食品物性学作业杨海燕.docx
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食品物性学作业杨海燕
新疆农业大学
专业课程论文
题目:
食品流变学研究及发展情况
姓名:
学院:
食品科学与药学学院
专业:
食品科学与工程
班级:
学号:
0940910132
指导教师:
张辉职称:
副教授
2011年6月30日
新疆农业大学教务处制
食品流变学研究及发展情况
作者:
迪力夏提指导老师:
张辉
摘要:
文章综述了食品流变学起源、发展、分类、数学模型及在食品中研究的目的,概述了近几年来国内外有关食品流变特性的研究及其进展情况,介绍了国内外对研究流变学而开发的测量仪器的现状,举例介绍了固态、液态等食品物料流变特性的研究情况。
关键词:
流变性研究进展果汁蔬菜汁
ResearchofFoodRheologicalanddevelopment
Name:
Abstract:
Thispapersummarizestheoriginoffoodrheology、development、classification、themathematicalmodelandthepurposeofthestudiesinfood,alsosummarizestheoutlinedrheologicalcharacteristicsofthefoodanditsprogressinrecentyearsbothathomeandabroad,Introducingdomesticandforeignresearchesanddevelopmentoftherheologymeasurementequipmentstatusquo,adoptexamplesonsolid,liquidfood,suchastherheologicalpropertiesofmaterialsresearch.
Keywords:
RheologyResearchProgressJuicevegetablejuice
流变一词来源于希腊语“rheo”—意为流动。
流变学(Rheology)是研究物质在力的作用下变形和流动的科学,属于力学的一个分支。
17世纪英国科学家虎克(RobertHooke)和牛顿(IsaacNewton)等人建立了粘弹性和流体力学理论;1853年,Maxwell指出物质的粘性现象可以用一个线性一阶微分方程加以描述;1874年,Boltzmann发展了线性粘弹性理论并建立了迭加原理;20世纪初,张量分析的应用使许多问题的进一步数量化探讨成为可能。
1929年,美国化学家宾汉(E.C.Bingham)提出了流变学的概念,从此流变学作为一个独立的学科开始形成;同年,美国流变学会在华盛顿成立;随后,各国相继成立流变学会。
1948年9月在荷兰举行了首届国际流变学会议。
此后,每隔5年在不同会员国举行。
1968年8月,日本京都国际流变学会议后,改为每隔4年召开一次。
随着流变学的不断发展,逐渐形成了食品流变学、生物流变学、血液流变学等分支学科[1]。
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[1]。
1 食品流变学研究的目的
(1)食品流变学的实验,可用于鉴别食品原料、中间产品,控制生产过程。
因此,它对于提高食品质量,调节生产工艺过程具有一定的作用。
(2)流变学能够根据顾客的爱好,鉴别或预测顾客对某种食品是否满意。
例如,人造奶油的扩展能力、牛乳的粘度、硬糖果的硬度、肉的韧度都可以用来鉴别食品优劣的流变特性。
(3)流变学研究可深入到食品物质的组织结构中,它可以反映出组织结构的特性,这就可以在食品制作过程中通过调节中间产品的标准流变特性来达到调节组织结构的目的。
(4)流变学已经应用于有关的工艺设计和设备设计,例如泵送管路系统,放料装置及搅拌装置的设计,孔化、雾化及浓缩工艺过程的设计,都要用到物质流变特性数据[2]。
2食品流变学的起源和发展
最早将流变学引入食品研究的是荷兰人斯科特·布莱尔(G.N.Sc–ottBlair),1953年,他编辑出版了《FoodstuffsthePlasticity,FluidityandConsistency》一书。
此后,科学家开始将流变学理论应用于食品研究。
该书在阐明食品的流变学性质及其在食品研究中的应用方面做出了贡献。
20世纪60年代初,国外的食品专业杂志出现了很多食品流变学方面的论文。
