食品的力学性质PPT课件.ppt

食品物性学食品物性学食品科学与工程学院食品科学与工程学院高高 昕昕六二楼六二楼119119室室 Tel: 0532-82032182 Tel: 0532-82032182 e-mail:Xingao@e-mail:Xingao@第二章第二章 食品的力学基础食品的力学基础( (食品流变学食品流变学) )第一节第一节 概论概论第二节第二节 弹性弹性第三节第三节 粘性粘性第四节第四节 粘弹性粘弹性第五节第五节 食品质地学与感官评价食品质地学与感官评价第四节第四节 粘弹性粘弹性1.1.麦克斯韦粘弹性麦克斯韦粘弹性(Maxwell)(Maxwell)2.2.开尔芬开尔芬- -沃格特模型沃格特模型(Kelvin-Voigt)(Kelvin-Voigt)3.3.多要素模型多要素模型4.4.时间时间- -温度换算定律温度换算定律5.5.动态粘弹性动态粘弹性6.6.非线性粘弹性非线性粘弹性7.7.破断特性破断特性8.8.粘弹性测定仪器粘弹性测定仪器9.9.9. 9. 几种食品的流变特性几种食品的流变特性第四节第四节 粘弹性粘弹性1.1.麦克斯韦粘弹性麦克斯韦粘弹性(Maxwell)(Maxwell)变形变形变形变形 = = = = 瞬间变形（可恢复）瞬间变形（可恢复）瞬间变形（可恢复）瞬间变形（可恢复） + + + + 永久变形（不能恢复）永久变形（不能恢复）永久变形（不能恢复）永久变形（不能恢复） = = = = 弹性部分弹性部分弹性部分弹性部分 + + + +粘性部分粘性部分粘性部分粘性部分 e e = P/ = P/E + E + ( P/( P/    ) ) t t 瞬间：瞬间：瞬间：瞬间： 弹性体弹性体弹性体弹性体 长时间：粘性体长时间：粘性体长时间：粘性体长时间：粘性体 虎克模型：弹性体模型虎克模型：弹性体模型虎克模型：弹性体模型虎克模型：弹性体模型 阻尼模型：牛顿体模型，没有弹性恢复阻尼模型：牛顿体模型，没有弹性恢复阻尼模型：牛顿体模型，没有弹性恢复阻尼模型：牛顿体模型，没有弹性恢复麦克斯韦粘弹性麦克斯韦粘弹性: :直列模型直列模型直列模型机理：直列模型机理： 弹性位能随时间增长带动弹性位能随时间增长带动阻尼体运动，同阻尼体运动，同阻尼体运动，同阻尼体运动，同时弹簧体收缩，内部应力减少。

时弹簧体收缩，内部应力减少时弹簧体收缩，内部应力减少时弹簧体收缩，内部应力减少应力松弛应力松弛: 保持外力造成的变形，随时间增长，粘弹性体内部粒子保持外力造成的变形，随时间增长，粘弹性体内部粒子保持外力造成的变形，随时间增长，粘弹性体内部粒子保持外力造成的变形，随时间增长，粘弹性体内部粒子相互作用抵消应力达到平衡状态的过程相互作用抵消应力达到平衡状态的过程相互作用抵消应力达到平衡状态的过程相互作用抵消应力达到平衡状态的过程e e = P/ = P/E + E + ( P/( P/    ) t ) t1/1/E E     dP/dtdP/dt + + P/P/    = 0 = 0t = 0, P = Pt = 0, P = P0 0 ; t ; t ∞, P = 0, P = 0 P P = P= P0 0 exp ( - exp ( - E E    t / t /     ) ) = = P P0 0 exp ( - exp ( - t t / /    m ) )   m = =     / / E, E, 松弛时间松弛时间松弛时间松弛时间   m m 时的时的变形是初期应力的变形是初期应力的1/e(1/2.71825)1/e(1/2.71825)2.2.开尔芬开尔芬- -沃格特模型沃格特模型( Kelvin-Voigt)( Kelvin-Voigt)外力造成的变形能够完全恢复的粘弹性；蠕变现象外力造成的变形能够完全恢复的粘弹性；蠕变现象外力造成的变形能够完全恢复的粘弹性；蠕变现象外力造成的变形能够完全恢复的粘弹性；蠕变现象 应力应力应力应力 = = = = 弹性部分弹性部分弹性部分弹性部分 + + + + 粘性部分粘性部分粘性部分粘性部分 P = P = E E     e e + +         de/de/dtdte e = = P P0 0/ /E E    [1 - exp ( - [1 - exp ( - E E    t t / /    )] )] = = P P0 0/ /E E    [1 - exp (- t / [1 - exp (- t /    v)] )]   v v = = = =    / / / /E E E E 弹性滞后时间，弹性滞后时间，弹性滞后时间，弹性滞后时间，   v v 是应变达到最终应变是应变达到最终应变(1- (1- 1/e)1/e)时时所需经过的时间所需经过的时间3.3.