食品業界では、食品がどのように振る舞うかを理解することが非常に重要です。変形しやすいか（マフィン）、パイプを通って流れますか（パスタソース）、製品に残りますか（クッキーのキャラメルトッピング）、とろみがつきますか（ベシャメルソース） ?製品を効率的に製造し、保管中および輸送中に良好な状態を維持したい場合は、食品のこれらの物理的特性について詳しく知ることが役立ちます.幸いなことに、これを研究している食品物理学の中にホールフードがあります:レオロジーです。
この投稿では、レオロジーとは何かを理解することから始めて、食品レオロジーの基本を探ります。次に、食品レオロジーの世界で非常に一般的な用語である、粘度、せん断速度、およびせん断応力について詳しく説明します。最後になりましたが、いくつかの食品の流動挙動のより実用的な例を拡大します.家庭料理人やシェフとして、粘度値などを測定できない場合があります。それでも、これらの概念の基本を理解することは価値があります。調理、冷却、輸送中に食品がどうなるかを理解するのに役立ちます。
食品のレオロジーとは?
レオロジーは材料の流れを説明します。レオロジーは食品に適用されるだけでなく、あらゆる (ほとんどの場合液体) 材料の流れと挙動に適用できます。コンセプトを実現するためにいくつかの例を使用してみましょう:
- ケチャップ ボトル自体から流れ出すのではなく、ボトルまたはチューブを振ったり押したりしたときにのみ流れます。この挙動を示す材料のレオロジーを測定すると、いくつかの類似点が見られます。
- 水 カップから流れ出すのは本当に簡単で、かなり速いです。 ハニー 一方、流れは大きく異なり、よりゆっくりと、より濃厚なシロップのような粘り気で流れます。
- コーンスターチを混ぜてみました 少しの水で？もしそうなら、ボウルを傾けるとボウルから流れ出ることに気づいたかもしれません.しかし、スプーンで勢いよくかき混ぜ始めると、かなり固くなります！とろみがつきますが、かき混ぜるのをやめてスプーンをそっと動かすと、また簡単になります!
レオロジーはこれらすべての現象を調査し、何が起こるのか、なぜ起こるのか、そしてどのように変更できるか (または変更できないか) を説明するのに役立ちます。
食品レオロジー – 粘度
レオロジーを研究するには、食品レオロジーの世界で広く使用されているいくつかの概念に精通している必要があります。 粘度から始めます .すべての液体と柔らかい固体には粘度値があります。この粘度は、特定の応力が加えられたときの材料の抵抗を表します。粘度を視覚的に説明するもう 1 つの方法は、「厚さ」です。粘度の高い材料は、粘度の低い材料よりも厚くなります。たとえば、蜂蜜は水よりも濃く、粘度の値が高くなります。
材料の粘度は常に温度に依存します。ベシャメル ソースを想像してみてください。温かいときは非常に流動的 (粘度が低い) かもしれません。ただし、冷めると固くなります。一部の材料では、ある温度での粘度は、注入、混合などに関係なく一定です。これらは、いわゆるニュートン流体です。水はニュートン流体の一例です。
ただし、多くの材料の粘度は、実際には外力または応力に依存します。そのケチャップに戻りましょう。ボトルを逆さにしても流れません。代わりに、ボトルを振って流れを開始する必要があります。この揺れにより、流れに対する抵抗、または厚さが明らかに変化しました。多くの食品はこのように振る舞いますが、これらは非ニュートン流体です。
食品レオロジー – せん断速度とせん断応力
食品レオロジー内で非常に一般的な他の 2 つの用語は、せん断速度とせん断応力です。多くの分析手法の中で、この 2 つの用語が登場します。
これらの概念を説明する最も簡単な方法は、2 枚の平行なプレートが重なり合っており、その間にわずかなスペースがあると想像することです。そのスペースは、分析したい材料で満たすことができます。分析中、トップ プレートはボトム プレートの上を移動します。せん断速度は、これらのプレートが互いに並んで移動する速度を表します:
せん断速度 =トップ プレートの速度 (メートル/秒、m/s) / 2 つのプレート間の距離 (メートル、m)
プレート間の距離が含まれている理由は、簡単な例で説明できます。 2 つのプレート間の距離が非常に大きい場合、その間にある材料はそれほど認識しません。材料には、その動きをサンプル全体に分散させるのに十分なスペースがあります。つまりせん断速度が遅い。距離が非常に小さく、プレートが互いに非常に接近している場合、間にある材料は確実に動きに気付くでしょう.
