果仁糖果用高質量分數糖漿的流變特性

張永絲，李汴生,*，阮 征，莊沛銳，陳楚銳

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640；2.廣東真美食品集團有限公司，廣東 潮州 515637）

果仁糖果用高質量分數糖漿的流變特性

張永絲1，李汴生1,*，阮 征1，莊沛銳2，陳楚銳2

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640；2.廣東真美食品集團有限公司，廣東 潮州 515637）

采用R/S plus流變儀對不同質量分數（80%～92%）的果仁糖果用蔗糖-麥芽糖混合糖漿在不同溫度下的流變特性進行研究。結果表明：溫度對黏度的影響可用阿累尼烏斯（Arrhenius）方程表示，質量分數對黏度的影響可用冪函數的形式表示。通過回歸分析，給出在研究的溫度和質量分數范圍內黏度隨溫度、質量分數各自變化的函數式以及溫度和質量分數對黏度的綜合方程式。所建立的方程式能夠成功地描述在相應質量分數和溫度范圍內的數據。

糖漿；流變特性；黏度

果仁糖果是中國傳統食品之一，一般傳統制法是用含有還原糖的糖漿與蔗糖按照一定比例復配熬煮成高質量分數的糖漿（也稱糖膏），然后加入適量的果仁拌勻、冷卻、成型[1-3]。高質量分數糖漿的作用主要是提供甜味、黏結果仁和成型，黏結能力和成型效果受其黏度大小及變化規律的影響。蔗糖是糖果制作的重要甜味劑，具有結晶性，加入適量還原糖主要是抗結晶，能防止糖漿發砂，但過量則令制成的糖果易發烊；此外，加入還原糖還可增加糖漿的黏度及膠黏性等[4]。研究表明，普通硬糖生產中糖漿還原糖含量在12%～20%比較適宜[5]，但關于果仁糖果用糖漿的還原糖含量及糖漿性質的研究未見報道。

果仁糖果用的糖漿應具備黏結果仁的能力，故其黏度等流變特性是此類糖漿的重要屬性。此外，糖漿的流變特性對果仁糖果加工過程中糖漿熬煮中的熱交換及物料的輸送、攪拌混合等都會產生影響[6-7]。目前國內關于果仁糖果的研究主要集中在配方改良、新口味開發等幾個方面[8-10]，對糖漿的流變特性及其影響因素的研究幾乎沒有。國外對糖漿的研究主要集中對糖漿的物理性質的研究及應用等方面， 而對于超高質量分數（85%及以上）糖漿在一般加工溫度下（室溫或更高的溫度）的流變特性的研究是非常少的。Bhandari[11]和Athina等[12]分別對澳大利亞蜂蜜和希臘蜂蜜進行流變特性研究，發現所研究的蜂蜜樣品均為牛頓流體且可利用Arrhenius方程分別預測澳大利亞蜂蜜在0～30 ℃和希臘蜂蜜在20～60 ℃的黏度值，為辨別摻假蜂蜜和貯藏蜂蜜提供數據支持。Alanazi[13]通過與淀粉糖漿及蔗糖糖漿作對比，分析了海棗糖漿膠合重碳酸鈉和碳酸鈣的成顆粒性質，研究了海棗糖漿作為藥片膠合劑的可行性。Quint?s等[14]利用低剪切應力對過飽和蔗糖糖漿（70%～85.2%）進行蠕變實驗，結果表明Arrhenius模型能比較好地描述飽和以下的糖漿黏度與溫度的關系；而在高質量分數狀態下，Williams-Landel-Ferry（WLF）模型能更好地預測這兩者的關系。Deumier等[15]通過處理濃縮三元系統（NaCl-果糖-水）在10～25 ℃的熱物理特征描述得到可用于描述熱物理特性與溶液成分關系的經驗方程。Bedi等[16]利用多頻超音波干涉儀對糖漿特性進行測定，研究了明膠、糖和檸檬酸水平對凝膠和糖漿流變特性的影響并推算明膠、蔗糖和檸檬酸不同水平對凝膠和糖漿特性的回歸模型。

