超聲波處理對全蛋液流變特性的影響

白喜婷 朱文學 馬怡童 劉思佳 李 寧

(1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.國家級實驗教學示范中心〔河南科技大學〕，河南 洛陽 471023；3.農產品干燥技術與裝備河南省工程技術研究中心，河南 洛陽 471023)

全蛋液流變特性是全蛋液所表現出來的黏性流體力學和彈性力學的性質，對全蛋液的加工、運輸及咀嚼等有著密切的關系[1-3]，研究全蛋液的流體特征及黏度的變化對進一步拓展全蛋液在工業中的應用和控制全蛋液加工過程中的品質，及對工藝、設備設計提供必要的數據等方面具有積極意義[4-5]。

產生微射流，增加流體的運動，同時破壞大分子物質之間的空間網絡結構，降低流體黏度[6-7]。目前，將超聲波技術應用于流變性質方面的研究逐漸增多，Arzeni等[8]發現，經20 kHz、(4.27±0.71)W的超聲條件處理后，卵白蛋白溶液的表觀黏度降低，表面疏水性增加，而其他分子結構未見改變。聶卉等[9]研究發現，不同超聲作用下馬鈴薯淀粉糊均呈假塑性流體特征，符合冪律定律，同時，馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度隨著超聲時間和聲強的增強而降低，流動性增加。陳潔等[10]研究發現，不同功率超聲波處理后的木薯淀粉均屬于假塑性流體，具有剪切稀化現象及明顯的觸變環。朱巧巧等[11]發現，超聲前后錐栗淀粉均屬于非牛頓流體，其表觀黏度隨超聲時間的延長呈先減小后增大再減小的趨勢。

目前，未見將超聲應用于全蛋液流變方面的研究，本試驗擬以全蛋液為試驗材料，探究超聲波作用時間及聲能密度對全蛋液流變性質的影響，建立全蛋液流變模型，以期為全蛋液在工業上的廣泛應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

新鮮的紅皮雞蛋：干基含水率為3.17 g/g，購于洛陽丹尼斯超市。

1.1.2 儀器與設備

超聲波設備(見圖1)：KMD-1000型，深圳科美達超聲波設備有限公司；

電子秤：SB-B30002型，盛博電子衡器有限公司；

流變儀：DHR-2型，美國TA公司。

1.超聲波發生器 2.超聲波換能器 3.超聲波接收裝置(物料槽)
圖1 超聲波裝置示意圖
Figure 1 Schematic diagram of ultrasonic device

1.2 試驗方法

1.2.1 全蛋液的超聲處理方法 稱取50 g混合均勻的全蛋液，放入超聲波接收裝置中，打開超聲波發生器，在一定超聲聲能密度下超聲一定時間。

在室溫25 ℃條件下，分別進行單因素試驗，研究超聲聲能密度及作用時間對全蛋液流變特性的影響。固定因素為：超聲聲能密度1.2 W/g，超聲時間10 min。變量及水平：超聲波作用時間0，5，10，15，20 min；超聲聲能密度0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 W/g。試驗平行3次。

1.2.2 靜態流變特性的測定

(1)不同溫度下全蛋液的表觀黏度及流變模型：參考陳潔等[10]的方法，稍作修改，取少量樣品置于流變儀的測定平臺上，選取直徑為40 mm的平板模具，兩平板間的距離為1 000 μm，刮去多余樣品，選擇穩剪切測試程序，在0，20，40 ℃條件下，測定表觀黏度及剪切應力隨剪切速率從0～300 s-1遞增的變化曲線，采用Herschel-Bulkley模型對流變曲線進行擬合，得出各流變模型及流變特性參數。Herschel-Bulkley模型：

σ=σ0+kγn，

(1)

式中：

σ——剪切應力，Pa；

γ——剪切速率，s-1；

σ0——屈服應力，Pa；

k——黏稠系數，Pa·sn；

n——流變特性指數。

(2)不同超聲處理條件下全蛋液的表觀黏度及流變模型：按步驟1.2.1(1)進行放樣，在20 ℃條件下，測定不同樣品的表觀黏度及剪切應力隨剪切速率從0～300 s-1遞增過程中的變化。采用Herschel-Bulkley模型對流變曲線進行擬合，得到全蛋液在不同超聲處理條件下的流變模型及流變特性參數。

1.2.3 動態流變性質測定

(1)線性黏彈區的確定：參考余振宇等[12]的方法，在20 ℃條件下，采用動態測試程序，40 mm的平板模具，振蕩頻率固定在29.5 Hz，測定復合模量G*隨振蕩應變的變化，在全蛋液的線性黏彈區內，其復合模量G*恒定，從而確定合適的振蕩應變。

