1、,三、黏弹性（一）黏弹性基本概念许多食品属于固体或半固体。当给它们施以作用力时，会发生相应的变形，去掉作用力后，又会发生弹性恢复。如果弹性恢复可以完全回到原来的状态，称之为完全弹性；如果不产生弹性恢复，则是流动。,第二章 食品的力学基础第二节 食品流变学,食品类物质，往往即表现弹性的性质，又变现黏性的性质。它们的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。面包、面团、面条、奶糖等，我们都可观察到它们的弹性性质和黏性性质。只是在不同的条件下，有的弹性表现得比较明显，有的黏性表现得比较明显。 总之，把既有弹性，又可以流动的现象称为黏弹性。具有黏弹性的物质称为黏弹性物质
2、或黏弹性体。通过测定食品的黏弹性即可把握食品的状态。,1变形（deformation）一般固体施以作用力，则产生变形；去掉作用力，又会产生弹性恢复。使物体弹性恢复的力称之为内应力（internal stress）。如果去掉外力，内应力也随之消失，这种性质也称为弹性（elasticity）。研究物体的变形以及黏弹性时，要进行应力与应变关系的分析，因此需掌握以下概念。（1）宏观应变（macro-strain）：平均应变范围为大于原子间距离的有限尺寸场合下的应变。（2）微观应变（micro-strain）：应变尺寸范围为原子距离数量级的应变。,（3）压缩强度：物质所能承受的最大压缩应力，即试验时试样
3、能承受的最大荷重与最初断面积之比。 （4）弹性率：在弹性极限范围内，应力和应变之比。当应力和应变为非线性关系时，定义了以下弹性率。a初始切线弹性率：应力-应变曲线在原点处的斜率。b切线弹性率：在曲线上某一点，曲线的斜率，亦称瞬时弹性率。c正割弹性率：从曲线上任一点到原点的连接直线的斜率，亦称表观弹性率。d弦弹性率：应力-应变曲线上任意两点之间弦的斜率。,当给食品物质持续加载时，不仅要变形，而且还会发生断裂现象。实际上人们对食品进行压、拉、扭、咬、切时，食品的变形逐渐增大，但一般并非线性变形，而是发生大的破坏性变形。对于具有这样性质的物体，人们往往用一定载荷进行断裂强度和蠕变试验。由于断裂现象同
4、试样的组织结构有敏感的关系，因此，在测定断裂强度时，对试样要进行严格处理，并且要取大量数据进行平均，然后从概率角度去讨论。在进行断裂试验时需要掌握以下概念。,（1）屈服点（yield point）：当载荷增加，应力达到最大值后，应力不再增加，而应变依然增加时的应力点。并非所有物质都有屈服点。（2）屈服强度（亦称弹性极限）：应变和应力之间的线性关系，在有限范围内不再保持时的应力点。当用偏离法求解时，一般认为偏离直线的变形为变形量的0.2%时，称为屈服强度点。（3）生物屈服点：应力-应变曲线中，应力开始减少或应变不再引起应力增加的点。一般生鲜食品都具有生物屈服点。在此点，物质的细胞构造，开始受到破
5、坏。生物屈服点一般都出现在曲线的直线部分以后。,（4）破断点：在应力-应变曲线上，作用力引起物质破碎或断裂的点。作为生物物质破断，它包括壳和表皮的破裂、整体碎裂、表面产生断裂裂缝等。生物屈服点通常属于物质的微观应变，而破断点属于物质的宏观应变。对于脆性物质，破断点往往出现在曲线的初期部分，而强韧（坚韧）性食品物质，破断点的出现往往很晚，也就是在物质出现塑性流动之后很久才出现。据此，食品物质的断裂通常可分为“脆性断裂”和“延性断裂”。,（5）脆性断裂：屈服点与断裂点几乎一致的断裂情况，称为脆性断裂。饼干、琼脂、牛油、巧克力、花生米等属于脆性断裂。（6）延性断裂：指塑性变形之后的断裂。食品中这种断
6、裂也很多，如面包、面条、米饭、水果、蔬菜等。 （7）断裂能：脆性断裂时，应力在断裂前所作的功。,（8）刚度：当变形未超出弹性极限时，刚度为应力-应变曲线的初期斜率，即弹性模量。当应力和应变为非线性关系时，刚度即为表观弹性率，也就是初期切线弹性率、割线弹性率或切线弹性率。（9）弹性：物质恢复原形的能力。（10）塑性：物质产生永久变形的性质。（11）弹性度：物质在去掉外力作用后，弹性变形和总变形量之比。弹性度 = Se /（Sp + Se）（12）强度：物质承受施加外力的能力。,（13）生物屈服强度：达到生物屈服点的应力。（14）坚韧性（强韧性）：使物质达到破断时所需要作的功，它是应力和应变曲线之
