粘度與烘焙食品質量

所謂“流變學”，研究的是流動行為，同時覆蓋了粘度和彈性。內部摩擦會生產力，粘度是為了抵抗變形。對液體施加一定的力會產生剪切流。低粘度的水狀食品被描述為“薄”，而高粘度食品如金黃糖漿通常被描述為“濃”。 有趣的是，水和糖漿的粘度與剪切速率并沒有任何關系，因此這些流體被描述為“牛頓流體”。 然而，大多數食物表現出更復雜的流動行為。 例如，小麥面團等軟性固體表現出粘彈性，將流體（粘性）與彈性響應結合。 本文將解釋流變學與食品加工和質量的相關性，重點討論的是谷物產品。

許多常見食物的結構是通過將固體顆粒或液滴分散在連續相中而產生的。這種系統的典型實例包括面糊、面團和沙拉醬。食品結構通過弱化學鍵（例如氫鍵），疏水相互作用和聚合物的纏結產生，施加適度剪切力就會輕易破裂。

食品工業通常采用大規模的變形測試，這樣可以提升產品性能。然而，這樣做也有著明顯缺點，因為試驗破壞了樣品內的結構，所以較精細的樣品之間的細微差異會變得無法覺察。為了更好掌握精細材料的流變行為，我們需要采用更溫和的方法，這樣才能不破壞原料性能。使用應變或應力控制流變儀的小變形振蕩測量是獲得這種重要信息的便捷方法。應變控制流變儀對測試材料施加很小的振蕩應變，并逐漸加大這個力度，使測試材料變形，測量所得應力。從應用應變振幅與所得應力振幅的比率獲得諸如模量等關鍵數據。材料可以非常輕松的通過測量模量和相角（應用應變和所得應力之間的相位滯后）來表征。這些對樣品中的結構形成相互作用非常敏感，可以導致彈性行為。相位角的范圍從理想彈性材料（即完美固體）的0°到理想粘性材料（完美液體）的90°。

面包樣品在受到應力后會呈現出一個逐漸變形的過程。由于聚合物相互作用被破壞，材料的彈性逐漸下降，而粘性逐漸升高，相角相應增加。 在高剪切速率下可以觀察到兩種模量出現的交叉，因為粘性行為開始占主導地位。 如果對完成混料和醒發后的面包面團進行振蕩測量，可以觀察到彈性性能的減少過程，面團在醒發后變得粘稠和柔軟。 這樣的測量可用于比較不同混合設備的效果，進行不同配方，不同加工方法或一些關鍵成分的調整。

加工過程中的粘度

在考慮泵送流體的時候，了解其流變行為對于確定泵的特性和管道尺寸至關重要。溫度對流變性能具有相當大的影響，其影響的大小取決于材料和溫度范圍。此外，諸如淀粉糊化和玻璃化轉變的物理化學變化可以在很狹小的溫度范圍內迅速引起粘度變化。溫度的影響對如何在實驗室中進行測量以及對食品加工設備的設計和操作具有重要的影響。粘度變化也可用于描述物理化學過程。另一項數學挑戰是必須在三個維度中考慮材料流動，從而完全描述應力或應變。然而，為了相對簡化，流變學僅采用簡單的剪切流動。測量應在穩定狀態條件下進行，即在層流條件下進行。

與剪切無關的粘性材料被稱為“牛頓流體”。 這些是由不相互作用或形成任何連接結構的小分子組成的簡單液體。然而，低濃度的長鏈聚合物也可以顯示牛頓行為，特別是在低濃度和低剪切速率下。 各種非牛頓行為是可能的。食品工業最相關的行為類型是具有屈服點和時間無關的剪切變稀（假塑性）的行為。

表觀粘度的概念通常用于描述在特定剪切速率下的粘度，但這種類型的單點測量可能會給出誤導結果。 如果根據加工過程和外觀性質選擇了合適的剪切速率，就不會存在問題，但很難找準剪切速率。

水等簡單流體的性質與時間無關，但是許多食物材料更復雜并且顯示出與時間相關的剪切變稀（觸變性）。長時間后材料增稠也是可能的，但在食品材料中比較罕見，除非與溶脹或化學反應有關。

許多食物如面包面團是粘彈性的，一段時間后會從變形中恢復。 對施加變形的瞬時響應是彈性的，但隨著時間變化，會發生粘性流動。 這在許多食品工藝中具有相關性，面團加工中會發生模具膨脹，順著攪拌桿爬動和彈性回彈等。了解這些食品材料的流變行為可以有利于設計過程，并避免昂貴的錯誤。

