李 鑫,刘 锐,张 民,王跃猛

(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

澄清型黑蒜饮料的流变特性研究

李 鑫,刘 锐,张 民*,王跃猛

(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

本文通过采用DV-Ⅲ+型数字流变仪测定了不同温度条件下澄清型黑蒜饮料的流变特性。通过对拟合方程和所得参数的研究发现,在25、35、45℃的温度条件下,黑蒜饮料的流变曲线为一条过原点的直线,对曲线的拟合参数n值接近1,近似为牛顿流体类型;而在55℃和65℃的温度条件下,黑蒜饮料的流变曲线为一条过原点向下凹的曲线,对曲线的拟合参数n值大于1,符合胀塑性流体类型的特征。同时,在不同温度下测定了黑蒜饮料黏度的变化,通过Arrehenius方程η=K0exp(Ea/RT)相关变化进行拟合,可用来预测实际加工过程中澄清型黑蒜饮料温度对黏度的影响,为其加工生产提供理论指导。

澄清型黑蒜饮料,流变特性,黏度,温度

黑蒜是将大蒜精选、高温高湿处理加工而成的[1]。黑蒜与大蒜相比,水分、脂肪等有显著的降低,微量元素有显著提高,其中,最高的微量元素为钾,其次为镁、钠、钙、铁和锌,对维持人体生命活动具有重要意义。这些都是人体不可缺少的营养成分。而蛋白质、糖分、维生素等物质的含量至少是大蒜的2倍。作为美味成分的氨基酸,黑蒜中的含量更是比普通的大蒜增加了2.5倍[2]。而且,黑蒜具有杀菌、防治流感,调节血糖和胆固醇水平,促进糖尿病康复,调节血压和血脂,改善便秘、失眠和较好的抗癌、预防血管老化、提高免疫力等作用[3-4]。将黑蒜加工成饮料可以使其营养物质更好的被吸收和利用。

食品流变学研究的对象是食品物质。现阶段,国内外对于食品流变特性的研究不断深入,因为流变特性可以更好的用于产品的实际生产[5]。流变学指标在黑蒜饮料评价中的实际意义主要体现在可以改善黑蒜饮料及其它以黑蒜汁为中间产品的黑蒜制品的生产工艺,控制黑蒜饮料的品质,评价黑蒜饮料优劣程度(尤其在感官上),提高产品的稳定性等方面。

鉴于黑蒜丰富的营养成分及重要的生物功能,研发出营养可口的黑蒜饮料便成为黑蒜加工产业中的重要课题。黑蒜的营养成分在高温下会遭到破坏且产生不易被接受的气味儿,因此在饮料的研发过程中需要注意控制温度。在国内外暂时没有发现对黑蒜饮料流变特性的研究,这就预示着黑蒜饮料的流变学研究具有重要意义,主要体现在对改进黑蒜饮料的加工工艺、指导生产和改善品质等方面。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

澄清型黑蒜饮料(实验室自制,主要工艺包括打浆、过滤、配料和灭菌)。相关理化性质如下:pH为4.2,可溶性固形物含量(Brix%)为10.8,总酸含量为0.4%,脂肪含量为0,蛋白质含量为0.53%。

DV-Ⅲ+型数字流变仪 Brookfield工程实验室;循环水式水浴锅 郑州长城科工贸有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黑蒜饮料流体类型的研究 分别测定25、35、45、55、65℃ 5个温度梯度下黑蒜饮料剪切应力随剪切速率的变化,得到饮料流动特性曲线。

1.2.2 温度对饮料黏度的影响 分别测定黑蒜饮料在25、35、45、55、65℃ 5个温度梯度下黏度随剪切速率的变化和同一剪切速率下黏度随剪切时间的变化,分析温度对黑蒜饮料黏度的影响。

1.2.3 实验数据处理 实验数据利用Origin8.5进行处理得到。

2 结果与讨论

2.1 黑蒜饮料流体类型

分别在25、35、45、55和65℃的温度条件下,以剪切速率为横坐标,剪切应力为纵坐标作关系曲线图,如图2:

由图1可以看出,黑蒜饮料在25、35℃和45℃三个温度条件下,随着剪切速率的增大,剪切应力也随之增大。剪切应力与剪切速率呈线性变化,即流体所受到的剪切应力与剪切速率成正比,且曲线过原点,符合牛顿流体的特征[6]。而55℃和65℃两个温度条件下,随着剪切速率的增加,剪切应力也不断增加,但是增加趋势逐渐变大,整体看来,流变曲线为一条过原点向下凹的曲线,有胀塑性流体的特征[7-9]。

图1 流变特性曲线Fig.1 Rheological characteristic curves

为了验证由图直观得到的黑蒜饮料在不同温度下的流变类型,可以采用幂律方程对黑蒜饮料在不同温度下的流变曲线进行拟合[10-11]。

幂律方程如图3:

ι=KDn

式(1)

式中,τ-剪切应力(N/m2);K-黏度系数(Pa·s);D-剪切速率(s-1);n-流动指数。n=1对应于牛顿流体,其流变曲线为一条过原点的直线;01对应于剪切稠化,为胀塑性流体,其流变曲线为一条过原点向下凹的曲线。

通过幂律方程对流变曲线的拟合得到相关参数,进一步确定黑蒜饮料的流体类型。相关系数R表示方程的拟合精度,其值越高,表示拟合精度越高、效果越好[12]。拟合结果见表1。

