慈姑濃縮汁流變學(xué)特性研究

周 莉,陳 夢,段玉清,王晨歌,胡婉營,劉 艷,張海暉

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212000)

慈姑(SagittifoliaS.)又名白地栗、燕尾草,屬于澤瀉科慈姑屬的多年生宿根淺水草本植物,我國栽培面積廣泛[1]。慈姑以其球莖供食,因其球莖中含有豐富的營養(yǎng)成分,如碳水化合物、多糖、蛋白質(zhì)、脂肪、鐵、鋅、硒、維生素E及膳食纖維等而深受消費(fèi)者的喜愛[2-3]。此外還有酚類、生物堿類等活性物質(zhì),有抗氧化、降血糖、抗腫瘤以及解毒等生物活性[4-6]。慈姑因其含水量高,很難貯存和運(yùn)輸,再加上地域分布,嚴(yán)重制約其資源的開發(fā)和利用。目前慈姑的加工仍以產(chǎn)地初加工為主,即直接散裝上市,或真空包裝,偶見鮮切慈姑和慈姑咸菜[7]。迄今,市場上尚未見慈姑濃縮汁產(chǎn)品,也少有此方面的文獻(xiàn)報(bào)道。

果汁原汁常被采用低溫真空濃縮的方法制成濃度較高的濃縮汁產(chǎn)品,這可以大大增加其可溶性固形物的含量,便于貯藏和運(yùn)輸。流變性是濃縮汁的重要特性之一,它反映了物質(zhì)在力的作用下流動(dòng)與變形的特性。近年來,果汁等液態(tài)食品的流變性研究較為廣泛[8]。國內(nèi)外對山楂汁[9]、梨汁[10]、葡萄汁[11]、蘋果汁[12]、甘薯汁[13]、橘子汁[14]等果汁的流變性進(jìn)行了研究。表明濃縮汁生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、能量損耗及產(chǎn)品質(zhì)量控制都取決于在濃縮過程中果汁流型和流變參數(shù)隨濃縮溫度和果汁濃度變化的規(guī)律[15-16]。但是目前國內(nèi)外研究濃縮汁流變學(xué)特性的文獻(xiàn)中對濃縮慈姑汁的報(bào)道尚未見到。

本文初步探討了在一定溫度范圍內(nèi)不同濃度的慈姑濃縮汁流變行為的變化,以期為更好的開發(fā)和利用慈姑資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮慈姑 江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣;α-淀粉酶(40000 U/g)、糖化酶(100000 U/g)、果膠酶(100000 U/g) 江蘇銳陽生物科技有限公司;食品級檸檬酸 山東檸檬生化有限公司;食品級抗壞血酸 柘城縣耕道貿(mào)易有限公司;二甲基硅油 國藥集團(tuán)。

BS-124S型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;HH-S4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇金壇市醫(yī)療儀器廠;DL-5C型離心機(jī) 上海安亭有限公司;SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;LYT-380折光儀 上海淋譽(yù)貿(mào)易有限公司;UV-1601型分光光度計(jì) 北京瑞利分析儀器公司;DHR-1型旋轉(zhuǎn)流變儀(直徑40 mm平行板夾具,二甲基硅油密封防止水分蒸發(fā)) 沃特世中國有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 慈姑澄清汁的制備過程 將新鮮慈姑清洗去雜,再去皮、切成厚度為0.5～1.0 cm方塊;將慈姑塊加入含有0.8%檸檬酸和0.15%抗壞血酸的沸水中預(yù)煮并護(hù)色熱燙5 min;加入1.5倍質(zhì)量的水進(jìn)行打漿;按每克慈姑果肉(按原料重量計(jì)算)加120 U的比例加入α-淀粉酶,于80 ℃下酶解30 min后,再按每克慈姑果肉(按原料重量計(jì)算)加400 U的比例加入糖化酶,于60 ℃下酶解3 h后,沸煮5 min鈍化上述兩種酶,用300目尼龍紗布過濾得到慈姑汁;再向慈姑汁中添加0.6 g/L的果膠酶,于50 ℃下酶解2 h后,于2500 r/min下離心10 min,得慈姑澄清汁[17]。

