陳 蕓 李江濤 趙思明 李云波

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，武漢 430070）

應(yīng)力松弛是恒定應(yīng)變下，高分子體系內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而減少的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛特性可以反映食品的硬、軟、黏性和彈性等質(zhì)地、口感信息，為食品的加工和品質(zhì)控制等提供依據(jù)。

大米的品種、組成成分等對(duì)凝膠的形成及凝膠的力學(xué)特性都有一定的影響[1-4]。米飯[5]、米線[6]等是以大米為原料制作的凝膠食品，凝膠食品的品質(zhì)對(duì)原料的特性都有較大的依賴性[5-10]。直鏈淀粉、蛋白質(zhì)含量高的大米吸水性差，用其制作的米飯彈性和黏性小、硬度大[5，9]。與糯稻和粳稻相比，較高直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量的秈米較適于加工方便米粉[7-8]。用直鏈淀粉含量高的早秈米制作米線時(shí)，米線吸水率和煮沸損失低；高蛋白、低脂肪含量的米線硬度大、彈性和黏性低[6]。不同品種的秈米由于化學(xué)組成不同，制作的凝膠性質(zhì)也有差異。與晚秈米相比，早秈米凝膠有較高的黏附性和較低的回彈性[3]，秈米凝膠的蠕變特性與其化學(xué)成分有相關(guān)性[1]。目前對(duì)于不同品種的秈米凝膠的力學(xué)特性的報(bào)道較少，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)16種秈米凝膠應(yīng)力松弛特性的測(cè)定，從高分子結(jié)構(gòu)的角度探索主要化學(xué)成分對(duì)秈米凝膠的影響，為淀粉質(zhì)凝膠食品的生產(chǎn)加工及品質(zhì)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用稻谷為16種當(dāng)年收獲精選晾曬的秈稻，室溫儲(chǔ)藏。使用前用實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)加工成糙米，再用實(shí)驗(yàn)?zāi)朊讬C(jī)碾米60 s碾成白米。試驗(yàn)所用秈米的品種名稱、類型及主要化學(xué)成分見表1，其中編號(hào)為01～08、10～11的秈米均產(chǎn)自于湖北，編號(hào)為 09、12～16的秈米均來(lái)自湖南金健米業(yè)股份有限公司。

1.2 凝膠的制作

基于米粉的工藝[5]制作大米凝膠。

1.3 凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定

將用1.2的方法制作的凝膠切成長(zhǎng)方體（長(zhǎng)×寬×高 ＝20 mm×20 mm×7 mm）。用質(zhì)構(gòu)儀（XT Plus Texture Analyser，TA-XT2型：Stable Micro Systems Ltd，美國(guó)）測(cè)定，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為25℃。設(shè)定參數(shù)為：采用Hold on模式，探頭為P／36R。壓縮比為50%，探頭測(cè)試前下壓速度為5 mm／s，測(cè)試速度為 10 mm／s，測(cè)試后返回速度 10 mm／s，探頭自動(dòng)采集感應(yīng)力，數(shù)據(jù)采集速度為400 pp／s。

松弛段曲線采用Maxwell三元件質(zhì)構(gòu)模型進(jìn)行擬合，此質(zhì)構(gòu)模型由一個(gè)虎克體和一個(gè)阻尼體串聯(lián)后再與另一虎克體并聯(lián)組成?；⒖梭w模擬的是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可逆變形即理想彈性體，阻尼體模擬的是線形分子的不可逆變形即理想黏性體。用該模型可以反映高分子形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，線形分子間的摩擦及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與線形分子間的相互作用[11]。

表1 秈米品種名稱、類型及主要化學(xué)成分（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

其數(shù)學(xué)模型為：

式中：σ為物料承受的應(yīng)力／kg·f／m2；E0為普彈模量／kg·f／m2；E1為高彈模量／kg·f／m2；ε為變形量，本試驗(yàn)為50%；t為松弛段試驗(yàn)時(shí)間／s；τ為應(yīng)力松弛時(shí)間／s，是應(yīng)力σ降到初始應(yīng)力σ0的1／e時(shí)所需的時(shí)間；n為應(yīng)力松弛非線形指數(shù)。η＝E1·τ，為阻尼體黏滯系數(shù)／kg·f·s／m2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用OriginPro8進(jìn)行繪圖，MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)模型擬合，SAS 8.1進(jìn)行相關(guān)性分析。2次重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)做3個(gè)平行。

