食品流变学研究
060811206 季聪仪
1.食品流变学的基本概念
流变学是力学的一个新分支，是从应力、应变、温度和时间等方面来研究物质变形和（或）流动的物理力学。主要研究物理材料在应力、应变、温度、湿度以及辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。
食品流变学是在流变学基础上最新发展起来的一个分支，以弹性力学和流体力学为基础，主要研究作用于物体上的应力和由此产生的应变规律，是力、变形和时间的函数，因此在研究中人们多以流变学为主来阐述食品的力学性质，并用坐标图解或数学模型来表示这种特性。
工业流变学的理论是研究食品力学性质的重要基础。在食品加工过程中，由于大多数食品是容易变形、流动或破碎的混弹性体物质，为了防止这类问题的出现，进一步提高产品的质量，我们必须必须深入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。正是这种生产的需求，使食品流变学应运而生。
2.食品流变学的研究对象和目的
食品流变学研究的对象是各种食品物质和食品材料的力学性质。由于食品的种类繁杂多样，简便起见，食品流变学常把食品物质按形态简单分成液态食品、半固态食品和固态食品三大类。每一类分别有自己的流变特性和测量方法。
食品流变学在食品领域中的作用不可忽视，其对食品的运输、传送、加工工艺甚至咀嚼食品时的口感等都起到非常重要的作用。总的来说，研究食品流变学主要是为了从食品物质的构造组成上解释流动、变形等力学性质，并找出其表现规律。其研究目的可以从以下几方面进行具体阐述：
（1）对食品的原材料和中间产品进行鉴定，并对其生产过程进行控制。例如可以依据生产对象的流变特性来提高食品质量、监控生
产流程等。
（2）鉴别产品的优劣，预测产品在市场上的接受性，根据顾客的满意程度指导新产品的开发。
（3）对生产过程中食品结构组织的变化进行解释，并加以调节。例如，在食品烹饪过程中，可以根据需要对食品的软硬程度和疏松度进行调节。
（4）可以应用在有关工艺设计和设备设计中，为其提供有关数据。例如物料配送系统的设计以及乳化、雾化和浓缩工艺过程中的设计。
3.食品的流变特性
食品流变学主要是研究食品原材料、半成品和成品在加工、操作处理以及消费过程中产生的变形与流动的科学。虽然食品材料的组成成分与结构的复杂性给食品流变学的研究带来一定困难，但从食品的物质形态来说,可以按其基本流变规律，将其细分为液态食品流变学、半固态食品流变学和固态食品流变学三大类进行研究。
3.1液态食品的流变特性
液态食品主要是指具有流体性质的食品物质。根据流体性质的不同，其又可分为两大类：粘性流体和粘弹性流体。其中粘性流体包括：牛顿流体——符合牛顿粘性定律的液体，非牛顿流体——不符合牛顿粘性定律的液体；粘弹性流体则可分为：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。下面分别对这两大类液态食品的流变性进行研究。
3.1.1粘性流体类食品的流变特性
阻碍流体流动的性质称为粘性。粘性是表现流体流动性质的指标。牛顿粘性定律指出:流体流动时剪切速率与剪切应力成正比关系，即
σηε
=?
式中，比例系数η称为粘度，是液体流动时由分子之间的摩擦产生的；ε是剪切应变。
（1）牛顿流体的流变特性
遵循牛顿粘性定律的液体称为牛顿流体。牛顿流体的主要特征是：剪切应力与剪切速率成正比，粘度不随剪切速率的变化而变化。其流动特性曲线是一条直线，斜率为该液体的粘度，如图3-1所示。
图3-1 牛顿流体流动特性曲线
粘度是牛顿流体最重要的流变学特性参数，用一般粘度计可测定其粘度。严格地讲，在自然界中是不存在没有弹性，不可压缩，且各向同性的理想的牛顿流体。所以在流变学中只能把在一定范围内基本符合牛顿流动定律的流体按牛顿流体处理。其中最典型的是水。此外，糖水溶液、低浓度牛乳、清果汁、油及其他透明稀溶液等都可归属于此类。
（2）非牛顿流体的流变特性
大多数液体食品，如一些固体悬浮液，乳浊液或胶体溶液等，都属于非牛顿流体。它们的粘度不是常数，随剪切速率的变化而变化，即剪切应力与剪切速率的关系曲线不是一条直线。其流动特性可用下列经验公式表示:
n k σε=?
