《食品感官評價》

三、黏彈性（一）黏彈性基本概念許多食品屬于固體或半固體。當(dāng)給它們施以作用力時，會發(fā)生相應(yīng)的變形，去掉作用力后，又會發(fā)生彈性恢復(fù)。如果彈性恢復(fù)可以完全回到原來的狀態(tài)，稱之為完全彈性；如果不產(chǎn)生彈性恢復(fù)，則是流動。第二章食品的力學(xué)基礎(chǔ)

第二節(jié)食品流變學(xué)

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食品類物質(zhì)，往往即表現(xiàn)彈性的性質(zhì)，又變現(xiàn)黏性的性質(zhì)。它們的力學(xué)性質(zhì)不像完全彈性體那樣僅用力與變形的關(guān)系來表示，還與力的作用時間有關(guān)。面包、面團(tuán)、面條、奶糖等，我們都可觀察到它們的彈性性質(zhì)和黏性性質(zhì)。只是在不同的條件下，有的彈性表現(xiàn)得比較明顯，有的黏性表現(xiàn)得比較明顯。

總之，把既有彈性，又可以流動的現(xiàn)象稱為黏彈性。具有黏彈性的物質(zhì)稱為黏彈性物質(zhì)或黏彈性體。通過測定食品的黏彈性即可把握食品的狀態(tài)。編輯ppt

1．變形（deformation）一般固體施以作用力，則產(chǎn)生變形；去掉作用力，又會產(chǎn)生彈性恢復(fù)。使物體彈性恢復(fù)的力稱之為內(nèi)應(yīng)力（internalstress）。如果去掉外力，內(nèi)應(yīng)力也隨之消失，這種性質(zhì)也稱為彈性（elasticity）。研究物體的變形以及黏彈性時，要進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的分析，因此需掌握以下概念。（1）宏觀應(yīng)變（macro-strain）：平均應(yīng)變范圍為大于原子間距離的有限尺寸場合下的應(yīng)變。（2）微觀應(yīng)變（micro-strain）：應(yīng)變尺寸范圍為原子距離數(shù)量級的應(yīng)變。

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（3）壓縮強(qiáng)度：物質(zhì)所能承受的最大壓縮應(yīng)力，即試驗(yàn)時試樣能承受的最大荷重與最初斷面積之比。

（4）彈性率：在彈性極限范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之比。當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系時，定義了以下彈性率。a．初始切線彈性率：應(yīng)力-應(yīng)變曲線在原點(diǎn)處的斜率。b．切線彈性率：在曲線上某一點(diǎn)，曲線的斜率，亦稱瞬時彈性率。c．正割彈性率：從曲線上任一點(diǎn)到原點(diǎn)的連接直線的斜率，亦稱表觀彈性率。d．弦彈性率：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任意兩點(diǎn)之間弦的斜率。

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當(dāng)給食品物質(zhì)持續(xù)加載時，不僅要變形，而且還會發(fā)生斷裂現(xiàn)象。實(shí)際上人們對食品進(jìn)行壓、拉、扭、咬、切時，食品的變形逐漸增大，但一般并非線性變形，而是發(fā)生大的破壞性變形。對于具有這樣性質(zhì)的物體，人們往往用一定載荷進(jìn)行斷裂強(qiáng)度和蠕變試驗(yàn)。由于斷裂現(xiàn)象同試樣的組織結(jié)構(gòu)有敏感的關(guān)系，因此，在測定斷裂強(qiáng)度時，對試樣要進(jìn)行嚴(yán)格處理，并且要取大量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后從概率角度去討論。在進(jìn)行斷裂試驗(yàn)時需要掌握以下概念。

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（1）屈服點(diǎn)（yieldpoint）：當(dāng)載荷增加，應(yīng)力達(dá)到最大值后，應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變依然增加時的應(yīng)力點(diǎn)。并非所有物質(zhì)都有屈服點(diǎn)。（2）屈服強(qiáng)度（亦稱彈性極限）：應(yīng)變和應(yīng)力之間的線性關(guān)系，在有限范圍內(nèi)不再保持時的應(yīng)力點(diǎn)。當(dāng)用偏離法求解時，一般認(rèn)為偏離直線的變形為變形量的0.2%時，稱為屈服強(qiáng)度點(diǎn)。（3）生物屈服點(diǎn)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，應(yīng)力開始減少或應(yīng)變不再引起應(yīng)力增加的點(diǎn)。一般生鮮食品都具有生物屈服點(diǎn)。在此點(diǎn)，物質(zhì)的細(xì)胞構(gòu)造，開始受到破壞。生物屈服點(diǎn)一般都出現(xiàn)在曲線的直線部分以后。

