一、概述

流变学（rheology）是研究物质在力的作用下变形和流动的科学，属于力学的一个分支。食品流变学是研究食品原材料、半成品、成品在加工、操作处理以及消费过程中产生的变形与流动的科学，主要研究的是食品受外力和形变作用的结构。食品流变学是食品、化学、流体力学间的交叉学科。质构（Texture）是手指、腭、舌头和牙对食物感觉相关的性质。食品质构的范围较广，但超出期望的范围则是质量缺陷。食品质构分析研究食品在加工储藏中组织的软化与分解等，这些质构的变化会引起材料流变特性的变化。食品流变与质构特性研究对食品工业有重要意义。

1.食品流变和质构特性与食品的质量

传统的食品质构及其表现状态就是用感官检验来评价的。口尝就是一个复杂的流变过程，咀嚼包括磨、剪、挤压、压缩、拉伸等物理过程，故通过流变学的测试可以反映食品的质量，并可避免感官品尝中主观的影响。黏稠性不仅是液态食品的感官评价指标，而且影响到食品风味的接受性。乳类甜食、汤料、酱类、浆状食品等假塑性流体，系数n=0.5时，口感最好。这类食品在口中保持稳定的流动，当有剪切作用（舌动等）时有较低的豁度，若停止剪切，又恢复原来的黏度，容易吞咽。

2.食品流变和质构特性与食品研发

通过流变学试验（模拟试验）可以预测产品的质量以及产品在市场上的接受程度，指导新产品的开发。例如：使用食品胶时，必须对使用的目的（应用食用胶的哪一种特性）有清楚的了解．才能根据不同食品胶的特性进行选择。质构仪就可以发挥很大的作用，由于所有的食品胶都不只一种功能，因而在为食品任何一类特别的应用选择最佳的食品胶时，都还应该考虑食品胶在该食品中发挥的其他的功能，所以食品工艺师在选择食品胶时需要考虑诸多因素：产品形态（如凝胶、流动性、硬度、透明度及混浊度等）、产品体系（悬浮颗粒能力、稠度等）、产品储存（时间、风味稳定、水分）、产品加工方式和经济性等。否则，如直接选择使用在该项应用中表现得最好的食品胶，而不考虑其他因素，可能得不到最佳效果。

3.食品流变和质构特性与生产质量控制

食品加工过程中的质构变化，势必引起材料受力性质的改变，需要加以控制。这方面应用最广的是巧克力的生产。巧克力可以是固态体也可以呈液态，取决于其脂肪的构成与存在状态。可可脂在温度高于32℃会急剧融化，成为液态。因此可以借助流变学测量方法对其特性进行检验。最重要的流变学参数就是屈服应力值，其流动曲线遵循Casson方程：把流动曲线外推至零剪切速率来确定巧克力的屈服应力值。屈服应力与巧克力中所含的可可脂肪成分、巧克力浆中的可可粉、糖粉等的磨碎程度及卵磷脂的用量有关。在涂布巧克力层时（威化巧克力、冰激凌巧克力等），涂层的厚度取决于巧克力的屈服应力，垂直面厚度取决于其赫度。

4.食品流变和质构特性与工程设计

食品加工及处理过程涉及的液体多为非牛顿液体，其表观黏度随时间、剪切应力、剪切速率的变化而变化，因此掌握各种食品的流变学特性，便于在流体的输送，管路设计以及搅拌、乳化、均质、物化、浓缩、灭菌等单元操作的机械设计中充分考虑物料在力的作用下戮度的变化，有针对性的设计设备结构及功率等。如有些材料具有剪切变稀现象，故其输送启动功率要大等。

二、食品流变学测量仪器

食品流变学特性的测量和分析是食品流变学理论研究和工程应用的基础，流变学参数的测定为深入理解食品的组织结构提供了分析的工具，也是食品流变学最重要的研究内容之一。由于食品的原材料丰富多样，产品更新换代日新月异。因此，对食品流变学测量仪器和方法提出了更高的要求。随着材料科学、仪器科学和流变学的迅猛发展，专用的食品流变学仪器相继投人使用，各种新的测量方法不断出现，进而促进了适用于实际和模拟食品体系的复杂流变学技术的广泛应用。

