仙人掌果果汁的流變學特性

侯燕杰，郭玉蓉，牛鵬飛

(陜西師范大學 食品工程與營養科學學院，陜西 西安，710119)

仙人掌原產地為南美洲，墨西哥是世界上仙人掌產量最大的國家[1]，在我國海南等沿海亞熱帶地區也有部分種植[2]。仙人掌果是仙人掌屬的果實，成熟果實果肉呈現紅色，含有豐富的氨基酸和礦物質元素，除此之外多糖、膳食纖維和蛋白質也占據較大比例[3]。據古醫學記載，仙人掌果能夠止咳解毒、活血祛瘀、清熱、生肌[4]。現代醫學研究表明仙人掌果提取物有助于傷口愈合，有效增強肌膚保水性。仙人掌果以其獨特的顏色和營養價值得到越來越多的關注，在熱帶和亞熱帶地區的國家，鮮果已經作為一種鮮食水果和加工原料被廣泛應用，并開發了部分產品[5]。我國也有仙人掌果的生產，但因其果皮帶刺，內部含有八角刺，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品的一個極其重要的參考標準，對其進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者的口感和產品銷量。本實驗對仙人掌果果汁的流變特性及其影響因素進行了探究。

1 材料與方法

1.1 材料

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

1.2 主要儀器設備與試劑

AR-G2型流變儀，美國TA公司；RVDV-Ⅱ+Pro型黏度計，美國博利飛公司；FE20K PLUS pH計，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數顯折射儀，日本ATAGO公司；MS7-H550-S數顯加熱型磁力攪拌器，大龍興創實驗儀器(北京)有限公司；GZX-9146 MBE型普通熱風干燥箱。

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%(質量濃度)，攪拌均勻后在轉速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節pH，使其分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0，攪拌均勻轉速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，使用黏度計在轉速200 r/min的條件下測定其黏度變化。

1.3.4 溫度和質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轉速下測定果汁黏度。

1.4 數據分析

采用SPSS 18.0進行數據分析，采用Origin 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 仙人掌果果汁的基本指標

對仙人掌果果汁的基本指標進行檢測，得到表1。結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，食用時有多汁、飽滿且新鮮的愉悅感；實驗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]，食用時呈現甜而不膩、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Table 1 The basic indexes of cactus fruit juice

2.2 流變型結果

采用流變儀對仙人掌果果汁的流變特性進行測定，得到圖1。ζ=kSn為判定溶液類型的常用方程，其中ζ為剪切應力(Pa)，S為剪切速率(s-1)，k 和n為常數。對果汁剪切應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。因為果汁中糖分子以長鏈形式存在，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，宏觀上呈現黏度隨之降低，從而表現出剪切稀化的現象，這一結果與火龍果汁[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，當濃度為100%時果汁黏度最大，為215.21 (mPa·s)，隨著質量濃度減小其黏度顯著下降，當濃度為40%黏度最小，為109.72 (mPa·s)，果汁中含有大量果膠，質量濃度高時分子鏈折疊并互相纏繞，阻礙溶液流動，黏度較大；當濃度減小，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，當溫度為40 ℃時黏度最大，達到640 (mPa·s)，仙人掌果果汁中大分子物質之間及與其他可溶性物質會聯結，形成較為緊致的結構[10]。隨著溫度增加，果汁中的分子結構受到一定程度破壞，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增加呈現先增加后減小的趨勢，當pH為5時，黏度最大為183.58 (mPa·s)，pH逐漸升高時，果膠分子間排斥作用小，分子鏈間距離小，氫鍵容易形成，且網狀結構穩定增加，黏度逐漸增大，pH達到一定值后，分子間排斥力增大，間隔增大，使體系不穩定，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，當糖度為25 °Brix時黏度最小，為125.62 (mPa·s)，在果汁自身pH條件下，由于氫鍵的形成，使得分子結構穩定性下降，逐漸加入糖，疏水作用使分子網狀結構能維持穩定，因而果汁黏度會逐漸增強，隨著糖的大量增多，果汁體系由于缺乏水分子導致果膠分子之間的結構難以維持，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聯結程度減弱，致密結構被破壞，使得體系穩定性下降，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)；Ea表示流動活化能，J/mol；R表示氣體常數8.315,J/(K·mol)；T表示絕對溫度,K，且T=273.15+t(℃)。

對公式(1)兩邊同時取對數，轉化為lnη=Ea/(RT)+lnk0，計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減小的趨勢，根據斜率Ea/RT和截距lnk0，計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償的關系，濃度升高，分子運動受到阻礙，所需能量增加。因此運輸和加工過程可適當升溫以達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。果汁質量濃度增大，體系中分子數目增多，分子鏈間距變小，分子間互相纏繞折疊，減弱體系的流動性，在宏觀上表現出攪拌阻力增大，因此黏度增大。

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

表4 質量濃度對果汁黏度影響指數和冪函數擬合方程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量濃度對黏度的影響；對比可得，同一溫度下，指數方程R2值明顯大于冪函數，因此仙人掌果果汁質量濃度對黏度的影響更符合指數關系，這一結果與蘋果汁[19]的研究一致。試驗條件下可以得到黏度和濃度的具體關系，實際生產中通過濃度估算果汁的黏度，達到采取合理的方式儲存運輸和加工的目的。

3 結論

通過對仙人掌果果汁的流變學特性研究，在試驗條件下為假塑性流體，隨著剪切速率增加呈現變稀現象。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。不同質量濃度下溫度對果汁黏度的影響可以轉化為線性回歸方程表示，且活化能Ea隨著質量濃度增加而減小；而不同溫度下濃度對果汁黏度的影響可以用指數方程表示。在試驗條件范圍內，可以為實際加工和運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品的生產和品質的研究奠定基礎。