范文一:食品流变学
1 内容提要
本章主要介绍了食品流变学的定义及研究目的,液态、固态、半固态食品的流变特性,以及食品流变性质的测定方法和食品流变学的应用。
2 重点难点
, 粘性流体的流变学基础理论,包括牛顿粘性定律,牛顿流体、假塑性流体、胀
塑性液体、宾汉流体各自的特征;
, 液态食品分散体系的粘度表示方法以及影响液态食品粘度的因素;
, 粘弹性的力学模型,掌握单要素和多要素模型;
, 应力松弛、蠕变和滞后曲线实验。
4.1 食品流变学的定义及研究目的
4.1.1 食品流变学
流变学(IRheology)是研究物质的流动和变形的科学,它与物质的组织结构有密切关系。食品流变学主要研究作用于物体上的应力和由此产生的应变规律,是力、变形和时间的函数。食品流变学研究的对象是食品物质。食品物质种类繁多,为了研究方便,食品流变学把食品物质按形态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品。即把主要具有流体性质的食品物质归属于液态食品;主要具有固体性质的食品物质归属于固态食品;同时表现出固体性质和流体性质的食品物质归属于半固态食品。液体又可分为两大类。符合牛顿豁性定律的液体称之为牛顿流体;不符合牛顿豁性定律的液体称之为非牛顿流体。把具有弹性的豁性流体归属于塑性流体。
食品流变学在食品物性学中占有非常重要的地位。食品流变性质对食品的运输、传送、加工工艺以致人在咀嚼食品时的满足感等都起非常重要的作用。特别是在食品的烹饪、加工过程中,通过对流变性质的研究不仅能够了解食品组织结构的变化情况,而且还可以找出与加工过程有关的力学性质的变化规律,从而可以控制产品的质量,鉴别食品的优劣,还可以为工艺及设备的设计提供有关数据。
4.1.2 食品流变学的研究目的
食品流变学的研究目的有以下四种。
(1)食品流变学实验可用于鉴别食品的原材料、中间产品,也可用于控制生产过程。食品流变学对提高食品质量、调节生产工艺过程等都有一定的作用。例如在制作面包的过程中控制面团的流变性质就是一个例子。
(2)用食品流变仪测定法来代替感官评定法,定量地评定食品的品质、鉴定和预测顾客对某种食品是否满意。
(3)用流变学理论可以解释食品在加工过程中所发生的组织结构变化。即在食品制作过程中利用调节中间产品的流变特性方法来达到调节组织结构的目的。
(4)流变学理论己经广泛应用于有关的工艺设计和设备设计。例如,泵送管路系统,放料装置及送料装置的设计,乳化、雾化及浓缩工艺过程中的设计等都要用到物质的流变特性值。
4.2 液态食品的流变特性
4.2.1 粘性流体的流变学基础理论
1 粘性及牛顿粘性定律
粘性是表现流体流动性质的指标。阻碍流体流动的性质称为粘性。由流动力学可知,当流体在一定速度范围内流动时,就会产生与流动方向平行的层流流动。以流体平行流过固定平板为例,紧贴板壁的流体质点,因与板壁的附着力大于分子的内聚力,所以速度为零,在贴着板壁处形成一静止液层,而越远离板壁的液层流速越大。液体内部在垂直于流动方向就会形成速度梯度。层与层之间存在着豁性阻力,如图4-1所示。
如果从流体的层流流动沿平行于流动方向取一流体微元,如图4-1(b)所示,微元的上下
2两层流体接触面积为A(m)、两层距离为dy(m),两层间粘性阻力为F(N),两层的流速分别为u和u,du(m/s)。这一流体微元,可以看成是在某一短促时间dt(s)内发生了剪切变形的过程。剪切应变ε一般用它在剪切应力作用下转过的角度(弧度)来表示,即ε=θ=dx/dy。则剪切应变的速率为
可见液体的流动也是一个不断变形的过程。用应变大小与应变所需时间之比表示变形速率。上式表示的剪切应变速度云就是液体的应变速率,也称剪切速率或速度梯度,单位
-1为:s。
另外,剪切应力σ可定义为
剪切应力σ实际是截面切线方向的应力分量,单位为Pa。牛顿粘性定律指出:流体流动时剪切速率与剪切应力成正比关系,即
(4-1)
式中,比例系数η称为粘度,是液体流动时由分子之间的摩擦产生的。
2 粘性流体的分类及特点
(1)牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间满足式(4-1)所表示的牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体。式(4-1)称为牛顿流体的流动状态方程。牛顿流体的特征是:剪切应力与剪切速率成正比,粘度不随剪切速率的变化而变化。牛顿流体的流动特性曲线如图4-2所示。
严格地讲,理想的牛顿流体没有弹性,且不可压缩,各向同性。所以在自然界中理想的牛顿流体是不存在的。在流变学中只能把在一定范围内基本符合牛顿流动定律的流体按牛顿
流体处理。其中最典型的是水。可归属于牛顿流体的食品有:糖水溶液、低浓度牛乳、油及其他透明稀溶液等。
(2)非牛顿流体:剪切应力与剪切速率之间不满足式(4-1)关系,且流体的粘度不是常数,它随剪切速率的变化而变化,这种流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间的关系可用下列经验公式表示:
(4-2)
式(4-2)称为非牛顿流体的流动状态方程。式中,k为粘性常数,又称浓度系数。显然当n=1时,上式就是牛顿流体公式。设,则非牛顿流体的流动状态方程可写成与牛顿流体相似的形式:
上式中ηa称为表观粘度,与η不同的是:ηa与浓度系数k和流动指数n有关,且是剪切速率的函数。也就是ηa是非牛顿流体在某一特定剪切速率下的粘度。
非牛顿流体还可以如下分类:
(a)假塑性流体:在非牛顿流体流动状态方程中,当O,n,1时,即表观粘度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动,称为假塑性流动。因为随着剪切速率的增加,表观粘度减少,所以还称为剪切稀化流动。符合假塑性流动规律的流体称为假塑性流体。假塑性流体的流动特性曲线如图4-3所示。图中ηa=tanθi(i=1,2,3,…)。
对假塑性流体的表观粘度随剪切速率增加而减少的原因可做如下解释:有假塑性流动性质的液体食品,大多含有高分子的胶体粒子,这些粒子多由巨大的链状分子构成。在静止或低流速时,它们互相勾挂缠结,粘度较大,显得粘稠。但当流速增大时,也就是由于流层之间的剪应力的作用,使比较散乱的链状粒子滚动旋转而收缩成团,减少了相互勾挂,这就出现了剪切稀化现象。一些研究表明,剪切稀化的程度与分子链的长短和线形有关。胶粒是由直链分子构成的液体,比多支结构分子的液体剪切稀化程度大。食品工业中遇到的一些高分
子溶液、悬浮液和乳状液,如酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉糊、苹果酱等都是假塑性流体。大多数非牛顿流体都属于假塑性流体。
(b)胀塑性流体:在非牛顿流体的流动状态方程中,如果1,n,?,则称为胀塑性流体。
-4所示,表观粘度随剪切速率的增大而增大。由于这一特点,胀塑它的流动特性曲线如图4
性流动也被称为剪切增稠流动。
在液态食品中属于胀塑性流体者较少,比较典型的为生淀粉糊。当往淀粉中加水,混合成糊状后缓慢倾斜容器时淀粉糊会像液体样流动。但如果施加更大的剪应力,用力快速搅动淀粉,那么淀粉糊反而变“硬”,失去流动性质,若用筷子迅速搅动,其阻力甚至能使筷子折断。剪切增粘现象可用胀容现象说明。如图4-5所示,具有剪切增粘现象的液体的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,充满在致密排列的粒子间隙中。当施加应力较小、缓慢流动时,由于水的滑动与流动作用,胶体糊表现出较小的粘性阻力。可是如果用力搅动,处于致密排列的粒子就会一下子被搅乱,成为多孔隙的疏松排列构造。这时由于原来的水分再也不能填满粒子之间的间隙、粒子与粒子间无水层的滑润作用,粘性阻力会骤然增加,甚至失去流动性质。粒子在强烈的剪切作用下结构排列疏松,外观体积增大,这种现象称之为胀容现象。
3 塑性流体
根据宾汉理论,在流变学范围内将具有下述性质的物质称为塑性流体:当作用在物质上的剪切应力大于极限值时,物质开始流动,否则,物质就保持即时形状并停止流动。剪应力的极限值定义为屈服应力,所谓屈服应力是指使物体发生流动的最小应力,用σ0表示。塑性流体的流动状态方程为:
(4-3)
式中,
μ——塑性流体的稳定性系数;
n——流动特性指数;少。
σ——屈服应力。 0
塑性流体的流动特性曲线如图4-7所示。其流动特性曲线不通过坐标原点。对于塑性流动来说,当应力超过丙时,流动特性符合牛顿流动规律的,称为宾汉流动,不符合牛顿流动规律的流动称为非宾汉塑性流动。把具有上述流动特性的液体分别称为宾汉流体或非宾汉流体。
4 触变性流体
所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时粘性减少,流动性增加,但静置一段时间后,又变得不易流动的现象。例如,番茄酱、蛋黄酱等在容器中放置一段时间后倾倒时则不易流动,但将容器猛烈摇动或用力搅拌即可变得容易流动。再长时间放置时又会变得不易流动。触变性流体的机理可以理解为随着剪切应力的增加,粒子间结合的结构受到破坏,粘性减少。当作用力停止时粒子间结合的构造逐渐恢复原样,但需要一段时间。因此,剪切速率减少时的曲线与增加时的曲线不重叠,形成了与流动时间有关的履历曲线(滞后曲线)。
新炼乳的滞后曲线包围面积明显小于陈放炼乳,陈放越久的炼乳其触变性越明显。 Hostettler用电子显微镜观察,证实了炼乳触变现象是由于炼乳结构内形成酪蛋白微胶束的原因。有触变现象的食品口感比较柔和爽口。
4.3 固态与半固态食品的流变特性
4.3.1 固态、半固态食品的流变学基础
1 食品的变形
把试样放在万能试验仪的固定板上,活动板以一定速率压试样时,食品的典型压缩变形曲线如图4一15所示。图中,OL为直线段,L称弹性极限点,在弹性极限范围内,力与变形成正比,比例系数称弹性模量。Y为屈服点,达到屈服点时,食品材料的一部分结构单元被破坏,开始屈服并产生流动,发生屈服时所对应的应力称为屈服应力。超过屈服点后增加应变时应力并不明显增加,这个阶段称为塑性变形。继续增加应变,应力也随之增加,达到R点时,试样发生大规模破坏,R点称为断裂点,它所对应的应力称为断裂极限(或断裂强度)。食品的断裂形式可以分为以下两大类。
(1)脆性断裂:脆性断裂的特点是屈服点与断裂点一致。如图4-16-所示。图中断裂点的应力σR,σ(εR),断裂应变为εR可用下。断裂所需要的能量(断裂能)Wn表示为:
式中,C——换算系数
A——面积
(2)塑性断裂:塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂(如图4-15)。食品中这种断裂也很多,如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。有些糖果,当缓慢拉仲时产生塑性断裂,急速拉仲时产生脆性断裂。