7、间包围的面积。用力-变形曲线时一定要对试样的大小、形状和作用力面积进行考虑。相当于脆性断裂时的断裂能。 （15）弹性能：物质以弹性变形的形式保存的能量。它等于曲线的直线部分与横轴所包围的面积，或回弹曲线与横轴所包围的面积。,（16）力学滞后：从载荷的加载到卸载过程中物质吸收的能量，是当产生塑性变形时，应力-应变曲线回路中包围部分的面积。力学滞后表示能量的损耗。是物质在变形过程中转化为热能的损失。（17）应力松弛：试样在瞬时变形后并保持变形时，应力随时间的经过而消失的过程。,2弹性变形弹性本来是反映固体力学性质的物理量。虎克定律：在弹性极限范围内，物体的应变与应力的大小成正比。其中的比例系数，对
8、不同的物质有不同的值，称为弹性模量（或称弹性率）。弹性变形可归纳为 3 种类型： 受正应力作用产生的轴向应变； 受表面压力作用的体积应变； 受剪切应力作用发生的剪切应变。,（1）弹性模量：物体受正应力作用产生轴向的变形称拉伸（或压缩）变形。表示拉伸变形的弹性模量也称杨氏模量。设物体在拉伸变形时所受正应力为（Pa），所产生的应变为，据虎克定律：=E 比例系数E称为杨氏模量，因为研究中弹性模量常指杨氏模量，所以杨氏模量也称弹性模量。由于量纲为1，所以E的量纲与相同为Pa。在室温下，下列食品的杨氏模量分别为：小麦面团105Pa，琼胶、明胶的凝胶105106Pa，硬质干酪1091010Pa，意大利干挂
9、面1011Pa。,（2）剪切模量或刚性率：剪切变形时，剪切应力s（Pa）与剪切应变s（弧度）的关系式也符合虎克定律，如下式表示：s = Gs （2-2-5） 式（2-2-5）中的比例系数G称为剪切模量，亦称刚性率。其量纲与杨氏模量相同，为Pa。剪切模量的倒数称为柔量。牛顿流体的剪切模量为 0，果冻、橡胶、水泥、铜、钢的剪切模量分别为2105、2.9105、0.71010、41010、81010Pa。一般说来固体的剪切模量是杨氏模量的1/21/3。,（3）体积模量（bulk modulus）：体积模量表示物体受表面正应力作用时，产生体积变化的难易程度。表面正应力一般认为是正压力。在正压力v（Pa
10、）作用时，体积应变如果为v，根据虎克定律，下式成立： v = Kv （2-2-6） 式中比例系数K 称为体积模量，其量纲为Pa。 各弹性模量和泊松比相互之间存在着一定关系（略）。（如：E 与G 的关系式中，代入泊松比0.5，可得E = 3G，称为三陪率。）,3能弹性和熵弹性 对于由内能决定的弹性，可以认为在外力作用下弹性变形所作的功全部作为内能贮存时，称这种弹性为能弹性。把与熵有关的弹性称为熵弹性，这一现象在橡胶上表现比较明显，因此也称之为橡胶弹性。 4黏弹性体的特点 黏弹性体除了兼有弹性性质和流动的黏性性质外，还有如下一些特殊的性质。,（1）曳丝性 有许多黏弹性食品，如蛋清、山药糊、糊化淀粉
11、糊等，当筷子插入其中，在提起时，会观察到一部分液体被拉起形成丝状，把这种现象称为曳丝性。具有曳丝性的液体，可认为其分子之间存在着一定的结合，形成了弱的网络结构。 有些黏度高的液体，如食用油、糖液等，虽然用筷子也可提起“液线”，但它不是曳出的丝，而是黏性降下的液流。,对曳丝性的判断方法：将直径为 1 mm 的玻璃棒浸入液体 1 cm，然后再以 5 cm/s 的速度提起，用液体丝在断掉前可拉出的长度表示曳丝性的大小。例如：日本纳豆等发酵豆类食品都具有一定的曳丝性。 曳丝性是黏性与弹性双重性质的表现。因此，在进行曳丝性测定时，丝的长度与棒提起的速度有很大的关系。提起速度过慢，拔出的丝因自身流下而断落
12、不会太长，速度过快丝则会像固体那样被拉断，也不长。在两种曳丝方式之间，存在着一个曳丝长度的最大值，该值的曳丝速度与黏弹性的松弛时间有关。,（2）威森伯格效果（Weissenberg effect） 将黏弹性液体放入圆桶形容器中，垂直于液面插入一玻璃棒，当急速转动玻璃棒或容器时，可观察到液体会缠绕玻璃棒而上，在棒周围形成隆起于液面的冢状液柱，这种现象被称为威森伯格效果。 威森伯格效果只有在具有弹性的液体中才会出现。即使用黏度很大的牛顿流体试验，在旋转时不仅没有威森伯格效果，而且棒周围的液体还会在离心力作用下凹下。,威森伯格效果出现的原因是由于液体具有的弹性。棒在旋转时，缠绕在棒上的液体将周围的液
