食品物性学 食品力学性质

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1、第二章 食品的力学基础,食品的力学性质是食品物性中最主要的性质。 食品物质的胶黏性 食品流变学,一般的食品不仅含有固体,而且还有水、空气的存在,属于非均质分散系统。 所谓分散系统,是指数m以下,数nm以上的微粒子,在气体、液体或固体中浮游悬浊(即分散)的系统。 分散系统组成:分散相 ,连续相 (也称分散介质),第一节 食品物质的胶黏性,一、食品物性构成体系,食品物质物性具有非对称。 物性值=F(分散相物质,连续相物质, O/W, W/O型) 如:生奶油-黄油 面包-面粉,因此,在研究食品物性时,要注意到食品物质的分散系性质。,二、胶体,胶体系统是一种多相分散系统,亦称非均质分散系统。按分散相分

2、散粒子大小的不同,胶体系统可划分为三类: 胶体粒子的大小和胶体特征,表述物质状态,三、食品胶体系统,食品胶体系统的分类,(一)气体为连续相的胶体 气溶胶 液体分散于气体介质中 粉末 固体颗粒分散于气体介质中 粉末的形态:分散飘浮在空气中的状态和沉积在一起的集合状态两种。 粉末常有如下一些物理量: 1.外观比容:表示单位质量粉末所充填的体积。 2.外观密度:是指包括粉末间隙在内的单位体积粉体的质量。 3.孔隙率:一定体积的粉末中,孔隙所占体积的比率。 孔隙率V0/V=(V-V1)/V 式中:V为粉末体积,V0为孔隙所占部分体积,为V1 为粉末本身所占体积,(二)液体为连续相的胶体 1.气泡 气泡

3、是在液体中分散有许多气体的分散系统。 名称: 气泡溶胶 ,泡沫 。 2.乳胶体 乳胶体一般是指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。 乳胶体一般由水、油和乳化剂构成。 乳胶体分为:水包油型(O/W型)和油包水型 (W/O 型)。 有两相乳胶体和多相乳胶体(W/O/W型或O/W/O型 )。,生奶油、蛋黄酱,黄油、人造奶油,两相之间相互转化概念图,两相之间是可以相互转化,但食品物性截然不同。,多相乳胶体概念图,乳胶体连续相是水还是油,这对它的物性往往起决定作用。 判断乳胶体类型的方法主要如下: 稀释法 : 导电法: 色素染色法:,3.溶胶和凝胶 (1)溶胶:对于可流动的

4、胶体溶液,称之为溶胶。 食品中一般胶体粒子的分散介质是水,所以把分散介质(连续相)是水的胶体称为亲水性胶体,这样的溶胶称为水溶胶。 (2)凝胶: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胶。,果冻、豆腐、鸡蛋羹,大部分食品的主要形态。,(3)凝胶的分类 关于凝胶的分类有很多种,若按照其物理性质可以作如下分类: 1)按力学性质可以把凝胶分为:柔韧性凝胶具有一定柔韧性的凝胶,如面团、糯米团;脆性凝胶受力在较小的变形时便破坏的凝胶。 2)按透光性质可把凝胶分为透明凝胶(果冻)和不透明凝胶(鸡蛋羹)。,凝胶食品多以多糖类、蛋白类为凝胶

5、形成的主体,3)按保水性也可将凝胶分类。凝胶一般虽然都是亲水性胶体,但有些保水性差,放置时水分将会游离出来,称为易离水凝胶。相反为难离水凝胶。 豆腐放置时水就会不断流出,而琼胶、明胶、果冻就几乎不发生离水现象。,4)按热学性质的分类:基于胶体随着温度的变化,由液态转变为固态,或由固态转变为液态的特点,可把凝胶分为热可逆性凝胶和热不可逆性凝胶。 食品中的凉粉、肉冻、放凉了的粥都属于此类凝胶。然而,象蛋清这样的胶体,加热时会形成凝胶。而后无论是再进行热的或冷的处理,它再也不会成为溶胶状。把这样的凝胶称为热不可逆凝胶。,(4)凝胶的力学性质在食品物性学研究中的位置 很多食品都是在凝胶状态下食用的。

6、凝胶状态食品的力学性质对其口感品质、风味品质。如:软硬、嚼劲、筋道感、柔嫩感等起着决定的作用。 研究和改善食品的质地,主要就是研究凝胶状态物质的模型。 因此,凝胶状态在食品物性学中占有十分重要的位置。,四、食品的胶黏性,绝大部分食品可看作胶体状态。 食品的胶黏性:指食品既有塑性、黏性、又有弹性的性质 1929年宾汉首先对食品这种胶黏性提出了流变学的概念。,第二节 食品流变学,什么是流变学?什么是食品流变学?,牙膏一个最常见的流变问题,使用牙膏时挤出要容易,挤出后要求挺括,在牙刷上不能下陷,刷牙时又要轻松,这就要求牙膏遇到剪切时黏度迅速下降,静止时又具有一定的屈服应力,以保持坚挺。,流变学涉及的

