啤特果果汁流變學特性研究

周啟萍，張兆云，袁翔，申紅梅，張志華，李霞，馬筱菡，楊富民*

1(甘肅農業大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州，730070)；2(慶陽質量檢驗檢測研究院，甘肅 慶陽，745000) 3(臨夏州食品檢驗檢測中心，甘肅 臨夏，731100)；4(甘肅和政八八啤特果集團有限公司，甘肅 和政，731200)

啤特果(beer nut)，又稱酸巴梨、牙面包，系薔薇科梨屬秋子梨系統(PyrusussuriensisMaxim.)，主要生長在甘肅臨夏回族自治州海撥2 400 m左右的太子山麓[1]。啤特果被譽為“甘肅十大名果”之一，采摘后需要后熟，變黑、變軟方可食用或榨汁。其栽植面積約1.82萬hm2，是臨夏州的特色優勢資源。國內有關梨汁的研究主要集中在理化特性、澄清、脫色、褐變控制、發酵及復配飲料等方面，如曹雪慧等[2]為篩選制備非濃縮還原梨汁的加工品種，對遼西的花蓋梨、綏中白梨、晶白梨、錦豐梨、皇冠梨、水晶梨、雪花梨、酥梨梨汁的理化特性、褐變程度、穩定性等指標進行了測定，研究了不同梨品種對梨汁品質的影響；黃瀅潔等[3]采用響應面法優化了復合乳酸菌發酵梨汁工藝。目前，有關啤特果的報道較少，主要集中在育苗、栽培管理、果汁飲料調配、基本營養成分分析、總黃酮提取工藝、多糖提取以及抗氧化性等方面。如齊勇等[4]以啤特果為原材料，開展了啤特果汁飲料配方研究；王永剛等[1]對啤特果的基本營養組成進行了測定；張新軍等[5]通過正交試驗優化了啤特果中總黃酮的提取工藝；劉曉風等[6]對啤特果多糖PTGP1的提取工藝及抗氧化性進行了研究。

食品流變學通過測定流體的黏彈性、觸變性以及流體類型等，利用其流變參數之間定量信息化手段來解析食品的組成和內部結構，為控制食品品質提供依據[7]。果汁在加工過程中溫度和可溶性固形物含量對其影響顯著，果汁的流變學特性研究對提高品質和產品開發具有現實意義。目前，有關啤特果果汁流變學特性的研究尚未見報道。為進一步拓展啤特果汁的利用途徑，本文對啤特果果汁的流體類型以及溫度和可溶性固形物對黏度的影響開展研究，旨在為啤特果新產品開發及質量控制提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

啤特果果汁，2019年甘肅省臨夏州和政縣八八啤特果集團有限公司。原汁可溶性固形物含量為8 °Brix，濃縮汁可溶性固形物含量分別為14、20、26和32 °Brix。

1.2 儀器與設備

HR-1 流變儀，美國TA儀器(沃特世科技(上海)有限公司)；TD-45數字折光儀，浙江托普儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 啤特果果汁加工工藝

啤特果果汁加工工藝如下：

啤特果→挑選→清洗→榨汁→過濾→啤特果原汁

1.3.2 靜態流變學測定

參考王新明等[8]的方法，稍作修改。選用直徑為40 mm不銹鋼平行板測量系統，平行板測定間距為1 mm，在流動模式下設定剪切速率范圍為10～600 s-1，分別測定啤特果8 °Brix果汁在25、35、45、55和65 ℃不同溫度下剪切應力(Pa)隨剪切速率(s-1)的變化。為了驗證由圖直觀所得出的結論，采用冪律方程對啤特果果汁在不同溫度下的流變特性曲線進行擬合[9-10]，方程如公式(1)所示：

τ=KDn

(1)

式中：τ為剪切應力，Pa；K為黏度系數，Pa·s；D為剪切速率，s-1；n為流動指數。

1.3.3 動態流變學測定

1.3.3.1 頻率掃描的測定

參考CHO等[11]的方法，稍作修改。選用直徑為40 mm不銹鋼平行板測量系統，平行板測定間距為1 mm，在振蕩模式下設定應變0.01%，測定啤特果8 °Brix果汁儲能模量G′和損耗模量G″在頻率為1～20 Hz 掃描范圍內的變化。

1.3.3.2 溫度對啤特果果汁黏度的影響

參考周莉等[12]的方法，稍作修改。選用直徑為40 mm不銹鋼平行板測量系統，平行板測定間距為1 mm，設定剪切速率為10～600 s-1，分別測定啤特果8 °Brix果汁在25、35、45、55和65 ℃溫度梯度下黏度與剪切速率之間的變化。在剪切速率170 s-1下，測定黏度在剪切時間0～60 s的變化，同時在25～65 ℃測定溫度對啤特果果汁黏度的影響。

