侯燕杰，郭玉蓉，牛鵬飛

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119)

仙人掌原產(chǎn)地為南美洲，墨西哥是世界上仙人掌產(chǎn)量最大的國家[1]，在我國海南等沿海亞熱帶地區(qū)也有部分種植[2]。仙人掌果是仙人掌屬的果實(shí)，成熟果實(shí)果肉呈現(xiàn)紅色，含有豐富的氨基酸和礦物質(zhì)元素，除此之外多糖、膳食纖維和蛋白質(zhì)也占據(jù)較大比例[3]。據(jù)古醫(yī)學(xué)記載，仙人掌果能夠止咳解毒、活血祛瘀、清熱、生肌[4]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明仙人掌果提取物有助于傷口愈合，有效增強(qiáng)肌膚保水性。仙人掌果以其獨(dú)特的顏色和營養(yǎng)價(jià)值得到越來越多的關(guān)注，在熱帶和亞熱帶地區(qū)的國家，鮮果已經(jīng)作為一種鮮食水果和加工原料被廣泛應(yīng)用，并開發(fā)了部分產(chǎn)品[5]。我國也有仙人掌果的生產(chǎn)，但因其果皮帶刺，內(nèi)部含有八角刺，果肉多籽且味偏酸，口感略微苦澀而難以食用。仙人掌果屬于漿果類，不易儲藏，最常見的解決方式是加工為果汁或果醬，便于長時(shí)間存放。目前對仙人掌果的研究主要是成分分析和與其他果汁的復(fù)配[6-7]等，對于果汁的流變特性研究甚少。而流變性是果汁或者其他液體類產(chǎn)品的一個(gè)極其重要的參考標(biāo)準(zhǔn)，對其進(jìn)行流變特性的研究可以有效地判斷果汁的加工特性，改善共流變特性直接影響消費(fèi)者的口感和產(chǎn)品銷量。本實(shí)驗(yàn)對仙人掌果果汁的流變特性及其影響因素進(jìn)行了探究。

1 材料與方法

1.1 材料

仙人掌果在海南采摘后當(dāng)日空運(yùn)至陜西西安，儲存于冷庫中，去皮去籽后榨汁得到仙人掌果果汁。

1.2 主要儀器設(shè)備與試劑

AR-G2型流變儀，美國TA公司；RVDV-Ⅱ+Pro型黏度計(jì)，美國博利飛公司；FE20K PLUS pH計(jì)，梅特勒托利多中國有限公司；HH-S4型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；PAL-1數(shù)顯折射儀，日本ATAGO公司；MS7-H550-S數(shù)顯加熱型磁力攪拌器，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器(北京)有限公司；GZX-9146 MBE型普通熱風(fēng)干燥箱。

食品級檸檬酸，碳酸二氫鈉，購自西安晶博生物科技有限公司；食用白砂糖，購自陜西華潤萬家超市。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 對仙人掌果果汁的總糖、水分含量、pH值和糖度進(jìn)行檢測

參照羅香[8]的方法對果汁總糖、水分含量檢測。

1.3.2 流體判定

仙人掌果原果汁使用AR-G2型流變儀，溫度和應(yīng)變恒定，改變剪切速率0.1～600 s-1，判斷果汁的流變類型。

1.3.3 濃度、溫度、pH和糖度對仙人掌果果汁黏度影響

(1)仙人掌果原果汁稀釋到含量為85%、75%、65%、55%、50%(質(zhì)量濃度)，攪拌均勻后在轉(zhuǎn)速200 r/min條件下測其黏度變化；

(2)原果汁分別于40、50、60、70、80、90 ℃的水浴鍋中加熱1 h，冷卻至室溫后攪拌均勻，在轉(zhuǎn)速200 r/min條件下測其黏度變化；

(3)取原果汁分別用檸檬酸和碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH，使其分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0，攪拌均勻轉(zhuǎn)速200 r/min條件下測其黏度變化；

(4)取原果汁邊攪拌邊加入食用蔗糖，得到10、15、20、25、30、35、40°Brix的待測樣，用磁力攪拌器攪拌15 min，使用黏度計(jì)在轉(zhuǎn)速200 r/min的條件下測定其黏度變化。

1.3.4 溫度和質(zhì)量濃度對仙人掌果果汁黏度的影響

將原果汁稀釋到果汁含量為40%、45%、50%、55%、60%和65%，每個(gè)濃度均在50、60、70、80和90 ℃的水浴鍋中加熱1 h，攪拌均勻后在200 r/min轉(zhuǎn)速下測定果汁黏度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 8.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 仙人掌果果汁的基本指標(biāo)