(2)頻率掃描：振蕩應變固定在0.3%，對樣品進行頻率掃描，振蕩頻率范圍為10～40 Hz。測定貯能模量G′、損耗模量G″的變化。

1.3 數據處理

采用Origin 8.5軟件對試驗數據進行分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 溫度對全蛋液靜態流變特性的影響

2.1.1 表觀黏度 由圖2可知，在不同溫度下，隨剪切速率的增大，全蛋液的表觀黏度減小，呈現出假塑性流體特有的剪切稀化現象。這是由于剪切速率較低時，蛋液中分子取向混亂，隨著剪切速率的增大，分子取向逐漸一致，表觀黏度降低[13]。在低剪切速率為0～10 s-1時，表觀黏度減小的程度尤為明顯。

圖2 溫度對全蛋液表觀黏度的影響Figure 2 Effect of temperature on apparent viscosity of liquid whole egg

當剪切速率<6.31 s-1時，隨著剪切速率的增大，0 ℃蛋液的表觀黏度小于40 ℃蛋液的表觀黏度；當剪切速率為6.31 s-1時，其表觀黏度分別為0.069，0.065 Pa·s；當剪切速率>6.31 s-1時，隨著剪切速率的增大，0 ℃蛋液的表觀黏度大于40 ℃蛋液的表觀黏度。

在整個剪切過程中，0 ℃和40 ℃全蛋液的表觀黏度始終大于20 ℃蛋液的表觀黏度，這是由于在溫度<20 ℃時，分子之間的相對運動在低溫下較慢，流動性降低，分子表觀黏度相對較大，而當溫度>20 ℃時，隨著溫度的升高，分子之間運動加劇，加速分子之間的碰撞，導致分子發生凝結纏繞，分子取向不一，不利于流動，表觀黏度也相對較大[13]。

2.1.2 流變模型 由圖3可知，當溫度0，20，40 ℃時，隨剪切速率的增大，全蛋液的剪切應力增加。這是由于剪切速率增大，液體流速加快，速度梯度變大，要使流體中纏繞在一起的大分子物質變形或解體，剪切力也隨之增大[12]。

從圖3中還可以看出，0～20 ℃時，其剪切應力隨溫度的降低而升高，而20～40 ℃時，其剪切應力隨溫度的升高而升高，這是由于在溫度<20 ℃時，溫度越低，分子之間的相對運動越慢，表觀黏度降低，剪切所需要的剪切力相對較大。而當溫度>20 ℃時，隨著溫度的升高，分子之間運動加劇，加速分子之間的碰撞，導致分子發生凝結纏繞，表觀黏度增大，因此，剪切力也隨之增大。

圖3 溫度對全蛋液剪切應力的影響Figure 3 Effect of temperature on shear stress of liquid whole egg

在整個剪切過程中，0～40 ℃全蛋液的流變曲線符合非牛頓流體的屈服—假塑性流體[14]，可采用Herschel-Bulkley模型σ=σ0+kγn進行擬合，得到擬合參數見表1。

表1 溫度對全蛋液流變特性參數的影響?Table 1 Effect of temperature on rheological parameters of liquid whole egg

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由表1可知，全蛋液的流變特性指數(n)均<1，且隨著溫度的升高，呈先增大后減小的趨勢，流變特性指數的大小反映了流體剪切變稀的難易程度，表示流體偏離牛頓流體的程度[12]。表1中蛋液的流變特性指數減小，表明全蛋液的非牛頓流體行為增強，牛頓流體行為減弱。

因此，從0～20 ℃，隨著溫度的升高，流變特性指數n增大，蛋液的牛頓流體行為增強，屈服應力減小，黏稠系數相應減小，表觀黏度減小，易于剪切。而溫度在20～40 ℃ 時，隨溫度的升高，流變特性指數n顯著(P<0.05)減小，蛋液的非牛頓流體行為增強，屈服應力增大，黏稠系數相應增大，表觀黏度增大，不易剪切，與蛋液流變曲線的變化趨勢相符合。模型的決定系數(R2)為0.999 1～0.999 8，殘差平方和χ2為0.000 3～0.009 5，說明Herschel-Bulkley模型可用來擬合全蛋液的流變曲線。

2.2 超聲作用時間及聲能密度對全蛋液靜態流變特性的影響

2.2.1 表觀黏度 由圖4、5可知，不同超聲處理條件下，全蛋液的表觀黏度隨剪切速率的增大而降低，表現為剪切稀化現象，這是由于剪切過程破壞了蛋液的膠體狀態及其大分子物質之間緊密的結構，分子之間重新排列，使其流動性增強，表觀黏度降低[12]，且在較低剪切速率(0～10 s-1)下，表觀黏度下降較多，隨著剪切速率的增大，分子之間取向逐漸趨于相同，表觀黏度也逐漸穩定[13]。