2 結(jié)果與分析

2.1 秈米凝膠的應(yīng)力松弛特性

圖1 不同品種秈米凝膠的應(yīng)力松弛特征曲線

秈米凝膠應(yīng)力松弛特性曲線見圖1。以60 s時(shí)的應(yīng)力σ60為標(biāo)志將其分為2組，其中圖1a為σ60≥7 500 kg·f／m2的大米凝膠的應(yīng)力隨時(shí)間的響應(yīng)圖（0～60 s）。圖1c為 σ60＜7 500 kg·f／m2的大米凝膠的應(yīng)力響應(yīng)圖（0～60 s）。圖1b和圖1d分別為圖1a和圖1c的局部放大圖（0～1 s）。

由圖1可知，在設(shè)定測(cè)試模式下，壓縮段應(yīng)力迅速上升，所需時(shí)間約0.4～0.5 s，進(jìn)入松弛段，應(yīng)力釋放由快而慢，然后逐漸減緩并趨近定值平衡應(yīng)力σ60。不同品種秈米凝膠壓縮50%的最大應(yīng)力約在8 000～32 000 kg·f／m2之間。最大應(yīng)力反映秈米凝膠的硬度，由圖1可知，余赤米的凝膠硬度最大，而兩優(yōu)301的凝膠質(zhì)地最軟。

2.2 秈米凝膠的應(yīng)力松弛參數(shù)

凝膠的應(yīng)力松弛過(guò)程主要由高彈松弛和普彈松弛2部分組成。對(duì)于黏彈性體而言，達(dá)到完全的應(yīng)力平衡需要較長(zhǎng)時(shí)間。本試驗(yàn)對(duì)60 s內(nèi)的應(yīng)力-時(shí)間數(shù)據(jù)，應(yīng)用Maxwell三元件模型進(jìn)行擬合，得到不同品種大米凝膠的應(yīng)力松弛參數(shù)見表2。所有樣品的校正系數(shù)R2均在0.96以上，表明所用的方程擬合精度很高。

表2 不同品種稻米凝膠的應(yīng)力松弛參數(shù)

由表2可知，不同品種大米凝膠之間的應(yīng)力松弛參數(shù)有差異，普彈模量E0分布在1.472～11.400 kg·f／m2之間，高彈模量 E1分布在988～6 955 kg·f／m2之間，松弛時(shí)間τ分布在0.129～0.220 s之間，松弛非線形指數(shù)n分布在0.057～0.162之間，黏滯系數(shù)η分布在217.777～927.102 kg·f·s／m2之間。以余赤米凝膠的普彈模量E0和松弛時(shí)間τ最大，高彈模量E1、松弛非線形指數(shù)n和黏滯系數(shù)η最小，表明其初始硬度最大，在壓縮過(guò)程中凝膠彈性與黏性小，外力對(duì)高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞作用較大，凝膠線形分子鏈間存在較大的摩擦和較小的相對(duì)位移。以兩優(yōu)106凝膠的E0最小，其質(zhì)地柔軟。兩優(yōu)301凝膠的松弛時(shí)間τ最小，則表明其應(yīng)力松弛衰減速度快。以金優(yōu)207凝膠的高彈模量E1、松弛非線形指數(shù)n和黏滯系數(shù)η最大，表明其凝膠黏性與彈性大，外力對(duì)高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞作用較小，凝膠線形分子鏈間存在較大的相對(duì)位移。

2.3 大米主要化學(xué)成分對(duì)凝膠松弛參數(shù)的影響

大米中主要成分是淀粉，包括直鏈淀粉和支鏈淀粉，其次是水分、蛋白質(zhì)和脂肪，它們對(duì)大米凝膠的形成有不同程度的影響[12-13]。不同品種稻米的水分含量、蛋白質(zhì)含量、碘蘭值、脂肪含量與應(yīng)力松弛參數(shù)相關(guān)性見表3。

