余振宇，姜紹通*，潘麗軍，戴緣緣，呂俠影

（合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

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芋頭漿的流變特性

余振宇，姜紹通*，潘麗軍，戴緣緣，呂俠影

（合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

摘 要：研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿在不同溫度下的流變學(xué)性質(zhì)。靜態(tài)流變性質(zhì)測(cè)定結(jié)果表明：在研究的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%～30%）和溫度（0～80 ℃）范圍內(nèi)，芋頭漿是具有假塑性的非牛頓流體，其流變特性服從Herschel-Bulkley模型；隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，芋頭漿的非牛頓性在 逐漸增強(qiáng)，漿體的屈服應(yīng)力和黏稠系數(shù)逐漸增大，流變特性指數(shù)逐漸減??；隨著溫度的升高，芋頭漿的表觀黏度不斷降低，漿體的非牛頓性逐漸減弱，黏稠系數(shù)逐漸減小，流變特性指數(shù)逐漸增大，溫度與芋頭漿黏稠系數(shù)的關(guān)系可用Arrhenius方程進(jìn)行擬合；動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)測(cè)定結(jié)果表明：芋頭漿顯示弱凝膠特性。

關(guān)鍵詞：芋頭漿；流變特性；Herschel-Bulkley模型；凝膠特性

芋頭含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)元素，可食用也可藥用，具有寬腸胃、補(bǔ)脾胃、降脂、降血壓、消癆散結(jié)等功效，芋頭中富含的多糖還有具有增強(qiáng)細(xì)胞免疫和體液免疫的功能[1-2]。我國(guó)的芋頭品種豐富、種植面積廣泛，但其開(kāi)發(fā)程度遠(yuǎn)不及山藥、甘薯、馬鈴薯等，由于在收獲和貯存期間的繼續(xù)代謝、損傷、腐爛、皺縮和發(fā)芽而遭受采后損失，只有一部分被食用，造成了很大的浪費(fèi)[3]。所以對(duì)芋頭進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)具有重要意義。

目前市場(chǎng)上有關(guān)芋頭的深加工產(chǎn)品并不多，主要有芋頭泥、芋頭全粉、芋頭冰淇淋、芋頭冷凍食品等固體或半固體類(lèi)產(chǎn)品[4-7]，液體類(lèi)飲料的開(kāi)發(fā)更是鮮有報(bào)道。因此，以芋頭為原料，開(kāi)發(fā)一款具有低脂、高膳食纖維特點(diǎn)的芋頭漿體飲料，可最大限度地保持芋頭的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和獨(dú)特風(fēng)味。芋頭飲料的開(kāi)發(fā)，不僅可以增加現(xiàn)代方便食品的花色品種，也為芋頭的深加工開(kāi)辟了一條途徑，對(duì)芋頭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

流變性是食品所表現(xiàn)出來(lái)的黏性流體力學(xué)和彈性力學(xué)的性質(zhì)，對(duì)食品的運(yùn)輸、傳送、加工工藝以及咀嚼食品時(shí)的滿(mǎn)足感都起著非常重要的作用[8]。近年來(lái)，果蔬汁等液態(tài)食品流變特性研究較為廣泛，許多學(xué)者對(duì)香蕉漿、番茄漿、濃縮藍(lán)莓汁、濃縮芒果汁等漿體的流變特性進(jìn)行研究，這些漿體體系都表現(xiàn)為Herschel-Bulkley流體模型[9-12]。芋頭漿是制備芋頭飲料的基本物料，其流變特性的研究為芋頭飲料的配方、加工工藝設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，也為工業(yè)化生產(chǎn)中加工設(shè)備選型、物料運(yùn)輸中能量損耗、產(chǎn)品質(zhì)量控制、包裝等提供依據(jù)[13]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)芋頭漿的流變性質(zhì)進(jìn)行研究，研究芋頭漿的流體類(lèi)型以及流變參數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度的變化規(guī)律。這些對(duì)于提高芋頭飲料的加工質(zhì)量，生產(chǎn)不同要求的產(chǎn)品，調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝過(guò)程都具有一定指導(dǎo)意義。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮萊陽(yáng)芋頭：購(gòu)于合肥家樂(lè)福超市，芋頭塊莖中的水分含量為82.88%。

