余振宇，姜紹通*，潘麗軍，戴緣緣，呂俠影

（合肥工業(yè)大學生物與食品工程學院，農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點實驗室，安徽 合肥 230009）

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芋頭漿的流變特性

余振宇，姜紹通*，潘麗軍，戴緣緣，呂俠影

（合肥工業(yè)大學生物與食品工程學院，農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品精深加工重點實驗室，安徽 合肥 230009）

摘 要：研究不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿在不同溫度下的流變學性質(zhì)。靜態(tài)流變性質(zhì)測定結(jié)果表明：在研究的質(zhì)量分數(shù)（10%～30%）和溫度（0～80 ℃）范圍內(nèi)，芋頭漿是具有假塑性的非牛頓流體，其流變特性服從Herschel-Bulkley模型；隨著質(zhì)量分數(shù)的增大，芋頭漿的非牛頓性在 逐漸增強，漿體的屈服應力和黏稠系數(shù)逐漸增大，流變特性指數(shù)逐漸減小；隨著溫度的升高，芋頭漿的表觀黏度不斷降低，漿體的非牛頓性逐漸減弱，黏稠系數(shù)逐漸減小，流變特性指數(shù)逐漸增大，溫度與芋頭漿黏稠系數(shù)的關(guān)系可用Arrhenius方程進行擬合；動態(tài)流變性質(zhì)測定結(jié)果表明：芋頭漿顯示弱凝膠特性。

關(guān)鍵詞：芋頭漿；流變特性；Herschel-Bulkley模型；凝膠特性

芋頭含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)元素，可食用也可藥用，具有寬腸胃、補脾胃、降脂、降血壓、消癆散結(jié)等功效，芋頭中富含的多糖還有具有增強細胞免疫和體液免疫的功能[1-2]。我國的芋頭品種豐富、種植面積廣泛，但其開發(fā)程度遠不及山藥、甘薯、馬鈴薯等，由于在收獲和貯存期間的繼續(xù)代謝、損傷、腐爛、皺縮和發(fā)芽而遭受采后損失，只有一部分被食用，造成了很大的浪費[3]。所以對芋頭進行深入開發(fā)具有重要意義。

目前市場上有關(guān)芋頭的深加工產(chǎn)品并不多，主要有芋頭泥、芋頭全粉、芋頭冰淇淋、芋頭冷凍食品等固體或半固體類產(chǎn)品[4-7]，液體類飲料的開發(fā)更是鮮有報道。因此，以芋頭為原料，開發(fā)一款具有低脂、高膳食纖維特點的芋頭漿體飲料，可最大限度地保持芋頭的營養(yǎng)價值和獨特風味。芋頭飲料的開發(fā)，不僅可以增加現(xiàn)代方便食品的花色品種，也為芋頭的深加工開辟了一條途徑，對芋頭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠意義。

流變性是食品所表現(xiàn)出來的黏性流體力學和彈性力學的性質(zhì)，對食品的運輸、傳送、加工工藝以及咀嚼食品時的滿足感都起著非常重要的作用[8]。近年來，果蔬汁等液態(tài)食品流變特性研究較為廣泛，許多學者對香蕉漿、番茄漿、濃縮藍莓汁、濃縮芒果汁等漿體的流變特性進行研究，這些漿體體系都表現(xiàn)為Herschel-Bulkley流體模型[9-12]。芋頭漿是制備芋頭飲料的基本物料，其流變特性的研究為芋頭飲料的配方、加工工藝設計提供理論基礎，也為工業(yè)化生產(chǎn)中加工設備選型、物料運輸中能量損耗、產(chǎn)品質(zhì)量控制、包裝等提供依據(jù)[13]。本實驗對芋頭漿的流變性質(zhì)進行研究，研究芋頭漿的流體類型以及流變參數(shù)隨質(zhì)量分數(shù)、溫度的變化規(guī)律。這些對于提高芋頭飲料的加工質(zhì)量，生產(chǎn)不同要求的產(chǎn)品，調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝過程都具有一定指導意義。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮萊陽芋頭：購于合肥家樂福超市，芋頭塊莖中的水分含量為82.88%。