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（4）破斷點(diǎn)：在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，作用力引起物質(zhì)破碎或斷裂的點(diǎn)。作為生物物質(zhì)破斷，它包括殼和表皮的破裂、整體碎裂、表面產(chǎn)生斷裂裂縫等。生物屈服點(diǎn)通常屬于物質(zhì)的微觀應(yīng)變，而破斷點(diǎn)屬于物質(zhì)的宏觀應(yīng)變。對于脆性物質(zhì)，破斷點(diǎn)往往出現(xiàn)在曲線的初期部分，而強(qiáng)韌（堅韌）性食品物質(zhì)，破斷點(diǎn)的出現(xiàn)往往很晚，也就是在物質(zhì)出現(xiàn)塑性流動之后很久才出現(xiàn)。據(jù)此，食品物質(zhì)的斷裂通?？煞譃椤按嘈詳嗔选焙汀把有詳嗔选薄?/p>

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（5）脆性斷裂：屈服點(diǎn)與斷裂點(diǎn)幾乎一致的斷裂情況，稱為脆性斷裂。餅干、瓊脂、牛油、巧克力、花生米等屬于脆性斷裂。（6）延性斷裂：指塑性變形之后的斷裂。食品中這種斷裂也很多，如面包、面條、米飯、水果、蔬菜等。

（7）斷裂能：脆性斷裂時，應(yīng)力在斷裂前所作的功。

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（8）剛度：當(dāng)變形未超出彈性極限時，剛度為應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初期斜率，即彈性模量。當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系時，剛度即為表觀彈性率，也就是初期切線彈性率、割線彈性率或切線彈性率。（9）彈性：物質(zhì)恢復(fù)原形的能力。（10）塑性：物質(zhì)產(chǎn)生永久變形的性質(zhì)。（11）彈性度：物質(zhì)在去掉外力作用后，彈性變形和總變形量之比。彈性度=Se/（Sp+Se）（12）強(qiáng)度：物質(zhì)承受施加外力的能力。編輯ppt

（13）生物屈服強(qiáng)度：達(dá)到生物屈服點(diǎn)的應(yīng)力。（14）堅韌性（強(qiáng)韌性）：使物質(zhì)達(dá)到破斷時所需要作的功，它是應(yīng)力和應(yīng)變曲線之間包圍的面積。用力-變形曲線時一定要對試樣的大小、形狀和作用力面積進(jìn)行考慮。相當(dāng)于脆性斷裂時的斷裂能。（15）彈性能：物質(zhì)以彈性變形的形式保存的能量。它等于曲線的直線部分與橫軸所包圍的面積，或回彈曲線與橫軸所包圍的面積。

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（16）力學(xué)滯后：從載荷的加載到卸載過程中物質(zhì)吸收的能量，是當(dāng)產(chǎn)生塑性變形時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線回路中包圍部分的面積。力學(xué)滯后表示能量的損耗。是物質(zhì)在變形過程中轉(zhuǎn)化為熱能的損失。（17）應(yīng)力松弛：試樣在瞬時變形后并保持變形時，應(yīng)力隨時間的經(jīng)過而消失的過程。

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2．彈性變形彈性本來是反映固體力學(xué)性質(zhì)的物理量。虎克定律：在彈性極限范圍內(nèi)，物體的應(yīng)變與應(yīng)力的大小成正比。其中的比例系數(shù)，對不同的物質(zhì)有不同的值，稱為彈性模量（或稱彈性率）。彈性變形可歸納為3種類型：①

受正應(yīng)力作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)變；②

受表面壓力作用的體積應(yīng)變；③

受剪切應(yīng)力作用發(fā)生的剪切應(yīng)變。

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（1）彈性模量：物體受正應(yīng)力作用產(chǎn)生軸向的變形稱拉伸（或壓縮）變形。表示拉伸變形的彈性模量也稱楊氏模量。設(shè)物體在拉伸變形時所受正應(yīng)力為σ（Pa），所產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)棣?，?jù)虎克定律：σ=E·ε比例系數(shù)E稱為楊氏模量，因?yàn)檠芯恐袕椥阅Ａ砍Ｖ笚钍夏Ａ?，所以楊氏模量也稱彈性模量。由于ε量綱為1，所以E的量綱與σ相同為Pa。在室溫下，下列食品的楊氏模量分別為：小麥面團(tuán)105Pa，瓊膠、明膠的凝膠105～106Pa，硬質(zhì)干酪109～1010Pa，意大利干掛面1011Pa。