2 食品的弹性
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称为弹性。撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为完全弹性。形变超过某一限度时,物体不能完全恢复原来状态,这种限度称为弹性极限。在弹性极限范围内,外力F和变形量d之间成正比关系,即
F,kd
上式称为虎克定律,式中比例系数k为弹性系数。下面介绍4个实用弹性系数; (1)弹性模量(杨氏模量)
设当沿着横截面为A、长度为L的均匀弹性棒的轴线方向施加力F时,棒伸长了d,则单位面积的作用力σn为
σn,F/A
2式中,σn——拉伸应力(N/m)。
单位长度的伸长量εn为:
εn,d/L
εn称为拉伸应变。在弹性限度范围内,应力和应变之间符合虎克定律,即
σn,E?εn (4一21)
2比例系数E称弹性模量(杨氏模量),单位是N/m
(2)剪切模量
如图4一19所示,固定立方体的底面,上面沿切线方向施加力F时,发这种变形称剪切变形。设立方体的上面移动距离为d,与它对应的角度高度为H,则上面单位面积上的作用力στ为
στ,F/A
στ称为剪切应力。相应的形变ετ为
ετ,d/H,tanθ
ετ称为剪应变。由虎克定律可得
στ,G?ετ,G?θ
2比例系数G称为剪切模量,单位是N/m。
(3)体积模量
设体积为V的物体表面所受的静水压为p,当压力由p增大到p+?p时,物体体积减少了?V。则体积应变ε为 V
假设压力的变化?p和体积应变ε之间符合虎克定律,则 V
式中,K为体积模量,它是材料的固有性质,单位是N/m。 2
(4)泊松比
把棒状试样沿轴线方向拉伸时,除了在轴方向发生拉伸应变εn外,横方向也产生压缩应变εe。且有下列关系
εe, ,μ?εn (4-24)
比例系数μ是物质的固有常数,称泊松比。它是无量纲的量。在拉伸或压缩面团、凝胶等食品的过程中,物体的体积不发生变化,则泊松比等于0.5。海绵状食品<如面包),在压缩的垂直方向没有明显的变形,则μ=0。土豆的泊松比为0.49,苹果的泊松比为0.37。>如面包),在压缩的垂直方向没有明显的变形,则μ=0。土豆的泊松比为0.49,苹果的泊松比为0.37。>
(5)几个弹性系数之间的相互关系
以上四个弹性系数适用于各向同性的材料。由弹性力学理论可知,各向同性材料只有两个独立的弹性系数。因此在上述四个弹性系数中,如果己知其中的两个,可通过下式计算另外两个弹性系数。
(4-25)
(4-26)
(4-27)
由上式可知,弹性模量E与剪切模量G之间可以用泊松比μ换算。因为凝胶、面团的松比近似等于0.5,所以 E=3G .
3 食品的粘弹性
(1)粘弹性:许多食品往往既表现弹性性质,又表现粘性性质。例如,把圆柱形面团的一端固定,另一端用定载荷拉伸。此时面团如粘稠液体慢慢流动。当去掉载荷时,被拉伸的面团收缩一部分(这种现象称回弹现象,是弹性表现),但面团不能完全恢复原来长度,有永久变形,这是粘性流动表现,即面团同时表现出类似液体的粘性和类似固体的弹性。我们把这种既有弹性又可以流动的现象称为粘弹性,具有粘弹性的物质称为粘弹性体(或半固态物质)
粘弹性体的力学性质不像完全弹性体那样仅用力与变形的关系来表示,还与力的作用时间有关。所以,研究粘弹性体的力学物性时,掌握力与变形随时问变化的规律是非常重要的。
研究粘弹性时要用到应力松弛和蠕变两个重要概念。
(2)应力松弛:所谓应力松弛是指试样瞬时变形后,在变形(应变)不变情况下,试样内部的应力随时问的延长而减少的过程。值得注意的是,应力松弛是以一定大小的应变为条 件的(。常数)口
(3)蠕变:蠕变和应力松弛相反。蠕变是指把一定大小的力(应力)施加于粘弹性体时,物体的变形(应变)随时问的变化而逐渐增加的现象。要注意,蠕变是以一定大小的应力为条件的。
4.3.2 粘弹性的力学模型
1 单要素模型
(1)虎克模型
在研究粘弹性体时,其弹性部分往往用一个代表弹性体的模型表示。虎克模型便是用一根理想的弹簧表示弹性的模型,因此也称“弹簧体模型”或“虎克体”。虎克模型代表完全弹性体的力学表现,即加上载荷的瞬问同时发生相应的变形,变形大小与受力的大小成正比口虎克模型符号及其应力一应变特征曲线如图4一20(a)所示。
(2)阻尼模型
流变学中把物体粘性性质用一个阻尼体模型表示,因此称为“阻尼模型”或“阻尼体”。阻尼模型符号及流动时应力应变特征曲线如图4一20(a)所示。阻尼模型瞬时加载时,阻尼体即开始运动;当去载时阻尼模型立即停止运动,并保持其变形,没有弹性恢复。阻尼模型既可表示牛顿流体性质,也可表示非牛顿流体性质。
(3)滑块模型
滑块模型虽不能独立地用来表示某种流变性质,但常与其他流变元件组合,表示有屈服应力存在的塑性流体性质。其代表符号及与虎克模型组合成的弹塑性体流变特性曲线如图4-20(c)所示。滑块模型亦称为“摩擦片”、“文思特滑片”。
2 麦克斯韦模型
麦克斯韦模型是由一个弹簧和一个粘壶串联组成的,如图4-21(a)所示。这是最早提出的粘弹模型。这一模型可以用来形象地反映应力松弛过程。当模型一端受力而被拉伸一定长度时,由于弹簧可在刹那间变形,而粘壶由于粘性作用来不及移动,弹簧首先被拉开,然后在弹簧恢复力作用下,粘壶粘性起作用,随时间的增加而逐渐被拉开,弹簧受到的拉力也逐渐减小,直到零。这就类似于应力松弛过程。
可以推导出该模型的松弛模量随时间的变化规律为:
3 伏格特-开尔芬模型
伏格特-开尔芬模型是由一个弹簧和一个粘壶并联组成,如图4-22(a)所示,此模型可以描
述食品的蠕变过程。
当模型上作用恒定外力时,由子粘壶作用,弹簧不能被立即拉开,而是缓慢发生形变。 去掉外力后,在弹簧回复力的作用下,又可慢慢恢复原状,无剩余变形,故类似于蠕变过程。 在这个模型中,作用于模型上的应力是由弹簧和粘壶共同承担的,而弹簧和粘壶的形变是相同的,并且与模型的总形变一致。
可以推导出,释放应力后该模型的形变随时间的变化规律为:
t1——解除应力的时刻 ;
ε1——解除应力时的最大形变。
4.4 食品流变性质的测定
4.4.1 液态食品的流变性质测定
对液态食品来说无论是改善食用品质还是提高加工性能,最重要的流变特性还是粘度。因此,粘度测量是研究液态食品物性的重要手段。做粘度测量时,一定要针对测定目的和被测对象的性质正确选择测定仪器。常见的测定方法有:毛细管测定法、圆筒旋转式测定法和锥板旋转式测定法、落球式测定法、平行板测定法等。
1 毛细管粘度计
(1)测量原理:设毛细管半径为R,长度为L,两端压力差为?P=PA,PB 时间t内流体流过的体积为V时,流体粘度可用下面的哈根公式表示:
(2)常见毛细管粘度计结构及使用方法:毛细管粘度计种类很多,一般可以分为三大类:?定速流动式(活塞式),测定时,可使液体以恒定流速通过毛细管。适于测定粘度随流动速度变化的非牛顿流体;?定压流动式,通常以恒定气压控制毛细管中压力维持不变,如枪式流变仪。适于测定具有触变性或具有屈服应力的流体;?位差式,流动压力靠液体自重产生。这也是最常见的毛细管粘度计类型。它多用来测定较低粘度的液体。
(a)奥氏粘度计:如图4-30所示。粘度计由导管、毛细管和球泡组成。毛细管的孔径和长度有一定的规格和精度要求。球泡两端导管上都有刻线(如M1、M2等),刻线之间导管和球泡的容积也有一定规格和较高精度要求。测定时,先把一定量(一定体积)的液体注入左边管,然后,将乳胶管套在右边导管的上部开口,把注入的液体抽吸到右管,直到上液面超过刻线M1。这时,使粘度计垂直竖立,去掉上部胶管,使液体在自重下向左管回流。测定液面通过M1至M2之间所需的时间,即一定量液体通过毛细管的时间。往往需要测定多次,取平均值。通过对标准液和试样液通过时间的测定,就可由式(4一53)求出液体粘度。
(b)乌式粘度计:乌式粘度计的结构[图
4-30(b)]与奥氏粘度计不同的是由三根竖管组成,
其中右边的第三根管与中间球泡管的下部旁通。
即在球泡管下部有一个小球泡与右管连通。这一
结构可以在测量时,便流经毛细管的液体形成一
个气悬液柱,也就是减少了因左边导管液面升高
对毛细管中液流压力差带来的影响。
测定方法是:首先向左管注入液体,然后堵住
右管,由中间管吸上液体,直至充满上面的球泡。
这时,同时打开中间管和右管,使液体自由流下。
测定液面由M1到M2的时间。粘度值求法与奥
氏粘度计相同。
乌式粘度计与奥氏粘度计相比有如下优点:
奥氏粘度计在液体流动时,由于左管液面上升对
液柱的压力差有较大影响,因此不仅误差大,而
且还要求每次加入的液量要准确、一定。相比之
下,乌式粘度计对加入液量精度的要求略低一些。
乌式粘度计对加入液量要求较宽,因此可以做成稀释型乌式粘度计〔图4一30(c)]。用这种粘度计对同一试样进行测定时可以多次稀释(加入分散介质),测其不同浓度下的粘度。 4.5 食品流变学的应用
4.5.1食品流变学在巧克力生产中的应用
巧克力的种类很多。但是总的来说,占其体积35%的物质是可可脂等油脂,其余的物质基本上是处于悬浮状态的固体。在体积大约占65%的固体物质中,一部分是糖,另一部分是可可粉,巧克力中通常还含有一些少量的调味物质,如乳粉等;或者含有少量的表面活
性物质,如作为增塑剂的卵磷脂。此外,油脂和固体粒子的相互作用产生的胶体物质和油脂本身的分子物质直接影响巧克力加工工艺和产品品质及保存性。
巧克力的风味主要取决于其口溶性。巧克力在口中的融解速度越快,风味的放出速度也越快,巧克力就越好吃。好的口溶性是由于在很小温度范围内巧克力的固体脂比例急速下降而产生的,这个性质取决于可可脂的融解特性。可可脂的主要成分是甘油酷,一般地说,甘油酷形成结晶多形,不同的结晶其融解速度也不一样。可可脂可以分成融解温度在17.3?~36.3?范围的I形到?形的六种结晶多形,其中最稳定的结晶是36?下融解的?形结晶。
在巧克力生产工艺中常用的是用34?左右急速融解的V形结晶进行接种的方法。在生产过程中,巧克力是以液体状态存在的,液体状态的巧克力是具有屈服应力的假塑性物质,此时对其特性的实验室检验就可借助于流变学的测量方法。
1 巧克力生产中表观粘度的控制
巧克力的表观粘度一般用旋转粘度计测量,但要求粘度计的测量间隙足够大。当微粒平均直径约为30μm时,粘度仪的测量间隙应在lmm以上。
巧克力属于高粘度流体。粘度太大时,搅拌困难,输送管道阻力增加,泵的负荷增大,原料的流动性下降造成填充成型性能变差,供给原料的喷嘴堵塞等故障。所以,在巧克力的加工工艺中,必须注意控制表观粘度的变化。
