食品流變學

食品流變學是在流變學基礎上發展起來的，它以彈性力學和流體力學為基礎，主要套用線性粘彈性理論，研究食品在小變形範圍內的粘彈性質及其變化規律，測量食品在特定形變情況下具有明確物理意義的流變回響。因此，食品流變學的研究對象是食品及其原料的力學性質。食品流變學與傳統的只注重食品的組成及其變化的化學方法不同，它用數學語言，通過所設定的數學模型對食品進行量化的研究。

基本介紹

• 中文名：食品流變學
• 外文名：Food rheology
• 拼音：shipinliubianxue
• 學科基礎：彈性力學和流體力學
• 領域：食品行業
• 研究對象：食品及其原料的力學性質

食品流變學的起源和發展

最早將流變學引入食品研究的是荷蘭人斯科特·布萊爾(G.N.Scott Blair)，1953年，他編輯出版了《Food-stuffs the Plasticity，Fluidity and Consistency》一書。此後，科學家開始將流變學理論套用於食品研究。該書在闡明食品的流變學性質及其在食品研究中的套用方面做出了貢獻。20世紀60年代初，國外的食品專業雜誌出現了很多食品流變學方面的論文。1973年，穆勒（B.Muller）編輯出版了《Introduction to Food Rheology》一書, 對推動食品流變學的發展和套用起了重要作用。此後，食品流變學在食品工業中得到了廣泛的套用。1984年，普倫提斯( J.Prentice) 出版了《食品流變學測量》一書。該書不但解決了食品流變學性質的測量問題，而且還從微觀結構的角度解決了流變學性質的變化規律，為食品流變學理論套用於生產工藝過程提供了依據。1989年，川端晶子編著的《食品物性學》一書主要從食品的流變性質和質構兩個方面論述了食品的膠體體系特徵, 凝膠狀食品、凝脂狀食品、細胞狀食品、纖維狀食品和多孔狀食品的物理特性。1997年3月，在瑞士蘇黎世舉行了第一屆國際食品流變學和質構特性研討會。來自20個國家的170多名專家就食品加工中質構的形成, 質構、流變學特性和食品質量，流變學方法和質構分析方法以及複雜體系的流變學行為等問題進行了互動交流。

許多文獻已經報導並總結了各種食品獨特的流變學特性， 然而這些數值可能是不準確的。因為食品的流變學特性可能受食品的種類、成熟度、加工方法、成分、溫度、時間、分析方法、實驗技術等因素的影響。因此，早期流變學的研究主要是一些經驗性的測定。近年來，由於食品科學工作者為了提高對食物加工性，特別是食品的深加工性、工藝及設備設計的依據性等的需要，食品流變學的研究與套用變得愈來愈廣泛。隨著研究的深入，研究手段和方法亦有了較大地發展，表現在先進的流變學儀器的引入和開發，仿真狀態下流變學過程數學模型的建立以及二者的結合進行流變學過程的模擬。由於食品物料的流變特性與食品的質地穩定性和加工工藝設計等有重要關係，所以通過對食品流變學特性的研究，可以了解食品的組成、內部結構和分子形態等，為產品配方、加工工藝、設備選型及質量控制等提供方便和依據。

食品流變學的分類

自然界中物質的存在形式可以分為兩大類：一類是在沒有外部因素作用下會保持自身形狀的物質稱為固體；另一類是只有在容器里才能獲得自身形狀的物質稱為流體，包括液體和氣體。食品流變學根據食品的流變特性分為粘性流體和粘彈性流體兩大類。

食品流變學測量方法的研究進展

傳統的食品流變學測量方法

食品流變學的傳統測量方法主要包括塑性流體的屈服應力測量， 食品的靜態粘彈性測量和動態粘彈性測量。塑性流體的屈服應力測量方法：直接測定法、流動曲線法、Casson法、Bowles法。

