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1、Brookfield粘度计在食品工业中的应用一、食品的流变学与食品生产 食品工业在我国国民经济中一直占着举足轻重的地位，近年来，食品消费与需求由追求数量向追求质量、营养、安全、多样和方便型的转化，这就带动了食品技术的不断进步，食品流变学也是在这个大的背景下，不断发展进步，在很多食品生产中所占的地位越来越重要。从本质上来说，食品流变学是研究食品原材料、半成品、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。流变学是研究物质形态和流动的学科，食品流变学是食品、化学、流体力学间的交叉学科，主要研究的是食品受外力和形变作用的结构。由于食品物料的流变特性与食品的质地稳定性和加工工艺设计等有着重
2、要关系，所以通过对食品流变特性的研究，可以了解食品的组成、内部结构和分子形态等，能为产品配方、加工工艺、设备选型及质量检测等提供方便和依据。食品的流变特性在食品生产的关系有以下几个方面：1、食品流变特性与食品的质量食品的表现状态（appearance）、风味（flavor）、质构（texture）和营养（nutrition）通常被称为食品的四大质量因素。食品在加工储藏中常涉及质构的改变（如组织的软化与分解），因为质构的变化会引起材料流变特性的变化。传统的食品质构及其表现状态就是用感官检验来评价的。口尝就是一个复杂的流变过程，咀嚼包括磨、剪、挤压、压缩、拉伸等物理过程，故通过流变学的一些测试可以
3、反映食品的质量，并可避免感官品尝中主观的影响。面包、糕点类食品的质构在很大程度上是构成气孔壁材料的流变学性质的函数。面包气孔大小、分布均匀程度与面包的松软度和可口性都有很大关系。流变参数已经用于研究面团的调制、烘烤过程最佳工艺条件以及产品的质量控制。从食品流变学的角度来讲，粘度与质构有同等意义，只是粘度通常与液态食品有关，质构则通常与固体有关。粘稠性不仅是液态食品的感官评价指标，而且影响到食品风味的接受性。Wood曾研究液态食品的粘稠度与品尝时的反映，并找出其流变学关系，指出当假塑性时，系数n0.5时，乳类甜食、汤料、酱类、浆状食品的口感最好。这类食品在口中保持稳定的流动，当有剪切作用（舌动等
4、）时有较低的粘度，若停止剪切，又恢复原来的粘度，容易吞咽。韦氏等人则研究人们对甜味的接受性，指出随着溶液中加入水溶胶体后粘度增加而减少，且不同的水溶胶有不同的影响。当然，由于食品的复杂性，研制功能齐全、灵敏度高的仪器并应用与生产实际还需要一段时间。但在这一领域的研究表明，食品流变特性在评价食品的质量中是很有前途的一种手段。2、流变特性与食品研发通过流变学试验（模拟试验）可以预测产品的质量以及产品在市场上的接受程度，指导新产品的开发。由于流变学研究的深入食品的质构和构成食品的各种组分和组分特性及加工条件。因此，只要积累足够的食品成分在各种条件下的流变特性以及规律，以及消费者的要求，就可以试制新产
5、品并利用这些研究成果进行评定、修改试验条件，从而缩短新产品从实验室研究与实际生产的时间和层次。如人造奶油可以参考奶油的流变特性，许多仿制工程食品都可以在加工中利用天然类似食品的流变规律。3、流变特性与生产中的质量控制食品加工过程中的质构变化，势必引起材料受力性质的改变，只要发生变化的流变参数究可以在生产中控制。这方面应用最广的是巧克力的生产。巧克力可以是固体也可以是液体，取决于其脂肪的构成与存在状态。可可脂在温度高于32将会急剧的融化，成为液态。因此可以借助流变学测量方法对其特性进行检验。巧克力最重要的流变学参数就是屈服应力值，其流动曲线遵循Casson方程：把流动曲线外推至零剪切速率来确定巧