粘性是面團加工中的問題，是由于材料表面與加工設備表面的相互作用（粘合）和樣品內的內聚力的組合。內聚本質上是一種流變性質。 在最近與伯明翰大學開展的研究中，研究人員發現面團的內聚會產生破壞效果，導致諸如表面污損和片重不一致等問題。附著在表面的面團在被拉離時會形成線束并發生破裂，同時在兩個表面上留下殘余物。擠壓流動試驗比傳統的用于測試剪切粘度的面團測試方法更好的預測了這種行為。擠壓流體可以測量剪切和拉伸流變學組合。

許多食物是乳液（液體中含有液體）、懸浮液（液體中含有固體）或含有氣體細胞。在幾乎所有情況下，這些都是不穩定狀態，將隨著時間變化而發生分離。除其它因素外，分離速率取決于連續相的粘度。 例如，蛋糕品質的好壞依賴于面糊的粘度。如果粘度低，氣泡會將上升到表面，導致體積損失，整個蛋糕結構不均勻。在蛋糕加工過程中，當面糊放置在烘箱中時溫度開始升高。隨著固體脂肪熔化，粘度會逐漸降低。而后在烘焙過程中，蛋白凝固阻止了氣體細胞膨脹。 接近烘烤的結束，淀粉開始膠凝并凝固蛋糕的內部結構。 配方合理的蛋糕面糊將非常易于加工，并能填充整個蛋糕模具。在整個烘烤過程中，面糊將保留所有的氣泡，并將它們擴大到最佳體積。

粘度與食品質量

蛋糕面糊實例顯示了粘度對產品穩定性和食品外觀吸引力起到關鍵作用。消費者利用五種感官因素對產品進行評價：視覺、嗅覺、味覺、觸覺和聽覺。 這種評價結合了過去的經驗，消費者的期望和其它概念因素，形成一種快樂反應。 利用儀器檢測可以確定食品的流動行為，利用明確的定義獲取數值結果。然而，儀器粘度與感覺到的粘度很難直接關聯。這種關聯的難度有多方面因素，口腔中的條件（例如溫度，剪切）難以復制，食物材料的不均勻性和對感覺刺激的非線性響應等。感官評價和流變測量是理解影響消費者喜好的補充工具。

食品粘度對于患有吞咽困難的人也是至關重要的。吞咽困難是一種難以吞咽某些類型的食物的醫學狀況。粘度的控制是營養管理的關鍵部分，有些飲料添加了樹膠用于增稠，需要降低吸入風險，避免窒息甚至包括肺炎在內的并發癥。

粘度對蛋糕的穩定性和外觀吸引力起到關鍵作用。

需要控制食品流動行為的例子很多，比如番茄醬和餡餅餡料。優質的番茄醬可以從瓶子內流出，但不會在盤子里流動過大幅度。這是因為破碎的番茄細胞顆粒誘導了屈服應力。 餡餅餡料通常需要依靠足夠高的粘度防止切開后餡料流出。樹膠和淀粉可用于增加粘度。

改變流變性的添加劑

一般來說，具有較大較復雜分子的流體將具有較高的粘度。對于在食品中發現的長鏈聚合物如蛋白質、淀粉、水膠體或樹膠尤其如此。這些材料可以具有沿著整條聚合物鏈取代各種化學基團。 親水基團對水具有親和力，能夠增強溶解性，而疏水基團彼此相互作用，導致分子在排水時進行排列和折疊。聚合物鏈還可以彼此纏結，形成能夠捕獲并固定水分子的網絡。掌握在加工，儲存期間和消費者角度對食品流變行為的理解，有助于選擇最合適的膠體、增稠劑和穩定劑。

很多材料可以單獨或組合使用，控制食品的穩定性和口感。剪切稀化（假塑性）是特別有用的一種特征，因為它可以幫助產品長時間保持穩定，但在傾倒或口腔中容易流動。 一個常見的例子是黃原膠在低脂沙拉醬中的應用。這種黃原膠能夠使草藥成分保持懸浮，同時醬料將包裹沙拉中的菜葉。

測量粘度

粘度及其它流變性質的測定是設計和監測食品加工以及產品配方的有效工具。重要的是要理解，對于大多數流體食品而言，單點測量并不合適，粘度通常高度依賴于溫度和剪切速率。大多數食品屬于剪切變稀類型，在高剪切速率下顯示低粘度值，在低剪切速率下顯示高粘度。測量條件必須復制產品所經歷的所有條件，否則數據將無效。