食品物性學第二章食品的力學性質和流變學基礎

食品物性學第二章食品的力學性質和流變學基礎第一節(jié)食品物質的膠黏性2、膠體的概念：

除了純液體食品外，幾乎所有的食品在食用時的狀態(tài)都可以看做膠體。膠體系統(tǒng)主要由膠體粒子(colloidalparticle)組成，是一種多相分散系統(tǒng)，也稱為非均質分散系統(tǒng)。類型高分子溶液膠體溶液懸濁液粒子大小

1nm1～100nm約200nm觀察手段電子顯微鏡電子顯微鏡，超顯微鏡光學顯微鏡滲透性可通過半透膜可透過濾紙，但不能透過半透膜不能透過濾紙透光性透明顯示廷德爾現(xiàn)象很混濁膠體粒子的大小和膠體的特征第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性3、分散系統(tǒng)的膠體：

按照膠體粒子在分散系統(tǒng)中的存在狀態(tài)，可以把膠體系統(tǒng)分成9種。連續(xù)相分散相類別名稱食品舉例氣體液體氣溶膠彌漫香氣的霧固體粉末淀粉、小麥粉、砂糖、脫脂奶粉等液體氣體泡沫摜奶油、軟冰淇淋、啤酒沫等液體乳膠體牛奶、生奶油、黃油、卵黃、蛋黃醬等固體懸膠體果汁、湯汁溶膠調味汁、肉湯、淀粉糊凝膠果凍、涼粉、雞蛋羹、豆腐固體氣體固體泡面包、饅頭、蛋糕、餅干液體固體凝膠果凍、熟米飯粒食品膠體系統(tǒng)的分類第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性?氣溶膠：穩(wěn)定性?粉末表觀比體積：單位質量粉末所充填的體積。

表觀密度：包括粉末間隙在內的單位體積粉體的質量。

孔隙率：一定體積的粉末中，空隙所占體積的比率?？紫堵剩絍0/V=(V-V1)/V?氣泡(bubble)：在液體中分散有許多氣體的分散系統(tǒng)第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性?乳膠體：兩種互不相溶的液體，其中一方為微小的液滴分散在另一方液體中的膠體。

水包油型(O/W)，油包水型(W/O)。在外力的強烈作用下，兩者可相互轉化。第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性?乳膠體：多相乳膠體(multilayeremulsion)，把(O/W)或(W/O)型乳膠體整個看成一個連續(xù)相，再向其中加入水或油后，得到的一種均一體系。包括W/O/W或O/W/O型乳膠體。第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性?乳膠體：

乳膠體類型的判斷：①稀釋法：將1滴乳膠液滴滴入水中，如果它能擴散到整個水中，就是O/W型，反之就是W/O型。②導電法：水和油的導電性質有很大差異，用電流計的兩極插入乳膠液中，入會路線是通電，則為O/W型，反之為W/O型。③色素染色法：利用色素是否溶解于連續(xù)相來判斷。用不溶于油的水溶性色素（如甲基橙）加入乳膠體中，如果溶解，則為O/W型，反之為W/O型。第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性?溶膠和凝膠：大部分食品的主要形態(tài)。溶膠(sol)：可以流動的膠體溶液。把分散介質（連續(xù)相）是水的膠體稱為親水性膠體(hydrocolloid)，對這樣的溶膠稱為水溶膠(hydrosol)。

凝膠(gel)：在分散介質中的膠體粒子或高分子溶質，形成整體構造而失去了流動性，或膠體全體雖含有大量液體介質而固化的狀態(tài)稱為凝膠。

干凝膠(xerogel)：凝膠放置后，逐漸離漿脫水成為干燥狀態(tài)，稱為干凝膠。干凝膠浸泡在水中，一般會吸水變軟，稱為膨潤。第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)食品物質的膠黏性

?溶膠和凝膠：

凝膠的形成機理：有纖維狀高分子相互纏結，或分子間鍵結合，得到三維的立體網(wǎng)絡結構而形成。水保持在網(wǎng)絡的網(wǎng)格中，全體失去流動性質。

凝膠可分為熱不可逆凝膠（蛋白凝膠）和熱可逆凝膠（多糖凝膠）或易離水凝膠（豆腐）和難離水凝膠（果凍）。

離漿：凝膠經(jīng)過一段時間放置后，網(wǎng)格會逐漸收縮，并把網(wǎng)格中的水擠出來。

凝膠的重要性：很多食品是在凝膠狀態(tài)下食用的；凝膠狀態(tài)食品的力學性質對其口感、風味起著決定的作用；研究和改善食品的質地(texture)，主要是研究凝膠狀態(tài)物質的模型。第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學1、食品流變學概述