FK-A組織搗碎機(jī) 江蘇金壇市金城國(guó)盛實(shí)驗(yàn)儀器廠；DHR-3型流變儀 美國(guó)TA公司。

1.2方法

1.2.1 芋頭漿的制備

將新鮮的芋頭蒸煮熟化后去皮，分別按照芋頭終質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、15%、20%、25%、30%加入蒸餾水，通過(guò)組織搗碎機(jī)進(jìn)行打漿，即制得芋頭漿。

1.2.2 靜態(tài)流變性質(zhì)測(cè)定

質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)芋頭漿流變性的影響測(cè)定：采用40 mm平行板測(cè)量系統(tǒng)，兩平板之間的距離為1 000 μm，在20 ℃條件下測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品（10%、15%、20%、25%、30%）表觀黏度和剪切應(yīng)力隨剪切速率（0～300 s－1）的變化曲線，再對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的流變曲線進(jìn)行擬合，得出芋頭漿的流變模型及其流變特性參數(shù)。

溫度對(duì)芋頭漿流變性的影響測(cè)定：固定剪切速率在1 s－1，在10～50 ℃條件下測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿表觀黏度隨溫度的變化曲線；配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的芋頭漿，分別測(cè)定樣品在0、20、40、60、80 ℃條件下的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線，并對(duì)其流變特性曲線進(jìn)行擬合，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%芋頭漿在不同溫度條件下的流變模型及流變特性參數(shù)。

1.2.3 動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)測(cè)定

線性黏彈區(qū)的確定：采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定流體的流變性質(zhì)，首先需要確定流體的線性黏彈區(qū)。采用40 mm平行板測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)定溫度為20 ℃，振蕩頻率固定在1 Hz，測(cè)定復(fù)合模量G*隨振蕩應(yīng)變的變化，復(fù)合模量G*恒定的振蕩應(yīng)變區(qū)即為芋頭漿的線性黏彈區(qū)。

頻率掃描：在線性黏彈區(qū)內(nèi)對(duì)芋頭漿進(jìn)行頻率掃描，振蕩應(yīng)變固定在0.5%，振 蕩頻率范圍為0.01～2 Hz。測(cè)定頻率掃描過(guò)程中貯能模量G’、耗能模量G’以及動(dòng)力學(xué)黏度η’的變化。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin8.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1芋頭漿靜態(tài)流變性質(zhì)

2.1.1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的流變特性

圖1　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿表觀黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.1 Relationship between shear rate and apparent viscosity of taro pulp at different concentrations

由圖1可知，在剪切速率一定的情況下，芋頭漿的表觀黏度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，當(dāng)剪切速率較小時(shí)，這種增大的趨勢(shì)更加明顯。此外，在研究的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，芋頭漿的表觀黏度也隨著剪切速率的增加而逐漸減小，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特征。這是因?yàn)橛箢^漿在靜止或者低剪切速率的情況下，漿體中的淀粉等鏈狀高分子之間相互連結(jié)、纏繞，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了分子之間的作用力，漿體從而表現(xiàn)為高黏度性質(zhì)[8]。當(dāng)剪切速率增加時(shí)，漿體中聚集或纏繞在一起的淀粉等鏈狀高分子會(huì)發(fā)生解體或變形，分子之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，降低了流體阻力，從而使芋頭漿的表觀黏度減小，呈現(xiàn)出剪切稀化的現(xiàn)象[14]。芋頭漿剪切稀化的性質(zhì)有利于其在加工過(guò)程中的泵送和灌注。

圖2　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Relationship between shear rate and shear stress of taro pulp at different concentrations

