食品的力學性質

食品的力學特性主要有應力、變形和時間三要素。食品力學是食品物性學中發展最早、研究最為深入的性質.食品流變特性和食品質構特性是力學研究較為成熟的核心內容。流變學是研究物體在力的作用下變形與流動的科學；食品質構是通過力學的、觸覺的、視覺的、聽覺的方法能夠感知的食品流變學特性的綜合感覺。第一章食品流變學第一節緒論一定義食品流變學是研究食品物質在力作用下變形或流動的科學。力、力作用時間、變形二根據流變特性對食品的分類，基本概念食品物質固體食品主要具有固體特性

液體食品主要具有液體特性粘彈性食品同時表現出固體特性和液體特性的食品物質牛頓型液體非牛頓型液體1固體類食品物質固體食品物質很多，例如干面團、核桃等。馬鈴薯和蘋果這類食品有時也可以歸為固體食品。它們都具有變形與作用力的大小成正比例的特性。2牛頓液體類食品物質如果液體中的粘度與剪切速度無關，符合牛頓粘性定律，這種液體就稱為牛頓液體。可以歸屬為牛頓液體的食品物質也很多，例如：糖水溶液、低濃度牛乳、油、水及其他透明稀質液體均可歸為牛頓液體，都可以用牛頓液體的粘度來表示其流變特性。3非牛頓液體類食品物質在牛頓液體中，液體的粘度是常數，特征曲線是一條直線并且通過坐標原點，直線的斜率是由粘度來決定的。但是，更多的液體卻不滿足牛頓粘性定律，粘度不是常數，而是隨著剪切速率而變化。這類液體雖然不具備牛頓粘性定律，但是還具備了液體的基本特性，故稱為非牛頓液體。食品中的非牛頓液一般是固體乳液體，例如醬油、菜湯、番茄汁、濃糖水、淀粉漿、蘋果漿等等，都屬于這類物體。4塑性流體類食品當作用在物質上的剪切應力大于極限值時，物體就流動，否則物質就保持即時形狀并且停止流動。典型的塑性流體類食品物質有馬鈴薯漿、熔化巧克力、脂肪。它們在重力作用下，能保持它們的原有形狀，然而，如果受到大于重力的作用力的作用，它們就能類似于液體一樣的流動。5粘彈性體這類物質同時表現出液體的粘性和固體的彈性兩種性質。例如按適當的比例將水和面粉混合攪拌就形成了濕面團，采用擠壓或剪切把面團變成片狀。如果把這片面團放在水銀上面，并且捏住一端輕輕地拉動，那么面團開始是伸長，緊接著會呈現出像粘性液體一樣的流動狀態，一旦放開面團的末端，它就會慢慢地收縮，但變形的恢復只能是局部的，不可能像完全彈性體。屬于粘彈性體的食品物質有濕面團、米粉團、凝膠凍等等。食品屬于分散系統，或者是說屬于非均質分散系統，也稱分散體系。分散體系是指數微米以下，數納米以上的微粒子在氣體、液體或固體中浮游懸濁(即分散)的系統。分散的微粒子稱為分散相，而連續的氣體、液體或固體稱為分散介質。特點：①分散體系中的分散介質和分散相都以各自獨立的狀態存在，所以分散體系是一個非平衡狀態。②每個分散介質和分散相之間都存在著接觸面，整個分散體系的兩相接觸面面積很大，體系處于不穩定狀態。按照分散程度的高低(即分散粒子的大)：1分子分散體系分散的粒子半徑小于10-7cm，相當于單個分子或離子的大小。均勻的一相。是一種單相體系。與水的親和力較強的化合物，如蔗糖溶于水后形成的“真溶液”2膠體分散體系分散相粒子半徑在10-7～10-5cm的范圍內，比單個分子大得多。一個高分散的多相體系，大的比表面積和高的表面能，膠體粒子具有自動聚結的趨勢。“溶膠”。3粗分散體系分散相的粒子半徑在10-5～10-3cm的范圍內，可用普通顯微鏡甚至肉眼都能分辨出是多相體系。牛奶。按照分散相與分散介質的聚集態來進行分類三食品流變學的研究目的

