1、,食品質(zhì)構(gòu)與流變學(xué),Food Texture and Rheology,鐘芳,REFERENCE,1. Rheology for ChemistsGoodwin J.W., Hughes R.W., RSC , 2000 2.Introduction to Rheology Laba D, Micelle Press, Weymouth, 1997 3. Food Texture and Viscosity Bourne M.C, Academic Press, 1994 4. Measurements in Rheology of food stuffs, J. H, prentice, 1

2、984 5. Food texture and Rheology, P. Sherman, Dept. of Food Sci., Queen,Elijabth Colloge (Univ. of London) England 1979,6. Roeological methods in food process engineering, Steffe, J.F.,Freeman press, 1996 可免費(fèi)下載,7.食品流變學(xué)及其測(cè)量 陳克復(fù)等編譯，輕工出版社，1989 8.聚合物流變學(xué) 美 L. E. 尼爾生著，范慶榮 宋家琪譯，科學(xué)出,版社，1984,9.食品物性學(xué)李里特著， 中國農(nóng)

3、業(yè)出版社，1998,課程的主要內(nèi)容：,第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章,緒論 流變學(xué)的基本概念 流體食品的流變學(xué)性質(zhì) 塑性食品的流變學(xué)性質(zhì)及其測(cè)量 固體食品的流變學(xué)性質(zhì) 粘彈性體系的流變學(xué)性質(zhì)及其測(cè)量 一些典型食品的流變學(xué)特征 食品的質(zhì)構(gòu)分析方法,緒,論,一、什么是食品流變學(xué) 1. 是一門對(duì)食品品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的科學(xué) 感官評(píng)定：以人為主體，主觀的評(píng)價(jià)方式 流變學(xué)：以儀器為主體，客觀的評(píng)價(jià)方式 2. 流變學(xué)研究的主要是食品的動(dòng)覺（力學(xué)）性質(zhì),二 . 質(zhì)構(gòu)與流變的關(guān)系,1 .定義,質(zhì)構(gòu)：不同種類的細(xì)胞或組織在食品中分布或組合,的方式,人手或嘴觸摸或咀嚼食品時(shí)的感覺,流變學(xué)

4、：是力學(xué)的一個(gè)分支，是研究物質(zhì)在力的作用,下變形或流動(dòng)的科學(xué),早期油墨流變性質(zhì)測(cè)定儀器,二. 研究的主要指標(biāo) 流變學(xué)：粘度 （viscosity) 稠度 (consistence) 彈性 （elasticity) 粘彈性 (viscoelasticity) 質(zhì)構(gòu)：,粘著性、硬度,脆度,耐咀嚼性,粘彈性 拉伸強(qiáng)度,三 . 研究意義,1.控制產(chǎn)品質(zhì)量，鑒別成品的優(yōu)劣， 預(yù)測(cè)新 產(chǎn)品的接受性,2.為工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)提供有關(guān)數(shù)據(jù),3.找出產(chǎn)品流變性質(zhì)與組成及加工工藝之間 的關(guān)系，為優(yōu)化產(chǎn)品配方和工藝提供依據(jù) 4.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或模型，預(yù)測(cè)產(chǎn)品在儲(chǔ)存加 工過程中的變化,四.研究流變學(xué)的主要方法, 數(shù)學(xué)法：

5、即根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的流變性質(zhì)建立數(shù)學(xué)模,型，再用此數(shù)學(xué)模型來描述流體流動(dòng)規(guī)律。,實(shí)驗(yàn)法（結(jié)構(gòu)法）：將測(cè)出的流變性質(zhì)與物質(zhì),的內(nèi)在結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析，從結(jié)構(gòu)上找出 產(chǎn)生流變性質(zhì)的內(nèi)在因素。,五. 發(fā)展歷史,1.始于20世紀(jì)60年代初流變學(xué)的測(cè)量方,法，,70年代中期流變學(xué)測(cè)量開始在工業(yè)中得到廣,泛的應(yīng)用,2.促進(jìn)食品與流變學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要因素是食,品質(zhì)構(gòu)與流變性質(zhì)的測(cè)量為評(píng)價(jià)食品的感官質(zhì) 量提供了極為有效的手段，新的儀器和分析軟 件不斷涌現(xiàn),六. 食品的流變學(xué)分類,.液體（流體）食品：在力的作用下只產(chǎn)生流動(dòng),.固體食品：在力的作用下只發(fā)生變形,.塑性食品：,介于液體食品和固體食品之間，在小應(yīng)

6、力 作用下不產(chǎn)生流動(dòng)而是象固體那樣發(fā)生變形， 在應(yīng)力超過某一界限時(shí)才開始流動(dòng),4. 粘彈性食品 在力的作用下即產(chǎn)生流動(dòng)又產(chǎn)生變形,s olid-like,Liquid-lik e Vi s c o e l a s t i c f o o d,SUPER BALL, SOLID,TENNIS BALL,VISCOELASTIC,WATER BALL,LIQUID,也有分五類的說法：,固體食品, 牛頓流體類, ,非牛頓流體類 塑性類 粘彈性類,第二章 流體的流變學(xué)性質(zhì),在相同力的作用下有不同的流動(dòng)狀態(tài),F， 應(yīng)力與矢量F方向相同，即亦與作用面成角,流變的基本概念 一. 力，應(yīng)力（stress） 應(yīng)

