驢乳的系統流變學性質研究

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(1.西北師范大學生命科學學院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術研究中心,甘肅蘭州 730070;3.甘肅龍麒生物科技股份有限公司,甘肅瓜州 736100)

驢乳是一種很好的替代母乳的乳品之一,其營養成分與人乳相似[1],富含亞油酸和亞麻酸[2]、乳清蛋白和β-乳球蛋白，氨基酸種類齊全[3]。驢乳還具有抗增殖、抗腫瘤和抗菌特性[4-5]。驢乳營養價值豐富,是一種低膽固醇、高鈣和富硒的飲品,逐漸受到越來越多的關注與報道,可以作為一種新食品資源進行開發。目前,驢乳的加工工藝[6]、營養成分和功效已經被大量研究,但驢乳的流變學研究尚屬空白。

流變學是力學的一個分支,它是材料流動和變形的研究[7]。許多食品在生產和加工過程中以液體形式存在,因此流變學在食品科學研究中得到廣泛應用,食品加工需要考慮流變參數,如黏度、剪切應力和剪切速率[8]。流變學數據對于設計產品開發、貨架期估計、感官評估和食品穩定性評估非常重要。其流變學性能對產品的結構、運輸、貯藏、加工工藝等都起到至關重要的作用。

為了研究乳制品的物理性質參數,可通過流變學方法[9-10]表征。而流變性質通常受溫度的影響[11]。因此,本文研究不同溫度(4、20、36、50 ℃)對驢乳的流動性、觸變性以及動態粘彈性的影響,以期為驢乳在食品加工行業的應用提供有利技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮驢乳 采自甘肅龍麒生物股份有限公司良種驢養殖基地,驢的品種為德州驢,年齡4-5年,哺乳期3個月后采集鮮乳,3批次3瓶。鮮驢乳組成:蛋白質1.89%,脂肪1.32%,乳糖6.10%,水分90.21%、灰分0.47%。

Anton Paar Physica MCR 301Rheometer流變儀 安東帕有限公司;PP50平板:直徑50 mm,轉子:CC27同心圓筒、內徑27 mm，80目濾網 蘇州菲爾特過濾設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鮮驢乳的預處理 將采集的鮮驢乳4 ℃冷卻,用80目濾網過濾,除去驢乳中的細小雜質,4 ℃冷藏備用。

1.2.2 流動性能測定 穩態剪切測試:使用平板 PP50(內徑 50 mm)系統,平行板間距為 1 mm。本實驗前期,進行溫度對驢乳流動性的影響的篩選,當溫度達大于50 ℃時,驢乳不具有流變學性質,流動曲線不符合流變模型,且在高溫條件下驢乳變質,失去了流變實驗的意義,故最高溫度選取50 ℃,最低溫度選取4 ℃是乳品常用低溫保存溫度。設置測量溫度為4、20、36、50 ℃,測量驢乳的黏度隨剪切速率的變化趨勢,剪切速率范圍:0.01～100 s-1。

1.2.3 觸變性能測定 觸變測試:使用平板 PP50 在旋轉模式下進行三段參數設定,即第一階段:剪切速率以恒定增速(3.12 s-1)從 0 s-1升高到 100 s-1;第二階段:在剪切速率為100 s-1下保持50 s;第三階段:以恒定減速(3.12 s-1)從100 s-1降低到0 s-1,測試溫度為4、20、36、50 ℃。

1.2.4 動態粘彈性測定

1.2.4.1 線性粘彈性范圍的確定 應變掃描使用CC27同心圓筒,分別在 4、20、36、50 ℃條件下給樣品以恒定的頻率(1 Hz)施加一個范圍(0.1%～100%)的正弦形變(應變),依據儲能模量的變化來確定其線性粘彈性范圍。

1.2.4.2 振蕩頻率掃描 在樣品的線性粘彈性范圍內(0.5%～40%),使用CC27同心圓筒進行測定,即施加不同頻率的正弦形變后,得到不同溫度下驢乳的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨頻率變化的關系,即驢乳粘性和彈性之間的變化趨勢。

1.2.4.3 溫度對動態黏度的影響 在4～50 ℃溫度范圍內測量驢乳的黏度ηa,加熱速率保持恒定在2 ℃·min-1,保持剪切速率恒定在50 s-1,這是口中的剪切速率[12]。為了描述該指定剪切速率下測量黏度η50,通過Arrhenius模型方程描述在指定剪切速率下黏度η50對溫度的依賴性。

式(1)

式中:η50是剪切速率50 s-1的黏度(Pa·s),η0是常數(Pa·s),EA是活化能(kJ·mol-1),R是通用氣體常數(8.3145 kJ·mol-1·K-1)和T溫度(K)。計算流動行為部分的R2和SD值來評估預測模型的適合度。