(1)食品流變學可用于對食品的半成品或成品的質量控制，也可用于控制生產過程。食品流變學對提高食品質量、調節生產工藝過程以及產品的開發等方面都有一定的作用。

(2)食品加工中有許多操作都直接與流變學性質有關，如混合、攪拌、篩分、壓榨、過濾、分離、粉碎、整形、均質、輸送、膨化、成型、噴霧等。研究和掌握加工對象的流變特性，就成了食品工程設計和單元操作的基礎。(3)流變學理論已經廣泛應用于與食品加工有關的工藝設備設計開發。

(4)與感官評定相結合，定量地評定食品的品質，鑒定和預測顧客對某種食品是否滿意。

(5)在食品制作過程中利用調節中間產品的流變特性方法可達到調節食品組織結構的目的。

(6)可用于食品產品貨架期的預測。

(7)為研究食品分子論提供實驗依據。隨著對食品品質研究的深入，食品內部分子結構的研究己成為食品科學的重要組成部分。但分子水平的結構變化，很難用化學分析的方法了解，食品流變性質對食品的運輸、傳送、加工工藝、產品的開發設計以及人在咀嚼食品時的滿足感等都起非常重要的作用。通過對流變性質的研究不僅能夠了解食品組織結構的變化情況，還可以找出與加工過程有關的力學性質的變化規律，從而可以控制產品的質量，鑒別食品的優劣，還可為工藝及設備和產品的開發設計提供有關數據。四研究的思路首先把食品按其流變性質分類，然后再對每種類型的物質，建立起表現其流變性質的力學模型，從這些模型的分解、組合和解析中，找出測定食品力學性質的可靠方法，或得出有效控制食品品質（力學性質）的思路第二節液態食品的流變特性1黏性及牛頓黏性定律

1)黏性概念黏性是表現流體流動性質的指標，阻礙流體流動的性質稱為黏性。從微觀上講，黏性是流體在力的作用下質點間作相對運動時產生阻力的性質。黏性的大小用黏度來表示。由流動力學可知，當流體在一定速度范圍內流動時，就會產生與流動方向平行的層流流動。以流體平行流過固定平板為例，緊貼板壁的流體質點，因與板壁的附著力大于分子的內聚力，所以速度為零，在貼著板壁處形成一靜止液層，而越遠離板壁的液層流速越大。液體內部在垂直于流動方向就會形成速度梯度。層與層之間存在著粘性阻力。

如果從流體的層流流動沿平行于流動方向取一流體微元，微元的上下兩層流體接觸面積為A(m2)、兩層距離為dy(m)，兩層間粘性阻力為F(N)，兩層的流速分別為u和u＋du(m/s)。這一流體微元，可以看成是在某一短促時間dt(s)內發生了剪切變形的過程。剪切應變ε一般用它在剪切應力作用下轉過的角度(弧度)來表示，即ε=θ=dx/dy。則剪切應變的速率為可見液體的流動也是一個不斷變形的過程。用應變大小與應變所需時間之比表示變形速率。上式表示的剪切應變速率

就是液體的應變速率，也稱剪切速率或速度梯度，單位為:s-1。另外，剪切應力σ可定義為

剪切應力σ實際是截面切線方向的應力分量，單位為Pa牛頓粘性定律指出:流體流動時剪切速率與剪切應力成正比關系，即

式中，比例系數η稱為粘度，是液體流動時由分子之間的摩擦產生的。2)黏度分類(1)剪切黏度對應于剪切流動的，這種流動產生的速度梯度場是橫向速度梯度場，即速度梯度的方向與流動方向垂直。用普通的黏度計測定的液體黏度大多都是剪切黏度。

(2)拉伸黏度

流體流動可產生縱向的速度梯度，其速度梯度的方向與流動方向一致，這種流動稱為拉伸流動。它只表示黏彈性體延伸時(區別于流動)的黏度。

(3)體積黏度給液體加以靜水壓時，體積會發生瞬時的變化而到達平衡值，這時不存在體積黏度。可是對更精密的測定，例如在超聲波范圍，液體所受壓力與體積變化速度之間的關系將遵循黏性定律。3)流動狀態方程