巧克力的表观粘度与原料种类有关。引起液态巧克力表观粘度变化的原因是油脂含量、固体粒子的粒度、原料水分含量、乳化剂用量和种类以及油脂的结晶化等。油脂含量越大,流动性越好,砂糖等固体粒子的粒子越细小,与脂肪接触的总表面就越大,相对地减少了游离脂肪,故粘度会增大。巧克力增加水分,可以促进亲水性固体粒子的相互作用,进一步增强非牛顿流体的性质。添加乳化剂粘度会减小。混合后的液体巧克力原料,一般保存在稳定结晶不融解的温度(30-31?)。但由于稳定结晶也随时间引起结晶化,所以液态巧克力的表观粘度也随时间增大。
工艺中粘度的上升速度与液态巧克力的品温、种晶量、接种法中种晶的多形和油脂的种类有关,图4一55表示深色巧克力中接种0.2%的V型可可脂结晶粉后,表观粘度随时间的变化规律。由图可知,初始阶段粘度增加缓慢,接种30min后的粘度急剧上升。这是由于搅拌中引起晶体的相互碰撞产生二次核,导致油脂的结晶化显著增加的缘故。我们把开始接种到粘度急剧上升为止(3mV)的时间称为结晶化时间。图4一56表示结晶量与结晶化时间的关系。由图可以预测工程中表观勃度突然上升为止的时间。
2 巧克力的屈服特性与Casson方程式的应用
-1(1)巧克力的两个表观屈服应力值(如图4一57):通常认为,只有在剪切速率超过大约 1s的条件下所测得的数据才能应用Cassan方程,这是由于经验表明,在较低剪切速率条件下,该方程不能与实际流动特性曲线相吻合。由图4一57可知,有12个点完全位于一条直线上,与这12个点相对应的剪切速率范围差不多是40个单位的范围内。如果沿剪切速率趋于零的方向外推曲线,可在应力轴上得一截距,这个截距所标明的应力值就是屈服应力。在本例中,屈服应力可确定为38.6Pa,粘度可确定为2.38Pa?s。Cassan方程与实验数据很吻合,因此人们有理由确信Cassan方程对巧克力的适应性,并可认为巧克力就相当于具有38.6Pa屈服应力的液体。
然而,当在更低的剪切速率条件下继续进行实验时,将会很明显地看出巧克力在远小于38.6Pa的剪切应力作用下也能流动。在图4一57中,用“X”符号标绘了4个应力小于38.6Pa的测量值,这4个点也可用一条直线来拟合,此时剪切应力截距(屈服应力)仅为3.9Pa,对
应的粘度(也称Cassan粘度)为132Pa?s。由于所选择的剪切速率测量范围不同,巧克力就呈现出相差一个数量级的两个表观屈服应力。这两个屈服应力都是用如下的方法确定的:首先不断地改变粘度仪的速度,测出应力值,做出曲线,然后将曲线外推至零剪切速率而最终得到屈服值。因此,这两个屈服应力值仅仅是推测值。要想得到直接测量的屈服应力值,只有借助于可以改变外加应力的粘度仪,将外加应力从零逐渐增加,测量相应的流动特性数据,
-1如图4一58所示。这个曲线在小于 1s剪切速率的范围内具有较多的测量数据。可以看出,外推图4一58曲线可得到约3Pa的屈服应力,而能够观测到流动时的最低的应力值则为1Pao这个曲线的上下两部分均可用Cassan方程进行合理的拟合。上述这 些结果证实了关于巧克力具有两个表观屈服值的早期发现。
根据上述结果,可以假定巧克力的刚性结构分两步破裂。当只受到较小的外加应力作用时,在巧克力结构的薄弱部分将会出现缝隙,较大的聚集体由于本身夹带较大量的液态脂肪而能够开始做相互间的滑动,聚集体之间的液膜起到润滑作用。由于此时对滑动的阻力较大,这个区域中将显示出较高的粘度。但是,聚集体只能承受有限的剪切应力,一旦应力达到其临界值,聚集体就开始破裂,这时将产生很多润滑条件更好的表面,以致出现完全自由的运动,而且随着聚集体的不断破裂,这个区域中的粘度将逐渐降低。
(2)Casson方程式的应用:现在我们可以继续讨论有关屈服值的问题。为了便于讨论可以举一个给方旦糖涂布巧克力层的例子。首先把方旦糖浸没在40?的融化巧克力中:然 后给定los使过量 的巧克力从方旦糖表面流走。假设在这段时间内温度保持不
变,直到最后一刻突然发生迅速的冷却,使面层凝固。在这
种前提下,可以很容易计算出勃附在方旦糖竖直表面的巧克
力面层厚度。图4一59(a)中标绘了lomm竖直表面的巧克力
面层断面图。这个图是根据图4一57的数据,用Cassan方
程计算得到的。运用Cassan方程时,忽略了巧克力试样在
最低剪切速率段显示出来的特性。我们可将图4一59(a)与
图4一59(b)进行比较。图4一59(b)的面层厚度完全是根据
实际测量数据计算出来的。从图中可以看出,Cassan方程计
算值比实际的勃附层质量约多2%。但是还必须指出,若把
巧克力视作牛顿 液体,所得出的面层质量计算值几乎与按
Casson方程计算的值具有相同的精度。因此,看起来面层总
质量计算值与选用何种模型来表示巧克力的流变特性关系 不大。
4.5.2食品流变学在奶油蛋糕加工中的应用
按表4一13的配方比制造的奶油蛋糕的蠕变曲线如图4一60(a)所示,其蠕变特性可用图4一60(b)所示的八要素模型解释。式中各粘弹系数的计算结果列于表4一14中。
由图可知,蛋糕的蠕变曲线是由普弹部分(E0),粘弹部分( E1、η1、E2、η2、E3、η3) 和定常粘性部分(N)组成的,其蠕变方程可用下式表示
由表可知,随着奶油添加量的增大(即鸡蛋减少),按A,B,C,D的顺序粘弹系数E和η都增大,即奶油减少,鸡蛋多的蛋糕,粘弹系数小,容易变形,柔软。
奶油蛋糕的感官检验结果列于表4一15(顺序法)。由表可知,用手压时的硬度感(No.10)与仪器测定的粘弹系数有显著正相关,即仪器测定的粘弹系数越大,手压时的硬度也越大。而吃时的硬度感顺序(No.3)和口中溶解感顺序(No.5)相同,与仪器测定的粘弹系数有负相关,即仪器测定的粘弹系数越大,口感越软,口溶性越好。综合以上判断结果表明,最佳配方为:奶油和鸡蛋的比为19:36。
范文二:食品流变学
食品流变学特性
流变学的基本内容:作用于物体上的应力和由此产生的应变规律,是力、变形和时间的函数主要是弹性力学和黏性流体力学。
食品流变学研究的对象:各种食品和食品材料的力学性质。
食品流变学研究的目的:要解决实际食品加工中出现的问题。
研究食品流变学时,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,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,从这些模型的分解、组合和解析中,找出测定食品力学性质的可靠方法,或得出有效控制食品品质(力学性质) 的思路。
根据流变特性来区分食品物质
1、固体类食品物质
虎克固体是固体物质的理想概念,它具有变形与作用力大小成正比例的特性。虎克固体所遵循的虎克定律为:
应力=应变×比例系数
变形与作用力的作用时间的关系曲线,表示了虎克固体一旦受力作用就立即出现变形,作用力一旦消失,变形也就完全恢复。因此虎克固体也称为理想弹性体。
有许多物质在力作用下其变形不超过1%时,能基本上满足理想弹性体的特性定义,呈现出虎克固体的性质,流变学家就把这些物质不确切地称为固体。
对于符合上述条件的食品物质,就归属为固体食品物质。固体食品物质的流变特性主要由弹性模量E 、剪切模量G 、泊松比μ、容积模量K 等来表示。
固体食品物质很多,例如干面团、硬糖果、核桃、蛋壳等。土豆和苹果这类食品,有时也可以归到固体物质这一类。
2、牛顿液体类食品物质
流体的粘度η在定量上规定为剪切应力和剪切速率的比值。
对于牛顿流体,流体所受到的剪切应力与剪切速率成比例,其比例系数就是流体的粘度系数(简称粘度) 。 如果液体中的粘度η与剪切速度无关,符合牛顿粘性定律,这种液体就叫牛顿液体。牛顿液体没有弹性,且不可压缩,与虎克固体一样,完全的牛顿液体是不存在的。
然而,有很多实际液体在剪切应力在很宽的作用范围内呈现出牛顿液体的性质,流变学家也就把这些液体不确切地称为牛顿液体。最典型的牛顿液体是水。
可以归属于牛顿液体的食品物质也很多,例如:糖水溶液、低浓度牛乳、油、酒、水及其他透明稀质液体都可归属于牛顿液体,都可以用牛顿液体的粘度η来表示其流变特性。
3、非牛顿液体类食品物质
在牛顿液体中,液体的粘度是常数,和剪切速率无关。因此,简单地测定出η就能完全表征液体的流变特性。
更多的液体却不满足牛顿粘性定律,粘度不是常数,随着剪切速率而变化。这类液体虽然不具备牛顿粘性定律,但还是具备了液体的基本特性,故称为非牛顿液体。
在食品工业中有很多液体属于非牛顿液体,一股是固体悬浮液和乳状液,例如:酱油、菜汤、番茄汁、浓糖水、淀粉、苹果浆等等,都属于这一类液体。
非牛顿液体的流变特性由表观粘度ηa ,液态特性系数n 和浓度系数k 来表示。
4、塑性流体类食品物质
典型的塑性流体类食品物质有:土豆浆、浓奶油、熔化巧克力、脂肪、牛轧糖等等。这些物质在重力作用下,能保持它们的原有形状,然而,如果受到大于重力的作用力的作用,它们就能类似于液体一样的流动,移去作用力,它们就保持即时形状并停止流动。例如,在盘子里的土豆浆不可能在重力作用下流动,但在贮藏罐里靠近底部的土豆浆,所承受的压力已大于本身重力,因而会引起局部流动。
根据Bingham 理论,在流变学范围内描述塑性流体物质就是:当作用在物质上的剪切应力大于极限值时,物质就流动,否则,物质就保持即时形状并停正流动,这种物质称为塑性流体,或叫宾汉流体。剪切应力的极限值定义为屈服应力。
塑性流体的流变特性可用屈服应力和表观粘度来表示。 5、粘弹性体类食品物质
如果按适当比例把面粉和水混合搅拌,就形成了面团,采用挤压或剪切把面团变成片状,如果把这片面团放置在水银上面,并捏住一端轻轻地拉动,那么面团开始是伸长,紧接着会呈现出像粘性液体一样的流动状态。一旦放开面团的末端,它就会像—片柔软的橡皮—样收缩,但变形的恢复只能是局部的,不可能是完全弹性体。
这表明了面团同时呈现出液体的粘性和固体的弹性这两种性质,这种物质称为粘弹性体。粘弹性体类的食品物质还有米粉团、冻凝胶等。
粘弹性体在力作用下的剪切速率和变形恢复的弹性程度可体现出它的流体待性。
三、应力和应变
(STRESS AND STRAIN)
1、应力
单位面积上所承受的力的大小称为应力,记为σ。 σ = F /A (N /m 2)
单位:Pa (帕),1Pa =1N /m 2。
兆帕(MPa )和吉帕(GPa ) 1MPa =106Pa ,1GPa =109Pa 。
应力分为正应力(Normal stress)和剪切应力(shear stress)。
通常将应力分解成垂直于截面的法向分量和与截面平行的切向分量。
同截面垂直的作用力称为正应力,正应力可以是拉伸应力,也可以是压缩应力。 同截面相切的作用力称为剪切应力。
2、应变: 物体在应力作用下变形量的描述,记为ε。 正应变(Normal strain): 正应力作用下所引起的变形。
εn =dL /L o ( 无单位)
固体食品的流变学
食品的变形
