粘度与烘焙食品质量

所谓“流变学”，研究的是流动行为，同时覆盖了粘度和弹性。内部摩擦会生产力，粘度是为了抵抗变形。对液体施加一定的力会产生剪切流。低粘度的水状食品被描述为“薄”，而高粘度食品如金黄糖浆通常被描述为“浓”。 有趣的是，水和糖浆的粘度与剪切速率并没有任何关系，因此这些流体被描述为“牛顿流体”。 然而，大多数食物表现出更复杂的流动行为。 例如，小麦面团等软性固体表现出粘弹性，将流体（粘性）与弹性响应结合。 本文将解释流变学与食品加工和质量的相关性，重点讨论的是谷物产品。

许多常见食物的结构是通过将固体颗粒或液滴分散在连续相中而产生的。这种系统的典型实例包括面糊、面团和沙拉酱。食品结构通过弱化学键（例如氢键），疏水相互作用和聚合物的缠结产生，施加适度剪切力就会轻易破裂。

食品工业通常采用大规模的变形测试，这样可以提升产品性能。然而，这样做也有着明显缺点，因为试验破坏了样品内的结构，所以较精细的样品之间的细微差异会变得无法觉察。为了更好掌握精细材料的流变行为，我们需要采用更温和的方法，这样才能不破坏原料性能。使用应变或应力控制流变仪的小变形振荡测量是获得这种重要信息的便捷方法。应变控制流变仪对测试材料施加很小的振荡应变，并逐渐加大这个力度，使测试材料变形，测量所得应力。从应用应变振幅与所得应力振幅的比率获得诸如模量等关键数据。材料可以非常轻松的通过测量模量和相角（应用应变和所得应力之间的相位滞后）来表征。这些对样品中的结构形成相互作用非常敏感，可以导致弹性行为。相位角的范围从理想弹性材料（即完美固体）的0°到理想粘性材料（完美液体）的90°。

面包样品在受到应力后会呈现出一个逐渐变形的过程。由于聚合物相互作用被破坏，材料的弹性逐渐下降，而粘性逐渐升高，相角相应增加。 在高剪切速率下可以观察到两种模量出现的交叉，因为粘性行为开始占主导地位。 如果对完成混料和醒发后的面包面团进行振荡测量，可以观察到弹性性能的减少过程，面团在醒发后变得粘稠和柔软。 这样的测量可用于比较不同混合设备的效果，进行不同配方，不同加工方法或一些关键成分的调整。

加工过程中的粘度

在考虑泵送流体的时候，了解其流变行为对于确定泵的特性和管道尺寸至关重要。温度对流变性能具有相当大的影响，其影响的大小取决于材料和温度范围。此外，诸如淀粉糊化和玻璃化转变的物理化学变化可以在很狭小的温度范围内迅速引起粘度变化。温度的影响对如何在实验室中进行测量以及对食品加工设备的设计和操作具有重要的影响。粘度变化也可用于描述物理化学过程。另一项数学挑战是必须在三个维度中考虑材料流动，从而完全描述应力或应变。然而，为了相对简化，流变学仅采用简单的剪切流动。测量应在稳定状态条件下进行，即在层流条件下进行。

与剪切无关的粘性材料被称为“牛顿流体”。 这些是由不相互作用或形成任何连接结构的小分子组成的简单液体。然而，低浓度的长链聚合物也可以显示牛顿行为，特别是在低浓度和低剪切速率下。 各种非牛顿行为是可能的。食品工业最相关的行为类型是具有屈服点和时间无关的剪切变稀（假塑性）的行为。

表观粘度的概念通常用于描述在特定剪切速率下的粘度，但这种类型的单点测量可能会给出误导结果。 如果根据加工过程和外观性质选择了合适的剪切速率，就不会存在问题，但很难找准剪切速率。

水等简单流体的性质与时间无关，但是许多食物材料更复杂并且显示出与时间相关的剪切变稀（触变性）。长时间后材料增稠也是可能的，但在食品材料中比较罕见，除非与溶胀或化学反应有关。

许多食物如面包面团是粘弹性的，一段时间后会从变形中恢复。 对施加变形的瞬时响应是弹性的，但随着时间变化，会发生粘性流动。 这在许多食品工艺中具有相关性，面团加工中会发生模具膨胀，顺着搅拌杆爬动和弹性回弹等。了解这些食品材料的流变行为可以有利于设计过程，并避免昂贵的错误。