2黏性流體的分類及特點1)牛頓流體剪切應力與剪切速率之間滿足牛頓黏性定律的流體稱為牛頓流體。特征是剪切應力與剪切速率成正比，黏度不隨剪切應力和剪切速率的變化而變化。即在層流狀態下，黏度是一個不隨流速變化而變化的常量。可以用粘度來表示其流變特性。嚴格地講，理想的牛頓流體沒有彈性，且不可壓縮，各向同性。所以在自然界中理想的牛頓流體是不存在的。在流變學中只能把在一定范圍內基本符合牛頓流動定律的流體按牛頓流體處理。其中最典型的是水。可歸屬于牛頓流體的食品有:糖水溶液、低濃度牛乳、油及其他透明稀溶液等。2)非牛頓流體剪切應力與剪切速率之間不滿足式關系，且流體的粘度不是常數，它隨剪切速率的變化而變化，這種流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體的剪切應力與剪切速率之間的關系可用下列經驗公式表示:

為非牛頓流體的流動狀態方程式中，k為粘性常數，又稱濃度系數。n為流體狀態特性指數設，則非牛頓流體的流動狀態方程可寫成與牛頓流體相似的形式:上式中ηa稱為表觀粘度，與η不同的是:ηa與濃度系數k和流動指數n有關，且是剪切速率的函數。也就是ηa是非牛頓流體在某一特定剪切速率下的粘度。

實際的非牛頓流體有許多并非所示那樣當施加應力時就會產生流動，它們要在應力值大于某個一定值。(屈服應力)時才開始流動。非牛頓液體與時間無關與時間有關在給定溫度和剪切速率時，物料的剪切應力為常數，它不隨時間而變化流動曲線通過原點時粘性流動塑性流動液體只有當它所受剪切應力超過屈服應力時，才流動假塑性脹流性賓漢姆體非賓漢姆體(或卡生體)觸變性膠變性或抗流變流體

(1)假塑性流體:在非牛頓流體流動狀態方程中，當0＜n＜1時，即表觀粘度隨著剪切應力或剪切速率的增大而減少的流動稱為假塑性流動。因為隨著剪切速率的增加，表觀粘度減少，所以還稱為剪切稀化流動。符合假塑性流動規律的流體稱為假塑性流體。具有假塑性流動性質的液體食品，大多含有高分子的膠體粒子，這些粒子多由巨大的鏈狀分子構成。在靜止或低流速時，它們互相勾掛纏結，粘度較大，顯得粘稠。但當流速增大時，也就是由于流層之間的剪應力的作用，使比較散亂的鏈狀粒子滾動旋轉而收縮成團，減少了相互勾掛，這就出現了剪切稀化現象。一些研究表明，剪切稀化的程度與分子鏈的長短和線形有關。直鏈分子構成的液體，比多支結構分子的液體剪切稀化程度大。食品工業中遇到的一些高分子溶液、懸浮液和乳狀液，如醬油、菜湯、番茄汁、濃糖水、淀粉糊、蘋果醬等都是假塑性流體。大多數非牛頓流體都屬于假塑性流體。(2)脹塑性流體:在非牛頓流體的流動狀態方程中，如果1＜n＜∞則稱為脹塑性流體。表觀粘度隨剪切速率的增大而增大。由于這一特點，脹塑性流動也被稱為剪切增稠流動。當往淀粉中加水，混合成糊狀后緩慢傾斜容器時淀粉糊會像液體樣流動。但如果施加更大的剪應力，用力快速攪動淀粉，那么淀粉糊反而變“硬”，失去流動性質，若用筷子迅速攪動，其阻力甚至能使筷子折斷。(3)塑性流體當作用在物質上的剪切應力大于極限值時，物質開始流動，否則，物質就保持即時形狀并停止流動。剪應力的極限值定義為屈服應力，所謂屈服應力是指使物體發生流動的最小應力，用σ0表示。塑性流體的流動狀態方程為:式中，

μ——塑性流體的穩定性系數;

n——流動特性指數;