多要素模型多要素模型滑块模型（摩擦片）：表示有屈服应力存在的塑性流体性质滑块模型（摩擦片）：表示有屈服应力存在的塑性流体性质滑块模型（摩擦片）：表示有屈服应力存在的塑性流体性质滑块模型（摩擦片）：表示有屈服应力存在的塑性流体性质三要素模型：三要素模型：三要素模型：三要素模型：弹性变形、滞后弹性变形弹性变形、滞后弹性变形弹性变形、滞后弹性变形弹性变形、滞后弹性变形e e = = P P0 0/ /E E1 1 + + P P0 0/ /E E2 2    [1 - exp ( - [1 - exp ( - E E2 2    t /t /    )] )] = = P P0 0/ /E E1 1 + + P P0 0/ /E E2 2    [1 - exp (- t / [1 - exp (- t /    v)] )]，，，， e e∞ - - e e    = ( = (P P / /E E ) / ) / 2.718252.71825四要素模型等效图四要素模型等效图应应应应力力力力松松松松弛弛弛弛蠕蠕蠕蠕变变变变过过过过程程程程解解解解析析析析广义广义麦克斯韦模型麦克斯韦模型P =P =     P Pi i = = e e0 0     E Ei i     exp ( - exp ( - t t / /    mi ) , ) ,    mi = =    mi / / E EmiE E ( ( t t ) =) = P / P / e e0 0 = =     E Ei i     exp ( - exp ( - t t / /    mi ) )nn nn ni=1i=1i=1i=1i=1i=1( a ) 逐次近似法逐次近似法P - P - e e0 0 E E1 1     exp ( - exp ( - t t / /    1) ) = = e e0 0     E Ei i     exp ( - exp ( - t t / /    mi ) )n ni=2i=2(b) (b) (b) (b) 松弛时间分布法：区间段分布论松弛时间分布法：区间段分布论松弛时间分布法：区间段分布论松弛时间分布法：区间段分布论E E ( ( t t ) =) = P / P / e e0 0 = =     E Ei i     exp ( - exp ( - t t / /    mi ) ) 连续的观点连续的观点连续的观点连续的观点E E ( ( t t ) =) =     E E( (   m)    exp(-exp(-t t / /   m) ) d d   m E( m)：：松弛时间分布函数松弛时间分布函数 E E( ( m m) ) d d m m ：：松弛时间曲线，松弛时间曲线，   mimi和和   mi mi + + d d d d   m m间各间各松弛时间所对应松弛时间所对应E E的和的和占模型全体占模型全体E E的的百分比。

百分比0 0∞ ∞E E ( ( t t ) =) =     HH( (lnln   m)    exp ( - exp ( - t t / /   m ) ) d( d( lnln   m )取取取取对数对数对数对数0 0∞ ∞(c) (c) 松弛范围法：松弛范围法：高分子物体高分子物体高分子物体高分子物体楔子型：短松弛时间范围，高分子链断片的松弛构造引起楔子型：短松弛时间范围，高分子链断片的松弛构造引起楔子型：短松弛时间范围，高分子链断片的松弛构造引起楔子型：短松弛时间范围，高分子链断片的松弛构造引起箱形、矩形：较长松弛时间，全体松弛机构构造引起箱形、矩形：较长松弛时间，全体松弛机构构造引起箱形、矩形：较长松弛时间，全体松弛机构构造引起箱形、矩形：较长松弛时间，全体松弛机构构造引起E E E E0 0 0 0101010106 6 6 6(dyn/cm(dyn/cm(dyn/cm(dyn/cm2 