粘性是面团加工中的问题，是由于材料表面与加工设备表面的相互作用（粘合）和样品内的内聚力的组合。内聚本质上是一种流变性质。 在最近与伯明翰大学开展的研究中，研究人员发现面团的内聚会产生破坏效果，导致诸如表面污损和片重不一致等问题。附着在表面的面团在被拉离时会形成线束并发生破裂，同时在两个表面上留下残余物。挤压流动试验比传统的用于测试剪切粘度的面团测试方法更好的预测了这种行为。挤压流体可以测量剪切和拉伸流变学组合。

许多食物是乳液（液体中含有液体）、悬浮液（液体中含有固体）或含有气体细胞。在几乎所有情况下，这些都是不稳定状态，将随着时间变化而发生分离。除其它因素外，分离速率取决于连续相的粘度。 例如，蛋糕品质的好坏依赖于面糊的粘度。如果粘度低，气泡会将上升到表面，导致体积损失，整个蛋糕结构不均匀。在蛋糕加工过程中，当面糊放置在烘箱中时温度开始升高。随着固体脂肪熔化，粘度会逐渐降低。而后在烘焙过程中，蛋白凝固阻止了气体细胞膨胀。 接近烘烤的结束，淀粉开始胶凝并凝固蛋糕的内部结构。 配方合理的蛋糕面糊将非常易于加工，并能填充整个蛋糕模具。在整个烘烤过程中，面糊将保留所有的气泡，并将它们扩大到最佳体积。

粘度与食品质量

蛋糕面糊实例显示了粘度对产品稳定性和食品外观吸引力起到关键作用。消费者利用五种感官因素对产品进行评价：视觉、嗅觉、味觉、触觉和听觉。 这种评价结合了过去的经验，消费者的期望和其它概念因素，形成一种快乐反应。 利用仪器检测可以确定食品的流动行为，利用明确的定义获取数值结果。然而，仪器粘度与感觉到的粘度很难直接关联。这种关联的难度有多方面因素，口腔中的条件（例如温度，剪切）难以复制，食物材料的不均匀性和对感觉刺激的非线性响应等。感官评价和流变测量是理解影响消费者喜好的补充工具。

食品粘度对于患有吞咽困难的人也是至关重要的。吞咽困难是一种难以吞咽某些类型的食物的医学状况。粘度的控制是营养管理的关键部分，有些饮料添加了树胶用于增稠，需要降低吸入风险，避免窒息甚至包括肺炎在内的并发症。

粘度对蛋糕的稳定性和外观吸引力起到关键作用。

需要控制食品流动行为的例子很多，比如番茄酱和馅饼馅料。优质的番茄酱可以从瓶子内流出，但不会在盘子里流动过大幅度。这是因为破碎的番茄细胞颗粒诱导了屈服应力。 馅饼馅料通常需要依靠足够高的粘度防止切开后馅料流出。树胶和淀粉可用于增加粘度。

改变流变性的添加剂

一般来说，具有较大较复杂分子的流体将具有较高的粘度。对于在食品中发现的长链聚合物如蛋白质、淀粉、水胶体或树胶尤其如此。这些材料可以具有沿着整条聚合物链取代各种化学基团。 亲水基团对水具有亲和力，能够增强溶解性，而疏水基团彼此相互作用，导致分子在排水时进行排列和折叠。聚合物链还可以彼此缠结，形成能够捕获并固定水分子的网络。掌握在加工，储存期间和消费者角度对食品流变行为的理解，有助于选择最合适的胶体、增稠剂和稳定剂。

很多材料可以单独或组合使用，控制食品的稳定性和口感。剪切稀化（假塑性）是特别有用的一种特征，因为它可以帮助产品长时间保持稳定，但在倾倒或口腔中容易流动。 一个常见的例子是黄原胶在低脂沙拉酱中的应用。这种黄原胶能够使草药成分保持悬浮，同时酱料将包裹沙拉中的菜叶。

测量粘度

粘度及其它流变性质的测定是设计和监测食品加工以及产品配方的有效工具。重要的是要理解，对于大多数流体食品而言，单点测量并不合适，粘度通常高度依赖于温度和剪切速率。大多数食品属于剪切变稀类型，在高剪切速率下显示低粘度值，在低剪切速率下显示高粘度。测量条件必须复制产品所经历的所有条件，否则数据将无效。