σ0——屈服應力。其流動特性曲線不通過坐標原點。對于塑性流動來說，當應力超過σ0時，流動特性符合牛頓流動規律的，稱為賓漢流動，不符合牛頓流動規律的流動稱為非賓漢塑性流動。把具有上述流動特性的液體分別稱為賓漢流體或非賓漢流體。

(4)觸變性流體

觸變性流動亦稱搖溶性流動。當液體在振動、攪拌、搖動時，其黏性減少，流動性增加，但靜置一段時間后，流動又變得困難的現象。觸變流動是第二類剪切變稀流動，在觸變流動中，隨流速增加，黏度下降并不是瞬時發生的，在恒定的剪切速率下觸變溶液的黏度下降是和時間有關的，剪切停止后，重新恢復到原有黏度需要一定時間.觸變性行為根據流體結構的破壞程度又分為完全觸變型流變和表觀觸變型流變。前者在剪切速率恢復到零時，流體重新恢復初始流動行為；后者流體的結構由于剪切應力的作用部分破壞，導致該類流體表觀黏度不能完全恢復。流動機理:隨著剪切應力的增加，粒子間的結構受到破壞，導致黏性減少；當作用力停止時粒子間結合構造的恢復需要一段時間。因此剪切速率減小時的曲線在前次增加時的曲線的下方，形成了與流動時間有關的履歷曲線(滯后曲線)番茄醬、蛋黃醬.有觸變現象的食品口感比較柔和爽口。

(5)抗流變流體

在恒定的剪切作用下，抗流變流體隨時間的延長表現出抵抗流動的性質，即液體隨著流動時間的增加，變得越來越黏稠。這種行為與剪切造成的聚集作用和締合作用有關。當剪切速率增加至最大值后，再降低剪切速率，降低剪切速率的流動曲線反而在增加剪切速率流動曲線的上方。這說明流動促進了液體分子間的相互作用。因此，這種現象也被稱為逆觸變現象。具有這種現象的食品往往給人以黏稠的口感。液態食品黏度的影響因素(1)溫度的影響從分子熱力學方面看，溫度對分子運動有直接的影響。液體的黏度是物質分子間相互作用的結果，當液體流動時，分子問相互吸引力與分子運動(由溫度控制)產生的分子間相互排斥力存在一個平衡狀態。因此，如果沒有其他作用力或力轉化時，黏度隨溫度的升高而降低。(2)分散相的影響

(3)分散介質的影響(4)乳化劑的影響

3液態食品流變性質的測定

對液態食品來講，最重要的流變特性是黏度。黏度測量是研究液態食品物性的重要手段。黏度測量也就是對液體流動性質的測量，常見的測定方法有毛細管測定法、圓筒回轉式測定法、落球式測定法測定法等。常用毛細管粘度計有兩種:奧式粘度計烏式粘度計(1)毛細管粘度計利用毛細管黏度計測量巧克力融漿的流動特性，已知毛細管直徑lcm，長度60cm，測得壓力差與流量下圖所示。(1)證明巧克力融漿為非牛頓流體；用玻璃毛細管黏度計測量葵花子精制油的黏度，采用50％濃度的蔗糖溶液作為參考液，已知參考液25℃時密度為1227.4kg／m3，黏度0.0126Pa·s，流過毛細管上下刻度的時間100s，實驗結果見表，(1)試用Arrhenium模型分析溫度對黏性的影響；(2)確定活化能；(3)確定Arrhenium模型參數；(4)10℃該油的黏度是多少。(2)旋轉圓筒黏度計3)錐板式黏度計由一個同心的圓錐和平板組成，圓錐面與平板夾角只有0.5o～4o。測定時，圓錐與平板的間隙充填試樣，圓板以一定角速度。4）平行板式黏度計兩塊平板之間為被測樣品，距離為h，其間距可以根據被測樣品的顆粒大小而定。兩塊平板中，一塊以一定轉速轉動，另一塊靜止。通過檢測不同轉速下的扭矩，從而獲得被測樣品的流變特性。與錐板式黏度計相比較，平行板式黏度計被測樣品的剪切速率和應力均不是恒定值，而是隨直徑變化。