7、力（ ）：就是作用于單位面積上的力。,理想固體：=F/A,非理想體系，=dF/dA,一般研究時(shí)將應(yīng)力分解成兩個(gè)分量:,n（normal stress）:正應(yīng)力,與截面垂直 t (shear stress): 剪切應(yīng)力,與截面平行,剪切應(yīng)力通常又記作,應(yīng)力單位:dynes/cm2,國際單位為“帕斯卡”，1.0帕斯卡= 1N/m2,= 10dynes/cm2,流體受到外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生與外力方向平行的流動(dòng)，,因此所受的應(yīng)力就為剪切應(yīng)力（ shear stress),應(yīng)力作用下的變形就稱為應(yīng)變（strain），,記作,在恒定力的作用下，流體產(chǎn)生的應(yīng)變是流 動(dòng)，而隨著流動(dòng)的進(jìn)行，流體的形狀是不斷 變化的，因

8、此流體的應(yīng)變通常用單位時(shí)間的 變形，即應(yīng)變的時(shí)間導(dǎo)數(shù)來表示。,流體的平衡態(tài)流動(dòng)：層流流動(dòng),流體沿流動(dòng)方向的垂直方向呈現(xiàn)若干相對(duì)獨(dú)立的層狀流動(dòng),流動(dòng)與剪切速率,/dt=(dx/dy)/dt=(dx/dt)/dy=du/dy,Profile,Max. velocity,流體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài) Minimum velocity Pipe Parabolic Flow,剪切速率（shear rate)：表征流體在剪切應(yīng)力作用,下的應(yīng)變狀況,剪切速率的物理意義是指流動(dòng)時(shí)流體內(nèi)部在 垂直于流動(dòng)方向上的速度梯度。,記作 單位為,粘度系數(shù)（），簡稱粘度,粘度是剪切應(yīng)力和剪切速率的比值 的單位是 粘度的大小表征

9、流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部摩擦力，即粘 滯阻力的大小。, ,Area = A (m2 ) Height = y (m),v (ms -1 ),Flow F (N),dx,Shear Rate,= v/ y 1/s, = / ,剪切應(yīng)力 Shear Stress = F/A Pa 剪切速率,粘度 Viscosity Pa.s,Viscosity mPa.s,Temp C,Water Milk Coconut oil Cocoa butter Cream 40% Glycerine Honey,0.89 1.45 26 41 210 954 10,000,25 25 40 40 48 25 25,Typica

10、l Viscosities (Pa.s),Typical Viscosities (Pa.s),SAsphalt,Binder(瀝青) -,SPolymer Melt (熔融高分子)- SMolasses (糖蜜)- SLiquid Honey (蜂蜜)- SGlycerol(甘油) - SOlive Oil (橄欖油)- SWater (水)- SAir (空氣)-,100,000,1,000 100 10 1 0.01 0.001 0.00001,Typical Shear Rates (s-1),SSedimentation(沉降) SSagging(漂流),10-4 10-3 to 1

11、00,SCompression Molding(壓榨),100 to 101 101 to 103 103 to 104,SPouring(傾瀉) SExtrusion(擠壓) SPumping(泵送) SBlow Molding(鼓風(fēng)) SRubbing(摩擦) SInjection Molding(噴射),SSpraying(噴霧) SBearing lubrication(軸承潤滑),105 106, 中的是常數(shù)。,2.1 牛頓流體-理想流體,Newtonian Fluid,牛頓流體：流動(dòng)狀態(tài)方程符合牛頓定律的流體統(tǒng) 稱為牛頓流體,牛頓流體的特征是剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系是 直線，也就是

12、說牛頓方程,牛頓流體的流動(dòng)特征,Characteristic Diagrams for Newtonian Fluids,Newtonian Equation ,= ,S：物理化學(xué)特性， V: 場(chǎng)強(qiáng),1.不可壓縮性 2.各向同性,3.本身無結(jié)構(gòu),4.沒有彈性，受到剪切力作用時(shí)形成連續(xù)流,動(dòng)，外力撤去后變形不能恢復(fù),牛頓流體所應(yīng)具有的性質(zhì)：,自然界中真正的牛頓流體是不存在 的，然而很多實(shí)際液體在剪切應(yīng)力 很寬的范圍內(nèi)表現(xiàn)出牛頓流體的性 質(zhì)，流變學(xué)家也就把這些流體歸為 牛頓流體。,最典型的牛頓流體是水。,.牛頓流體粘度隨溫度的變化,Andrade 公式：,Lg=A+B/T,和是與流體種類有關(guān)而與溫

13、度無,關(guān)的常數(shù)，不同的流體其和值不同。,T1,T2,= 10(B/T1-B/T2),=10B(1/T1-1/T2) 可見對(duì)于相同的溫度變化，值越大，粘 度的變化越顯著。,Power Law Expression,.壓力對(duì)粘度的影響,壓力對(duì)粘度影響的一般規(guī)律是隨壓力升 高粘度增大，但對(duì)不同的流體，粘度隨 壓力變化的程度顯示出很大的不同。, 中的不是常數(shù)。,2.2 .非牛頓流體,(Non-Newtonian Fluids),非牛頓流體：流動(dòng)狀態(tài)方程不符合牛,頓定律的流體統(tǒng)稱為非牛頓流體,非牛頓流體的特征是剪切應(yīng)力與剪切 速率的關(guān)系是曲線而不是直線，也就是 說牛頓方程,典型的非牛頓流體按其粘度與時(shí)間

14、的關(guān)系被分 為兩類：,非時(shí)變性流體(time-independent),時(shí)變性流體(time-dependent),，, , ,n,：稠度系數(shù)(consistency)， ：流動(dòng)特性指數(shù)(power-law index),n,假設(shè),則非時(shí)變性流體的狀態(tài)方程為： ,2.2.1.非時(shí)變性非牛頓流體 流動(dòng)方程可用冪定律來描述： 冪定律（power-law model),n,：表觀粘度，單位與相同，它不僅與和 有關(guān)，而且是剪切速率的函數(shù)。, ,n,（0n）,n=1， 表現(xiàn)為牛頓流體,的增大而減小，表現(xiàn)為剪切變稀-,shear thinning,的增大而減大，表現(xiàn)為剪切變稠-,shear thicken