1.2.2 減壓濃縮溫度和時(shí)間的篩選 將慈姑澄清汁分別在45、50、55 ℃下減壓濃縮10、15、18、20、23 min,通過折光儀檢測濃縮汁中可溶性固形物的含量,篩選最佳的濃縮溫度和時(shí)間。將慈姑澄清汁分別在45、50、55 ℃下濃縮至可溶性固形物含量為60 °Brix,濃縮后的果汁復(fù)原后,測定慈姑汁的褐變度和濁度。用紫外分光光度計(jì)測定420 nm下的吸光度值來表示褐變度,690 nm下的吸光度值來表示濁度。

1.2.3 慈姑濃縮汁流體類型的確定 取濃度為60 °Brix的慈姑濃縮汁,通過DHR-1型旋轉(zhuǎn)流變儀,設(shè)定剪切速率為10～400 1/s,分別測定其在20、30、40、50、60 ℃下其剪切應(yīng)力的變化,根據(jù)擬合度判斷其流體類型。

1.2.4 溫度對慈姑濃縮汁粘度的影響 設(shè)定剪切速率為60 1/s,通過DHR-1型旋轉(zhuǎn)流變儀,測定濃度為30、40、50、60 °Brix的慈姑濃縮汁,在溫度為20～60 ℃范圍內(nèi)的粘度變化,繪制慈姑濃縮汁粘度和溫度的關(guān)系圖,并判斷其符合的數(shù)學(xué)模型。

1.2.5 可溶性固形物含量對慈姑濃縮汁粘度的影響 設(shè)定剪切速率為60 s-1,通過DHR-1型旋轉(zhuǎn)流變儀,測定20、30、40、50、60 ℃下,濃度為30、40、50、60 °Brix慈姑濃縮汁對應(yīng)的粘度,判斷其符合的數(shù)學(xué)模型。

1.2.6 溫度和濃度對慈姑濃縮汁的綜合影響 建立溫度和濃度對慈姑濃縮汁粘度綜合影響的數(shù)學(xué)模型以預(yù)測慈姑濃縮汁在不同溫度和濃度時(shí)表現(xiàn)出的流變行為。

1.2.7 觸變性的測定 平行板間距為1 mm,25 ℃下測定濃度為40、50、60 °Brix慈姑濃縮汁的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化,剪切速率從1 s-1增大到200 s-1,再從200 s-1減小到1 s-1,完成一次循環(huán)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 減壓濃縮溫度的確定

不同溫度下減壓濃縮不同時(shí)間所得慈姑濃縮汁的可溶性固形物含量結(jié)果見圖1,結(jié)果表明,溫度是減壓濃縮慈姑汁的主要影響因素,溫度越高,在相同時(shí)間時(shí)所得的濃縮汁的固形物含量越大。

圖1 溫度和時(shí)間對濃縮汁可溶性固形物含量的影響Fig.1 Effects of temperature and time on the content of soluble solids in concentrated juice

采用不同溫度濃縮至相同可溶性固形物含量為60 °Brix,測定復(fù)原后的慈姑汁的褐變度和濁度結(jié)果見圖2,由圖2可知,在50 ℃時(shí)所得慈姑濃縮汁的濁度和褐變度最小,效果最好。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)的濃縮時(shí)間和溫度都處于最佳范圍。由圖1可以看出,在慈姑濃縮汁濃度達(dá)到60 °Brix時(shí),45 ℃所需時(shí)間明顯長于50 ℃;而在55 ℃時(shí)所得的60 °Brix慈姑濃縮汁的濁度和褐變度均高于45 ℃,可見溫度比時(shí)間對濃縮汁的品質(zhì)影響更大。因此可選擇50 ℃作為減壓濃縮時(shí)的最佳溫度。