R--称为断裂点,所对应的应力称为断裂极限(或断裂强度) Y--屈服点,所对应的应力称为屈服应力。 L--称弹性极限点
(1)脆性断裂:特点是屈服点与断裂点一致 (2)塑性断裂
塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂。食品中这种断裂也很多,如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。有些糖果,当缓慢拉仲时产生塑性断裂,急速拉仲时产生脆性断裂。
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称为弹性。 撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为完全弹性。
形变超过某一限度时,物体不能完全恢复原来状态,这种限度称为弹性极限。
在弹性极限范围内,外力和变形量之间成正比关系。 对于确定的材料,应力与应变之间存在一定的关系;
实验表明:当正应力小于一定数值时,即在线弹性范围内加载时,外力F 与其相应的变形量d 成正比。引入比例常数k ,
F =kd k称为弹性系数
四种弹性系数
弹性摸量(E ,elasticity modulus )又称杨氏模量(Young’s modulus);
它是固体食品的力学性质之一,是衡量食品材料抵抗弹性变形能力的一个指标,抗拉伸和压缩的一个指标;对同一材料,弹性模量E 为常数。E 的数值随材料而异,由试验测定。弹性模量E 的单位与应力的单位相同。
设当沿着横截面为A 、长度为L 的均匀弹性棒的轴线方向施加力F 时,棒伸长了d ,单位面积的作用力
σn 为
σn =F /A
σn ——拉伸应力(N/m2) εn =d /L
在弹性限度范围内,应力和应变之间符合虎克定律,即
σn =E ·εn
E 物理意义:物质单位变形所需要的力。
剪切模量(Shear modulus )
στ=G ·ετ=G ·θ
G 物理意义:物体单位剪切变形所需要的剪切应力。
体积模量(Bulk modulus)
设体积为V 的物体表面所受的静水压为p ,当压力由p 增大到p +△p 时,物体体积减少了△V :
εV =?
ΔV
V
假设压力的变化△p 和体积应变εV 之间符合虎克定律,则:
dp =?K
dp dp dV
K ==?V (
dV /V dV V
其中,K 为体积模量,是材料的固有性质,单位N/m2 。1/K称为压缩率。
泊松比
固体被拉伸或压缩时,其长度变化的同时其宽度也发生变化。
泊松比:在弹性范围内,受正应力作用的固体,其横向收缩和纵向拉长两者之间的比值。 测量方法
液体食品流变学
微元的上下两层流体接触面积为A(m2) 、两层距离为dy(m),两层间黏性阻力为F (N),两层的流速分别为 u 和 u+du (m/s)。这一流体微元,可以看成是在某一短促时间 dt (s)内发生了剪切变形的过程。剪切应变ε一般用它在剪切应力作用下转过的角度(弧度) 来表示,即ε=θ=dx /dy 。则剪切应变的速率为应变大小与应变所需时间之比 :
应变速率= 应变/时间
应变速率又称剪切速率,单位:s -1剪切应力σ=F /A ,单位Pa
应力/剪切速率= 黏度系数( η )
& σ=η?ε
比例系数(η)称为黏度:是液体流动时由分子之间的摩擦产生的 。
牛顿流体的特点
剪切应力与剪切速率成正比的流体,称为牛顿流体。牛顿流体的特征是: 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。也就是在层流状态下,黏度是一个不随流速变化而变化的常量。 严格的讲:理想的牛顿流体没有弹性,且不可压缩,各向同性。
非牛顿流体的流变学特性 假塑性流体
&n σ=k ?ε
当0<n <1时,表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少,这时流体的流动,称为假塑性流动。 因为随着剪切速率的增加,表观黏度减少,所以还称为剪切稀化流动。 符合假塑性流动规律的流体称为假塑性流体。
胀塑性流体
如果1<n <∞,则称为胀塑性流体。
它的特征是,表观黏度随剪切应力或剪切速率的增大而增大。由于这一特点,胀塑性流动也被称为剪切增稠流动。
表现为胀塑性流动的流体,称为胀塑性流体。 食品体系中典型的胀塑性流体是淀粉糊。
塑性流体
在流变学范围内将具有下述性质的物质称为塑性流体:当作用在物质上的剪切应力大于极限值时,物质开始流动,否则,物质就保持即时形状并停止流动。剪应力的极限值定义为屈服应力,所谓屈服应力是指能使物体发生流动的最小应力,用σ0表示。
塑性流体的流动状态方程为:
&n σ?σ0=μ?ε
对于塑性流动来说,当应力超过屈服应力σ0时,流动特性符合牛顿流动规律的,称为宾汉流动,流动特性不符合牛顿流动规律的流动称为非宾汉塑性流动,这些流体的剪切黏度随剪切速率的变化而变化。 把具有宾汉流动特性的液体称为宾汉流体,具有非宾汉流动特性的液体称为非宾汉流体,称为H-B (Herschel-Bulkley )流体。
流动特性曲线不通过坐标原点。
表观黏度:
触变性:当液体在振动、搅拌、摇动时黏性减少,流动性增加,但静置一段时间后,又变得不易流动的现象。
触变性流体的机理:随着剪切应力的增加,粒子间结合的结构受到破坏,黏性减少。当作用力停止时粒子间结合的构造逐渐恢复原样,但需要一段时间。因此,剪切速率减少时的曲线与增加时的曲线不重叠,形成了与流动时间有关的履历曲线(滞后曲线) 。
一般来说,有触变现象的食品口感比较柔和爽口。
胶变性(rheopexy)流动与触变性流动相反,即液体随着流动时间的增加,变得越来越就稠。
由其特性曲线可以看出,当流速加大,达到最大值后,再减低流速,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。因此,这种现象也被称为逆触变现象(negative thixotropy) 。
有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感。
The famous example for the elastic recoil phenomenon of viacoelastic material is wheat flour dough. The elastic recoil properties of different material
Fluid kinds Elastic recoil property Newtonian fluid zero Non-Newtonian fluid very small Plastic Fluid certain Viscoelastic material bigger Hookean solid complete
Thread Forming Property
When put a chopstick into some Viscoelastic material, then pick it up, and thread forming phenomenon can be found------Thread forming property.
Mechanism: soft net structure because of the linking between different molecules.
Determination: Glass rod with D=1mm, dipping into determined material for 1cm, then the rod being put up with velocity 5cm/s, the length being picked up in the moment the thread being broken is regard as thread forming property.
Thread forming property is the expression of viscous and elastic properties.
半固体食品的流变学特性
Solid: stress, elastic deformation
The rheological properties can be described using the relationship between stress and deformation.
Fluid: shear stress, viscous flow
The rheological properties can be described using the relationship between shear stress , shear rate and time.
Viscoelasticity: Stress, elastic deformation and viscous flow , such as bread, dough, noodle, milk candy,
etc
The definition of viscoelasticity: the phenomenon of showing both the elastic properties and flow
properties.
粘弹性体的力学模型
(a)虎克模型是用一根理想的弹簧表示的弹性模型,也称为弹簧体模型或者虎克体。虎克模型代表完全弹性体的力学表现。即加上载荷的瞬间同时发生相应的变形,变形大小与受力的大小成正比。
去载时阻尼模型立即停止运动,并保持其变形,没有弹性恢复。阻尼体模型既可表示牛顿流体性质,也可以表示非牛顿流体性质。
体性质 。当加载的作用力超过屈服应力时,弹性元件开始发生作用,这时,变形的大小和受力的大小成正比,作用力停止,变形恢复。
麦克斯韦模型由一个弹簧和一个黏壶串联组成的,是最早提出的黏弹模型。这一模型可以用来形象地反映应力松弛过程。当模型受力时,弹簧可在刹那间变形被拉开产生一定的形变,而黏壶来不及移动,然后在弹簧恢复力作用下,黏壶随时间的增加而逐渐被拉开,弹簧受到的拉力逐渐减小,直到零。这就类似于应力松弛过程。
应力松弛:黏弹性体虽然在受力变形时存在着恢复变形的弹性应力,但由于内部粒子也具有流动的性质,当在内部应力作用下,各部分粒子流动到平衡位置,产生永久变形时,内部的应力也就消失。这一现象称为应力松弛。
Relaxation time Also called the characteristic time of Maxwell fluid. Being defined as the ratio between viscosity coefficient and elastic modulus.
