Reologia zajmuje się badaniami zjawisk od-
kształcenia i przepływu ciał rzeczywistych
pod wpływem naprężeń zewnętrznych.
Opisuje ona zjawiska występujące w bardzo
szerokim zakresie pośrednim pomiędzy sta-
nem stałym i płynnym. Materiałami lepkimi
są płyny, które pod wpływem odpowiednio
małego naprężenia zewnętrznego przepły-
wają z określoną szybkością odkształcenia
do momentu występowania tego napręże-
nia, a cała dostarczona energia jest natych-
miast rozpraszana w postaci ciepła wskutek
przepływu materiału. Ciała sprężyste pod
wpływem odpowiednio małych naprężeń
zewnętrznych ulegają odkształceniu,
a po usunięciu przyłożonego naprężenia
powracają do początkowego kształtu. Na-
tomiast materiały lepkosprężyste wykazują
równocześnie cechy sprężystego ciała sta-
łego i płynu lepkiego. Reakcja materiałów

przez czynniki zewnętrzne (temperatura,
ciśnienie, działanie tlenu). Wszystkie te
przemiany mogą powodować przekształca-
nie struktur pierwotnych w formy prostsze
(degradacja) lub bardziej złożone (agregacja,
polimeryzacja).
Metody reologiczne znajdują szerokie
zastosowanie w nauce o żywności w kilku
obszarach. Jednym z obszarów zastosowania
reologii jest zapewnienie odpowiednich
warunków technicznych prowadzenia
procesów przetwórczych. Optymalizacja
zużycia energii mechanicznej i cieplnej oraz
rozkład czasu przebywania przetwarzanego
materiału w przestrzeni roboczej urządzeń
warunkują prawidłowość przebiegu więk-
szości procesów i operacji jednostkowych.
Zagadnieniami związanymi z bieżącą kon-
trolą jakości w warunkach przemysłowych
zajmuje się reologia techniczna, która
obejmuje pomiary parametrów reologicz-
nych za pomocą reometrów instalowanych
bezpośrednio w liniach technologicznych.
Przykładowy schemat takiego reometru
pokazano na rysunku 1.
Oprócz bieżącej kontroli właściwości prze-
pływowych przetwarzanego materiału uzy-
skuje się dodatkowo informacje istotne
dla kształtowania takich cech produktu,
jak lepkość, konsystencja, tekstura i cechy
kinestetyczne.
Kolejnym obszarem, w którym metody
reologiczne znajdują szerokie zastosowanie,
są badania zajmujące się określaniem relacji
pomiędzy strukturą materiału a obserwo-
wanymi właściwościami reologicznymi.
Zasadniczymi czynnikami kreującymi
strukturę żywności są: budowa chemiczna
(udział wiązań o różnej sile), oddziaływania
steryczne oraz oddziaływania na granicy faz.
Podstawą klasyfikacji struktury żywności
pod względem makroskopowym są właściwie
zaplanowane badania reologiczne, które
umożliwiają również kontrolę i projektowa-
nie właściwości funkcjonalnych żywności,
takich jak np. zwiększenie lepkości, stabi-
lizacja, sieciowanie i żelowanie. Metody
reologiczne stanowią również podstawę
badań zjawisk fizycznych zachodzących
w wielofazowych układach żywnościowych,
takich jak np. sedymentacja, agregacja
i f lokulacja, separacja faz, koalescencja
i synereza żeli.
Kolejnym obszarem zastosowania metod
reologicznych w nauce o żywności jest ko-
relacja cech sensorycznych i reologicznych
produktów żywnościowych. Takie cechy

