粘度计及其作用在食品和饮料行业

在本文中,我们将考虑粘度是什么,它是如何测量和粘度测定法的应用在食品和饮料行业。

当力量或压力是应用于流体,它流动,导致内部摩擦抗流。因此,粘度是定义为流体的内部摩擦,或者换句话说,其抵抗流动的能力。

考虑流体的层流层,描述粘度公式简单,代表在厘泊(cP)或Pascal秒(Pa):

所需要的剪切应力是单位面积上的力移动流体的层流层,而剪切速率的关系是两个层流流体层之间的速度。这只适用于牛顿流体,在一定温度下,粘度会保持不变的函数剪切速率的变化(例如,水)。然而,大多数的液体不如此行事,被称为非牛顿,需要衡量他们的粘度和不同的考虑。更深入的了解这些现象及其影响,额外的阅读建议。¹

实际上,与高粘度流体流动缓慢,出现厚比流体粘度较低(图1)。这个属性是高度依赖的内在特征材料等分子组成,溶质浓度,结构组织和密度。此外,粘度不应被视为一个绝对值,而是等外部因素的函数温度,剪切和压力,所有这些影响粘度,因此,技术和食品的感官性质。

图1:流比较高粘度流体(左)和低粘度液体(右)在相同的温度。

粘度计、粘度计、是任何仪器用来测量液体的粘度。⁴这些类型的仪器只有一个流条件下测量粘度,与其他类的仪器能够确定粘度在不同流动条件下,调用流变仪。虽然粘度计是通用和精确,他们是更便宜,轻便,易于操作,并提供更快的决定,使它们在生产和质量控制应用程序的第一选择。⁵

粘度决定可以执行基于数量的方法,测量物体保持静止和流体穿过它,或流体静止和测量物体穿过它。在这两种情况下,在层流流动条件必须维护政权。⁶流体之间的相对运动和阻力测量对象的表面原因,允许粘度测量。基于设备的相对运动和几何,几种类型的粘度计,以及他们的精度和目标应用程序可以被定义。考虑到不同的粘度测定法的方法,有两种截然不同的方式来表达粘度,绝对粘度或运动粘度。绝对的或动态粘度是由观察下流体的流动阻力控制的外力,而运动粘度是由观察流体的流在重力的作用下。¹这些两种方式表达粘度可以互换通过考虑流体的密度,增加运动粘度的流体的密度得到绝对粘度,或绝对粘度除以密度获取运动粘度。

- - - - - -毛细管粘度计和流杯(孔板粘度计)

这些仪器的工作原理是基于所需的时间的确定标准体积的液体通过毛细管。简单的设计和简单的操作让他们好替代常规测量和质量控制。然而,他们是有限的低粘度液体没有固体颗粒悬浮,这限制了他们利用饮料和液体成分。最常见的配置之一是奥斯特瓦尔德的“U”型毛细管粘度计提出了如图2所示。这些工具通常在热稳定浴后,上面的灯泡是充满了液体,液体通过所需的时间标志是记录并乘以一个仪器常数液体的运动粘度。²时间的液体通过毛细管成正比的动态粘度和流体的密度成反比。另一个简单的配置毛细管粘度计的流杯或孔式粘度计(图2 b)。该设备由一个水库和孔板或毛细管,并通过确定工作时间流体通过孔板。⁷这些仪器价格低廉,操作方便,多才多艺,然而他们是不准确的,因为他们不保证恒压孔。

图2: 图的奥斯特瓦尔德粘度计(A),流杯(B)和管粘度计(C)。

加压版本的毛细管和流杯粘度计可以用来测量期间为了保持恒压和高压力下操作,使其利用率高粘性液体。在这种情况下,液体由气体压力或移动活塞,可以引发的重量或驱动电动机。

在同一类别的毛细管粘度计,管粘度计(图2 c)使用水平管的密封槽确定粘度。²在这些仪器,确定压力沿管在不同的位置,在特定流量和压降是用来计算流动阻力,因此粘度。管粘度计尤其适合在线决定,通常用于工业设施。

- - - - - -活塞下降粘度计

活塞下降粘度计使用活塞在缸取代流体或容器。汽缸充满测试液后,活塞下降在重力作用下,驱替流体通过活塞与气缸之间的间隙(图3),造成剪切效应。⁸通过测量活塞的下降时间、样品粘度可以确定。控制剪切速率的能力,通过改变活塞的质量,使该设备适合描述流体参与高剪切率的操作。这些工具也易于操作和维护,提供产品寿命长。的主要缺点是性能不均匀的样品,如颗粒悬浮液,可能受损。