Relaxation time determination: relaxation time is the time it takes for the stress to decay to 1/e(approximately 36.8%) of its initial value.
Material with higher viscosity has longer relaxation time.
伏格特-开尔芬模型是由一个弹簧和一个黏壶并联组成,此模型可以描述食品的蠕变过程。
当模型上作用恒定外力时,由于粘壶作用,弹簧不能被立即拉开,而是缓慢发生形变。
去掉外力后,在弹簧回复力的作用下,又可慢慢恢复原状,无剩余变形,故类似于蠕变过程。
在这个模型中,作用于模型上的应力是由弹簧和黏壶共同承担的,而弹簧和黏壶的形变是相同的,并且与模型的总形变一致。
Retardation time(推迟时间) is defined as the ratio between viscosity coefficient and elastic modulus. Retardation time determination: the time it takes for the strain decay to (1-1/e)of the final strain.
推迟时间的物理意义:形变达到平衡形变量(最大形变量)的63.21%时所需要的时间。
静黏弹性的测定简便、直观,但进行实际研究时也有如下缺点:
①静黏弹性测定时,往往由于力的大小方向不变,所以对易流动的物质,流动会持续下去.很难测得它的弹性。比如,进行应力松弛实验时,黏性物质松弛时间非常短,对于黏弹性很难正确评价。
②对于弹性突出、流动性不明显的物质,应力松弛时间与滞后时间往往又很长,不仅测定要花费很长时间,而且在测定过程中,一些食品物料还会发生生化和化学变化。
③静态测定所要求的阶跃应变,或瞬时加载,实际上都不好操作。往往当变形较大时,会超出线性变化范围,引起模型与实际的误差较大。
为了弥补这些局限和缺点,动黏弹性测定成为食品流变性质研究的另一重要内容。
动态弹性率(dynamic modulus),亦称动弹性模量或贮藏模量(storage modulus) :
G ′≡σ′
ε
动态黏度: η′≡σ′′
&ε
复数弹性模量 : G *≡G ′+i G ′′≡G ′+i ωη′
动态损失 : G ′′=ωη′
复数黏度: η*≡η′?i η′′≡η′?i G ′
ω
动态虚黏度η′′=G ′
ω
复数柔量: J *=J ′?i J ′′=11=*G G ′+i G ′′贮藏柔量: J ′=G ′
G ′2+G ′′2
损失柔量: J ′′=G ′′
G ′+G ′′
损失角:应力与应变的相位差角δ 。 损失正切或衰减率 : tan δ=
ωη′G ′′J ′′η′===G ′G ′J ′η′′
范文三:食品流变学研究综述
食品流变学研究综述
摘要:食品流变学是研究食品原材料、半成品在加工、操作处理以及
消费过程中产生的变形与流动的科学。本文是对食品流变学进行的综
述,分别阐述了食品流变学的定义、研究对象和目的、食品的流变特
性、测量方法以及食品流变学在食品工业的一些应用,并对食品流变
学的前景进行了展望。
关键词:食品流变学;流变特性;测量方法;应用
Review of the study on the rheological properties of
food
Abstract: Food rheology is a science which studies food raw materials and the deformation or flow of semi-finished products in the processing, handling and consumption. This article is a review on the food rheology. It describes the definition of food rheology, object and purpose of the study, the rheological properties of food, its measurement methods, and some applications of food rheology in the food industry, respectively. Finally, there is the prospect to food rheological development. Keywords: Food rheology; rheological properties; measurement methods; application
引言
自从荷兰人斯科特?布莱尔将流变学引入到食品研究中,并于
1953 年编辑出版了《 Foodstuffs the Plasticity, Fluidity and
Consistency》一书后,科学家开始将流变学理论应用于食品研究。随
着食品领域向着高质量、大型化、自动化方向发展,人们对流变学研
究的不断深入,流变学在食品加工中的应用也日趋广泛。作为流变学
的一个重要分支,食品流变学是一门发展十分迅速的边缘学科,它不
仅加强了对食品材料流变性能和工艺参数的了解,还用于食品工程设
计、产品质量分析和生产工艺的控制。毫无疑问,它将对食品工业的
发展起到巨大的推动作用。
1.食品流变学的基本概念
流变学是力学的一个新分支,是从应力、应变、温度和时间等方面来研究物质变形和(或)流动的物理力学。主要研究物理材料在应力、应变、温度、湿度以及辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。
食品流变学是在流变学基础上最新发展起来的一个分支,以弹性力学和流体力学为基础,主要研究作用于物体上的应力和由此产生的应变规律,是力、变形和时间的函数,因此在研究中人们多以流变学为主来阐述食品的力学性质,并用坐标图解或数学模型来表示这种特性。
工业流变学的理论是研究食品力学性质的重要基础。在食品加工过程中,由于大多数食品是容易变形、流动或破碎的混弹性体物质,为了防止这类问题的出现,进一步提高产品的质量,我们必须必须深入了解和掌握食品物质的流动和变形特性,研究在各种条件下这些特性变化的规律及对产品质量和加工过程的影响。正是这种生产的需求,使食品流变学应运而生。
2.食品流变学的研究对象和目的
食品流变学研究的对象是各种食品物质和食品材料的力学性质。由于食品的种类繁杂多样,简便起见,食品流变学常把食品物质按形态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品三大类。每一类分别有自己的流变特性和测量方法。
食品流变学在食品领域中的作用不可忽视,其对食品的运输、传送、加工工艺甚至咀嚼食品时的口感等都起到非常重要的作用。总的来说,研究食品流变学主要是为了从食品物质的构造组成上解释流动、变形等力学性质,并找出其表现规律。其研究目的可以从以下几方面进行具体阐述:
(1)对食品的原材料和中间产品进行鉴定,并对其生产过程进行控制。例如可以依据生产对象的流变特性来提高食品质量、监控生产流程等。
(2)鉴别产品的优劣,预测产品在市场上的接受性,根据顾客的满意程度指导新产品的开发。
(3)对生产过程中食品结构组织的变化进行解释,并加以调节。例如,在食品烹饪过程中,可以根据需要对食品的软硬程度和疏松度进行调节。
(4)可以应用在有关工艺设计和设备设计中,为其提供有关数据。例如物料配送系统的设计以及乳化、雾化和浓缩工艺过程中的设计。
3.食品的流变特性
食品流变学主要是研究食品原材料、半成品和成品在加工、操作处理以及消费过程中产生的变形与流动的科学。虽然食品材料的组成成分与结构的复杂性给食品流变学的研究带来一定困难,但从食品的物质形态来说,可以按其基本流变规律,将其细分为液态食品流变学、半固态食品流变学和固态食品流变学三大类进行研究。
3.1液态食品的流变特性
液态食品主要是指具有流体性质的食品物质。根据流体性质的不同,其又可分为两大类:粘性流体和粘弹性流体。其中粘性流体包括:牛顿流体——符合牛顿粘性定律的液体,非牛顿流体——不符合牛顿粘性定律的液体;粘弹性流体则可分为:无限流动型粘弹性体,有限流动型粘弹性体,应力松弛和蠕变。下面分别对这两大类液态食品的流变性进行研究。
3.1.1粘性流体类食品的流变特性
阻碍流体流动的性质称为粘性。粘性是表现流体流动性质的指标。牛顿粘性定律指出:流体流动时剪切速率与剪切应力成正比关系,即
,,,,,
, 式中,比例系数称为粘度,是液体流动时由分子之间的摩擦产
,生的;是剪切应变。
(1)牛顿流体的流变特性
遵循牛顿粘性定律的液体称为牛顿流体。牛顿流体的主要特征
是:剪切应力与剪切速率成正比,粘度不随剪切速率的变化而变化。其流动特性曲线是一条直线,斜率为该液体的粘度,如图3-1所示。
图3-1 牛顿流体流动特性曲线
粘度是牛顿流体最重要的流变学特性参数,用一般粘度计可测定其粘度。严格地讲,在自然界中是不存在没有弹性,不可压缩,且各向同性的理想的牛顿流体。所以在流变学中只能把在一定范围内基本符合牛顿流动定律的流体按牛顿流体处理。其中最典型的是水。此外,糖水溶液、低浓度牛乳、清果汁、油及其他透明稀溶液等都可归属于此类。
(2)非牛顿流体的流变特性
大多数液体食品,如一些固体悬浮液,乳浊液或胶体溶液等,都属于非牛顿流体。它们的粘度不是常数,随剪切速率的变化而变化,即剪切应力与剪切速率的关系曲线不是一条直线。其流动特性可用下列经验公式表示:
n ,,,,k
式中,k为粘性常数,又称浓度系数。显然当n=1时,上式就是牛顿流体公式。
非牛顿流体的范围较广,按照流动特性可以分为:?假塑性流体:在非牛顿流体流动状态方程中,当0,n,1时,粘度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动。其流变特性是与时间无关。?胀塑性流体:又称剪切增稠流动。在非牛顿流体的流动状态方程中,当1,n,?时,表现为粘度随剪切速率的增大而增大。其流变特性随时间而变化。?塑性流体:根据宾汉理论,在流变学范围内,当作用在物质上的剪切应力大于极限值时,物质开始流动,否则物质就保持即时形状并停止流动。塑性流体的流动特性曲线不经过原点。根据其是否符合牛顿流动规律,又可分为宾汉流动和非宾汉塑性流动。?触变性流
