膠變性流體

粘性是指阻礙流體流動(dòng)的性質(zhì)，該指標(biāo)表現(xiàn)了流體的流動(dòng)性。食用植物油和水均屬于易流動(dòng)液體。如果我們分別把油和水倒在玻璃平板上時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)油的流動(dòng)速度比水慢，換句話說(shuō)，水比油易流動(dòng)，同時(shí)也說(shuō)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(shí)用上所指的粘度，用普通的粘度計(jì)所測(cè)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(shí)（區(qū)別于流動(dòng)）的粘度，而普通的液體無(wú)法測(cè)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(dāng)對(duì)液體施加靜水壓，其體積會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的變化而到達(dá)平衡值的時(shí)候。然而，如在超聲波范圍進(jìn)行更精密的測(cè)定，體積變化速率與液體所受到的壓力之間的關(guān)系會(huì)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(biāo)。

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(yàn)公式往往用來(lái)表示這些流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系：

τ=k(γ)n(1

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(shí)k為粘度。上式中，設(shè)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(apparentviscosity)。表觀粘度ηa是流體內(nèi)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(guān)。換句話說(shuō)ηa是指非牛頓流體在某一流速的粘度。

對(duì)于很多非牛頓流體，Τ只有在大于一定值Τ0時(shí)（也就是說(shuō)，流體在獲得能量克服一個(gè)屈服應(yīng)力值以后），流動(dòng)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(yīng)力(yieldstress)。由于公式中的Τ0和n范圍不同，將非牛頓流動(dòng)分為以下五類 ：

膠變性流體假塑性流動(dòng)

當(dāng)粘度隨著剪切速率或剪切應(yīng)力的增大而減少，對(duì)應(yīng)于公式（1）中的0膠變性流體脹塑性流動(dòng)

粘度隨著剪切速率的增大而增大的流動(dòng)，也稱為剪切增稠流動(dòng)(shear thickening flow)。在公式τ=k(γ)n(1 膠變性流體塑性流動(dòng)

液體只有在應(yīng)力超過(guò)τ0時(shí)才開(kāi)始流動(dòng)。塑性流動(dòng)的流動(dòng)特性曲線不通過(guò)原點(diǎn)。賓漢流動(dòng)(Binghamflow)是指當(dāng)應(yīng)力超過(guò)τ0時(shí)，流動(dòng)特性符合牛頓流體規(guī)律的流動(dòng)。而非賓漢流動(dòng)是指不符合牛頓流動(dòng)規(guī)律流動(dòng)。把具有這兩種流動(dòng)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(dòng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與剪切速率的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力和剪切速率有如下關(guān)系：

σ1/2=σ01/2 ηaε1/2

一部分非賓漢流體液態(tài)食品的流動(dòng)規(guī)律符合卡松公式，如番茄醬、巧克力等。

膠變性流體觸變性流動(dòng)

觸變性是指在振動(dòng)、攪拌、搖動(dòng)時(shí)，液體的流動(dòng)性增加，粘性減少，靜置后，過(guò)段時(shí)間發(fā)現(xiàn)流動(dòng)又變困難的現(xiàn)象。也叫搖溶性流動(dòng)。例如，番茄調(diào)味醬、蛋黃醬等，在容器中放置時(shí)間一長(zhǎng)，傾倒時(shí)，就變得很難流動(dòng)。但只要將容器猛烈搖動(dòng)，或用力攪拌一會(huì)，它們就變得很容易流動(dòng)。再長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)，它們又會(huì)變得流動(dòng)困難。觸變性流動(dòng)的發(fā)生是由于粒子之間形成的結(jié)合構(gòu)造，隨著剪切應(yīng)力的增加而受到破壞，導(dǎo)致的粘性減少。但這些粒子間結(jié)合構(gòu)造在停止應(yīng)力作用時(shí)，恢復(fù)需要一段時(shí)間，逐漸形成。因此，剪切速率減慢時(shí)的曲線在前次增加時(shí)的曲線的下方，形成了與流動(dòng)時(shí)間有關(guān)的滯變回環(huán)。材料的構(gòu)造破壞的越大，體現(xiàn)為滯變回路包圍面積越大。觸變性對(duì)口感的影響體現(xiàn)為爽口柔和的感覺(jué)。

膠變性流體膠變性流動(dòng)

液體隨著流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，與觸變性流動(dòng)相反，變得越來(lái)越粘稠的現(xiàn)象。膠變性流動(dòng)的食品給人以粘稠的口感。當(dāng)流速加大時(shí)，達(dá)到最大值后，再減低流速，減低流速時(shí)的流動(dòng)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?yàn)榱鲃?dòng)促進(jìn)了液體粒子間構(gòu)造的形成。

