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1、1,第四章 食品的流变特性,2,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。,3,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、蠕变实验 。,4,研究的方法和步骤：,首先把食品按其流变性质分成几大类，如：液态食品、半固态食品和固态食品等； 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，找出测
2、定食品力学性质的可靠方法； 从方法中得出有效控制食品品质(力学性质)的思路。,5,(2)黏性流体的分类,牛顿流体 剪切速率 ：液体流动过程中，应变大小与应变所需时间之比表示剪切速率 。也称为应变速率或速率梯度。 流动状态方程 : 在研究液体的力学性质时，与固体同样，也要找出应力与应变的关系。把表示液体所受的剪切应力与剪切速率的函数关系式称为“流动状态方程”。,6, = 上式所表示的液体流动规律被称为牛顿定律。凡符合牛顿定律的液体，即：应力与剪切速率成正比的流体，称为牛顿流体。其流态状态方程不符合牛顿定律，统称为非牛顿流体。 特征：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
3、层流状态下，黏度是一个不随流速变化而变化的常量。,7,牛顿流体剪切速率与剪切应力的关系、剪切速率与黏度的关系可用特性曲线表示：,基本符合牛顿流动的食品有水、液糖、酒、油等 。,8,非牛顿流体,液体在流动过程中不符合牛顿流体定律的称为非牛顿流体的流动。符合非牛顿流动的流体称为非牛顿流体。 非牛顿流体流动状态方程主要有两种经验形式： 式中：k称为黏性常数。因为它往往与液体浓度有关，因此也称为浓度系数，n：称为流态特性指数。 a表观黏度， 0屈服应力 。,(1 n , 0 n 1),(0 0 ),9,根据以上流动状态方程中0的有无和n的取值范围，非牛流动还可以如下分类：,假塑性流动 （0 n 1）
4、胀塑性流动 (1 n ） 塑性流动 宾汉流动 （0 0 ，n=1） 非宾汉塑性流动 （0 0 ， n 1） 触变性流动 胶变性流动,10,假塑性流体： 在非牛顿流动状态方程式中，当0n1时，即：表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动，称作假塑性流动。符合假塑性流动规律的液体称为假塑性液体。 特点：无屈服应力，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。 把随着流速的增加，表观黏度减少的现象也称为剪切稀化。,11,假塑性液体的流动特性曲线为：,12,造成假塑性流动的机理主要有以下一些解释：,a.胶体粒子间结合受剪切应力作用发生改变，影响黏度的变化。这种解释认为，对于比较稠
5、密的分散系统粒子，当分子间的弱结合力使它们之间形成网架构造时，会表现为黏度的增加。当液体流动时，受剪切应力作用，这些网架构造不断被破坏。,13,(2)胶体粒子变形，引起黏度的相对减少。有假塑性流动性质的食品液体，大多含有高分子的胶体粒子。这些粒子多由链状巨大分子构成，在静止或低流速时，互相勾挂缠结，黏度较大，显得黏稠。但当流速增大时，也就是由于流层之间剪切应力的作用，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，这就出现了黏度降低。,14,剪切稀化概念图,15,胀塑性流体 ： 在非牛顿流动状态方程式中，如果1n，称为胀塑性流动。即：随着剪切应力或流速的增大，表观黏度a逐渐增大。符
6、合胀塑性流动规律的液体称为胀塑性液体。 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。,16,胀塑性液体的流动特性曲线为：,液体食品中胀塑性流体不很多，比较典型的是生淀粉糊。,17,造成胀塑性流动的机理解释：,胀容现象： 具有剪切增黏现象的液体，其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，则充满在致密排列的粒子间隙。当施加应力较小，缓慢流动时，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、粒子与粒子没有了水层
7、的滑动作用，因而黏性阻力就会骤然增加，甚至失去流动的性质。因为粒子在强烈地剪切作用下成为疏松排列结构，引起外观体积增加，所以，称之为胀容现象。,18,胀容现象概念图,19,将流动方程 称为为幂定律模型。 K 和n 都是常数，n称为流变特性指数，n的大小表示液体偏离牛顿液体的程度。对于牛顿液体n=1。 如果n1，表明这种液体比牛顿液体“稠密”称为胀塑性液体。此时，n 越大，就说明胀塑性液体就越偏离牛顿液体 K 称为浓度系数，数值与液体稠度或浓度有关。因此与牛顿液体的黏度具有相同的物理特性，量纲与黏度相似。,20,（3） 塑性流体 ： 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
8、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。 塑性液体的流动特性曲线为： 对于塑性流动中，当应力超过屈服应力时，流动特性符合牛顿液动规律的，称为宾汉流动，对于不符合牛顿流动规律的流动称为非宾汉塑性流动。 把具有这两种流动特性的液体分别称为宾汉流体或非宾汉流体。,21, 0， -0=,22,（4）触变性流动（亦称摇溶性流动） ：,所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时，其黏性减少，流动性增加，但静置一段时间后，流动又变得困难的现象。 特点：振动、搅拌、摇动流动性增加；加载曲线在卸载曲线之上，并形成了与