Metody reologiczne
w analizie żywności

dr Lesław Juszczak

Katedra Analizy i Oceny Jakości Żywności
Akademia Rolnicza w Krakowie

lepkosprężystych na naprężenia zewnętrzne
wynika jednak nie tylko z posiadanych wła-
ściwości sprężystych i lepkich, ale również
z czasu i sposobu odkształcenia. Materiał
odkształcany w relatywnie krótkim czasie
wykazuje właściwości ciała sprężystego,
natomiast w dłuższych przedziałach czasu
dominują właściwości lepkie.
Reologia materiałów pochodzenia biologicz-
nego, w tym żywności, stanowi szczególny
przypadek ze względu na złożoność struk-
tury materiałów, które mogą mieć postać
od roztworu rzeczywistego do skompliko-
wanych układów wielofazowych. Najczę-
ściej występujące typy struktur surowców
i produktów żywnościowych to:
• roztwory rzeczywiste (roztwory cukru,

chlorku sodu),

• mieszaniny związków o niskim ciężarze

cząsteczkowym (oleje rafinowane),

• dyspersje koloidalne (odtłuszczona ser-

watka, surowe białko jaja),

• emulsje (mleko, śmietana, majonez, masło),
• układy koloidalno-zawiesinowe (niekla-

rowne soki owocowe i warzywne),

• żele (żelatynowe, pektynowe, skrobiowe),
• układy koloidalno-emulsyjne o strukturze

żelopodobnej (jogurt, kefir),

• spienione układy koloidalno-emulsyjne

(lody),

• układy koloidalno-zawiesinowe o struktu-

rze żelopodobnej (dżem).

Dodatkowo w wielu przypadkach materiały
żywnościowe odznaczają się zmiennością
w czasie, która może być wynikiem natural-
nych wewnętrznych procesów chemicznych,
biochemicznych lub mikrobiologicznych.
Zmienność ta może być również indukowana

Rheological measurements are quite relevant in the food industry as a tool
for physical characterization of raw materials and finished food products.
Also real-time monitoring and control of food processing applications have
grown significantly. Most materials exhibit some viscous and some elastic
behaviour simultaneously and are called viscoelastic. Almost all foods, both
liquid and solid, belong to this group. This paper will focus on the short review
of some rheological tests of great interest to the food industry with selected
examples.

Rys. 1. Wiskozymetr z układem współosiowych
cylindrów do pomiarów inline.

laboratorium przemysłowe |

metody reologiczne w analizie żywności

Laboratorium |

5

/2005

34

sensoryczne, jak lepkość, płynność i konsystencja, mogą być oznaczane
metodami instrumentalnymi (reologicznymi), a rezultaty takich badań
często korelują z wynikami uzyskanymi za pomocą analiz sensorycz-
nych z udziałem odpowiednio przeszkolonego zespołu oceniających.
W konsekwencji pozwala to zastępować znacznie bardziej skompli-
kowaną analizę sensoryczną obiektywnymi i mniej pracochłonnymi
metodami instrumentalnymi.

Klasyfikacja cieczy

Podstawą klasyfikacji cieczy jest wykres zależności naprężenia ści-
nającego od szybkości ścinania (

τ = f(γ)). Wykres ten nazywa się

krzywą płynięcia lub reogramem. W przypadku cieczy newtonowskiej
zależność ta jest linią prostą przechodzącą przez początek układu
współrzędnych, a jej współczynnik kierunkowy jest równy lepkości
dynamicznej. Zależność tę opisuje prawo Newtona:

τ = η · γ

gdzie:

τ – naprężenie ścinające (Pa), η – lepkość (Pa·s), γ – szybkość

ścinania (1/s).
W przemyśle spożywczym do płynów newtonowskich należą: woda,
klarowane soki, odtłuszczone mleko, oleje jadalne, roztwory rzeczy-
wiste o niskich stężeniach oraz miód. Przykładowe krzywe płynięcia
klarowanego soku wiśniowego o różnej zawartości ekstraktu pokazano

na rysunku 2. Zależność lepkości dynamicznej od stężenia (

η = f(c))

można opisać funkcją potęgową lub wykładniczą.
Lepkość płynów bardzo silnie zależy od temperatury i maleje wraz z jej
wzrostem. Przykładowe krzywe zależności lepkości od temperatury
[

η = f(T)] dla dwóch miodów pokazano na rysunku 3.

