食用植物油流變學特性研究

楊春英 劉學銘 陳智毅 王思遠

(廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所，廣州 510610)

植物油是人們生活的必需品，在國民經濟中占有重要地位。植物油因其種類不同、營養價值不同而價格差異顯著[1]。部分生產經營者為了獲取暴利，在高價植物油中摻入廉價植物油，有的還將過期變質油摻入合格油中以次充好，甚至有廠家將有毒、非食用油(地溝油、潲水油等)摻入食用油以降低生產成本[2－3]。摻偽食用油不僅影響其衛生品質與營養成分，還嚴重危害消費者的健康，必須重視食用油的品質鑒定和摻偽檢測技術的研究。目前，食用油摻偽檢驗方法主要有理化檢驗法[4]、氣相色譜法[5]、高效液相色譜法[6]、近紅外光譜技術[7]和同位素法[8]等，但這些方法基本立足于植物油的化學組成，測定過程需對樣品進行預處理，所使用的化學試劑也對環境造成一定污染。

流變學(Rheology)是研究物質的流動和變形的科學，通常用流變儀研究物質的流變性能。旋轉流變儀是現代流變儀中的重要組成部分，依靠旋轉運動產生剪切流動，實現快速測定材料的黏性、彈性等各方面的流變性能。流動一般通過一對夾具的相對運動來產生，常用夾具主要包括同軸圓筒、椎板和平板等。引入流動的方法有兩種(圖1)，一種是施加一定的扭矩，測量產生的應變或旋轉，稱應力控制型；另一種是驅動一個夾具，測定產生的扭矩，稱應變控制型。

食品流變學是研究食品在力作用下變形或流動的科學。食品流變學實驗可用于鑒別食品原材料、控制產品的質量、評定食品的品質以及鑒別食品的優劣[9]，現已成功應用于蜂蜜的鑒定[10]。黏度(η)是食品流變常用的測試項目，表示流體的流動難易程度或黏稠程度的物性常數，是液體流動時由分子之間的摩擦產生。因此，可定義η為流體承受剪切力時，剪切力與剪切速率(剪應變隨位置的變化率)的比值，數學表述為:

式中:τ為剪切力；γ為剪切速率；u為速度場在x方向分量；y為與x垂直的方向坐標。

目前，國內外對于食用油的流變學特性研究較少，從流變學角度鑒評食用油幾乎是空白，因此作試探性研究，探索食用油的流變學特征，開展食用油流變學鑒偽技術研究。

圖1 旋轉流變儀測量原理

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料:茶籽油(金龍魚)、花生油(金龍魚)、葡萄籽油(楓葉)、大豆油(金龍魚)、菜籽油(金龍魚)、玉米油(金龍魚)、葵花籽油(金龍魚)、橄欖油(魯花)、芝麻油(金龍魚)、調和油(廚藝)、花椒籽油(長康)、辣椒油(紅味齋)、芥末油(嘉豪)、姜油(鄉王)和大蒜油(鄉王)；花生油品牌包括金龍魚、百佳、龍大、胡姬花、名師傅、鷹嘜、金穗花、魯花、沙土地、鴻禧、福臨門和刀嘜；均購買于廣州大型連鎖超市。

AR1500ex旋轉流變儀，配Peliter板溫控系統:美國TA Instruments－Waters LLC

1.2 試驗方法

1.2.1 黏度的剪切速率依賴(流動曲線)

60 mm椎板(1deg，58 min 30 s，gap＝59μm)，剪切速率范圍:0.1～1 000 s－1，溫度:25℃，穩態模式，每10倍頻率取10個數據點。測定黏度及剪切力隨剪切速率的變化。

1.2.2 黏度的溫度依賴(黏溫曲線)

60 mm椎板(1deg，58 min 30 s，gap＝59μm)，剪切速率50 s－1，溫度變化范圍:0～50℃，升溫速率5℃/min，每10 s取1個數據點。測定黏度隨溫度的變化。

為了保證測試的準確性，測試前樣品均在設定的初始溫度下恒溫30 min，每個樣品測試3次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 黏度的剪切速率依賴(流動曲線)

圖2和與圖3分別為植物油黏度隨剪切速率變化、剪切力隨剪切速率變化曲線。選定的剪切速率范圍內植物油的黏度(25℃)測定結果和剪切力(τ)與剪切速率(γ)曲線方程結果見表1。