圖4 超聲作用時間對全蛋液表觀黏度的影響Figure 4 Effect of ultrasonic treatment time on apparent viscosity of liquid whole egg

圖5 超聲聲能密度對全蛋液表觀黏度的影響Figure 5 Effect of ultrasonic energy density on apparent viscosity of liquid whole egg

當剪切速率一定時，隨著超聲作用時間及聲能密度的增大，全蛋液的表觀黏度降低，未超聲(0 min)時初始表觀黏度為0.316 Pa·s，而超聲作用時間5，10，15，20 min 后其黏度分別為0.208，0.093，0.082，0.065 Pa·s，分別降低了34%，71%，74%，79%，當超聲聲能密度為0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 W/g時其黏度分別為0.228，0.195，0.093，0.081，0.051 Pa·s，分別降低了28%，38%，71%，74%，84%。這是由于超聲在液體中傳播時，其空化效應可產生強烈的高溫、高壓，且空化泡的塌陷、崩潰可產生沖擊波及固—液界面微射流，同時，結合其機械效應產生的強大剪切力，共同破壞蛋液內部的膠團結構，及大分子之間鍵合作用，使液體流動性增加，黏度降低，且隨著超聲作用時間及聲能密度的增加，其機械效應隨之增強，在強大的破壞力下，物料組織被反復拉伸、斷裂，此外，空化泡的不斷崩潰使液體流動性增強，因此表觀黏度下降得更多[15]。

2.2.2 流變模型 由圖6、7可知，隨剪切速率的增加，不同超聲作用時間及聲能密度處理全蛋液的剪切應力增大，當剪切速率一定時，全蛋液的剪切應力隨超聲作用時間的延長而降低，如剪切速率在300 s-1時未處理(0 min)的全蛋液其剪切應力為19.44 Pa，當超聲處理時間為5，10，15，20 min時全蛋液的剪切應力分別為15.62，11.98，7.99，4.14 Pa。同樣，在剪切速率一定時，全蛋液的剪切應力隨超聲聲能密度的增大而降低，如剪切速率在300 s-1，超聲聲能密度為0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 W/g時，全蛋液的剪切應力分別為17.71，14.63，11.98，8.63，5.57 Pa。

圖6 超聲作用時間對全蛋液剪切應力的影響Figure 6 Effect of ultrasonic treatment time on shear stress of liquid whole egg

圖7 超聲聲能密度對全蛋液剪切應力的影響Figure 7 Effect of ultrasonic energy density on shear stress of liquid whole egg

經超聲處理后，其剪切應力均比未經超聲處理的小，這是超聲空化效應和機械效應作用的結果。采用Herschel-Bulkley模型σ=σ0+kγn對流變數據進行擬合，得到擬合參數見表2、3。

由表2、3可知，流變特性指數n<1，且隨著超聲作用時間及聲能密度的增大而增大，而屈服應力及黏稠系數隨之減小，表明超聲作用可使全蛋液的牛頓流體行為增強，非牛頓流體行為減弱。由于全蛋液中含有蛋白質、脂肪等大分子物質，其復雜的空間結構相互纏繞，形成一定的空間網絡，使得全蛋液具有一定的屈服應力，而超聲的空化效應及機械效應打破大分子物質間的網絡結構，從而降低屈服應力，黏稠系數也相應降低[16-17]。

曲線擬合的決定系數R2為0.999 4～0.999 8，殘差平方和χ2為0.000 9～0.016 6，說明不同超聲條件下，全蛋液的流變曲線均符合Herschel-Bulkley模型。

2.3 超聲作用時間及聲能密度對全蛋液動態流變特性的影響

2.3.1 線性黏彈區的確定 線性黏彈區是指復合模量G*不隨振蕩應變變化的區域[18]，表明在線性黏彈區內，全蛋液的內部結構不會被剪切力破壞。由圖8可知，未經超聲處理和經超聲處理一定時間的全蛋液，其振蕩應變在0.15%～0.50%時復合模量保持穩定，不同超聲聲能密度處理下，全蛋液的振蕩應變也在此范圍內，因此，該振蕩應變區間為全蛋液的線性黏彈區。后續選定0.30% 的振蕩應變作為測定全蛋液動態流變特性的條件。

表2 超聲作用時間對全蛋液流變特性參數的影響?Table 2 Effect of ultrasonic treatment time on rheological parameters of liquid whole egg

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表3 超聲聲能密度對全蛋液流變特性參數的影響?Table 3 Effect of ultrasonic energy density on rheological parameters of liquid whole egg