Wpływ temperatury na lepkość opisuje równanie Arrheniusa:

η = η

∞

· exp(E

a

/RT)

gdzie:

η

∞

– stała, E

a

– energia aktywacji płynięcia (J/mol), R – stała

gazowa (J/mol·K), T – temperatura (K).
Wyznaczone na tej podstawie wartości energii aktywacji płynięcia
dla przykładu pokazanego na rysunku 3 wynoszą: dla miodu gry-
czanego – 92,34 kJ/mol, a dla miodu lipowego – 103,58 kJ/mol.
Innym równaniem opisującym zależność lepkości od temperatury,
szczególnie w obszarze przejścia w stan szklisty, jest równanie WLF
(Wiliams-Landel-Ferry):

ln(

η/η

G

) = C

1

·(T – T

G

)/C

2

+(T–T

G

)

gdzie: C

1

, C

2

– stałe,

η

G

– lepkość przy przejściu w stan szklisty (Pa·s),

T

G

– temperatura przejścia w stan szklisty (K).

Wyznaczone na tej podstawie parametry dla próbek miodów (rys. 3)
wynoszą: dla miodu gryczanego –

η

G

= 2,86·10

11

Pa·s, T

G

= 220,34 K,

a dla miodu lipowego –

η

G

= 2,56·10

11

Pa·s, T

G

= 227,43 K.

Na podstawie badań eksperymentalnych budowane są również mo-
dele opisujące kombinowany wpływ np. temperatury i stężenia na
lepkość dynamiczną cieczy. Pozwalają one na szacowanie wartości
lepkości w szerokim zakresie temperatur i stężeń, co z punktu wi-
dzenia projektowania urządzeń i linii technologicznych ma bardzo
duże znaczenie.

Rys. 3. Krzywe zależności lepkości od temperatury.

Rys. 2. Krzywe płynięcia soku wiśniowego o różnej zawartości ekstraktu
w temperaturze 20

o

C.

35

metody reologiczne w analizie żywności

| laboratorium przemysłowe

Laboratorium |

5

/2005

35

Większość materiałów spożywczych płyn-
nych i półstałych, np. zawiesiny i emulsje,
wykazuje jednak bardzo istotną nieliniową
zależność pomiędzy naprężeniem ścinają-
cym (lepkością) a szybkością ścinania, przez
co nie spełniają one prawa Newtona. Stąd
ciecze te nazywane są nienewtonowskimi.
Na rysunku 4 pokazano krzywe płynięcia
cieczy nienewtonowskich reologicznie
stabilnych.
W większości przypadków podczas przepły-
wu płynów rzeczywistych ich lepkość maleje
wraz ze wzrostem szybkości ścinania, a ciecze
te nazywa się rozrzedzanymi ścinaniem (lub
pseudoplastycznymi). Krzywą płynięcia
takiej cieczy pokazano na rysunku 4(a).
Obserwowany spadek lepkości podczas
przepływu związany jest z takimi zjawiskami,
jak orientacja lub deformacja cząstek, rozcią-
ganie łańcuchów tworzących strukturę lub
rozkład agregatów. Najprostszym równaniem
opisującym doświadczalne krzywe płynięcia

takich cieczy jest model potęgowy Ostwalda
i de Waele’a:

τ = K · γ

n

lub

η

ap

= K · γ

n-1

gdzie: K i n są parametrami reologicznymi
modelu, K – współczynnik konsystencji (Pa·s

n

)