FK-A組織搗碎機 江蘇金壇市金城國盛實驗儀器廠；DHR-3型流變儀 美國TA公司。

1.2方法

1.2.1 芋頭漿的制備

將新鮮的芋頭蒸煮熟化后去皮，分別按照芋頭終質(zhì)量分數(shù)10%、15%、20%、25%、30%加入蒸餾水，通過組織搗碎機進行打漿，即制得芋頭漿。

1.2.2 靜態(tài)流變性質(zhì)測定

質(zhì)量分數(shù)對芋頭漿流變性的影響測定：采用40 mm平行板測量系統(tǒng)，兩平板之間的距離為1 000 μm，在20 ℃條件下測定不同質(zhì)量分數(shù)樣品（10%、15%、20%、25%、30%）表觀黏度和剪切應力隨剪切速率（0～300 s－1）的變化曲線，再對不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的流變曲線進行擬合，得出芋頭漿的流變模型及其流變特性參數(shù)。

溫度對芋頭漿流變性的影響測定：固定剪切速率在1 s－1，在10～50 ℃條件下測定不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿表觀黏度隨溫度的變化曲線；配制質(zhì)量分數(shù)為15%的芋頭漿，分別測定樣品在0、20、40、60、80 ℃條件下的剪切應力隨剪切速率的變化曲線，并對其流變特性曲線進行擬合，得到質(zhì)量分數(shù)15%芋頭漿在不同溫度條件下的流變模型及流變特性參數(shù)。

1.2.3 動態(tài)流變性質(zhì)測定

線性黏彈區(qū)的確定：采用動態(tài)法測定流體的流變性質(zhì)，首先需要確定流體的線性黏彈區(qū)。采用40 mm平行板測量系統(tǒng)，測定溫度為20 ℃，振蕩頻率固定在1 Hz，測定復合模量G*隨振蕩應變的變化，復合模量G*恒定的振蕩應變區(qū)即為芋頭漿的線性黏彈區(qū)。

頻率掃描：在線性黏彈區(qū)內(nèi)對芋頭漿進行頻率掃描，振蕩應變固定在0.5%，振 蕩頻率范圍為0.01～2 Hz。測定頻率掃描過程中貯能模量G’、耗能模量G’以及動力學黏度η’的變化。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Origin8.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析和作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1芋頭漿靜態(tài)流變性質(zhì)

2.1.1 不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的流變特性

圖1　不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿表觀黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.1 Relationship between shear rate and apparent viscosity of taro pulp at different concentrations

由圖1可知，在剪切速率一定的情況下，芋頭漿的表觀黏度隨著質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，當剪切速率較小時，這種增大的趨勢更加明顯。此外，在研究的質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi)，芋頭漿的表觀黏度也隨著剪切速率的增加而逐漸減小，表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特征。這是因為芋頭漿在靜止或者低剪切速率的情況下，漿體中的淀粉等鏈狀高分子之間相互連結(jié)、纏繞，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了分子之間的作用力，漿體從而表現(xiàn)為高黏度性質(zhì)[8]。當剪切速率增加時，漿體中聚集或纏繞在一起的淀粉等鏈狀高分子會發(fā)生解體或變形，分子之間形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被破壞，降低了流體阻力，從而使芋頭漿的表觀黏度減小，呈現(xiàn)出剪切稀化的現(xiàn)象[14]。芋頭漿剪切稀化的性質(zhì)有利于其在加工過程中的泵送和灌注。

圖2　不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿剪切應力隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Relationship between shear rate and shear stress of taro pulp at different concentrations

由圖2可知，不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的剪切應力隨著剪切速率的增加而增大，這是由于當剪切速率增加，漿體的流速增加，速率梯度增大，要破壞體系中纏繞在一起的淀粉顆粒等固形物使其解體或變形，剪切力也會隨之增大[15]。

