食品流变学的介绍以及应用
                                                                        食品流变学的介绍以及应用
美国化学家宾汉于1928年首次提出了流变学的概念，在食品物性学中，食品流变学的研究是发展最早的食品力学方面的研究、同时也是最为重要的研究。其研究对象位食品，食品流变学特性与食品的化学分子、分子构造、分子内结合、分子间结合的状态、分散状态、以及组织结构有着极大的关系。
流变学(rheology)是有关物质的形变和流动的科学。食品流变学是流变学的一个分支，是研究食品物质流动和变形发生、发展规律的科学。近年来，流变学研究范围涉及到胶体体系和高分子的粘弹性、异常粘弹性、塑性流变等。食品含有大量的胶状蛋白质、碳水化合物等高分子物质，与食欲有关的硬软度、口味、滋味等，均与流变学研究范围所包括的各种物性有密切关系[1]。不久的将来，随着食品流变学研究的深入，将对食品味道等心理感觉有可能逐渐以某种物理量来表示。流变学可以把各种食品原料加工过程中的那些微妙的物性变化加以科学的研究，而这些变化过去用化学方法是无法进行研究的。食品流变学通过采用湍流(turbulence)、混沌(chaos)、数理统计(statistical theory)、最优化技术等概念和技术方法，使古老的食品科学鼎立于实验、理论和计算三根支柱之上。例如，在炼乳生产中，表现粘度的控制是生产过程至关重
要的环节。同样，人造黄油的扩展度，糖果的硬度，肉的韧度等也都是产品质量的重要指标之一，因此，为了进一步提高产品质量，必须深入地了解和掌握食品物质的流动和变形特性，研究在各种条件下这些特性变化的规律及对产品质量和加工过程的影响。正是在这个基础之上，食品流变学得以兴起和不断地发展。它是食品工业向高质量、大型化、自动化发展的必然结果，引起了越来越多的食品工程技术人员的重视。研究不断深入，应用日趋广泛。
食品物质种类繁多，多数物质由于组成的特殊性，一般都具有极其复杂的流变特性，从物理特性来看，几乎包括了所有不同流变特性的物质。因此，在研究这些食品物质的流变特性时，仅仅依靠流变学的一般理论是远远不够的，必须从食品特性入手，研究其流变特性，建立起一套适合食品物质流变特性分析、研究的理论和方法。
宏观食品流变学是把食品物质看作连续介质体进行研究的理论和方法。它在实验的基础上，按食品物质的流变特性进行分类；建立流变模型；推导出数学丧达式，即本构方程，从而可以通过对部分食品物质的实验，掌握同类物质的流变特性。预测在生产这些物质的变化。
微观食品流变学是从微观的角度对食品物质流变特性进行研究的一种理论。是与宏观食品流变学互补的方法。
微观食品流学对食品物质的研究已超出了连续介质力学的概念。因为连续介质力学由点的性质确定介质性质的这一基本假设对于大量的存在微观结构的非均质食品物质来说显然是不够准确的，这些食品物质的流变特性与其微观结构是密切相关的，微观食品流变学正是通过食品物质组成结构的分析来研究其流变流性的。这种方法对于认识食品物质复杂的流变流性是很有帮助的。
微观食品流变学的研究主要包括两个方面，一是从实验的测定值和特性曲线得出物质结构的基本图形，分析结构特性，这称之为结构分析。例如，在对食品物质的弹性测定时，如果测得的弹性模量表明食品物质属于高弹性物质(一般弹性模量在105N/m2以上)，根据弹性理论的分析可以断定，该食品具有长链结构，长链在物质中形成网络而且个别交叉点具有坚固的交叉联接。二是对多组分物质从组成成分的已知流变特性来推论混合物的流变特性，这称之为结构理论。这是对食品生产最有意义的一个方面，这种方法通常是大量的物质成分分析的基础上将每个组分物质简化成一已知的力学模型并根据各组分之间的相互作用与影响选择适当的组合形式，然后研究在外力作用下此模型组合的流变特性，推导出数学方程，从而为食品物质在加工过程中流变特性变化的分析提供理论依据，以达到在生产中控制流变特性、保证质量的目的。
2.2食品物质流变特性的测量，即实验食品流变学。是以实验测量为主的一种研究方法，是宏观食品流变学和微观食品流变学研究的基础。
在宏观和微观食品流变学中，通过食品物质特性的分析、借助一些模型提出有关方程，这些无疑对认识食品物质的流变特性有很大的帮助。但是，所有的方程都包含了物质的流变特性参数，只有通过实验测量才能出方程的一般形式并进行有关的计算。因此，流变实验测量对于流变学的研究是必不可少的。
流变特性测量的目的可归纳为：①通过测试和观察建立食品物质流变特性与被测物质的成分和结构的关系；②建立流变特性和实际工程应用特性的关系；③寻物料函数之间的关系，即发展和校验实验模型和数学方程，从而为更复杂的流变现象的分析奠定基础。
实验食品流变学主要包括测量理论和测量技术两部分。测量理论主要讨论流变学过程模拟的理论和方法，研究如何从测量值中得出物料函数和推导本构方程。测量技术是研究各种流变特性的物质的测量方法和测试仪器、实验误差的分析及消除，使测量能准确地反映食品物质的流变特性。
流变测量的方法是多种多样的，但就其基本原理来说大致是相同的，一般都是通过被测物质与测量仪器之间的相互作用的结果得出所需的参数。实际测量中大都选择简单的运动方式来进行测定。
根据食品物质的性质、测试条件和测量目的，食品流变测量可分为如下几种:
①按物质的性质，可分析粘性测量、粘弹性测量和固体物质的测量；
②按测量运动方式可分为:剪切流动测量和拉伸(或压缩)运动测量；
③按物质试样运动随时间变化的情况可以为分，对形变速率不随时间改变的稳态测量和应力，应变速率随时间发生阶跃变化的瞬态测量；
④按应用目的可分为:精确测量和工业控制检测测量。精确测量主要用于理论分析，工业控制检测测量是为了得到反映工艺特点的流变特征量，通常不能得准确的物料函数，对物料函数只是一种相对值，一般又可分为离线测量和在线监控测量两种。
食品流变学是一门边缘学科，它涉及到食品工艺学、流体力学、弹性力学和塑性力学以及胶
体化学等多方面的知识；是力学、化学、食品工程交界处的一个新生分支学科。随着食品工业的不断发展，必将得到进一步的充实和完善，具有无限创新的前景。
3. 食品流变学在食品工业中的应用
食品流变学在食品工业中的应用可概括为两个方面:一是用于食品加工工艺方面，这上要是根据各种食品物质的不同流变特性，改进加工工艺，或者通过改变食品物质的温度、浓度及加工过程中的剪切速率和受剪切的时间、添加各种表面活性剂等各种方法，改进食品物质的流变特性，使其具有更好的加工性能，提高产品质量。二是用于食品生产过程的控制。这是在生产过程中，用一些准确的流变参数做为工艺过程的控制指标和判断依据，在一定程度上代替人工的摸、尝、嗅等经验判断，以便采用自动化装置，使调节和控制更为准确、迅速，使产品质量保持稳定。食品物质的组成往往是十分复杂的，大多数食品物质都属于非均相系统，有时还要在原料中加入各种添加剂和其它辅助成分，这些都使得食品物质的特变特性更加复杂。在应用食品流变学的基本理论分析和解决实际问题时，不能简单地套用实验模型，同时要从具体物质的特性出发，突出主要矛盾，使模型与方程较为准确地反映物质的流变特性。
在实际应用测侧巾，应庄意测量仪器的应用范围，使仪器的测量条件与实际条件达到流变学相似，减少误差，提高精度。
及的结构
下面举例说明食品流变学在食品生产中的应用。
3.1 液态食品的管道输送
在食品加工中，液态食品的管道输送是十分常见和非常重要的。被输送的液态食品范围很广，有牛奶、果汁等牛顿流体，也有巧克力浆、果酱等非牛顿液体，这些流体的流变特性是千差万别的，就是同一种物质在不同的输送条件下也会呈现不同的流变特性。因此，在设计输送系统，选择输送装置时，必须掌握被输送物质的流变特性参数，根据流变特性进行有关计算。
在进行输送计算时，首先要根据实验测得的数据判断所要计算的食品物质的流变特性，确定是哪一类型的流体，然后将实验数据做适当的处理，得到描述该种类型流体方程所需的流变参数，例如，对幂律流体要确定流态特征系统n和稠度系数k，对塑性流体要确定屈服应力Ty等。
在完成上述步骤后，要根据流动条件确定流动状态，即流动是处于层流状态还是湍流状态，然后依据流动状态选择不同的计算公式。
对于最为常见的幂律流体，在层流状态下的管道阻力计算可用下式:
d△p/△L=K(3n+1/4n)n(8v/d)n
式中:K—稠度系数
n—幂律指数，无因次
d—管道直径，m
v—平均流速，m/s
△p—压力差，N/m2
值得指出的是，目前有关非牛顿食品物质输送计算的研究大多是关于层流状态流动的。关于湍流状态流动的研究还较少，幸好在食品生产中层流情况比湍流要多[4.5]。
3.2 热交换
食品物质的传热特性与其流变特性是密切相关的。一般情况下，高粘度流体相互之间混合困难、热交换系统须采用强制对流方式，在搅拌器的作用下，使食品达到一定的加热速率，以减少营养损失、保证质量。
由于食品物质的流变特性随温度发生变化，随着传热的进行、温度的改变，食品流变特性将发生一定的变化，而流变特性的变化又将影响传热的进行。因此，研究在不同温度下食品物质的流变特性的变化规律，对加工传热过程的操作是十分有益的。例如，果酱加工中常用的夹层加热锅的热传递与搅拌器工作方式及果酱的流变特性存在着一定的关系。研究表明，由于苹果酱的触变性使得其总热传递系比其它果酱高。
3.3 炼乳生产中的检测与控制
在炼乳的加工过程中，炼乳的表观粘度具有极其重要的意义。表观粘度过高，会导致产品变稠，表现粘度过低，又可能出现脂肪分离和糖沉淀的现象。所以，准确地检测和控制生产过程中炼乳的表现粘度，对于提高质量是非常重要的。生产实际测量，可采用取样测量或现场
在线测量。所需注意的是，炼乳在加工过程中会呈现出复杂多变的流变特性，测量时必须明确温度、PH值、剪切速率等条件。除此之外，炼乳组成成分对其表观粘度的影响亦是十分明显的，例如，脂肪含量和胶体状磷酸盐及其它盐类的含量等都对表观粘度产生很大的影响。同理，这也说明在一定的条件下，通过对表观粘度的测定，可以估计出炼乳中组成特性和变化情况，从而为质量分析提供必要的依据。
生产过程的控制，主要是依据炼乳在不同条件流变特性的变化规律，一方面通过改变操作条件来控制其表观粘度的变化；另一方面通过表观粘度的测量及时，准确地控制生产过程的操作，使生产处于最佳状态，例如，在真空浓缩过程中，蒸汽压力应逐步减小，这样可防止表观粘度过高，有效地控制成品的初始表观粘度，防止变稠现象的发生；同时、通过浓缩过程表观粘度的检测也可及时调节蒸汽压力的变化。

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