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食品流變學(xué)---Fungilab粘度計(jì)
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食品流變學(xué)
流變學(xué)（Rheology）是研究物體受外力作用而變形或者流動(dòng)的學(xué)科，是力學(xué)的一個(gè)分支。食品流變學(xué)的研究對(duì)象是食品材料的力學(xué)性質(zhì)。食品材料通常指介于固液之間的物質(zhì)，比如淀粉、油脂、蛋白、魚糜等具有復(fù)雜的化學(xué)組成的物質(zhì)。然而，食品流變學(xué)除涉及力學(xué)，還包括高分子學(xué)物性論、膠體化學(xué)等，甚至也包括研究生物化學(xué)反應(yīng)下變形理論的所謂“化學(xué)流變學(xué)”，研究血液、細(xì)胞液和生物學(xué)關(guān)系的“生物流變學(xué)”，研究人的力學(xué)感覺和變形規(guī)律即心理學(xué)同變形及力學(xué)刺激的“心理流變學(xué)”等。
食品流變學(xué)在于解決食品加工中存在的問題。這些食品的流變性質(zhì)與加工過程中操作的有關(guān)。除此之外，有些食品具有的嗜好性質(zhì)與流變性質(zhì)關(guān)系也很密切。由于食品的復(fù)雜性，在進(jìn)行食品流變學(xué)研究時(shí)，首先需要把食品分類，對(duì)于不同的類型，建立各自的流變學(xué)模型，對(duì)這些模型進(jìn)行分解、組合，解析，總結(jié)出可靠的測(cè)定方法，獲得有效的控制品質(zhì)的思路。
食品粘性
粘性是指阻礙流體流動(dòng)的性質(zhì)，該指標(biāo)表現(xiàn)了流體的流動(dòng)性。食用植物油和水均屬于易流動(dòng)液體。如果我們分別把油和水倒在玻璃平板上時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)油的流動(dòng)速度比水慢，換句話說，水比油易流動(dòng)，同時(shí)也說明水的粘性比油大。粘性的大小以粘度（或粘性系數(shù)、粘性率）表示。粘度分為以下三種，各種粘度間的變形方式是不同的：
1、剪切粘度（coefficient of shear viscosity）是一般實(shí)用上所指的粘度，用普通的粘度計(jì)所測(cè)定得到的流體粘度往往是指剪切粘度。
2、延伸粘度（coefficient of tensile viscosity）只表示粘彈性體延伸時(shí)（區(qū)別于流動(dòng)）的粘度，而普通的液體無法測(cè)定其延伸粘度。
3、體積粘度（coefficient of volume viscosity）體積粘度不發(fā)生在當(dāng)對(duì)液體施加靜水壓，其體積會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的變化而到達(dá)平衡值的時(shí)候。然而，如在超聲波范圍進(jìn)行更精密的測(cè)定，體積變化速率與液體所受到的壓力之間的關(guān)系會(huì)符合粘性定律。體積粘度即為把這種情況下表示粘性的指標(biāo)。
粘性流動(dòng)的分類
牛頓流動(dòng)(Newtonian flow)
不同粘度的流體，應(yīng)力與應(yīng)變速率存在一定的函數(shù)關(guān)系。牛頓流體是指粘度不會(huì)隨剪切速率的變化而變化，剪切速率(shear ate)與剪切應(yīng)力(shear srtess)成正比的流體。牛頓流體的流動(dòng)狀態(tài)方程式如下：
τ=ηγ
其中，η指為粘度(viscosity)，體現(xiàn)了流動(dòng)的阻力，表示剪切應(yīng)力與剪切速率之間的比例系數(shù)，γ表示剪切速率，τ表示剪切應(yīng)力。對(duì)于牛頓流體而言，剪切速率的變化不會(huì)影響其粘度。理想的牛頓流體各向同性，且不能壓縮，不具有彈性。一定范圍內(nèi)基本符合牛頓定律的流體在流變學(xué)中被當(dāng)做牛頓流體進(jìn)行處理。如食品中的水、普通蜂蜜、油、酒、液糖、玉米糖漿、過濾后的果汁等，由于*的牛頓流體在自然界中不存在，通常都按牛頓流體分析計(jì)算 。
非牛頓流動(dòng)(non-Newtonian flow)
在自然界中的食品，不符合牛頓流體定律的流體占大多數(shù)。大量的食品，包括濃果汁、果醬、全雞蛋、菜泥、濃牛奶以及巧克力漿等固液懸浮體都是非牛頓流體，下面的經(jīng)驗(yàn)公式往往用來表示這些流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系：
τ=k(γ)n(1<n<∞，0<n<1)（1）
式中，
n為流態(tài)特性指數(shù)，k為稠度系數(shù)。若為牛頓流體公式，則n=1，此時(shí)k為粘度。上式中，設(shè)ηa=k（γ）n-1，則與牛頓流體相似的非牛頓流體的狀態(tài)方程可寫為：
τ=ηaγ（2）
此式可以得到：η與ηa表示同樣物理特性，有相同的量綱，即ηa為表觀粘度(apparent viscosity)。表觀粘度ηa是流體內(nèi)部阻力的總和。然而與η不同的是，ηa是γ的函數(shù)，與k和n有關(guān)。換句話說ηa是指非牛頓流體在某yi流速的粘度。
對(duì)于很多非牛頓流體，Τ只有在大于一定值Τ0時(shí)（也就是說，流體在獲得能量克服一個(gè)屈服應(yīng)力值以后），流動(dòng)才能發(fā)生。Bulkey與Hershel提出的表示公式如下：
Τ=Τ0+k(γ)n（3）
Τ0表示屈服應(yīng)力(yield stress)。由于公式中的Τ0和n范圍不同，將非牛頓流動(dòng)分為以下五類：
