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        糖漿添加對棗花蜂蜜流變學(xué)行為的影響

        2024-04-13 11:04:02張甫強鮑其昌陳茂深
        食品工業(yè) 2024年3期
        關(guān)鍵詞:棗花麥芽糖剪切應(yīng)力

        張甫強,鮑其昌,陳茂深

        1.樅陽縣鮑記蜂業(yè)有限責(zé)任公司(銅陵 246701);2.江南大學(xué)未來食品科學(xué)中心(無錫 214122)

        蜂蜜作為一種天然食品,一直以來以其獨特的口感、豐富的營養(yǎng)和潛在的藥用價值備受推崇[1-2]。然而,一些不法經(jīng)營者不擇手段采用摻假的手法,以降低生產(chǎn)成本并牟取不當(dāng)利潤。為此,低成本的濃縮糖漿,如果葡糖漿和麥芽糖漿,被摻入天然蜂蜜中,以提高產(chǎn)量并滿足市場需求。

        這種摻假現(xiàn)象引發(fā)對蜂蜜品質(zhì)和真實性的嚴(yán)重擔(dān)憂。因為蜂蜜的品質(zhì)不僅關(guān)系蜂蜜本身的質(zhì)量,還影響到其他蜂產(chǎn)品,如蜂蠟和蜂蜜酒的質(zhì)量[3]。蜂蜜的流變性影響其感官特性,與加工和質(zhì)量控制息息相關(guān)。研究蜂蜜的流變特性,特別是與摻假相關(guān)的流變學(xué)行為,變得至關(guān)重要。蜂蜜主要是糖類(主要是果糖、葡萄糖和一些蔗糖)的過飽和溶液,含水量低[4]。蜂蜜的黏度是其中一個重要的質(zhì)構(gòu)參數(shù),對蜂蜜的生產(chǎn)、加工、貯存以及最終的產(chǎn)品品質(zhì)都有著顯著影響[5]。黏度是指液體流動阻力的度量,它與蜂蜜的流動性直接相關(guān)。通常情況下,蜂蜜呈現(xiàn)出相對高的黏度,為提高流動性,生產(chǎn)者需加熱以降低黏度[6-7]。除了溫度,蜂蜜的黏度還受其水分的影響,這兩者是黏度的關(guān)鍵影響因素[8]。通常情況下,蜂蜜黏度會隨著水分的減少而增加。溫度升高會使蜂蜜黏度降低,而水分的減少會增加蜂蜜的黏度[8]。這種關(guān)系使得蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特性變得復(fù)雜,需要深入研究以理解其變化規(guī)律。

        試驗聚焦于果葡糖漿和麥芽糖漿這2種常見的摻假成分,使用現(xiàn)代流變學(xué)儀器和分析方法,以探究它們對蜂蜜質(zhì)構(gòu)的具體影響。選取國產(chǎn)棗花蜂蜜作為天然蜂蜜的代表,將果葡糖漿和麥芽糖漿分別按不同比例摻入,以此測定蜂蜜的黏度隨剪切力、溫度的變化,以及摻入糖漿和水分變化對蜂蜜流變特性的影響。通過建立蜂蜜黏度與摻入糖漿含量和溫度之間的關(guān)系模型,以提供新的研究思路和有力的數(shù)據(jù)支持,幫助鑒別蜂蜜中是否摻假,特別是摻入果葡糖漿和麥芽糖漿的情況。旨在為蜂蜜質(zhì)構(gòu)的相關(guān)研究提供更多見解,同時也為蜂蜜中摻入糖漿的質(zhì)量控制提供實用方法。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        棗花蜂蜜(水分18.2%,福建樂之食品有限公司);麥芽糖(上海楓未實業(yè)有限公司);果葡糖漿(上海廣禧貿(mào)易有限公司)。

        1.2 儀器與設(shè)備

        電子天平(ME104E,梅特勒-托利多儀器上海有限公司);旋轉(zhuǎn)剪切流變儀(HR-10,美國TA儀器公司);數(shù)顯折射儀(PAL-1,廣州市愛宕科學(xué)儀器有限公司)。