1973年,穆勒(B.Muller)编辑出版了《IntroductiontoFoodRheology》一书,对推动食品流变学的发展和应用起了重要作用。
此后,食品流变学在食品工业中得到了广泛的应用。
1984年,普伦提斯(J.Prentice)出版了《食品流变学测量》一书。
该书不但解决了食品流变学性质的测量问题,而且还从微观结构的角度解决了流变学性质的变化规律,为食品流变学理论应用于生产工艺过程提供了依据。
1989年,川端晶子编著的《食品物性学》一书主要从食品的流变性质和质构两个方面论述了食品的胶体体系特征,凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。
1997年3月,在瑞士苏黎世举行了第一届国际食品流变学和质构特性研讨会。
来自20个国家的170多名专家就食品加工中质构的形成,质构、流变学特性和食品质量,流变学方法和质构分析方法以及复杂体系的流变学行为等问题进行了互动交流[6]。
许多文献已经报道并总结了各种食品独特的流变学特性,然而这些数值可能是不准确的。
因为食品的流变学特性可能受食品的种类、成熟度、加工方法、成分、温度、时间、分析方法、实验技术等因素的影响。
因此,早期流变学的研究主要是一些经验性的测定。
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,食品流变学的研究与应用变得愈来愈广泛。
随着研究的深入,研究手段和方法亦有了较大地发展,表现在先进的流变学仪器的引入和开发,仿真状态下流变学过程数学模型的建立以及二者的结合进行流变学过程的模拟。
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重要关系,所以通过对食品流变学特性的研究,可以了解食品的组成、内部结构和分子形态等,为产品配方、加工工艺、设备选型及质量控制等提供方便和依据[1]。
3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。
食品流变学根据食品的流变特性分为粘性流体和粘弹性流体两大类。
食品流变学是研究食品在力的作用下变形或流动的科学。
因此,应力和应变对于食品流变学研究而言都是极其重要的。
食品流变学特性主要是通过测定应力与应变对时间的函数来确定,这种特性可以用坐标图解或数学模型来表示。
研究发现流体的流型可以通过研究其流变曲线的形状加以确定,而流变曲线又可以用一定的数学模型进行描述。
数学模型是通过用数学语言来表达问题,从而达到用数学工具解决问题的目的,具有渐近性、条理性、逼真性、可行性和可转移性等优点。
因此,流变学的数学模型也得到了人们的重视[6]。
3.1粘性流体及其数学模型
粘性流体的分类:
牛顿流体、非牛顿流体、塑性流体、触变性流体和胶变性流体,下面分别介绍其数学模型。
3.1.1牛顿流体的数学模型
流变方程式为τ=ηD
(1)
式中,τ为剪应力、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。
3.1.2非牛顿流体的数学模型
τ=KDn(1 (2) 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=KDnn<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;随着剪切速率的不断增高,曲线斜率逐渐减小,液体的粘度呈现出不断下降的趋势。 大多数的非牛顿液体都是假塑性液体。 胀塑性流体的数学模型: τ=KDnn>1(4) 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。 3.1.3塑性流体的数学模型 τ-τ0=μDn(5) 式中,μ是塑性流体的稳定性系数、n为流动特性指数、τ0是屈服应力、D为剪切速率。 当n=1时的塑性流体为宾汉塑性流体,则式(5)变为τ-τ0=μD=ηpD,式中ηp为表观粘度,其它同式(5)。 此时,该流动曲线为不通过坐标原点的直线,直线和纵轴的交点为屈服应力,直线的斜率为表观粘度ηp。 当n>1时,表示具有屈服应力的胀塑性流体。 胀塑性流体在流动开始时随着剪切速率的逐渐增大,曲线斜率也不断上升,即表观粘度随剪切速率的增加而加大。 3.1.4触变性流体 触变性流体是指流体在振动、搅拌、摇动时,其表观粘度减少,流动性增加,但静置一段时间后,流动又变得困难的现象。 