溫度與黏度之間的關系采用阿倫烏尼斯方程(Arrhenius)來描述[13-14]。參考王晴華等[15]的方法，通過Arrhenius方程分析溫度對黏度的影響，方程如公式(2)所示：

η=Ke-Ea/RT

(2)

式中：R為摩爾氣體常量[8.314 J/(mol·K)]；T為熱力學溫度，K；Ea為活化能，kJ/mol;K為常數。

1.3.3.3 可溶性固形物含量對啤特果果汁黏度的影響

選用直徑為40 mm不銹鋼平行板測量系統，平行板測定間距為1 mm，設定剪切速率范圍為10～600 s-1，分別測定可溶性固形物含量為8、14、20、26和32 °Brix的啤特果果汁在25 ℃的溫度條件下可溶性固形物含量與黏度之間的變化情況。

可溶性固形物含量(濃度)與黏度之間的關系用2種模型表示[16]，如公式(3)、(4)所示：

η=K(C)A

(3)

η=Kexp(AC)

(4)

式(3)、(4)中:A、K為常數;C為濃度，單位為 °Brix。

1.3.4 數據處理

用SPSS 24和Origin 2018處理數據，進行分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 啤特果果汁流體類型

啤特果果汁流變特性曲線見圖1。

圖1 流變特性曲線Fig.1 Rheological characteristic curve

由圖1可以看出，啤特果果汁在25、35、45、55和65 ℃溫度條件下，剪切速率與剪切應力呈非線性關系，剪切應力隨剪切速率的增大而增大；但隨著溫度升高，剪切應力增加幅度逐漸降低，各溫度條件下的流變特性曲線呈一條向上凸的曲線，符合假塑性流體的特征[17]。

通過冪律方程對啤特果果汁流變特性曲線進行擬合，擬合參數及結果見表1。R2表示擬合精度，其值越高說明擬合效果越好。

表1 啤特果果汁流體類型冪律方程擬合參數結果Table 1 Fitting parameters of power law equation for fluid type of Piteguo fruit juice

當n>1時，對應剪切稠化，流體為脹塑型流體，其曲線斜率減小黏度增加，曲線向下凹；0

2.2 頻率掃描

啤特果果汁頻率掃描見圖2。

圖2為不同溫度下啤特果果汁儲能模量G′和損耗模量G″的變化圖。由圖2可知，在1～20 Hz頻率范圍內，隨著溫度升高，儲能模量G′和損耗模量G″呈下降趨勢，并且在不同溫度條件下，G′總高于G″，說明啤特果果汁表現出固體彈性性質[19]。同時，試驗結果進一步證實了啤特果果汁屬于非牛頓流體。

a-25 ℃；b-35 ℃；c-45 ℃；d-55 ℃；e-65 ℃圖2 不同溫度下啤特果果汁儲能模量G′、損耗模量G″的變化Fig.2 Changes of energy storage modulus G′and loss modulus G″of Piteguo fruit juice at different temperatures

2.3 溫度對啤特果果汁黏度的影響

將啤特果果汁分別在25、35、45、55和65 ℃不同條件下，以剪切速率為橫坐標，黏度為縱坐標，繪制其變化曲線，如圖3所示。

固定剪切速率為170 s-1，以剪切時間為橫坐標，黏度為縱坐標，繪制其變化曲線，如圖4所示。

圖3 不同溫度下剪切速率對啤特果果汁黏度的影響Fig.3 Effect of Shear rate on the viscosity of Piteguo fruit juice at different temperatures

圖4 不同溫度下剪切時間對啤特果果汁黏度的影響Fig.4 Effect of shearing time on the viscosity of Piteguo fruit juice at different temperatures

由圖3可知，啤特果果汁在25 ℃和35 ℃溫度條件下，黏度隨剪切速率的變化幅度較大，在45、55和65 ℃的溫度條件下，隨剪切速率的增加黏度降低幅度較小，當剪切速率約為300 s-1時，不同溫度下的啤特果果汁隨剪切速率的增加黏度趨于穩定。表明啤特果果汁隨剪切速率的增加而黏度降低，到達一定剪切速率則趨于平緩，呈現出剪切稀化現象。其原因是由于當剪切速率突然增大，啤特果果汁分子結構被破壞，分子間結合力變差，從而使黏度降低。而在同一剪切速率下，由于液體的黏溫特性導致溫度變化使液體內聚力發生變化，溫度升高，黏度下降。

