胶变性流体

粘性是指阻碍流体流动的性质，该指标表现了流体的流动性。食用植物油和水均属于易流动液体。如果我们分别把油和水倒在玻璃平板上时，可以发现油的流动速度比水慢，换句话说，水比油易流动，同时也说明水的粘性比油大。粘性的大小以粘度（或粘性系数、粘性率）表示。粘度分为以下三种，各种粘度间的变形方式是不同的 ：

1、剪切粘度（coefficient of shear viscosity）是一般实用上所指的粘度，用普通的粘度计所测定得到的流体粘度往往是指剪切粘度。

2、延伸粘度（coefficient of tensile viscosity）只表示粘弹性体延伸时（区别于流动）的粘度，而普通的液体无法测定其延伸粘度。

3、体积粘度（coefficient of volume viscosity）体积粘度不发生在当对液体施加静水压，其体积会产生瞬时的变化而到达平衡值的时候。然而，如在超声波范围进行更精密的测定，体积变化速率与液体所受到的压力之间的关系会符合粘性定律。体积粘度即为把这种情况下表示粘性的指标。

在自然界中的食品，不符合牛顿流体定律的流体占大多数。大量的食品，包括浓果汁、果酱、全鸡蛋、菜泥、浓牛奶以及巧克力浆等固液悬浮体都是非牛顿流体，下面的经验公式往往用来表示这些流体的剪切应力与剪切速率之间的关系：

τ=k(γ)n(1

n为流态特性指数，k为稠度系数。若为牛顿流体公式，则n=1，此时k为粘度。上式中，设ηa=k（γ）n-1，则与牛顿流体相似的非牛顿流体的状态方程可写为：

τ=ηaγ（2）

此式可以得到：η与ηa表示同样物理特性，有相同的量纲，即ηa为表观粘度(apparentviscosity)。表观粘度ηa是流体内部阻力的总和。然而与η不同的是，ηa是γ的函数，与k和n有关。换句话说ηa是指非牛顿流体在某一流速的粘度。

对于很多非牛顿流体，Τ只有在大于一定值Τ0时（也就是说，流体在获得能量克服一个屈服应力值以后），流动才能发生。Bulkey与Hershel提出的表示公式如下：

Τ=Τ0 k(γ)n（3）

Τ0表示屈服应力(yieldstress)。由于公式中的Τ0和n范围不同，将非牛顿流动分为以下五类 ：

胶变性流体假塑性流动

当粘度随着剪切速率或剪切应力的增大而减少，对应于公式（1）中的0胶变性流体胀塑性流动

粘度随着剪切速率的增大而增大的流动，也称为剪切增稠流动(shear thickening flow)。在公式τ=k(γ)n(1 胶变性流体塑性流动

液体只有在应力超过τ0时才开始流动。塑性流动的流动特性曲线不通过原点。宾汉流动(Binghamflow)是指当应力超过τ0时，流动特性符合牛顿流体规律的流动。而非宾汉流动是指不符合牛顿流动规律流动。把具有这两种流动特性的液体分别称为宾汉流体或非宾汉流体。食品中的浓缩肉汁就是一种典型的宾汉流体。卡松在研究了油漆流动的网架结构与剪切速率的关系后发现剪切应力和剪切速率有如下关系：

σ1/2=σ01/2 ηaε1/2

一部分非宾汉流体液态食品的流动规律符合卡松公式，如番茄酱、巧克力等。

胶变性流体触变性流动

触变性是指在振动、搅拌、摇动时，液体的流动性增加，粘性减少，静置后，过段时间发现流动又变困难的现象。也叫摇溶性流动。例如，番茄调味酱、蛋黄酱等，在容器中放置时间一长，倾倒时，就变得很难流动。但只要将容器猛烈摇动，或用力搅拌一会，它们就变得很容易流动。再长时间放置时，它们又会变得流动困难。触变性流动的发生是由于粒子之间形成的结合构造，随着剪切应力的增加而受到破坏，导致的粘性减少。但这些粒子间结合构造在停止应力作用时，恢复需要一段时间，逐渐形成。因此，剪切速率减慢时的曲线在前次增加时的曲线的下方，形成了与流动时间有关的滞变回环。材料的构造破坏的越大，体现为滞变回路包围面积越大。触变性对口感的影响体现为爽口柔和的感觉。

