laboratorium przemysłowe | metody reologiczne w analizie żywności
dr Lesław Juszczak
przez czynniki zewnętrzne (temperatura,
Katedra Analizy i Oceny Jakości Żywności
ciśnienie, działanie tlenu). Wszystkie te
Akademia Rolnicza w Krakowie
przemiany mogą powodować przekształca-
nie struktur pierwotnych w formy prostsze
(degradacja) lub bardziej złożone (agregacja,
Metody reologiczne
polimeryzacja).
Metody reologiczne znajdujÄ… szerokie
zastosowanie w nauce o żywności w kilku
w analizie żywności
obszarach. Jednym z obszarów zastosowania
reologii jest zapewnienie odpowiednich
warunków technicznych prowadzenia
Rheological measurements are quite relevant in the food industry as a tool
for physical characterization of raw materials and finished food products. procesów przetwórczych. Optymalizacja
Also real-time monitoring and control of food processing applications have zużycia energii mechanicznej i cieplnej oraz
grown significantly. Most materials exhibit some viscous and some elastic rozkład czasu przebywania przetwarzanego
behaviour simultaneously and are called viscoelastic. Almost all foods, both materiału w przestrzeni roboczej urządzeń
liquid and solid, belong to this group. This paper will focus on the short review
warunkują prawidłowość przebiegu więk-
of some rheological tests of great interest to the food industry with selected
szości procesów i operacji jednostkowych.
examples.
Zagadnieniami związanymi z bieżącą kon-
trolą jakości w warunkach przemysłowych
Reologia zajmuje się badaniami zjawisk od- lepkosprężystych na naprężenia zewnętrzne zajmuje się reologia techniczna, która
kształcenia i przepływu ciał rzeczywistych wynika jednak nie tylko z posiadanych wła- obejmuje pomiary parametrów reologicz-
pod wpływem naprężeń zewnętrznych. ściwości sprężystych i lepkich, ale również nych za pomocą reometrów instalowanych
Opisuje ona zjawiska występujące w bardzo z czasu i sposobu odkształcenia. Materiał bezpośrednio w liniach technologicznych.
szerokim zakresie pośrednim pomiędzy sta- odkształcany w relatywnie krótkim czasie Przykładowy schemat takiego reometru
nem stałym i płynnym. Materiałami lepkimi wykazuje właściwości ciała sprężystego, pokazano na rysunku 1.
są płyny, które pod wpływem odpowiednio natomiast w dłuższych przedziałach czasu Oprócz bieżącej kontroli właściwości prze-
małego naprężenia zewnętrznego przepły- dominują właściwości lepkie. pływowych przetwarzanego materiału uzy-
wają z określoną szybkością odkształcenia Reologia materiałów pochodzenia biologicz- skuje się dodatkowo informacje istotne
do momentu występowania tego napręże- nego, w tym żywności, stanowi szczególny dla kształtowania takich cech produktu,
nia, a cała dostarczona energia jest natych- przypadek ze względu na złożoność struk- jak lepkość, konsystencja, tekstura i cechy
miast rozpraszana w postaci ciepła wskutek tury materiałów, które mogą mieć postać kinestetyczne.
przepływu materiału. Ciała sprężyste pod od roztworu rzeczywistego do skompliko- Kolejnym obszarem, w którym metody
wpływem odpowiednio małych naprężeń wanych układów wielofazowych. Najczę- reologiczne znajdują szerokie zastosowanie,
zewnętrznych ulegają odkształceniu, ściej występujące typy struktur surowców są badania zajmujące się określaniem relacji
a po usunięciu przyłożonego naprężenia i produktów żywnościowych to: pomiędzy strukturą materiału a obserwo-
powracają do początkowego kształtu. Na- " roztwory rzeczywiste (roztwory cukru, wanymi właściwościami reologicznymi.
tomiast materiały lepkosprężyste wykazują chlorku sodu), Zasadniczymi czynnikami kreującymi
równocześnie cechy sprężystego ciała sta- " mieszaniny związków o niskim ciężarze strukturę żywności są: budowa chemiczna
łego i płynu lepkiego. Reakcja materiałów cząsteczkowym (oleje rafinowane), (udział wiązań o różnej sile), oddziaływania
" dyspersje koloidalne (odtłuszczona ser- steryczne oraz oddziaływania na granicy faz.