1.食品流变学测量仪器的研究进展

食品流变学特性的测量主要是通过选择简单的流动方式测量在特定形变条件下液体的黏度及流动特性。因此，流变仪或者黏度计是食品流变学研究的基本工具，主要用于测量已知流量流体产生的应变或在已知力的作用下对流体产生的阻力时流体的流变学特性。常用的流变学测量仪器有：毛细管黏度计、落球黏度计、旋转和摆动黏度计等。黏度计只能测试流体在一定条件下的黏度，如低级的6速黏度计只能测试6个固定转速下的黏度，再好一些的有更多的转速可供选择。而流变仪可以给出一个连续的转速（或剪切速率）扫描过程，给出完整的流变曲线，高级旋转流变仪还具备动态振荡测试模式，除了黏度以外，还可以给出许多流变信息，如储能模量、损耗模量、复数模量、损耗因子、零剪切黏度、动力黏度、复数黏度、剪切速率、剪切应力、应变、屈服应力、松弛时间、松弛模量、法向应力差、熔体拉伸黏度等，可获得的流体行为信息：非牛顿性、触变性、流凝性、可膨胀性、假塑性等。

1.1毛细管流变仪

毛细管流变仪主要用于高聚物材料熔体流变性能的测试。工作原理是，物料在电加热的料桶里被加热熔融，料桶的下部安装有一定规格的毛细管口模（有不同直径0.25一2mm和不同长度的25一40mm)，温度稳定后，料桶上部的料杆在驱动马达的带动下以一定的速度或以一定规律变化的速度把物料从毛细管口模中挤出来。在挤出的过程中，可以测量毛细管口模入口的压力，结合已知的速度参数、口模和料桶参数以及流变学模型，计算在不同剪切速率下熔体的剪切黏度。

1.2转矩流变仪

实际上是在实验型挤出机的基础上，配合毛细管、密炼室、单双螺杆、吹膜等不同模块，模拟高聚物材料在加工过程中的一些参数，这种设备相当于聚合物加工的小型实验设备，与材料的实际加工过程更为接近，主要用于与实际生产接近的研究领域。

1.3旋转流变仪

这种流变仪具有典型的互换式测量几何体，双间隙测量系统主要适用于低黏度流体，它具有较大的剪切面积而可以获得足够高的转矩值。然而，以较高的剪切速率测量低黏度流体时，会有次级流效应产生。这可能导致紊流的发生，引起流阻的增加。旋转流变仪常用的两种方法是控制速率和控制应变。在控制速率方面，材料被放在两个平板间进行研究。其中一块平板以固定的速度旋转，产生的扭力被另一块平板测量。因此，速度（应力速度）是独立变量而转距（应变）是非独立变量。在控制应变方面，情况则完全相反。转矩（应变）被应用在一块平板，则同一块板的转速或位移就被测量。

(1)控制应力型：使用最多，如德国哈克（Haake)RS系列、美国TA的AR系列、英国Malven、奥地利Anton一Paar的MCR系列，都是这一类型的流变仪。前三家的产品马达采用托杯马达，托杯马达属于异步交流马达，惯量小，特别适合于低黏度的样品测试；Anton一Paar的MCR流变仪和美国TA公司的ARES采用永磁体直流马达，响应速度快，是应力型流变仪的一种发展方向。这一类型的流变仪，采用马达带动夹具给样品施加应力，同时用光学解码器测量产生的应变或转速，并在大扭矩测量方面不会产生大量的热，不会产生信号漂移。