1.3 數據處理

通過流變儀自帶的軟件得到所有實驗數據,為了獲得可靠的數據,所有測試重復三次取平均值。用OriginPro 8.0 軟件對所有數據進行處理并作圖。

2 結果與討論

2.1 流動性分析

如圖1所示,在處理溫度范圍內,驢乳的黏度隨剪切速率的增大而降低,表現出剪切變稀的特性,為假塑性流體。驢乳是一個復雜的體系,其含有蛋白質、脂質、乳糖、生長因子等諸多生物活性物質。隨著剪切速率增大,驢乳各大分子結構鏈的解纏結和重新纏結之間發生不平衡。在高剪切速率處,可能會受到更嚴重的剪切力，破壞驢乳大分子結構,其黏度降低。4～50 ℃溫度升高會增加驢乳中大分子的動力學運動,從而促進分子鏈的解纏結,從而導致黏度降低。同樣Whitaker R等[13]研究表明脫脂乳的黏度隨溫度(5～80 ℃)升高而降低。在較高溫度(36、50 ℃)下,當剪切速率增大時,驢乳中大分子鏈的纏結結構被破壞,越多越復雜的纏結結構的破壞對黏度下降的貢獻越大,因而體系的黏度大幅度降低。

圖1 不同溫度驢乳的流動曲線Fig.1 Flow curves of donkey milk in different temperature

利用Carreau[14]和Cross模型[14-15]對驢乳的流動曲線進行擬合,其方程式分別為:

式(2)

式(3)

式(2)和(3)中:η為黏度(Pa·s-1),η0表示零剪切黏度(Pa·s-1),η∞表示無窮剪切黏度,c和α為與流體結構破壞相關的時間常數(s),γ為剪切速率(s-1),p和d表示在剪切變稀區域黏度對剪切速率的依賴程度。

表1 不同溫度驢乳的Carreau模型擬合參數Table 1 Fitting parameters of Carreau model for donkey milk at different temperature

表2 不同溫度驢乳的Cross模型擬合參數Table 2 Fitting parameters of Cross model for donkey milk at different temperature

對比表1和表2可以得出,驢乳的流動行為與Carreau模型擬合度比與Cross模型的較高,Carreau模型擬合的R2>0.9691,且標準差SD較小。p指示表觀黏度對剪切速率的依賴程度,反應材料的非牛頓性的強弱,當溫度為4 ℃時,p值最大。由表1可知,隨著溫度的增驢乳的p值不斷減小,說明驢乳的黏度隨溫度增加而減小。c是指破壞其結構的時間常數[16],隨著溫度增加c不斷減小,破環結構所需的剪切速率不斷增加,說明隨溫度增加,驢乳結構穩定性降低,破壞這種結構需要的時間減少。

2.2 觸變性分析

觸變性是描述在非破壞或剪切條件下,材料的形變對剪應力的響應。剪切速率隨時間延長直到達到剪切速率最大值。之后,在沒有任何干擾的情況下,通過降低剪切速率能夠恢復過來,從而形成上下閉合的曲線,根據式(4)計算不同溫度下驢乳滯后環面積,見表3。

式(4)

式中:γ1和γ2均為剪切速率(s-1),k1為正向流動指數(Pa· sn1),k2正向流動指數(Pa·sn2),n1和 n2分別為流動冪指數。

從表3中可以看出所有測試溫度下驢乳都有一定的觸變性,低溫條件下驢乳的滯后環面積最大,對于中高溫的驢乳來說,其觸變環面積隨著溫度的升高而減小,因此觸變性也隨之減弱。在50 ℃下驢乳觸變環面積Ha<0,這可能是驢乳由于受熱其生物大分子解纏結流動方向重新排列,從而導致乳液中的結構變化,不能恢復到初始狀態。

表3 不同溫度驢乳的觸變環面積Table 3 Hysteresis loops areas for donkey milk at different temperature

2.3 動態粘彈性分析

2.3.1 應變掃描分析 粘彈性體系的粘性和彈性響應可以用動態振蕩測試來表征,儲能模量G′表示存儲在材料中的能量的大小或每個變形周期可恢復的能量,而損耗模量G″表示每個變形周期的粘性耗散下材料損失的能量。線性粘彈性區域(LVR)表示所施加的外力不會改變材料的穩定性或導致其結構破壞。tanδ是一重要參數,稱為損耗因子,表示粘性相對于彈性部分的比值。

式(5)