体:所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时粘性减少,流动性增加,但静置一段时间后,又变得不易流动的现象。其剪切速率减少时的曲线与增加时的曲线不重叠,形成了与流动时间有关的滞后曲线。有触变机理的食品口感比较柔和爽口,这与其作用机理有关。其机理可以表述为随着剪切应力的增加,粒子间结合的结构受到破坏,粘性减少。当作用力停止时粒子间结合的构造需要一段时间才能逐渐恢复至原样。?胶变性流体:又称逆触变性流体,与触变性流体相反,表现为剪切变稠现象即液体随着流动时间的增加,变得越来越粘稠。
其中假塑性流体、胀塑性流体、塑性流体的流动特性曲线分别如图3-2、3-3、3-4所示:
图3-2 假塑性流体流动特性曲线
图3-3 胀塑性流体流动特性曲线
图3-4 塑性流体流动特性曲线
,a,宾汉流动,b,非宾汉塑性流动
3.1.2粘弹性流体类食品的流变特性
许多液态食品如白脱花生酱、软化脂、冰淇淋等,不仅有粘度,而且具有弹性,往往会表现出回流、拉丝、挤出胀大等特殊的流动和力学现象。粘弹性流体就是这样一类流体。这类食品的流变学特性较复杂,参数较多,其中拉伸粘度、动态粘度和应力松弛时间是主要特征参数。
食品的动态粘弹性原理即动态粘弹性理论和流变体的时间—温度等效原理。其一般应用的数学模型主要有三元模型、四元模型和多元模型。但针对不同的流体材料,其具有更复杂或更具体的数学模型。这些模型具有渐近性、条理性、逼真性、可行性和可转移性等优点,都是评价食品体系在不同的加工条件下流变学行为的重要工具。
3.2固态与半固体食品的流变特性
在食品流变学中,简单把具有固体性质的食品物质归属于固态食品,理想固体称虎克固体,又称理想弹性体,其理想状态下遵循虎克定律,如干面团、硬糖果、核桃等;同时表现出固体性质和流体性质的食品物质归属于半固态食品。固态与半固态食品的流变特性主要表现形式为:食品的变形、弹性和粘弹性。
食品的断裂形式可以分为以下两大类:(1)脆性断裂:脆性断裂的特点是屈服点与断裂点一致。(2)塑性断裂:塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂。食品多以后者形式断裂,如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。有些糖果,当缓慢拉仲时产生塑性断裂,急速拉仲时产生脆性断裂。
食品的弹性是指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。其中有两个重要的定义:完全弹性和弹性极限。撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为完全弹性。形变超过某一限度时,物体不能完全恢复原来状态,这种限度称为弹性极限。
食品的粘弹性是指食品既有弹性又可以流动的现象,其力学性质不像完全弹性体那样仅用力与变形的关系来表示,还与力的作用时间有关。我们可以从应力松弛和蠕变这两个重要概念来进行阐述。所谓应力松弛是指试样瞬时变形后,在变形(应变)不变情况下,试样内部的应力随时问的延长而减少的过程。而蠕变和应力松弛相反。蠕变是
指把一定大小的力(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。值得注意的是,应力松弛以一定大小的应变为条件,蠕变是以一定大小的应力为条件的。
4.食品流变特性的测量方法
食品流变特性的测量是食品流变学理论研究和工程应用的基础,也是了解食品材料结构组织的有效手段,在食品流变学的研究内容中占有重要的地位。食品流变测量的方法多种多样,根据不同的划分方法,可以得到不同的分类:按物质的性质,可分为粘性测量、粘弹性测量和固体物质的测量;按测量运动方式可分为剪切流动测量和拉伸或压缩运动测量;按物质试样运动随时间变化的情况可以为分为形变速率不随时间改变的稳态测量和应力、应变速率随时间发生阶跃变化的瞬态测量;按应用目的可为用于理论分析的精确测量和反映工艺特点流变特征量的工业控制检测测量,其中后者一般又可分为离线测量和在线监控测量两种。
近年来,随着食品流变学、生物学、计算机技术等的迅猛发展, 在食品工业中存在许多流变学测量方法,有力地推动食品流变学的快速发展。除了如塑性流体的屈服应力测量,食品的静态弹性测量和动态粘弹性测等传统的测量方法外,又出现了多种新型流变学测量方法。例如,显微法、超声波技术、阶跃变化剪切速率法、分形法和影像云纹法都已应用于食品流变学特性的测量中。这些方法虽然不尽相同,但基本原理是大致相同的。大多都选择简单的运动方式来完成,通过被测物质与测量仪器之间的相互作用的结果得出所需的参数。
5.食品流变学在食品工业中的应用及展望
食品流变学在食品工业中有着广泛的应用。总的来说,其应用可概括为两方面:一是在食品加工工艺方面的应用。此应用的目的是使食品材料具有更优异的加工性能,提高食品的质量。其往往是根据食品物质的流变特性来改进其加工工艺,或者通过改变食品物质的温度、浓度及加工过程中的剪切速率和受剪切的时间、添加各种表面活性剂等方法,改进食品物质的流变特性。二是在控制食品生产过程中
的应用。在生产过程中,为了便于采用自动化装置,并且更为准确、迅速的调节、控制和保持产品质量,通常用一些准确的流变参数做为工艺过程的控制指标和判断依据,从而在一定程度上代替人工的摸、尝、嗅等经验判断。
食品物质的多样性决定了其流变特性也是复杂多样的,因此目前还没有一种方法能够提供一个完整流变学描述所必需的全部信息。在食品生产中要根据实际情况具体应用其流变性能。例如在巧克力生产工艺中,常用的是用34?左右急速融解的V形结晶进行接种的方法。在生产过程中,巧克力是以液体状态存在的,液体状态的巧克力是具有屈服应力的假塑性物质,此时对其特性的实验室检验就可借助于流变学的测量方法。
食品流变学在我国虽然起步较晚,但目前在食品工业中已经引起了重视,在食品加工成型中,如浓缩菠萝汁、浓缩山楂汁、巧克力等的研究中取得了一定进展。但是相比起国外流变学的发展仍有很大差距,而这些差距正是我们要努力的方向。主要表现在以下几个方面:
(1)多针对某一种食品物质进行流变特性的测量和分析,形成系统的理论研究;
(2)离散介质流变学理论、统计力学以及计算机技术在非均质和不定形结构食品物质的流变学问题中的应用;
(3)加强食品流变性与感官特性之间关系的研究,以期通过自动化控制代给为精确地替带人体感官体验;
(4)对食品热流变学进行研究,考虑热力历史和热力条件对食品加工成型的影响;
(5)研发适合于进行食品流变特性测量的新型仪器和新方法,例如,如何提高仪器对食品的适应性、如何避免食品物质的特殊性能对测量的影响、如何减小温度、湿度等对测量结果的影响。
相信只要朝着这些方向继续努力,食品流变和质构研究将会逐渐深入到人们的日常生活中,引起更多科研工作者的关注。食品流变学将会具有更广阔的发展前景,会大力推动我国的食品工业向着营养、安全、多样和方便型方向转变,甚至会深刻地影响整个世界。
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范文四:食品流变学的介绍以及应用
食品流变学的介绍以及应用
美国化学家宾汉于1928年首次提出了流变学的概念,在食品物性学中,食品流变学的
研究是发展最早的食品力学方面的研究、同时也是最为重要的研究。其研究对象位食品,食
品流变学特性与食品的化学分子、分子构造、分子内结合、分子间结合的状态、分散状态、
以及组织结构有着极大的关系。
流变学(rheology)是有关物质的形变和流动的科学。食品流变学是流变学的一个分支,
是研究食品物质流动和变形发生、发展规律的科学。近年来,流变学研究范围涉及到胶体体
系和高分子的粘弹性、异常粘弹性、塑性流变等。食品含有大量的胶状蛋白质、碳水化合物
等高分子物质,与食欲有关的硬软度、口味、滋味等,均与流变学研究范围所包括的各种物
性有密切关系[1]。不久的将来,随着食品流变学研究的深入,将对食品味道等心理感觉有
可能逐渐以某种物理量来表示。流变学可以把各种食品原料加工过程中的那些微妙的物性变
化加以科学的研究,而这些变化过去用化学方法是无法进行研究的。食品流变学通过采用湍
流(turbulence)、混沌(chaos)、数理统计(statistical theory)、最优化技术等概念和技术方法,
使古老的食品科学鼎立于实验、理论和计算三根支柱之上。例如,在炼乳生产中,表现粘度
的控制是生产过程至关重要的环节。同样,人造黄油的扩展度,糖果的硬度,肉的韧度等也
都是产品质量的重要指标之一,因此,为了进一步提高产品质量,必须深入地了解和掌握食
品物质的流动和变形特性,研究在各种条件下这些特性变化的规律及对产品质量和加工过程
的影响。正是在这个基础之上,食品流变学得以兴起和不断地发展。它是食品工业向高质量、
大型化、自动化发展的必然结果,引起了越来越多的食品工程技术人员的重视。研究不断深
入,应用日趋广泛。
食品物质种类繁多,多数物质由于组成的特殊性,一般都具有极其复杂的流变特性,
从物理特性来看,几乎包括了所有不同流变特性的物质。因此,在研究这些食品物质的流变
特性时,仅仅依靠流变学的一般理论是远远不够的,必须从食品特性入手,研究其流变特性,
建立起一套适合食品物质流变特性分析、研究的理论和方法。
宏观食品流变学是把食品物质看作连续介质体进行研究的理论和方法。它在实验的基
础上,按食品物质的流变特性进行分类;建立流变模型;推导出数学丧达式,即本构方程,
从而可以通过对部分食品物质的实验,掌握同类物质的流变特性。预测在生产这些物质的变
化。
微观食品流变学是从微观的角度对食品物质流变特性进行研究的一种理论。是与宏观
食品流变学互补的方法。
微观食品流学对食品物质的研究已超出了连续介质力学的概念。因为连续介质力学由
点的性质确定介质性质的这一基本假设对于大量的存在微观结构的非均质食品物质来说显
然是不够准确的,这些食品物质的流变特性与其微观结构是密切相关的,微观食品流变学正
是通过食品物质组成结构的分析来研究其流变流性的。这种方法对于认识食品物质复杂的流
变流性是很有帮助的。
微观食品流变学的研究主要包括两个方面,一是从实验的测定值和特性曲线得出物质
结构的基本图形,分析结构特性,这称之为结构分析。例如,在对食品物质的弹性测定时,
如果测得的弹性模量表明食品物质属于高弹性物质(一般弹性模量在105N/m2以上) ,根据
弹性理论的分析可以断定,该食品具有长链结构,长链在物质中形成网络而且个别交叉点具
有坚固的交叉联接。二是对多组分物质从组成成分的已知流变特性来推论混合物的流变特性,
这称之为结构理论。这是对食品生产最有意义的一个方面,这种方法通常是大量的物质成分