膠變性流體膠變性流體

膠變性流體是時(shí)間相關(guān)性流體，也可被當(dāng)作觸變型流體，但二者還是有明顯的不同點(diǎn),就是膠變流體靜止時(shí)不會(huì)重建它的結(jié)構(gòu)。由膠變性流體的流動(dòng)特性曲線可見(jiàn),隨著剪切速率的增大(上行線)和減小(下行線)這樣一個(gè)循環(huán)，形成了一個(gè)滯回環(huán)，表明了流體的粘度會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變，并且剪切速率減慢時(shí)的曲線在剪切速率增加時(shí)的曲線的上方，這些現(xiàn)象表明流體是一種膠變性流體 。

膠變性流體膠變性流體的性質(zhì)

1.流體在攪拌過(guò)程中其表觀粘度逐漸變大;

2.在時(shí)間為零時(shí)剪切力最小，隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸延長(zhǎng)而逐增加，并穩(wěn)定在某一定值;

3.剪切速率愈大(即攪拌俞劇烈)，剪切力變化愈大;

4.一旦在某個(gè)時(shí)間停止攪拌，剪切應(yīng)力就又到攪拌開(kāi)始時(shí)的初始值。2100433B

流變學(xué)（Rheology）是研究物體受外力作用而變形或者流動(dòng)的學(xué)科，是力學(xué)的一個(gè)分支。食品流變學(xué)的研究對(duì)象是食品材料的力學(xué)性質(zhì)。食品材料通常指介于固液之間的物質(zhì)，比如淀粉、油脂、蛋白、魚糜等具有復(fù)雜的化學(xué)組成的物質(zhì)。然而，食品流變學(xué)除涉及力學(xué)，還包括高分子學(xué)物性論、膠體化學(xué)等，甚至也包括研究生物化學(xué)反應(yīng)下變形理論的所謂“化學(xué)流變學(xué)”，研究血液、細(xì)胞液和生物學(xué)關(guān)系的“生物流變學(xué)”，研究人的力學(xué)感覺(jué)和變形規(guī)律即心理學(xué)同變形及力學(xué)刺激的“心理流變學(xué)”等。

食品流變學(xué)在于解決食品加工中存在的問(wèn)題。這些食品的流變性質(zhì)與加工過(guò)程中操作的有關(guān)。除此之外，有些食品具有的嗜好性質(zhì)與流變性質(zhì)關(guān)系也很密切。由于食品的復(fù)雜性，在進(jìn)行食品流變學(xué)研究時(shí)，首先需要把食品分類，對(duì)于不同的類型，建立各自的流變學(xué)模型，對(duì)這些模型進(jìn)行分解、組合，解析，總結(jié)出可靠的測(cè)定方法，獲得有效的控制品質(zhì)的思路。

不同粘度的流體，應(yīng)力與應(yīng)變速率存在一定的函數(shù)關(guān)系。牛頓流體是指粘度不會(huì)隨剪切速率的變化而變化，剪切速率(shear rate)與剪切應(yīng)力(shear srtess)成正比的流體。牛頓流體的流動(dòng)狀態(tài)方程式如下：

τ=ηγ

其中，η指為粘度(viscosity)，體現(xiàn)了流動(dòng)的阻力，表示剪切應(yīng)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(yīng)力。對(duì)于牛頓流體而言，剪切速率的變化不會(huì)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(nèi)基本符合牛頓定律的流體在流變學(xué)中被當(dāng)做牛頓流體進(jìn)行處理。如食品中的水、普通蜂蜜、油、酒、液糖、玉米糖漿、過(guò)濾后的果汁等，由于完全的牛頓流體在自然界中不存在，通常都按牛頓流體分析計(jì)算。

為了描述非牛頓流體的觸變性行為，提出各種不同的觸變模型。其中具有代表性的有Huang方程、5參數(shù)黏彈一觸變性流體本構(gòu)方程等。同時(shí)含黏彈環(huán)和正觸變環(huán)的滯后環(huán)的數(shù)學(xué)表征。

對(duì)無(wú)彈性的觸變性流體，存在聚集體和單體之間的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。當(dāng)剪切應(yīng)力作用于該流體時(shí)，聚集體結(jié)構(gòu)逐漸解離為單體；當(dāng)剪切應(yīng)力消除時(shí)，單體將相互作用形成聚集體。由于聚集體結(jié)構(gòu)破壞速率和恢復(fù)速率不一致，才表現(xiàn)出觸變性。

當(dāng)剪切應(yīng)力作用于流體上時(shí)，產(chǎn)生的剪切速率為多。該應(yīng)力分別引起黏性流動(dòng)，彈性變形和聚集體的解離 。2100433B