食品的靜態粘彈性測量方法：應力鬆弛測量和蠕變測量；

食品的動態粘彈性測量方法：縱向振動法和剪下振動法。

新型的食品流變學測量方法

近年來，隨著食品流變學，生物學，計算機技術等的迅猛發展， 出現了許多新的食品流變學測量方法，有力地推動了食品流變學的快速發展。1997年，W-M.Kulicher介紹了不同測量原理的結合對於深入理解生物聚合物溶液和凝膠結構的優點。他將已經建立的流變-力學方法和一種新的流變測量方法結合起來去研究流體的二色性。

顯微法是研究食品微觀結構的一個最重要工具之一。A-M.Hermansson成功地運用光、掃描電鏡和透射電鏡技術研究了蛋白質和多糖凝膠的微觀結構。

計算機模擬和仿真能夠有助於更好地理解食品的質構和流變學特性及其相互關係，同時也可預測加工過程中的流變學行為。P.A.Tanguy研究認為採用計算機三維模擬可以更好地闡明混合過程的流變學行為。P.Walstra和T.vanVliet證實分形方法為描述聚合體的力學特性提供了有用的手段。

此外，超音波技術，階躍變化剪下速率法，分形法和影像雲紋法也已套用於食品流變學特性的測量。

流變學研究與食品工業的關係

食品的流變特徵與質量

食品的表現狀態、風味、質構、營養通常被稱為食品的四大質量因素。食品在加工貯藏過程中常涉及質構的改變，因質構的改變會引起材料流變特性的變化。

麵包、糕點類食品的質構在很大程度上是構成氣孔壁材料的流變學性質的函式。麵包的氣孔大小、分布均勻度與麵包的鬆軟度及可口性都有關係。流變參數已經用於研究麵團的 調製、焙烤過程最佳工藝條件及產品的質量控制。從食品流變學角度來說，粘度與質構有同等含義，只是粘度常與液態食品有關，質構則常與固態食品有關。

粘稠性不僅是液態食品感官評定的指標，而且影響到食品風味等的接受性。Wood曾研 究液態食品粘稠度與感官品嘗時對味道（味度）的反映，並找出其流變學關係，指出當假塑性，係數n =0.5時，乳類甜食、湯料、醬 類、漿狀食品的口感最好。這類食品在口中保持穩定流動，當有剪下作用（舌動等）時有較低的粘度，若停止剪下，又恢復原來粘度，容易吞咽。韋氏等則研究人們對甜味的接受性，指出隨著溶液中加入水溶膠體後粘度增加而減少，且不同的水溶膠有不同的影響。

流變學實驗與新產品開發

通過流變學實驗（基礎實驗、模擬實驗）可以預測產品的質量及產品在市場上的接受性，指導新產品的開發。由於流變學研究深入食品質構以及構成食品的各種組分和組分特性及 加工條件，因此，只要積累足夠的食品成分在各種條件下的流變特性及規律，消費者的要求，人們就可在新產品的試製中利用這些研究成果，進行自我評定、修改試驗條件，從而縮短新產品從實驗室研究與實際生產的時間和層次。如人造奶有油的開發可參考奶油的流變特性，許多仿製工程食品都可在加工中利用天然類似食品的流變規律，就像植物蛋白製品的開發可參照製品的流變規律一樣。

流變學與工程設計

食品加工及處理過程涉及的液體多為非牛頓液體，其表觀粘度可隨時間、剪下應 力、剪下速等而改變，因此了解掌握各種食品的流變特性，便於在流體的輸送，管路設計以及攪拌、乳化、均質、霧化、濃縮、滅菌等單元操作的機械設計中充分物料在力作用下的表觀粘度變化，有目的、有針對性地設計設備所需的功率及設備的結構。如有些材料具有剪下變稀現象，故其輸送啟動功率要大。而另一些具有剪下變稠趨勢的材料，則要防止輸送過程阻力增加而引起的流速變化，還要防止因剪下應力下降（如管徑縮小）引起堵塞等問題。