質(zhì)量分數(shù)為10%～30%的芋頭漿均呈現(xiàn)典型的屈服-假塑性流體特性行為，這些曲線可采用Herschel-Bulkley模型τ=τ0＋kγn進行擬合，式中：τ0為屈服應力/Pa，k為黏稠系數(shù)/（Pa·sn），γ為剪切速率/s?1，n是流變特性指數(shù)，得到的擬合參數(shù)見表1；對芋頭漿的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與質(zhì)量分數(shù)的數(shù)學關(guān)系進行擬合，所得曲線和方程見圖3。

表1　不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的流變特性參數(shù)值Table 1 Rheological parameters of taro pulp at different concentrations

由表1可知，在20 ℃條件下，隨著質(zhì)量分數(shù)的增加，芋頭漿的流變特性指數(shù)逐漸減小，漿體的屈服應力和黏稠系數(shù)逐漸增大。流變特性指數(shù)的大小反映了漿體體系剪切變稀的難易程度，也即假塑性程度的大小，芋頭漿的流變特性指數(shù)逐漸減小，意味著漿體的非牛頓性流體行為增強，牛頓性流體行為減弱。由于芋頭漿中不僅存在大量的淀粉顆粒，同時還保留了蛋白質(zhì)、果膠等大分子物質(zhì)[16-17]，這些大分子之間相互聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得漿體體系具有屈服應力，而且隨著質(zhì)量分數(shù)的增加，各分子之間的相互作用增大，形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的致密程度增加，使得漿體體系所需克服的屈服應力就越大，黏稠系數(shù)也相應增大。曲線擬合的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，這說明在20 ℃條件下，質(zhì)量分數(shù)10%～30%的芋頭漿均服從Herschel-Bulkley模型。

圖3　20 ℃條件下芋頭漿的黏稠系數(shù)和流變特性指數(shù)與質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系Fig.3 Effect of concentration on viscosity coeffcient and rheological indices of taro pulp at 20 ℃

由圖3可知，20 ℃條件下芋頭漿的黏稠系數(shù)k與質(zhì)量分數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合的曲線方程為y=0.006 9e0.147 7x，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 6；芋頭漿的流變特性指數(shù)n與質(zhì)量分數(shù)的數(shù)學關(guān)系符合二次多項式模型，擬合的曲線方程為y=0.000 3x2－0.018 3x＋0.909 3，相關(guān)系數(shù)R2=0.998 1。

2.1.2 溫度對芋頭漿流變特性的影響

圖4　不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿表觀黏度隨溫度的變化曲線Fig.4 Relationship between temperature and apparent viscosity of taro pulp at different concentrations

由圖4可知，不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的表觀黏度隨著溫度的升高在不斷減小，且質(zhì)量分數(shù)越大，這種減小的趨勢更加明顯。這主要是由于溫度升高，漿體中淀粉等大分子物質(zhì)的能量增加，加快了分子的熱運動，減弱了分子間的相互作用，同時溶液體積發(fā)生膨脹，使得每一分子平均占有的體積增大，漿體的流動性增強，體系的黏度從而逐漸減小[18]。隨著芋頭漿質(zhì)量分數(shù)的增加，相同體積內(nèi)淀粉等大分子物質(zhì)的含量增加，溫度越高對體系黏度的影響就越大。

圖5　質(zhì)量分數(shù)15%的芋頭漿在不同溫度下剪切應力隨剪切速率的變化曲線Fig.5 Relationship between shear rate and shear stress of 15% taro pulp at different temperatures

由圖5可知，在不同溫度下，質(zhì)量分數(shù)15%芋頭漿的剪切應力隨著剪切速率的增加而增大；在同一剪切速率條件下，芋頭漿的剪切應力隨著溫度升高逐漸減小。不同溫度下15%芋頭漿的流變曲線可采用Herschel-Bulkley模型進行擬合，得到的擬合參數(shù)見表2；對芋頭漿的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溫度的數(shù)學關(guān)系進行擬合，所得曲線和方程見圖6。