5)落球式黏度計在重力作用下，測量落球通過被測溶液所需要的時間。黏度高，同樣條件下落球下落的時間長；反之，時間短。6)轉子回轉式轉子回轉式黏度計可以看作是外圓筒半徑較內筒大得多的情況，電動機通過懸吊的彈簧，帶動轉子在被測液體中旋轉。設彈簧扭轉彈性率為K，當轉子轉動達到平衡狀態，彈簧受黏性阻力矩作用，上部(刻度盤)與下部(指針)就會產生一個偏轉角θ4固態與半固態食品的流變特性4.1固態的流變特性1)食品的變形OL為直線段，L稱彈性極限點，在彈性極限范圍內，力與變形成正比，比例系數稱彈性模量。Y為屈服點，達到屈服點時，食品材料的一部分結構單元被破壞，開始屈服并產生流動，發生屈服時所對應的應力稱為屈服應力。超過屈服點后增加應變時應力并不明顯增加，這個階段稱為塑性變形。繼續增加應變，應力也隨之增加，達到R點時，試樣發生大規模破壞，R點稱為斷裂點，它所對應的應力稱為斷裂極限(或斷裂強度)。把試樣放在萬能試驗儀的固定板上，活動板以一定速率壓試樣時，食品的典型壓縮變形曲線(1)脆性斷裂:特點是屈服點與斷裂點一致。式中，C——換算系數

A——面積(2)塑性斷裂:特點是試樣經過塑性變形后斷裂2)彈性

物體在外力作用下發生形變，撤去外力后恢復原來狀態的性質稱為彈性。撤去外力后形變立即完全消失的彈性稱為完全彈性。形變超過某一限度時，物體不能完全恢復原來狀態，這種限度稱為彈性極限。在彈性極限范圍內，外力F和變形量d之間成正比關系，即F＝kd

上式稱為虎克定律，式中比例系數k為彈性系數。

3種類型：①受正應力作用產生的軸向應變；⑦受表面壓力作用的體積應變；③受剪切應力作用發生的剪切應變。(1)彈性模量(楊氏模量)物體受正應力作用,產生軸向的變形稱拉伸(或壓縮)變形，表示拉伸變形的彈性模量也稱作楊氏模量σn＝F/Aεn＝d/Lσn＝E·εn

比例系數E稱彈性模量(楊氏模量)，單位是N/m2

(2)剪切模量στ＝F/Aετ＝d/H＝tanθ

＝θστ＝G·ετ比例系數G稱為剪切模量，單位是N/m2。(3)體積模量式中，K為體積模量，它是材料的固有性質，單位是N/m2。(4)泊松比比例系數μ是物質的固有常數，稱泊松比。它是無量綱的量。在拉伸或壓縮面團、凝膠等食品的過程中，物體的體積不發生變化，則泊松比等于0.5。海綿狀食品(如面包)，在壓縮的垂直方向沒有明顯的變形，則μ=0。土豆的泊松比為0.49，蘋果的泊松比為0.37。εe＝－μ·εn

5)幾個彈性系數之間的相互關系式中，K為體積模量，它是材料的固有性質，單位是N/m2。3）

食品的粘彈性體(1)粘彈性:許多食品往往既表現彈性性質，又表現粘性性質。把這種既有彈性又可以流動的現象稱為粘彈性，具有粘彈性的物質稱為粘彈性體(或半固態物質。粘彈性體的力學性質不像完全彈性體那樣僅用力與變形的關系來表示，還與力的作用時間有關。所以，研究粘彈性體的力學物性時，掌握力與變形隨時間變化的規律是非常重要的應力松弛:所謂應力松弛是指試樣瞬時變形后，在變形(應變)不變情況下，試樣內部的應力隨時問的延長而減少的過程。值得注意的是，應力松弛是以一定大小的應變為條件的蠕變:蠕變和應力松弛相反。蠕變是指把一定大小的力(應力)施加于粘彈性體時，物體的變形(應變)隨時間的變化而逐漸增加的現象。要注意，蠕變是以一定大小的應力為條件的。(2)曳絲性當筷子插入其中，再提起時,會觀察到一部分液體被拉起形成絲狀，把這種現象稱為曳絲性，具有曳絲性的液體，分子之間存在著一定的結合，形成了弱的網絡結構。曳絲性是黏性與彈性雙重性質的表現。(3)威森伯格效果將黏彈性液體放入圓桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，當急速轉動玻璃棒或容器時，可觀察到液體會纏繞玻璃棒而上，在棒周圍形成隆起于液面的液柱,把這種現象稱作威森伯格效果

