食品流变学测试——流变仪是如何工作的,它可以告诉你什么

本文旨在解释流变学是什么,如何流变特性测量和如何应用到你的食物。

流变学是物理学的一个分支,特别是流体力学。它描述了变形和流动的事:固体和流体(液体和气体)的影响下压力。从本质上讲,流变特性之间的关系量化变形,施加压力,粘度,流的行为,弹性和复苏一种物质。¹在食品加工中,流变学基本流属性确定在加工或准备食物的行为。此外,流变学影响风味和营养释放在咀嚼和消化食物。流变分析模拟时所发生的材料处理。²

流变仪是一种乐器,衡量物质流响应应用部队和量化其流变特性。一个外延的流变仪适用于张性应力或应变,而旋转流变仪控制和应用剪切应力或应变。³

流变学研究应力之间的关系(力)和变形(应变)的材料。教授尤金·c·宾厄姆在1920年创造了这个词来自希腊ῥέω(rheō)“流”,-λoγία(箴言集)“研究”。流变学的回答这个问题,“材料回复力如何?”。^4,5

从根本上讲,流变仪应用或措施转矩,角位移或角速度。然而,用户更感兴趣的是流变参数,计算如下:

• 压力的转矩
• 应变的角位移
• 剪切速率的角速度

流变实验通过执行应用小应力样品和测量应变开发或采用一个固定数量的应变和测量发展的压力。小变形测量揭示物质的结构尺度小到纳米和微米级别。与此同时,大应变和应力可以提供时间信息和非线性粘弹性行为,相关食品加工和进食。⁶

用流变仪可以进行测试转动(剪切)或振荡模式,相反粘度计,它只测量一个流条件下。在旋转测量,测量几何旋转不断向一个方向,它提供了关于样品的粘度的信息。当执行一个振荡测试,测量几何来回移动和措施的粘弹性物质(图1)。⁷

图1: 旋转 测量(左)与振荡测量使用流变仪(右)。

如前所述,流变学是关于流动(液体)的特点和变形(固体)的特征。然而,现实是一个更复杂的和一些物质可以表现出这些行为的组合(图2)。总的来说,可以分为液体牛顿(他们的粘度是独立于剪切速率)和非牛顿。这些可以进一步分为长期有效的;他们的粘度取决于在剪切速率(剪切稀化或增厚)按时间的如果变形历史中也扮演了重要的角色(触变性流体)。第三组包括粘弹性流体,这表现出固体和液体的组合的行为。⁴

图2: 液体的一般分类根据其流变特性。

特定类型的行为表现出由给定材料可以被应用正弦变形(应变)和观察相位角的价值。相位角(δ)(图3,绿色)是应用程序之间的时间差(差异)应变的示例(图3中蓝色实线)和获得测量结果(压力、橙实线在图3),δ= 0°的价值表示理想弹性固体,和δ= 90°的值表示一个理想的粘性液体。粘弹性物质值在0°、90°之间(图4)。^4,8

图3: 正弦应力和应变之间的关系对于理想固体——纯粹的弹性材料(左);粘弹性材料(中心)和理想液体-纯粘性材料(右)。

除了建立物质的一般行为,对其流变特性可以收集更多的信息。复杂的模量G *一定程度的变形阻力,可以估计执行振幅扫的应力或应变模式操作(图4,图左边)。样品的变形增加步进式从一个测量指向下一个同时保持频率在一个常数值。一个材料的刚性,复杂的价值区域内线性粘弹性模量(lv),决定了它的柔软/刚度,而它的屈服应力(lv的限制)决定了它的优点和缺点(图4,图右侧)。

图4: 两种不同材料的复杂的模量和lv(左)和说明如何解释材料结构(右)。

一个频率扫描进一步了解液体的结构。这个测试进行了一系列以恒定的振幅振荡频率与应变或应力值在lv。频率扫描允许识别粘弹性固体、液体或凝胶(图5)和观察的变化复杂的模量的两个组件——粘性模量(G)和弹性模量(G)。低频说明材料的行为在一个长时间尺度,和高频率代表在短时间范围内的响应。⁹

图5: 说明不同材料的响应频率扫描测试。橙色,储能模量代表了弹性元件的粘弹性行为;损耗模量,蓝色,代表了粘性粘弹性行为的组件;相角,绿色,代表了物质的行为。

纯粘性的液体,流测量粘度/剪切分析表现为剪切速率扫描或压力清洁工。在第一个模式,强制流动模拟,如泵、混合、填充和蔓延。相比之下,第二种模式有助于畅通的条件下获得数据和措施zero-shear粘度和屈服应力。毛细管作用、滴、沉降、乳化低迷和衰退都是自由流动的例子。图6展示了各种流体流动行为的典型流动曲线展览。任何外加应力会引起流时,曲线会在原点。液体有屈服应力时,曲线截距应力轴在一个非零值,也就是说,只有适量的压力会导致流。^10,11