表3 凝膠應(yīng)力松弛參數(shù)與秈米化學(xué)成分的相關(guān)性分析（n＝16，r／P）

由表3可知，普彈模量E0與碘蘭值呈極顯著正相關(guān)，高彈模量E1與碘蘭值呈顯著負(fù)相關(guān)。松弛時(shí)間τ與碘蘭值呈顯著正相關(guān)。碘蘭值較大說(shuō)明大米的直鏈淀粉含量較高，導(dǎo)致凝膠體系的剛性較大，從而使松弛時(shí)間τ較大。在大米凝膠中，直鏈淀粉穿插纏結(jié)在支鏈淀粉網(wǎng)絡(luò)中，參與凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。直鏈淀粉有助于高分子鏈間氫鍵的形成，分子鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力較大，導(dǎo)致普彈模量E0和松弛時(shí)間τ較大，高彈模量E1較小，從而表現(xiàn)出凝膠的剛度[14]和硬度增強(qiáng)，彈性降低，應(yīng)力松弛衰減速度緩慢。如M102s／中組1號(hào)凝膠的碘蘭值比兩優(yōu)105大，即M102s／中組1號(hào)凝膠的直鏈淀粉含量高，與兩優(yōu)105相比，其硬度大、彈性小，松弛時(shí)間長(zhǎng)而應(yīng)力松弛衰減速度緩慢。直鏈淀粉含量高，秈米凝膠E1較小，這與米飯凝膠的松弛特性[5]相似，而直鏈淀粉含量高，秈米凝膠松弛時(shí)間長(zhǎng)，這與米飯凝膠的松弛特性[5]相反。這可能是因?yàn)槎i米凝膠的蛋白質(zhì)或脂肪與淀粉分子纏繞或交聯(lián)，使得分子間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的能力較低，也可能是秈米凝膠經(jīng)過(guò)重組織化，質(zhì)地較均勻，分子鏈間相互作用力較大，而導(dǎo)致與米飯凝膠的應(yīng)力松弛特性有所不同。

普彈模量E0與脂肪含量呈正相關(guān)，應(yīng)力松弛非線形指數(shù)n與脂肪呈負(fù)相關(guān)。這是由于脂肪與淀粉分子以結(jié)合態(tài)形式存在[15]，增加了分子鏈間的交聯(lián)度，使膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了凝膠硬度。如M103s／中組1號(hào)凝膠的脂肪含量比兩優(yōu)301的高，表現(xiàn)出M103s／中組1號(hào)凝膠的普彈模量E0較大。脂肪含量較高時(shí)，秈米凝膠的硬度較大，這與秈米凝膠的蠕變特性研究結(jié)果[1]不同。這可能是因?yàn)殍偳对谀z網(wǎng)絡(luò)中的脂肪，一方面增加分子鏈間的交聯(lián)度，分子鏈段運(yùn)動(dòng)受到阻礙；另一方面脂肪有潤(rùn)滑作用，脂肪分子間或脂肪與其他化學(xué)鍵間產(chǎn)生斥力，克服分子間的相互作用，使分子鏈發(fā)生位移。當(dāng)斥力小于分子間的相互作用力時(shí)，分子鏈間的位移較小，宏觀上使凝膠表現(xiàn)出較小的彈韌性。

3 結(jié)論

秈米凝膠的應(yīng)力松弛過(guò)程主要由普彈松弛和高彈松弛2部分組成，以高彈松弛為主。秈米凝膠的應(yīng)力松弛特性與品種有較大關(guān)系。直鏈淀粉含量、脂肪含量對(duì)松弛特性有顯著影響。直鏈淀粉誘導(dǎo)高分子鏈間產(chǎn)生較多的氫鍵，使分子鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力增大；脂肪與淀粉分子結(jié)合增加分子鏈間交聯(lián)度，導(dǎo)致秈米凝膠的硬度增大、彈性減小、應(yīng)力松弛衰減速度緩慢。

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