食品流变学特性的研究进展

作者：

摘要：本文综述了测试食品流变性能的传统改进方法，介绍了近年来国内外食品流变性能测试方法的研究情况。

关键词：食品；流变性；测试

Progress of Food rheological properties research

Author

Abstract: This article summarizes the improved measure of food material rheological

behavior testing and introduces the newest measure and instrument about food

material rheological behavior testing.

Key words: food material; rheological behavior; testing measure

前言

在食品的生产过程中，经常要遇到有关食品物质的流动，变形等问题;这此问题不仅反映了食品物质的特性，同时也直接影响到食品的质量，产品加工及设备设计。例如，在炼乳生产中，表现粘度的控制是生产过程至关重要的环节。同样，人造黄油的扩展度，糖果的硬度，肉的韧度等也都是产品质量的重要指标之一，因此，为了进一步提高产品质量，必须深入地了解和掌握食品物质的流动和变形特性，研究在各种条件下这些特性变化的规律及对产品质量和加工过程的影响。正是在这个基础之上，食品流变学得以兴起和不断地发展[1]。它是食品工业向高质量、大型化、自动化发展的必然结果，引起了越来越多的食品工程技术人员的重视。研究不断深入，应用日趋广泛。

食品物质种类繁多，多数物质由于组成的特殊性，一般都具有极其复杂的流变特性，从物理特性来看，几乎包括一r所有不同流变特性的物质。因此，在研究这些食品物质的流变特性时，仅仅依靠流变学的一般理论是远远不够的，必须从食品特性入手，研究其流变特性，建立起一套适合食品物质流变特性分析、研究的理论和方法[2]。

流变学即Rheology最初由美国化学家宾汉(E.C.Bingham)倡导,它本是力学的一个分支，即研究物质在力作用下变形或流动的科学。除了力的作用外，离得作用时间对对变形的影响也是研究内容之一。因此，流变学中，物体的力学参考数不仅有力、变形，还有时间[3]。在食品工业中，很多方面都需要食品流变学的信息，包括以下部分：

 工厂设计：泵与管道尺寸及选择，传热与传质计算，送料设计以及挤压机、混合机、包装机、均质机等设计的工程计算。

 质量控制：原料和产品在加工过程中不同阶段的质量控制好，包括产品开发中成分功能确定和货架期试验。

 感官评价：建立流变学检测数据与观光评价特性关系，使感官评价特性定量化[4]。

 评价食品结构与分子构象。

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[5-6]。

1 食品流变学研究的内容和对象

1.1 食品流变学研究的内容

流变学的基本内容是弹性力学和黏性流体力学。由于这些力学性质与食品的化学成分、分子构造、分子内结合、分子间结合的状态、分散状态，以及组织构造有极大关系，从这个意义上讲，流变学可以说是食品力学性质方便的物性理论。

1.2 食品流变学研究的对象

流变学研究的对象一般指：油脂、黏塑性材料、橡皮、淀粉、蛋白、玻璃、沥青等具有复杂化学构成，力学性质介于固体和 液体之间的物质。对这些物质的异常黏性、塑性、触变性、粘弹性等现象进行研究。其研究目的常常是从这些物质的构造组成上解释以上现象，找出其表现规律[7]。食品流变学研究的对象当然是各种食品和食品材料的力学性质。然而，牵涉的领域除了力学外，还有胶体化学（colloid chemistry）、高分子学物性论(macromolecular materials

science)等；甚至也包括研究生物化学反应下变形理论的所谓“化学流变学” (chemorheology)，研究血液、细胞液和生物学关系的“生物流变学”(biorheloogy)，研究人的力学感觉和变形规律即心里学同变形计力学刺激的“心里流变学”（psychorhology）等等。食品流变学也可以说是设计很多学科领域的边缘科学。

1 食品流变学研究的目的

食品流变学研究的目的，是要解决实际食品加工中出现的问题。例如，食品流变学研究的题目设计到面粉糊、果冻、面团、黄油、香肠等胶体分散系统的流变性质。以上食品物质的流变性质与加工中遇到的切断、搅拌、混合、成型、冷却等操作有很大关系、另外，食品本身的嗜好性质也与流变性质关系极大[8]。然而由于食品物质从液体到固体，小到粉末，达到团块，形态组织非常复杂，种类也很多。所以，研究食品流变学是，首先把食品按其流变性质分成几大类，如固态、液体、粘弹性体等，然后再对每种类型的物质，建立起表现其流变性质的力学模型，从这些模型的分解、组合和解析中，找出食品力学性质的可靠方法，或得出有效控制食品品质（力学性质）的思路[9]。

2 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[10]。食品流变学根据流体是否符合扭断流体定律将流体运动分为牛顿流动和非牛顿流动。

2.1牛顿流动(Newtonian flow)

2.1.1 剪切速率(shear rate)：有流体力学知，当流体在一定速度方位内流动时，就会产生与流动方向平行的层流流动（laminar flow）。以流体平行流过固体平板为例，紧贴板壁的流体质点，往往因与板壁里附着力大于分子内聚力，所以速度为零，并在贴着板壁处形成以静止液层。越远离板壁的液层流速越大[11]。可见液体的流动也是一个不断不变形的过程。用应变大小一应变所需时间之比表示变形速率。

2.1.2流体状态方程：

在研究流体的力学性质时，与固体同样，也要找出应力与应变的关系。由于液体受应力作用其变形表现为流动，即应变速率的大小。不同黏度的液体，应力与应变速率存在一定的函数关系。所以吧表示液体所受的剪切应力与剪切速率的函数关系式称为“流动状态方程”[12]。对于水、糖业、清炖肉汤这样的液体，其流体刘东方城市可用下式表示：