分析的基础上将每个组分物质简化成一已知的力学模型并根据各组分之间的相互作用与影
响选择适当的组合形式,然后研究在外力作用下此模型组合的流变特性,推导出数学方程,
从而为食品物质在加工过程中流变特性变化的分析提供理论依据,以达到在生产中控制流变
特性、保证质量的目的。
2.2食品物质流变特性的测量,即实验食品流变学。是以实验测量为主的一种研究方法,
是宏观食品流变学和微观食品流变学研究的基础。
在宏观和微观食品流变学中,通过食品物质特性的分析、借助一些模型提出有关方程,
这些无疑对认识食品物质的流变特性有很大的帮助。但是,所有的方程都包含了物质的流变
特性参数,只有通过实验测量才能找出方程的一般形式并进行有关的计算。因此,流变实验
测量对于流变学的研究是必不可少的。
流变特性测量的目的可归纳为:①通过测试和观察建立食品物质流变特性与被测物质
的成分和结构的关系;②建立流变特性和实际工程应用特性的关系;③寻找物料函数之间的
关系,即发展和校验实验模型和数学方程,从而为更复杂的流变现象的分析奠定基础。
实验食品流变学主要包括测量理论和测量技术两部分。测量理论主要讨论流变学过程
模拟的理论和方法,研究如何从测量值中得出物料函数和推导本构方程。测量技术是研究各
种流变特性的物质的测量方法和测试仪器、实验误差的分析及消除,使测量能准确地反映食
品物质的流变特性。
流变测量的方法是多种多样的,但就其基本原理来说大致是相同的,一般都是通过被
测物质与测量仪器之间的相互作用的结果得出所需的参数。实际测量中大都选择简单的运动
方式来进行测定。
根据食品物质的性质、测试条件和测量目的,食品流变测量可分为如下几种:
①按物质的性质,可分析粘性测量、粘弹性测量和固体物质的测量;
②按测量运动方式可分为:剪切流动测量和拉伸(或压缩) 运动测量;
③按物质试样运动随时间变化的情况可以为分,对形变速率不随时间改变的稳态测量
和应力,应变速率随时间发生阶跃变化的瞬态测量;
④按应用目的可分为:精确测量和工业控制检测测量。精确测量主要用于理论分析,工
业控制检测测量是为了得到反映工艺特点的流变特征量,通常不能得准确的物料函数,对物
料函数只是一种相对值,一般又可分为离线测量和在线监控测量两种。
食品流变学是一门边缘学科,它涉及到食品工艺学、流体力学、弹性力学和塑性力学
以及胶体化学等多方面的知识;是力学、化学、食品工程交界处的一个新生分支学科。随着
食品工业的不断发展,必将得到进一步的充实和完善,具有无限创新的前景。
3. 食品流变学在食品工业中的应用
食品流变学在食品工业中的应用可概括为两个方面:一是用于食品加工工艺方面,这上
要是根据各种食品物质的不同流变特性,改进加工工艺,或者通过改变食品物质的温度、浓
度及加工过程中的剪切速率和受剪切的时间、添加各种表面活性剂等各种方法,改进食品物
质的流变特性,使其具有更好的加工性能,提高产品质量。二是用于食品生产过程的控制。
这是在生产过程中,用一些准确的流变参数做为工艺过程的控制指标和判断依据,在一定程
度上代替人工的摸、尝、嗅等经验判断,以便采用自动化装置,使调节和控制更为准确、迅
速,使产品质量保持稳定。食品物质的组成往往是十分复杂的,大多数食品物质都属于非均
相系统,有时还要在原料中加入各种添加剂和其它辅助成分,这些都使得食品物质的特变特
性更加复杂。在应用食品流变学的基本理论分析和解决实际问题时,不能简单地套用实验模
型,同时要从具体物质的特性出发,突出主要矛盾,使模型与方程较为准确地反映物质的流
变特性。
在实际应用测侧巾,应庄意测量仪器的应用范围,使仪器的测量条件与实际条件达到
流变学相似,减少误差,提高精度。
下面举例说明食品流变学在食品生产中的应用。
3.1 液态食品的管道输送
在食品加工中,液态食品的管道输送是十分常见和非常重要的。被输送的液态食品范
围很广,有牛奶、果汁等牛顿流体,也有巧克力浆、果酱等非牛顿液体,这些流体的流变特
性是千差万别的,就是同一种物质在不同的输送条件下也会呈现不同的流变特性。因此,在
设计输送系统,选择输送装置时,必须掌握被输送物质的流变特性参数,根据流变特性进行
有关计算。
在进行输送计算时,首先要根据实验测得的数据判断所要计算的食品物质的流变特性,
确定是哪一类型的流体,然后将实验数据做适当的处理,得到描述该种类型流体方程所需的
流变参数,例如,对幂律流体要确定流态特征系统n 和稠度系数k ,对塑性流体要确定屈服
应力Ty 等。
在完成上述步骤后,要根据流动条件确定流动状态,即流动是处于层流状态还是湍流
状态,然后依据流动状态选择不同的计算公式。
对于最为常见的幂律流体,在层流状态下的管道阻力计算可用下式:
d △p/△L=K(3n+1/4n)n(8v/d)n
式中:K—稠度系数
n —幂律指数,无因次
d —管道直径,m
v —平均流速,m/s
△p —压力差,N/m2
值得指出的是,目前有关非牛顿食品物质输送计算的研究大多是关于层流状态流动的。
关于湍流状态流动的研究还较少,幸好在食品生产中层流情况比湍流要多[4.5]。
3.2 热交换
食品物质的传热特性与其流变特性是密切相关的。一般情况下,高粘度流体相互之间
混合困难、热交换系统须采用强制对流方式,在搅拌器的作用下,使食品达到一定的加热速
率,以减少营养损失、保证质量。
由于食品物质的流变特性随温度发生变化,随着传热的进行、温度的改变,食品流变
特性将发生一定的变化,而流变特性的变化又将影响传热的进行。因此,研究在不同温度下
食品物质的流变特性的变化规律,对加工传热过程的操作是十分有益的。例如,果酱加工中
常用的夹层加热锅的热传递与搅拌器工作方式及果酱的流变特性存在着一定的关系。研究表
明,由于苹果酱的触变性使得其总热传递系比其它果酱高。
3.3 炼乳生产中的检测与控制
在炼乳的加工过程中,炼乳的表观粘度具有极其重要的意义。表观粘度过高,会导致
产品变稠,表现粘度过低,又可能出现脂肪分离和糖沉淀的现象。所以,准确地检测和控制
生产过程中炼乳的表现粘度,对于提高质量是非常重要的。生产实际测量,可采用取样测量
或现场在线测量。所需注意的是,炼乳在加工过程中会呈现出复杂多变的流变特性,测量时
必须明确温度、PH 值、剪切速率等条件。除此之外,炼乳组成成分对其表观粘度的影响亦
是十分明显的,例如,脂肪含量和胶体状磷酸盐及其它盐类的含量等都对表观粘度产生很大
的影响。同理,这也说明在一定的条件下,通过对表观粘度的测定,可以估计出炼乳中组成
特性和变化情况,从而为质量分析提供必要的依据。
生产过程的控制,主要是依据炼乳在不同条件流变特性的变化规律,一方面通过改变
操作条件来控制其表观粘度的变化;另一方面通过表观粘度的测量及时,准确地控制生产过
程的操作,使生产处于最佳状态,例如,在真空浓缩过程中,蒸汽压力应逐步减小,这样可
防止表观粘度过高,有效地控制成品的初始表观粘度,防止变稠现象的发生;同时、通过浓
缩过程表观粘度的检测也可及时调节蒸汽压力的变化。
3.4 食品物质质量的评定
用流变学的方法评定食品质量,主要是通过研究食品的质构特性和流变参数的关系,
在在实验测定的基础上对食品质量进行评定。食品的质构是指食品的某些物理特性,它既包
括弹性、塑性、粘性等有明确定义的概念,也包括人们描述食品质量时所常用的术语,如食
品的软、硬、脆、坚实度、老、嫩、胶粘性等。
变学评定方法优点在于它不受人们主观因素的影响,能客观、定量化给予评价。当然,
由于食品物质的复杂性,这种方法还有许多间题有待于进一步的研究,需要充实和完善。
国外对食品物质的流变学评定方法做了大量的研究。例如,对肉类食品的嫩度,通过
蠕变实验和应力松驰实验(假定肉是线性粘弹性体) 的数据和品尝人员评定结果的比较、分析
得到了肉的嫩度和其流变参数的相关性。有关这方面的论述可详见Bashford 等人的研究论
文和报告。
关于食品老嫩程度的客观评定,许多研究者设计了不同的测试仪器,如Warner 一
Bratzler 剪切试验仪、Kramer 剪切压入仪等等。这些仪器对食品老嫩程度的测定较为直观,
但这些试验属于模仿试验,在某些情况下这些仪器测得的数据往往变化太大,而且这些数据
是食品质构特性的间接、综合皮映,不便于食品质量的控制和改善。
课程《食品物性学》 班级11级日语(4)班 马辰平 1162428
范文五:食品_化妆品和药剂化学中的流变学
广 东 化 工 2006年 第 5期 · 36 ·www.gdchem.com 第 33卷 总第 157期 食品、化妆品和药剂化学中的流变学
冯尚华 1,李霞 2
(1.泰山学院材料与化学工程系 山东 泰安 271021; 2.山东邹城第一中学 山东 邹城 273500)
[摘 要 ] 本文主要介绍了食品, 化妆品和药剂化学中乳液和凝胶化学品中流变学方面的进展。 对于乳液, 我们主要介绍其壁面 滑移现象和非线性粘弹性的模型;对凝胶,我们重点放在了用盐提高其强度的方法上。
[关键词 ] 乳液,凝胶,流变学,粘弹性
Rheology of Food, Cosmetics and Pharmaceuticals
Feng Shanghua1, Li Xia2
(1.Department of Material Science and Chemical Engineering, Taishan University, Taian 271021;
2.The First Senior Middle School of Zoucheng, Zoucheng 273500, China)
Abstract: The major recent advances in the rheology of food, cosmetics and pharmaceuticals have been developed in the fields of emulsions and gels. Concerning emulsion rheology, this review has been specially focused on the problem of wall slip, processing and modeling of its non-linear viscoelasticity behavior. Concerning the rheology of gels, the most relevant contributions have been made on the improvement of gel strength by acidification of several protein dipersions.