圖2 溫度對60 °Brix濃縮汁的濁度和褐變度的影響Fig.2 Effects of temperature on the turbidity and browning of 60 °Brix concentrated juice

2.2 不同溫度下濃縮慈姑汁的流變模型

剪切速率和剪切應(yīng)力是表征體系流變性質(zhì)的兩個(gè)基本參數(shù),它們的關(guān)系常用冪律(Power law)模型τ=Kγn來表示(式中τ為剪切應(yīng)力(Pa),γ為剪切速率(s-1),K為稠度指數(shù),n為流變指數(shù))[18]。從圖3可以觀察到,慈姑濃縮汁的流變曲線經(jīng)過原點(diǎn)且剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而增大,在同一剪切速率下剪切應(yīng)力則隨溫度升高而降低。

圖3 60°Brix的慈姑濃縮汁在不同溫度下的流變特性Fig.3 Rheological properties of 60°Brix concentrated arrowhead juice at different temperature

用一元非線性回歸對圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出所有溫度下慈姑濃縮汁的k、n值及其先關(guān)系數(shù)R2,如表1所示。由表1可看出,采用冪律方程擬合時(shí),在測定范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)在0.99215～0.99965之間,表明冪律對濃縮慈姑汁的流變特性曲線可以進(jìn)行較好的擬合。

表1 回歸分析結(jié)果Table 1 Results of regression analysis

從表1中的數(shù)據(jù)也可以看出,濃縮慈姑汁的稠度系數(shù)隨溫度升高而降低,即溫度越高稠度越小;且隨著溫度升高,流變指數(shù)逐漸增大,表明溫度越高剪切速率對慈姑濃縮汁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響逐漸變?nèi)?。同時(shí)所有溫度下的慈姑濃縮汁的流變指數(shù)n的值在0.97022～0.98442之間,均接近1,表明慈姑濃縮汁是一種很接近牛頓流體的假塑性流體。

2.3 溫度對慈姑濃縮汁粘度的影響

圖4是不同濃度的慈姑濃縮汁的粘度隨溫度變化的關(guān)系圖?？梢钥闯?當(dāng)溫度處于20～60 ℃時(shí),所有慈姑濃縮汁的粘度都隨溫度升高逐漸降低,這與王昭等[19]在研究濃縮柑橘汁時(shí)得出的結(jié)論一致。同時(shí)可以看出,慈姑汁濃度分別為30、40、50 °Brix時(shí)在20 ℃下的粘度差值不大,但隨著溫度升高到60 ℃時(shí)三者粘度值接近。而在50、60 °Brix時(shí),粘度則從50 °Brix時(shí)的20 MPa·s左右上升到60 °Brix時(shí)的60 MPa·s,且在溫度升高到60 ℃時(shí)60 °Brix慈姑汁的粘度仍然較高,接近50 °Brix時(shí)的初始粘度。粘度的變化隨溫度升高而逐漸變得平緩,這是因?yàn)殡S著溫度升高,一方面導(dǎo)致流體分子間距增大,分子間作用力變?nèi)?使得流動(dòng)過程中流體內(nèi)部摩擦力減小,粘度降低;另一方面溫度升高,流體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,分子內(nèi)部摩擦次數(shù)增多使粘度增大。溫度較低時(shí),前一方面的影響為主,但隨著溫度的升高,后一方面的影響越來越顯著(p<0.05),故溫度升高時(shí)粘度的變化越來越平緩從而減小粘度變化幅度[20]。

圖4 慈姑濃縮汁粘度和溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between viscosity and temperature of concentrated arrowhead juice

根據(jù)前人的研究,粘度(η)等流變參數(shù)受溫度影響的變化可用阿累尼烏斯(Arrhenius)方程[21]來表示,即:

η=k0exp(Ea/RT)

式(1)