9、流动时间有关的履历曲线(滞变回环） 。,23,其机理可以认为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 。 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。,24,5. 胶变性流动 ： 胶变性流动与触变性流动相反，即：液体随着流动时间的增加，变得越来越黏稠。 特点：振动、搅拌、摇动流动性降低；加载曲线在卸载曲线之下，并形成了与流动时间有关的履历曲线(滞变回环） 。 胶变性流动的特性曲线为：
10、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。因此，这种现象也被称为逆触变现象。 有这种现象的食品往往给人以黏稠的口感。,25,（3）影响液体黏度的因素,分散相的影响,影响液体粘度的因素,乳化剂的影响,分散介质的影响,温度的影响,稳定剂的影响,26,温度的影响,液体的粘度是温度的函数。在一般情况下，温度每上升1，粘度减小5%-l0%。粘度和温度的关系可以用Andrade方程表示: 式中，T为热力学温度； A常数； BH与R的比 值； H表面激发能； R气体常数。,（4-8）,27,28,温度的黏度系数()，即温
11、度变化1的变化率，可根据下使计算：,29,对于分散相为球形固体粒子的液体，影响其黏度的是分散相的浓度。根据流体动力学方法，推导出如下公式：,式中，为分散相的体积分数，为常数。当分散相为理想的刚体球，且粒子间没有相互作用时，取值为2.5。,分散相的影响,a. 分散相浓度,30,对于具有一定浓度的液体，也就是说，当分散相粒子浓度较高，粒子之间的碰撞、凝聚、聚合使得有效容积率有可能变化时，推导出如下公式：,式中，为分散相的体积分数。,r(1+)2.5,31,b. 分散相黏度,对于分散相为液体的场合，当溶液流动时，剪切力会使球状的分散相粒子发生旋转，因而会引起内部的流动。这种流动的程度与分散相的黏度有
12、关。,式中： 、为分散相的黏度。,32,c.分散相的形状,对于粒子形状的影响，有人推导出了含形状因子的公式：,式中： F：形状因子； 1：单位体积微粒重量kg/m3；2：微粒密度kg/m3。 当具有对称的阻力时（球型），F1。一般F0.41。,33,d.分散相的大小,分散相粒子的大小在0.7 30m之间，而且乳浊液又非常稀时，粒子大小对黏度基本上没有影响。当不超过0.5时，乳化剂吸附在粒子表面引起容积的增加与使分散相黏度增加的影响相互抵消。因此，当粒子径为数微米范围时，粒子尺寸越小，相对黏度只有极小的增大。,34,分散介质的影响,对乳浊溶液黏度影响最大的当然是分散介质本身的黏度。与分散介质本身
13、黏度有关的影响因素主要是其本身的流变性质、化学组成、极性、pH以及电解质浓度等。,35,乳化剂的影响,乳化剂对乳浊液黏度的影响主要有以下几方面： a. 化学成份。它影响到粒子间的位能。 b. 乳化剂浓度及其对分散粒子分散程度(溶解度)的影响。它还影响到乳浊液的状态。 c. 粒子吸附乳化剂形成的膜厚及其对粒子流变性质、粒子间流动的影响。 d. 改变粒子荷电性质引起的黏度效果。,36,稳定剂的影响,稳定剂的添加，对分散介质的流变性质影响很大。因此，它也影响全体液体的黏度。稳定剂的添加可使牛顿液体变成非牛顿流体、塑性流体或具有触变流动性质的流体。 食品中常用的稳定剂除明胶、琼脂(agar)、藻酸盐类
14、(alginates)、直链淀粉、支链淀粉、CMC(羧甲基纤维素)外，用得较多的就是胶类。,37,3.液态食品流变性的测量,测量食品液体的黏度时，一定要针对测定目的和被测对象的性质选择测定仪器。 常见的测定方法有： 毛细管测定法 双圆筒回转式测定法 转子回转式测定法 锥板回转式测定法,38,一)毛细管测定的原理和测定仪器,1、测定原理 根据哈根公式，当牛顿液体在毛细管中流动，并处于层流状态时，t时间内，通过毛细管的液量Qt与毛细管两端压力差P，毛细管半径R及管长L有如下式关系：,39,2、测定方法,为了减小误差和使测定操作简单易行，毛细管黏度计多用来测定液体的相对黏度。也就是利用已知黏度的标准
15、液(通常为纯水)，通过对比标准液和被测液的毛细管通过时间，求出被测液的黏度。,40,例题：,用毛细管粘度计测量葵花籽油的黏，采用50%浓度的蔗糖溶液作为参考液，已知参考液25时的密度为1227.4kg/m3，黏度为0.0126Pas，流过毛细管上下刻度的时间是100s。根据实验结果（见下表），(1)试用Andrade模型分析温度对黏度的影响（2）确定Andrade模型参数及活化能；（3）10时该油的黏度是多少？,41,解：(1)根据 和已知条件，可计算出不同温度下的黏度值(见表3-8)。,42,(2)Andrade方程为 ，或 对ln与1/T作图，得到 由截距可知，Andrade方程常数A=6
16、.75810-7Pas，由气体常数R=8.314 10-3kJ/(molK)，可计算出活化能E=27.705kJ/mol。 (3)根据上面求出的表达式，将温度273+10K代入，得：,43,3.锥板式黏度计 测定黏度部分由一个同心的圆锥和平板组成。圆锥面与平板夹角只有0.54。测定时，在圆锥与平板的间隙充填试样。 当圆板以一定角速度回转时，圆板上距回转中心距离为r的任一点，其线速度为r。这部分液体厚度为rtgr。于是它的剪切速率为：,由此可见锥板式黏度计中，液体处处剪切速率相等。 液体黏度则可由下式求出,44,3 塑性流体的屈服应力测量,塑性流体屈服应力的测量可由如下几种方法。 1）直接测量法 它是在低剪切速率下（一般 10-3