流變學(rheology)：研究物質在力作用下變性或流動，以及力的作用時間對變形的影響的科學。流變學的研究對象一般指：油脂、橡皮、淀粉、蛋白、等力學性質介于固體和液體之間的物質。對這些物質的黏性、塑性、觸變性、黏彈性等現(xiàn)象進行研究，從這些物質的構造、組成上解釋以上現(xiàn)象，找出其表現(xiàn)規(guī)律。第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學1、食品流變學概述

由于力學性質與食品的化學成分、分子構造、分子內結合狀態(tài)、分子間結合狀態(tài)、分散狀態(tài)、以及組織構造有極大關系，因此流變學可以說是食品力學性質方面的物性理論。食品流變學研究的對象是所有的食品和食品原材。食品流變學研究的目的是要解決實際食品加工中出現(xiàn)的各種問題，提高食品的品質和質量。第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（1）應力與應變的概念應力(stress)：單位面積所承受的作用力正應力：受力面積與施力方向垂直剪應力(shearstress)：受力面積與施力方向互相正交應變(strain)：外力作用下不產(chǎn)生位移時，幾何形狀和尺寸的變化（形變）。剪切應變(shearstrain)：在剪切應力作用下的形變。第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（1）應力與應變的概念剪切速率：液體流動過程中，剪切應變與所需時間之比為剪切速率，也稱為應變速率或速率梯度，單位為s-1。對于流體而言，內部某一點的剪切速率又可以表述為該點的即時速度與該點形變的截面尺寸的比值，即s-1。第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（2）黏度的概念(viscosity)流體在流動時，阻礙流體流動的性質稱為黏性。黏性是表征流體流動性質的指標。黏性產(chǎn)生的原因：從微觀上講就是流體受力作用，其質點間作相對運動時產(chǎn)生阻力的性質。這種阻力來自內部分子運動和分子引力。黏性的大小用黏度（或稱黏性率、黏性系數(shù)）來表示。根據(jù)變形的方式，黏度可以分為剪切黏度、延伸黏度和體積黏度。第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（2）黏度的概念牛頓流動狀態(tài)方程：描述流體的應力與應變的關系，由于液體受剪切應力作用，變形表現(xiàn)為流動，即剪切速率的大小，因此流動狀態(tài)方程表述為：式中σ為剪切應力；η為剪切應力與剪切速率之間的比例系數(shù)，表示液體流動的阻力大小，被定義為黏度(viscosity)。黏度的倒數(shù)φ稱為流度(fluidity)。黏度的值等于流體在剪切速率為1s-1時所產(chǎn)生的剪切力，單位是Pa·s（泊），常用單位有厘泊(cP)。

第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（2）黏度的概念非牛頓流動狀態(tài)方程：自然界中的液體，多不符合牛頓流體定律，其流動狀態(tài)方程可由經(jīng)驗公式表示。式中k為黏性常數(shù)，與液體濃度有關，也稱濃度系數(shù)；n為流態(tài)特性指數(shù)。令，則。ηα為表觀黏度(apparentviscosity)。不但與k和n有關，還是剪切速率的函數(shù)，即為液體在某一定流速下的黏度。