15、ing, ,n1 ， 隨,n1 ， 隨,(1)假塑性流體（pseudo plastic fluids),n,n,0n1 假塑性流體最主要的特征是在較大的剪切速率范圍 內(nèi)，顯示剪切變稀的性質(zhì)。, , Pa.s, Pa.s,Characteristic Diagrams for Pseudo Plastic Fluids,105 103 101,10-1 10,-6,102 104,10-4 10-2 100 ,1/s,105 103 101,10-1 0.1,1000,1 100 , Pa,Shear thinning, Pa ,a.現(xiàn)在一般認(rèn)為體系之所以呈現(xiàn)假塑 性，是因?yàn)榉肿佣ㄏ蚺帕校ㄔ谕饬?/p>

16、作 用下，分子從無序到有序移動(dòng)）以及 聚集體解體的緣故。 b:大分子構(gòu)型的改變。,體系呈現(xiàn)假塑性的原因,Shear Thinning - Why Does it Occur?,Unsheared,Sheared,Aggregates,break up,Anisotropic Particles align with the Flow Streamlines Random coil Polymers elongate,1s,聚集體的解聚,顆粒的定向排列,很多濃縮果汁、果醬都屬于假塑性流 體，一些高分子溶液也屬于假塑性流 體，比如多糖溶液。對(duì)于這一類食品 在加工時(shí)應(yīng)注意其剪切變稀的流變性 質(zhì)。,(

17、2).脹塑性流體（dilatant fluids),n,n,1n 脹塑性流體最主要的特征是在較大的剪切速率范 圍內(nèi)，顯示剪切變稠的性質(zhì)。, ,a,類 牛 頓 區(qū),類 牛 頓 區(qū),Characteristic Diagrams for Dilatant Fluids,Why Shear Thickening,剪切變稠往往發(fā)生在中等或較高的剪切速率下， 通常是由懸浮粒子的聚結(jié)以及大分子的進(jìn)一步纏繞 導(dǎo)致的。,在高體積分?jǐn)?shù)時(shí)，有可能在剪切力的作用下導(dǎo)致體 積膨脹。當(dāng)受到較大剪切力作用時(shí)，粒子發(fā)生重 排，由緊密排列變成多孔性的疏松排列結(jié)構(gòu)，連續(xù) 相不能再充滿粒子間隙，粒子之間直接接觸，相對(duì),運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力

18、增大，a增大。,剪切作用,撤去外力,靜止時(shí)，緊密堆積，空隙小，連續(xù)相充滿粒子周圍；在較 小剪切力作用下，連續(xù)相仍然在粒子周圍，潤滑粒子的相,對(duì)運(yùn)動(dòng)，阻力小，a小。,當(dāng)受到較大剪切力作用時(shí)，粒子發(fā)生重排，由緊密排列變 成多孔性的疏松排列結(jié)構(gòu)，連續(xù)相不能再充滿粒子間隙， 粒子之間直接接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力增大，a大。,viscosity (Pa.s),1000,0.01000,0.1000,1.000,10.00,100.0,shear rate (1/s),0.05000,0.3500 0.3000,TA,An Example of Shear ThickeningInstruments,Flip

19、 Chip Underfill Resin + Filler var. % 80癈,0% 0,35%,0.2500 0.2000 65% 0.1500 0.1000,70%,脹塑性流體在食品中較少遇到。 只 有很少一部分溶液和懸浮液在一定 的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)為脹塑性流體。 最具代表性的脹塑性流體是蜂蜜。,Rheograms for Shear Thinning b. 受表面壓力作用產(chǎn)生的體積應(yīng)變; c. 受剪切應(yīng)力作用產(chǎn)生的剪切應(yīng)變.,軸向應(yīng)變又稱拉伸(或壓縮)變形. 拉伸(或壓縮)變形時(shí)的彈性模量又稱楊氏模量,記作E,=E,=L/L,1.軸向應(yīng)變. 軸向應(yīng)力,固體在受到軸向拉伸或壓縮應(yīng)力時(shí),軸

20、向會(huì)伸長,或縮短產(chǎn)生軸向應(yīng)變(z),同時(shí)為了維持體積, 徑向也產(chǎn)生應(yīng)變(H)。對(duì)于一定的物質(zhì)，其徑,向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值往往是一個(gè)常數(shù)，稱,為泊松比（Poisson ratio），記作,= H /z,根據(jù)物體不同，泊松比在00.5之間,對(duì)于變形 時(shí)體積不發(fā)生改變的物體,泊松比約為0.5,拉伸變形的結(jié)構(gòu)解釋-成鍵機(jī)理,拉伸時(shí)鍵長被拉伸,體系吸收能量并轉(zhuǎn)化為體系,的位能。因整個(gè)分子不是線型的，有一定的鍵 角，在施加外力時(shí)，因鍵角的方向與力的方向 不同，有的被拉伸，有的被壓縮，體系本身位,能升高；撤去外力后，鍵角,鍵長復(fù)原，體系釋,放出能量，位能降低。,2.體積應(yīng)變 表面壓力,=k,=V/V,體積