本實驗以不同質量比的蔗糖與麥芽糖高質量分數（80%～92%）混合糖漿為研究對象，以其在拌仁、成型等加工操作時的溫度范圍（40～100 ℃）內的流變特性為衡量標準，主要研究溫度、質量分數以及蔗糖與麥芽糖配比對其流變特性的影響，給出了黏度隨溫度和隨質量分數變化的函數式以及溫度和質量分數對黏度的綜合方程式，旨在為果仁糖果的加工和制作提供一定的理論指導和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白砂糖：食品級，一級；高麥芽糖（98%）：食品級，粉狀；飴糖：食品級，一級，當量葡萄糖值（DE值）等于40，含量為85.75%。

1.2 儀器與設備

R/S plus流變分析儀、R/S plus 60/30槳式轉子 美國Brookfield公司；Center306熱電偶（帶K型溫度探頭）臺灣群特公司。

1.3 方法

1.3.1 蔗糖與麥芽糖混合糖漿的制備

相關文獻[1-2]指出，當糖漿中蔗糖與飴糖的比例為25∶3～1∶1、糖漿糖度為45°Be左右即質量分數為85%～88%時制作出的花生糖塊外形整齊，酥脆不黏牙。經預實驗可進一步確定當糖漿中蔗糖和飴糖的干質量比分別為5∶1、5∶2、5∶3且質量分數在86%～98%范圍內較適合用于制作花生脆糖。由于飴糖為混合物，成分較為復雜，為了便于分析，本研究選擇性質相似且成分簡單的麥芽糖與蔗糖混合制備糖漿樣品。按照蔗糖與麥芽糖干質量比分別為5∶1、5∶2、5∶3的比例混合及純麥芽糖配制成質量分數為70%的糖漿進行常壓加熱熬煮，濃縮至質量分數為80%、86%、92%，備用。質量分數為92%以上的糖漿黏度過大，受流變分析儀測量最大扭矩（50 mN·m）所限，本實驗不對其進行黏度測定。

1.3.2 糖漿流變特性的測定

把約100 ℃的糖漿樣品分別置于250 mL的高型燒杯中，自然冷卻至40 ℃（環境溫度為（28±1）℃），利用R/S plus流變分析儀、60/30槳式轉子，選擇轉速為40 min-1的恒速剪切模式對冷卻過程的各糖漿樣品進行實時測定。

1.3.3 糖漿溫度的測定

在流變測定過程中，利用Center306熱電偶和K型溫度探頭實時記錄處于自然冷卻中的糖漿的中心溫度。

1.3.4 糖漿質量分數測定

根據國標GB5009.3—2010《食品中水分的測定》，采用第二法減壓干燥法測定各糖漿樣品的水分含量，計算出其質量分數。

1.4 數據處理與分析

應用First Optimization（1stOpt）v1.5 和Excel等軟件對數據進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 溫度對高質量分數糖漿黏度的影響

本研究發現實驗中的各糖漿在實驗溫度范圍內均表現為牛頓流體，與文獻[14]報道結果相似。因此本研究選擇恒速剪切模式（轉速為40 min-1）測定糖漿的流變特性。

圖1～3分別是不同蔗糖與麥芽糖質量比的糖漿在質量分數為80%、86%、92%時的黏度隨溫度的變化趨勢。

圖1 不同蔗糖與麥芽糖質量比的糖漿在質量分數為80%時的黏度隨溫度的變化Fig.1 Varieties in viscosity of syrup as a function of temperatureat a concentration of 80% with different sucrose/maltose ratios

圖2 不同蔗糖與麥芽糖質量比的糖漿在質量分數為86%時的黏度隨溫度的變化Fig.2 Variations in viscosity of syrup as a function of temperature at a concentration of 86% with different sucrose/maltose ratios

圖3 不同蔗糖與麥芽糖質量比的糖漿在質量分數為92%時的黏度隨溫度的變化Fig.3 Variations in viscosity of syrup as a function of temperature at a concentration of 92% with different sucrose/maltose ratios

由圖1～3可知，隨著溫度的降低，糖漿的黏度逐漸增加。90 ℃以上時黏度增加不明顯，70 ℃以下時黏度開始明顯增加，50～70 ℃時黏度在相同溫度差下的增加值是70～90 ℃時的10倍甚至更高，這種規律在質量分數為92%時的糖漿中表現得更為明顯。而在相同的溫度下，對于相同質量分數的糖漿，其麥芽糖的含量越大，黏度越低，這可能與麥芽糖具有抗結晶性有關。實驗中發現蔗糖與麥芽糖質量比為5∶1、質量分數為86%或92%的糖漿以及二者質量比為5∶2、質量分數為92%的糖漿在流變測試中出現了不同程度的晶體析出現象，而實驗中的其他糖漿均未發現晶體析出。