對仙人掌果果汁的基本指標(biāo)進(jìn)行檢測，得到表1。結(jié)果表明仙人掌果中水分占絕大部分，與印榕仙人掌果的研究[8]一致，水分含量充足，食用時(shí)有多汁、飽滿且新鮮的愉悅感；實(shí)驗(yàn)中的仙人掌果總糖含量為6.96 %，略高于甘孜仙人掌果的總糖含量[5]，食用時(shí)呈現(xiàn)甜而不膩、酸而不澀的感覺，對減肥人群而言是一種新的選擇。

表1 仙人掌果果汁的基本指標(biāo)Table 1 The basic indexes of cactus fruit juice

2.2 流變型結(jié)果

采用流變儀對仙人掌果果汁的流變特性進(jìn)行測定，得到圖1。ζ=kSn為判定溶液類型的常用方程，其中ζ為剪切應(yīng)力(Pa)，S為剪切速率(s-1)，k 和n為常數(shù)。對果汁剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的曲線擬合得到方程y=3.396 1x0.561，且R2=0.994 7，表明方程可以用來描述果汁的流變特性。式中n=0.561<1，表明仙人掌果果汁為假塑性液體。因?yàn)楣刑欠肿右蚤L鏈形式存在，相互纏繞重疊，隨著剪切速率增大，互相纏繞的形式受到破壞的程度增大，宏觀上呈現(xiàn)黏度隨之降低，從而表現(xiàn)出剪切稀化的現(xiàn)象，這一結(jié)果與火龍果汁[9]的研究一致。

圖1 仙人掌果果汁流變曲線Fig.1 The flow curve of cactus fruit juice

2.3 質(zhì)量濃度、溫度、pH和糖度對仙人掌果果汁黏度影響

圖2分別為濃度、溫度、pH和糖度對仙人掌果果汁黏度影響曲線。圖2-a中果汁黏度隨著濃度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)濃度為100%時(shí)果汁黏度最大，為215.21 (mPa·s)，隨著質(zhì)量濃度減小其黏度顯著下降，當(dāng)濃度為40%黏度最小，為109.72 (mPa·s)，果汁中含有大量果膠，質(zhì)量濃度高時(shí)分子鏈折疊并互相纏繞，阻礙溶液流動，黏度較大；當(dāng)濃度減小，溶液中分子鏈相對分散，對溶液流動阻礙程度降低，黏度較小。圖2-b中果汁黏度隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)黏度最大，達(dá)到640 (mPa·s)，仙人掌果果汁中大分子物質(zhì)之間及與其他可溶性物質(zhì)會聯(lián)結(jié)，形成較為緊致的結(jié)構(gòu)[10]。隨著溫度增加，果汁中的分子結(jié)構(gòu)受到一定程度破壞，使其折疊和纏繞程度下降，黏度逐漸下降，當(dāng)溫度為90 ℃黏度最小，為171 (mPa·s)。圖2-c中果汁黏度隨pH增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)pH為5時(shí)，黏度最大為183.58 (mPa·s)，pH逐漸升高時(shí)，果膠分子間排斥作用小，分子鏈間距離小，氫鍵容易形成，且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定增加，黏度逐漸增大，pH達(dá)到一定值后，分子間排斥力增大，間隔增大，使體系不穩(wěn)定，黏度開始下降。圖2-d中隨著糖度增加，果汁黏度先下降后增加，當(dāng)糖度為25 °Brix時(shí)黏度最小，為125.62 (mPa·s)，在果汁自身pH條件下，由于氫鍵的形成，使得分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，逐漸加入糖，疏水作用使分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能維持穩(wěn)定，因而果汁黏度會逐漸增強(qiáng)，隨著糖的大量增多，果汁體系由于缺乏水分子導(dǎo)致果膠分子之間的結(jié)構(gòu)難以維持，果汁黏度會突然增大。

圖2 4種條件對果汁黏度變化影響曲線Fig.2 Effect of four factors on the viscosity of juice

2.4 溫度對仙人掌果果汁黏度的影響

不同濃度下探究溫度對果汁黏度影響，得到圖3。由圖3可知，隨著溫度增加，果汁黏度迅速降低，且濃度越高下降速度越快，其黏度受到溫度影響越大。由于溫度升高，分子運(yùn)動加劇，氫鍵作用力減弱，分子鏈間距增加，果汁中分子之間及與其他物質(zhì)聯(lián)結(jié)程度減弱，致密結(jié)構(gòu)被破壞，使得體系穩(wěn)定性下降，因此黏度降低。

