食品流变学

最早将流变学引入食品研究的是荷兰人斯科特·布莱尔(G.N.Scott Blair)，1953年，他编辑出版了《Food-stuffs the Plasticity，Fluidity and Consistency》一书。此后，科学家开始将流变学理论应用于食品研究。该书在阐明食品的流变学性质及其在食品研究中的应用方面做出了贡献。20世纪60年代初，国外的食品专业杂志出现了很多食品流变学方面的论文。1973年，穆勒（B.Muller）编辑出版了《Introduction to Food Rheology》一书, 对推动食品流变学的发展和应用起了重要作用。此后，食品流变学在食品工业中得到了广泛的应用。1984年，普伦提斯( J.Prentice) 出版了《食品流变学测量》一书。该书不但解决了食品流变学性质的测量问题，而且还从微观结构的角度解决了流变学性质的变化规律，为食品流变学理论应用于生产工艺过程提供了依据。1989年，川端晶子编著的《食品物性学》一书主要从食品的流变性质和质构两个方面论述了食品的胶体体系特征, 凝胶状食品、凝脂状食品、细胞状食品、纤维状食品和多孔状食品的物理特性。1997年3月，在瑞士苏黎世举行了第一届国际食品流变学和质构特性研讨会。来自20个国家的170多名专家就食品加工中质构的形成, 质构、流变学特性和食品质量，流变学方法和质构分析方法以及复杂体系的流变学行为等问题进行了互动交流^[1]。

许多文献已经报道并总结了各种食品独特的流变学特性， 然而这些数值可能是不准确的。因为食品的流变学特性可能受食品的种类、成熟度、加工方法、成分、温度、时间、分析方法、实验技术等因素的影响。因此，早期流变学的研究主要是一些经验性的测定。近年来，由于食品科学工作者为了提高对食物加工性，特别是食品的深加工性、工艺及设备设计的依据性等的需要，食品流变学的研究与应用变得愈来愈广泛。随着研究的深入，研究手段和方法亦有了较大地发展，表现在先进的流变学仪器的引入和开发，仿真状态下流变学过程数学模型的建立以及二者的结合进行流变学过程的模拟。由于食品物料的流变特性与食品的质地稳定性和加工工艺设计等有重要关系，所以通过对食品流变学特性的研究，可以了解食品的组成、内部结构和分子形态等，为产品配方、加工工艺、设备选型及质量控制等提供方便和依据。

自然界中物质的存在形式可以分为两大类：一类是在没有外部因素作用下会保持自身形状的物质称为固体；另一类是只有在容器里才能获得自身形状的物质称为流体，包括液体和气体。食品流变学根据食品的流变特性分为粘性流体和粘弹性流体两大类。

食品流变学的传统测量方法主要包括塑性流体的屈服应力测量， 食品的静态粘弹性测量和动态粘弹性测量。塑性流体的屈服应力测量方法：直接测定法、流动曲线法、Casson法、Bowles法。

食品的静态粘弹性测量方法：应力松弛测量和蠕变测量；

食品的动态粘弹性测量方法：纵向振动法和剪切振动法。

近年来，随着食品流变学，生物学，计算机技术等的迅猛发展， 出现了许多新的食品流变学测量方法，有力地推动了食品流变学的快速发展。1997年，W-M.Kulicher介绍了不同测量原理的结合对于深入理解生物聚合物溶液和凝胶结构的优点。他将已经建立的流变-力学方法和一种新的流变测量方法结合起来去研究流体的二色性。

显微法是研究食品微观结构的一个最重要工具之一。A-M.Hermansson成功地运用光、扫描电镜和透射电镜技术研究了蛋白质和多糖凝胶的微观结构。

计算机模拟和仿真能够有助于更好地理解食品的质构和流变学特性及其相互关系，同时也可预测加工过程中的流变学行为。P.A.Tanguy研究认为采用计算机三维模拟可以更好地阐明混合过程的流变学行为。P.Walstra和T.vanVliet证实分形方法为描述聚合体的力学特性提供了有用的手段。

此外，超声波技术，阶跃变化剪切速率法，分形法和影像云纹法也已应用于食品流变学特性的测量。

食品的表现状态、风味、质构、营养通常被称为食品的四大质量因素。食品在加工贮藏过程中常涉及质构的改变，因质构的改变会引起材料流变特性的变化。

面包、糕点类食品的质构在很大程度上是构成气孔壁材料的流变学性质的函数。面包的气孔大小、分布均匀度与面包的松软度及可口性都有关系。流变参数已经用于研究面团的 调制、焙烤过程最佳工艺条件及产品的质量控制。从食品流变学角度来说，粘度与质构有同等含义，只是粘度常与液态食品有关，质构则常与固态食品有关。

粘稠性不仅是液态食品感官评定的指标，而且影响到食品风味等的接受性。Wood曾研 究液态食品粘稠度与感官品尝时对味道（味度）的反映，并找出其流变学关系，指出当假塑性，系数n =0.5时，乳类甜食、汤料、酱 类、浆状食品的口感最好。这类食品在口中保持稳定流动，当有剪切作用（舌动等）时有较低的粘度，若停止剪切，又恢复原来粘度，容易吞咽。韦氏等则研究人们对甜味的接受性，指出随着溶液中加入水溶胶体后粘度增加而减少，且不同的水溶胶有不同的影响。

通过流变学实验（基础实验、模拟实验）可以预测产品的质量及产品在市场上的接受性，指导新产品的开发。由于流变学研究深入食品质构以及构成食品的各种组分和组分特性及 加工条件，因此，只要积累足够的食品成分在各种条件下的流变特性及规律，消费者的要求，人们就可在新产品的试制中利用这些研究成果，进行自我评定、修改试验条件，从而缩短新产品从实验室研究与实际生产的时间和层次。如人造奶有油的开发可参考奶油的流变特性，许多仿制工程食品都可在加工中利用天然类似食品的流变规律，就像植物蛋白制品的开发可参照制品的流变规律一样。

食品加工及处理过程涉及的液体多为非牛顿液体，其表观粘度可随时间、剪切应 力、剪切速等而改变，因此了解掌握各种食品的流变特性，便于在流体的输送，管路设计以及搅拌、乳化、均质、雾化、浓缩、灭菌等单元操作的机械设计中充分物料在力作用下的表观粘度变化，有目的、有针对性地设计设备所需的功率及设备的结构。如有些材料具有剪切变稀现象，故其输送启动功率要大。而另一些具有剪切变稠趋势的材料，则要防止输送过程阻力增加而引起的流速变化，还要防止因剪切应力下降（如管径缩小）引起堵塞等问题^[2]。