胶变性流体胶变性流动

液体随着流动时间延长，与触变性流动相反，变得越来越粘稠的现象。胶变性流动的食品给人以粘稠的口感。当流速加大时，达到最大值后，再减低流速，减低流速时的流动曲线反而在加大流速曲线的上方。这种现象也被称为逆触变现象。这是因为流动促进了液体粒子间构造的形成。

胶变性流体胶变性流体

胶变性流体是时间相关性流体，也可被当作触变型流体，但二者还是有明显的不同点,就是胶变流体静止时不会重建它的结构。由胶变性流体的流动特性曲线可见,随着剪切速率的增大(上行线)和减小(下行线)这样一个循环，形成了一个滞回环，表明了流体的粘度会随着时间的变化而发生改变，并且剪切速率减慢时的曲线在剪切速率增加时的曲线的上方，这些现象表明流体是一种胶变性流体 。

胶变性流体胶变性流体的性质

1.流体在搅拌过程中其表观粘度逐渐变大;

2.在时间为零时剪切力最小，随时间延长而逐渐延长而逐增加，并稳定在某一定值;

3.剪切速率愈大(即搅拌俞剧烈)，剪切力变化愈大;

4.一旦在某个时间停止搅拌，剪切应力就又到搅拌开始时的初始值。2100433B

流变学（Rheology）是研究物体受外力作用而变形或者流动的学科，是力学的一个分支。食品流变学的研究对象是食品材料的力学性质。食品材料通常指介于固液之间的物质，比如淀粉、油脂、蛋白、鱼糜等具有复杂的化学组成的物质。然而，食品流变学除涉及力学，还包括高分子学物性论、胶体化学等，甚至也包括研究生物化学反应下变形理论的所谓“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。

食品流变学在于解决食品加工中存在的问题。这些食品的流变性质与加工过程中操作的有关。除此之外，有些食品具有的嗜好性质与流变性质关系也很密切。由于食品的复杂性，在进行食品流变学研究时，首先需要把食品分类，对于不同的类型，建立各自的流变学模型，对这些模型进行分解、组合，解析，总结出可靠的测定方法，获得有效的控制品质的思路。

不同粘度的流体，应力与应变速率存在一定的函数关系。牛顿流体是指粘度不会随剪切速率的变化而变化，剪切速率(shear rate)与剪切应力(shear srtess)成正比的流体。牛顿流体的流动状态方程式如下：

τ=ηγ

其中，η指为粘度(viscosity)，体现了流动的阻力，表示剪切应力与剪切速率之间的比例系数，γ表示剪切速率，τ表示剪切应力。对于牛顿流体而言，剪切速率的变化不会影响其粘度。理想的牛顿流体各向同性，且不能压缩，不具有弹性。一定范围内基本符合牛顿定律的流体在流变学中被当做牛顿流体进行处理。如食品中的水、普通蜂蜜、油、酒、液糖、玉米糖浆、过滤后的果汁等，由于完全的牛顿流体在自然界中不存在，通常都按牛顿流体分析计算。

为了描述非牛顿流体的触变性行为，提出各种不同的触变模型。其中具有代表性的有Huang方程、5参数黏弹一触变性流体本构方程等。同时含黏弹环和正触变环的滞后环的数学表征。

对无弹性的触变性流体，存在聚集体和单体之间的相互转化过程。当剪切应力作用于该流体时，聚集体结构逐渐解离为单体；当剪切应力消除时，单体将相互作用形成聚集体。由于聚集体结构破坏速率和恢复速率不一致，才表现出触变性。

