Viscosity measurement for food and manufacturing

粘度是流体食品的重要特性。它被定义为液体的内部摩擦或其抵抗流动的能力。通过观察已经剧烈搅拌以产生涡流的液体，可以容易地证明流体中的内部摩擦。一旦搅拌停止，涡流的速度逐渐降低，液体的旋转最终停止。这是由于液体内的摩擦力而发生的，并且需要克服该力以使液体流动。

人们经常使用“薄”或“水状”这样的表达来表示具有低粘度的液体，对于具有高粘度的液体而言，“厚如糖”。液体的粘度是一个重要参数，因为它可以被消费者用作质量的指标，在某些情况下，与较薄的产品相比，较厚的液体被认为是良好的。

粘度也是食物质地的特征。这意味着需要在生产中控制和测量产品的粘度，以使每批产品每天都保持一致。

液体食物系统可以是高度剪切敏感的，并且结构可以通过施加剪切而分解，如在混合期间或通过管道泵送时的情况。可以观察到许多特征行为。

牛顿的行为通过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显示。然而，需要指出低浓度的长链聚合物也可显示出牛顿行为。证明牛顿行为的简单方法是在粘度测试期间使剪切应力加倍，这应该导致剪切速率加倍。如果没有观察到，那么液体是非牛顿的。

一些流体的粘度取决于用于剪切材料的速率，高剪切速率使得流体比剪切得更慢的流体更薄。这被称为时间无关（稳态）流，并且显示这种行为的材料被称为假塑性。流体食品和聚合物体系表现出的另一种粘性行为是触变，随着剪切速率的增加，材料再次剪切变薄，但也取决于剪切的持续时间。换句话说，当材料以恒定速率剪切时，材料显示出随时间变薄的行为。

一般而言，具有更大，更复杂分子的流体将具有更高的粘度。对于在食品中发现的长链聚合物尤其如此，例如蛋白质，淀粉，水胶体或树胶等。这些材料的另一个显着特性是它们由许多化学基团（羟基，阴离子基团等）组成。聚合物链的长度是水爱或亲水的，因此可以结合水分子。聚合物链也可以彼此缠结，形成能够捕获和固定水的网络。由于分子很小，水的粘度很低。

粘度也取决于浓度，并且该关系通常不是线性的。例如，水胶体浓度的小幅增加可稍微增加粘度，但是一旦超过临界浓度，粘度可以指数增加。为获得显着的液体粘度，淀粉的典型添加速率将在4％至5％的范围内。另一方面，水胶体系统具有更高的水结合性能并且可以在较低浓度下产生粘度，例如0.5％至1％。

温度对粘度有重要影响; 粘度随温度的升高而显着降低。随着温度升高，液体中的分子移动得更多，因此彼此接触的时间更少，因此液体的内部摩擦减小。这在图1中得到证实，图1显示了当温度从20℃升高到80℃时预凝胶化淀粉溶液的粘度变化。由于食品的粘度受温度的影响很大，因此应严格控制测量粘度的测试条件。为了实现精准测量，应将样品温度控制在±0.5°C范围内，这可以通过将测试样品放入恒温控制的水浴中来实现。

食品行业有许多仪器可用于测量粘度以进行质量控制，从而确保所生产的产品具有一致的质量。Bostwick稠度计是一种用于食品行业的非常简单的仪器，它通过测量食物在自身重量下的流动距离来确定食物的稠度。测量的典型食品包括番茄酱，番茄酱，泥制婴儿食品，果酱 etc.。粘在仪器上或粘度高且30秒内不能充分流动的样品不适用于本仪器。该仪器的主要缺点是除了粘度之外的因素，例如材料的表面张力，可以影响结果，但它是为许多食品提供快速和容易的质量控制的有用方法。

旋转粘度计测量以已知速度转动流体样品中的心轴所需的扭矩。这些常用的粘度计能够测量粘度范围广的牛顿流体和非牛顿流体。主轴可以随时间以固定速度或以不同速度旋转，从而可以在一定范围的剪切速率下测量粘度。可以使用许多不同配置的测量系统，例如同心圆柱，平行板和锥板。选择哪一个取决于被测材料的一致性。对于粘度较小的可倾倒液体，同心圆筒可适用，而对于更粘稠的产品，平行板或锥板几何形状更适合。对于凝胶系统，如厚实的酸奶，一些粘度计可以安装T型棒和一个支架，可以将探头连续移动到样品中，将螺旋形切割成样品。这避免了在主轴在固定位置旋转测量时在这种样品中产生通道的潜在问题。