图6: 流动曲线的各种类型的流动行为。

材料的流变特性测量样本,test-appropriate几何。测量几何图形可以分为两组:绝对或相对。第一组的几何形状允许流变参数的计算绝对单位独立于几何。同心圆筒,plate-plate椎和双同心圆筒的差距是绝对测量几何图形的例子(图7)。¹²这些值可以不管相比,例如,蜂蜜的粘度plate-plate或双汽缸系统进行了分析。

在第二组,相对特定的几何测量几何图形传递值;因此,结果只能是如果使用相同的几何。包括叶片转子、主轴、搅拌器和几何图形与喷砂、异形或锯齿状的表面。粘度计不同,通常只有相对测量转子转动和振动测试与流变仪可以执行以上提到的任何几何图形。重要的是要记住,相对测量几何图形通常导致不均匀流体流动。因此,粘度值无法计算和测试结果相对测量几何图形需要表示为相对测量。¹

一定的样本,但是,不能以绝对的几何图形;这是通常情况下样品,单独或在一个平滑的表面滑(所谓的墙滑)。在这种情况下,建议相对测量的几何图形,以避免不准确的结果。¹³纺锤波和叶片分析馅饼时使用的材料不均匀或含有大颗粒流动。食品等酸奶和很多乳制品通常有一个刚性三维凝胶结构,使用双汽缸时可能被摧毁或plate-plate系统。对于这些示例,它通常是更好的选择一个叶片可以沉浸到shear-sensitive样品没有明显改变其结构,此外,墙滑动可以被消除。⁴

图7演示了最常见的几何图形用于食品科学等领域。几何选择正确的结果是至关重要的,很大程度上取决于样本和流变仪类型。一般来说,同心圆筒用于低收入和中等粘度液体,椎-高粘度液体,plate-plate软固体和凝胶状叶片转子和sediment-prone产品样品。¹⁴

图7:常用的流变测试测量几何图形,淡橙色的代表样本的位置。

粘度计和流变仪是用来测量粘度。通常情况下,粘度计是用于分析项目、过程或产品要求简单的流量测量。同时,牛顿和非牛顿流变仪既可以用来描述材料的流动、变形甚至粘着性。粘度计可以便携式现场或远程测试,但流变仪更多功能和更广泛的参数测量。表1总结了这两个工具之间的差异。^15,16

表1:粘度计和流变仪之间的区别。^15,16

测量类型	粘度计	流变仪
粘度测定法	流动的曲线 单剪 应力松弛	流动的曲线 屈服应力 触变性 单剪 应力松弛 蠕变
振荡	不适用	振幅扫 频率扫描 单一频率
样本类型	液体	聚合物融化,聚合物解决方案,乳剂,停赛,凝胶,液体软固体
功能	这只适用于测量液体的粘度可以表达的一个值	能够测量牛顿液体和材料不能被定义为一个粘度值。能够作为粘度计
范围	有限的剪切速率	广泛的剪切速率、剪切应力和振动
需求	能够测量粘度液体只有遵循牛顿粘性定律	可以执行在不同条件下测量吗
应用程序	主要用于监测工业环境的质量和生产一致性	用于执行全面的流变评估的样本,研究和开发和质量控制

流变仪是一个很好的工具研究、产品开发和质量控制测试,因为它的多功能性和性能。粘度计与流变仪是相辅相成的。通常情况下,粘度计是用于质量控制测试而流变仪是用于产品开发。

旋转流变仪

旋转流变仪是封闭的两个表面之间的样本测量几何,其中一个是随后旋转。流变仪可分为rate-controlled或stress-controlled取决于如何调节旋转。然而,现代仪器可以在这两种工作模式。在rate-controlled模式下,控制的速度旋转,扭矩是记录。对于stress-controlled模式,指定的扭矩,以及随后旋转速度记录。^17,18

毛细管流变仪

毛细管流变仪是最简单的形式的流变仪。他们允许一定程度的牛顿流体粘度的绝对值,在某种程度上,对液体所描述的幂律方程。所需的时间为一个固定的体积测试流体通过毛细管测量。流动的液体可以由重力,加压气体或活塞。推荐使用毛细管粘度计仅为牛顿流体,如稀溶液和植物油。只能进行有限的质量控制测试在其他食物。此外,食物样本应均匀。悬浮固体颗粒或液滴可以产生重大的错误如果粒度足够大而毛细管的直径。最后,重要的是要防止悬浮液沉降或测试期间的分离。^19,20.

