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食品流變學---Fungilab粘度計
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食品流變學
流變學（Rheology）是研究物體受外力作用而變形或者流動的學科,，是力學的一個分支,。食品流變學的研究對象是食品材料的力學性質。食品材料通常指介于固液之間的物質,，比如淀粉,、油脂、蛋白,、魚糜等具有復雜的化學組成的物質,。然而，食品流變學除涉及力學,，還包括高分子學物性論,、膠體化學等，甚至也包括研究生物化學反應下變形理論的所謂“化學流變學”,，研究血液,、細胞液和生物學關系的“生物流變學”，研究人的力學感覺和變形規(guī)律即心理學同變形及力學刺激的“心理流變學”等,。
食品流變學在于解決食品加工中存在的問題,。這些食品的流變性質與加工過程中操作的有關。除此之外,，有些食品具有的嗜好性質與流變性質關系也很密切,。由于食品的復雜性，在進行食品流變學研究時,，首先需要把食品分類,，對于不同的類型，建立各自的流變學模型,，對這些模型進行分解,、組合,，解析，總結出可靠的測定方法,，獲得有效的控制品質的思路,。
食品粘性
粘性是指阻礙流體流動的性質，該指標表現(xiàn)了流體的流動性,。食用植物油和水均屬于易流動液體,。如果我們分別把油和水倒在玻璃平板上時，可以發(fā)現(xiàn)油的流動速度比水慢,，換句話說,，水比油易流動，同時也說明水的粘性比油大,。粘性的大小以粘度（或粘性系數(shù),、粘性率）表示。粘度分為以下三種,，各種粘度間的變形方式是不同的：
1,、剪切粘度（coefficient of shear viscosity）是一般實用上所指的粘度，用普通的粘度計所測定得到的流體粘度往往是指剪切粘度,。
2、延伸粘度（coefficient of tensile viscosity）只表示粘彈性體延伸時（區(qū)別于流動）的粘度,，而普通的液體無法測定其延伸粘度,。
3、體積粘度（coefficient of volume viscosity）體積粘度不發(fā)生在當對液體施加靜水壓,，其體積會產(chǎn)生瞬時的變化而到達平衡值的時候,。然而，如在超聲波范圍進行更精密的測定,，體積變化速率與液體所受到的壓力之間的關系會符合粘性定律,。體積粘度即為把這種情況下表示粘性的指標。
粘性流動的分類
牛頓流動(Newtonian flow)
不同粘度的流體,，應力與應變速率存在一定的函數(shù)關系,。牛頓流體是指粘度不會隨剪切速率的變化而變化，剪切速率(shear ate)與剪切應力(shear srtess)成正比的流體,。牛頓流體的流動狀態(tài)方程式如下：
τ=ηγ
其中,，η指為粘度(viscosity)，體現(xiàn)了流動的阻力,，表示剪切應力與剪切速率之間的比例系數(shù),，γ表示剪切速率，τ表示剪切應力,。對于牛頓流體而言,，剪切速率的變化不會影響其粘度。理想的牛頓流體各向同性，且不能壓縮,，不具有彈性,。一定范圍內基本符合牛頓定律的流體在流變學中被當做牛頓流體進行處理。如食品中的水,、普通蜂蜜,、油、酒,、液糖,、玉米糖漿、過濾后的果汁等,，由于*的牛頓流體在自然界中不存在,，通常都按牛頓流體分析計算 。
非牛頓流動(non-Newtonian flow)
在自然界中的食品,，不符合牛頓流體定律的流體占大多數(shù),。大量的食品，包括濃果汁,、果醬,、全雞蛋、菜泥,、濃牛奶以及巧克力漿等固液懸浮體都是非牛頓流體,，下面的經(jīng)驗公式往往用來表示這些流體的剪切應力與剪切速率之間的關系：
τ=k(γ)n(1<n<∞，0<n<1)（1）
式中,，
n為流態(tài)特性指數(shù),，k為稠度系數(shù)。若為牛頓流體公式,，則n=1,，此時k為粘度。上式中,，設ηa=k（γ）n-1,，則與牛頓流體相似的非牛頓流體的狀態(tài)方程可寫為：
τ=ηaγ（2）
此式可以得到：η與ηa表示同樣物理特性，有相同的量綱,，即ηa為表觀粘度(apparent viscosity),。表觀粘度ηa是流體內部阻力的總和。然而與η不同的是,，ηa是γ的函數(shù),，與k和n有關。換句話說ηa是指非牛頓流體在某yi流速的粘度,。
