浓缩固-液分散体系的流变特性

《Food Hydrocolloids》：Rheological properties of the concentrated solid–liquid dispersion systems

　　

本研究旨在定量评估浓缩固-液分散体系的流变特性，并阐明固体食品材料的力学性能、粉碎行为与食团流变学之间的关系。研究人员采用明胶基和琼脂基凝胶作为模型水胶体凝胶系统，以研究从固体结构向食团状态的转变。动态粘弹性测量表明，储能模量（G′）和损耗模量（G″）相对于固体质量分数呈幂律关系，并通过参数K_s′、K_s″、m′和m″进行表征。K_s′和K_s″分别代表食团的弹性和粘性贡献，而m′和m″则描述这些性质对液体诱导结构破坏的敏感性。断裂系数（k）通过咀嚼过程中比表面积的增加计算得出，提供了粉碎效率的定量指标。此外，基于弹性变形阻力与断裂诱导表面生成之间的平衡，定义了固体毛细数（Ca_s），用于解释固相力学性能与食团流变学之间的关系。Ca_s与K_s′和K_s″之间的关系呈非单调趋势，在低Ca_s区域呈上升趋势，在高Ca_s区域呈下降趋势。尽管明胶和琼脂凝胶在力学性能和断裂行为上存在差异，但当以Ca_s表示时，它们大致遵循共同的关系。这些发现表明，结合流变参数、断裂系数和Ca_s可能为表征食品力学性能、粉碎行为与食团流变学之间的关系提供一种有前景的方法。

**论文解读：浓缩固-液分散体系流变特性与咀嚼行为关系的定量研究**

**一、研究背景与问题**

饮食是人类健康的基础，而安全有效的咀嚼和吞咽能力对营养摄入至关重要。然而，老龄化常伴随口腔功能衰退，导致咀嚼障碍和吞咽困难，增加营养不良风险。现有食品分类系统（如国际吞咽障碍饮食标准化倡议IDDSI）虽为质地改良食品提供了标准化框架，但对介于固体和完全改良食品之间的过渡性食品质地缺乏明确物理标准，尤其未能充分考虑咀嚼过程中的动态质地变化（如破碎、湿润等）。因此，需要建立食品力学性能、粉碎行为与食团流变学之间的定量关系，以科学指导过渡性食品的设计与分类。

**二、研究目的与意义**

本研究旨在定量评估浓缩固-液分散体系的流变特性，并阐明固体食品材料的力学性能、粉碎行为与食团流变学之间的关系。通过引入断裂系数（k）和固体毛细数（Ca_s）等新参数，为食品口内加工过程的客观表征提供科学依据。论文发表在《Food Hydrocolloids》。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用明胶基和琼脂基凝胶作为模型水胶体系统，制备不同浓度的凝胶颗粒（2.8–3.35 mm），并与纯水混合形成固定固体质量分数（0.5–1.0）的浓缩固-液分散体系。关键技术包括：1）单轴压缩试验测量固相材料杨氏模量、断裂应力等力学参数；2）动态粘弹性测量（3 Hz频率，模拟人类咀嚼频率）获取储能模量（G′）和损耗模量（G″）；3）图像分析（VGSTUDIO MAX软件）测定颗粒等效圆直径，计算比表面积变化；4）基于Rittinger定律定义断裂系数k，以及基于弹性阻力与断裂表面生成平衡定义固体毛细数Ca_s。

**四、研究结果**

**3.1 固相材料力学性能评估**
通过单轴压缩试验，明胶和琼脂凝胶的力学性能随浓度增加而增强。琼脂凝胶具有高刚度、低断裂应变，呈脆性断裂；明胶凝胶则表现出高形变能力，断裂应变>90%，呈延性断裂。

**3.2 浓缩固-液分散体系的动态粘弹性**
G′和G″随固体质量分数呈幂律关系，拟合参数K_s′、K_s″、m′、m″可用于定量描述食团弹性、流动性和液体诱导结构破坏的敏感性。明胶凝胶的K_s′、K_s″、m′、m″均高于琼脂，归因于明胶颗粒的柔韧性和变形重组能力更强。

**3.3 固相力学性能与分散体系流变的关系**
杨氏模量（E_Y）和断裂应力（σ_r）与K_s′、K_s″呈正相关，但明胶和琼脂数据发散，表明流变行为不仅受材料刚度影响，还受断裂模式和颗粒间相互作用支配。低浓度明胶凝胶因颗粒高变形性和粘聚性，表现出高于预期线性关系的流变值。

**3.4 咀嚼诱导粉碎与分散体系流变的关系**
引入断裂系数k后，k与K_s′、K_s″呈现共同趋势，表明分散体系流变与破碎能量和表面生成效率密切相关。但低浓度明胶凝胶仍偏离共同关系，说明颗粒形变能力和相互作用也起重要作用。k比单纯力学参数（E_Y、σ_r）更能综合反映粉碎过程。

**3.5 固体毛细数与咀嚼过程中分散体系流变的关系**
固体毛细数Ca_s定义为弹性阻力与断裂表面生成阻力的比值，反映初始硬度与后续破碎行为的平衡。Ca_s与K_s′、K_s″呈非单调关系：低Ca_s区域（明胶体系）流变参数随Ca_s增加而上升；高Ca_s区域（琼脂体系）则下降。尽管明胶和琼脂力学性能差异显著，但数据在Ca_s标度下大致遵循共同关系，表明Ca_s可作为描述固相力学、粉碎行为与食团流变之间关系的有效机制参数。

**五、讨论与结论**

本研究表明，结合流变参数（K_s′、K_s″、m′、m″）、断裂系数（k）和固体毛细数（Ca_s）可定量描述食品力学性能、粉碎行为与食团流变学之间的关系。K_s′和K_s″反映食团弹性和流动性与液体诱导结构破坏的敏感性；k评估粉碎效率；Ca_s整合弹性阻力与表面生成阻力，可解释不同材料在咀嚼过程中的流变行为差异。研究结论指出，该参数组合为过渡性食品的理性设计提供了科学基础，有助于改善口腔功能受损人群的饮食安全与一致性。未来需扩大材料种类和Ca_s范围以验证参数普适性。