– jest miarą lepkości cieczy, n – wskaźnik pły-
nięcia – jest miarą odstępstwa od właściwości
newtonowskich i dla cieczy pseudoplastycz-
nych przyjmuje wartości od 0 do 1.
Zdecydowanie rzadziej niż pseudoplastycz-
ność występuje zjawisko zagęszczania ścina-
niem – dylatancji (krzywą płynięcia pokazano
na rysunku 4(b)). W tym przypadku wskaź-
nik płynięcia modelu potęgowego przyjmuje
wartości większe od 1. Dla materiałów
żywnościowych zjawisko dylatancji obser-
wowano w przypadku stężonych i ogrzewa-
nych zawiesin skrobiowych. Chociaż model
potęgowy, ze względu na swą prostotę, jest
powszechnie stosowany, posiada on pewne
wady. Na przykład dla płynów rozrzedzanych
ścinaniem model ten przewiduje, że jeżeli
szybkość ścinania dąży do zera, to lepkość
dąży do nieskończoności, i odwrotnie, jeżeli
szybkość ścinania dąży do nieskończoności,
to lepkość dąży do zera. W rzeczywistości,
zarówno w przypadku szybkości ścinania dą-
żącej do zera, jak i nieskończoności, wartość
lepkości dąży do stałej skończonej wartości.
Stąd w literaturze przedmiotu proponowane
są inne modele, np. równanie Carreau:

η

αp

=

η

∞

+ (

η

0

–

η

∞

)/[1+(

λ

c

·γ)

2

]

N

gdzie:

η

0

i

η

∞

są wartościami lepkości od-

powiednio przy szybkości ścinania dążącej
do zera i nieskończoności,

λ

c

– parametr

posiadający wymiar czasu i charakteryzują-
cy zmiany struktury ścinanego materiału,
N – bezwymiarowy wykładnik.

Kolejną grupą płynów są ciecze posiada-
jące granicę płynięcia [

τ

0

(Pa)]. Ich krzywe

płynięcia pokazano na rysunku 4 (c i d).
Samą granicę płynięcia określa się jako
krytyczną wartość naprężenia ścinającego,
po przekroczeniu której następuje przepływ.
Chociaż fizyczny sens istnienia granicy
płynięcia poddawany jest często dyskusji,
jednak sama jej koncepcja ma duże znacze-
nie praktyczne. Najprostszym przykładem
cieczy wykazującym granicę płynięcia jest
płyn lepkoplastyczny Binghama (rys. 4(d)).
Ciecz ta nie płynie aż do osiągnięcia warto-
ści granicy płynięcia, a po przekroczeniu tej
wartości krzywa płynięcia jest linią prostą.
W tym przypadku krzywą płynięcia opisuje
równanie:

τ = τ

0

+

η

p

·γ

gdzie:

τ

0

– granica płynięcia (Pa),

η

p

– lepkość

plastyczna (Pa·s).
W przypadku materiałów żywnościowych
wykazujących granicę płynięcia znacznie
częściej występuje nieliniowa zależność po-
między naprężeniem ścinającym a szybkością
ścinania [rysunek 4(c)]. Oczywiście możliwy
jest również przypadek cieczy dylatancyjnej
z granicą płynięcia. Krzywe płynięcia nieli-
niowych cieczy z granicą płynięcia opisuje
równanie Herschel-Bulkleya:

τ = τ

0

+ K·γ

n

gdzie:

τ

0

– granica płynięcia (Pa), K – współ-

czynnik konsystencji (Pa·s

n

), n – wskaźnik

płynięcia.
Innym równaniem opisującym takie zacho-
wanie się cieczy jest model Cassona:

τ

0,5

=

τ

0C

0,5

+ (

η

C

·γ )

0,5

gdzie:

τ

0C

– granica płynięcia (Pa),

η

C

– lep-

kość plastyczna Cassona (Pa·s).

Rys. 5. Wyznaczanie granicy płynięcia na podsta-
wie zależności odkształcenia od naprężenia.

Rys. 6. Krzywe płynięcia majonezów.