3.3.2粘彈性的力學模型1)單要素模型(1)虎克模型在研究粘彈性體時，其彈性部分往往用一個代表彈性體的模型表示。虎克模型便是用一根理想的彈簧表示彈性的模型，因此也稱“彈簧體模型”或“虎克體”。虎克模型代表完全彈性體的力學表現，即加上載荷的瞬間同時發生相應的變形，變形大小與受力的大小成正比(2)阻尼模型流變學中把物體粘性性質用一個阻尼體模型表示，因此稱為“阻尼模型”或“阻尼體”。阻尼模型瞬時加載時，阻尼體即開始運動；當去載時阻尼模型立即停止運動，并保持其變形，沒有彈性恢復。阻尼模型既可表示牛頓流體性質，也可表示非牛頓流體性質。(3)滑塊模型滑塊模型雖不能獨立地用來表示某種流變性質，但常與其他流變元件組合，表示有屈服應力存在的塑性流體性質。滑塊模型亦稱為“摩擦片”、“文思特滑片”。2)麥克斯韋模型由一個彈簧和一個阻尼器串聯組成，這是最早提出的粘彈模型。這一模型可以用來形象地反映應力松弛過程。當模型一端受力而被拉伸一定長度時，由于彈簧可在剎那間變形，而阻尼器由于粘性作用來不及移動，彈簧首先被拉開，然后在彈簧恢復力作用下，阻尼器粘性起作用，隨時間的增加而逐漸被拉開，彈簧受到的拉力也逐漸減小，直到零。這就類似于應力松弛過程。可以推導出該模型的松弛模量隨時間的變化規律為：3)伏格特-開爾芬模型伏格特-開爾芬模型是由一個彈簧和一個阻尼器并聯組成,此模型可以描述食品的蠕變過程。

t1——解除應力的時刻；

ε1——解除應力時的最大形變。4)多要素模型(1)四要素模型

四要素模型也稱為伯格斯模型,四要素模型還有許多等效表現形式，在研究不同的流變現象時，為了解析方便，可以選用不同的等效模型。(2)三要素模型

三要素模型可以看作是四要素模型的一個特例。例如當粘彈性體存在著不能完全松弛的殘余應力，就可以認為四要素模型阻尼體成了不能流動的剛性連接三要素模型瞬時彈性模量延遲彈性模量黏度:從卸載曲線達到平衡后的曲線部分求出。已知常值應力和蠕變時間，則可從實驗值求出粘度。延遲時間若令左邊部分即為某時間的延遲彈性變形量，可寫成將上式畫在半對數紙上，其結果為一條直線。直線的斜率為,根據此斜率即可求出時間常數。伯格斯模型開爾文元件的黏度即可求出5)廣義模型

食品體系是一個多分散的復雜體系，在力學松弛過程不止一個值，而是一個分布很寬的連續譜，即時間譜。

因此,模擬實際黏彈性體的流變特征往往要建立更復雜的模型。常見的黏彈性體流變學分析試驗多為應力松弛或蠕變試驗，常用廣義模型研究這兩種試驗的復雜流變現象。所謂廣義模型就是把若干(M個)麥克斯韋模型或開爾芬模型并聯或串聯而組合成的模型。(1)廣義麥克斯韋模型廣義麥克斯韋模型由許多麥克斯韋模型并聯而成.(2)廣義開爾芬模型

由許多開爾芬模型串聯而成。但是，在大多數情況下，應力對數和時間的關系曲線是非線性的。小麥面團的應力松弛曲線。