式(5)中,儲能模量G′(Pa):彈性部分,形變能力的儲存部分,損耗模量G″:粘性部分,形變能力的損失部分。當tanδ<1,即G″1,即G″>G′,粘性占主要部分,為流體;tanδ=1,即G″=G′,粘性和彈性相等,為溶膠-凝膠的轉變點。

由圖2可知驢乳在不同溫度下的應變掃描測試,這個圖可以分為三段,即a穩定區/線性粘彈性區域:其中G′和G″的值隨應變的增加保持不變;b過渡階段:在高應變區域(應變>1%),G′和G″都迅速下降而tanδ急劇增加,最終達到交叉流動點(G′=G″),表明樣品結構中斷,還發現G′和G″的交叉點(表4)對溫度的依賴性較大,G′=G″的值隨溫度升高而減小;c反轉階段:G″>G′、tanδ>1驢乳從凝膠體轉變為流體。Neha Duhan等[17]研究印度牛奶酥油的溫度依賴性動態振蕩剪切流變特性中得到相似結果。

圖2 不同溫度驢乳應變掃描Fig.2 Strain sweeps of donkey milk in different temperature

溫度(℃)應變(%)G′=G″(Pa)411.701.40209.290.943610.280.415012.060.27

2.3.2 頻率掃描分析 由圖3(A)顯示了4、20、36和50 ℃測量條件下,驢乳儲能模量G′和損耗模量G″對角頻率的關系曲線圖。G′、G″表現出對角頻率和溫度的依賴性,隨著溫度的增加,依賴性降低。在4個測量溫度下整個掃描范圍內G′>G″,表明主要是流體狀響應,隨著角頻率增加,G′增加的比G″快,并且高溫條件下G′/G″增加的比低溫快,這說明驢乳的儲能模量G′、損耗模量G″的變化對溫度的依耐性更大。與穩定剪切流動(圖1)相比,圖3B顯示出不同溫度條件下的η*值也隨振蕩頻率增加先減小再增加,在高頻率測試條件下驢乳有效成分結構改變,其復數黏度增加;增加測量溫度,η*值隨之減小,在整個溫度處理范圍內4 ℃驢乳的η*值最大,較高溫度條件下的驢乳中蛋白質、脂質等生物大分子的分子鍵在振蕩剪切中破裂和重新組合,這導致結構的變化,從而表現出驢乳剪切變稀的流變行為。高頻率破壞分子內/分子間鍵,不能在短時間內及時恢復。此外,在宏觀水平上降低η*會產生分子鏈的永久取向或分離[18]。根據Long等[19]的研究,這種現象與乳蛋白分子鏈間的纏結及解纏結有關,另外,溫度對分子間作用力也起到很重要的作用。

圖3 不同溫度驢乳頻率掃描Fig.3 Frequency sweeps of donkey milk in different temperature

2.3.3 溫度對黏度的影響 溫度對動態黏度η50的影響如圖4所示,溫度從4 ℃升至50 ℃,η50值由0.0032下降至0.00096 Pa·s。通過Arrhenius模型擬合分析,模型參數η0和活化能EA值分別0.0036 Pa·s和2.3387 kJ·mol-1,R2值為0.9734,SD為0.00013,說明測量溫度范圍內驢乳動態黏度曲線能與Arrhenius模型很好地擬合,這可以準確地說明其黏度對溫度有依賴性。與溫度相關的η50值下降趨勢可能是由于驢乳中蛋白質、脂肪等生物大分子間間隙增加由熱膨脹和高動力引起,分子鏈解纏結使黏度隨溫度升高而降低。Seuvre等[20]研究發現溫度直接影響奶油蛋羹中分子間鍵合和芳香釋放動力學。Neha Duhan等[17]研究表明牛奶酥油的香味成分游離脂肪酸(FFA)、內酯和羰基化合物的混合物,與甘油三酯和其生物分子緊密結合,當溫度超過這些化合物的熔化范圍后會改變其黏度。

圖4 溫度掃描曲線Fig.4 Temperature sweeps of donkey milk

3 結論

驢乳本質上是非牛頓流體,表現出剪切稀化行為。在4、20、36、50 ℃測試溫度下其黏度隨溫度升高而降低,流動曲線符合流變學Carreau模型。在4 ℃下驢乳的滯后環面積最大,其觸變環面積隨著溫度的升高而減小,因此觸變性也隨之減弱。動態黏彈性儲能模G′和損耗模量G″對溫度的依賴性較大;4～50 ℃測量溫度范圍內驢乳動態黏度隨溫度增加逐漸減小,其動態曲線能與Arrhenius模型很好的擬合。流變學表征表明,溫度對驢乳的流變性影響較大,有顯著的能量相互作用或結構異質性,這些結果為驢乳的進一步研究和加工提供了基礎和有用的數據。