由圖2可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加而增大，這是由于當(dāng)剪切速率增加，漿體的流速增加，速率梯度增大，要破壞體系中纏繞在一起的淀粉顆粒等固形物使其解體或變形，剪切力也會(huì)隨之增大[15]。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～30%的芋頭漿均呈現(xiàn)典型的屈服-假塑性流體特性行為，這些曲線可采用Herschel-Bulkley模型τ=τ0＋kγn進(jìn)行擬合，式中：τ0為屈服應(yīng)力/Pa，k為黏稠系數(shù)/（Pa·sn），γ為剪切速率/s?1，n是流變特性指數(shù)，得到的擬合參數(shù)見(jiàn)表1；對(duì)芋頭漿的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行擬合，所得曲線和方程見(jiàn)圖3。

表1　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的流變特性參數(shù)值Table 1 Rheological parameters of taro pulp at different concentrations

由表1可知，在20 ℃條件下，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芋頭漿的流變特性指數(shù)逐漸減小，漿體的屈服應(yīng)力和黏稠系數(shù)逐漸增大。流變特性指數(shù)的大小反映了漿體體系剪切變稀的難易程度，也即假塑性程度的大小，芋頭漿的流變特性指數(shù)逐漸減小，意味著漿體的非牛頓性流體行為增強(qiáng)，牛頓性流體行為減弱。由于芋頭漿中不僅存在大量的淀粉顆粒，同時(shí)還保留了蛋白質(zhì)、果膠等大分子物質(zhì)[16-17]，這些大分子之間相互聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得漿體體系具有屈服應(yīng)力，而且隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，各分子之間的相互作用增大，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密程度增加，使得漿體體系所需克服的屈服應(yīng)力就越大，黏稠系數(shù)也相應(yīng)增大。曲線擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，這說(shuō)明在20 ℃條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%的芋頭漿均服從Herschel-Bulkley模型。

圖3　20 ℃條件下芋頭漿的黏稠系數(shù)和流變特性指數(shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Effect of concentration on viscosity coeffcient and rheological indices of taro pulp at 20 ℃

由圖3可知，20 ℃條件下芋頭漿的黏稠系數(shù)k與質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合的曲線方程為y=0.006 9e0.147 7x，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 6；芋頭漿的流變特性指數(shù)n與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系符合二次多項(xiàng)式模型，擬合的曲線方程為y=0.000 3x2－0.018 3x＋0.909 3，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 1。

2.1.2 溫度對(duì)芋頭漿流變特性的影響

圖4　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿表觀黏度隨溫度的變化曲線Fig.4 Relationship between temperature and apparent viscosity of taro pulp at different concentrations

由圖4可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的表觀黏度隨著溫度的升高在不斷減小，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，這種減小的趨勢(shì)更加明顯。這主要是由于溫度升高，漿體中淀粉等大分子物質(zhì)的能量增加，加快了分子的熱運(yùn)動(dòng)，減弱了分子間的相互作用，同時(shí)溶液體積發(fā)生膨脹，使得每一分子平均占有的體積增大，漿體的流動(dòng)性增強(qiáng)，體系的黏度從而逐漸減小[18]。隨著芋頭漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，相同體積內(nèi)淀粉等大分子物質(zhì)的含量增加，溫度越高對(duì)體系黏度的影響就越大。

圖5　質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的芋頭漿在不同溫度下剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.5 Relationship between shear rate and shear stress of 15% taro pulp at different temperatures

由圖5可知，在不同溫度下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%芋頭漿的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增加而增大；在同一剪切速率條件下，芋頭漿的剪切應(yīng)力隨著溫度升高逐漸減小。不同溫度下15%芋頭漿的流變曲線可采用Herschel-Bulkley模型進(jìn)行擬合，得到的擬合參數(shù)見(jiàn)表2；對(duì)芋頭漿的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行擬合，所得曲線和方程見(jiàn)圖6。