第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（2）黏度的概念對實際的許多流體，當施加應力時不會產(chǎn)生流動，需要將應力σ增大到某一個定值σ0后，液體才開始流動。因此流動狀態(tài)方程又進一步被表述為：式中σ0為屈服應力(yieldvalue)。第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（3）流體的分類牛頓流體(n=1)假塑性流體(0<n<1)脹塑性流體(n>1)塑性流體(σ0≠0)觸變性流體膠變性流體液體賓漢流體非賓漢流體第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（4）牛頓流體凡是符合牛頓流動狀態(tài)方程的液體(n=1)，即應力與剪切速率成正比的流體（黏度不隨剪切速率的變化而變化），稱為牛頓流體。特點：剪切應力與剪切速率成正比，黏度不隨剪切速率的變化而變化。理想的牛頓流體沒有彈性，不可壓縮，各向同性，所以自然界中是不存在牛頓流體的。水、液糖、酒、油等可近似為牛頓流體。第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（5）假塑性流體(pseudoplasticflow)流動狀態(tài)方程中，當0<n<1時，即表觀黏度隨剪切應力或剪切速率的增大而減小時，稱為假塑性流體，也稱為剪切稀化流體。特點：無屈服應力σ0，即應力應變曲線通過坐標原點；隨著流速的增加，表觀黏度減少。第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（5）假塑性流體(pseudoplasticflow)大部分液態(tài)食品都是假塑性流體。隨著溫度的升高，k值降低，表明高溫會降低液體的黏度。這是因為升高溫度，有利于液體分子的運動，使其阻礙應力作用的阻力減小。n值越小，隨著流速的增加，黏滯阻力增加越慢，這是因為n越小，液體內部構造越弱，隨著剪切流速的增大，其內部分子結合而形成的阻力由于構造破壞而減少的緣故。（n越小，液體的表觀黏度越大，越黏稠。）第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（6）脹塑性流體(dilatantflow)流動狀態(tài)方程中，當n>1時，即表觀黏度隨剪切應力或剪切速率的增大而增大時，稱為脹塑性流體，也稱為剪切增稠流體。特點：無屈服應力，即應力應變曲線通過坐標原點；隨著剪切流速的增加，表觀黏度增加。液體食品中脹塑性流體不很多，比較典型的是生淀粉糊。第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性關于剪切稀化的解釋：膠體粒子間結合力的變化：對于比較稠密的分散系統(tǒng)粒子，分子間的弱結合力使它們之間形成網(wǎng)架構造，當液體受剪切應力作用時，會破壞或增強網(wǎng)架構造，從而表現(xiàn)黏度降低或增加。第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性關于剪切稀化的解釋：膠體粒子的變形：液體中的鏈狀巨大的高分子膠體粒子，在靜止或低流速時，互相勾掛纏結，黏度較大。但當流速增大時（剪切應力作用），使得比較散亂的鏈狀粒子滾動旋轉而收縮成團，減少了互相的勾掛，黏度降低。第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性關于剪切增稠流體的解釋：脹容現(xiàn)象：當施加應力較小時，由于水的滑動和流動作用，膠體糊表現(xiàn)出的黏性阻力較小。可是如果用力攪動，那么處于致密排列的粒子就會成為多孔隙的疏松排列構造,原來的水分再也不能填滿粒子之間的間隙、粒子與粒子間的黏性阻力就會驟然增加，甚至失去流動的性質。第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（7）塑性流體(plasticflow)塑性流動是指流動特性曲線不通過原點的流動。食品液體中，有許多在小的應力作用時并不發(fā)生流動，表現(xiàn)出固體那樣彈性性質，當應力超過某一界限值σ0時才開始流動。特點：有屈服應力，即應力應變曲線不通過坐標原點。賓漢流體非賓漢流體第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（8）觸變性流體(thixotropy)又稱搖溶性流體，當液體在振動、攪拌、搖動時，其黏性減少，流動性增加，但靜置一段時間后，流動又變得困難。特點：振動、搖動流動性增加；加載曲線在卸載曲線之上，并形成了與流動時間有關的履歷曲線(滯變回環(huán)）。第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（8）觸變性流體(thixotropy)代表性的食品有西紅柿調味醬、蛋黃醬、加糖煉乳等。呈現(xiàn)觸變現(xiàn)象的食品口感比較柔和爽口。機理：隨著剪切應力的增加，粒子之間形成的結合構造受到破壞，因此黏性減少。但這些粒子間結合構造在停止應力作用時，恢復需要一段時間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時的曲線在前次增加曲線的下方，形成了與流動時間有關的履歷曲線。第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（9）膠變性流體(rheopexy)膠變性流動與觸變性流動相反，液體隨著流動時間的增加，變得越來越黏稠。特點：振動、搖動流動性減弱；加載曲線在卸載曲線之下，也能形成與流動時間有關的履歷曲線(滯變回環(huán)）。第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學2、食品的黏性（9）膠變性流體(rheopexy)當流速逐漸加大，達到最大值后，再逐漸減低流速，減低流速時的流動曲線反而在加大流速曲線的上方。這說明流動促進了液體粒子間構造的形成。有這種現(xiàn)象的食品往往給人以黏稠的口感，如面團。第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（1）黏彈性基本概念施加作用力，產(chǎn)生形變，去掉作用力，形變恢復——彈性施加作用力產(chǎn)生形變后，去掉作用力不會恢復——黏性。當施以作用力時，把既有彈性又有黏性的物體，稱為黏彈性物質或黏彈性體。第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（1）黏彈性基本概念食品的力學性質由化學組成、分子構造、分子內結合、分子間結合、膠體組織、分散狀態(tài)等因素決定。因此，換句話說，通過測定食品的黏彈性就可以把握以上食品的狀態(tài)。第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（2）應力—應變曲線分析：A：脆性材料；B：具有屈服點的韌性材料；C：不具有屈服點的韌性材料。第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（2）應力—應變曲線分析：A.宏觀應變：是指平均應變范圍為大于原子間距離的有限尺寸場合下的應變。B.微觀應變：是指應變尺寸范圍為原子距離數(shù)量級的應變。C.壓縮強度：物質所能承受的最大壓縮應力，即試驗時試樣能承受的最大荷重和與試料的最初斷面積之比。D.彈性率：在彈性極限范圍內，應力和應變之比。第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（2）應力—應變曲線分析：E.屈服點(yieldpoint)：當載荷增加，應力達到最大值后，應力不再增加，而應變依然增加時的應力。F.屈服強度（彈性極限）：應變和應力之間的線性關系，在有限范圍內不再保持時的應力點的應力。H.生物屈服點：應力應變曲線中，應力開始減少或應變不再隨應力變化的點。一般生鮮食品都具有生物屈服點，在此點處，物質的細胞構造開始受到破壞。G.破斷點：在應力—應變曲線上，當作用力引起物質破碎或斷裂的點。第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（2）應力—應變曲線分析：H.脆性斷裂：屈服點與斷裂點幾乎一致的斷裂情況。I.延性斷裂：指塑性變形之后的斷裂。J.斷裂能：應力在斷裂前所作的功。表示應力—應變曲線與橫坐標包圍的面積。K.剛度：當變形未超過彈性極限時，應力—應變曲線的斜率。L.彈性：物質受力后恢復原形的性質。M.塑性：物質受力后產(chǎn)生永久變形的性質。第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（2）應力—應變曲線分析：N.彈性度：物質在去掉外力作用后，彈性變形和總變形量之比。彈性度=Se/(Sp+Se)。O.強度：物質承受施加外力的能力。P.堅韌性(強韌性)：使物質達到破斷時所需要做的功。Q.彈性能：物質以彈性變形形式保存的能量，為應力—應變曲線上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。第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（2）應力—應變曲線分析：R.力學滯后：在載荷的加除過程中物質吸收的能量，它等于應力—應變曲線與回路曲線中包圍部分的面積。力學滯后表示能量的損耗，也就是物質在變形過程中轉化為熱能損失的性質。S.應力松弛：試料在瞬時變形后，并保持變形時，應力隨時間經(jīng)過而消失的過程。第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（3）彈性變形：A.楊氏模量：物體受正應力作用產(chǎn)生軸向的變形稱為拉伸變形，表示拉伸變形的彈性模量稱為楊氏模量。根據(jù)胡克定律σ=E·