6、克力的屈服应力值。屈服应力与巧克力中所含的可可脂肪成分，巧克力浆中的可可粉、糖粉等的磨碎程度及卵磷脂的用量有关。在涂布巧克力层的时（威化巧克力、冰淇淋巧克力等），涂层的厚度取决于巧克力的屈服应力，垂直面厚度取决于其粘度。甜炼乳生产中粘度是一个重要的质量指标。粘度过高，可能导致变稠，粘度过低，就会导致脂肪分离和糖的沉淀。炼乳的储存时间和温度对粘度都有较大的影响，因此生产过程中要通过调整工艺条件（热杀菌的温度、时间、浓缩等），控制粘度，并可以根据其流变特性俩控制浓缩终点的粘度，时期在储存过程中不至于变稠而影响质量。4、流变特性与工程设计食品加工及处理过程涉及的液体多为非牛顿液体，其表观粘度随时间、
7、剪切应力、剪切速率的变化而变化，因此掌握各种食品的流变学特性，便于在流体的输送，管路设计以及搅拌、乳化、均质、物化、浓缩、灭菌等单元操作的机械设计中充分考虑物料在力的作用下粘度的变化，有针对性的设计设备结构及功率等。如有些材料具有剪切变稀现象，故其输送启动功率要大；针对有些具有剪切变稠的材料，要防止在输送过程中阻力增加引起流速变化，还要防止因剪切应力下降引起管的堵塞等。二、食品的流变特性由于食品包含的门类众多，所以目前研究食品的流变特性主要是按照食品的状态来进行研究的，可以分以下几类：1、固态食品的流变特性对固态食品物料的流变特性研究，从文献上反映的研究内容不太广泛。固体的流变特性主要是由弹性
8、模量、剪切模量、容积模量和泊松比等来表示。硬糖果、核桃、苹果等基本呈现的是固体食品的流变特性。2、液态食品的流变特性液态食品可以流动，目前液态食品的流变学研究也是食品流变学研究的重点，本文讨论的重点也是液体食品。其流变特性主要是通过剪切应力和剪切速率之间的关系也就是粘度来表现的。根据剪切应力和剪切速率的关系可以分为：牛顿液体类食品、非牛顿类液体食品、塑性液体类食品。2.1牛顿液体类食品此类食品的主要特征是流动符合牛顿粘性定律，即剪切应力和剪切速率成正比，粘度就是此类液体最重要的流变学特性参数。许多液体类食品在剪切应力很宽的范围内基本呈现牛顿类液体性质，象糖水溶液、低浓度牛乳、清果汁、酒、水等液
9、体。2.2非牛顿液体类食品多数液体类食品不满足牛顿粘性定律，即粘度不是常数，随剪切应力或者剪切速率变化而变化。非牛顿类液体是一些固体悬浮液，乳浊液或者胶体溶液，如酱油、菜汤、浓糖水、淀粉浆、带果肉的果汁、蛋白质溶液等、按照非牛顿液体的分类还可以分为假塑性液体、涨塑性液体、触变性液体、凝变性液体。前两个的的流变特性与时间无关，后面两个的流变特性与时间有关。2.3塑性液体类食品这类食品的主要流变特性是只有超过一定的应力才流动，否则就保持现状或者流动停止，典型的此类食品有土豆泥、浓奶油、熔化的巧克力、脂肪等。其流变参数为屈服应力和粘度。3、粘弹类食品这类食品介于固体食品和液体食品之间，即具有粘性又具
10、有弹性的粘弹性体。属于这类食品的主要又米粉团、淀粉团和冻凝胶等。此类食品的流变学特性比较复杂，主要的参数为蠕变柔量和应力松弛时间等。三、食品流变学特性的测量食品流变学研究起步较早，但是由于食品体系的复杂性，早期流变学的研究主要是一些经验性的测定，例如产品在自身质量下其流动性、铺展性和碎裂性的测定等。近年来由于食品科学工作者为了提高对食物加工性，特别是食品的深加工性、工艺及设备设计的依据性等的需要，食品流变学的研究变得愈来愈广泛。随着研究活动的深入，研究手段亦有了较大地发展，表现在先进的流变学测试仪器的引入和开发。应用先进测试仪器，使实验与研究在建立食品物料的流变特性力学模型上更为方便。Broo
11、kfield做为世界上最知名的粘度计生产商，推出了一系列产品均可以用于食品流变性特别是液体流变性的研究，如DV系列粘度计、YR-1屈服应力流变仪等等。由于食品行业包括的行业很广泛，下面即是Brookfield粘度计/流变仪在一些具体行业的应用：1、淀粉的糊化特性2004年，我国淀粉产量达到933万吨，广泛的应用在食品工业、造纸工业、医药工业、化学工业等等，为国民经济的发展做了很大贡献。淀粉是颗粒存在，但食品和非食品应用几乎都是加热糊化，应用所得的糊。淀粉糊的性质关系应用至为重要。淀粉颗粒不溶于水，但在水中能吸收少量水分，颗粒稍膨胀。普通玉米淀粉和马铃薯淀粉在水中所含平衡水分大约28和33。这种