        1.3 樣品制備

        棗花蜂蜜分別以5∶5,5∶3,5∶2和5∶1的比例和麥芽糖漿混合,得到HM55、HM53、HM52、HM51蜂蜜摻麥芽糖漿樣本。棗花蜂蜜分別以5∶5,5∶3,5∶2和5∶1的比例和果葡糖漿混合,得到HG55、HG53、HG52、HG51蜂蜜摻果葡糖漿樣本。混合好的樣品在40 ℃恒溫水浴鍋中加熱攪拌直至混合均勻,于常溫冷卻后備用。

        1.4 蜂蜜/糖漿樣本水分測定

        參考Ciursa等[9]的方法,水分是通過樣品的折光率值轉(zhuǎn)換而得到。樣品滴在數(shù)顯折射儀(PAL-1)上,儀器事先用蒸餾水進行校準(zhǔn)。測量是在25 ℃下進行,含水量由100%扣去含糖百分比獲得。

        1.5 蜂蜜流變學(xué)特性測定

        1.5.1 穩(wěn)態(tài)流動模式掃描

        穩(wěn)態(tài)流變測量在25 ℃的溫度下進行,樣品平衡時間設(shè)置為5 min。剪切速率在0.1~100 s-1之間(所有樣品均處于線性黏彈性區(qū)域),測定不同樣品的剪切應(yīng)力和黏度隨剪切速率的變化。

        1.5.2 溫度掃描

        分析樣品靜置5 min,設(shè)置起始溫度15 ℃,剪切速率1.0 s-1,測定不同樣品黏度在溫度15~40 ℃間的變化。

        1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及圖像處理方法

        使用Origin 2021(OriginLab Corporation,USA)對流變數(shù)據(jù)進行擬合,確定合適的功能模型和常數(shù),并進行繪圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 棗花蜂蜜和糖漿的穩(wěn)態(tài)流變特性

        通常認為蜂蜜為牛頓流體,其特點是在固定溫度下黏度(η)恒定,可用牛頓流動定律進行描述,即剪切應(yīng)力(σ)和剪切速率(γ)之間呈線性關(guān)系σ=η×γ[10]。圖1顯示25 ℃下棗花蜂蜜和2種糖漿(果葡糖漿和麥芽糖漿)的剪切應(yīng)力、黏度隨剪切速率變化曲線。可以看到棗花蜂蜜和2種糖漿的應(yīng)力曲線均線性良好,經(jīng)過原點。但是,在黏度-應(yīng)變曲線圖中,與黏度始終保持穩(wěn)定的棗花蜂蜜不同,麥芽糖漿和果葡糖漿在低剪切速率范圍0.1~1.0 s-1內(nèi),其黏度隨剪切速率增大有降低趨勢,麥芽糖漿更是明顯。說明這2種流體在地剪切速率范圍內(nèi)呈現(xiàn)一定假塑性的特點[11],這種假塑性特征隨著剪切速率達到1.0 s-1以上而消失。但從圖1(A)中近乎經(jīng)過原點的應(yīng)力曲線可以看出,2種糖漿的屈服應(yīng)力較小,通常情況可以忽略,可以近乎認為與棗花蜂蜜一樣,是牛頓流體。

        圖1 25 ℃下棗花蜂蜜、果葡糖漿和麥芽糖漿的剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線(A)和黏度-剪切應(yīng)變曲線(B)

        整體來看,隨著剪切速率的增加,棗花蜂蜜和果葡糖漿的剪切應(yīng)力和黏度略有增加。果葡糖漿的應(yīng)力變化較為緩和,相比之下低于棗花蜂蜜,兩者均保持較低的黏度和應(yīng)力水平。而麥芽糖漿則表現(xiàn)出極高的初始黏度,在高剪切速率下,其黏度遠高于果葡糖漿和棗花蜂蜜。與此同時,麥芽糖漿的應(yīng)力隨應(yīng)變增加的幅度也呈現(xiàn)顯著變化。