ε，比例系數(shù)E即為楊氏模量，由于ε無量綱，所以楊氏模量的單位與σ的單位相同，為N/m2或Pa。

樣品楊氏模量(Pa)小麥面團105瓊膠、明膠105~106意大利干掛面1011第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（3）彈性變形：B.泊松比：表現(xiàn)彈性拉伸變形的物性參數(shù)，即物體受力發(fā)生形變時，橫向應變與縱向應變的比值。根據(jù)物體不同，泊松比的取值在0～0.5之間。

樣品泊松比小麥粉面團0.50切達干酪0.50明膠（水分80%）0.50馬鈴薯0.49蘋果0.37面包中心部0第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（4）黏彈性體的特點：A.曳絲性(threadformingproperty)：是物體黏性和彈性雙重性質的表現(xiàn)。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程度表示曳絲性的大小。

發(fā)酵豆種類曳絲距離(cm)大豆100

150小豆5

10菜豆20

30豌豆20第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（4）黏彈性體的特點：B.維森伯格效果(Weissenbergeffect)：將某些液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，當急速轉動玻璃棒或容器時，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。原因：由于液體具有的彈性，使得棒在旋轉時，纏繞在棒上的液體將周圍的液體不斷拉向中心，而內部的液體則把拉向中心的液體向上頂，而形成了沿棒而上的現(xiàn)象。

應用：只有具有彈性的液體才會出現(xiàn)，可用于判斷食品液體的結構組織情況。黏度大的液體旋轉時，棒周圍的液體會在離心力作用下凹下。

第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（5）黏彈性的基本力學方程：建立力學模型的目的，可使復雜的黏彈性體流變問題得到簡化，并使之歸納為可以用數(shù)學公式表示的規(guī)律，從中搞清楚控制或測定其流變性質的方法?；⒖四Ｐ妥枘崮Ｐ突瑝K模型麥克斯韋模型開爾芬-沃格特模型四要素模型多要素模型

組合第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（6）靜黏彈性(staticviscoelasticity)：用靜態(tài)測定法(staticmethod)所揭示的物體的黏彈性質，如拉伸（壓縮）測試所得到的彈性率，蠕變性質的滯后時間、蠕變柔量，松弛彈性的應力松弛時間等。

基本流變特性參數(shù)測定法應力松弛實驗蠕變實驗滯變曲線雙重剪切測定測試方法拉力試驗套筒流動平行板塑性計第44頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（6）靜黏彈性(staticviscoelasticity)：A.基本流變特性參數(shù)特定法

第45頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)食品流變學3、食品的黏彈性（6）