對于很多非牛頓流體,，Τ只有在大于一定值Τ0時（也就是說,，流體在獲得能量克服一個屈服應力值以后），流動才能發(fā)生,。Bulkey與Hershel提出的表示公式如下：
Τ=Τ0+k(γ)n（3）
Τ0表示屈服應力(yield stress),。由于公式中的Τ0和n范圍不同，將非牛頓流動分為以下五類：
假塑性流動(pseudoplastic flow)
當粘度隨著剪切速率或剪切應力的增大而減少,，對應于公式（1）中的0<n<1時的流動,，叫做假塑性流動。這種流動也被叫做剪切稀化流動(shear thinning flow),，即由于流速的增加引起粘度減小,。
假塑性流體符合假塑性流動規(guī)律，大部分液態(tài)食品都是假塑性液體,。大部分非牛頓流體均為假塑性流體,。具有假塑性的食品，大多數(shù)具有由巨大的鏈狀分子構成的高分子膠體粒子,，在低流速或者靜止時,，由于他們互相纏結，粘度較大,，故而顯得粘稠,。然而流速變大時，這些比較散亂的鏈狀粒子因為會受到流層之間的剪應力作用,，減少了它們的互相鉤掛,，會發(fā)生滾動旋轉進而收縮成團，于是表現(xiàn)為剪切稀化的現(xiàn)象,。對于大部分流體來說，雖然會滯后一點時間,，但是剪切稀化現(xiàn)象可逆,。流體初始的高粘度狀態(tài)在剪切速率減小甚至停止剪切時會恢復。從微觀上講,，布朗運動使聚集體重新形成,，即鏈狀膠體分子又恢復到其無取向的自然位置，產(chǎn)生了變形的液滴恢復為球形,。加工行為受高分子流體的假塑性的直接影響,。如菜湯、醬油,、濃糖水,、番茄汁、蘋果醬,、淀粉糊等高分子溶液,、乳狀液和懸浮液都屬于假塑性流體,。
脹塑性流動(dilatant flow)
粘度隨著剪切速率的增大而增大的流動，也稱為剪切增稠流動(shear thickening flow),。在公式τ=k(γ)n(1<n<∞,，0<n<1)中，如果1<n<∞,，稱為脹塑性流動,。表現(xiàn)為脹塑性流動的流體，稱為脹塑性流體,。食品材料中脹塑性流體不是很多,，比較典型的是生玉米淀粉糊。當給淀粉中加入水,，混合成糊狀后,，緩慢傾斜容器，淀粉糊會像液體那樣流動,。但如果施加更大的剪切應力,，如用力快速攪動淀粉，那么淀粉稀糊反而會變“硬”,，失去流動的性質,。如果用筷子迅速攪動，甚至阻力會使筷子折斷 ,。
塑性流動(plastic flow)
液體只有在應力超過τ0時才開始流動,。塑性流動的流動特性曲線不通過原點。賓漢流動(Bingham flow)是指當應力超過τ0時,，流動特性符合牛頓流體規(guī)律的流動,。而非賓漢流動是指不符合牛頓流動規(guī)律流動。把具有這兩種流動特性的液體分別稱為賓漢流體或非賓漢流體,。食品中的濃縮肉汁就是一種典型的賓漢流體,。卡松在研究了油漆流動的網(wǎng)架結構與剪切速率的關系后發(fā)現(xiàn)剪切應力和剪切速率有如下關系：
σ1/2=σ01/2+ηaε1/2
一部分非賓漢流體液態(tài)食品的流動規(guī)律符合卡松公式,，如番茄醬,、巧克力等。
觸變性流動(thixotropy)
觸變性是指在振動,、攪拌,、搖動時，液體的流動性增加,，粘性減少,，靜置后，過段時間發(fā)現(xiàn)流動又變困難的現(xiàn)象,。也叫搖溶性流動,。例如,，番茄調味醬、蛋黃醬等,，在容器中放置時間一長,，傾倒時，就變得很難流動,。但只要將容器猛烈搖動,，或用力攪拌一會，它們就變得很容易流動,。再長時間放置時,，它們又會變得流動困難。觸變性流動的發(fā)生是由于粒子之間形成的結合構造,，隨著剪切應力的增加而受到破壞,，導致的粘性減少。但這些粒子間結合構造在停止應力作用時,，恢復需要一段時間,，逐漸形成。因此,，剪切速率減慢時的曲線在前次增加時的曲線的下方,，形成了與流動時間有關的滯變回環(huán)。材料的構造破壞的越大,，體現(xiàn)為滯變回路包圍面積越大,。觸變性對口感的影響體現(xiàn)為爽口柔和的感覺。
膠變性流動(rheopexy flow)
液體隨著流動時間延長,，與觸變性流動相反,，變得越來越粘稠的現(xiàn)象。膠變性流動的食品給人以粘稠的口感,。當流速加大時,，達到大值后，再減低流速,，減低流速時的流動曲線反而在加大流速曲線的上方,。這種現(xiàn)象也被稱為逆觸變現(xiàn)象,。這是因為流動促進了液體粒子間構造的形成,。