watka, surowe białko jaja), Podstawą klasyfikacji struktury żywności
" emulsje (mleko, śmietana, majonez, masło), pod względem makroskopowym są właściwie
" układy koloidalno-zawiesinowe (niekla- zaplanowane badania reologiczne, które
rowne soki owocowe i warzywne), umożliwiają również kontrolę i projektowa-
" żele (żelatynowe, pektynowe, skrobiowe), nie właściwości funkcjonalnych żywności,
" układy koloidalno-emulsyjne o strukturze takich jak np. zwiększenie lepkości, stabi-
żelopodobnej (jogurt, kefir), lizacja, sieciowanie i żelowanie. Metody
" spienione układy koloidalno-emulsyjne reologiczne stanowią również podstawę
(lody), badań zjawisk fizycznych zachodzących
" układy koloidalno-zawiesinowe o struktu- w wielofazowych układach żywnościowych,
rze żelopodobnej (dżem). takich jak np. sedymentacja, agregacja
Dodatkowo w wielu przypadkach materiały i flokulacja, separacja faz, koalescencja
żywnościowe odznaczają się zmiennością i synereza żeli.
w czasie, która może być wynikiem natural- Kolejnym obszarem zastosowania metod
nych wewnętrznych procesów chemicznych, reologicznych w nauce o żywności jest ko-
Rys. 1. Wiskozymetr z układem współosiowych
biochemicznych lub mikrobiologicznych. relacja cech sensorycznych i reologicznych
cylindrów do pomiarów inline.
Zmienność ta może być również indukowana produktów żywnościowych. Takie cechy
Laboratorium | 5/2005
34
metody reologiczne w analizie żywności | laboratorium przemysłowe
sensoryczne, jak lepkość, pÅ‚ynność i konsystencja, mogÄ… być oznaczane na rysunku 2. Zależność lepkoÅ›ci dynamicznej od stężenia (· = f(c))
metodami instrumentalnymi (reologicznymi), a rezultaty takich badań można opisać funkcją potęgową lub wykładniczą.
często korelują z wynikami uzyskanymi za pomocą analiz sensorycz- Lepkość płynów bardzo silnie zależy od temperatury i maleje wraz z jej
nych z udziałem odpowiednio przeszkolonego zespołu oceniających. wzrostem. Przykładowe krzywe zależności lepkości od temperatury
W konsekwencji pozwala to zastÄ™pować znacznie bardziej skompli- [· = f(T)] dla dwóch miodów pokazano na rysunku 3.
kowaną analizę sensoryczną obiektywnymi i mniej pracochłonnymi Wpływ temperatury na lepkość opisuje równanie Arrheniusa:
metodami instrumentalnymi. · = ·" · exp(E /RT)
a
gdzie: ·"  staÅ‚a, E  energia aktywacji pÅ‚yniÄ™cia (J/mol), R  staÅ‚a
a
Klasyfikacja cieczy gazowa (J/mol·K), T  temperatura (K).
Podstawą klasyfikacji cieczy jest wykres zależności naprężenia ści- Wyznaczone na tej podstawie wartości energii aktywacji płynięcia
najÄ…cego od szybkoÅ›ci Å›cinania (Ä = f(Å‚)). Wykres ten nazywa siÄ™ dla przykÅ‚adu pokazanego na rysunku 3 wynoszÄ…: dla miodu gry-
krzywą płynięcia lub reogramem. W przypadku cieczy newtonowskiej czanego  92,34 kJ/mol, a dla miodu lipowego  103,58 kJ/mol.
zależność ta jest linią prostą przechodzącą przez początek układu Innym równaniem opisującym zależność lepkości od temperatury,
współrzędnych, a jej współczynnik kierunkowy jest równy lepkości szczególnie w obszarze przejścia w stan szklisty, jest równanie WLF
dynamicznej. Zależność tę opisuje prawo Newtona: (Wiliams-Landel-Ferry):
Ä = · · Å‚ ln(·/·G) = C1·(T  TG)/C2+(T TG)
gdzie: Ä  naprężenie Å›cinajÄ…ce (Pa), ·  lepkość (Pa·s), Å‚  szybkość gdzie: C1, C2  staÅ‚e, ·G  lepkość przy przejÅ›ciu w stan szklisty (Pa·s),
ścinania (1/s). TG  temperatura przejścia w stan szklisty (K).