2 2 2) ) ) ) E E E E1 1 1 1101010106 6 6 6(dyn/cm(dyn/cm(dyn/cm(dyn/cm2 2 2 2) ) ) )ττττ1 1 1 1(S)(S)(S)(S) ηηηη1 1 1 1101010107 7 7 7(dyn·s/cm(dyn·s/cm(dyn·s/cm(dyn·s/cm2 2 2 2) ) ) ) 破断强度破断强度破断强度破断强度101010106 6 6 6(dyn/cm(dyn/cm(dyn/cm(dyn/cm2 2 2 2) ) ) )样品样品样品样品1 1 1 130.0±8.3 30.0±8.3 30.0±8.3 30.0±8.3 16.7±5.0 16.7±5.0 16.7±5.0 16.7±5.0 12.4±1.712.4±1.712.4±1.712.4±1.720.8±4.8 20.8±4.8 20.8±4.8 20.8±4.8 16.4±2.0 16.4±2.0 16.4±2.0 16.4±2.0 样品样品样品样品2 2 2 24.3±0.6 4.3±0.6 4.3±0.6 4.3±0.6 3.5±0.6 3.5±0.6 3.5±0.6 3.5±0.6 58.2±10.258.2±10.258.2±10.258.2±10.220.3±5.6 20.3±5.6 20.3±5.6 20.3±5.6 8.5±0.8 8.5±0.8 8.5±0.8 8.5±0.8 应力松弛测定结果应力松弛测定结果广义沃格特模型广义沃格特模型e e = =     e ei i = = P P0 0     ( 1/ ( 1/E Ei i ) )       1- 1- exp(-exp(-t t / /   vi ) )       vi = =    vi / / E Evi蠕变柔量蠕变柔量 J ( t ) = e / P P0 0J ( t ) =     ( 1/ ( 1/E Ei i ) )       1- 1- exp(-exp(-t t / /   vi ) )    微分微分微分微分J ( t ) =     J( J(   v ) )       1- 1- exp(-exp(-t t / /   v ) )    d d   v J( J(   v ): ): 滞后时间分布函数滞后时间分布函数滞后时间分布函数滞后时间分布函数 J(J(   v ) ) d d   v : : 滞后频谱滞后频谱滞后频谱滞后频谱( (regardationregardation spectrum)spectrum)4.4.时间时间- -温度换算定律温度换算定律A: 玻璃化领域玻璃化领域B: 玻璃化转移玻璃化转移C: 橡胶状态橡胶状态D: 流动性橡胶状流动性橡胶状E: 流动状态流动状态热流变的单纯性热流变的单纯性热流变的单纯性热流变的单纯性(thermo (thermo (thermo (thermo rheologicallyrheologicallyrheologicallyrheologically simplicity):simplicity):simplicity):simplicity): 物体内存在着多种松弛机构（构造），这些机构在松弛过程物体内存在着多种松弛机构（构造），这些机构在松弛过程物体内存在着多种松弛机构（构造），这些机构在松弛过程物体内存在着多种松弛机构（构造），这些机构在松弛过程中的活化性能（激活能）与其热流变所需能量相等。

中的活化性能（激活能）与其热流变所需能量相等中的活化性能（激活能）与其热流变所需能量相等中的活化性能（激活能）与其热流变所需能量相等 a a a aT T T T = exp( = exp( = exp( = exp(    E / RT )E / RT )E / RT )E / RT ) a a a aT T T T : : : : 移位系数，轴平移量；移位系数，轴平移量；移位系数，轴平移量；移位系数，轴平移量；    E:E:E:E:外观激活能外观激活能外观激活能外观激活能 聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA））温度变化影响温度变化影响 Log TLog T /T/T0 0 0 0 = log T/T = log T/T0 0 = log373/298 = log1.2 = log373/298 = log1.2   0 0聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMAPMMAPMMA））））移动系数和温度关系移动系数和温度关系移动系数和温度关系移动系数和温度关系WLFWLFWLFWLF换算法则换算法则换算法则换算法则（（（（M.G.Williams, M.G.Williams, R.F.LandelR.F.Landel, J.D.Ferry), J.D.Ferry) Log Log Log Log a a a aT T T T = - C = - C = - C = - C1 1 1 1(T-Ts)/(C(T-Ts)/(C(T-Ts)/(C(T-Ts)/(C2 2 2 2+T-Ts)+T-Ts)+T-Ts)+T-Ts) C C C C1 1 1 1,C,C,C,C2 2 2 2: : : : 定数（高分子固体定数（高分子固体定数（高分子固体定数（高分子固体C C C C1 1 1 1=8.86,C=8.86,C=8.86,C=8.86,C2 2 2 2=101.6=101.6=101.6=101.6））））;Ts=Tg+50;Ts=Tg+50;Ts=Tg+50;Ts=Tg+50移位系数的移位系数的移位系数的移位系数的WLFWLFWLFWLF理论值和实验值的比较理论值和实验值的比较理论值和实验值的比较理论值和实验值的比较无定形高分子无定形高分子无定形高分子无定形高分子   ：：：：聚苯乙烯；聚苯乙烯；聚苯乙烯；聚苯乙烯； ：：：：多异乙烯多异乙烯多异乙烯多异乙烯有机低分子溶液有机低分子溶液○○：：葡萄糖；葡萄糖；●●：：甘油；甘油；△△：：丙基酒丙基酒精；精；▲▲：：松香酸；松香酸；□□：：丙烯二醇丙烯二醇聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMAPMMAPMMA））））合成松弛曲线（合成松弛曲线（合成松弛曲线（合成松弛曲线（110℃110℃110℃110℃））））单分散聚苯乙烯（单分散聚苯乙烯（单分散聚苯乙烯（单分散聚苯乙烯（PSPSPSPS））））合成松弛曲线（合成松弛曲线（合成松弛曲线（合成松弛曲线（115℃115℃115℃115℃））））硫化天然橡胶柔度合成曲线（硫化天然橡胶柔度合成曲线（硫化天然橡胶柔度合成曲线（硫化天然橡胶柔度合成曲线（-56℃-56℃-56℃-56℃））））不同分子量聚苯乙烯（不同分子量聚苯乙烯（不同分子量聚苯乙烯（不同分子量聚苯乙烯（PSPSPSPS））））贮藏弹性率合成曲线（贮藏弹性率合成曲线（贮藏弹性率合成曲线（贮藏弹性率合成曲线（160℃160℃160℃160℃））））冷冻鱼糜的热流变的单纯性冷冻鱼糜的热流变的单纯性冷冻鱼糜的热流变的单纯性冷冻鱼糜的热流变的单纯性基准温度基准温度基准温度基准温度30℃30℃30℃30℃，活化能，活化能，活化能，活化能 = 25-30kcal/mol= 25-30kcal/mol= 25-30kcal/mol= 25-30kcal/mol5. 5. 动态粘弹性动态粘弹性静态测定静态测定: : 简便、直观简便、直观 缺点缺点 1)1)粘性突出物质粘性突出物质( (易流动易流动) ) 2) 2)弹性突出物质弹性突出物质 3)3)线形变化范围线形变化范围动态测定动态测定（流态物质）：正弦波、共振、脉冲振动式（流态物质）：正弦波、共振、脉冲振动式基本公式基本公式: e = e: e = e0 0sin(sin( t-t- ) P = P) P = P0 0sin(sin( t+t+ ) ) P = PP = P0 0exp(iexp(i t) = Pt) = P0 0cos(cos( t)+iPt)+iP0 0sin(sin( t t) ) e = ee = e0 0sin(sin( t-t- ) = e) = e0 0cos(cos( t)+iet)+ie0 0sin(sin( t t) ) E E* * = E’ + = E’ + iEiE” (G” (G* * = G’ + = G’ + iGiG”) ”)  * = * =  ’ - ’ - i i ””应用：应用：小小振幅、振幅、 低频率振动低频率振动（（P P 、、 e e 、、频率）频率） 1 1）内部结构）内部结构 2 2）凝胶点测定）凝胶点测定 3 3）玻璃化转变温度）玻璃化转变温度 4 4）感官感受性）感官感受性体系的复合模量与振荡应变的关系体系的复合模量与振荡应变的关系 卡拉胶与魔芋胶在冷却和加热过程中卡拉胶与魔芋胶在冷却和加热过程中G G′′和和G G″″的变化的变化 ◆ ◆ 为为G G′′；；▲▲为为G G″6. 