21、應(yīng)變時(shí)的彈性模量稱為體積模量,記作K,=G,=,3.剪切應(yīng)變 剪切應(yīng)力 ,剪切應(yīng)變時(shí)的彈性模量稱為剪切模量,記作G, 一般來說固體的剪切模量是楊氏模量的1/21/3,4.各彈性模量及泊松比之間的關(guān)系,在虎克固體的條件下,由于物質(zhì)具有各向同性, 固以上三個(gè)彈性模量(E,K,G)以及泊松比() 之間存在著互換關(guān)系,如果知道其中兩個(gè),其他,兩個(gè)就可以按關(guān)系式計(jì)算出來,第四章 塑性食品的流變性質(zhì),理想塑性(plasticity)的特征：起始性質(zhì)象固體；在,外力作用下，顯示彈性變形，但當(dāng)應(yīng)力超過它的,屈服值(y)時(shí)，則顯示流體的特性流動(dòng)性，,產(chǎn)生塑性流動(dòng),對(duì)于塑性流動(dòng),當(dāng)應(yīng)力超過屈服值時(shí),流動(dòng)特性符合牛

22、頓方程的稱為賓漢流動(dòng),(Bingham flow),流動(dòng)特性不符合牛頓方程的稱為非賓漢塑性流動(dòng),從結(jié) 構(gòu)上分 析 ： 塑性 的 表現(xiàn) 與分 子間 的 相互 作用 有關(guān)； 分 子 與分 子之間存 在 著次級(jí)鍵 作用（大 多 數(shù)是 氫鍵，還有 一 些其它 作用 情 況如大分子纏繞等）,Y, ,區(qū):彈性響應(yīng) 區(qū):塑性響應(yīng),一.賓漢塑性流體 , Y,牛頓塑性流變特性曲線-賓漢流動(dòng), :剪切速率。,賓漢(Bingham)流動(dòng)方程:,p:塑性粘度系數(shù),=y+p :應(yīng)力，y:屈服應(yīng)力,二.非賓漢塑性流體,當(dāng)受到的應(yīng)力大于屈服值后,非賓漢塑性 流體產(chǎn)生非牛頓塑性流動(dòng),根據(jù)非牛頓流 動(dòng)的方式,可將非賓漢塑性流體

23、分為,屈服-假塑性流體,屈服-脹塑性流體,1.有些非賓漢塑性流體的流動(dòng)符合冪定律塑性 (power-law plastic)-赫布方程 這是一個(gè)三參數(shù)的方程（是赫斯挈耳Herschel 和布 基利艾Bul Keley根據(jù)塑性流體的賓漢實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛢?定律實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒌模?式為,n,y為屈服值 ，m和n為與體系有關(guān)的常數(shù),=y+ m ,n,n 1，剪切變稠，屈服-脹塑性流體。,=y+ m ,屈服-假塑性流動(dòng),賓漢塑性流動(dòng),屈服-脹塑性流動(dòng) y,非賓漢塑性流體的流動(dòng)特性曲線,n,-y= m,lg(-y)=lg m+ nlg , ,2.有些非賓漢塑性流體的流動(dòng)符合卡森（Cusson）模型 卡森模型是

24、卡森在研究油墨的流動(dòng)時(shí)仿照赫布方程建 立的，也叫卡森冪定律方程式，簡稱卡森方程,1/2=,CA1/2+,CA,1/2,CA和CA分別為卡森屈服應(yīng)力和卡森粘度,)m,3.融化巧克力的流變特性與卡森模型,人們?cè)谘芯壳煽肆Φ牧髯冃再|(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：巧克力的實(shí)際 流動(dòng)曲線與按卡森方程計(jì)算的特性曲線完全一樣，因 此將卡森方程應(yīng)用于巧克力流變性質(zhì)的的研究上 ， 使之成為巧克力流變性質(zhì)研究的一個(gè)重要方程,應(yīng)用于巧克力時(shí)，指數(shù)不一定等于1/2，因此應(yīng)用于 巧克力時(shí)，一般需要變化一下卡森方程。,m=ym+(, ,K ,K , ,K , ,Model Fitting, ,=,= =,=,+,=,+,=,+, ,n n,y

25、,p,y,n,( n 1 ),1,2,1 0,2,1 c,2,1,2,N ew tonian,P seudoplastic D ilatant,B ingham,C asson,H erschel-B ulkley,Types Of Flow,Bingham,Plastic Shear Thinning Pseudoplastic,Newtonian Dilatant Shear Thickening,Yield, y,Yield Stress,Shear Stress (Pa),0,200,400,600,0,The Problem with Yield Stress 150 100 50

26、y= 17Pa,Shear Rate(1/S) CSL Equilibrium Flow data for Salad Dressing,Shear Stress (Pa),0,0,0.5,1,Shear Rate (1/s) CSL Equilibrium Flow data for Salad Dressing,The Problem with Yield Stress 20 10 y= 7.5Pa,Orbitz Soft Drink,Clearly Canadian Company,Xanthan/Gellan,High Fructose Corn Syrup,Candy Beads S

27、ize of bead,3.5 mm diameter, mass 30 mg,volume = 0.02 cc density = 1.34g/cc suspending phase = 1.01g/cc,2r g(d-), =,Sedimentation for Elastic Drink Sedimentation Velocity, =,d,V=,2 9,1.34 g/cc,1.01 g/cc,= 4.65 E-5 cm/s,Maximum Shear Rate . 3V = 1.29 E-5 1/s 2r Maximum Stress,rg(d-) = 0.189 Pa 3,visc

28、osity (Pa.s),Flow Curve of Elastic Drink,10000,1.000E-5,1.000E-3,0.1000,1.000,10.00,100.0,1000,shear rate (1/s),1.000E-3,1.000,Equilibrium Flow of Elastic Drink 1000, Viscosity of Water,TA Instruments Zero Shear Rate Viscosity,ZSV = 447 Pa.s 100.0 10.00,Viscosity ISV 3.3 mPa.s,Region of Shear Rates

29、During Consumption, 50 1/s 0.1000 0.01000 Infinite Shear Rate,auto gap set motor,Controlled Stress Rheometer: Schematic,t,Ball Slide,AR 1000,t,Draw Rod l,tair bearing tdrag-cup motor,toptical encoder,lSample Plate tPeltier (optional) tblank (optional),lColumn lRheometer Head,t,Geometry,t,t AGS encod