圖3 溫度對果汁黏度影響Fig.3 Effect of temperature on the viscosity of juice

通常，溫度對液體黏度影響的公式為阿累尼烏斯指數(shù)方程(Arrhenius)[11-12]，即公式(1)

η=k0exp(Ea/RT)

(1)

式中：η表示表觀黏度，(Pa·s)；k0表示頻率因子(常數(shù))；Ea表示流動活化能，J/mol；R表示氣體常數(shù)8.315,J/(K·mol)；T表示絕對溫度,K，且T=273.15+t(℃)。

對公式(1)兩邊同時(shí)取對數(shù)，轉(zhuǎn)化為lnη=Ea/(RT)+lnk0，計(jì)算不同濃度下溫度對仙人掌果果汁黏度影響，得到表2，表中各濃度下回歸方程R2均大于0.99，表明方程可以很好的表示溫度對果汁黏度的影響。隨著濃度減小，方程斜率和截距均呈現(xiàn)減小的趨勢，根據(jù)斜率Ea/RT和截距l(xiāng)nk0，計(jì)算可得到不同濃度果汁的Ea和k0值，即表3，Ea隨仙人掌果果汁濃度的減小而減小，k0值隨果汁濃度減小而增加，說明流動活化能會與頻率因子之間有一定補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，濃度升高，分子運(yùn)動受到阻礙，所需能量增加。因此運(yùn)輸和加工過程可適當(dāng)升溫以達(dá)到增加果汁流動性的目的。

表2 溫度對果汁黏度影響線性回歸擬合方程Table 2 The equation for the effect of temperature on viscosity of juice

2.5 濃度對仙人掌果果汁黏度的影響

不同溫度下探究濃度對仙人掌果果汁黏度的影響，得到圖4。

表3 仙人掌果果汁的Ea和k0值Table 3 The Ea and k0 values of cactus fruit juice

圖4 濃度對果汁黏度影響Fig.4 The effect of concentrations on the viscosity of cactus fruit juice

由圖4可以看出隨著質(zhì)量濃度的增加，果汁黏度增加，溫度越低增長趨勢越明顯。果汁質(zhì)量濃度增大，體系中分子數(shù)目增多，分子鏈間距變小，分子間互相纏繞折疊，減弱體系的流動性，在宏觀上表現(xiàn)出攪拌阻力增大，因此黏度增大。

果汁質(zhì)量濃度對其黏度的影響可以通過指數(shù)方程和冪函數(shù)方程具體表示[13-18]。即：y=k1ekx，y=k2xa，其中k1、k、k2、a均為常數(shù)；y為黏度，Pa·s；x為果汁質(zhì)量濃度。對不同溫度下果汁黏度和質(zhì)量濃度的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到表4。

表4 質(zhì)量濃度對果汁黏度影響指數(shù)和冪函數(shù)擬合方程Table 4 Index equation and power function of effect of concentrations on the viscosity of juice

由表4可以看出，方程R2值均大于0.97，表示兩種方程均可以表征質(zhì)量濃度對黏度的影響；對比可得，同一溫度下，指數(shù)方程R2值明顯大于冪函數(shù)，因此仙人掌果果汁質(zhì)量濃度對黏度的影響更符合指數(shù)關(guān)系，這一結(jié)果與蘋果汁[19]的研究一致。試驗(yàn)條件下可以得到黏度和濃度的具體關(guān)系，實(shí)際生產(chǎn)中通過濃度估算果汁的黏度，達(dá)到采取合理的方式儲存運(yùn)輸和加工的目的。

3 結(jié)論

通過對仙人掌果果汁的流變學(xué)特性研究，在試驗(yàn)條件下為假塑性流體，隨著剪切速率增加呈現(xiàn)變稀現(xiàn)象。探究溫度、濃度、pH和糖對果汁黏度影響，得出隨著濃度減小、溫度升高和糖含量減少，果汁黏度減小，而隨著pH的增加，果汁黏度先增加后減小。不同質(zhì)量濃度下溫度對果汁黏度的影響可以轉(zhuǎn)化為線性回歸方程表示，且活化能Ea隨著質(zhì)量濃度增加而減??；而不同溫度下濃度對果汁黏度的影響可以用指數(shù)方程表示。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，可以為實(shí)際加工和運(yùn)輸過程中黏度的估算和保存提供借鑒，也可為仙人掌果在不同條件下產(chǎn)品的生產(chǎn)和品質(zhì)的研究奠定基礎(chǔ)。