2.1.3牛顿定律与牛顿流体：

上式中所表示的液体流动规律称为牛顿流体定律，也成牛顿定律。凡符合牛顿定律的液体，及应力与剪切速率呈正比的流体，称为牛顿流体。还有不少液体，其流动状态方程不符合牛顿定律，统称为非牛顿流体。

2.2 非牛顿流动(non-Newtonian flow)

τ =KD (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[13]。大多数的非牛顿液体都是假塑性液体。

3 食品流变学的研究进展

流变学是研究物质形态和流动的学科。食品流变学是食品、化学、流体力学间的交叉学科,主要研究的是食品受外力和形变作用的结构。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着重要关系,所以通过对食品流变特性的研究, 可以了解食品的组成、内部结构和分子形态等, 能为产品配方、加工工艺、设备选型及质量检测等提供方便和依据。食品流变学研究起步较早,

但是由于食品体系的复杂性,早期流变学的研究主要是一些经验性的测定, 例如产品在自身质量下其流动性、铺展性和碎裂性的测定等[14-16]。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,食品流变学的研究变得愈来愈广泛。随着研究活动的深入, 研究手段亦有了较大地发展,表现在先进的流变学测试仪器的引入和开发。应用先进测试仪器, 使实验与研究在建立食品物料的流变特性力学模型上更为方便。现就上述问题作一概述。

3.1 传统的食品流变学测量方法

食品流变学的传统测量方法主要包括塑性流体的屈服应力测量,食品的静态粘弹性测量和动态粘弹性测量[17]。

3.1.1塑性流体的屈服应力测量方法:直接测定法、流动曲线法、Casson法、Bowles法。

3.1.2 食品的静态粘弹性测量方法:应力松弛测量和蠕变测量;

3.1.3 食品的动态粘弹性测量方法:纵向振动法和剪切振动法。

3.2 新型的食品流变学测量方法

3.2.1 磁共振成像（MRI）

通过侧共振成像系统中的非金属管路（与医学人体扫描仪相似）,变可确定流体的速度分布，由此获得的黏性流体曲线与传统离线流变仪获得结果相一致。可实现以秒为单位的间隔检测，并且对别检测提既无损害，也无破坏。然而，由于信号处理所用的时间太长，无法满足一些实时检测的要求。用词技术课研究壁面处的滑移问题，也可研究“零剪切“活塞状流体中心的屈服应力[18]。

除了确定黏度外，通过信号分析，也可获得与物质属性有关的成分和结构。采用陶瓷螺杆，MRI可对挤压机内的流体流型进行成像[19]，也能对复杂的流型进行成像，如并流流动和常规流变仪锥板结构内的流动。

目前,NMR技术已经应用到各种原料的水分测定中,包括食品、种子和木头等。NMR技术在研究很多与水分密切相关的性质上都具有特殊的优势,比如玻璃态转化温度的测量、粉状食品的结块分析、面包的老化、蒸煮大米的回生等等。随着食品科学的发展,从食品消费者到食品生产商食品安全意识的加强,寻找安全可靠的分析检测方法将成为必然的趋势。核磁共振技术作为一种无损、无辐射、安全高效的检测方法在现代食品的研究中有着很好应用前景。

3.2.2 超声波速度分布（UVP）

利用超声波脉冲回响多普勒检测方法可确定速度分布[20]。已知频率的超声波脉冲想流动流体发送，流场中运动物体(颗粒或者液滴)将脉冲发射出来，由于多普勒效应，发射回来的脉冲频率发生偏移，其量与流体速度呈正比。根据发射和接受时间间隔，以及流体中声速知识，颗粒在径向的空间即可确定。该技术受流体中发射实体表面的影响，因此，适合于悬浮液食品体系，如巧克力或者淀粉，其中 特别适用于脂肪结晶过程研究，不适合于含有气泡的液体。此外，有充分空间分辨率来研究与屈服应力相关的信息，但是，由于径向分辨第一个点约离2mm,因此不能完成壁面滑移现象检测[21]。目前，人们开发该技术用于绘制并流流场。

具有良好操作界面的仪器将商品化生产，目前在应用方面受到气泡限制，但是对于很多食品体系，都有很大的应用前景。目前，虽然实际检测时间间隔较短，但是数据处理时间还是不能达到实时检测标准。

3.2.3 激光多普勒测速仪(LDA)

LDV就是利用光学的多普勒效应，微粒光的散射理沦和光外差检测原理。亦即用一束激光照射到流体中随流体一起运动的微位上，采用光外差俭测技术，测出其散射光的多普勒频移，然后换算成流体的运动速度.

在研究空气和水流线方面，虽然激光多普勒测速仪（LDA）已有三十年的应用史，但是，在食品中应用还是近期的事情。LDA已经成功地测量出双螺旋挤压机内的速度分布，以及和面是的剪切速率分布。在和面剪切速率分布检测中，用Branbender粉质仪作为典型的混合系统，用玉米糖浆和丙烯酸聚合物（卡波姆）作为典型的透明材料，替换浓密的面团混合物，用LDA检测速度分布，并由此知道剪切速率分布[22,23]。通过粉损害性流速检测，LDA对提高理论认识，以及随后的加工过程设计有明确的应用价值。

3.2.3 缝模粘度计

缝模粘度计可用两个正方形平行平板（方孔），之间流动这流体表示。如果去除边缘效应，平板宽度至少大于两板间距10倍以上。在已知流速下，通过检测流体流过缝隙德尔压降来确定黏度。为了消除入口和出口效应，缝隙的边长应尽可能大。若获得完全发展的流动条件，沿缝隙边长分布的壁面压力传感器，其单位长度检测到的压降应该恒定。对于非牛顿流体，可用Rabinowitsch-Mooney方程。许多多相态食品体系有壁面滑移现象，在高剪切作用下壁面出现润滑层和