Rys. 4. Krzywe płynięcia cieczy nienewtonow-
skich reostabilnych: a – ciecz rozrzedzana ścina-
niem, b – ciecz zagęszczana ścinaniem, c – ciecz
rozrzedzana ścinaniem z granicą płynięcia,
d – płyn lepkoplastyczny Binghama.

laboratorium przemysłowe |

metody reologiczne w analizie żywności

Laboratorium |

5

/2005

36

W technologii żywności model ten stosuje
się powszechnie do opisu właściwości
reologicznych stopionej czekolady. W prze-
twórstwie żywności granica płynięcia ma
duże znaczenie praktyczne. Wartość ta może
być wskaźnikiem spójności i jednorodności
materiału, stanu żelowania oraz odporno-
ści na wibracje (np. podczas transportu)
i separację faz (np. podczas składowania).
Najczęściej granice płynięcia wyznacza się
za pomocą matematycznego opisu krzy-
wych płynięcia (modele Herschel-Bulkleya
i Cassona). W tym przypadku w celu
zwiększenia dokładności pomiaru zaleca się
stosowanie trybu z kontrolowanym naprę-
żeniem ścinającym (CSS) w zakresie niskich
szybkości ścinania. Inną metodą wyznaczania
granicy płynięcia z wykorzystaniem trybu
kontrolowanego naprężenia jest wyznaczanie
zależności odkształcenia od przyłożonego
naprężenia [

γ = f(τ)] (rys. 5).

Kolejnym przykładem wyznaczania granicy
płynięcia jest zastosowanie wirnika łopatko-
wego (vane). Zaletą tej metody jest to, że
pomiary można wykonać w opakowaniach,
w których znajduje się badany produkt
(np. jogurt w kubku), co dodatkowo za-
pewnia, że jego struktura nie jest niszczona
podczas umieszczania go w elemencie po-
miarowym (np. współosiowych cylindrach)
reometru.
Wszystkie omówione do tej pory rodzaje
cieczy stanowią grupę płynów reologicznie
stabilnych, tzn. takich, których właściwości
nie zależą od czasu (historii) ścinania. Kolejną
grupą cieczy są płyny reologicznie niesta-
bilne. W ich przypadku możemy mieć do
czynienia z dwoma zjawiskami: powszechnie
występującą tiksotropią oraz znacznie rza-
dziej występującą jej odwrotnością – antytik-
sotropią. Tiksotropią określa się opóźnione
przystosowanie się struktury materiału do
zmieniających się warunków ścinania podczas
przepływu lepkiego. Tradycyjnym testem
jakościowym na występowanie tiksotropii
jest tzw. test pętli histerezy, podczas którego
płyn tiksotropowy poddawany jest ścinaniu
ze wzrastającą szybkością do pewnej wartości
maksymalnej, po osiągnięciu której szybkość

ścinania z powrotem maleje do wartości po-
czątkowej. Jeżeli „krzywa powrotu” wykazuje
mniejsze wartości naprężeń ścinających niż
krzywa przy wzrastającej szybkości ścinania,
tworzy się charakterystyczna pętla histerezy
tiksotropii. W tym przypadku miarą tik-
sotropii może być pole powierzchni pętli
histerezy. Przykładowe krzywe płynięcia z pę-
tlami histerezy tiksotropii dla dwóch próbek
majonezów pokazano na rys. 6.
Inną metodą badania zjawiska tiksotropii jest
wykreślanie krzywych zależności naprężenia
ścinającego (lub lepkości pozornej) od cza-
su ścinania [

τ = f(t)] przy stałej szybkości

ścinania. Do matematycznego opisu danych
eksperymentalnych stosuje się np. model
Weltmana:

τ = A - B·ln(t)

gdzie: A – wartość naprężenia ścinającego
w pierwszej sekundzie testu (Pa), B – współ-
czynnik niszczenia struktury tiksotropowej.
W nowoczesnym przemyśle spożywczym wła-
ściwości tiksotropowe są bardzo istotną cechą
materiału. W wielu przypadkach materiał
musi pozostać zagęszczony, a nawet utrzy-
mywać zawieszone cząstki stałe w warunkach
niskiego lub zerowego ścinania, ale jednocze-
śnie musi być zdolny do płynięcia podczas
procesów technologicznych (przesył, napeł-
nianie opakowań) lub gdy jest poddawany
dużym naprężeniom (smarowanie pieczywa,
wyciskanie musztardy z opakowania).