30、er t communication ports,Normal Forcel Transducer t (optional) Rheometer Base,l,Geometry of Shear for Rotational Rheometers,P la te & P la te,C o n e & P la te,C o n c en tric C y lin d e r s,F ix ed G ap,Variab le G ap,2R,Cone & Plate Geometry,=,.,=,3, ,Rm,Truncation, Rad/s,3M,Torque,MNm,Cone & Pla

31、te,Truncation Height = Gap,Limitations of the Cone & Plate Truncation Heights: 1 degree 20 - 30 microns 2 degrees 60 microns 4 degrees 120 microns,Gap must be or = 10 particle size!,Cone Angles and Diameters Shear Stress 2cm 4cm 6cm,Angle Shear Rate,Decreases Increases,錐板/平板測(cè)試體的優(yōu)缺點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：,1.試樣整體具有均勻的剪

32、切速率，確保實(shí)驗(yàn)測(cè)得,得結(jié)果代表整體試樣；,2.采用較小角度的錐板，在應(yīng)力控制方式實(shí)驗(yàn)中 可獲得高達(dá)40000sec-1的剪切速率，因此可模擬,范圍很廣的適用過程；,3.錐板/平板組合僅需要少量樣品（0.4-2ml），易,于充滿和清洗；,4.樣品量少，可以迅速達(dá)到溫度平衡；,缺點(diǎn)：,1.如果樣品裝填不足，容易產(chǎn)生誤差；,2.錐板角度很小時(shí)，錐板和平板之間容易被樣品,顆粒卡住，一般來說，錐板的截高應(yīng)為樣品顆粒,尺寸的5-10倍；,3.低粘度流體，甚至一些高粘度流體，在高的剪 切速率下可能“旋出”測(cè)試體；,Rim=,Parallel Plate Geometry,Dm,MNm,Torque Rad

33、/s,Rm,3,2M R, = Rim,R D,.,Plate Gaps and Diameters Shear Stress 2cm 4cm 6cm,Gap Shear Rate,Decreases Increases,0 Infinity,平行板測(cè)試體的優(yōu)缺點(diǎn)：,1.對(duì)于一確定尺寸的平行板，其間隙可調(diào)，因而較,適合于測(cè)定含顆粒的材料以及高粘度的液體；,2.平行板測(cè)試體的靈敏度高；,3.平行板測(cè)試體間隙中的剪切速率不均勻，這是它,的最主要的不足；,4.在高剪切速率下，某些材料可能出現(xiàn)剪切斷裂現(xiàn),象 。,R +R,4H(R2R1),R +R,R2-R1,Concentric Cylinder

34、Recessed End,Hm,R1,R 2,(,.,=,M,Torque MNm Rad/s,=,),(,2 2 2 2,2 1,2 2,2 1 2 2,),Assumes no,end effects,雙同心圓柱一般用來測(cè)試低粘度流體。 其主要的優(yōu)缺點(diǎn)在于：,1.具有較大的表面積，測(cè)試靈敏度高；,2.樣品的容納體積增加，使樣品裝填和間隙設(shè)置變,得更為容易；,3. 同心圓柱測(cè)試體的間隙內(nèi)剪切速率不均勻； 4.測(cè)試體質(zhì)量大，達(dá)到溫度平衡慢。,Shear Thickening,Plastic,y,Yield Stress,（屈服應(yīng)力）,Newtonian （牛頓流體） Dilatant （脹塑性

35、）,（ （剪切變稠）,Shear Thinning（剪切變?。?（假塑性） Pseudoplastic,（屈服假塑性流體）,Yield Bingham（賓漢塑性流體）,Log ,Log ,0,First Newtonian Plateau,Power Law Region,10 E - 6,10 E 1 .,10 E 4,Asphalt Binder,Molasses,Glycerol Castor Oil,Olive Oil Water,(1) (2),(3),(4),(5),(1) Sedimentation,(2) Levelling (3) Pouring,(4) Pumping (5

36、) Rubbing (6) Spraying,Second Newtonian Plateau (6),Range of Lab.,Viscometer,Linear Viscoelasticity,Carrean-Yasnda 模 型 ， 適 用 于 整 個(gè)全流動(dòng)曲線,Cross模型，適用于整個(gè)全流動(dòng)曲線,Power Law模型，適用于冪定律區(qū),Williamson模 型，適用于 第一類牛 頓區(qū)和 冪定律區(qū),Sisko模型，適用于冪定律區(qū)和第二類牛 頓區(qū),變形或流動(dòng),食品的流變學(xué)分類,液 體 食 品,固 體 食 品,塑 性 食 品,粘 彈 性 食,品,在力的作用下 只產(chǎn)生流動(dòng),在力的作用下

37、只產(chǎn)生變形,在力的作用下 在力的作用下 變形又流動(dòng),Viscoelasticity Defined,Range of Material Behavior Solid Like - Liquid Like,Ideal Solid - Most Materials - Ideal Fluid Purely Elastic - Viscoelastic - Purely Viscous,Viscoelasticity: Having both viscous,and elastic properties,第六章,粘彈性體系的流變性質(zhì),粘彈性體系既具有類似固體的彈性又具 有類似液體的粘性，當(dāng)向一個(gè)粘彈