W przemyśle spożywczym do płynów newtonowskich należą: woda, Wyznaczone na tej podstawie parametry dla próbek miodów (rys. 3)
klarowane soki, odtÅ‚uszczone mleko, oleje jadalne, roztwory rzeczy- wynoszÄ…: dla miodu gryczanego  ·G = 2,86·1011 Pa·s, TG = 220,34 K,
wiste o niskich stężeniach oraz miód. PrzykÅ‚adowe krzywe pÅ‚yniÄ™cia a dla miodu lipowego  ·G = 2,56·1011 Pa·s, TG = 227,43 K.
klarowanego soku wiśniowego o różnej zawartości ekstraktu pokazano 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. 2. Krzywe płynięcia soku wiśniowego o różnej zawartości ekstraktu
w temperaturze 20oC.
Rys. 3. Krzywe zależności lepkości od temperatury.
Laboratorium | 5/2005
35
35
laboratorium przemysłowe | metody reologiczne w analizie żywności
takich cieczy jest model potęgowy Ostwalda Kolejną grupą płynów są ciecze posiada-
i de Waele a: jÄ…ce granicÄ™ pÅ‚yniÄ™cia [Ä0 (Pa)]. Ich krzywe
Ä = K · Å‚ n lub ·ap = K · Å‚ n-1 pÅ‚yniÄ™cia pokazano na rysunku 4 (c i d).
gdzie: K i n są parametrami reologicznymi Samą granicę płynięcia określa się jako
modelu, K  współczynnik konsystencji (Pa·sn) krytycznÄ… wartość naprężenia Å›cinajÄ…cego,
 jest miarą lepkości cieczy, n  wskaz
nik pły- po przekroczeniu której następuje przepływ.
nięcia  jest miarą odstępstwa od właściwości Chociaż fizyczny sens istnienia granicy
newtonowskich i dla cieczy pseudoplastycz- płynięcia poddawany jest często dyskusji,
nych przyjmuje wartości od 0 do 1. jednak sama jej koncepcja ma duże znacze-
Zdecydowanie rzadziej niż pseudoplastycz- nie praktyczne. Najprostszym przykładem
ność występuje zjawisko zagęszczania ścina- cieczy wykazującym granicę płynięcia jest
niem  dylatancji (krzywą płynięcia pokazano płyn lepkoplastyczny Binghama (rys. 4(d)).
na rysunku 4(b)). W tym przypadku wskaz
- Ciecz ta nie płynie aż do osiągnięcia warto-
Rys. 4. Krzywe płynięcia cieczy nienewtonow-
nik płynięcia modelu potęgowego przyjmuje ści granicy płynięcia, a po przekroczeniu tej
skich reostabilnych: a  ciecz rozrzedzana ścina-
wartości większe od 1. Dla materiałów wartości krzywa płynięcia jest linią prostą.
niem, b  ciecz zagęszczana ścinaniem, c  ciecz
rozrzedzana ścinaniem z granicą płynięcia,
żywnościowych zjawisko dylatancji obser- W tym przypadku krzywą płynięcia opisuje
d  płyn lepkoplastyczny Binghama.
wowano w przypadku stężonych i ogrzewa- równanie:
nych zawiesin skrobiowych. Chociaż model Ä = Ä0 + ·p·Å‚
WiÄ™kszość materiałów spożywczych pÅ‚yn- potÄ™gowy, ze wzglÄ™du na swÄ… prostotÄ™, jest gdzie: Ä0  granica pÅ‚yniÄ™cia (Pa), ·p  lepkość
nych i półstaÅ‚ych, np. zawiesiny i emulsje, powszechnie stosowany, posiada on pewne plastyczna (Pa·s).