式中:η為粘度(Pa·s),k0為頻率因子(常數(shù)),Ea為流動(dòng)活化能(kJ/mol),R為氣體常數(shù)(8.315 J/mol·K),T為絕對溫度(K)。對式(1)兩邊取對數(shù)可轉(zhuǎn)化為lnη=Ea/RT+lnk0,式中Ea/R為斜率,lnk0為截距,以lnη對1/T作圖,如圖5所示:當(dāng)溫度處于20～60 ℃時(shí)lnη～1/T呈一直線,說明該溫度范圍內(nèi),濃縮慈姑汁η與T的關(guān)系可用Arrhenius方程描述。

圖5 不同濃度時(shí)慈姑濃縮汁粘度的阿累尼烏斯曲線Fig.5 Viscosity Arrhenius’curve of concentrated arrowhead juice in different concentrations

對圖5的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到活化能、頻率因子及相關(guān)系數(shù)R2的值,如表2所示。所有濃度的濃縮慈姑汁的擬合相關(guān)系數(shù)R2都在0.9827～0.9913之間,說明該方程能夠很好的反映慈姑濃縮汁粘度與溫度的關(guān)系。表明實(shí)測值與理論值有較好的一致性,在實(shí)際生產(chǎn)中可利用所得的回歸方程快速準(zhǔn)確地預(yù)測慈姑濃縮汁的粘度。從表2可以看出隨著慈姑汁濃度增大,頻率因子k0逐漸變小,活化能Ea逐漸增大。

表2 不同濃縮度下的慈姑濃縮汁Arrhenius方程的參數(shù)和回歸系數(shù)Table 2 Parameters of the Arrhenius equation for temperature dependency of concentrated arrowhead juice at different concentration

活化能是衡量粘度變化對溫度變化的敏感程度的指標(biāo),活化能越高,體系對溫度變化越敏感。本研究中,活化能從14.02 kJ/mol逐漸升高到27 kJ/mol,表明慈姑濃縮汁粘度對溫度變化越來越敏感,即較小的溫度變化會(huì)引起較大的粘度變化,此結(jié)論符合圖4中曲線變化趨勢。此時(shí),適當(dāng)?shù)纳郎乜稍黾訚饪s汁的流動(dòng)性,導(dǎo)致流體粘度下降。

另外,頻率因子k0隨濃縮汁濃度增加而逐漸減小,這與Ea隨濃度的變化趨勢相反。有研究[22]表明酸櫻桃汁的流動(dòng)活化能與頻率因子間存在補(bǔ)償關(guān)系,且可用方程式來表示,即:

lnk0=αEa+β

式(2)

式中，α、β為常數(shù)。利用式(2)對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果如表3所示。從表3可知,不同濃度的慈姑濃縮汁的流動(dòng)活化能與頻率因子間也存在補(bǔ)償關(guān)系,這對研究慈姑汁在濃縮過程中的流動(dòng)活化機(jī)理具有重要意義。

表3 慈姑濃縮汁的Ea和k0之間的補(bǔ)償關(guān)系Table 3 Compensation relations for Ea and k0 of the concentrated arrowhead juice

2.4 濃度對慈姑濃縮汁粘度的影響

從圖6可以看出,濃縮慈姑汁濃度越大其粘度越大,且在同一濃度下,溫度越低,其粘度越大。表明慈姑濃縮汁的粘度受到其可溶固形物含量的影響較大,且濃度越高影響越明顯。據(jù)國外相關(guān)文獻(xiàn)[23-24]報(bào)道,濃度與粘度的關(guān)系可以用冪律和指數(shù)關(guān)系兩種數(shù)學(xué)模型表示:

圖6 濃度對慈姑濃縮汁粘度的影響Fig.6 Effect of concentration on viscosity of the concentrated arrowhead juice

η=K1CA1

式(3)

η=K2exp(A2C)

式(4)

對兩式兩邊分別取對數(shù)可以即得到常數(shù)k1、k2、A1、A2。利用式(3)、式(4)對慈姑濃縮汁的濃度和粘度之間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合回歸分析,得到不同溫度下的各自的曲線方程和相關(guān)系數(shù)見表4。

