食品的力学性质和流变学基础

1、第二章 食品的力学性质和流变学基础,食品物质的胶黏性 食品物性构成体系与力学性质的复杂性 胶体的概念 分散系统的胶体 食品的胶黏性与食品加工 食品流变学 食品流变学概述 食品的黏性 食品的黏弹性,第一节 食品物质的胶黏性,2、胶体的概念： 除了纯液体食品外，几乎所有的食品在食用时的状态都可以看做胶体。 胶体系统主要由胶体粒子(colloidal particle)组成，是一种多相分散系统，也称为非均质分散系统。,胶体粒子的大小和胶体的特征,第一节 食品物质的胶黏性,3、分散系统的胶体： 按照胶体粒子在分散系统中的存在状态，可以把胶体系统分成9种。,食品胶体系统的分类,第一节 食品物质的胶黏性, 气溶胶：稳定性 粉末 表观比体积：单位质量粉末所充填的体积。 表观密度：包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。 孔隙率：一定体积的粉末中，空隙所占体积的比率。 孔隙率V0/V=(V-V1)/V 气泡(bubble)：在液体中分散有许多气体的分散系统,第一节 食品物质的胶黏性, 乳胶体： 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。 水包油型(O/W)，油包水型(W/O)。在

2、外力的强烈作用下，两者可相互转化。,第一节 食品物质的胶黏性, 乳胶体： 多相乳胶体(multilayer emulsion)，把(O/W)或(W/O)型乳胶体整个看成一个连续相，再向其中加入水或油后，得到的一种均一体系。包括W/O/W或O/W/O型乳胶体。,第一节 食品物质的胶黏性, 乳胶体： 乳胶体类型的判断： 稀释法：将1滴乳胶液滴滴入水中，如果它能扩散到整个水中，就是O/W型，反之就是W/O型。 导电法：水和油的导电性质有很大差异，用电流计的两极插入乳胶液中，入会路线是通电，则为O/W型，反之为W/O型。 色素染色法：利用色素是否溶解于连续相来判断。用不溶于油的水溶性色素（如甲基橙）加入乳胶体中，如果溶解，则为O/W型，反之为W/O型。,第一节 食品物质的胶黏性, 溶胶和凝胶：大部分食品的主要形态。 溶胶(sol)：可以流动的胶体溶液。把分散介质（连续相）是水的胶体称为亲水性胶体(hydrocolloid)，对这样的溶胶称为水溶胶(hydrosol)。 凝胶(gel)：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

3、胶。 干凝胶(xerogel)：凝胶放置后，逐渐离浆脱水成为干燥状态，称为干凝胶。干凝胶浸泡在水中，一般会吸水变软，称为膨润。,第一节 食品物质的胶黏性, 溶胶和凝胶： 凝胶的形成机理：有纤维状高分子相互缠结，或分子间键结合，得到三维的立体网络结构而形成。水保持在网络的网格中，全体失去流动性质。 凝胶可分为热不可逆凝胶（蛋白凝胶）和热可逆凝胶（多糖凝胶）或易离水凝胶（豆腐）和难离水凝胶（果冻）。 离浆：凝胶经过一段时间放置后，网格会逐渐收缩，并把网格中的水挤出来。 凝胶的重要性：很多食品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、风味起着决定的作用；研究和改善食品的质地(texture)，主要是研究凝胶状态物质的模型。,第二节 食品流变学,1、食品流变学概述 流变学(rheology)：研究物质在力作用下变性或流动，以及力的作用时间对变形的影响的科学。 流变学的研究对象一般指：油脂、橡皮、淀粉、蛋白、等力学性质介于固体和液体之间的物质。对这些物质的黏性、塑性、触变性、黏弹性等现象进行研究，从这些物质的构造、组成上解释以上现象，找出其表现规律。,第二节 食品流变学,1、食品流变

4、学概述 由于力学性质与食品的化学成分、分子构造、分子内结合状态、分子间结合状态、分散状态、以及组织构造有极大关系，因此流变学可以说是食品力学性质方面的物性理论。 食品流变学研究的对象是所有的食品和食品原材。 食品流变学研究的目的是要解决实际食品加工中出现的各种问题 ，提高食品的品质和质量。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （1）应力与应变的概念 应力(stress)：单位面积所承受的作用力 正应力：受力面积与施力方向垂直,剪应力(shear stress)：受力面积与施力方向互相正交 应变(strain)：外力作用下不产生位移时，几何形状和尺寸的变化（形变）。 剪切应变(shear strain)：在剪切应力作用下的形变。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （1）应力与应变的概念 剪切速率：液体流动过程中，剪切应变与所需时间之比为剪切速率，也称为应变速率或速率梯度，单位为s-1。 对于流体而言，内部某一点的剪切速率又可以表述为该点的即时速度与该点形变的截面尺寸的比值，即s-1 。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （2）黏度的概念(viscosity) 流体在流动时，阻碍流体流