wykazuje jednak bardzo istotną nieliniową wady. Na przykład dla płynów rozrzedzanych W przypadku materiałów żywnościowych
zależność pomiędzy naprężeniem ścinają- ścinaniem model ten przewiduje, że jeżeli wykazujących granicę płynięcia znacznie
cym (lepkością) a szybkością ścinania, przez szybkość ścinania dąży do zera, to lepkość częściej występuje nieliniowa zależność po-
co nie spełniają one prawa Newtona. Stąd dąży do nieskończoności, i odwrotnie, jeżeli między naprężeniem ścinającym a szybkością
ciecze te nazywane są nienewtonowskimi. szybkość ścinania dąży do nieskończoności, ścinania [rysunek 4(c)]. Oczywiście możliwy
Na rysunku 4 pokazano krzywe płynięcia to lepkość dąży do zera. W rzeczywistości, jest również przypadek cieczy dylatancyjnej
cieczy nienewtonowskich reologicznie zarówno w przypadku szybkości ścinania dą- z granicą płynięcia. Krzywe płynięcia nieli-
stabilnych. żącej do zera, jak i nieskończoności, wartość niowych cieczy z granicą płynięcia opisuje
W większości przypadków podczas przepły- lepkości dąży do stałej skończonej wartości. równanie Herschel-Bulkleya:
wu pÅ‚ynów rzeczywistych ich lepkość maleje StÄ…d w literaturze przedmiotu proponowane Ä = Ä0 + K·Å‚ n
wraz ze wzrostem szybkoÅ›ci Å›cinania, a ciecze sÄ… inne modele, np. równanie Carreau: gdzie: Ä0  granica pÅ‚yniÄ™cia (Pa), K  współ-
te nazywa siÄ™ rozrzedzanymi Å›cinaniem (lub ·Ä…p = ·" + (·0  ·")/[1+( ·Å‚)2]N czynnik konsystencji (Pa·sn), n  wskaz
nik
c
pseudoplastycznymi). KrzywÄ… pÅ‚yniÄ™cia gdzie: ·0 i ·" sÄ… wartoÅ›ciami lepkoÅ›ci od- pÅ‚yniÄ™cia.
takiej cieczy pokazano na rysunku 4(a). powiednio przy szybkości ścinania dążącej Innym równaniem opisującym takie zacho-
Obserwowany spadek lepkości podczas do zera i nieskończoności,   parametr wanie się cieczy jest model Cassona:
c
przepÅ‚ywu zwiÄ…zany jest z takimi zjawiskami, posiadajÄ…cy wymiar czasu i charakteryzujÄ…- Ä0,5 = Ä0C0,5 + (·C·Å‚ )0,5
jak orientacja lub deformacja czÄ…stek, rozciÄ…- cy zmiany struktury Å›cinanego materiaÅ‚u, gdzie: Ä0C  granica pÅ‚yniÄ™cia (Pa), ·C  lep-
ganie Å‚aÅ„cuchów tworzÄ…cych strukturÄ™ lub N  bezwymiarowy wykÅ‚adnik. kość plastyczna Cassona (Pa·s).
rozkład agregatów. Najprostszym równaniem
opisującym doświadczalne krzywe płynięcia
Rys. 5. Wyznaczanie granicy płynięcia na podsta-
wie zależności odkształcenia od naprężenia. Rys. 6. Krzywe płynięcia majonezów.
Laboratorium | 5/2005
36
metody reologiczne w analizie żywności | laboratorium przemysłowe
W technologii żywności model ten stosuje ścinania z powrotem maleje do wartości po-
się powszechnie do opisu właściwości czątkowej. Jeżeli  krzywa powrotu wykazuje
reologicznych stopionej czekolady. W prze- mniejsze wartości naprężeń ścinających niż
twórstwie żywności granica płynięcia ma krzywa przy wzrastającej szybkości ścinania,
duże znaczenie praktyczne. Wartość ta może tworzy się charakterystyczna pętla histerezy
być wskaz
nikiem spójności i jednorodności tiksotropii. W tym przypadku miarą tik-
materiału, stanu żelowania oraz odporno- sotropii może być pole powierzchni pętli
ści na wibracje (np. podczas transportu) histerezy. Przykładowe krzywe płynięcia z pę-
i separację faz (np. podczas składowania). tlami histerezy tiksotropii dla dwóch próbek
Najczęściej granice płynięcia wyznacza się majonezów pokazano na rys. 6.
za pomocÄ… matematycznego opisu krzy- InnÄ… metodÄ… badania zjawiska tiksotropii jest
wych płynięcia (modele Herschel-Bulkleya wykreślanie krzywych zależności naprężenia
i Cassona). W tym przypadku w celu ścinającego (lub lepkości pozornej) od cza-
zwiÄ™kszenia dokÅ‚adnoÅ›ci pomiaru zaleca siÄ™ su Å›cinania [Ä = f(t)] przy staÅ‚ej szybkoÅ›ci
stosowanie trybu z kontrolowanym naprę- ścinania. Do matematycznego opisu danych
żeniem ścinającym (CSS) w zakresie niskich eksperymentalnych stosuje się np. model
Rys. 7. Mechaniczny model Burgera.
szybkości ścinania. Inną metodą wyznaczania Weltmana:
granicy pÅ‚yniÄ™cia z wykorzystaniem trybu Ä = A - B·ln(t)
kontrolowanego naprężenia jest wyznaczanie gdzie: A  wartość naprężenia ścinającego
zależności odkształcenia od przyłożonego w pierwszej sekundzie testu (Pa), B  współ-
naprężenia [Å‚ = f(Ä)] (rys. 5). czynnik niszczenia struktury tiksotropowej.
