朱麗霞，王 強(qiáng)

（塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300；南疆特色農(nóng)產(chǎn)品加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300）

果汁的流變學(xué)特性是果汁加工重要特性之一，其中粘度為加工設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性物性參數(shù)[1]?；诩羟袘?yīng)力與剪切速率相互關(guān)系，能精準(zhǔn)反應(yīng)流體特性的數(shù)學(xué)模型有阿累尼烏斯方程，指數(shù)方程，冪函數(shù)等，且這些模型參數(shù)值隨著果汁種類，果汁濃度，溫度等不同而具有很大不同[1-6]。新疆慕薩萊思作為新疆民族傳統(tǒng)飲品，以其獨(dú)特的工藝與獨(dú)有且突出的典型品質(zhì)，集地域特色，民族特色和文化特色等為一體，逐漸成為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新型行業(yè)，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具潛力的資源之一。隨著市場(chǎng)的推動(dòng)，地方政府的扶持，產(chǎn)學(xué)研的技術(shù)支撐，慕薩萊思發(fā)展迎來歷史上的黃金階段，目前慕薩萊思發(fā)展處于傳統(tǒng)加工與規(guī)?；a(chǎn)的交替階段，傳統(tǒng)工藝作坊式的生產(chǎn)表現(xiàn)出不能滿足規(guī)?；纳a(chǎn)需求的先天性缺陷，各個(gè)廠家進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)，仿照葡萄酒釀造行業(yè)的工藝流程與設(shè)備進(jìn)行傳統(tǒng)慕薩萊思行業(yè)的工藝與設(shè)備改造，缺乏科學(xué)理論支撐，導(dǎo)致規(guī)模化生產(chǎn)弱化或喪失傳統(tǒng)慕薩萊思優(yōu)質(zhì)典型品質(zhì)[7]。本研究主要分析慕薩萊思加工熬煮過程中熬煮液流變學(xué)特性，分析溫度對(duì)粘度的影響，濃度對(duì)粘度的影響及其兩者的綜合影響，為慕薩萊思工藝改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

地方葡萄：和田紅葡萄 市售。

手持糖度儀TZ-62 福建省泉州光學(xué)儀器廠；榨汁機(jī)LZ-0.5 正廣螺旋壓榨機(jī)；流變儀 美國(guó)Brook field，R/S+-CC；恒溫水浴 Brook field TC-602。

1.2 慕薩萊思熬煮液的準(zhǔn)備流程及取樣點(diǎn)設(shè)置

和田紅葡萄→清洗、瀝干→榨汁→皮渣→加水（料∶水，1∶3）→熬煮1h左右（常壓、鋁鍋，沸騰，溫度約92℃）→過濾→濾液與原葡萄汁混合→熬煮（常壓、鋁鍋，沸騰，溫度約92℃）。

在皮渣熬煮中，取10°Brix、15°Brix，在混合熬煮中，取20°Brix、25°Brix的熬煮液，進(jìn)行-23℃凍藏、備用。

1.3 慕薩萊思熬煮液粘度測(cè)定

通過溫控系統(tǒng)設(shè)定溫度梯度為15、25、35、45、55℃，剪切率范圍設(shè)置50～1000s-1。將上述參數(shù)設(shè)定之后，將濃度為20°Brix慕薩萊思熬煮液進(jìn)行測(cè)量剪切應(yīng)力的變化。

1.4 溫度、濃度對(duì)粘度的影響

對(duì)10、15、20和25°Brix慕薩萊思熬煮液，從低濃度到高濃度逐個(gè)測(cè)定在5、25、35、45、55℃溫度下的粘度，剪切速率設(shè)置300s-1。每次測(cè)量結(jié)束后用蒸餾水沖洗，并相應(yīng)汁液潤(rùn)洗，重復(fù)上述操作3次取平均值。