表4 冪函數(shù)和指數(shù)關(guān)系的擬合曲線方程Table 4 Fitting curve equation of power function and exponential relation

從表4可以看出兩種擬合模型的相關(guān)系數(shù)R2都在0.97以上,表明冪函數(shù)和指數(shù)關(guān)系都能在本研究的濃度范圍內(nèi)較好的反映濃縮慈姑汁粘度與溫度的關(guān)系。但指數(shù)關(guān)系式的R2值(0.992852±0.005444)比冪函數(shù)的R2值(0.983398±0.009104)更接近1,表明指數(shù)關(guān)系能更好的展現(xiàn)慈姑濃縮汁粘度和濃度之間的變化關(guān)系。這與Ibarz等[25]的研究中指數(shù)關(guān)系更適合擬合果汁,冪函數(shù)更適合擬合醬類食物的結(jié)論一致。指數(shù)關(guān)系式(4)中的常數(shù)A2隨溫度升高而減小,說明粘度隨濃度增長的速率隨溫度升高而減小。綜上,在慈姑濃縮汁的加工中,可以利用指數(shù)關(guān)系的擬合曲線快速準(zhǔn)確地預(yù)測慈姑濃縮汁的粘度,為生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的確定和濃縮設(shè)備的選型提供科學(xué)依據(jù)。

2.5 溫度和濃度對慈姑濃縮汁粘度的綜合影響

將反應(yīng)溫度的阿累尼烏斯方程(Arrhenius方程)與濃度對粘度影響的最適模型η=Aexp(BC)進(jìn)行整合[26],可得到下式:η=K exp(Ea/RT+AC)

依據(jù)所得的數(shù)據(jù),利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元非線性回歸分析,并對分析結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),得結(jié)果如表5。

表5 溫度和濃度對慈姑濃縮汁粘度的綜合影響Table 5 Combined effect of temperature and concentration on viscosity of concentrated arrowhead juice

由表5可以看出,經(jīng)回歸分析得到回歸方程,其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.97,說明η=Kexp(Ea/RT+AC)模型可以很好地反映溫度(20～60 ℃)和濃度(30～60 °Brix)對慈姑濃縮汁粘度的變化。

2.6 濃度對慈姑濃縮汁的觸變性的影響

由圖7可知,隨著剪切速率的遞增,濃縮慈姑汁剪切力下降,隨著剪切速率的遞減,剪切力上升。因此,慈姑濃縮汁具有剪切稀變型和觸變性流體的基本特征。同時(shí),濃度越大,觸變環(huán)面積越大。觸變環(huán)的出現(xiàn)說明體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞速率大于其恢復(fù)速率,即樣品粘度的恢復(fù)具有一定的時(shí)間依賴性[27]。觸變性在加工中起到很好的作用,為液態(tài)制品的生產(chǎn)提供了基本物性參數(shù)和選擇設(shè)備的理論基礎(chǔ)。

圖7 濃度對慈姑濃縮汁的觸變性的影響Fig.7 Effects of concentration on thixotropy of the concentrated arrowhead juice

3 結(jié)論

慈姑汁減壓濃縮的最佳溫度為50 ℃。在一定的溫度和濃度范圍內(nèi),濃縮慈姑汁為非牛頓假塑性流體,具有剪切稀變型和觸變性流體的基本特征,其流變學(xué)特性符合冪律(Power law)模型。溫度對粘度影響的數(shù)學(xué)模型符合η=k0exp(Ea/RT),濃度對粘度影響的數(shù)學(xué)模型符合η=K exp(AC)。溫度和濃度對慈姑濃縮汁粘度的綜合影響模型符合η=Kexp(Ea/RT+AC),該數(shù)學(xué)模型的適用范圍為溫度20～60 ℃,濃度30～60 °Brix。利用此模型方程能夠推導(dǎo)出一定溫度和濃度范圍內(nèi)慈姑濃縮汁的粘度變化,為慈姑濃縮汁的工業(yè)生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供一定的理論依據(jù)。