Kolejnym przykładem wyznaczania granicy W nowoczesnym przemyśle spożywczym wła-
płynięcia jest zastosowanie wirnika łopatko- ściwości tiksotropowe są bardzo istotną cechą
wego (vane). Zaletą tej metody jest to, że materiału. W wielu przypadkach materiał
pomiary można wykonać w opakowaniach, musi pozostać zagęszczony, a nawet utrzy-
w których znajduje się badany produkt mywać zawieszone cząstki stałe w warunkach
(np. jogurt w kubku), co dodatkowo za- niskiego lub zerowego ścinania, ale jednocze-
pewnia, że jego struktura nie jest niszczona śnie musi być zdolny do płynięcia podczas
podczas umieszczania go w elemencie po- procesów technologicznych (przesył, napeł-
miarowym (np. współosiowych cylindrach) nianie opakowań) lub gdy jest poddawany
reometru. dużym naprężeniom (smarowanie pieczywa,
Rys. 8. Krzywe relaksacji naprężeń: a  ma-
teriał doskonale sprężysty, b  lepkosprężyste
Wszystkie omówione do tej pory rodzaje wyciskanie musztardy z opakowania).
ciało stałe, c  lepkosprężysta ciecz, d  ciecz
cieczy stanowią grupę płynów reologicznie
doskonale lepka.
stabilnych, tzn. takich, których właściwości Właściwości
nie zależą od czasu (historii) ścinania. Kolejną lepkosprężyste lepkosprężyste materiału wynikają z istnienia
grupą cieczy są płyny reologicznie niesta- Większość układów żywnościowych wykazuje w jego strukturze dwóch rodzajów wiązań: ta-
bilne. W ich przypadku możemy mieć do cechy zarówno lepkie, jak i sprężyste. Mate- kich, które mogą magazynować energię, oraz
czynienia z dwoma zjawiskami: powszechnie riały lepkosprężyste poddane naprężeniom takich, które pod wpływem przyłożonego
występującą tiksotropią oraz znacznie rza- zewnętrznym reagują zależnie od czasu dzia- naprężenia ulegają rozerwaniu. Właściwości
dziej występującą jej odwrotnością  antytik- łania przyłożonego naprężenia. W przypadku lepkosprężyste są często wyjaśniane za po-
sotropią. Tiksotropią określa się opóz
nione gdy naprężenie działa w bardzo krótkim mocą modeli mechanicznych złożonych ze
przystosowanie się struktury materiału do czasie, reagują jak ciała sprężyste, natomiast sprężyn i tłumików hydraulicznych, które
zmieniających się warunków ścinania podczas gdy czas działania naprężenia jest dostatecz- stanowią mechaniczne odpowiedniki właści-
przepływu lepkiego. Tradycyjnym testem nie długi  jak płyn lepki. Pomiędzy tymi wości sprężystych i lepkich. Bardziej skompli-
jakościowym na występowanie tiksotropii dwoma skrajnymi reakcjami występują reakcje kowane modele mechaniczne powstają w wy-
jest tzw. test pętli histerezy, podczas którego pośrednie, w których, w zależności od czasu niku łączenia tych elementów. Przykładowy
płyn tiksotropowy poddawany jest ścinaniu działania naprężenia, udział cech sprężystych model mechaniczny ciała lepkosprężystego
ze wzrastającą szybkością do pewnej wartości i lepkich w obserwowanych właściwościach (model Burgera) pokazano na rys. 7. Składa
maksymalnej, po osiągnięciu której szybkość reologicznych będzie zmienny. Właściwości się on z modelu ciała stałego Kelvina-Voigta
Laboratorium | 5/2005
37
37
laboratorium przemysłowe | metody reologiczne w analizie żywności
spożywczych prowadzi się w zakresie i następnie działającego w określonym cza-
bardzo małych odkształceń względnych sie, podczas którego rejestrowane jest od-
(0,001-0,03). kształcenie względne próbki. Po osiągnięciu
Jedną z metod badania właściwości lepko- zadanego czasu naprężenie jest natychmiast
sprężystych jest relaksacja naprężeń. Zjawisko usuwane, a zmiany odkształcenia w czasie
relaksacji polega na stopniowym spadku sÄ… rejestrowane w dalszym ciÄ…gu. W zakresie
naprężeń w odkształcanym materiale bez lepkosprężystości liniowej ciało doskonale
równoczesnej zmiany wartości odkształcenia. sprężyste osiąga natychmiast stałą wartość
W eksperymencie tym materiał odkształcany odkształcenia względnego, które jest cał-
jest w sposób nagły do osiągnięcia pewnej kowicie odwracalne i ustępuje natychmiast
wartości odkształcenia względnego, które po usunięciu zadanego naprężenia. W przy-
jest utrzymywane przez pewien czas. W tym padku doskonałego płynu lepkiego po
czasie rejestrowane są zmiany naprężenia po- przyłożeniu naprężenia następuje przepływ
trzebnego do utrzymania tego odkształcenia. materiału, a jego odkształcenie względne
Rys. 9. Krzywe pełzania i powrotu: a  materiał
Doskonale sprężyste ciało stałe zmagazynuje wzrasta proporcjonalnie do czasu. Ponieważ
doskonale sprężysty, b  ciecz doskonale lepka,
c  materiał lepkosprężysty.
