验研究, 也为生产控制的在线测量提供了可能性[10]。 4.2 用阶跃变化剪切速率法测量触变特性
这项测量技术是在测量时首先选定一个参考剪切速率对试样进行剪切速率的剪切, 直到一个恒定的平衡剪切应力。此时使剪切速率产生一个阶跃的变化并记录下初始的剪切应力值, 然后使剪切速率回到参考值, 再用同样的方法取不同的阶跃变化量就可得到一组剪切应力和剪切速率的实验数据, 用这一组数据做图可得到一条恒定结构流动曲线。试样的触变程度可由流动曲线中各曲线间的差异程度来决定, 差异越大, 触变程度就越高。 4.3 多桨圆筒测量融化巧克力屈服应力
Wilson 等用带桨叶的同心圆筒流变仪对融化巧克力的屈服应力进行了测量, 发现用单桨方法时, 启动速度对屈服应力有明显的影响, 而用多桨方法时, 启动速度低于0.23r/ min时, 对屈服应力的测量没有明显的影响。此方法可克服普通双圆筒方法测量时的壁面滑移现象[9]。
4.4 三平板法测量蠕变模量
这种仪器的测量部分由3 个平行的平板组成, 试样放置在上下板与中间平板构成的空间内。为防止试样滑移, 平板表面加工出1mm 高的波纹, 上下板与仪器的支架相连接, 上平板可调节以便放入和夹紧试样, 中间的平板由重物牵引, 这样, 试样通过中间平板受到一个恒定剪切应力的作用, 由此可测出试样在恒定剪切应力下变形的蠕变模量。这种方法对于测定奶油等软化脂一类的食品物料具有较好的效果[3]。 5 食品物料流变特性的研究进展 5.1 液态食品流变特性的研究进展
近年来, 由于人们追求健康的天然性食品比较迫切,所以液态食品的流变特性研究在果蔬汁方面的研究较为广泛[8]。 5.1.1 果汁的流变特性的研究
果汁的流变特性研究国内外均有开展。在我国, 据路福绥、谢放华等人的报道, 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, 流变方程式为τ=ηD (3)
式中, τ为剪切力; 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。含果胶的肥桃酱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, 流变方程式为
τ= KDn n < 1 (4)
式中, K 为浓度系数; n 为流动特性指数。假塑性流体的表观粘度(ηa =τ/ D) 随D 值的增大而减小。因此说明, 果汁的流型与是否含果胶有关。可能当含有果
胶大分子时, 果汁内可形成一定结构。当剪切速率小时,其结构不能完全被破坏, 其表观粘度值较大; 随着剪切速率的增大, 其结构被破坏的程度增大, 表观粘度降低。研究表明, 不同的果汁的粘度均随温度的升高而降低。果汁的粘度与温度的关系服从Arrhenius 方程式为 η=η0·exp ( E/ R T) (5)
式中, η0 为频率因子; E 为流动活化能; R 为通用气体常数; T 为温度。
山渣汁的E值
酸枣汁的E值
黑加仑汁的E值
因此, 在运输过程中, 可通过适当升高温度来增加果汁的流动性。同时, 对数据进行回归分析, 随着果汁中可溶性固形物浓度的升高, 其流动活化能增加, 但频率因子值随浓度的增加而减少。说明山楂汁、酸枣汁、黑加仑汁及澄清水蜜桃汁的流动活化能与频率因子存在补偿关系[7]。
5.1.2 蔬菜汁的流变特性的研究
目前国内外正相继开展对蔬菜汁的流变特性的研究。我国的陈萃仁也开展对澄清胡萝卜汁的流变特性的研究。但是, 国内有关其它蔬菜汁的流变特性的研究报道较少。研究报告表明, 胡萝卜汁(60°Brix) , 在不同温度下剪切速率D 与剪切力τ的关系, 结果表明剪切速率与剪切力呈线性增长关系, 满足式(3) τ= ηD , 表明澄清胡萝卜汁为牛顿流体。
在研究胡萝卜汁的浓度与粘度中得到, 不同浓度下粘度随温度的变化规律满足
Arrhenius 方程式(3) , 随着温度的升高, 粘度逐渐下降, 其下降速度与浓度、温度大小有关。澄清胡萝卜汁浓度对粘度的影响符合方程式
η= kexp ( A C) (6)
式中, A 、k 为常数; C 为浓度。结果表明粘度随浓度增大的速率随着温度的增高而减慢。 5.1.3 乳制品流变特性的研究
乳制品在世界范围内, 由于消费量较大, 相应的流变学研究也较广泛。一般认为, 牛乳在一定浓度范围内,呈现出非牛顿流体的特性, 一般可用幂定律模型来描述。研究结果表明:
①流体类型的确定。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( n > 1) , 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( n < 1) , 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[6]。
②粘度与温度的关系。若采用浓度为33 %的牛乳,在不同温度下, 研究其粘度的变化情况, 得知在不同的温度范围, 温度对粘度的影响不同, 随着温度的上升而下降, 可近似分成三部分: 指数段, 粘度随温度的升高,指数递减; 直线段, 粘度随温度的变化, 以一定的斜率按直线变化; 恒定段, 粘度随温度的变化保持为一恒定的值。
对于浓缩奶制品, 其粘度随温度的增高而减少, 随干物质的浓度增加而增加。含糖的浓缩奶制品属于假塑性非牛顿流体食品。 5.1.4 融化巧克力流变特性的研究
融化巧克力是粘度较高的物料, 从现已发表的文献中来看, 一直把巧克力浆料作为Casson 流体来研究, 使用Casson 方程作为本构方程来描述其流动特性。后来有人指出巧克力浆料具有触变性, 由于触变性与屈服应力值的相互影响, 使得这个课题研究变得较为复杂。到目前为止, 触变性仍是理论流变学主要研究课题之一。在融化巧克力浆料流变学领域中, 对这种现象还没有定量描述过, 还未提出具有工程意义的理论触变方程[5]。因此,对巧克力浆料, 要正确地预测现场物质对时间的流动特性, 仍需要深入试验和研究, 以建立结构和流动性的定
量关系。目前研究融化巧克力浆料的流变特性结果表明, 其出现滞回现象, 表明它受到剪切时发生了结构破坏, 各个温度下均表现不同程度的触变性, 把流动曲线外推至剪切速率为零时, 其剪切应力存在不为零的值, 表明其具有屈服应力值, 只有超过此值, 浆料才能流动。表观粘度随剪切速率的提高而下降, 呈现出剪切稀化现象。因此, 它是一种假塑性的剪切稀化体系。随着温度的逐渐升高, 其表观粘度降低[3]。 5.2 固态食品流变特性的研究进展
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。国内有报道超细南瓜粉的流变特性数学模型。超细南瓜粉是指经气流粉碎工艺制成的超细粉体(粒径在10μm 以下) 。
5.2.1 超细南瓜粉的流型与浓度有关
浓度在6.0 %以下可视为牛顿流体, 浓度在9.0 %的流体曲线的延长线过原点, 10.0 %及11.0 %浓度的流体曲线的延长线不过原点, 说明9.0 %属具有触变性的假塑性流体, 浓度在10.0 %～11.0 %时属具有触变性和屈服应力的假塑性流体。因此浓度9.0 %～11.0 %的流体均
为假塑性流体, 故可用Ostward 模型对其流动加以描述: τ= KDn n < 1 (1)
式中, τ为剪切力; K 为浓度系数; n 为流动特性指数; D 为剪切速率。 5.2.2 流变特性与浓度的关系
在等精度条件下, 反复测量在一定剪切速率下的粘度值, 找出粘度与浓度的关系。在非牛顿流体范畴内,超细南瓜粉的K 值随浓度的增加而显著增加, 流动性变小, n 值随浓度增加而降低, 流体类型越来越偏离牛顿流体, 其表观粘度与浓度呈指数关系上升, 屈服应力与浓度呈直线关系变化, 在一定温度下浓度越大, 屈服应力越大[4]。 5.2.3 流变特性与温度的关系
在非牛顿流体范畴内, 超细南瓜粉的表观粘度ηa 与温度的关系可用Andrade 方程式表示:
ηa = A·exp ( B/ T) (2)
不同剪切速率下, A 、B 值不同。不同温度下, 用Bowles 法求得的屈服应力τ0 与温度的关系, 当温度升高时, τ0 呈直线下降。对其进行回归分析的回归方程式为τ= 3151 - 01044 5
T 。
5.2.4 流变特性与pH 值的关系
在非牛顿流体范畴内, 按Ostward 模型, 用最小二乘法求出不同pH 值下K 值, n 值及表观粘度与pH 值变化不呈直线关系。浓度系数K 以pH810 为峰值, 向两边下降, n 值以pH810 为谷值向两边上升[3]。 6 结语
由于食品物质的组成及结构十分复杂 , 大部分食品都是非均质和不定形结构的 , 结构与流变特性关系的研究中还存在着许多有待解决的复杂课题。尽管如此 , 随着离散介质流变学的发展和广泛应用 , 特别是网络理论研究的不断深入以及统计力学方法在不定形结构和形成网络结构的食品物质流变特性研究中的应用，必将使这方面的研究更具有实际意义 , 应用更加广泛[3]。 参考文献：
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