Keywords: emulsion; gel; rheology; viscoelasticity
过去的几年中,有关食品,化妆品和制药化学的流变性已 经引起了大家足够的重视。然而,已发表的论文中主要是关于 食品, 即凝胶和乳液流变学的。 本文主要介绍这两方面的进展。
1 凝胶
在食品化学和化妆品中, 溶胶 -凝胶的转变是一非常重要的 物理过程,在许多方面都有重要应用。多肽和蛋白质一般用作 食品的原料或是添加剂,以保证最终产品的性能。由于其凝胶 化能力的重要性,水溶胶体系的形成过程已为流变学方法进行 过广泛的研究。 Nishinari [1]曾对各种凝胶高分子溶液研究了凝胶 化过程的动态粘弹性。结果表明,恒温下的各凝胶化过程均可 用一级动力学方程表示。另外,对于不同浓度,温度和盐浓度 的高分子稀溶液体系,它们到凝胶的转化过程总在动态流变性 测量中对应着一个较大的平台区。凝胶点的确定则既可以采用 Winter 和 Chambon 提出的方法 [2],也可以用流变学中的热扫描 方法 [3]。
凝胶化在食品工业中的一个重要应用是生产酵化的乳制 品, 如酸奶。 Lucey 等 [4]曾研究过脂肪含量不同和热处理方式不 一样时的酸奶型凝胶产品的结构与流变性。其结果如下:当温 度超过 80℃时,随时间的增加,储能模量 ' G 明显增大。如要 进一步增大储能模量则需继续升高温度同时脂肪含量也要增 加,而且这两种措施还有助于凝胶化时间的缩短。激光同焦扫 描技术还表明脂肪粒子是在凝胶网络中进行规则排列的,这也 增加了其强度。另外,向该类凝胶中加入某些特殊的蛋白质或 者是水溶胶也可以增加体系的强度。正如 Keogh 和 O’Kennedy 所言 [5],加入的水溶胶和蛋白质对增强酸奶凝胶的结构性是十
[收稿日期 ]2006-03-14
[基金项目 ]泰山学院引进人才项目 (Y05-2-06)
[作者简介 ]冯尚华,男 (1977-) ,山东济阳人,泰山学院材料与化学工程系讲师,硕士,主要进行表面活性剂物理化学性质及其应用的研究。
2006年 第 5期 广 东 化 工
第 33卷 总第 157期 www.gdchem.com · 37 ·
分有利的。
Lefebvre [6]等还研究了另外一些蛋白质对凝胶流变性的影 响。如 BSA 体系中,在蛋白质的某个临界浓度之上,像稳态粘 度, 稳态柔量和平均残余时间等流变参数都会急剧增加。 另外, 对乳清体系,储能模量和蛋白质浓度之间还可以用幂律模型来 表示 [7]。 另外, 蛋白质凝胶的流变性还与离子强度 [7, 8], 所加盐 的种类 [8-10]和 pH 值 [8-11]密切相关。所以,等电点时蛋白质凝胶 的结构完全不同于其它 pH 值下的结构 [12-14]。 正如 Puppo 和 Anon 等所指出的 [11],大豆蛋白质凝胶的酸性越强,其弹性也越大, 当 pH 值接近其等电点时, tan δ也有明显增加,酸性越强, 其变性的几率也越大。 然而, Lefebvre 亦曾指出 [6], 酸性接近其
等电点时, 尽管其聚集数小, BSA 体系仍有一定的结构强度度。 盐效应是与 pH 相关的,所以在大豆蛋白质分散体系中, 表观粘度和粘弹性的增强在其等电点附近变化的最明显 [10]。在 pH 为 2.75的分散体系中, 以 NaCl 为原料增加其离子强度有助 于分子结构性的强化, 然而在更为接近其等电点的 pH 即 pH=3.5处,在同样的离子强度范围内, NaCl 浓度增加时,体系表现为 更明显的凝胶行为。
除此之外, BSA 体系中弹性的增强与离子强度和 pH 有关 [8]。对由蛋白质和多聚糖的混合体系亦是如此 [15, 16]。这表明, 相对于纯凝胶体系,在剪切条件发生变化时,由明胶和乳清蛋 白质混合的凝胶体系,其流变参数的变化不明显 [15]。
食品加工工程中另外一种非常重要的蛋白质复合体系是蛋 黄卵磷脂。 Telis 和 Kieckbusch [17]曾研究了 -24℃时已冰冻和未冰 冻的蛋黄卵磷脂在不同的盐浓度,蔗糖和甘油对其动态粘弹性 的影响,给出了防止该体系明胶化的一些因素。这表明,在 MgCl 2,蔗糖和甘油浓度大于 2%(质量分数 ) 时,可以防止蛋黄 卵磷脂的明胶化。 而加入氯化物的种类则依赖于体系的阳离子。 例如,相对于 MgCl 2而言, CaCl 2的影响更明显。
正如先前指出的,凝胶体系在制药化学中应用的较少,而 在众多的体系中,其研究主要集中在表观粘度的测量上。 Amsellem 等 [18]已研究了包括动态粘度在内的一些性质以衡量 由各种含羟基原料制得的连二醇凝胶药物体系的物理性质。结 果表明,上述体系中都表现为剪切稀释和负触变性。而粘度主 要和产品在皮肤上的的均布性及流动性有关。
2 乳液
乳液加工工艺中,最关键的是其稳定性,所以其流变性研 究多集中于此。而影响乳液稳定性的结构参数亦影响了其流变 性。 例如乳液的组分影响 [19-22], 离子强度和 pH [23], 屈服应力 [24], 壁面滑移现象 [25-27], 加工过程 [28-31], 非线性粘弹性模型 [32]等等。 但是从所研究的结论来看,壁面滑移现象,流变性和乳液加工 过程的关系以及非线性粘弹性模型最成熟。
目前为大家所接受的是胶体体系中并没有壁面滑移现象。 对此, 流变学研究的名宿 Barnes [33]也已指出 “ 流动的壁面取代效 应 ” 比壁面滑移现象能更准确的说明这一现象。在两相分散系 中,经常可以看到由于取代而发生的类似效应。结果使测得的 粘度比实际值有所减小。 防止这种现象的方法可以参见文 [25~27]。 上述三篇文章都确定了壁面滑移现象在水包油型食品乳液中的 存在。然而对此结论以小幅振荡剪切法进行实验时,结论有所 不同。
据此, Ma , Barbosa [34]等得出了如下结论,在振荡剪切中, 并无壁面滑移现象。 Pluucinski 等也给出了类似的结论 [27], 即蛋 黄酱的流变性完全可以由小幅震荡剪切实验获得。事实上,这 一结论已为 Diogo [35]所知:当流变仪传感器的壁面由光滑板变 为粗糙板时,为达到非线性粘弹区所加的临界应变逐渐减小。 但对此持不同看法的也大有人在, Goshawk [26]等曾以板间距为 0.25~3mm的平行板流变仪进行实验,结果表明在给定的频率 下,储能模量 G’ 和动态粘度η’ 均随板间距的减小而下降,这是 存在壁面滑移现象的明显特征。
所以,当分析食品乳液体系的稳态流动性时,我们说存在 壁面滑移现象就毫无争议了。 Franco [25]就曾以粗糙板流变仪在 不同的剪切速率和剪应力下研究了八种由各不同的高分子乳化 剂和低分子量的乳化剂稳定的水包油型乳液。 在剪应力较低时, 低剪切速率区 (451
10~10s
???) 的零剪切粘度与实验板的粗糙度 无关。这也说明,在线性粘弹区,流变函数的值不受滑移现象 的影响。而在剪切稀释区,样品的临界应力总低于该样品在光 滑板上的临界应力,这与 Plucinski [27]的结论是一致的。而在高 应力区,同样的的剪切速率下,粘度值与 Plucinski 在毛细管粘 度计中以相同速率进行剪切实验时得到的结论一致 [27]。 Sanchez 等 [28]还研究了以强水溶性且为低分子量乳化剂稳 定的水包油型乳液乳化过程中的流变性与微观结构,目的是考 察乳液加工过程中流变参数与加工过程的关系。实验表明,温 度是乳化过程的决定因素,它有利于油滴的破裂以提高其稳定 性,低温下,乳液加工过程中输入能量的增加有助于提高其稳 定性。然而,温度升高时,乳液稳定性降低,表现在流变图上 就是其储能模量平台区的缩短。 这一过程的量化可以由 Princen 方程 [36]描述,即平台模量 G 和平板直径 D 43之间的函数关系。 高分子乳化剂稳定的乳液中也可以看到类似的关系 [29]。如 由植物蛋白稳定水包油型乳液中,温度升高时得到的粒子直径 更大,体系一般也是多分散性的,但同时也可以得到一个更宽 的线性粘弹性函数的区间。而含表面活性剂,由蛋白质稳定的 乳液 -凝胶体系中, Dickinson 等已广泛研究了其温度影响 [37-40]。 结果如下,蛋白质浓度是影响凝胶强度的主要因素,油滴粒子 的分散性与蛋白质分子的相互作用有关,这种作用既体现在粒 子的表面也与凝胶的结构性有密切关系。其函数关系可以用简 化后的 van der Poel方程 [41]来考察特定组成下的剪切模量, 但拟 合结果的相关性则依赖于粒子的聚沉和变形性。
乳液加工过程的相关变量也可用实时流变函数来监测 [31]。 既可以避免乳液的结构破坏,也可以知道加工过程中的参数变
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化。其具体的测量过程可以参看文 [42, 43]。
对于食品的浓乳液, Bower 等 [32]以非线性粘弹性的本构方 程, 即 Wagner 模型描述了其稳态流动过程。 这一模型分别考察 了时间和应变两个因素,剪应力可以由下面的方程给出:
' ) ' , () ('
)
' () , (dt t t dt t t dG t t
γγγτ∫
∞???=
式中, (') G t t ?是线性弛豫模量, () h γ是弛豫函数。
弛豫模量可以由以下的弛豫谱来描述:
(') /(') () ln t t G t t H e d λγλ∞
???∞
?=∫
而弛豫函数则由下式定义:
() exp() h k γγ=?
其中的 k 是一个经验参数,
可以定量描述材料的非线性度。 Bower 等以该方程预测的实验结果与低剪速率下的实验数据符 合的非常好。 同时 Wagner 本构方程也可以预测由高分子或者是 低分子量乳化剂稳定的水包油型浓乳液的稳态流动过程。
3 结论
所有上述研究都是为了了解复杂流体的流变性,以便应用 于食品、化妆品和制药化学工业,尤其是乳液和凝胶体系。而 主要的结论都是从线性动态粘弹性出发,以乳液的壁面滑移为 重点,关联乳液的流变性与其结构。本文主要综述的是食品体 系的流变性,化妆品和制药化学的流变性可以参见文献 [44-47]。
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(上接第 41页)
献 [ 3 ]给出了明确的结论。苯酚光催化氧化的反应可以分为三个 阶段。
(邻苯二酚的浓度 > 对苯二酚 (反丁烯二酸 的浓度 >甲酸 度锐减,产物以 CO 2为主。
三个阶段反应过程可以简化表示为: 苯酚 → 苯环羟基化 → 开环生成羧酸 → CO 2
3 结论 光催化氧化法能有效地处理含酚废水,本实验确定的最佳 实验条件为:催化剂投加量为 0.6g ,初始浓度为 100mg/L, pH 为 5.5,处理时间为 5h ,此时处理效果最佳。
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