由表1可見，在恒定的溫度下，隨著剪切速率的增大，植物油的黏度基本保持不變(RSD≤1.83%)；剪切力與剪切速率成良好的正比例關系(r＝1.00)，說明植物油呈牛頓流體特性。根據牛頓黏性規律，可判斷植物油屬于牛頓流體。

圖2 植物油黏度隨剪切速率變化曲線

圖3 植物油剪切力隨剪切速率變化曲線(25℃)

表1 植物油黏度測定結果及τ與γ曲線方程

植物油品種不同其黏度也有所不同。純品植物油中，橄欖油黏度最大(0.065 50 Pa·s)，其次是茶油，葡萄籽油黏度最小(0.047 80 Pa·s)，約為橄欖油的76%。6種調和(味)油黏度相對較小，其中芥末油的黏度最小(0.047 96 Pa·s)，小于其他14種植物油。調和(味)油之間的黏度差異性較大，可能與其植物油組成及添加的辛香料不同有關?？梢?，植物油黏度在品種之間存在顯著差異，可能與其營養組成不同有關。

2.2 黏度的溫度依賴(黏溫曲線)

試驗考查了0～50℃溫度范圍內15種植物油黏度隨溫度改變的變化情況，結果見圖4?？梢?，隨著溫度的提高，植物油黏度呈非線性降低。這是由于溫度的提高加劇了分子熱運動，植物油成分的分子間作用力減小，降低了植物油的黏度[11]。研究對植物油的黏溫曲線進行了指數方程擬合，結果表明，在選定的溫度范圍內，除花生油外，其余14種植物油的黏溫曲線符合阿倫尼烏斯方程模型:

式中:η表示植物油黏度；A為指前因子；Ea為活化能；R為氣體摩爾常數；T為熱力學溫度。經計算，14種植物油的活化能和指前因子結果見表2?；罨芊从澄镔|材料對溫度的敏感度(溫敏性)，其值越大，該物質的溫敏性越高?？梢姡蠙煊偷幕罨茏罡?，溫度變化對其黏度影響最顯著，其次是茶油，葡萄籽油黏度對溫度的敏感度最小。由研究結果可以判斷:植物油的流變學特性為溫度敏感，并非剪切敏感。

花生油黏溫曲線偏離阿倫尼烏斯方程模型可能由于花生油低溫(＜10℃)凝結，發生相變，黏度急劇增大。

圖4 植物油黏度隨溫度變化曲線

表2 植物油的阿倫尼烏斯方程參數

2.3 花生油黏溫曲線

根據阿倫尼烏斯方程的對數式:lnη＝lnA－Ea/RT，作食用植物油的 lnη與1/T曲線(圖5)，除花生油外，其余食用植物油的lnη與1/T在選定溫度范圍內有良好線性關系，r≥0.999 4；由于花生油的黏溫曲線在選定溫度范圍內偏離阿倫尼烏斯方程，故其lnη與1/T非線性相關。試驗收集了12個不同品牌的純品花生油和1個直接壓榨自提純的花生油樣品進行比較，考察了花生油的lnη與1/T曲線(圖6)，13種純品花生油的lnη與1/T均呈非線性相關，與上述結果一致。試驗同時發現，不同品種花生油lnη隨1/T的變化速率不同，可能與花生原料品種、產地及制取工藝不同有關。可見，黏溫曲線(0～50℃)不符合阿倫尼烏斯方程模型純品花生油的流變學特征之一，也是其區別于其他純品植物油的重要特征。因此，可將黏溫曲線(lnη與1/T)非線性特征作為判別純品花生油的依據。

圖5 植物油lnη與1/T相關性曲線

圖6 不同品牌花生油lnη與1/T曲線

3 結論與展望

本研究用旋轉流變儀分析了15種食用植物油的流變學行為，結果表明:室溫下(25℃)食用植物油均屬于牛頓流體，食用植物油的流變學特性為溫度敏感；植物油的黏度和溫敏性與植物油種類有關。純品花生油的黏溫曲線lnη與1/T非線性相關，顯著區別于其它植物油的線性相關特性。

對食用植物油的流變學特性做了較系統的研究，研究結果為食用油的質量控制與鑒別提供了依據，也為食用油流變學鑒偽技術的開發奠定了基礎。

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