測(cè)量注意事項(xiàng)：將四種濃度的熬煮液融化，各取30m L左右，用紗布粗過濾除去殘留的果籽，防止干擾粘度測(cè)量。將熬煮液倒入轉(zhuǎn)子中，將轉(zhuǎn)子固定在流變儀上，保持與流變儀垂直。

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件

博勒飛流變儀自帶分析軟件及M ircorsoft 2007 Excel。

2 結(jié)果與分析

2.1 慕薩萊思熬煮液流體特性確定

以濃度為20°Brix的熬煮液剪切應(yīng)力與剪切率在不同溫度下的關(guān)系為例，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，慕薩萊思熬煮液在不同溫度下剪切速率（D）與剪切應(yīng)力（τ）之間呈線性關(guān)系（圖1），液體所受到的剪切應(yīng)力與剪切速率成正比，其比例系數(shù)就是粘度η。因此，熬煮液在試驗(yàn)溫度下剪切應(yīng)力（τ）與剪切速率（D）適合于牛頓粘性定律：η=τ/D，即，熬煮液在所測(cè)濃度下都表現(xiàn)為牛頓流體。

圖1 葡萄汁熬煮液（20°Brix）流變學(xué)曲線Fig.1 Rheological curve of the boiled grape juice（20°Brix）

2.2 溫度對(duì)流變學(xué)特性的影響

圖2 溫度對(duì)葡萄汁熬煮液粘度的影響Fig.2 Effect of temperature on viscosity of boiled grape juice with increasing concentration

根據(jù)不同濃度的熬煮液在不同溫度下的粘度變化（見圖2），可知隨著溫度的升高發(fā)酵液粘度逐漸降低，其下降速率與溫度和濃度有關(guān)。低濃度的熬煮液受溫度的影響較小，熬煮液濃度逐漸增大受到溫度的影響也越來越大（見表1）。

表1 不同濃度葡萄汁熬煮液粘度差Table1 The difference of viscosities of boiled grape juice under different concentration

溫度對(duì)粘度的影響可以用阿累尼烏斯方程（Arrhenius方程）來表示：

式（1）中η為黏度，單位為Pa·s；k0為常數(shù)，單位Pa·s；Ea為流體活化能，單位為J/mol；R為氣體常數(shù)（8.351K/mol）；T為絕對(duì)溫度，單位K。可以將式（1）轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)式（2）作圖得圖3，從圖3中可以看出lnη與1/T成線性關(guān)系。

圖3 溫度對(duì)葡萄汁熬煮液粘度的影響Fig.3 The effect of boiled grape juice with increasing temperature on the viscosity

按不同的濃度得出線性方程如表2：

表2 不同濃度下的粘度與溫度的線性方程Table2 The line equations between viscosity and temperature associated with different°Brix

方程中的相關(guān)系數(shù)R2≥0.9926，說明方程式能很好的反應(yīng)1/T對(duì)熬煮液粘度lnη的影響

圖3中的斜率表示Ea/R，截距表示ln（K0）。不同濃度熬煮液的流動(dòng)活化能（Ea）與頻率因子K0的數(shù)值進(jìn)行分析總結(jié)（見表2），得到流動(dòng)活化能（Ea）隨著熬煮液濃度的上升而增加，頻率因子（K0）隨著濃度上升而減小。熬煮液活化能與頻率因子存在一定補(bǔ)償關(guān)系。

表3 不同溫度下熬煮液的流動(dòng)活化能（Ea）與頻率因子（K0）Table3 The active energy（E）a and frequency factors of boiled grape juice under different temperature（K0）

2.3 濃度對(duì)流變學(xué)特性的影響

牛頓流體的濃度與粘度成指數(shù)關(guān)系形式：

k1、A1為常數(shù)，C為以°Brix示的熬煮液濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 濃度對(duì)葡萄汁熬煮液粘度的影響Fig.4 The effectof boiled grape juice with different increasing concentration on the viscosity

