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