7、相关学科与对象,荷兰人斯科特布莱尔(G.N.Scott Blair), 1953 年, 他编辑出版了Foodstuffsthe Plasticity, Fluidity and Consistency一书。,(一)流变学的定义 流变学是研究物质在力作用下变形或流动规律的科学。流变学中,物体的力学参数不仅有力、变形,还有时间。可用下式来表示: F(t , , )=0,.,.,一、食品流变学概念,-剪切应变,食品流变学 研究对象食品及食品原料 液态食品、固态食品、半固态食品 研究内容对这些食品物质的异常黏性、塑性、触变性、黏弹性等现象进行研究,并从这些食品的构造、组成上解释以上现象,找出其表现规律

8、。,食品流变学的研究意义, 产品开发:组分的功能性 原料组分:质量保证 加工工艺:在泵、管道、挤压机、混合 设备、均质机、热交换器中的流动行为 包装设计:输送能力 终产品:质量控制,稳定性 消费特性:连续性,涂抹性,口感,外 观,质构等,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: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,找出测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。,二、黏性,(一) 黏性概念 黏性:指阻碍流体流动的性质。 黏性的大小用黏度(或称黏性率、黏性系数)来表 示

9、,是流体最基本的特性参数。 产生条件:流体流层发生相对运动 根据变形的方式,黏度还可分为以下几种:剪切黏度、延伸黏度、体积黏度,黏性是表现流体流动性质的指标。,(二)黏性流动的分类 1.牛顿流动 2.非牛顿流动,水,酒 桃酱 生淀粉糊,1.牛顿流动,(1)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。 (2)流动状态方程 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”。 = n,牛顿流体定律:,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。,为黏度,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。,基

10、本符合牛顿流动的食品有水、糖液、清炖肉汤、酒、油等 。,牛顿流体,2.非牛顿流动,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。 非牛顿流体的流动状态方程主要有两种经验形式: = k n = a (1 n , 0 n 1) = 0+ k n (0 0 ) 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 。,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) 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)

11、触变性流动 胶变性流动,1)假塑性流动: 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,亦称准塑性流动或拟塑性流动。 符合假塑性流动规律的液体称为假塑性液体。,假塑性液体的流动特性曲线为:,把随着流速的增加,表观黏度减少的现象也称为剪切稀化。,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。,剪切稀化概念图,部分液态食品的流态特性参数如表:,造成假塑性流动的机理,主要有以下一些解释。,(1)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。 当液体流动时,受剪切应力作用,胶体粒子间网架构造不断被破坏。

12、 (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。,2)胀塑性流动 : 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。 符合胀塑性流动规律的液体称为胀塑性液体。,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。,特点:无屈服应力,即应力应变曲线通过坐标

13、原点;随着剪切流速的增加,表观黏度增加。,造成胀塑性流动的机理,主要有以下一些解释。,胀容现象: 对于剪切增黏现象可以用胀容现象来说明。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。,胀容现象概念图,3)塑性流动 : 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。,对于塑性流动中,当应力超过屈服应力时,流动特性符合牛顿流动规律的,称为宾汉流动,对于不符合牛顿流动规律的流动称为

14、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。,塑性液体的流动特性曲线为:,部分宾汉流体食品的屈服应力值,非宾汉流体食品的流态特性参数,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,并形成了与流动时间有关的履历曲线(滞变回环) 。,触变性流动的特性曲线为:,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。,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

15、增加,变得越来越黏稠。 特点:振动、搅拌、摇动流动性增加;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:,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。,三、黏弹性,(一)黏弹性基本概念 当给物质施以作用力时,把既有弹性,又可以流动的现象称为黏弹性。 具有黏弹性的物质称为黏弹性物质或黏弹性体。,物质恢复原形的能力。,食品物质受力断裂时应力应变曲线,1.分析物质的应力应变曲线时需用到以下概

16、念:,(1)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。 (2)微观应变:是指应变尺寸范围为原子距离数量级的应变。 (3)弹性:物质恢复原形的能力。 (4)塑性:物质产生永久变形的性质。 (5)强度:物质承受施加外力的能力。 (6)压缩强度:物质所能承受的最大压缩应力,即:试验时试样能承受的最大荷重和与试料的最初断面积之比。,(7)弹性率:在弹性极限范围内,应力和应变之比。 当应力和应变为非线性关系时,又定义了以下弹性率。 a.初始切线弹性率: b.切线弹性率: 瞬时弹性率 c.正割弹性率: 表观弹性率 d.弦弹性率。,(8)屈服点:当载荷增加,应力达到最大值后,应力不再增加,而应变依然增加时的应力。即图2-16 “Y”点。 (9)屈服强度(弹性极限):应变和应力之间的线性关系,在

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