假塑性流動(dòng)(pseudoplastic flow)
當(dāng)粘度隨著剪切速率或剪切應(yīng)力的增大而減少，對(duì)應(yīng)于公式（1）中的0<n<1時(shí)的流動(dòng)，叫做假塑性流動(dòng)。這種流動(dòng)也被叫做剪切稀化流動(dòng)(shear thinning flow)，即由于流速的增加引起粘度減小。
假塑性流體符合假塑性流動(dòng)規(guī)律，大部分液態(tài)食品都是假塑性液體。大部分非牛頓流體均為假塑性流體。具有假塑性的食品，大多數(shù)具有由巨大的鏈狀分子構(gòu)成的高分子膠體粒子，在低流速或者靜止時(shí)，由于他們互相纏結(jié)，粘度較大，故而顯得粘稠。然而流速變大時(shí)，這些比較散亂的鏈狀粒子因?yàn)闀?huì)受到流層之間的剪應(yīng)力作用，減少了它們的互相鉤掛，會(huì)發(fā)生滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而收縮成團(tuán)，于是表現(xiàn)為剪切稀化的現(xiàn)象。對(duì)于大部分流體來說，雖然會(huì)滯后一點(diǎn)時(shí)間，但是剪切稀化現(xiàn)象可逆。流體初始的高粘度狀態(tài)在剪切速率減小甚至停止剪切時(shí)會(huì)恢復(fù)。從微觀上講，布朗運(yùn)動(dòng)使聚集體重新形成，即鏈狀膠體分子又恢復(fù)到其無取向的自然位置，產(chǎn)生了變形的液滴恢復(fù)為球形。加工行為受高分子流體的假塑性的直接影響。如菜湯、醬油、濃糖水、番茄汁、蘋果醬、淀粉糊等高分子溶液、乳狀液和懸浮液都屬于假塑性流體。
脹塑性流動(dòng)(dilatant flow)
粘度隨著剪切速率的增大而增大的流動(dòng)，也稱為剪切增稠流動(dòng)(shear thickening flow)。在公式τ=k(γ)n(1<n<∞，0<n<1)中，如果1<n<∞，稱為脹塑性流動(dòng)。表現(xiàn)為脹塑性流動(dòng)的流體，稱為脹塑性流體。食品材料中脹塑性流體不是很多，比較典型的是生玉米淀粉糊。當(dāng)給淀粉中加入水，混合成糊狀后，緩慢傾斜容器，淀粉糊會(huì)像液體那樣流動(dòng)。但如果施加更大的剪切應(yīng)力，如用力快速攪動(dòng)淀粉，那么淀粉稀糊反而會(huì)變“硬”，失去流動(dòng)的性質(zhì)。如果用筷子迅速攪動(dòng)，甚至阻力會(huì)使筷子折斷 。
塑性流動(dòng)(plastic flow)
液體只有在應(yīng)力超過τ0時(shí)才開始流動(dòng)。塑性流動(dòng)的流動(dòng)特性曲線不通過原點(diǎn)。賓漢流動(dòng)(Bingham flow)是指當(dāng)應(yīng)力超過τ0時(shí)，流動(dòng)特性符合牛頓流體規(guī)律的流動(dòng)。而非賓漢流動(dòng)是指不符合牛頓流動(dòng)規(guī)律流動(dòng)。把具有這兩種流動(dòng)特性的液體分別稱為賓漢流體或非賓漢流體。食品中的濃縮肉汁就是一種典型的賓漢流體?？ㄋ稍谘芯苛擞推崃鲃?dòng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與剪切速率的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力和剪切速率有如下關(guān)系：
σ1/2=σ01/2+ηaε1/2
一部分非賓漢流體液態(tài)食品的流動(dòng)規(guī)律符合卡松公式，如番茄醬、巧克力等。
觸變性流動(dòng)(thixotropy)
觸變性是指在振動(dòng)、攪拌、搖動(dòng)時(shí)，液體的流動(dòng)性增加，粘性減少，靜置后，過段時(shí)間發(fā)現(xiàn)流動(dòng)又變困難的現(xiàn)象。也叫搖溶性流動(dòng)。例如，番茄調(diào)味醬、蛋黃醬等，在容器中放置時(shí)間一長(zhǎng)，傾倒時(shí)，就變得很難流動(dòng)。但只要將容器猛烈搖動(dòng)，或用力攪拌一會(huì)，它們就變得很容易流動(dòng)。再長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)，它們又會(huì)變得流動(dòng)困難。觸變性流動(dòng)的發(fā)生是由于粒子之間形成的結(jié)合構(gòu)造，隨著剪切應(yīng)力的增加而受到破壞，導(dǎo)致的粘性減少。但這些粒子間結(jié)合構(gòu)造在停止應(yīng)力作用時(shí)，恢復(fù)需要一段時(shí)間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時(shí)的曲線在前次增加時(shí)的曲線的下方，形成了與流動(dòng)時(shí)間有關(guān)的滯變回環(huán)。材料的構(gòu)造破壞的越大，體現(xiàn)為滯變回路包圍面積越大。觸變性對(duì)口感的影響體現(xiàn)為爽口柔和的感覺。
膠變性流動(dòng)(rheopexy flow)
液體隨著流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，與觸變性流動(dòng)相反，變得越來越粘稠的現(xiàn)象。膠變性流動(dòng)的食品給人以粘稠的口感。當(dāng)流速加大時(shí)，達(dá)到大值后，再減低流速，減低流速時(shí)的流動(dòng)曲線反而在加大流速曲線的上方。這種現(xiàn)象也被稱為逆觸變現(xiàn)象。這是因?yàn)榱鲃?dòng)促進(jìn)了液體粒子間構(gòu)造的形成。