13、体不断拉向中心，而内部的液体则把拉向中心的液体向上涌，形成了沿棒而上的现象。 利用威森伯格效果可以判断食品液体的结构情况。例如当炼乳放陈后，由于酪蛋白会逐渐形成网络结构，产生弹性，于是会表现出威森伯格效果。,（二）黏弹性的基本力学模型 研究复杂黏弹性体的流变性质，通常需要建立一些相应的力学模型，使复杂的问题得到简化，并使之归纳为可以用数学公式表示的规律，从中弄清楚控制或测定其流变性质的方法。 力学模型既可以是单一的简单模型，也可以是由多个简单模型（或称模型元件）组合而成。,1虎克模型 在研究黏弹性体时，其弹性部分通常用一个代表弹性体的模型表示。虎克模型是完全弹性体的力学表现，即加载荷的瞬间同时
14、发生相应的变形，变形大小与受力的大小成正比。 2阻尼模型 流变学中把物体黏性性质用阻尼模型表示。阻尼模型瞬时加载时，阻尼体即开始运动；当去载时，阻尼体立刻停止运动，并保持其变形，没有弹性恢复。阻尼模型即可表示牛顿流体性质，也可表示非牛顿流体性质，在无特别说明时，一般表示牛顿流体的性质。,3滑块模型 滑块模型不单独用来表示某种流变性质，常与其它流变元件组合，表示有屈服应力存在的塑性流体性质。 4麦克斯韦模型 黏弹性体的流变性质通常以应力松弛的形式表现。所谓应力松弛，是给黏弹性体瞬时加载，使其发生相应变形，在保持这一变形的情况下，黏弹性体内部应力变化的过程。研究发现，黏弹性体的应力松弛现象可由虎克
15、模型与阻尼模型串联而成的模型表示，这一模型是研究黏弹性体的基本模型之一，称为麦克斯韦模型。,5开尔芬沃格特模型 黏弹性体的流变特征之一，是在一定力的作用下发生蠕变现象。研究蠕变特性最简单的模型，是由虎克体和阻尼体并联组成的开尔芬沃格特模型，也称开尔芬模型或蠕变模型。 6多要素模型 虎克模型、阻尼模型和滑块模型，都是组成更复杂流变模型的最基本元件，在流变学中也称它们为要素。麦克斯韦模型、开尔芬模型都是由虎克模型与阻尼模型以不同的连接方式组成，分别含有两个模型元件，称为两要素模型。这两个模型虽然可以代表黏弹性体的某些流变规律，但与实际的黏弹性体还有一定差距。为了更准确地用模型表述实际黏弹性体的力学
16、性质，需要用更多的元件组成所谓的多要素模型。,（三）静黏弹性 用静态测定法所揭示的物体的黏弹性质称为静黏弹性。研究静黏弹性主要有以下一些试验。 1基本流变特性参数测定法 在黏弹性体的流变测定中，常利用流变仪进行静态测定。（1）双重剪切测定：常用来进行蛋糕、人造奶油、冰淇淋、干酪、鱼糜糕等许多食品的黏弹性测定。 （2）拉力试验：常用来测定小麦粉面团的黏弹性质。 （3）套筒流动波开蒂诺黏度计的设计原理。 （4）平行板塑性计可间接测定黏弹性体的黏度。,2应力松弛试验 黏弹性体在受力变形时，存在着恢复变形的弹性应力。由于内部粒子具有流动的性质，当在内部应力作用下，各部分粒子流动到平衡位置，产生永久变形
17、时，内部的应力也随之消失。这一现象称为应力松弛（stress relaxation）。,应力松弛性质常与食品的口感品质有密切关系。例如人在吃米饭、面条等食品时，牙齿张合咀嚼食品，在牙齿咬下到重新张开的短暂静止之间，食品有一个很短的应力松弛过程。这松弛时间的快慢，通过齿龈膜传给神经，给人以某种口感。相关研究发现：口感柔软的米饭，其麦克斯韦模型的应力松弛时间为 68 s；当松弛时间达 1014 s 时，便感到口感较硬。,3蠕变试验 给试样施以恒定应力，测定应变随时间变化的情况。 大米饭团的蠕变曲线分析饭团的弹性、总变形、永久变形（残余变形）与感官品质的相关性。曲线形状判定大米类型（软质米、硬质米）
18、。,（四）动黏弹性 静黏弹性的测定有简便、直观等特点，但对于实际黏弹性体流变性质的研究具有以下不足点： 静黏弹性测定时，通常由于力的大小和方向不变，对于易流动物质，流动会持续进行，很难准确测定； 对于弹性突出、流动性不明显的物质，应力松弛时间与滞后时间通常很长，不仅测定耗时，而且在测定过程中，有些食品物料还可能发生生化和化学变化； 静态测定所要求的阶跃应变、或瞬时加载，实际上都不易操作。当变形较大时，常超出线形变化范围，引起模型与实际的误差较大。,为了弥补静黏弹性测定的局限和不足，动黏弹性测定成为食品流变性质研究的另一重要内容。动黏弹性是给黏弹性体施以振动、或施以周期变动的应力或应变时，该黏弹性体所表现出的黏弹性质。,动黏弹性试验方法略。,