        2.2 不同糖漿添加量的蜂蜜穩(wěn)態(tài)流變學(xué)特性

        2.2.1 剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線

        如圖2所示,測試將棗花蜂蜜按不同比例與果葡糖漿和麥芽糖漿混合后的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化。果葡糖漿的添加減緩應(yīng)力隨應(yīng)變發(fā)生的變化,而麥芽糖漿則是加劇這一變化,說明糖漿添加確實改變蜂蜜的流變學(xué)特性。棗花蜂蜜與麥芽糖漿即使以1∶1的比例混合,其應(yīng)力變化相較麥芽糖漿來說仍較為緩和。

        圖2 不同果葡糖漿(A)和不同麥芽糖漿(B)添加量的棗花蜂蜜剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線

        2.2.2 黏度-剪切應(yīng)變曲線

        圖3則顯示不同比例果葡糖漿和麥芽糖漿添加后,混合蜂蜜的黏度-剪切速率曲線。隨著果葡糖漿添加比例的升高,棗花蜂蜜的黏度逐漸下降,當(dāng)果葡糖漿添加量達到37.5%時,25 ℃的蜂蜜密度就已下降至原來的一半。麥芽糖漿添加會提高棗花花蜜的黏度(圖3 B),但是添加量在16.7%~37.5%范圍內(nèi)時,對黏度的影響差別不大,當(dāng)添加量繼續(xù)提高到50%,黏度有了進一步提高,但仍遠低于麥芽糖漿的黏度。同時,在低剪切速率范圍0.1~1.0 s-1內(nèi),麥芽糖漿混合蜂蜜的黏度變化不再顯著。結(jié)合圖2(B)的試驗結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)蜂蜜與麥芽糖漿混合時,混合蜂蜜的性質(zhì)受到棗花蜂蜜影響更大。

        圖3 不同果葡糖漿(A)和不同麥芽糖漿(B)添加量的棗花蜂蜜黏度-剪切應(yīng)變曲線

        圖4分析棗花蜂蜜25 ℃下黏度與糖漿含量的相關(guān)性。糖漿添加量在0~50%范圍內(nèi)基本呈現(xiàn)線性相關(guān)。棗花蜂蜜黏度與果葡糖漿濃度呈負相關(guān),可通過公式y(tǒng)=-13.43x+10.04預(yù)估混合蜂蜜中果葡糖漿含量(R2=0.970 1)。而棗花蜂蜜黏度與麥芽糖漿濃度呈正相關(guān),可通過公式y(tǒng)=43.91x+11.12預(yù)估混合蜂蜜中麥芽糖漿含量,不過該公式的預(yù)測效果稍差(R2=0.941 7)。

        圖4 棗花蜂蜜黏度-果葡糖漿含量(A)和麥芽糖漿含量(B)相關(guān)性分析

        2.3 不同糖漿添加量的蜂蜜黏度-溫度變化

        經(jīng)測量,棗花蜂蜜、麥芽糖漿和果葡糖漿的水分有較大差異,分別為18.2%,16.2%和23.8%。然而混合后的蜂蜜樣品水分則較為相似,HM55,HM53,HM52及HM51的水分分別為17.2%,17.7%,17.8%和17.9%;HG55,HG53,HG52及HG51的水分分別為21%,20.8%,20.1%和19.4%。據(jù)報道,在相似且較低水分下,蜂蜜的黏度主要受到溫度的影響[5]。

        圖5顯示在恒定剪切速率1 s-1下,棗花蜂蜜、果葡糖漿和麥芽糖漿黏度隨溫度的變化。3種流體隨溫度升高黏度都呈現(xiàn)下降趨勢。其中,麥芽糖漿黏度隨溫度增加下降最為顯著,在40 ℃時,已擁有與棗花蜂蜜和果葡糖漿相似的黏度。