动态剪切流变仪

动态流变学使用相同类型的几何图形作为旋转流变仪的分析。在这种情况下,负载呈现正弦变化,剪切应力或应变控制。此外,负载足够小,防止材料的破坏。如前所述,这些测试确定样品的粘弹性行为。动态或旋转流变仪没有尽可能多的束缚毛细管流变仪。如果正确地选择了几何集和测试集,它们可以测量任何食物材料。大多数流变仪可以进行旋转和振动测试。^21,22

有可能误解样品流变响应由于很多测量工件。食品流变测量的柔软和生物活性往往使更具挑战性。不理想的条件可能导致误解的结果,如牛顿液体的表观剪切稀化和增厚。²³

一般来说,和食物,避免坏数据是一项非常具有挑战性的任务。一个开始的好地方是通过确定实验窗口。柔软的生物系统的最小转矩乐器可以测量是最关键的限制对流变特性的测量。几何也会影响实验的限制。²⁴

下面是一些最常见的问题,可能会导致不正确的测量和结论:

• 在瞬态条件下,惯性仪表可以产生实验工件;因此,测量负载可能不仅与材料变形也加速工具。在振动测试中,“材料扭矩”应该比“惯性扭矩工具。”It is very important to interpret high-frequency data carefully, as these errors are usually more prevalent in oscillatory tests.
  
• 样品总有有限的惯性,即使仪器惯性就被消除了。因此,软凝胶、低粘度和low-moduli液体更容易体验样本的惯性在高频率的影响。
  
• 样品通过惯性二次流错误可以增加液体的表观粘度。低粘度液体更容易,和小缺口建议消除这种现象。在高旋转速度对椎和plate-plate几何图形,二次流总是存在和可用于设置标准和实验的限制。一般来说,低粘度液体有一个小实验窗口限制在高剪切率由于二次流。
  
• 在旋转流变仪,表面张力导致力矩不应该发生在旋转对称的几何图形。在大多数情况下,它被忽略,但在某些情况下,它可能超过仪器的小转矩限制的数量级。因此,牛顿流体,包括水,表现为剪切稀化流体与有限弹性模。为了降低表面张力的影响,与板的几何图形,溶剂陷阱和精确的示例加载可以被利用。有必要消除表面张力力矩低粘度和软材料,下属音粘弹性测量组件或固有粘度时,当使用小缺口,在任何情况下小转矩限制是很重要的。
  
• 可能包含蛋白质和其他生物流体表面活性的成分。表面的电影可能形成液态空气接口由于这些组件的积累。粘度增加,更高的剪切稀化和明显的屈服应力自由表面膜的主要标志。重复测量具有不同几何图形可以进行工件表面膜的流变学测试。
  
• 样品通常认为坚持联系边界,称为无滑动的条件。然而,食品很容易滑,这可能会导致数据的重要构件。这个特点是降低流压力和不一致的明显的应力和应变率取决于几何缺口。在大多数情况下,砂纸是充分的,但有时锯齿槽板或叶片转子是必要的。
  
• 椎的扭矩和plate-plate几何接触半径成正比。旋转对称的损失造成的填充不足和过度充盈由于表面张力的力量会引入额外的转矩。蒸发也能导致填充不足。通过使用微量吸液管和密切关注填补水平,最根本的问题不正确的样品体积可以被消除。
  
• 边缘骨折是另一个问题有关生物凝胶。是很重要的监测样品的边缘视觉。在数据中,它表现为明显减少压力。边缘骨折可以最小化工件通过移动样品自由表面的距离测量表面。
  
• 高粘度液体和低导热系数可以体验粘性加热,这减少了表观粘度与剪切速率。较小的差距有助于最小化。^25,26

许多食品都简单的液体或固体,但其他人可能会停业,乳剂,泡沫材料,生物聚合物凝胶或者混合物。使用流变测量开发新产品或时尤为重要替代材料,比如类似物肉或奶。

的口感、质地、口感和味道的肉类似物还不同于真正的肉尽管进步使植物性纤维。研究和开发专家可以利用植物性蛋白的流变特性来提高此类产品的可接受性。^27,28另一个有价值的信息关于动物和植物性食物脂肪的行为在不同的温度。^29日探索这种行为的一个方法是测量相角的变化,可以揭示可逆与不可逆变化芝士奶酪(或模拟)将经过加热后。^30.,31日

此外,流变特性的深入分析可以提供洞察淀粉基产品的稳定性和外观。³²“Coatability”和排水行为至关重要的视觉和感官吸引力食品釉料,酱汁和调味料。材料的附着(有能力守住食物)的结果相结合的三龄因素:屈服应力,zero-shear粘度和粘弹性。^33,34

尽管需求的增加牛奶的替代品,消费者接受低是由于不同的外观,口感和存储行为。同样,零脂肪酸奶也将有一个奶油,柔滑的口感。^35,36,37

总之,流变学是一个功能强大的工具,可以用来开发新食品或改进现有产品或控制。

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