表1 黑蒜饮料流体类型幂律方程参数及拟合情况

由表1的拟合结果显示,黑蒜饮料在25、35℃和45℃的温度条件下,n值接近1,幂律方程可以表示为τ=KD,符合牛顿流体的流变学方程,且由图1也可看出,流变特性曲线为一条过原点的直线,可知,在45℃及其以下的温度范围中,黑蒜饮料属于牛顿流体类型。但在55℃和65℃的温度条件下,n值大于1,结合幂律方程τ=KDn可知,n>1对应于剪切稠化,为胀塑性流体,结合图1,黑蒜饮料在这两个温度条件下属于典型的胀塑性流体类型。

综上所述,在温度逐渐升高的过程中,黑蒜饮料的流体类型逐渐从牛顿流体偏离到胀塑性流体。拟合结果R2>0.98,说明拟合效果好且已达到较高水平。

2.2 温度对饮料黏度的影响

分别在25、35、45、55和65℃的温度下,以剪切速率为横坐标,黏度为纵坐标作关系曲线图,如图2。

设定转速为200r/min,分别在25、35、45、55℃和65℃的温度下测定黏度随剪切时间的变化,以剪切时间为横坐标,黏度为纵坐标作关系曲线图,如图3。

由图2可以看出,在25、35、45℃的温度条件下,黏度随剪切速率变化不大,只有轻微波动,说明在这三个温度条件下,黏度不随剪切速率的变化而变化,而是只与温度有关,温度越高,黏度越小。但在55℃和65℃的温度条件下,在较低剪切速率下黏度没有明显变化,而较高剪切速率下,黏度随剪切速率的增加而增大。温度越高,黏度随剪切速率变化的越明显。由图3可以看出,同一剪切速率下,在25、35、45℃的温度条件下,随着剪切时间的增大,黑蒜饮料黏度不变;在55℃和65℃的温度条件下,随着剪切时间的增大,黏度有逐渐降低的趋势。

图2 不同温度下黏度与剪切速率关系Fig.2 Effect of shear rate on viscosity at different temperatures

图3 不同温度下黏度与剪切时间关系Fig.3 Effect of time on viscosity at different temperatures

根据国内外学者研究的参考文献,温度对流体表观黏度的影响可以用阿累尼乌斯指数方程(Arrhenius)来表示:

η=K0exp(Ea/R/R)

式(2)

将方程两边取对数[13],得到:

式(3)

式中,K0-常数;Ea-流体活化能(KJ/kmol);R-气体常数(8.314KJ/kmol·K);T-绝对温度(K)。由式(3)可以看出,lnη与T-1存在线性关系。

黑蒜饮料黏度随温度的变化曲线见图4:

图4 不同温度下黑蒜饮料黏度变化图Fig.4 Viscosity of black garlic beverage at different temperature

由图4可以看出,随着温度的升高,饮料的黏度呈现出急剧下降的趋势。分析原因可能有如下情况:一是温度升高,破坏了饮料中胶体形成的稳定体系,出现了饮料分层和黏度降低的现象;另一方面,随着温度的升高,饮料体系中分子的能量增大,分子间的聚合机率降低,从而使有效容积率降低,黏度也随之下降[14]。

对图4进行回归分析,结果见表2。

由表2可知,线性方程的相关性系数R2>0.99,说明Arrhenius方程能够很好的反映温度对黑蒜饮料黏度的影响。在实际生产澄清型黑蒜饮料时,可以用上述模型对加工及运输过程中产品黏度的确定进行指导。

表2 黑蒜饮料的Arrhenius方程参数

3 结论

在不同温度和不同剪切速率的条件下,研究黑蒜饮料的流变特性。研究发现,黑蒜饮料的流变特性与温度有关。通过对幂律方程的拟合情况可以看出,在45℃及其以下温度条件下,n值接近于1,这说明黑蒜饮料为牛顿流体;在55℃和65℃的温度条件下,n值均大于1,说明黑蒜饮料为非牛顿型流体,且为胀塑性流体。

黑蒜饮料温度对黏度的影响通过变形可以用Arrhenius方程来表示,因此,该方程可以为黑蒜饮料的生产和运输提供理论参考。

据国内外研究发现,针对澄清型果蔬汁饮料的流变特性研究众多,但没有涉及到黑蒜饮料的研究。参照文献方法可知,本研究对澄清型黑蒜饮料有效可行,对于浑浊型饮料的适用性还有待研究。

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Study on rheological properties of the clarified black garlic beverage

LI Xin,LIU Rui,ZHANG Min*,WANG Yue-meng

(College of Food Engineering and Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

DV-Ⅲ+type rheometer was used to study the rheological characteristics of clarified black garlic beverage at different temperatures(25,35,45,55℃ and 65℃)in this article. The results showed that rheological curves of black garlic beverage were straight lines through the origin at 25,35℃ and 45℃ and fitting parameter n was approximately equal to 1.While the rheological curves were concave downward curves through the origin at 55℃ and 65℃ and fitting parameter n was greater than 1.The results showed that the black garlic beverage belongs to Newtonian fluid at 25 to 45 degrees Celsius and dilatant fluid at 55 and 65 degrees Celsius. At the same time,the changes of viscosity of clarified black garlic beverage at different temperatures can be used to predict the actual manufacturing process and provide theoretical guidance according to the outcomes of fitting of η=K0exp(Ea/RT).

black garlic beverage;rheological properties;viscosity;temperature

2014-05-28

李鑫(1989-),女,硕士研究生,主要从事食品营养与食品添加剂方向。

*通讯作者:张民(1972-),男,博士,教授,研究方向:食品营养与食品化学。

十二五国家科技支撑计划重点项目课题(2012BAD33B08)。

TS275.5

A

1002-0306(2015)07-0132-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.07.019