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第二章 食品的力学基础第一节 食品流变学 一、食品流变学概论 （一）流变学的定义 流变学是力学的一个分支，是研究物质在力的作用下变形或流动的科学。除了力的作用外，力作用的时间对变形的影响也是研究内容之一。因此，流变学中，物体的力学参数不仅有力、变形，还有时间。 （二）食品流变学研究的内容和对象 流变学的基本内容是弹性力学和黏性流体力学。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，以及组织结构有极大关系。因此，流变学是食品力学性质方面的物性理论。 流变学研究的对象一般指：油脂、黏塑性材料、橡皮、淀粉、蛋白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、黏弹性等现象进行研究。 食品流变学研究的对象是各种食品和食品材料的力学性质。除力学外，涉及的学科领域非常广泛，其中包括：胶体化学、高分子学物性论等。还有研究生物化学反应下变形理论的“化学流变学”；研究血液、细胞液和生物学关系的“生物流变学”；研究人的力学感觉和变形规律，即心理学同变形及力学刺激的“心理流变学”等等。 食品流变学研究的目的，是解决食品加工过程中出现的实际问题。如食品的流变性质与加工过程中的切断、搅拌、混合、成形、冷却等操作有很大关系。另外，食品本身的嗜好性质也与其流变性质关系极大。 食品流变学的研究，是把食品按其流变性质分类，如固体、液体、黏弹性体等，再针对具体类型的物质，建立起表现其流变性质的力学模型，从模型的分解、组合和解析中，找出测定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）的思路和方案。 二、黏性 （一）黏性的概念 黏性是表现流体流动性质的指标，（粥比水黏说明）流体阻碍自身流动的性质称为黏性。黏性从微观上分析，是流体受力作用，其质点间作相对运动时产生阻力的性质。这种阻力来自流体内部分子运动和分子引力。 黏性的大小用黏度表示。根据变形的方式，黏度可分为以下几种： 1．剪切黏度——用普通黏度计（毛细管式、旋转式或锥板式黏度计等）测定的黏度大多是剪切黏度。若无特殊说明，一般所示的黏度均指剪切黏度。 2．延伸黏度——用普通的液体无法测定延伸黏度。它只表示黏弹性体延伸时（区别于流动）的黏度。 3．体积黏度——当给液体加以静水压时，体积会发生瞬时的变化而达到平衡值，这时不存在体积黏度。而更精密的测定，例如，在超声波范围，液体所受压力与体积变化速度之间的关系将遵循黏性定律。这种情况下表示黏性的指标，称为体积黏度。 （二）黏性流动的分类 1．牛顿流动 （1）剪切速率： 当流体在一定速度范围内流动时，就会产生与流动方向平行的层流流动。流体内部在垂直于流动的方向会形成速度梯度。层与层之间存在着黏性阻力。 微元分析：上下两层流体接触面积为 A（m2），两层距离为 dy（m），两层间黏性阻力为 F（N），两层的流速分别为 u 和 u + du（m /s）。对于这一流体微元，可看成是在某一短促时间 dt（s）内发生了剪切变形的过程。 （3）牛顿定律与牛顿流体 式（2-2-1）所表示的液体流动规律称为牛顿定律。凡符合牛顿定律，即应力与剪切速率成正比的流体——牛顿流体。其它流体（流动状态方程不符合牛顿定律）——非牛顿流体。 牛顿流体的特征：剪切应力与剪切速率成正比，黏度不随剪切速率的变化而改变。即在层流状态下，黏度是一个不随流速变化而改变的常量。 严格而言，理想的牛顿流体没有弹性、不可压缩、且各向同性。所以，自然界中不存在完全的牛顿流体。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液体按牛顿流体来处理。食品中水、糖液、酒、油等，通常都按牛顿流体来分析计算，因此可用牛顿流体黏度η来表示其流变特性。 2．非牛顿流动 食品中，多为不符合牛顿流体定律的非牛顿流体。这些液体的流动状态方程可由经验公式表示： 非牛顿流动的分类： （1）假塑性流动： 在非牛顿流动状态方程式中，当0＜n ＜1时，即表观黏度随着剪切应力或剪切速率的增大而减小的流动，称为假塑性流动，亦称准塑性流动或拟塑性流动。因为随着流速的增加，表观黏度减小，所以也称为剪切稀化流动。 符合假塑性流动规律的液体称为假塑性液体。食品中的沙司、果酱、浓缩果汁、香蕉泥、葡萄浆等均为假塑性液体（n = 0.27～0.59）。 n 值越小，液体内部构造越弱，随着剪切流速的增加，其内部分子结合而形成的阻力由于构造破坏而减小。因此，n 值越小，随着流速的增加，黏滞阻力增加相对缓慢。 （2）胀塑性流动： 非牛顿流体的流动状态方程中，如果1＜n ＜∞，称为胀塑性流动。表现为胀塑性流动的液体，称为胀塑性流体。食品中胀塑性流体不太多，比较典型的是生淀粉糊。 当淀粉中加入水混合成糊状后，