Właściwości
lepkosprężyste

Większość układów żywnościowych wykazuje
cechy zarówno lepkie, jak i sprężyste. Mate-
riały lepkosprężyste poddane naprężeniom
zewnętrznym reagują zależnie od czasu dzia-
łania przyłożonego naprężenia. W przypadku
gdy naprężenie działa w bardzo krótkim
czasie, reagują jak ciała sprężyste, natomiast
gdy czas działania naprężenia jest dostatecz-
nie długi – jak płyn lepki. Pomiędzy tymi
dwoma skrajnymi reakcjami występują reakcje
pośrednie, w których, w zależności od czasu
działania naprężenia, udział cech sprężystych
i lepkich w obserwowanych właściwościach
reologicznych będzie zmienny. Właściwości

lepkosprężyste materiału wynikają z istnienia
w jego strukturze dwóch rodzajów wiązań: ta-
kich, które mogą magazynować energię, oraz
takich, które pod wpływem przyłożonego
naprężenia ulegają rozerwaniu. Właściwości
lepkosprężyste są często wyjaśniane za po-
mocą modeli mechanicznych złożonych ze
sprężyn i tłumików hydraulicznych, które
stanowią mechaniczne odpowiedniki właści-
wości sprężystych i lepkich. Bardziej skompli-
kowane modele mechaniczne powstają w wy-
niku łączenia tych elementów. Przykładowy
model mechaniczny ciała lepkosprężystego
(model Burgera) pokazano na rys. 7. Składa
się on z modelu ciała stałego Kelvina-Voigta

Rys. 7. Mechaniczny model Burgera.

Rys. 8. Krzywe relaksacji naprężeń: a – ma-
teriał doskonale sprężysty, b – lepkosprężyste
ciało stałe, c – lepkosprężysta ciecz, d – ciecz
doskonale lepka.

37

metody reologiczne w analizie żywności

| laboratorium przemysłowe

Laboratorium |

5

/2005

37

i modelu cieczy Maxwella połączonych sze-
regowo i nadaje się do opisu rzeczywistych
materiałów lepkosprężystych.
Badania właściwości lepkosprężystych
wykonywane są przeważnie w zakresie tzw.
liniowej lepkosprężystości, tzn. w obszarze,
w którym zależność pomiędzy naprężeniem
ścinającym a odkształceniem i szybkością
odkształcenia jest liniowa. Oznacza to, że
proces odkształcenia odbywa się w zakresie,
w którym wartości modułów sprężystości
i lepkości są stałe. W praktyce badania
właściwości lepkosprężystych materiałów

Rys. 10. Podstawowe typy układów makrocząsteczkowych: a – dyspersja rozcieńczona, b – dyspersja
splątana, c – żel słaby, d – żel mocny (rzeczywisty).

spożywczych prowadzi się w zakresie
bardzo małych odkształceń względnych
(0,001-0,03).
Jedną z metod badania właściwości lepko-
sprężystych jest relaksacja naprężeń. Zjawisko
relaksacji polega na stopniowym spadku
naprężeń w odkształcanym materiale bez
równoczesnej zmiany wartości odkształcenia.
W eksperymencie tym materiał odkształcany
jest w sposób nagły do osiągnięcia pewnej
wartości odkształcenia względnego, które
jest utrzymywane przez pewien czas. W tym
czasie rejestrowane są zmiany naprężenia po-
trzebnego do utrzymania tego odkształcenia.
Doskonale sprężyste ciało stałe zmagazynuje
całkowicie dostarczoną energię, a induko-
wane naprężenie początkowe pozostanie
niezmienne. W przypadku płynu idealnie
lepkiego cała dostarczona energia zostanie
natychmiast rozproszona i naprężenie
spadnie do zera. Krzywe relaksacji naprężeń
pokazano na rysunku 8.
Kolejną metodą statyczną wykorzystywaną
w badaniach właściwości lepkosprężystych
jest test pełzania i powrotu. Pełzanie jest
zjawiskiem rosnącego w czasie odkształcenia
próbki pod wpływem stałego naprężenia.
Metoda badania wykorzystująca to zjawisko
polega na poddaniu materiału działaniu
stałego naprężenia, przyłożonego nagle