图3: 图的活塞式粘度计下降。

- - - - - -落球粘度计/滚球粘度计

落球或滚动球粘度计测量球的滚动/下降时间通过流体管中包含,重力作用的驱动力。²的倾向可能会有所不同从一个垂直配置(在80年°和90年°),允许自由落体的球,因此被指定为落球粘度计,或斜(在80年°和10°),指定的滚球。球下一个决定所需的时间距离成正比的流体粘度(图4)。所涉及的变量测量流体密度、球密度、长度和时间的球运动及其终端速度。这些工具非常适合测量牛顿液体,操作方便,甚至可以轻松简易在实验室。角度的调整允许将设备调整根据粘度范围内,多才多艺。然而,他们仅限于non-particulate样本和样本不能用于不透明,因为球不能看到。

图4: 图的滚球粘度计。 α 表示倾角。

- - - - - -旋转粘度计

旋转粘度计操作下旋转移动的主要部分,由电动机驱动,接触测试液体。转轴的转矩用于确定流体的流动阻力,计算动态粘度。因为这些工具是由一个马达,他们可以在不同的剪切率。这个特性允许他们操作低于和高于来自设备的范围,从而使测量更大范围的样本。¹此外,他们允许粘度测量了样品在不同剪切率,从而促进生产的g粘度曲线,基本为非牛顿流体。

最常见的变化这种类型的设备称为经营下的布氏粘度计塞尔原则⁹(图5)。固定杯内的电动机驱动轴包含测试液。主轴的转速使阻力,因此电动机转矩。克服所需的扭矩测试液体的粘性力是衡量其粘度。这个系统可以用于牛顿和非牛顿食品是最常见的一种粘度计用于质量控制由于其通用性。设备运行在不同的旋转速度,可以使用不同的纺锤波有不同的几何图形。这些范围从光盘,气缸,cylinder-cones具有不同直径和特殊形状包括几种类型的桨和叶片,允许用户选择不同的条件,不同的样本类型,如低粘度、高粘度、颗粒和胶状液体。

另一个特定几何形状的旋转粘度计是双间隙系统,专门设计了用于测量低粘度液体。世界杯是一个双同心柱,如一个细长的戒指,主轴的形状作为逆杯,杯子的环形间隙。这个配置最大化与流体接触的表面积,因此,它能够检测到低扭矩值作为典型的低粘度产生的样本。

图5: 图的布氏粘度计(左)和不同的主轴的几何图形,从左到右,光盘, cylinder-cone,桨和叶片几何图形。

类似的原则可用于平行板和锥板几何图形。在这些类型的几何图形,一盘或锥旋转在样本放在一个固定板(图6)。这些系统操作与狭窄的缝隙之间的几何和固定板移动,因此只需要少量的样本。然而,小限制了技术差距non-particulate样品和开放的,样品可以在高转速下逃脱,由湍流和离心力的作用。另一方面,楔形缺口锥所造成的结果在一个恒定的剪切速率被应用在整个缺口,收益率优势绝对粘度的测量值。²

图6: 平行板图(左)和锥板(右)的几何图形。

- - - - - -振动式粘度计和振荡粘度计

振动粘度计操作通过测量振荡的阻尼谐振器沉浸在测试液,像一个音叉振动(图7)。电磁驱动控制传感器的振动板,和共振的能量可以通过测量能量用于维护以恒定的振幅,振动的阻尼由液体粘度成正比。另一种替代方法是确定振动的衰减时间一旦输入功率降低,衰减也直接正比于流体的粘度。¹⁰

振动粘度计使用单个探测器(球、杆或板)振动测试流体接触(图7 b)。振动表面接触测试流体对剪切应力由于表面运动,因此可以通过测量粘度权力需要保持一个恒定的振幅。¹⁰

振动和振动粘度计收益率高灵敏度等优点广泛的粘度(从低粘度液体、半固体或液体堵塞),没有移动部件,易于维护。这个特点使得这些类型的设备在线测量的黄金标准管道和坦克。

