浓度、黏度、形状分散相：浓度、黏度、形状C.分散介质分散介质D.乳化剂乳化剂9293 在搅拌各种浆料之类的假塑性食品时，应采用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。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。在浆叶以外的区域却因黏度较大而不能流动。949596（）液态食品流变性质的测定（）液态食品流变性质的测定A.黏度的测定黏度的测定 毛细管黏度计毛细管黏度计 测液体在毛细管里的流动速度测液体在毛细管里的流动速度 落球式黏度计落球式黏度计 圆球在液体中落下的速度圆球在液体中落下的速度 转动式黏度计转动式黏度计 液体在同轴圆柱间对转动的阻碍液体在同轴圆柱间对转动的阻碍 圆筒旋转黏度计圆筒旋转黏度计 锥板式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塑性流体的屈服应力测量测定原理：一旋转，二拉升，三落穿。测定原理：一旋转，二拉升，三落穿。979899100101102103104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。105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。106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别，使之适于测定非牛顿液体的黏筒型的主要区别，使之适于测定非牛顿液体的黏度度107各种方法测定的黏度范围各种方法测定的黏度范围108五、固态和半固态食品的流变特性 食品的变形 固态食品 半固态食品 食品的弹性 食品的黏弹性109食品的变形：脆性断裂和塑性食品的变形：脆性断裂和塑性断裂断裂 脆性断裂：屈服点与断裂点一致，如饼干、琼脂、巧克力、花生米、香蕉、香肠等 塑性断裂：样品经塑性变形后断裂，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等110食品的弹性食品的弹性 食品的弹性 弹性：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。完全弹性：撤去外力后形变立即完全消失的弹性。弹性极限：形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态，该限度即为弹性限度。固态食品的概念 虎克固体是固体物质的理想概念，其变形与作用力大小成正比，一旦受力作用就发生变形，作用力一旦消失，变形也完全恢复，故也称理想弹性体。许多物质在力作用下其变形不超过1%时，能基本满足理想弹性体的定义，呈现虎克固体的性质，即为固体。例子：干面团、硬糖果、核桃、蛋壳等 流变特性参数：弹性膜量、剪切膜量、容积膜量、泊松比111虎克模型虎克模型 用受力作用而伸长的理想弹簧来表示完全弹性体的力学表现，即加上荷载的瞬间同时发生相应的变形，变形大小与受力大小成正比。虎克定律：在弹性极限范围内，外力F和变形量d之间成正比关系F=kd k:弹性系数112113半固态食品半固态食品 定义：兼具固体的弹性和流体的粘性，也称粘弹性体 例子：面粉团、米粉团、冻凝胶等 流变特性参数：蠕变、应力松弛 应力松弛：试样瞬间变形后，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，是以一定大小的应变为条件的。蠕变：把一定大小的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，是以一定大小的应力为条件的。特点：力及力的作用时间与变形的关系114固态和半固态食品的流变性质测定固态和半固态食品的流变性质测定 基本力学试验 应力松弛试验 蠕变试验 动态黏度的测定 滞后曲线试验哈克哈克(HAAKE)MARS 模块化先进旋转流变仪模块化先进旋转流变仪 115缺乏系统的理论研究 与工程实际缺乏紧密联系，特别是有针对性地利用流变学方法解决工程问题的研究更为缺乏 对于结构与流变特性关系的研究较少 质构特性和流变特性的关系的研究基本处于空白流变学是一种非常有效的研究流变学是一种非常有效的研究方法，但它同时也需要和其它方法，但它同时也需要和其它的测试、分析方法共同使用。的测试、分析方法共同使用。116