表2　質(zhì)量分數(shù)15%的芋頭漿在不同溫度下的流變特性參數(shù)值Table 2 Rheological parameters of 15% taro pulp at different temperatures

由表2可知，隨著溫度的升高，質(zhì)量分數(shù)15%芋頭漿的流變特性指數(shù)逐漸增大，漿體的黏稠系數(shù)逐漸減小。芋頭漿流變特性指數(shù)的增大意味著漿體非牛頓性流體行為的減弱，其中n值均小于1，說明在0～80 ℃之間，質(zhì)量分數(shù)15%的芋頭漿均屬于假塑性流體體系。漿體的黏稠系數(shù)逐漸減小，這與之前表觀黏度隨溫度升高逐漸減小的趨勢表現(xiàn)一致。曲線擬合的相關(guān)系數(shù)值均在0.99以上，這說明在該溫度范圍內(nèi)，15%芋頭漿均服從Herschel-Bulkley流體模型。

圖6　溫度對質(zhì)量分數(shù)15%的芋頭漿黏稠系數(shù)和流變特性指數(shù)的影響Fig.6 Effect of temperature on viscosity coefficient and rheological index of 15% taro pulp

采用Arrhenius方程k=k0exp（Ea/RT）對溫度與芋頭漿黏稠系數(shù)的數(shù)學關(guān)系進行擬合；式中：k0為系數(shù)，Ea為流動活化能/（J/mol），R為氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K）），T為絕對溫度/K。如圖6所示，所得擬合方程k=10?7exp （31 264.8/RT），R2=0.964 6，溫度與黏稠系數(shù)對Arrhenius方程具有很高的擬合精度，用Arrhenius方程可以很好地描述溫度對芋頭漿流動特性的影響。溫度與芋頭漿流變特性指數(shù)n的數(shù)學關(guān)系符號二次多項式模型，擬合的曲線方程為y=4×10?5x2＋0.000 4x＋0.686 5，相關(guān)系數(shù)R2=0.988 1。

2.2芋頭漿動態(tài)流變性質(zhì)

2.2.1線性黏彈區(qū)的確定

圖7　不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的線性黏彈性區(qū)域Fig.7 Linear viscoelasticity region of taro pulp at different concentrations

線性黏彈區(qū)是指復合模量G*不隨振蕩應變發(fā)生變化的區(qū)域[19]，在線性黏彈區(qū)內(nèi)，芋頭漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會被破壞。由圖7可知，不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿在振蕩應變?yōu)?.0%～1.0%的范圍內(nèi)復合模量G*恒定，顯示線性黏彈區(qū)。本實驗選擇0.5%的振蕩應變作為測定芋頭漿動態(tài)流變性質(zhì)的條件。

2.2.2頻率掃描

一般材料的動態(tài)黏彈性測定是通過對材料施加一個連續(xù)的正弦應力或應變，然后 記錄材料的響應。G’是動態(tài)彈性模量，又稱貯能模量，反映了材料貯存能量的能力，可以表征材料的彈性特征；G”是黏性損耗模量，又稱耗能模量，反映了材料釋放能量的能力，耗能模量G”和動力學黏度η’可以表征材料的黏性特征[19-20]。

圖8　不同質(zhì)量分數(shù)芋頭漿的頻率掃描Fig.8 Frequency scanning of taro pulp at different concentrations