控制应力的流变仪由于有较大的操作空间，可以连接更多的功能附件。

(2）控制应变型：只有美国TA的ARES属于单纯的控制应变型流变仪，这种流变仪直流马达安装在底部，通过夹具给样品施加应变，样品上部通过夹具连接倒扭矩传感器上，测量产生的应力；这种流变仪只能做单纯的控制应变实验，原因是扭矩传感器在测量扭矩时产生形变，需要一个再平衡的时间，因此反应时间就比较慢，这样就无法通过回馈循环来控制应力。但奥地利Anton一Paar的MCRxx2系列流变仪采用DSO控制，保证应变波形不受影响。

控制应变的流变仪由于硬件复杂，只有几种功能附件可供选择。

三、专门用途流变仪介绍

针对谷物及面粉的面团流变学特性专门研制有多种实验室测试仪器，用于测定谷物和面粉的品质，测试对象包括所有谷物和淀粉原料，如小麦、黑麦、玉米、大米、小米、木薯、木薯粉。许多方法已经被国际标准化组织（ISO）和机构及国家标准组织，如国际谷物化学协会（ICC)、美国谷物化学家协会（AACC)定为标准，成为全世界各国在制粉、烘焙、淀粉工业中测试谷物品质的基础仪器，包括粉质仪、拉伸仪、糊化仪、黏度仪等。我国国家标准GB/T14614-2006《小麦粉面团的物理特性吸水量和流变学特性的测定粉质仪法》、GB/T14615-2006《小麦粉面团的物理特性流变学特性的测定拉伸仪法》和GB/T14490-2008《粮油检验谷物及淀粉糊化特性测定勃度仪法》采用相应的方法和仪器。随着仪器制造水平的提高和相关软件的研发，电子式粉质仪、电子式拉伸仪、电子式糊化仪和电子式赫度仪已替代了相应的机械式测定仪器，测定结果更精细、准确，信息量更大，同时仪器还可以用于研究目标的扩展。

1.电子式粉质仪（Farinograph一E)

粉质仪作为全球通用的标准仪器已经被使用了八十多年，通过测试小麦面粉的吸水率和揉混特性（面团的形成时间、稳定性、弱化度）来检验小麦的质量，适合于小麦面粉的质量控制和实验室产品研究和开发以及质量评价。

由粉质仪记录的图谱称为粉质曲线，由粉质曲线可以得到的面粉品质参数有：

(1)吸水量：面团最大稠度达到500FU（仪器单位）时的加水量，单位为mL/l00g;

(2)面筋形成时间：从加水开始至粉质曲线达最大稠度的时间间隔，单位为min;

(3）面筋稳定时间：粉质曲线上边沿与500FU标线两次相交的时间间隔，单位为min;

(4)面筋弱化度：粉质曲线中间值自峰值至12min时衰减的高度，单位为仪器单位FU;

(5)质量指数：粉质曲线从加水开始至到达最大稠度后衰减30FU处时间坐标长度，单位为mm。

2.电子式拉伸仪（Extensograph一E)

拉伸仪测试的是面团的拉伸特性，特别是拉伸阻力、延伸性和拉伸能量，为面粉的烘焙特性提供可靠的数据。全世界的谷物贸易、科研开发中都采用拉伸仪进行面粉的拉伸实验，国际标准方法包括AACC54一10、ICC114/1和ISO5530-2。拉伸仪适合对各种小麦面粉质量的测试，对美国的强筋小麦质量和利用特定的中国小麦面粉做成的部分非常软的面团也是有效的。电子式拉伸仪甚至允许在超出1000个拉伸单位（EU）的情况下记录图谱（机械式的拉伸仪以1000EU为限量，超出1000EU部分只能以一条直线表现）。

面团在外力作用下发生变形，外力消除后，面团会部分恢复原来状态，表现出塑性和弹性。不同品质的面粉形成的面团变形的程度以及抗变形阻力差异不大，这种物理特性称为面团的延展特性，是面团形成后的流变学特性。硬麦面粉形成吸水率高、弹性好、抗变形阻力大的面团；相反，软麦面粉形成吸水率低、抗变形阻力小、弹性弱的面团。在面粉品质改良中，应当清楚不同食品对面团延展性的要求不同，制作面包要求有强力的面团，能保持酵母生成的二氧化碳气体，形成良好的结构和纹理，生产松软可口的面包；制作饼干要求弱力的面团，便于延压成型，保持清稀、美观的花纹、平整的外形和酥脆的口感。