12、吸水和膨胀现象是可逆的，水分被干燥后仍恢复原来的颗粒结构大小。混淀粉于水中，不停地搅拌。颗粒悬浮于水中，形成白色悬浮液，称为淀粉乳。加热淀粉乳，颗粒随温度的升高，吸水更多，膨胀更大，达到一定的温度，原淀粉结构被破坏，吸水膨胀成粘稠胶体糊。这种现象称为糊化，其温度称为糊化温度，形成的胶体称为淀粉糊。粘度是淀粉糊的最重要性质，面在普遍用粘度曲线测定， Brookfield的SSB（淀粉测量系统）是为测量工业淀粉样品在自动快速糊化和快速冷却过程中的粘度变化而设计的。SSB可以准确、快速的进行测量，从而可以帮助产品研究者快速地调整产品结构。详细方法见附录1。2、乳品行业乳制品在世界范围内，由于消费量较
13、大，相应的流变学研究也较广泛。研究表明：牛乳的流变特性受其浓度的影响。浓度不同不仅使牛乳的表观粘度值发生变化，而且使牛乳的流体类型也发生变化。在浓度较低时，牛乳呈现涨塑性特性（n1），在中等浓度下变成牛顿流体（n=1），但在浓度较高时，又变成非牛顿流体，呈现出假塑性流体特性（n1），即随着浓度的增加，n值由大逐渐变小。虽然温度对牛乳粘度的大小有影响，但对牛乳的流型没有影响。在所有影响因素中，浓度对流型起决定性作用。近年来，由于人们担心食入过多的脂肪，所以低脂奶逐渐成为市场上的流行品。但是由于脱脂使牛奶的口感和质地都不如以前。1991年，Shoemaker Nantz等人研究了乳制品的粘度与感官
14、评定之间的相关关系。结果表明，奶油味和口感与脂肪含量相关很强，而同时奶油味和口感与仪器测定的粘度相关性也很强，初步证实了粘度与感官分析存在相关关系。所以在乳品的开发、质量控制等方面，粘度的测定越来越重要。在搅拌型酸奶生产过程中最重要的控制项目之一是粘度，搅拌型酸奶生产过程中不可避免地要对已发酵好的、凝固的酸奶进行机械加工处理，如搅拌、冷却、灌装等工艺过程。如果生产线设计不合理或工艺参数控制不当，就会造成酸奶粘度大大降低，严重时会出现分层现象。粘度也是评价酸奶质量的重要指标。另外，在乳品在浓缩过程中，也可以通过粘度的测定来确定浓缩的终点。Brookfield的旋转粘度计有众多类型的转子，在测定乳
15、品的粘度时，可以根据不同的需要选择不同的转子，如桨式转子、升降支架等。3、果汁果汁的流变特性研究国内外均有开展。据报道，不含果胶的山楂汁、酸枣汁、黑加仑汁及澄清水蜜桃汁的流变曲线均为其延长线过原点的直线，说明其流型为牛顿流体。含果胶的果汁的流变曲线为一过原点呈凹形向上的曲线，说明流型为假塑性流体。因此说明，果汁的流型与是否含果胶有关。如果含果胶时，果汁溶液基本就有两步分组成，浆液和浮在浆液上的水果细胞壁碎屑组成的微粒物质。在很多情况下，其中的部分微粒很可能被分离出来，或浮在表面，或者沉到底部。所以在实际生产中，一个很重要的问题就是防止悬浮的微粒与浆液之间的分离。只有其粘度达到一定程度时，浆液对
16、微粒的作用力与其受到向下的重力平衡时，才可以避免微粒与浆液分离。在生产中控制果汁的粘度也有很重要的意义，采用Brookfield的旋转粘度计，可以控制剪切速率，在较低的剪切速率下，基本可以模拟果汁内部的应力，增加了粘度测定的准确性。4、融化巧克力流变特性在食品流变学的研究中，巧克力一直占有很重要的地位。巧克力是一类比较独特的食品物质，可以是固体也可以是液体，主要取决于脂肪的存在状态。在天然脂肪中，可可脂具有不同于其他天然脂的特性，它在高于32时会急剧融化。生产过程中，巧克力以液态的形式存在，其流变特性就可以通过实验室仪器来测量。许多研究表明，巧克力的流动特性曲线符合Casson方程，最重要的两个流变特性就是其屈服应力和塑性粘度。屈服应力值（Yield Value）：是使巧克力刚刚开始流动所需要施加的剪切应力，其大小与巧克力涂层的厚度和涂覆的速度有关。 塑性粘度（Pla