損失正切tanδ定義為耗能模量與貯能模量的比率，tanδ=G”/G’可以直觀準確地反映流體的動彈黏彈性。當tanδ＜1時，說明G’相對于G”占主要優(yōu)勢，流體主要表現(xiàn)為固體彈性性質(zhì)，反之則主要表現(xiàn)為流體黏性性質(zhì)[21]。由圖8A、8B可知，在掃描的頻率范圍內(nèi)（0.01～2 Hz），芋頭漿的貯能模量G’始終高于耗能模量G”，其G’和G′對振蕩頻率具有輕微的依賴性，且兩者的值均較?。?.1～20 Pa之間）。由圖8C可知，損失正切tanδ基本保持在0.1～1之間，與掃描頻率之間呈現(xiàn)弱相關(guān)性，芋頭漿主要表現(xiàn)為固體彈性性質(zhì)。由圖8D可知，在振蕩頻率=剪切速率時，漿體的表觀黏度明顯低于復合黏度；這反映了芋頭漿的弱凝膠特性[22]。事實上，真正的凝膠或完全彈性的固體，其G’比G”大得多，而且基本上不依賴于振蕩頻率[23]。大部分的食品體系或生物大分子溶液，通常都是介于完全液態(tài)和完全固態(tài)之間，屬于黏彈性流體[24]。

在芋頭漿體系中，G’代表的是蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)表現(xiàn)的彈性行為，而G”則代表了糖類等小分子溶質(zhì)表現(xiàn)的黏性行為，G’和G”隨著芋頭漿質(zhì)量分數(shù)的增加而增大，是這些物質(zhì)對漿體黏彈性絕對貢獻程度增加的反映[12]。此外，類似于穩(wěn)態(tài)實驗的剪切稀化現(xiàn)象，在動態(tài)實驗中，隨著振蕩頻率的增加，芋頭漿的動力學黏度η’呈現(xiàn)減小的趨勢，這與靜態(tài)流變學測定的結(jié)果一致。

3　結(jié) 論

芋頭漿有剪切稀化的現(xiàn)象，是具有假塑性的非牛頓流體，其流變特性服從Herschel-Bulkley模型；隨著芋頭漿質(zhì)量分數(shù)的增大，漿體體系的非牛頓性在逐漸增強，屈服應力和黏稠系數(shù)逐漸增大，流變特性指數(shù)逐漸減??；對于質(zhì)量分數(shù)15%的芋頭漿，隨著溫度的升高，漿體的非牛頓性逐漸減弱，黏稠系數(shù)逐漸減小，流變特性指數(shù)逐漸增大，溫度與芋頭漿黏稠系數(shù)的關(guān)系可用Arrhenius方程進行擬合；動態(tài)流變測定表明：芋頭漿顯示弱凝膠特性；此外，隨著振蕩頻率的增加，芋頭漿的動力學黏度η′逐漸減小，呈現(xiàn)剪切稀化的特性，這與靜態(tài)流變學測定的結(jié)果一致。

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Rheological Properties of Taro Pulp

YU Zhenyu, JIANG Shaotong*, PAN Lijun, DAI Yuanyuan, Lü Xiaying
(Key Laboratory for Agricultural Products Processing of Anhui Province, Institute of Agricultural Products Processing Technology, School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:Our present work evaluated the rheological properties of taro pulp at different concentrations and temperatures. Static rheological tests showed that taro pulp was a pseudoplastic non-Newtonian fl uid and could be fi tted by Herschel-Bulkley model within the corresponding ranges of temperature (0?80 ℃) and concentration (10%–30%). An in crease in taro pulp concentration enhanced its non-Newtonian characteristics, increased its viscosity coeffi cient and shear stress and decreased its rheological index, while higher temperature could result in higher rheological index, lower non-Newtonian fl uidity and smaller viscosity coefficient. The Arrhenius equation could accurately describe the relationship between temperature and viscosity coeffi cient of taro pulp. Dynamic rheological tests showed that taro pulp had weak gel-li ke properties.

Key words:taro pulp; rheological properties; Herschel-Bulkley model; gel-like properties

doi:10.7506/spkx1002-6630-201507007

中圖分類號：TS201.7

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6630（2015）07-0036-05

*通信作者：姜紹通（1954—），男，教授，本科，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：jiangshaotong@163.com

作者簡介：余振宇（1992—），男，碩士研究生，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：elvenyue@163.com

基金項目：安徽省科技專項資金項目（13Z03042）

收稿日期：2014-06-30