6. 非线性粘弹性非线性粘弹性WeissonWeisson berg berg 韦森韦森伯格现象伯格现象Sigma Sigma 现象现象Barus effect7. 7. 破断特性破断特性脆性破坏：瞬时破碎特性脆性破坏：瞬时破碎特性延性破坏：变形后破坏特性延性破坏：变形后破坏特性指标：指标：指标：指标：1 1 1 1）力：切断、拉伸、凹陷）力：切断、拉伸、凹陷）力：切断、拉伸、凹陷）力：切断、拉伸、凹陷 2 2 2 2）针入度）针入度）针入度）针入度 3 3 3 3）破断能量）破断能量）破断能量）破断能量硬度硬度硬度硬度(hardness): H(hardness): H(hardness): H(hardness): H1 1 1 1弹力性弹力性弹力性弹力性( ( ( (springnessspringnessspringnessspringness): C-B ): C-B ): C-B ): C-B 凝集性凝集性凝集性凝集性(cohesivenss):A(cohesivenss):A(cohesivenss):A(cohesivenss):A2 2 2 2/A/A/A/A1 1 1 1粘力性粘力性粘力性粘力性(stickiness): H(stickiness): H(stickiness): H(stickiness): H2 2 2 2附着性附着性附着性附着性(adhesiveness)(adhesiveness)(adhesiveness)(adhesiveness)：：：：A A A A3 3 3 3脆性脆性脆性脆性(brittleness)(brittleness)(brittleness)(brittleness)：：：：F F F F胶粘性胶粘性胶粘性胶粘性(gumminess)(gumminess)(gumminess)(gumminess)：：：： 硬度硬度硬度硬度××××凝集性凝集性凝集性凝集性( ( ( (半固形食品半固形食品半固形食品半固形食品) ) ) )咀嚼性咀嚼性咀嚼性咀嚼性( ( ( (chewinesschewinesschewinesschewiness):):):): 硬度硬度硬度硬度××××凝集性凝集性凝集性凝集性××××弹性（固体）弹性（固体）弹性（固体）弹性（固体）质地剖面分析质地剖面分析(TPA)(TPA)①①①①硬度硬度硬度硬度: : : :第一次穿刺样品时的压力峰值第一次穿刺样品时的压力峰值第一次穿刺样品时的压力峰值第一次穿刺样品时的压力峰值 ②②②②弹力性弹力性弹力性弹力性: : : :长度长度长度长度2/ 2/ 2/ 2/ 长度长度长度长度1 1 1 1 ③③③③凝集性凝集性凝集性凝集性: : : :面积面积面积面积2/ 2/ 2/ 2/ 面积面积面积面积1 1 1 1④④④④粘着性粘着性粘着性粘着性: : : :面积面积面积面积3/ 3/ 3/ 3/ 面积面积面积面积4 4 4 4⑤⑤⑤⑤咀嚼性咀嚼性咀嚼性咀嚼性: : : :硬度硬度硬度硬度××××粘聚性粘聚性粘聚性粘聚性××××弹性弹性弹性弹性 玻璃状态转折玻璃状态转折分子运动容易度分子运动容易度温度下降快慢温度下降快慢固定位置固定位置回转方向回转方向时间时间玻璃化状态玻璃化状态玻璃化玻璃化、、溶解溶解玻璃化玻璃化、、结晶结晶、、溶解溶解8.8.食品质地的仪器测定食品质地的仪器测定1 1、变形、破坏类型：、变形、破坏类型：压缩、剪断、切入（刀片、钢丝）、插入（针入度压缩、剪断、切入（刀片、钢丝）、插入（针入度仪）、搅拌、拉伸、剪压仪）、搅拌、拉伸、剪压7 7类类2 2、测定仪器、测定仪器（（1 1）静态流变仪（固态、半固态、凝胶体））静态流变仪（固态、半固态、凝胶体）（（2 2）动态流变仪（流态物质）：正弦波、共振、）动态流变仪（流态物质）：正弦波、共振、脉冲振动式脉冲振动式。