38、性物 質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，物質(zhì)會(huì)立即發(fā)生變形； 但是撤去外力后，粘彈性物質(zhì)只是部分 復(fù)原，而另一部分則是永久變形，不會(huì) 再復(fù)原。,s olid-lik e,Liquid-like Vi s c o e l a s t i c f o o d,STORAGE & LOSS OF VISCOELASTIC MATERIAL,SUPER BALL TENNIS BALL,X,LOSS STORAGE,粘彈性的流體產(chǎn)生爬棒現(xiàn)象,粘彈性體系流變學(xué)特征的描述方法,正應(yīng)力作用下,的變形規(guī)律 流變學(xué)單元的組合 模式, E, ,正弦波應(yīng)力作用 下的變形規(guī)律,AR 1000,t,G, G,一.正應(yīng)力模式下表述粘彈性物質(zhì)

39、流變性質(zhì)的一些,基本力學(xué)模型,1. 虎克模型-代表彈性,=E,設(shè)y=1, 則 d/dt = =/,=（/）t,2. 阻尼(粘壺)模型-代表粘性 ,3. 麥克斯韋爾模型( Maxwell model) 應(yīng)力松弛(stress relaxation)模型,由一個(gè)彈性模 型和一個(gè)粘性 模型串聯(lián)而 成。 串聯(lián)時(shí)兩模型 所受應(yīng)力相 等，體系應(yīng)變 為二者應(yīng)變之 和。,彈 性 變 形 粘 性 流 動(dòng),應(yīng)力松弛:給粘彈性體瞬 時(shí)加載(施加應(yīng)力)，并,使其發(fā)生相應(yīng)變形，然 后保持這一變形，其內(nèi) 部應(yīng)力變化的過程,總應(yīng)變 根據(jù),d/dt=d/E dt + /=0 t=0時(shí)，=0,t,時(shí)，=0,得：=0e-t E/

40、,0=E0,彈性變形 H = /E dH /dt =d/E dt ,=0e-tE/ 設(shè):m=/E,則:,=0e-t/,m,當(dāng)t=m時(shí)，= 0,/e,m被定義為松弛時(shí)間，即應(yīng)力松弛為初始值的 1/e所需的時(shí)間。從m的定義可以看出，粘度 越大，應(yīng)力松弛時(shí)間越長。,冰淇淋的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn),應(yīng)力松弛時(shí)間與觀察時(shí)間,觀察時(shí)間（t）,應(yīng)力松弛時(shí)間（） Deborah Number： De= /t,De1 Solid,De1 viscoelastic,De1 liquid,4. 開爾文-沃格特模型(Kelvin-Voigt model), 蠕變(creep)模型,由一個(gè)彈性模型和 一個(gè)粘性模型并聯(lián) 而成。,并

41、聯(lián)時(shí)兩模型的變 形相等，所受應(yīng)力 為二者應(yīng)力之和。,蠕變：給粘彈性體瞬時(shí)加 栽（施加應(yīng)力）并保持應(yīng) 力不變，由于體系粘性的 存在，虎克體只能逐漸變,形，直到t=時(shí)，虎克體,才能伸長到與應(yīng)力平衡的 位置。恒定應(yīng)力作用下體 系應(yīng)變逐漸變化的過程就 稱為蠕變。,阻尼體：N=,=d/dt,總應(yīng)力： =E+d/dt 由=0 ，保持恒定； t=0時(shí)，=0 得：=(0 /E)(1-e-tE/),虎克體：H= E ,=(0 /E)(1- e-t/ ),=(0 /E)(1-e-tE/) 設(shè):K=/E,則:,K,當(dāng)t=K時(shí)，= (0,/ E)(1-1/e),=(1-1/e) 即K為應(yīng)變達(dá)到最終應(yīng)變的1-1/e時(shí)所

42、需的時(shí)間,外力突然撤去后，粘彈性體的變形也不可 能立即恢復(fù)，同樣需要一段時(shí)間的滯后， 稱為彈性滯后或延遲彈性。,=E+d/dt,此時(shí)=0,且應(yīng)力撤去的瞬間，t=t1時(shí)，=1 得：=1 e-(t- t1)E/,由K=/E,=1 e-(t- t1) / K,為了表示彈性滯后的程度，定義K為彈性滯后時(shí),間。,=1 e-(t- t1) / K,K為應(yīng)力撤去后應(yīng)變降至原應(yīng)變1/e所需的時(shí),間。,Strain,Creep Recovery Experiment,time,t1,t 2,Recovery Zone,Creep Zone,E大, 小,Creep ,Recovery = 0 (after ste

43、ady state) E小, 大,典型的蠕變食 品模型,-面團(tuán),不同分散相體積,分?jǐn)?shù)的油-水乳,狀液的蠕變曲線,體積分?jǐn)?shù)增大,三. 多要素模型,虎克模型、阻尼模型都是組成更為復(fù)雜的流變模 型的最基本的元件，在流變學(xué)中也稱為要素。 麥克斯威爾模型和開爾文模型都是由虎克模型和 阻尼模型以不同的連接方式組成的，它們被稱為 兩要素模型。,兩要素模型能表達(dá)粘彈性體的某些流 變性質(zhì)，但還不夠全面。為了更確切 地用模型來描述實(shí)際粘彈性體的力學(xué) 性質(zhì)，就需要更多的元件組成所謂的 多要素模型。,1. 四要素模型,四要素模型也 稱伯格斯模型,（Burgers,model）， 由,兩個(gè)虎克模型 和兩個(gè)阻尼模 型組成

44、。其基 本形式如圖,a. 四要素模型的應(yīng)力松弛過程：,此模型為兩個(gè)麥克 斯威爾模型并聯(lián)， 由并聯(lián)的一般規(guī)律 可知，兩個(gè)模型的 應(yīng)變相等，體系的 應(yīng)力等于兩個(gè)模型 的應(yīng)力之和。,體系在瞬間受力,后，應(yīng)力松弛過程 中體系的變形不 變。,麥克斯威爾1,1=01e-t/m1,m1=1/E1 01=E10,麥克斯威爾2,2=02e-t/m2,m2=2/E2 02=E20,四要素模型應(yīng)力松弛曲線,b.四要素模型的蠕變過程：,此模型相當(dāng)于一個(gè)開 爾文模型和一個(gè)麥克 斯威爾模型串聯(lián)。 根據(jù)串聯(lián)的一般性,質(zhì)，串聯(lián)時(shí)兩模型的 應(yīng)力相等，體系的總 應(yīng)變?yōu)閮赡Ｐ蛻?yīng)變之 和。,體系蠕變是在恒定外,力作用下進(jìn)行的.,麥克