i następnie działającego w określonym cza-
sie, podczas którego rejestrowane jest od-
kształcenie względne próbki. Po osiągnięciu
zadanego czasu naprężenie jest natychmiast
usuwane, a zmiany odkształcenia w czasie
są rejestrowane w dalszym ciągu. W zakresie
lepkosprężystości liniowej ciało doskonale
sprężyste osiąga natychmiast stałą wartość
odkształcenia względnego, które jest cał-
kowicie odwracalne i ustępuje natychmiast
po usunięciu zadanego naprężenia. W przy-
padku doskonałego płynu lepkiego po
przyłożeniu naprężenia następuje przepływ
materiału, a jego odkształcenie względne
wzrasta proporcjonalnie do czasu. Ponieważ
przepływ jest deformacją nieodwracalną, po
usunięciu naprężenia odkształcenie względne
pozostaje na stałym poziomie (jest nieodwra-
calne). Krzywe pełzania i powrotu pokazano
na rysunku 9.
Najpowszechniej stosowaną metodą ba-
dania właściwości lepkosprężystych jest
dynamiczne ścinanie oscylacyjne. Polega
ono na poddawaniu badanego materiału
harmonicznemu odkształceniu w czasie.
W zakresie liniowej lepkosprężystości zmia-
ny odkształcenia względnego i naprężenia
wyrażone są funkcjami sinusoidalnymi o tej
samej częstotliwości, lecz przesuniętymi
względem siebie o określony kąt (kąt przesu-
nięcia fazowego). Ciało doskonale sprężyste
ulega odkształceniu natychmiastowemu,
stąd w tym przypadku kąt opóźnienia fazo-
wego wynosi zero. W przypadku doskonale
lepkiego płynu odpowiedź materiału jest
opóźniona w fazie o kąt 90

o

. Natomiast

materiały lepkosprężyste charakteryzują się
kątem przesunięcia fazowego w zakresie
od 0 do 90

o

. W badaniach metodą dyna-

micznego ścinania oscylacyjnego oprócz
kąta przesunięcia fazowego wyznacza się
najczęściej wartości modułów: zachowaw-
czego (G’) oraz stratności (G”). Moduł
zachowawczy jest miarą tej części energii
dostarczonej do odkształcanego materiału,
która podczas cyklu jest magazynowana.
Natomiast moduł stratności jest miarą
energii rozproszonej w przepływie lepkim.
Stosunek modułu stratności do zacho-
wawczego jest liczbowo równy tangensowi
kąta przesunięcia fazowego (tg

δ = G”/G’).

Najczęściej wyniki takich eksperymentów
dynamicznych przedstawia się w postaci
spektrów mechanicznych, czyli zależności
modułów od częstotliwości [G’, G’ = f(

ω)].

Spektrum mechaniczne materiału charak-
teryzuje dokładnie i jednoznacznie typ

Rys. 9. Krzywe pełzania i powrotu: a – materiał
doskonale sprężysty, b – ciecz doskonale lepka,
c – materiał lepkosprężysty.

laboratorium przemysłowe |

metody reologiczne w analizie żywności

Laboratorium |

5

/2005

38

badanej struktury. Na rysunku 10 pokazano spektra mechaniczne
podstawowych typów układów makrocząsteczkowych.
W przemyśle spożywczym duże znaczenie odgrywają materiały okre-
ślane jako słabe żele. Spektra mechaniczne słabego żelu wykazują
pewną zależność od częstotliwości i wyższe wartości tangensa kąta
przesunięcia fazowego w porównaniu do żeli mocnych, dla których
tg