całkowicie dostarczoną energię, a induko- przepływ jest deformacją nieodwracalną, po
wane naprężenie początkowe pozostanie usunięciu naprężenia odkształcenie względne
i modelu cieczy Maxwella połączonych sze- niezmienne. W przypadku płynu idealnie pozostaje na stałym poziomie (jest nieodwra-
regowo i nadaje się do opisu rzeczywistych lepkiego cała dostarczona energia zostanie calne). Krzywe pełzania i powrotu pokazano
materiałów lepkosprężystych. natychmiast rozproszona i naprężenie na rysunku 9.
Badania właściwości lepkosprężystych spadnie do zera. Krzywe relaksacji naprężeń Najpowszechniej stosowaną metodą ba-
wykonywane są przeważnie w zakresie tzw. pokazano na rysunku 8. dania właściwości lepkosprężystych jest
liniowej lepkosprężystości, tzn. w obszarze, Kolejną metodą statyczną wykorzystywaną dynamiczne ścinanie oscylacyjne. Polega
w którym zależność pomiędzy naprężeniem w badaniach właściwości lepkosprężystych ono na poddawaniu badanego materiału
ścinającym a odkształceniem i szybkością jest test pełzania i powrotu. Pełzanie jest harmonicznemu odkształceniu w czasie.
odkształcenia jest liniowa. Oznacza to, że zjawiskiem rosnącego w czasie odkształcenia W zakresie liniowej lepkosprężystości zmia-
proces odkształcenia odbywa się w zakresie, próbki pod wpływem stałego naprężenia. ny odkształcenia względnego i naprężenia
w którym wartości modułów sprężystości Metoda badania wykorzystująca to zjawisko wyrażone są funkcjami sinusoidalnymi o tej
i lepkości są stałe. W praktyce badania polega na poddaniu materiału działaniu samej częstotliwości, lecz przesuniętymi
właściwości lepkosprężystych materiałów stałego naprężenia, przyłożonego nagle względem siebie o określony kąt (kąt przesu-
nięcia fazowego). Ciało doskonale sprężyste
ulega odkształceniu natychmiastowemu,
stąd w tym przypadku kąt opóz
nienia fazo-
wego wynosi zero. W przypadku doskonale
lepkiego płynu odpowiedz
materiału jest
opóz
niona w fazie o kÄ…t 90o. Natomiast
materiały lepkosprężyste charakteryzują się
kątem przesunięcia fazowego w zakresie
od 0 do 90o. W badaniach metodÄ… 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
kÄ…ta przesuniÄ™cia fazowego (tg ´ = G /G ).
Najczęściej wyniki takich eksperymentów
dynamicznych przedstawia siÄ™ w postaci
spektrów mechanicznych, czyli zależności
modułów od czÄ™stotliwoÅ›ci [G , G = f(É)].
Rys. 10. Podstawowe typy układów makrocząsteczkowych: a  dyspersja rozcieńczona, b  dyspersja
Spektrum mechaniczne materiału charak-
splątana, c  żel słaby, d  żel mocny (rzeczywisty).
teryzuje dokładnie i jednoznacznie typ
Laboratorium | 5/2005
38
metody reologiczneprzegląd reometrów | laboratorium przemysłowe
w analizie żywności | laboratorium przemysłowe
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 ´ < 0,1. SÅ‚abymi żelami sÄ… materiaÅ‚y 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, A
ódz
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 A
ódzkiej, A
ódz

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.
Laboratorium | 5/2005
39
39