45、斯威爾模型的應(yīng)變: 1=/E1+(/1)t,瞬時(shí)彈性,粘性流動(dòng),開爾文模型的應(yīng)變： K2 K2=2/E 2 彈性滯后-延遲彈性,四要素模型的蠕變曲線,外力撤去后四要素模型的蠕變恢復(fù) 四要素模型在t1撤去外力后， 麥克斯威爾模型中的虎克模 型應(yīng)變立即恢復(fù)而阻尼模型 的應(yīng)變保持不變；同時(shí)開爾 文模型具有蠕變恢復(fù)過程，,其間的應(yīng)變?yōu)椋?=1 e-(t- t1) / K2,2,食品的粘彈性模型-冰淇淋的粘彈性模型,研究不同脂肪含量和不同溫度對(duì)冰淇淋質(zhì) 構(gòu)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)冰淇淋的流變特性的模型,可以用2個(gè)開爾文模型、一個(gè)麥克斯威爾,模型組成的六要素模型來描述。,瞬時(shí)彈性， 冰晶,彈性滯后， 凝膠 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),

46、彈性滯后，空氣泡及蛋 白質(zhì)膜,粘性流動(dòng)， 脂肪,四. 粘彈性體粘彈性的動(dòng)態(tài)測(cè)量,靜態(tài)粘彈性測(cè)定的局限性：,1. 靜態(tài)測(cè)定時(shí)，由于力的大小和方向不變，所以對(duì)易流動(dòng)的,物質(zhì)，流動(dòng)會(huì)持續(xù)下去，很難測(cè)定它的彈性。,2. 對(duì)于彈性突出（E?。⒘鲃?dòng)性不明顯（大）的物質(zhì)，,應(yīng)力松弛時(shí)間與彈性滯后時(shí)間很長，測(cè)定費(fèi)時(shí)，而且在測(cè)定 過程中物料還可能發(fā)生生化變化,3. 靜態(tài)測(cè)定所要求的階躍應(yīng)變或瞬時(shí)加載實(shí)際上不容易實(shí)現(xiàn) 4.當(dāng)變形較大超出線性變化范圍，模型與實(shí)際誤差較大,動(dòng)態(tài)粘彈性：給粘彈性體施加以振動(dòng)、周期變動(dòng)的應(yīng) 力或應(yīng)變時(shí)粘彈性體所表現(xiàn)出的粘彈性質(zhì)。,動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定的方法有正弦波應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)、脈沖 振動(dòng)試

47、驗(yàn)等。其中最基本和較常用的是正弦波應(yīng)力應(yīng) 變?cè)囼?yàn)，測(cè)定時(shí)給試樣施加力使物體產(chǎn)生振幅很小的 正弦應(yīng)變。,1. 什么是動(dòng)態(tài)測(cè)量,=0Sint,=2f,其中0為最大振幅的應(yīng)變，為角頻率（弧度/秒） f為振動(dòng)頻率（Hz）,體系的變形：=0Sint,=2f,=d/dt= 0Cost,體系的剪切速率： ,對(duì)于彈性固體：/=E (虎克定律) 彈性應(yīng)力 = 0cost,= = 0Cost,顯然彈性固體的應(yīng)力與應(yīng)變的變化的相位是相同的， 而對(duì)牛頓流體（粘性）其應(yīng)力與應(yīng)變的變化相位相差 90（應(yīng)變落后） 對(duì) 于粘彈 性體， 應(yīng) 力 與應(yīng) 變的變 化 的 相位 差 應(yīng) 在 090的范圍內(nèi)（090）。此外，由于剪 切

48、速率的方向與剪切應(yīng)力的方向垂直，相位差也是 90。因 此，對(duì)于一個(gè)粘彈性體，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)粘彈性 測(cè)定時(shí)，可將應(yīng)力分解為與應(yīng)變同相位和與應(yīng)變相位 差為90的兩個(gè)分量，分別討論體系彈性和粘性的大 小。,=0Sint,=E= 0sint ,Dynamic Mechanical Testing Deformation,Response,Phase angle, An,oscillatory (sinusoidal),deformation (stress or strain),is applied to a sample., The,material response,(strain or stress

49、) is measured., The,phase angle , or phase,shift, between the deformation and response is measured.,Dynamic Mechanical Testing Response for Classical Extremes,Purely Elastic Response (Hookean Solid) = 0 Strain Stress,Purely Viscous Response (Newtonian Liquid) = 90,Strain Stress,Dynamic Mechanical Te

50、sting Viscoelastic Material Response,Phase angle,0 90,Strain Stress,”= =0cost= ”0cost,=0Sint,=2f,彈性應(yīng)力 粘性應(yīng)力,粘彈性應(yīng)力：=E0sint +0cost = 0sint + ”0cost = 0sin（t +） （ 0/2） 在流變學(xué)中，將粘彈性體系應(yīng)力與應(yīng)變的相位差稱 為損耗角。,2.粘彈性體系產(chǎn)生正弦應(yīng)變時(shí)需要的應(yīng)力,=E=E0sint= 0sint ,=E0sint +0cost,= 0sint + ”0cost,= G 0sint + G” 0cost,G=應(yīng)力在應(yīng)變方向的分量/應(yīng)變=