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（2）剪切模量或剛性率：剪切變形時，剪切應(yīng)力σs（Pa）與剪切應(yīng)變εs（弧度）的關(guān)系式也符合虎克定律，如下式表示：σs=Gεs

（2-2-5）式（2-2-5）中的比例系數(shù)G稱為剪切模量，亦稱剛性率。其量綱與楊氏模量相同，為Pa。剪切模量的倒數(shù)稱為柔量。牛頓流體的剪切模量為0，果凍、橡膠、水泥、銅、鋼的剪切模量分別為2×105、2.9×105、0.7×1010、4×1010、8×1010Pa。一般說來固體的剪切模量是楊氏模量的1/2～1/3。編輯ppt

（3）體積模量（bulkmodulus）：體積模量表示物體受表面正應(yīng)力作用時，產(chǎn)生體積變化的難易程度。表面正應(yīng)力一般認(rèn)為是正壓力。在正壓力σv（Pa）作用時，體積應(yīng)變?nèi)绻麨棣舦，根據(jù)虎克定律，下式成立：σv=K·εv（2-2-6）式中比例系數(shù)K稱為體積模量，其量綱為Pa。

各彈性模量和泊松比相互之間存在著一定關(guān)系（略）。（如：E與G的關(guān)系式中，代入泊松比0.5，可得E=3G，稱為三陪率。）

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3．能彈性和熵彈性

對于由內(nèi)能決定的彈性，可以認(rèn)為在外力作用下彈性變形所作的功全部作為內(nèi)能貯存時，稱這種彈性為能彈性。把與熵有關(guān)的彈性稱為熵彈性，這一現(xiàn)象在橡膠上表現(xiàn)比較明顯，因此也稱之為橡膠彈性。

4．黏彈性體的特點(diǎn)

黏彈性體除了兼有彈性性質(zhì)和流動的黏性性質(zhì)外，還有如下一些特殊的性質(zhì)。

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（1）曳絲性

有許多黏彈性食品，如蛋清、山藥糊、糊化淀粉糊等，當(dāng)筷子插入其中，在提起時，會觀察到一部分液體被拉起形成絲狀，把這種現(xiàn)象稱為曳絲性。具有曳絲性的液體，可認(rèn)為其分子之間存在著一定的結(jié)合，形成了弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

有些黏度高的液體，如食用油、糖液等，雖然用筷子也可提起“液線”，但它不是曳出的絲，而是黏性降下的液流。

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對曳絲性的判斷方法：將直徑為1mm的玻璃棒浸入液體1cm，然后再以5cm/s的速度提起，用液體絲在斷掉前可拉出的長度表示曳絲性的大小。例如：日本納豆等發(fā)酵豆類食品都具有一定的曳絲性。

曳絲性是黏性與彈性雙重性質(zhì)的表現(xiàn)。因此，在進(jìn)行曳絲性測定時，絲的長度與棒提起的速度有很大的關(guān)系。提起速度過慢，拔出的絲因自身流下而斷落不會太長，速度過快絲則會像固體那樣被拉斷，也不長。在兩種曳絲方式之間，存在著一個曳絲長度的最大值，該值的曳絲速度與黏彈性的松弛時間有關(guān)。

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（2）威森伯格效果（Weissenbergeffect）

將黏彈性液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，當(dāng)急速轉(zhuǎn)動玻璃棒或容器時，可觀察到液體會纏繞玻璃棒而上，在棒周圍形成隆起于液面的冢狀液柱，這種現(xiàn)象被稱為威森伯格效果。

威森伯格效果只有在具有彈性的液體中才會出現(xiàn)。即使用黏度很大的牛頓流體試驗(yàn)，在旋轉(zhuǎn)時不僅沒有威森伯格效果，而且棒周圍的液體還會在離心力作用下凹下。

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威森伯格效果出現(xiàn)的原因是由于液體具有的彈性。棒在旋轉(zhuǎn)時，纏繞在棒上的液體將周圍的液體不斷拉向中心，而內(nèi)部的液體則把拉向中心的液體向上涌，形成了沿棒而上的現(xiàn)象。

利用威森伯格效果可以判斷食品液體的結(jié)構(gòu)情況。例如當(dāng)煉乳放陳后，由于酪蛋白會逐漸形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生彈性，于是會表現(xiàn)出威森伯格效果。