图7:振动图(A)和(B)振荡粘度计。

- - - - - -其他类型的工具

也有模仿粘度计,依靠经验原则模拟操作条件下非牛顿流体的流动食品。这个简单的装置通常提供一个点测量。尽管他们灵敏度和工作范围有限,可用于质量控制和粗略的测量。这类设备的一个很好的例子是Bostwick稠度计(图8),由样品室(一)门由一个弹簧触发(b)。门一旦打开,测试流体流动在一个斜坡(c)坐在一个特定的角度。一个确定的时间后,乘坐流动样本记录长度,和成正比产品的粘度。这个设备操作简单,健壮和提供快速且一致的决心,尤其适合酱汁、贴、果酱和各种高粘性和particulate-containing食物。

图8: 图的Bostwick稠度计。

正如前面讨论的,粘度计通常操作仪器,提供快速的结果,甚至可以用于在线测量。然而,为了正确测量粘度,必须考虑一系列因素,即:

• 温度变化
• 相分离
• 不均匀的样品由于大型粒子的存在

因此,根据被测产品的特异性,必须选择最合适的类型的仪器。¹¹

在过程控制仪器的情况下,它们安装在处理植物安装(如坦克或管道)为了获得实时数据的过程。管式、振动或摆动式粘度计是用于这些类型的应用程序。¹²关于质量控制测量,样品被随机的基础上验证加工条件和产品的质量标准、旋转、“U”管粘度计或Bostwick稠度计被经常使用。这些工具是主要选择在这些应用程序通用的,可以为几种类型的样品提供测量和加工条件(例如,粘度范围广和操作温度),在工业条件下可以快速提供必要的数据。如果需要,他们可以快速清理和适应其他操作条件,使测量的几个样品在短时间内与不同的特异性。这种多功能性和快速反应,产量最大的优势粘度计对最精确的流变仪等仪器。¹³

许多因素可能会影响食物的质量和稳定性,粘度和绝对是一个在制造工艺方面获得更多的关注。关于粮食生产,粘度是一个关键参数优化流条件下,尺寸泵、管道、控制的能源消耗,减少浪费和决赛产品的质量。^1,14

粘度也非常相关的制定阶段食品。让我们来烘焙产品的例子,一个(即数量的阶段。、面粉、水、脂肪、空气)是一个稳定的分散混合。为了保持分散,避免相分离和保持空气混合与烘焙期间,系统必须持有足够的粘度。同一原则适用于泡沫的制备乳剂等胶体悬浮液在酱汁,汤、蛋奶等等。

质量控制是另一个区域的粘度决定往往是实现食品工业的基础。它们可以被用来控制原料的质量,如糖浆、油和液体蛋等等。这不仅验证其适用性在使用过程,但也允许分析师预测偏差和执行修正公式。对最终产品的控制,粘度决定是标准的方法来验证产品的质量和稳定性,确保他们满足技术规格。

但粘度决定在食品工业的重要性远远超出传统生产模式也是至关重要的帮助现在的食品革命。受环境、伦理和社会变化,生产和消费模式正在被重新定义。新食物肉类似物等旨在减少或改变蛋白消费从动物性、植物性来源。肉类替代品和肉类似物的发展依赖于创新技术,如3 d打印或高水分挤压,使用蛋白质成分以及牙龈和其他聚合物。这些过程的目标是创建正确的纹理和模仿肉结构一致性。粘度是一个关键因素,定义设备的设计,过程和最终的决定因素的属性发展食品。^15,16,17

新食物的设计也遵循的趋势提供了额外的安全与健康的好处。食品开发针对特定疾病已经成为现实,而在最常见的情况是在婴儿食品配方针对吞咽控制或吞咽困难的病人。¹⁸据报道,一个理性的设计基于特定剪切粘度的控制利率降低窒息的风险。¹⁹另一个行动领域是stomach-emptying率之间的关系和饱腹感,消化和血糖指数。事实上,它成立的粘性食物在胃排空中起着决定性的作用,因此设计调整粘度食物可能在公共卫生带来重要的影响,可能有助于控制糖尿病和肥胖。^20.

因此,可以得出结论,粘度的测定食品和饮料和成分是至关重要的质量和过程控制,以及影响消费,感官体验,消费者的安全与健康。用来测量粘度的技术往往是简单快速,但仔细选择在各种测试设备和条件是获得质量测量的基础。选择将取决于食品的类型和应用,并受到温度的影响,样本同质性、相变和类型的流。

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