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新疆农业大学
专业课程论文
食品流变学研究及发展情况
食品科学与药学学院 食品科学与工程 0940910132
张辉 职称: 副教授 2011年6月30日
新疆农业大学教务处制
题姓
学专班学指 食品流变学研究及发展情况
作者：迪力夏提 指导老师： 张辉
摘要：文章综述了食品流变学起源、发展、分类、数学模型及在食品中研究的目的,概述了
近几年来国内外有关食品流变特性的研究及其进展情况, 介绍了国内外对研究流变学而开发的测量仪器的现状, 举例介绍了固态、液态等食品物料流变特性的研究情况。
关键词：流变性 研究进展 果汁 蔬菜汁
Research of Food Rheological and development
Name:
Abstract: This paper summarizes the origin of food rheology、development 、classification 、the
mathematical model and the purpose of the studies in food，also summarizes the outlined rheological characteristics of the food and its progress in recent years both at home and abroad, Introducing domestic and foreign researches and development of the rheology measurement equipment status quo,adopt examples on solid, liquid food, such as the rheological properties of materials research.
Key words: Rheology ResearchProgress Juice vegetablejuice
流变一词来源于希腊语“rheo”—意为流动。流变学( Rheology) 是研究物质在力的作用下变形和流动的科学,属于力学的一个分支。17世纪英国科学家虎克( Robert Hooke)和牛顿(Isaac Newton)等人建立了粘弹性和流体力学理论；1853年,Maxwell指出物质的粘性现象可以用一个线性一阶微分方程加以描述；1874年, Boltzmann发展了线性粘弹性理论并建立了迭加原理；20世纪初,张量分析的应用使许多问题的进一步数量化探讨成为可能。1929年,美国化学家宾汉(E.C.Bingham) 提出了流变学的概念, 从此流变学作为一个独立的学科开始形成；同年,美国流变学会在华盛顿成立； 随后,各国相继成立流变学会。1948年9月在荷兰举行了首届国际流变学会议。此后, 每隔5年在不同会员国举行。1968年8月,日本京都国际流变学会议后,改为每隔4年召开一次。随着流变学的不断发展,逐渐形成了食品流变学、生物流
变学、血液流变学等分支学科[1]。
食品流变学是在流变学基础上发展起来的, 它以弹性力学和流体力学为基础, 主要应用线性粘弹性理论, 研究食品在小变形范围内的粘弹性质及其变化规律, 测量食品在特定形变情况下具有明确物理意义的流变响应。因此, 食品流变学的研究对象是食品及其原料的力学性质。食品流变学与传统的只注重食品的组成及其变化的化学方法不同, 它用数学语言, 通过所设定的数学模型对食品进行量化的研究[1]。
1 食品流变学研究的目的
(1)食品流变学的实验,可用于鉴别食品原料、中间产品,控制生产过程。因此,它对于提高食品质量,调节生产工艺过程具有一定的作用。
(2)流变学能够根据顾客的爱好,鉴别或预测顾客对某种食品是否满意。例如,人造奶油的扩展能力、牛乳的粘度、硬糖果的硬度、肉的韧度都可以用来鉴别食品优劣的流变特性。
(3)流变学研究可深入到食品物质的组织结构中,它可以反映出组织结构的特性,这就可以在食品制作过程中通过调节中间产品的标准流变特性来达到调节组织结构的目的。