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖8 超聲作用時間對全蛋液線性黏彈區的影響Figure 8 Effect of ultrasonic treatment time on linear viscoelasticity region of liquid whole egge

2.3.2 超聲對全蛋液儲能模量與損耗模量的影響

(1)超聲時間的影響：對不同超聲時間下的全蛋液進行頻率掃描，測定頻率掃描過程中貯能模量G′、損耗模量G″的變化，結果見圖9、10。由圖9、10可知，在10～40 Hz 的頻率范圍內，全蛋液的損耗模量G″和貯能模量G′與頻率具有一定的依賴性，同時，隨著超聲作用時間的增大，損耗模量G″和貯能模量G′均減小，說明全蛋液的黏性特征和彈性特征均減弱。這是因為損耗模量G″主要是由小分子的碳水化合物、維生素、無機鹽等所表現出的黏性行為，而貯能模量G′主要是由大分子的蛋白質、脂肪等所表現出的固體彈性行為[19]。超聲作用會使大分子鏈斷裂，同時破壞大分子物質之間的排列方式及其空間結構，呈現更疏松的趨勢，從而使損耗模量G″和貯能模量G′均減小。

圖9 超聲作用時間對全蛋液貯能模量的影響Figure 9 Effect of ultrasonic treatment time on G′ of liquid whole egg

圖10 超聲作用時間對全蛋液損耗模量的影響Figure 10 Effect of ultrasonic treatment time on G″ of liquid whole egg

流體的黏彈特征可以用損失正切(tanδ)來表示，tanδ=G″/G′，當tanδ<1時，說明G′相對于G″占主要優勢，流體主要表現固體彈性性質，反之則主要表現為流體黏性性質[20]。由表4可知，tanδ始終小于1，說明全蛋液的儲能模量G′始終大于損耗模量G″，即其彈性特征大于黏性特征，主要是由于全蛋液中的蛋白質、脂肪等大分子物質所表現出的彈性特征占優勢，全蛋液主要表現為彈性性質[21-22]。

(2)超聲聲能密度的影響：對不同超聲聲能密度下的全蛋液進行頻率掃描，測定頻率掃描過程中貯能模量G′、損耗模量G″的變化，由圖11、12可知，在10～40 Hz的頻率范圍內，全蛋液的損耗模量G″和貯能模量G′與頻率具有一定的依賴性，同時，隨著超聲聲能密度的增大，損耗模量G″和貯能模量G′均減小，說明全蛋液的黏性特征和彈性特征均減弱。由表5可知，tanδ始終小于1且呈波動狀，說明全蛋液中的蛋白質、脂肪等大分子物質所表現出的彈性特征占優勢，全蛋液主要表現為彈性性質[21]。

表4 超聲作用時間對全蛋液損耗模量/儲能模量(tanδ)的影響?Table 4 Effect of ultrasonic treatment time on tanδ of liquid whole egg

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

表5 超聲聲能密度對全蛋液的損耗模量/貯能模量(tanδ)的影響?Table 5 Effect of ultrasonic energy density on tanδ of liquid whole egg

? 同列字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖11 超聲聲能密度對全蛋液儲貯能模量的影響Figure 11 Effect of ultrasonic energy density on G′ of liquid whole egg

圖12 超聲聲能密度對全蛋液損耗模量的影響Figure 12 Effect of ultrasonic energy density on G″ of liquid whole egg

3 結論

采用不同超聲聲能密度及超聲作用時間對全蛋液進行處理，研究不同超聲條件下全蛋液的流變特性，靜態流變試驗表明，全蛋液及超聲處理后的全蛋液是一種假塑性非牛頓流體，其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，呈現出典型的剪切稀化現象，其流變曲線在溫度為0～40 ℃ 時服從Herschel-Bulkley模型。動態流變試驗表明，全蛋液線性黏彈區的振蕩應變為0.15%～0.50%。在線性黏彈區內進行頻率掃描，全蛋液的tanδ始終小于1，說明全蛋液主要表現為固體彈性性質，且不依賴于振蕩頻率。同時，隨著超聲作用時間及聲能密度的增大，其損耗模量G″和貯能模量G′均減小，說明全蛋液的黏性特征和彈性特征均減弱，流動性增強，與靜態流變試驗結果一致。本研究從流體力學的角度分析全蛋液在超聲作用下的黏度及流變特性，表明超聲可以起到降低流體黏度的作用，從而降低加工能耗，但本試驗未對超聲溫度及超聲頻率等因素進行研究，如何控制超聲溫度、超聲溫度和頻率對流體的影響及作用原理是后續研究的方向。