51、 E=0/0,G稱為動(dòng)力學(xué)剪切的貯能模量，是每次剪切變形循環(huán)中可恢復(fù)的,能量,G”= ”0/0,G” 稱為動(dòng)力學(xué)剪切的損耗模量，是每次剪切變形循環(huán)中消耗掉的,能量。,對(duì)于某一確定粘彈性體系，在固定剪切速率下， G和G”是常數(shù)。,G和G”可作為評(píng)價(jià)粘彈性體粘性以及彈性大小的指標(biāo).,在研究粘彈性體系的流變性質(zhì)時(shí)，還引入了損耗角的 概念：,損耗角正切 tan=”0 / 0,= G” /G ,損耗角正切表征了體系的粘彈性特征，損耗角正切越 大，則粘性成分占優(yōu)勢(shì)，體系越表現(xiàn)為流體的特征； 損耗角正切越小，則彈性成分占優(yōu)勢(shì)，體系越表現(xiàn)為,固體的特征。一般以損耗角正切等于1為界限。,3. 動(dòng)態(tài)測(cè)定時(shí)評(píng)價(jià)體系

52、粘彈性的指標(biāo),4. 動(dòng)態(tài)測(cè)定在粘彈性食品流變學(xué)測(cè)定中的應(yīng)用,Complex Parameters & their Components,G,G,G* delta,tan delta = G/G,G* = stress/strain f(t)* G* = G + iG Complex Storage Loss Modulus Modulus Modulus,Real Root,Imaginary Root,Schematics of Dynamic Tests,Amplitude Sweep,Frequency Sweep,Time or Temperature Sweep,采用動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定時(shí)

53、，由于體系 產(chǎn)生的是小振幅正弦應(yīng)變，所以應(yīng) 力對(duì)體系本身的結(jié)構(gòu)基本不會(huì)破 壞，因而可以測(cè)定一個(gè)粘彈性體系 的粘彈性隨時(shí)間的變化情況，或監(jiān) 測(cè)粘彈性體系的形成過程。,G(Pa),1000.0,0.10000,1.0000,10.000,100.00,% strain,0 0.010000,700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0,Examination of Oscillation Waveforms in Linear Region of Behavior 900.0 800.0,Noise Linear Region,Non-Linear Regio

54、n,G (Pa),100.0,0.01000,0.1000,10.00,1.000 osc. stress (Pa),100.0 10.00 1.000,20 rad/s 2 rad/s 0.5 rad/s,Critical Stress 0.1000,Frequency Dependence of Linear Region as a Function of Stress Polyacrylamide Solution,G(Pa),0.10000,1.0000,10.000,100.00,% strain 1000.0,0.1000 0.010000,100.0 10.00 1.000,20

55、 rad/s,2 rad/s 0.05 rad/s Critical Strain,Frequency Dependence of Linear Region as a Function of Strain Polyacrylamide Solution,1.2% 的高甲氧基果膠,2.0% 的高甲氧基果膠,G (Pa),delta (degrees),G (Pa),n (Pa.s),100.0,0.1000,1.000,10.00,ang. frequency (rad/sec),10000,10.00,100.0,1000,10000,10.00,100.0,1000,45.00,0,10.

56、00 5.000,15.00,20.00,30.00 25.00,1000,1.000,10.00,100.0,Comparison of Similar Food Emulsions Comparison of Mayonnaise and Miracle Whip,40.00 35.00 Mayonnaise,Miracle Whip,第七章 一些食品體系的流變學(xué)特性,一、小麥面粉的面團(tuán)的流變性質(zhì),面粉團(tuán)是食品物質(zhì)中流變性質(zhì)最為復(fù)雜的物質(zhì),之一，通常所用的面團(tuán)具有粘彈性特征。 面團(tuán)的彈性和延伸性是決定面團(tuán)特性的重要因,素，根據(jù)加工方式及產(chǎn)品質(zhì)量要求的不同，對(duì)面粉團(tuán) 提出不同的彈性和延伸性要

57、求。因而可以應(yīng)用粘彈性 理論和技術(shù)，對(duì)面團(tuán)的流變特性進(jìn)行測(cè)定和研究，為 面團(tuán)的調(diào)制和加工提供理論分析依據(jù)。,1.制面包的過程,面包的制作工序分為三大部分：a、和面制面團(tuán)，b、發(fā) 酵，c、焙烤。 “筋力”是評(píng)價(jià)面團(tuán)性質(zhì)和焙烤質(zhì)量的重要性,質(zhì)，它是以儀器測(cè)定發(fā)生氣泡的能力和泡內(nèi)氣體保持能力作 為基礎(chǔ)的。,一個(gè)好的面包要求外觀有光澤、面包心的組織均勻（組織細(xì) 密、氣孔的大小及分布均勻）。面包中的氣體主要來自于發(fā),酵過程中產(chǎn)生的CO2和焙烤過程中的H2O的蒸發(fā)，氣體的滯,留量與面團(tuán)的流變性質(zhì)有關(guān)。,面團(tuán)中的氣泡（帶有膜的氣泡）張力很 大，若膜破裂，則小泡就會(huì)變成大泡， 在產(chǎn)品中就會(huì)出現(xiàn)氣泡大小分布不均， 面團(tuán)外層的氣泡膜 的破裂則會(huì)影響含氣 量及面包表面的光滑狀況。,2.面包質(zhì)量的控制因素,人們?cè)谘芯棵鎴F(tuán)流變性質(zhì)的過程中，針對(duì)面團(tuán)的特性， 設(shè)計(jì)了一系列專門用于面團(tuán)流變性質(zhì)測(cè)定的儀器，以 Brebender粉質(zhì)儀最為常用。,（1）Brebender