根據參考文獻[17-20]報道，溫度對濃縮果汁黏度的影響多用阿累尼烏斯（Arrhenius）方程來表示：

式中：η為黏度/（Pa·s）；K0為頻率因子（常數）；Ea為流動活化能/（J/mol）；R為氣體常數，8.315J/（K·mol）；T為溫度/K。

對各糖漿的溫度和黏度的關系進行Arrhenius方程擬合，表1為各糖漿的各參數值。

表1 各糖漿溫度對黏度影響的Arrhenius方程表示式Table 1 Arrhenius equation expressing the effect of temperature on the viscosity of each syrup

由表1可知，方程具有較高的相關系數，進一步統計得R2的平均值為0.980 3，標準差為0.032 3。這表明Arrhenius方程同樣適用于描述本實驗中的所有糖漿樣品的黏度與溫度的關系。

在果仁糖果生產過程中，糖漿的黏度會影響與果仁的混合效果及果仁糖果的成型效果。對于某一高質量分數糖漿，溫度較高時黏度小，流動性好，便于果仁等物料的混合與分散均勻，但是高溫提高了工人的手動操作難度，同時會對物料的物化性質產生一定影響；黏度過小也不利于物料的固定成型。糖漿溫度降低時，黏度越來越大，甚至失去液體的流動性，限制了物料混合及后續操作。前期實驗表明，當蔗糖與麥芽糖質量比為5∶2、質量分數為92%的糖漿在70～50 ℃時與果仁拌勻比較合適，而冷卻成型則應在50 ℃以下。利用Arrhenius方程可計算出此糖漿在70 ℃和50 ℃時的黏度分別為107.6、689.5 Pa·s。

2.2 質量分數對糖漿黏度的影響

前期實驗表明，當高質量分數糖漿的溫度約為100、70、50 ℃時分別進行倒漿、拌入并拌勻果仁、冷卻成型等操作比較合適。

根據表1中各糖漿的Arrhenius方程表示式計算、預測不同質量分數的糖漿在溫度分別是100、70、50 ℃時的黏度，數據表明黏度隨其質量分數的增加而增加。濃度對黏度的影響可用指數函數η = A1exp （B1C）或冪函數η = A2CB2這兩種數學模型來表示[21-23]，其中A1、B1、A2、B2均為常數，η為黏度/（Pa·s），C為糖漿質量分數/%。各糖漿質量分數和黏度的冪函數和指數函數回歸參數如表2所示。

表2 各糖漿質量分數和黏度的指數函數和冪函數回歸參數Table 2 Parameters of each exponential function and power function for the relationship between syrup concentration and viscosity

由表2可知，指數函數模型中的R2的平均值為0.992 1；而冪函數模型的R2的平均值0.992 0，因而說明指數函數模型式和冪函數模型式均能反映出糖漿的黏度隨質量分數的變化關系且前者更優。指數函數參數A1、B1的值均為正數，即各糖漿的質量分數越大其黏度越大。同時，對于同一蔗糖、麥芽糖質量比的糖漿，參數A1的值基本是隨著溫度降低而成對數增加，這說明在溫度較低的條件下糖漿質量分數對其黏度的影響更明顯。

當糖漿的質量分數較小時，黏度小，便于攪拌等操作，但難以黏結果仁等物料、難以固定成型，且制作出的產品較軟、不脆且黏。由圖1可知，把質量分數為80%的糖漿冷卻至40 ℃，其黏度仍低于10 Pa·s，流動性較強，無法固定成型。當糖漿質量分數較大且達到一定程度時，其黏度大，使晶體的擴散速率小于沉積速率能降低結晶速率甚至防止結晶的發生[24]；但是糖漿含水量過低給工藝過程中的最后濃縮階段帶來困難，在經濟上也是不合理的，此外還對產品保存環境提出更高要求。因此，根據混合糖漿的性質、實際操作及產品感官等要求選擇合適的濃度是非常必要的。