测定面团的延展特性用的仪器是拉伸仪。将通过粉质仪制备好的面团（(50g）先揉球、搓条，醒发45min后，将面条两端固定，中间钩向下拉，直到拉断为止，抗拉伸阻力以曲线的形式记录，然后把拉断的面团再揉球、搓条，重复以上操作，分别记录90min、135min的曲线，根据曲线分析面团品质和添加剂的影响作用。拉伸曲线给出的有关面团性能数据如下。

(1)延伸性（E)：是以面团从开始拉伸直到断裂时曲线的水平总长度，用mm或cm表示。它是面团黏性、横向延展性的标志。

(2）抗延伸阻力：曲线开始后在横坐标上到达5cm位置曲线的高度，以仪器单位BU表示。它指的是面团弹性，是面团纵向弹性好坏的标志，即面团横向延伸时阻抗性。

(3)拉伸比值：抗拉伸阻力与延伸性比值，用BU-cm-2表示，即抗拉强度。

(4)最大抗延伸阻力：指曲线最高点的高度，以BU表示。

(5）能量：指曲线与底线所围成的面积，以cm2表示。它代表面团的强度，用求积仪测量。曲线面积亦称拉伸时所需的能量，它表示面团筋力或面粉的搭配数据，能量越大，表示面筋筋力越强，面粉烘焙品质越好。

实际上，反映面粉特性最主要的指标是拉伸比值和能量。比值越大，能量越高，说明面粉筋力越强，强度越高。拉伸图既反映麦谷蛋白赋予面团的强度和抗延伸阻力，又反映麦胶蛋白提供的易流动性和延伸所需要的砧合力。

面团比值即抗拉伸强度，它将面团延伸性和抗延伸阻力两个指标综合起来判断面粉品质。比值过小，意味着阻抗性小，延伸性大，这样的面团发酵时会迅速变软和流散，做面包或馒头会出现成品个头不起，甚至塌陷、瓤发黏现象；若比值过大，意味着抗阻过大，弹性强，延伸性小，发酵时面团膨胀会受阻，起发不好，面团过硬，成品体积小，芯干硬。故要求制作面包、馒头的面粉需能量大、比值适中，这样的成品才会体积大，形状好，芯松软而且结构均匀。

3.电子式糊化仪《Amylograph-E)

面粉的烘焙特性主要依赖于面粉中的淀粉的糊化特性和酶活性（a一淀粉酶）。电子式糊化仪在全世界广泛使用，国际标准为AACC22一10,ICC126/1和ISO7973。与实验室基本成分测试作对比，在面粉和粗磨粉中测量a一淀粉酶的活性仅得到一个单一的绝对值。而一些重要的补充信息能从糊化图谱中获得。在通常的烘焙过程中模仿悬浮淀粉的糊化特性以1.5℃/min的温度速率增加。根据整个糊化曲线的描绘提供关于面粉（／淀粉）的起始糊化温度、最终糊化温度、最高糊化阻力、热稳定性和增稠能力等指标。

在制粉、烘焙工业和淀粉工业中，糊化仪、黏度仪和黏度糊化仪是最常用的仪器，在制粉、烘焙工业中用来测量面粉的糊化特性和酶活性。在淀粉工业中用来测量原淀粉，变性淀粉和含淀粉的产品的糊化过程和黏度变化过程。测试方法符合国际标准ICC169和中华人民共和国国家标准GB/T14490-2008、LS/T6101-2002《谷物黏度测定一快速黏度仪法》。

快速勃度分析仪（RapidViscoAnalyzer,RVA；）是20世纪80年代，澳大利亚科研人员为对发芽小麦进行快速检测而开发研制的，试样量要求少(3g)，分析时间由通常的90min以上缩短至13min以内。