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（二）黏彈性的基本力學(xué)模型

研究復(fù)雜黏彈性體的流變性質(zhì)，通常需要建立一些相應(yīng)的力學(xué)模型，使復(fù)雜的問題得到簡化，并使之歸納為可以用數(shù)學(xué)公式表示的規(guī)律，從中弄清楚控制或測定其流變性質(zhì)的方法。

力學(xué)模型既可以是單一的簡單模型，也可以是由多個簡單模型（或稱模型元件）組合而成。編輯ppt

1．虎克模型

在研究黏彈性體時，其彈性部分通常用一個代表彈性體的模型表示?；⒖四Ｐ褪峭耆珡椥泽w的力學(xué)表現(xiàn)，即加載荷的瞬間同時發(fā)生相應(yīng)的變形，變形大小與受力的大小成正比。

2．阻尼模型

流變學(xué)中把物體黏性性質(zhì)用阻尼模型表示。阻尼模型瞬時加載時，阻尼體即開始運(yùn)動；當(dāng)去載時，阻尼體立刻停止運(yùn)動，并保持其變形，沒有彈性恢復(fù)。阻尼模型即可表示牛頓流體性質(zhì)，也可表示非牛頓流體性質(zhì)，在無特別說明時，一般表示牛頓流體的性質(zhì)。

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3．滑塊模型

滑塊模型不單獨(dú)用來表示某種流變性質(zhì)，常與其它流變元件組合，表示有屈服應(yīng)力存在的塑性流體性質(zhì)。

4．麥克斯韋模型

黏彈性體的流變性質(zhì)通常以應(yīng)力松弛的形式表現(xiàn)。所謂應(yīng)力松弛，是給黏彈性體瞬時加載，使其發(fā)生相應(yīng)變形，在保持這一變形的情況下，黏彈性體內(nèi)部應(yīng)力變化的過程。研究發(fā)現(xiàn)，黏彈性體的應(yīng)力松弛現(xiàn)象可由虎克模型與阻尼模型串聯(lián)而成的模型表示，這一模型是研究黏彈性體的基本模型之一，稱為麥克斯韋模型。

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5．開爾芬—沃格特模型

黏彈性體的流變特征之一，是在一定力的作用下發(fā)生蠕變現(xiàn)象。研究蠕變特性最簡單的模型，是由虎克體和阻尼體并聯(lián)組成的開爾芬—沃格特模型，也稱開爾芬模型或蠕變模型。

6．多要素模型

虎克模型、阻尼模型和滑塊模型，都是組成更復(fù)雜流變模型的最基本元件，在流變學(xué)中也稱它們?yōu)橐?。麥克斯韋模型、開爾芬模型都是由虎克模型與阻尼模型以不同的連接方式組成，分別含有兩個模型元件，稱為兩要素模型。這兩個模型雖然可以代表黏彈性體的某些流變規(guī)律，但與實(shí)際的黏彈性體還有一定差距。為了更準(zhǔn)確地用模型表述實(shí)際黏彈性體的力學(xué)性質(zhì)，需要用更多的元件組成所謂的多要素模型。

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（三）靜黏彈性

用靜態(tài)測定法所揭示的物體的黏彈性質(zhì)稱為靜黏彈性。研究靜黏彈性主要有以下一些試驗(yàn)。

1．基本流變特性參數(shù)測定法

在黏彈性體的流變測定中，常利用流變儀進(jìn)行靜態(tài)測定。（1）雙重剪切測定：常用來進(jìn)行蛋糕、人造奶油、冰淇淋、干酪、魚糜糕等許多食品的黏彈性測定。

（2）拉力試驗(yàn)：常用來測定小麥粉面團(tuán)的黏彈性質(zhì)。

（3）套筒流動——波開蒂諾黏度計的設(shè)計原理。

（4）平行板塑性計——可間接測定黏彈性體的黏度。

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2．應(yīng)力松弛試驗(yàn)

黏彈性體在受力變形時，存在著恢復(fù)變形的彈性應(yīng)力。由于內(nèi)部粒子具有流動的性質(zhì)，當(dāng)在內(nèi)部應(yīng)力作用下，各部分粒子流動到平衡位置，產(chǎn)生永久變形時，內(nèi)部的應(yīng)力也隨之消失。這一現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛（stressrelaxation）。

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應(yīng)力松弛性質(zhì)常與食品的口感品質(zhì)有密切關(guān)系。例如人在吃米飯、面條等食品時