2.3 溫度和質量分數對糖漿黏度的綜合性影響

對于具體一種糖漿，其黏度主要受糖漿溫度、糖漿質量分數的影響。根據國外文獻[25-27]報道，糖漿黏度（η）可用式（3）、（4）來表達。

式中：k0、b均為常數；C為糖漿質量分數/%；T為溫度/K。

利用1stOpt數據處理軟件的準牛頓法和通用全局優化法聯合對蔗糖與麥芽糖質量比分別是5∶1、5∶2、5∶3的混合糖漿及麥芽糖糖漿的黏度、溫度、質量分數三者的關系進行回歸分析，得到更準確的模型。

蔗糖與麥芽糖質量比為5∶1時，lnη = （P1＋P2C＋P3T＋P4T2＋P5T3）/（1＋P6C＋P7C2＋P8T＋P9T2＋P10T3），蔗糖與麥芽糖質量比為5∶2或5∶3時，lnη = （P1＋P2C＋P3T＋P4C2＋P5T2＋P6CT）/（1＋P7C＋P8T＋P9C2＋P10T2＋P11CT），只為麥芽糖時，lnη =（P1＋P2lnC＋P3（lnC）2＋P4（lnC）3＋P5T＋P6T2）/（1＋P7lnC＋P8T＋P9T2＋P10T3），其中，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11為常數參數。回歸主要統計量和各參數值如表3所示。

為使糖漿具備較好的黏結果仁和成型的能力，應把糖漿黏度控制在合適的范圍內。對黏度分別為11.3、24.5、50、75、107.6、278、689.5 Pa·s的糖漿進行實驗，發現只有當黏度大于24.5 Pa·s時糖漿才能附著在花生仁表面不滑落，黏度大于75 Pa·s時糖漿才能把花生仁黏結成團，但當黏度大于689.5 Pa·s時則難以把糖漿與花生仁拌勻。利用以上回歸分析所得的溫度、質量分數對黏度的綜合方程式可以計算出所需的糖漿質量分數及其對應的操作溫度范圍。

表3 糖漿黏度、溫度和質量分數三者關系回歸分析結果Table 3 Regression analysis for the relationships among viscosity, temperature and concentration

3 結 論

在剪切速率和糖漿質量分數一定的條件下，溫度對糖漿黏度的影響符合阿累尼烏斯方程η = K0exp（Ea/RT），R2的平均值為0.980 3，標準差為0.032 3。實際生產中應根據高質量分數糖漿的具體性質、操作需要，估算、控制糖漿的溫度及冷卻速率。

在剪切速率和溫度一定的條件下黏度隨糖漿質量分數的增加而增加，而且在溫度較低的條件下糖漿質量分數對其黏度的影響更為顯著。指數函數模型式和冪函數模型式均能反映出糖漿的黏度隨質量分數的變化關系且前者更優。

對于某一特定的糖漿，利用溫度和質量分數對黏度的綜合方程，通過對糖漿溫度和質量分數的控制，可得到較為理想的糖漿黏度，為果仁糖果的加工提供理論參考。

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Rheological Properties of the High Concentration Syrup Used for Nut-Candy

ZHANG Yong-si1, LI Bian-sheng1,*, RUAN Zheng1, ZHUANG Pei-rui2, CHEN Chu-rui2
(1.College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2.Guangdong Zhenmei Food Group Co. Ltd., Chaozhou 515637, China)

The nut-candy, made from highly-concentrated syrup and nuts, is one kind of traditional Chinese candy food. The syrup with high concentrations plays a role in causing sweetness, cementing nuts and shaping. The cementing of nuts and shaping are influenced by the viscosity of syrup and governed by the law of viscosity variation. Using an R/S plus rheology meter, the rheological properties of mixed syrups of sucrose and maltose with different concentrations ranging from 80% to 92% used for nut-candy at different temperatures were investigated. Results showed that the Arrhenius model could describe the temperature-dependence of viscosity well and the power equation could describe the effect of concentration on viscosity. In the researched ranges of temperature and concentration, the equations for viscosity as a function of temperature and/or concentration were fitted through regression analysis. These equations could describe the data in the corresponding concentration and temperature ranges.

syrup; rheological properties; viscosity

TS205

A

1002-6630（2014）03-0061-05

10.7506/spkx1002-6630-201403013

2012-11-21

粵港關鍵領域重點突破項目（2009A020700001）

張永絲（1988—），女，碩士研究生，主要從事食品加工和保藏研究。E-mail：348358365@qq.com

*通信作者：李汴生（1962—），男，教授，博士，主要從事食品加工和保藏研究。E-mail：febshli@scut.edu.cn