(4)流变学已经应用于有关的工艺设计和设备设计,例如泵送管路系统,放料装置及搅拌装置的设计,孔化、雾化及浓缩工艺过程的设计,都要用到物质流变特性数据[2]。
2 食品流变学的起源和发展
最早将流变学引入食品研究的是荷兰人斯科特·布莱尔(G.N.Sc –ott Blair),1953年,他编辑出版了《Foodstuffs the Plasticity, Fluidity and Consistency》一书。此后,科学家开始将流变学理论应用于食品研究。该书在阐明食品的流变学性质及其在食品研究中的应用方面做出了贡献。20世纪60年代初,国外的食品专业杂志出现了很多食品流变学方面的论文。1973年,穆勒(B.Muller)编辑出版了《Introduction to Food Rheology》一书, 对推动食品流变学的发展和应用起了重要作用。此后, 食品流变学在食品工业中得到了广泛的应用。1984年,普伦提斯( J.Prentice) 出版了《食品流变学测量》一书。该书不但解决了食品流变学性质的测量问题, 而且还从微观结构的角度解决了流变学性质的变化规律, 为食品流变学理论应用于生产工艺过程提供了依据。1989年,川端晶子编著的《食品物性学》一书主要从食品的流变性质和质构两个方面论述了食品的胶体体系特征, 凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。1997年3月,在瑞士苏黎世举行了第一届国际食品流变学和质构特性研讨会。来自20个国家的170多名专家就食品加工中质构的形成, 质构、流变学特性和食品质量, 流变学方法和质构分析方法以及复杂体系的流变学行为等问题进行了互动交流[6]。
许多文献已经报道并总结了各种食品独特的流变学特性, 然而这些数值可能是不准确的。因为食品的流变学特性可能受食品的种类、成熟度、加工方法、成分、温度、时间、分析方法、实验技术等因素的影响。因此,早期流变学的研究主要是一些经验性的测定。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,食品流变学的研究与应用变得愈来愈广泛。随着研究的深入, 研究手段和方法亦有了较大地发展,表现在先进的流变学仪器的引入和开发, 仿真状态下流变学过程数学模型的建立以及二者的结合进行流变学过程的模拟。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重要关系, 所以通过对食品流变学特性的研究, 可以了解食品的组成、内部结构和分子形态等, 为产品配方、加工工艺、设备选型及质量控制等提供方便和依据[1]。
3 食品流变学的分类及其数学模型的发展
自然界中物质的存在形式可以分为两大类: 一类是在没有外部因素作用下会保持自身形状的物质称为固体；另一类是只有在容器里才能获得自身形状的物质称为流体, 包括液体和气体。食品流变学根据食品的流变特性分为粘性流体和粘弹性流体两大类。
食品流变学是研究食品在力的作用下变形或流动的科学。因此,应力和应变对于食品流变学研究而言都是极其重要的。食品流变学特性主要是通过测定应力与应变对时间的函数来确定, 这种特性可以用坐标图解或数学模型来表示。研究发现流体的流型可以通过研究其流变曲线的形状加以确定, 而流变曲线又可以用一定的数学模型进行描述。数学模型是通过用数学语言来表达问题, 从而达到用数学工具解决问题的目的, 具有渐近性、条理性、逼真性、可行性和可转移性等优点。因此,流变学的数学模型也得到了人们的重视[6]。
3.1 粘性流体及其数学模型
粘性流体的分类: 牛顿流体、非牛顿流体、塑性流体、触变性流体和胶变性流体, 下面分别介绍其数学模型。
3.1.1 牛顿流体的数学模型 流变方程式为τ=ηD (1)