由圖4可知，相同剪切速率下，25 ℃溫度條件的啤特果果汁隨剪切時間的延長黏度基本不變，但在35、45、55和65 ℃的溫度條件下，隨著剪切時間的延長，黏度逐漸降低，但降低幅度較小。

圖5為不同溫度下啤特果果汁黏度變化關系曲線圖，表2為回歸分析結果。

圖5 不同溫度下啤特果果汁黏度變化Fig.5 Changes in viscosity of Piteguo fruit juice at different temperatures

表2 啤特果果汁的Arrhenius參數Table 2 Arrhenius parameters of Piteguo fruit juice

由圖5可見，隨著溫度的升高，啤特果果汁的黏度逐漸降低。由表2可知，回歸分析的相關性系數R2>0.99，表明Arrhenius方程能較好地反映溫度對黏度的影響。黏度是反映食品品質的重要指標之一，因此，在工廠實際生產過程中，可以利用上述模型為啤特果果汁加工和貯藏提供理論數據[20-21]。

2.4 可溶性固形物含量對啤特果果汁黏度的影響

可溶性固形物含量與黏度關系曲線如圖6所示，回歸分析結果見表3。

圖6表明，黏度隨可溶性固形物含量的增加而增大；一定濃度條件下，溫度升高，黏度則降低。由表3可知，2種模型的R2均大于0.96，且在相同條件下，指數模型中的R2值高于冪指數模型中的R2，說明指數模型能更好地反映啤特果果汁濃度與黏度之間的變化關系,這與IBARZ等[22]所研究的結果即指數型函數適于擬合果汁，冪函數更加適于擬合醬類食物一致。

圖6 可溶性固形物含量與黏度關系曲線Fig.6 Curve of relationship between soluble solid content and viscosity

表3 濃度與黏度2種模型回歸分析參數Table 3 Regression analysis parameters of two models of concentration and viscosity

3 討論

在液體食品中，黏度不僅是主要的感官結構性質，而且對食品的加工和保存起著重要的作用。影響食品黏度的主要因素有水分、溫度、可溶性固形物含量、物料的均質程度以及組分等。流體的溫度-黏度關系在許多技術領域中起著重要的作用。溫度對液體食物在一定剪切速率下的牛頓黏度或表觀黏度的影響，可用Arrhenius方程來描述[23]，并已被大量研究所證實。隨著溫度升高，物料的分子能量增大，分子之間的聚合能力下降，因而使得有效容積率降低，黏度也因此下降[24]。王晴華等[15]通過此分析方法測定了雙孢菇果肉飲料流變特性，阮美娟等[25]研究了馬齒莧飲料的流變特性，AKBULUT等[26]研究了濃縮杜松果汁溫度對黏度的影響，王新明等[8]研究了在25、35、45和55 ℃條件下紅樹莓桑葚復合飲料流體類型，其流變特性曲線為過原點向上凸的曲線，曲線的擬合參數0

流變性和黏度研究有助于工廠在生產過程中對濃縮設備的選擇和生產工藝的確定。液體的黏度與自身溶劑含量多少有關，隨著溶劑增加，黏度降低，反之，隨著溶劑減少黏度增加。宋洪波等[27]測定柚子濃縮汁與清汁可溶性固形物含量和黏度之間的關系，陳奕文[28]研究了基于超高壓技術紅棗復合果肉飲料濃度對黏度的影響。本文通過研究啤特果果汁不同可溶性固形物含量條件下的黏度，發現隨著可溶性固形物含量增加黏度變大，與宋洪波等[27]研究報道一致。通過研究啤特果果汁黏度與溫度之間的關系和可溶性固形物含量對黏度的影響，發現不同溫度及不同可溶性固形物含量對其黏度影響不同，研究結果對未來啤特果口服液、濃縮汁、啤特果粉等產品的開發利用具有一定的指導意義。

5 結論

25、35、45、55和65 ℃溫度條件下，啤特果果汁具有剪切稀化和觸變性特征，其流變特性曲線符合冪律方程，屬于假塑性流體，儲能模量G′總大于損耗模量G″。黏度是反映食品品質的重要指標之一，啤特果果汁黏度隨溫度增加而降低，隨可溶性固形物含量增加而變大。Arrhenius方程能較好地反映溫度對黏度的影響，η=Kexp(AC)模型能較好地反映可溶性固形物對黏度的影響，可利用其為啤特果果汁的加工和貯藏提供依據。