5、动的性质称为黏性。黏性是表征流体流动性质的指标。 黏性产生的原因：从微观上讲就是流体受力作用，其质点间作相对运动时产生阻力的性质。这种阻力来自内部分子运动和分子引力。 黏性的大小用黏度（或称黏性率、黏性系数）来表示。 根据变形的方式，黏度可以分为剪切黏度、延伸黏度和体积黏度。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （2）黏度的概念 牛顿流动状态方程：描述流体的应力与应变的关系，由于液体受剪切应力作用，变形表现为流动，即剪切速率的大小，因此流动状态方程表述为： 式中为剪切应力；为剪切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，被定义为黏度(viscosity)。黏度的倒数称为流度(fluidity)。 黏度的值等于流体在剪切速率为1 s-1时所产生的剪切力，单位是Pas（泊），常用单位有厘泊(cP)。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （2）黏度的概念 非牛顿流动状态方程：自然界中的液体，多不符合牛顿流体定律，其流动状态方程可由经验公式表示。 式中k为黏性常数，与液体浓度有关，也称浓度系数；n为流态特性指数。 令 ，则 。 为表观黏度(apparent viscosity)。不

6、但与 k 和 n 有关，还是剪切速率的函数，即为液体在某一定流速下的黏度。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （2）黏度的概念 对实际的许多流体，当施加应力时不会产生流动，需要将应力增大到某一个定值0后，液体才开始流动。因此流动状态方程又进一步被表述为： 式中0为屈服应力(yield value)。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （3）流体的分类,牛顿流体(n=1),假塑性流体(0n1),胀塑性流体(n1),塑性流体(0 0),触变性流体,胶变性流体,液体,宾汉流体,非宾汉流体,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （4）牛顿流体 凡是符合牛顿流动状态方程的液体(n=1)，即应力与剪切速率成正比的流体（黏度不随剪切速率的变化而变化），称为牛顿流体。 特点：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。 理想的牛顿流体没有弹性，不可压缩，各向同性，所以自然界中是不存在牛顿流体的。水、液糖、酒、油等可近似为牛顿流体。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （5）假塑性流体(pseudoplastic flow) 流动状态方程中，当0n1时，即表观黏度随剪切应力或剪切速率的增大

7、而减小时，称为假塑性流体，也称为剪切稀化流体。 特点：无屈服应力0 ，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。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （5）假塑性流体(pseudoplastic flow) 大部分液态食品都是假塑性流体。 随着温度的升高，k值降低，表明高温会降低液体的黏度。这是因为升高温度，有利于液体分子的运动，使其阻碍应力作用的阻力减小。 n值越小，随着流速的增加，黏滞阻力增加越慢，这是因为n越小，液体内部构造越弱，随着剪切流速的增大，其内部分子结合而形成的阻力由于构造破坏而减少的缘故。（n越小，液体的表观黏度越大，越黏稠。）,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （6）胀塑性流体(dilatant flow) 流动状态方程中，当n1时，即表观黏度随剪切应力或剪切速率的增大而增大时，称为胀塑性流体，也称为剪切增稠流体。 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。,液体食品中胀塑性流体不很多，比较典型的是生淀粉糊。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 关于剪切稀化的解释： 胶体粒子间结合力的变化：对于比较稠密的分散系

8、统粒子，分子间的弱结合力使它们之间形成网架构造，当液体受剪切应力作用时，会破坏或增强网架构造，从而表现黏度降低或增加。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 关于剪切稀化的解释： 胶体粒子的变形：液体中的链状巨大的高分子胶体粒子，在静止或低流速时，互相勾挂缠结，黏度较大。但当流速增大时（剪切应力作用），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，黏度降低。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 关于剪切增稠流体的解释： 胀容现象：当施加应力较小时，由于水的滑动和流动作用，胶体糊表现出的黏性阻力较小。可是如果用力搅动，那么处于致密排列的粒子就会成为多孔隙的疏松排列构造,原来的水分再也不能填满粒子之间的间隙、粒子与粒子间的黏性阻力就会骤然增加，甚至失去流动的性质。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （7）塑性流体(plastic flow) 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。,宾汉流体,非宾汉流体,第二节 食品流

9、变学,2、食品的黏性 （8）触变性流体(thixotropy) 又称摇溶性流体，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。 特点：振动、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）。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （8）触变性流体(thixotropy) 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。 机理：随着剪切应力的增加，粒子之间形成的结合构造受到破坏，因此黏性减少。但这些粒子间结合构造在停止应力作用时，恢复需要一段时间，逐渐形成。因此，剪切速率减慢时的曲线在前次增加曲线的下方，形成了与流动时间有关的履历曲线 。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （9）胶变性流体(rheopexy) 胶变性流动与触变性流动相反，液体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。 特点：振动、摇动流动性减弱；加载曲线在卸载曲线之下，也能形成与流动时间有关的履历曲线(滞变回环）。,第二节 食品流变学,2、食品的黏性 （9）胶变性流体(rheopexy) 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。 有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感，如面团。,第二节 食品流变学,3、食品的黏弹性 （1）黏弹性基本概念 施加作用力，产生形变，去掉作用力，形变恢复弹性 施加作用力产生形变后，去掉作用力不会恢复黏性。 当施以作用力时，把既有弹性又有黏性的物体，称为黏弹性物质或黏弹性体。,第二节 食品流变学,3、食品的黏弹性 （1）黏弹性基本概念 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。因此，换句话说，通过测定食品的黏弹性就可以把握以上食品的状态。,第二节 食品流变学,3、食品的黏弹性 （2）应力应变曲线分析：,A：脆性材料； B：具有屈服点的韧性材料； C：不具有屈服点的韧性材料。,第二节 食品流变学,3、食品的黏弹性 （2）应力应变曲线分析： A. 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

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