式中, τ为剪应力、D 为剪切速率、η为粘度。对于牛顿流体, η值在一定温度下为常数。 3.1.2 非牛顿流体的数学模型 τ=KDn (1 式中, τ为剪应力、K 为粘性常数、n 为流态特性指数。 非牛顿流体又分为假塑性流体( n<1) 和胀塑性流体( n>1) ,二者的流变学特性均与时间无关。 假塑性流体, 故可用Ostward 模型对其流动加以描述: τ=KDn n<1 (3) 式中, τ为剪应力、K 为浓度系数、n 为流动特性指数、D 为剪切速率。当n<1 时, 表示具有屈服应力的假塑性流体。假塑性流体在流动开始时, 因为剪切速率较低, 故呈现出比较高的表观粘度; 随着剪切速率的不断增高, 曲线斜率逐渐减小, 液体的粘度呈现出不断下降的趋势。大多数的非牛顿液体都是假塑性液体。 胀塑性流体的数学模型: τ=KDn n>1 (4) 式中, τ为剪应力、K 为浓度系数、n 为流动特性指数, D 为剪切速率。 3.1.3 塑性流体的数学模型 τ-τ0=μDn (5) 式中, μ是塑性流体的稳定性系数、n为流动特性指数、τ0是屈服应力、D为剪切速率。当n=1时的塑性流体为宾汉塑性流体,则式( 5) 变为τ-τ0=μD=ηpD, 式中ηp为表观粘度,其它同式(5)。此时,该流动曲线为不通过坐标原点的直线, 直线和纵轴的交点为屈服应力,直线 的斜率为表观粘度ηp。当n>1 时, 表示具有屈服应力的胀塑性流体。胀塑性流体在流动开始时随着剪切速率的逐渐增大, 曲线斜率也不断上升, 即表观粘度随剪切速率的增加而加大。 3.1.4 触变性流体 触变性流体是指流体在振动、搅拌、摇动时, 其表观粘度减少, 流动性增加,但静置一段时间后,流动又变得困难的现象。 3.1.5 胶变性流体 胶变性流动是指流动在剪切速率一定的条件下,随着时间的推移, 表观粘度增加, 表现出剪切变稠的现象。因此, 这种现象也称为逆触变现象。 3.2 粘弹性流体及其数学模型 粘弹性体的分类: 无限流动型粘弹性体, 有限流动型粘弹性体, 应力松弛和蠕变。粘弹性体的基本数学模型包括麦克斯韦模型和伏格特- 开尔芬模型麦克斯韦模型的数学模型: σ( t) =σ0e- t/τ 式中σ为应力,σ0为最大应力,τ为应力松弛时间, t为时间,e为2.718。伏格特- 开尔芬模型的数学模型: ε( t) =σ0( 1- e- t/τ) /E式中σ为应力,σ0 为最大应力, ε为形变, τ为应力松弛时间, t 为时间, e 为2.718, E 为弹性模量。粘弹性体的一般数学模型包括三元模型、四元模型, 多元模型( 广义的麦克斯韦模型和广义的伏格特-开尔芬模型) 。 食品的动态粘弹性原理: 动态粘弹性理论,流变体的时间- 温度等效原理。 当然, 针对不同的流体材料, 还有其他的更复杂或更具体的模型。此外, 也有一些模型把时间、浓度和温度作为变量。所有这些模型都是评价食品体系在不同的加工条件下流变学行为的重要工具, 帮助我们在管线设计、混合或不同的单元操作中量化所需的能量。然而, 在使用这些数学模型前, 必须了解其在不同加工条件下的量纲和变化, 这方面的研究已成为当前的研究热点[5]。 食品的流变学行为与其微观结构密切相关, 主要结构因素为固体粒子, 液滴和气泡。食品流变学的研究主要依靠流变学测量获得的大量参数, 寻找流变学特性参数之间的内在联系, 总结规律, 发展数学模型并为食品流变学的进一步发展奠定基础[1]。 4 测量仪器的改进进展 由于食品物质的多样性、复杂性, 如何选择合适的测量方法和仪器, 一直是食品流变工作者极为关心的问题和重要的研究课题。近年来, 其测量仪器的发展如下。 4.1 引入超声波技术测量食品流变性 超声波技术是应用较为广泛的技术, 超声波技术在食品流变学上的应用, 主要是在超声波频率下, 测量食品物料的振幅和相位图谱, 从中分析和计算测量物的剪切储能模量及剪切耗能模量, 这种技术很适合粘弹性食品流变特性的测量。如Hae OK Lee等用超声波对奶酪和面包的粘弹性进行了测量。发生器产生超声波经过试样, 其振幅及相位都将发生改变, 传感器接受超声波并使其转换成电信号, 经过放大进入时域显示器, 然后再经过一个快速傅氏变换处理, 最后进入频谱显示器。在某一超声波频率下, 从振幅和相位谱的比较中可得出衰减系数和纵向速度, 进而可计算出试样的剪切储能模量及剪切耗能模量。此方法不仅可用于实