毛细管粘度计，也称为U-Tube或Ostwald，测量流体在重力作用下在毛细管的两个点之间通过的时间。这种类型的粘度计仅适用于低粘度牛顿流体。毛细管粘度计对温度高度敏感，因此毛细管通常浸没在水浴中。基于相同的原理，落球粘度计测量球体在重力作用下通过流体所需的时间。这些只是可用于食品系统的一些方法，还有许多方法可用于执行质量控制检查或表征更复杂的粘性行为。

到目前为止，在粘度方面研究最多的食物是巧克力。巧克力的流动行为在加工过程中以及出于感官的原因都很重要。巧克力According to应用具有不同的流动性，并且产品用于包衣和制作块。然而，由于许多成分，即糖，可可脂，可可颗粒和乳制品需要精细分散，因此流动行为是复杂的。粘度起着重要性无庸赘述的作用，因为它会影响质地，即它如何在口中流动。巧克力粘度的测量是高度专业化的，并且需要特定类型的粘度计以便准确地进行测量。流动特性通常由Casson流动曲线描述，为此需要在不同的转速下进行测量，以便确定不同剪切速率下的剪切应力。Casson方法提供有关屈服应力和塑性粘度的信息。屈服应力定义为引发巧克力流动所需的剪切应力，因此给出了关于潜在包裹性能的信息，而塑性粘度与维持恒定流动所需的剪切应力有关。因此，后者涉及巧克力在模具中或可能在口中流动的方式。粘度测试通常在40℃下进行，并且窄范围内的温度控制对于准确地进行测试是重要的。

粘度在生产由面团和面糊制成的烘焙产品中也很重要。这种系统通常由许多分散相组成，例如面粉，脂肪，水和空气。需要足够的粘度以在混合期间停止相分离，在烘箱中烘烤时间和烘烤。对于诸如面包面团之类的系统，通常存在足够的粘度以停止相分离并在面包生产期间捕获和保留空气。然而，当涉及面糊系统时，它是另一回事。较低粘度的面糊系统，例如通常用于制作约克郡布丁的薄饼面糊和面糊，可导致在混合期间殴打面糊的空气损失以及固体分离。这可能对最终产品质量有害。蛋糕面糊也需要足够粘稠以防止在混合过程中引入的气泡损失，因为这些气泡是由起泡剂和蒸汽产生的气体的接收者，其引起膨胀并有助于降低面糊密度。如果这些气泡丢失，那么面糊的膨胀将受到限制，因为在混合停止后不能产生新的气泡。如上所述，粘度也取决于温度，因此在烘箱中，当面糊被加热时，它变得更薄。更稠密的组分例如淀粉颗粒的相分离的可能性更大，并且这些组分可以沉到烘焙锡的底部。结果将是底部的粘性层和顶部的脆弱的粗糙结构。水果片，如果加入配方，当烤箱中的温度升高时，面糊变薄时，也会下沉到底部。因此，需要通过保持一定水平的粘度直至发生淀粉糊化和结构设定来避免配方组分的分离。

The quality of foods such as soups, sauces, gravies, custards, flans, desserts and baked goods depends to a large extent on the structure-forming properties of materials such as starches. When starchy materials are cooked, the granules swell and become brittle, disintegrate and lose viscosity under shear. This can have disastrous consequences for the viscosity and thus the characteristic eating qualities of the food. The effect of temperature on the viscosity of starch-based foods can be studied with techniques such as the Brabender Amylograph and its derivative Rapid Visco Analyzer (RVA) (Figure 3). Both techniques are based on a Rotational Viscometer, which continuously records the viscosity of a sample while the temperature is changed in a controlled manner. The resistance to flow of the test sample is measured by rotating the paddle at a known speed. Figure 2 presents a typical trace of an RVA test and shows how the viscosity increases rapidly to a peak after starch gelatinization. Continued heating and shearing of the flour batter damages the starch granules, causing the release of water initially absorbed by the granules when the viscosity first increases, thereby reducing the viscosity. A minimum thermal viscosity is then reached and then begins to increase as the temperature gradually decreases. The starch was subjected to constant shear throughout the test, which provided useful information on stability during processing of food materials dependent on the physical properties and quality of the starch.

In conclusion, the viscosity of food products is an important property that plays an important role in the processing of batter and dough systems and plays an important role in the textural properties of food products such as soups and sauces. There are a variety of techniques available for measuring viscosity, ranging from simple, quickly performed tests to more comprehensive characterizations in the form of flow curves. Materials with complex viscous behavior, such as chocolate, require specially designed tests to obtain flow properties relevant to the end use.