觸變性揭示的是材料的黏度隨時(shí)間的變化關(guān)系。觸變性流體具有如下典型特征：

①?gòu)撵o止的物料開(kāi)始剪切或從低到高改變物料的剪切速率時(shí)，黏度隨時(shí)間降低；

②剪切停止后或從高到低改變物料的剪切速率時(shí)，黏度隨時(shí)間恢復(fù)；

③保持剪切速率不變直到應(yīng)力達(dá)到恒定值，可得到平衡流變曲線；

④反復(fù)循環(huán)剪切可得到滯后環(huán)；

⑤無(wú)限重復(fù)循環(huán)剪切可得到平衡滯后環(huán)。

以上5種觸變性特征現(xiàn)象從不同的方面反映了觸變體的流變行為。

某些流體的黏度不僅與切變速度大小有關(guān)，而且與系統(tǒng)遭受切變的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，它們是時(shí)間依賴性流體。此種流體又可分為兩類：①觸變性(thixotropy)系統(tǒng)，②震凝性(rheopexy)系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)都是非Newton流體，但切變與時(shí)間有關(guān)。前者維持流體以恒定切變速度流動(dòng)的切力隨時(shí)間而減小，后者在一定切變速度下，切力隨時(shí)間而增加。

絕大多數(shù)時(shí)間依賴性流體是觸變性流體(thixotropic fluid)。觸變性流體內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)間形成結(jié)構(gòu)，流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)破壞，停止流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)恢復(fù)，但結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)都不是立即完成的，需要一定的時(shí)間，因此系統(tǒng)的流動(dòng)性質(zhì)有明顯的時(shí)間依賴性。觸變性可以看成是系統(tǒng)在恒溫下“凝膠一溶膠”之間的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程的表現(xiàn)。更確切地說(shuō)，物體在切力作用下產(chǎn)生變形，若黏度暫時(shí)性降低，則該物體即具有觸變性。

產(chǎn)生觸變性的原因并不十分清楚。如前所述，一種看法是認(rèn)為針狀和片狀質(zhì)點(diǎn)比球形質(zhì)點(diǎn)易于表現(xiàn)出觸變性，它們由于邊或末端之間的相互吸引而形成結(jié)構(gòu)，流動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)被拆散，切力使質(zhì)點(diǎn)定向流動(dòng)。當(dāng)切力停止時(shí)，被拆散的質(zhì)點(diǎn)要靠Brown運(yùn)動(dòng)使顆粒末端或邊相互碰撞才能重新建立結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程需要時(shí)間，因而表現(xiàn)出觸變性。觸變性是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，許多現(xiàn)象尚不清楚，例如，石英粉的水懸浮液本來(lái)沒(méi)有觸變性，但加入一些極細(xì)的Al₂O₃粉末后即出現(xiàn)觸變性，其原因就不明。

在實(shí)際生產(chǎn)中有許多觸變性問(wèn)題，例如油漆和油墨的質(zhì)量常決定于是否有良好的觸變性。在刷油漆時(shí)，人們希望油漆的流動(dòng)性要好，刷時(shí)省力，易于涂勻，且可使油漆光滑明亮。但是當(dāng)刷子一離開(kāi)，就要求油漆黏度很快升高，油漆不致流下來(lái)造成厚薄不勻。又如鉆井泥漿也要求有良好的觸變性，鉆井時(shí)希望泥漿黏度低，這樣泥漿沖刷力強(qiáng)，泵效率高，有利于提高鉆井速度。但是一旦停鉆以后，就希望泥漿黏度迅速升高，不然泥漿所攜帶的礦屑等雜質(zhì)就要沉到井底而形成卡鉆事故。

還有一種負(fù)觸變現(xiàn)象，它與通常的觸變性相反，即在外切力作用下，系統(tǒng)的黏度迅速上升，靜止后又恢復(fù)原狀，它是具有時(shí)間因素的切稠現(xiàn)象。從滯后圈來(lái)看，它是順時(shí)針的，而觸變系統(tǒng)是逆時(shí)針的。最初發(fā)現(xiàn)負(fù)觸變性是在高分子溶液中，最典型的是5%聚異丁烯的苯溶液。

震凝性系統(tǒng)是溶膠在外界有節(jié)奏的震動(dòng)下變成凝膠。這種節(jié)奏性震動(dòng)可以是輕輕敲打、有規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)或攪拌等。例如將1．3%的蒙脫土懸浮體放入1 cm直徑的試管內(nèi)，加一滴飽和NaCI(或KCl)溶液，用橡皮棒有節(jié)奏地輕輕敲打試管，在25℃時(shí)經(jīng)過(guò)15 S就凝結(jié)成凝膠。

震凝性與脹性不同，脹性系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)外切力取消后，系統(tǒng)的黏度立即降低而“稀化”，而震凝性系統(tǒng)則不同，當(dāng)外切力去除后，系統(tǒng)仍保持凝固狀態(tài)，至少有一段時(shí)間呈凝聚狀態(tài)，然后再稀化。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，脹性系統(tǒng)的懸浮體是“高濃度”的，固體含量常高達(dá)40%以上，潤(rùn)濕性能良好。震凝性固體含量低，僅1%～2%左右，而且粒子是不對(duì)稱的，因此形成凝膠完全是粒子定向排列的結(jié)果。