式中，k 为粘性常数，又称浓度系数。显然当n=1时，上式就是牛顿流体公式。
非牛顿流体的范围较广，按照流动特性可以分为：①假塑性流体:在非牛顿流体流动状态方程中，当0＜n ＜1时，粘度随着剪切应力或剪切速率的增大而减少的流动。其流变特性是与时间无关。②胀塑性流体:又称剪切增稠流动。在非牛顿流体的流动状态方程中，当1＜n ＜∞时，表现为粘度随剪切速率的增大而增大。其流变特性随时间而变化。③塑性流体：根据宾汉理论，在流变学范围内，当作用在物质上的剪切应力大于极限值时，物质开始流动，否则物质就保持即时形状并停止流动。塑性流体的流动特性曲线不经过原点。根据其是否符
合牛顿流动规律，又可分为宾汉流动和非宾汉塑性流动。④触变性流体：所谓触变性是指当液体在振动、搅拌、摇动时粘性减少，流动性增加，但静置一段时间后，又变得不易流动的现象。其剪切速率减少时的曲线与增加时的曲线不重叠，形成了与流动时间有关的滞后曲线。有触变机理的食品口感比较柔和爽口，这与其作用机理有关。其机理可以表述为随着剪切应力的增加，粒子间结合的结构受到破坏，粘性减少。当作用力停止时粒子间结合的构造需要一段时间才能逐渐恢复至原样。⑤胶变性流体：又称逆触变性流体，与触变性流体相反，表现为剪切变稠现象即液体随着流动时间的增加，变得越来越粘稠。
其中假塑性流体、胀塑性流体、塑性流体的流动特性曲线分别如图3-2、3-3、3-4所示：
图3-2 假塑性流体流动特性曲线
图3-3 胀塑性流体流动特性曲线
图3-4 塑性流体流动特性曲线
（a）宾汉流动（b）非宾汉塑性流动
3.1.2粘弹性流体类食品的流变特性
许多液态食品如白脱花生酱、软化脂、冰淇淋等，不仅有粘度，而且具有弹性，往往会表现出回流、拉丝、挤出胀大等特殊的流动和力学现象。粘弹性流体就是这样一类流体。这类食品的流变学特性较复杂，参数较多，其中拉伸粘度、动态粘度和应力松弛时间是主要特征参数。
食品的动态粘弹性原理即动态粘弹性理论和流变体的时间—温
度等效原理。其一般应用的数学模型主要有三元模型、四元模型和多元模型。但针对不同的流体材料，其具有更复杂或更具体的数学模型。这些模型具有渐近性、条理性、逼真性、可行性和可转移性等优点，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。
3.2固态与半固体食品的流变特性
在食品流变学中，简单把具有固体性质的食品物质归属于固态食品，理想固体称虎克固体，又称理想弹性体，其理想状态下遵循虎克定律，如干面团、硬糖果、核桃等;同时表现出固体性质和流体性质的食品物质归属于半固态食品。固态与半固态食品的流变特性主要表现形式为：食品的变形、弹性和粘弹性。
食品的断裂形式可以分为以下两大类：(1)脆性断裂:脆性断裂的特点是屈服点与断裂点一致。(2)塑性断裂:塑性断裂的特点是试样经过塑性变形后断裂。食品多以后者形式断裂，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。有些糖果，当缓慢拉仲时产生塑性断裂，急速拉仲时产生脆性断裂。
食品的弹性是指物体在外力作用下发生形变，撤去外力后恢复原来状态的性质。其中有两个重要的定义：完全弹性和弹性极限。撤去外力后形变立即完全消失的弹性称为完全弹性。形变超过某一限度时，物体不能完全恢复原来状态，这种限度称为弹性极限。
食品的粘弹性是指食品既有弹性又可以流动的现象，其力学性质不像完全弹性体那样仅用力与变形的关系来表示，还与力的作用时间有关。我们可以从应力松弛和蠕变这两个重要概念来进行阐述。所谓应力松弛是指试样瞬时变形后，在变形(应变)不变情况下，试样内部