        圖5 15~40 ℃下棗花蜂蜜、果葡糖漿和麥芽糖漿的黏度-溫度曲線

        同時,測定不同糖漿含量混合蜂蜜的黏度-溫度曲線,如圖6所示。在15~40 ℃溫度范圍內(nèi),不同果葡糖漿含量的棗花蜂蜜呈現(xiàn)相似的黏度-溫度變化趨勢,即隨著溫度升高,黏度逐漸降低,且這種降低速度逐漸減緩。不同麥芽糖漿的棗花蜂蜜也呈現(xiàn)一致趨勢(圖6 B中因麥芽糖漿黏度數(shù)量級差別過大,故未放入),但與果葡糖漿混合蜂蜜不同的是,添加麥芽糖漿的混合蜂蜜黏度始終高于純棗花蜂蜜。

        圖6 不同果葡糖漿(A)和麥芽糖漿(B)添加量的棗花蜂蜜黏度-溫度曲線

        根據(jù)Arrhenius方程μ=μ0×exp[Ea/(RT)][其中:μ0代表蜂蜜的黏度常數(shù),Pa·s;Ea代表蜂蜜活化能,J/mol;R代表氣體常數(shù),8.31 J/(mol·K);T代表溫度,K],可發(fā)現(xiàn)若符合此模型,則黏度數(shù)據(jù)的自然對數(shù)值ln(μ)與樣本熱力學(xué)溫度的倒數(shù)(1/T)應(yīng)呈線性正相關(guān)。圖7顯示無論是添加果葡糖漿還是麥芽糖漿的棗花蜂蜜均在15~40 ℃溫度范圍內(nèi)線性良好,說明棗花蜂蜜及其添加糖漿的混合蜂蜜均符合Arrhenius模型。

        圖7 不同果葡糖漿(A)和麥芽糖漿(B)添加量的棗花蜂蜜黏度-溫度關(guān)系曲線

        進一步采用Arrhenius方程進行擬合,并進行進一步的分析。如表1所示,當(dāng)棗花蜂蜜與果葡糖漿按不同比例混合時,隨著果葡糖漿添加比例上升,含水量略微增加,黏度常數(shù)逐漸增加,而活化能則呈現(xiàn)略微下降趨勢。棗花蜂蜜與麥芽糖漿按不同比例混合時,隨著麥芽糖漿添加比例上升,含水量略微下降,黏度常數(shù)變化不大,有少許下降趨勢,而活化能有略微上升趨勢。總體來說,果葡糖漿的添加會影響蜂蜜的黏度常數(shù),對活化能影響較小。由于黏度常數(shù)是無限高溫下的黏度[12],而從黏度-溫度曲線觀測到,高溫下混合蜂蜜的黏度區(qū)域平緩,所以可通過高溫下混合蜂蜜的黏度判斷果葡糖漿的摻雜情況。另外,麥芽糖漿添加量在16.67%~37.5%下混合蜂蜜的黏度常數(shù)差別不大,但都顯著高于棗花蜂蜜,因而僅憑高溫下的黏度可能難以對于麥芽糖漿的摻雜程度進行判斷,但是至少可以判斷是否存在摻雜。

        表1 棗花蜂蜜及添加不同比例糖漿蜂蜜的Arrhenius模型常數(shù)

        3 結(jié)論

        試驗探究棗花蜂蜜和不同糖漿混合物的流變學(xué)特性。結(jié)果表明,棗花蜂蜜和糖漿混合物在不同剪切速率下呈現(xiàn)出復(fù)雜的黏度變化。果葡糖漿和麥芽糖漿的混合對黏度和剪切應(yīng)力產(chǎn)生不同程度影響,反映在添加不同糖漿時的獨特特性。結(jié)合黏度-溫度變化曲線及Arrhenius模型擬合結(jié)果,混合蜂蜜的流變特性受所添加糖漿類型和比例影響明顯。因此,通過流變學(xué)特性可辨別蜂蜜中糖漿的摻假情況,為蜂蜜品質(zhì)鑒定提供重要依據(jù)。

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