由圖4可知各個(gè)曲線指數(shù)函數(shù)關(guān)系其變化指數(shù)數(shù)學(xué)模型見表4。

表4 不同溫度下粘度與濃度的指數(shù)方程Table4 The exponential equations between concentration and viscosity associated with different temperatures

2.4 溫度、濃度對(duì)流變學(xué)特性的綜合影響

根據(jù)表3制作流動(dòng)活化能Ea和頻率因子K0與濃度之間C之間的關(guān)系圖（圖5與圖6），并得出擬合方程。熬煮液活化能和頻率因子與濃度之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系形式，關(guān)系式為：

將方程（4）和（5）式的指數(shù)方程代入（1）式中經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得出以下綜合方程：

圖5 葡萄汁熬煮液濃度C對(duì)活化能Ea的影響Fig.5 The effectof concentration（C）of boiled grape juice on the active energy（Ea）

圖6 濃度C對(duì)頻率因子K0的影響Fig.6 The effectof concentration（C）of boiled grape juice on the frequency factor（K0）

3 討論

本論文首次對(duì)慕薩萊思釀造關(guān)鍵工序—熬煮工序中葡萄熬煮液的流變學(xué)特性進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在詳細(xì)了解慕薩萊思傳統(tǒng)與現(xiàn)代工藝基礎(chǔ)上，將熬煮程度確定為10～25°Brix。將溫度范圍確定為15～55℃。在此基礎(chǔ)上得到的流體力學(xué)特性，將為慕薩萊思熬煮設(shè)備選型，熬煮液的管道運(yùn)輸，乃至自動(dòng)化控制等現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，在果汁加工中，不論是濃縮汁[1-6]，還是澄清汁[8-9]，溫度與組分濃度對(duì)流體的影響均表現(xiàn)為牛頓流體特性。在特定濃度下，隨著溫度的升高，熬煮液粘度降低，而在特定溫度下，隨著濃度的增加，葡萄熬煮液粘度增加，濃度上升粘度增大[1-10]。本試驗(yàn)中，濃度范圍介于澄清汁與濃縮汁之間，同樣表現(xiàn)為上述規(guī)律特性。參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]，分析原因，前者可能是隨著溫度升高，液體體積膨脹，使單位體積密度減小分子數(shù)降低導(dǎo)致粘度降低；溫度升高，使分子運(yùn)動(dòng)劇烈，分子間作用力減小，導(dǎo)致粘度降低。后者原因可能為熬煮液濃度增加液體中固形物的濃度隨之上升導(dǎo)致粘度增大；熬煮液主要組分濃度增加，各類分子之間的距離減小，相互之間作用力增大使粘度變大；各組分濃度增加密度增大導(dǎo)致粘度變大；溶液中懸浮著葡萄榨汁后的殘留物，隨著溶液濃縮，單位含量增加使液體粘度變大

4 結(jié)論

4.1 在15～55℃下，濃度為10～25°Brix慕薩萊思熬煮液的流變學(xué)特性表現(xiàn)為牛頓型流體。

4.2 在15～55℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，慕薩萊思熬煮液的粘度降低；在10～25°Brix范圍內(nèi)，隨著其濃度的增大，熬煮液粘度也逐漸增加。

4.3 在測(cè)試濃度范圍內(nèi)，溫度對(duì)其粘度的影響可用阿累尼烏斯方程η=K0exp（Ea/RT）表示；在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，濃度對(duì)其粘度的影響可用指數(shù)方程η=Kexp（AC）表示。

4.4 建立了溫度和濃度對(duì)薩萊思加工中葡萄熬煮液粘度影響的綜合性方程：η=3.3×10-7e-0.0237Ce19914e0.0056C/RT，在溫度為15～55℃，濃度為10～25°Brix，該方程可用于預(yù)測(cè)一定溫度和濃度范圍內(nèi)慕薩萊思熬煮液的粘度，為慕薩萊思的加工提供理論參考。

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