より実際的な言い方をすれば、せん断速度は、食品をかき混ぜる速度またはミキシング アームの移動速度の影響を受けます。
マテリアルを移動しようとする速度を説明する方法を見つけたので、これを移動するのにどれだけの手間がかかるかを定義する必要があります。説明したように、粘度は流れに対する抵抗です。したがって、特定のせん断速度を適用するのに必要な圧力がわかれば、粘度を定義できます。そこでせん断応力の出番です。
せん断応力は、定義されたせん断速度を適用するために必要な力 (表面積あたり) を表します。つまり、ピーナッツ バターを動かすのにどれだけの力が必要かを表しています。
粘度 =せん断応力 / せん断速度
ニュートン流体の場合、食品に適用されるせん断応力とせん断速度がわかれば、せん断応力をせん断速度で割って粘度の値が得られます。非ニュートン流体についてもこの計算を行うことができますが、得られる粘度値はその特定のせん断速度にのみ当てはまります。せん断速度が変わると、この式の結果は異なります。
水に溶けたコーンスターチを思い出してみましょう。ゆっくりかき混ぜる（＝せん断速度が遅い）と粘度が低くなり、混ぜやすくなります。ここで何が起こるかを確認するために、いくつかの乱数を取りましょう。せん断速度が 5 (1/s) でせん断応力が 10 (Pa) の場合、粘度は 10/5 =2 Pas になります。
ただし、ミキシングを速く開始すると、ミキシングが非常に難しくなることはわかっています。せん断速度を 50 (1/s) に上げて、せん断応力を 500 (Pa) にしたとします。これにより、粘度は 500/50 =10 Pas になります。つまり、コーンスターチ水を混ぜるだけで粘度が変わるんです！
非ニュートン動作の種類
ニュートン流体 (水のような) は、レオロジーの簡単な部分です。ただし、食品では、ほとんどの材料がニュートンではありません。脂肪の中に小さなピーナッツの粒子がたくさん入ったピーナッツ バターや、泡立ったマシュマロ、プロセス チーズなどの製品は複雑なシステムです。たった 1 つの製品に固体、液体、気体が含まれている場合があります。この製品にも、大小さまざまな分子がたくさん含まれている可能性があります。これらのコンポーネントはすべて相互に作用します。これにより、普通の水とは異なる振る舞いをします!
そして、これらの積はすべて非ニュートンかもしれませんが、それらはすべて非常に異なった振る舞いをする可能性があります!かき混ぜるととろみがつく材料 (コーンスターチ + 水) もあれば、振ることで流れ始めるもの (ケチャップ) もあります。幸いなことに、(食品) レオロジーの世界にはいくつかの主な傾向があるため、これらの流れの一般的なパターンのいくつかについて説明します.
上の画像を使用して、この概念を説明します。まず第一に、いくつかのよく知られた用語を認識します。 x 軸はせん断速度、y 軸は先ほど説明したせん断応力です。黒い線は、4 つの異なる食品のいくつかの測定値を表しています。
ニュートン
左下から始まる直線から始めましょう。これはニュートン流体を表しています。この線上の任意の点でせん断応力の値をせん断速度で割ると、常に同じ値が得られます。
ずり減粘
この線は直線ではなく、最初は非常に急で、その後は横ばいになります。これは、最初にせん断速度を上げると、せん断応力も急速に増加することを意味します。ただし、線が湾曲しているため、せん断応力の増加は、せん断速度の変化に応じて変化します。この場合、線は次第に急勾配ではなくなります。つまり、この材料をどんどん剪断しやすくなります。これが発生すると、材料のせん断減粘と呼ばれます。食べ物を混ぜると流れやすくなります。
ずり増粘
逆も可能です。ここでは、せん断速度が上がると線が急になります。これは、速度を上げると、混合物をかき混ぜるのがますます難しくなることを意味します。これをずり増粘と呼びます。
利回り
これらの 3 つの基本的な現象は、さまざまな食品に見られます。また、ビンガム プラスチックと呼ばれる 4 番目のラインと組み合わせることができます。他の 3 つの線はせん断応力が 0 から始まるのに対し、この材料はせん断速度を開始するだけでもかなりの応力が必要です。これを降伏値と呼びます。ケチャップはそのような材料の例です。動きを開始するだけで最小限のストレスが必要になります。降伏応力を持つ材料は、再びせん断減粘、増粘、またはニュートンになる可能性があります。
まとめ
これは、多くの科学概念を含む非常に集中的な投稿でした。概要は次のとおりです。
- 食べ物の流れの重要性について話し合いました (ポンプで汲み上げられますか? ボトルから取り出せますか?)
- 材料の流れを研究するレオロジーとは何かについて説明しました
- また、レオロジーの分野では独自の用語を使用してこの流れを説明することについても説明しました。議論した最も重要なもの:粘度、せん断速度、せん断応力
- 最後に、マテリアルがどのように流れるかについて説明しました。一般的に聞こえますが、食品の流れがプロセス条件にどのように依存するかを理解することは非常に便利です!