表2　質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的芋頭漿在不同溫度下的流變特性參數(shù)值Table 2 Rheological parameters of 15% taro pulp at different temperatures

由表2可知，隨著溫度的升高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%芋頭漿的流變特性指數(shù)逐漸增大，漿體的黏稠系數(shù)逐漸減小。芋頭漿流變特性指數(shù)的增大意味著漿體非牛頓性流體行為的減弱，其中n值均小于1，說(shuō)明在0～80 ℃之間，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的芋頭漿均屬于假塑性流體體系。漿體的黏稠系數(shù)逐漸減小，這與之前表觀黏度隨溫度升高逐漸減小的趨勢(shì)表現(xiàn)一致。曲線擬合的相關(guān)系數(shù)值均在0.99以上，這說(shuō)明在該溫度范圍內(nèi)，15%芋頭漿均服從Herschel-Bulkley流體模型。

圖6　溫度對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的芋頭漿黏稠系數(shù)和流變特性指數(shù)的影響Fig.6 Effect of temperature on viscosity coefficient and rheological index of 15% taro pulp

采用Arrhenius方程k=k0exp（Ea/RT）對(duì)溫度與芋頭漿黏稠系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行擬合；式中：k0為系數(shù)，Ea為流動(dòng)活化能/（J/mol），R為氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K）），T為絕對(duì)溫度/K。如圖6所示，所得擬合方程k=10?7exp （31 264.8/RT），R2=0.964 6，溫度與黏稠系數(shù)對(duì)Arrhenius方程具有很高的擬合精度，用Arrhenius方程可以很好地描述溫度對(duì)芋頭漿流動(dòng)特性的影響。溫度與芋頭漿流變特性指數(shù)n的數(shù)學(xué)關(guān)系符號(hào)二次多項(xiàng)式模型，擬合的曲線方程為y=4×10?5x2＋0.000 4x＋0.686 5，相關(guān)系數(shù)R2=0.988 1。

2.2芋頭漿動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)

2.2.1線性黏彈區(qū)的確定

圖7　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的線性黏彈性區(qū)域Fig.7 Linear viscoelasticity region of taro pulp at different concentrations

線性黏彈區(qū)是指復(fù)合模量G*不隨振蕩應(yīng)變發(fā)生變化的區(qū)域[19]，在線性黏彈區(qū)內(nèi)，芋頭漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞。由圖7可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿在振蕩應(yīng)變?yōu)?.0%～1.0%的范圍內(nèi)復(fù)合模量G*恒定，顯示線性黏彈區(qū)。本實(shí)驗(yàn)選擇0.5%的振蕩應(yīng)變作為測(cè)定芋頭漿動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)的條件。

2.2.2頻率掃描

一般材料的動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定是通過(guò)對(duì)材料施加一個(gè)連續(xù)的正弦應(yīng)力或應(yīng)變，然后 記錄材料的響應(yīng)。G’是動(dòng)態(tài)彈性模量，又稱(chēng)貯能模量，反映了材料貯存能量的能力，可以表征材料的彈性特征；G”是黏性損耗模量，又稱(chēng)耗能模量，反映了材料釋放能量的能力，耗能模量G”和動(dòng)力學(xué)黏度η’可以表征材料的黏性特征[19-20]。

圖8　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)芋頭漿的頻率掃描Fig.8 Frequency scanning of taro pulp at different concentrations