δ < 0,1. Słabymi żelami są materiały spożywcze, które pozostawione

w spoczynku wykazują właściwości podobne do właściwości ciała
stałego, ale mogą być łatwo przesyłane przewodami, nalewane, sma-
rowane (jogurt, ketchup, dżem, margaryny „lekkie”). Poza spektrami
mechanicznymi metodą dynamicznego ścinania oscylacyjnego wykreśla
się zależności modułów od temperatury [G’, G’ = f(T)] lub czasu
[G’, G’ = f(t)] przy stałej częstotliwości. Takie eksperymenty znajdują
szerokie zastosowanie w badaniach przejść fazowych zol – żel, np.
żelowanie hydrokoloidów białkowych i polisacharydowych, a także
ich mieszanin. Innym przykładem wykorzystania testów dynamicznych
jest badanie zjawiska retrogradacji skrobi.
Ze względu na ogólny postęp techniki wzrasta również postęp w roz-
woju teorii i technik badawczych w reologii. Nowoczesne techniki
reologiczne umożliwiają równoczesne badanie właściwości reologicz-
nych i termicznych lub optycznych (optoreologia). Całkowicie nowe
obszary badań reologicznych, które rozwinęły się w ostatnich latach,
to mikroreologia, reologia powierzchni, reologia wysokociśnieniowa
oraz elektro- i magnetoreologia. Techniki te otwierają całkowicie nowe
perspektywy badawcze, również w dziedzinie reologii żywności. ‰

Piśmiennictwo
1. Ferguson J., Kembłowski Z.: Reologia stosowana płynów. Wydawnictwo

Marcus, Łódź 1995.

2. Gallegos C., Franco J.M.: Rheology of food, cosmetics and pharmaceuticals.

“Current Opinion in Colloid & Interface Science”, 1999, 4, 288-293.

3. Gunasekaran S., Ak M.M.: Dynamic oscillatory shear testing of foods

– selected applications. “Trends in Food Science & Technology”, 2000,
11, 115-117.

4. Kembłowski Z., Kiljański T.: Ćwiczenia laboratoryjne z reometrii tech-

nicznej. Redakcja Wydawnictw Naukowych Politechniki Łódzkiej, Łódź
1993.

5. Leszczyński R.: Reologia – pojęcie, zastosowania, pomiary. „Laboratorium

– Przegląd Ogólnopolski”, 2004, 3, 16-19.

6. McKenna B.M.: Texture in food. Volume 1: Semi-solid foods. Woodhead

Publishing Limited, Cambridge 2003.

7. Mleko S.: Właściwości reologiczne produktów mleczarskich. Materiały

XXXI Sesji Naukowej Komitetu Technologii i Chemii Żywności PAN,
Poznań 2000, 67-73.

8. Pruska-Kędzior A., Lefebvre J., Kędzior Z.: Zastosowanie metod reologicz-

nych w technologii żywności i biotechnologii. [W:] Jankiewicz M., Kędzior
Z. (red.): Metody pomiarów i kontroli jakości w przemyśle spożywczym
i biotechnologii. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu, Poznań
2001.

9. Rao M.A.: Rheology of fluid and semisolid foods. Principles and applica-

tions. Aspen Publishers, Inc., Gaithersburg, Maryland 1999.

10. Schramm G.: Reologia. Podstawy i zastosowanie. Ośrodek Wydawnictw

Naukowych PAN, Poznań 1998.

11. Steffe J.F.: Rheological methods in food process engineering. Freeman Press,

East Lansing 1996.

12. Tabilo-Munizaga G., Bartosa-Canovas G.V.: Rheology for the food industry.

“Journal of Food Engineering”, 2005, 67, 147-156.

39

metody reologiczne w analizie żywności

| laboratorium przemysłowe

Laboratorium |

5

/2005

39

przegląd reometrów

| laboratorium przemysłowe