3.1.5胶变性流体 胶变性流动是指流动在剪切速率一定的条件下,随着时间的推移,表观粘度增加,表现出剪切变稠的现象。 因此,这种现象也称为逆触变现象。 3.2粘弹性流体及其数学模型 粘弹性体的分类: 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。 粘弹性体的基本数学模型包括麦克斯韦模型和伏格特-开尔芬模型麦克斯韦模型的数学模型: σ(t)=σ0e-t/τ 式中σ为应力,σ0为最大应力,τ为应力松弛时间,t为时间,e为2.718。 伏格特-开尔芬模型的数学模型: ε(t)=σ0(1-e-t/τ)/E式中σ为应力,σ0为最大应力,ε为形变,τ为应力松弛时间,t为时间,e为2.718,E为弹性模量。 粘弹性体的一般数学模型包括三元模型、四元模型,多元模型(广义的麦克斯韦模型和广义的伏格特-开尔芬模型)。 食品的动态粘弹性原理: 动态粘弹性理论,流变体的时间-温度等效原理。 当然,针对不同的流体材料,还有其他的更复杂或更具体的模型。 此外,也有一些模型把时间、浓度和温度作为变量。 所有这些模型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,帮助我们在管线设计、混合或不同的单元操作中量化所需的能量。 然而,在使用这些数学模型前,必须了解其在不同加工条件下的量纲和变化,这方面的研究已成为当前的研究热点[5]。 食品的流变学行为与其微观结构密切相关,主要结构因素为固体粒子,液滴和气泡。 食品流变学的研究主要依靠流变学测量获得的大量参数,寻找流变学特性参数之间的内在联系,总结规律,发展数学模型并为食品流变学的进一步发展奠定基础[1]。 4测量仪器的改进进展 由于食品物质的多样性、复杂性,如何选择合适的测量方法和仪器,一直是食品流变工作者极为关心的问题和重要的研究课题。 近年来,其测量仪器的发展如下。 4.1引入超声波技术测量食品流变性 超声波技术是应用较为广泛的技术,超声波技术在食品流变学上的应用,主要是在超声波频率下,测量食品物料的振幅和相位图谱,从中分析和计算测量物的剪切储能模量及剪切耗能模量,这种技术很适合粘弹性食品流变特性的测量。 如HaeOKLee等用超声波对奶酪和面包的粘弹性进行了测量。 发生器产生超声波经过试样,其振幅及相位都将发生改变,传感器接受超声波并使其转换成电信号,经过放大进入时域显示器,然后再经过一个快速傅氏变换处理,最后进入频谱显示器。 在某一超声波频率下,从振幅和相位谱的比较中可得出衰减系数和纵向速度,进而可计算出试样的剪切储能模量及剪切耗能模量。 此方法不仅可用于实验研究,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/RT)(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(AC)(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=3151-010445T。 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: [1]刘志东,郭本恒.食品流变学的研究进展[J].食品研究与开发,2006,(27) [2]代欣欣,李汴生.食品增稠剂流变学研究综述[J].中国食品添加剂,2007,(4) [3]周宇英,唐伟强.食品流变特性研究的进展[J].粮油加工与食品机械,2001,(8) [4]路福绥.果汁的流变特性研究[J].食品工业科技,1999,(20) [5]蒋建新,朱莉伟,安鑫南,吴春华.植物多糖胶流变性质的研究[J].中国野生植物资源,2003,(22) [6]张之佳,张拥军,徐倩.超细南瓜粉流变学特性的研究[J].中国粮油学报,1999,(14) [7]杨德勇,韩鲁佳.黄芪多糖水提液流变特性研究[J].农机化研究,2007, (5) [8]郭守军,杨永利,杨蓓,马瑞君.坛紫菜多糖的流变性研究[J].食品科学,2006,(27) [9]袁永利,黄卫宁,邹奇波.食品酶制剂对冷冻面团流变学和微结构的影响[J].食品与机械,2006,(22) [10]段振,汤坚.半流质高能食品的流变学特性[J].无锡轻工大学学报,2003,(22)
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