当剪切应力作用于流体上时，产生的剪切速率为多。该应力分别引起黏性流动，弹性变形和聚集体的解离 。2100433B

触变性揭示的是材料的黏度随时间的变化关系。触变性流体具有如下典型特征：

①从静止的物料开始剪切或从低到高改变物料的剪切速率时，黏度随时间降低；

②剪切停止后或从高到低改变物料的剪切速率时，黏度随时间恢复；

③保持剪切速率不变直到应力达到恒定值，可得到平衡流变曲线；

④反复循环剪切可得到滞后环；

⑤无限重复循环剪切可得到平衡滞后环。

以上5种触变性特征现象从不同的方面反映了触变体的流变行为。

某些流体的黏度不仅与切变速度大小有关，而且与系统遭受切变的时间长短有关，它们是时间依赖性流体。此种流体又可分为两类：①触变性(thixotropy)系统，②震凝性(rheopexy)系统。这两种系统都是非Newton流体，但切变与时间有关。前者维持流体以恒定切变速度流动的切力随时间而减小，后者在一定切变速度下，切力随时间而增加。

绝大多数时间依赖性流体是触变性流体(thixotropic fluid)。触变性流体内的质点间形成结构，流动时结构破坏，停止流动时结构恢复，但结构破坏与恢复都不是立即完成的，需要一定的时间，因此系统的流动性质有明显的时间依赖性。触变性可以看成是系统在恒温下“凝胶一溶胶”之间的相互转换过程的表现。更确切地说，物体在切力作用下产生变形，若黏度暂时性降低，则该物体即具有触变性。

产生触变性的原因并不十分清楚。如前所述，一种看法是认为针状和片状质点比球形质点易于表现出触变性，它们由于边或末端之间的相互吸引而形成结构，流动时结构被拆散，切力使质点定向流动。当切力停止时，被拆散的质点要靠Brown运动使颗粒末端或边相互碰撞才能重新建立结构，这个过程需要时间，因而表现出触变性。触变性是一个较为复杂的问题，许多现象尚不清楚，例如，石英粉的水悬浮液本来没有触变性，但加入一些极细的Al₂O₃粉末后即出现触变性，其原因就不明。

在实际生产中有许多触变性问题，例如油漆和油墨的质量常决定于是否有良好的触变性。在刷油漆时，人们希望油漆的流动性要好，刷时省力，易于涂匀，且可使油漆光滑明亮。但是当刷子一离开，就要求油漆黏度很快升高，油漆不致流下来造成厚薄不匀。又如钻井泥浆也要求有良好的触变性，钻井时希望泥浆黏度低，这样泥浆冲刷力强，泵效率高，有利于提高钻井速度。但是一旦停钻以后，就希望泥浆黏度迅速升高，不然泥浆所携带的矿屑等杂质就要沉到井底而形成卡钻事故。

还有一种负触变现象，它与通常的触变性相反，即在外切力作用下，系统的黏度迅速上升，静止后又恢复原状，它是具有时间因素的切稠现象。从滞后圈来看，它是顺时针的，而触变系统是逆时针的。最初发现负触变性是在高分子溶液中，最典型的是5%聚异丁烯的苯溶液。

震凝性系统是溶胶在外界有节奏的震动下变成凝胶。这种节奏性震动可以是轻轻敲打、有规则的圆周运动或搅拌等。例如将1．3%的蒙脱土悬浮体放入1 cm直径的试管内，加一滴饱和NaCI(或KCl)溶液，用橡皮棒有节奏地轻轻敲打试管，在25℃时经过15 S就凝结成凝胶。

震凝性与胀性不同，胀性系统的特点是当外切力取消后，系统的黏度立即降低而“稀化”，而震凝性系统则不同，当外切力去除后，系统仍保持凝固状态，至少有一段时间呈凝聚状态，然后再稀化。从微观结构来看，胀性系统的悬浮体是“高浓度”的，固体含量常高达40%以上，润湿性能良好。震凝性固体含量低，仅1%～2%左右，而且粒子是不对称的，因此形成凝胶完全是粒子定向排列的结果。