損失正切tanδ定義為耗能模量與貯能模量的比率，tanδ=G”/G’可以直觀準(zhǔn)確地反映流體的動(dòng)彈黏彈性。當(dāng)tanδ＜1時(shí)，說(shuō)明G’相對(duì)于G”占主要優(yōu)勢(shì)，流體主要表現(xiàn)為固體彈性性質(zhì)，反之則主要表現(xiàn)為流體黏性性質(zhì)[21]。由圖8A、8B可知，在掃描的頻率范圍內(nèi)（0.01～2 Hz），芋頭漿的貯能模量G’始終高于耗能模量G”，其G’和G′對(duì)振蕩頻率具有輕微的依賴(lài)性，且兩者的值均較?。?.1～20 Pa之間）。由圖8C可知，損失正切tanδ基本保持在0.1～1之間，與掃描頻率之間呈現(xiàn)弱相關(guān)性，芋頭漿主要表現(xiàn)為固體彈性性質(zhì)。由圖8D可知，在振蕩頻率=剪切速率時(shí)，漿體的表觀黏度明顯低于復(fù)合黏度；這反映了芋頭漿的弱凝膠特性[22]。事實(shí)上，真正的凝膠或完全彈性的固體，其G’比G”大得多，而且基本上不依賴(lài)于振蕩頻率[23]。大部分的食品體系或生物大分子溶液，通常都是介于完全液態(tài)和完全固態(tài)之間，屬于黏彈性流體[24]。

在芋頭漿體系中，G’代表的是蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)表現(xiàn)的彈性行為，而G”則代表了糖類(lèi)等小分子溶質(zhì)表現(xiàn)的黏性行為，G’和G”隨著芋頭漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，是這些物質(zhì)對(duì)漿體黏彈性絕對(duì)貢獻(xiàn)程度增加的反映[12]。此外，類(lèi)似于穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)的剪切稀化現(xiàn)象，在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，隨著振蕩頻率的增加，芋頭漿的動(dòng)力學(xué)黏度η’呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這與靜態(tài)流變學(xué)測(cè)定的結(jié)果一致。

3　結(jié) 論

芋頭漿有剪切稀化的現(xiàn)象，是具有假塑性的非牛頓流體，其流變特性服從Herschel-Bulkley模型；隨著芋頭漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，漿體體系的非牛頓性在逐漸增強(qiáng)，屈服應(yīng)力和黏稠系數(shù)逐漸增大，流變特性指數(shù)逐漸減??；對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的芋頭漿，隨著溫度的升高，漿體的非牛頓性逐漸減弱，黏稠系數(shù)逐漸減小，流變特性指數(shù)逐漸增大，溫度與芋頭漿黏稠系數(shù)的關(guān)系可用Arrhenius方程進(jìn)行擬合；動(dòng)態(tài)流變測(cè)定表明：芋頭漿顯示弱凝膠特性；此外，隨著振蕩頻率的增加，芋頭漿的動(dòng)力學(xué)黏度η′逐漸減小，呈現(xiàn)剪切稀化的特性，這與靜態(tài)流變學(xué)測(cè)定的結(jié)果一致。

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Rheological Properties of Taro Pulp

YU Zhenyu, JIANG Shaotong*, PAN Lijun, DAI Yuanyuan, Lü Xiaying
(Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, Institute of Agricultural Products Processing Technology, School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:Our present work evaluated the rheological properties of taro pulp at different concentrations and temperatures. Static rheological tests showed that taro pulp was a pseudoplastic non-Newtonian fl uid and could be fi tted by Herschel-Bulkley model within the corresponding ranges of temperature (0?80 ℃) and concentration (10%–30%). An in crease in taro pulp concentration enhanced its non-Newtonian characteristics, increased its viscosity coeffi cient and shear stress and decreased its rheological index, while higher temperature could result in higher rheological index, lower non-Newtonian fl uidity and smaller viscosity coefficient. The Arrhenius equation could accurately describe the relationship between temperature and viscosity coeffi cient of taro pulp. Dynamic rheological tests showed that taro pulp had weak gel-li ke properties.

Key words:taro pulp; rheological properties; Herschel-Bulkley model; gel-like properties

doi:10.7506/spkx1002-6630-201507007

中圖分類(lèi)號(hào)：TS201.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6630（2015）07-0036-05

*通信作者：姜紹通（1954—），男，教授，本科，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：jiangshaotong@163.com

作者簡(jiǎn)介：余振宇（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：elvenyue@163.com

基金項(xiàng)目：安徽省科技專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（13Z03042）

收稿日期：2014-06-30