的应力随时问的延长而减少的过程。而蠕变和应力松弛相反。蠕变是指把一定大小的力(应力)施加于粘弹性体时，物体的变形(应变)随时间的变化而逐渐增加的现象。值得注意的是，应力松弛以一定大小的应变为条件，蠕变是以一定大小的应力为条件的。
4.食品流变特性的测量方法
食品流变特性的测量是食品流变学理论研究和工程应用的基础，也是了解食品材料结构组织的有效手段，在食品流变学的研究内容中占有重要的地位。食品流变测量的方法多种多样，根据不同的划分方法，可以得到不同的分类：按物质的性质,可分为粘性测量、粘弹性测量和固体物质的测量；按测量运动方式可分为剪切流动测量和拉伸或压缩运动测量；按物质试样运动随时间变化的情况可以为分为形变速率不随时间改变的稳态测量和应力、应变速率随时间发生阶跃变化的瞬态测量；按应用目的可为用于理论分析的精确测量和反映工艺特点流变特征量的工业控制检测测量，其中后者一般又可分为离线测量和在线监控测量两种。
近年来，随着食品流变学、生物学、计算机技术等的迅猛发展, 在食品工业中存在许多流变学测量方法，有力地推动食品流变学的快速发展。除了如塑性流体的屈服应力测量，食品的静态弹性测量和动态粘弹性测等传统的测量方法外，又出现了多种新型流变学测量方法。例如，显微法、超声波技术、阶跃变化剪切速率法、分形法和影像云纹法都已应用于食品流变学特性的测量中。这些方法虽然不尽相同，但基本原理是大致相同的。大多都选择简单的运动方式来完成，通过被测物质与测量仪器之间的相互作用的结果得出所需的参数。
5.食品流变学在食品工业中的应用及展望
食品流变学在食品工业中有着广泛的应用。总的来说，其应用可概括为两方面：一是在食品加工工艺方面的应用。此应用的目的是使食品材料具有更优异的加工性能，提高食品的质量。其往往是根据食品物质的流变特性来改进其加工工艺，或者通过改变食品物质的温度、浓度及加工过程中的剪切速率和受剪切的时间、添加各种表面活
性剂等方法，改进食品物质的流变特性。二是在控制食品生产过程中的应用。在生产过程中，为了便于采用自动化装置，并且更为准确、迅速的调节、控制和保持产品质量，通常用一些准确的流变参数做为工艺过程的控制指标和判断依据,从而在一定程度上代替人工的摸、尝、嗅等经验判断。
食品物质的多样性决定了其流变特性也是复杂多样的，因此目前还没有一种方法能够提供一个完整流变学描述所必需的全部信息。在食品生产中要根据实际情况具体应用其流变性能。例如在巧克力生产工艺中，常用的是用34℃左右急速融解的V形结晶进行接种的方法。在生产过程中，巧克力是以液体状态存在的，液体状态的巧克力是具有屈服应力的假塑性物质，此时对其特性的实验室检验就可借助于流变学的测量方法。
食品流变学在我国虽然起步较晚，但目前在食品工业中已经引起了重视，在食品加工成型中，如浓缩菠萝汁、浓缩山楂汁、巧克力等的研究中取得了一定进展。但是相比起国外流变学的发展仍有很大差距，而这些差距正是我们要努力的方向。主要表现在以下几个方面：（1）多针对某一种食品物质进行流变特性的测量和分析，形成系统的理论研究；
（2）离散介质流变学理论、统计力学以及计算机技术在非均质和不定形结构食品物质的流变学问题中的应用；
（3）加强食品流变性与感官特性之间关系的研究，以期通过自动化控制代给为精确地替带人体感官体验；
（4）对食品热流变学进行研究，考虑热力历史和热力条件对食品加工成型的影响；
（5）研发适合于进行食品流变特性测量的新型仪器和新方法，例如，如何提高仪器对食品的适应性、如何避免食品物质的特殊性能对测量的影响、如何减小温度、湿度等对测量结果的影响。
相信只要朝着这些方向继续努力，食品流变和质构研究将会逐渐深入到人们的日常生活中，引起更多科研工作者的关注。食品流变学将会具有更广阔的发展前景，会大力推动我国的食品工业向着营养、安全、多样和方便型方向转变，甚至会深刻地影响整个世界。