濃縮石榴汁流變特性研究

趙武奇，王曉琴，王 茜，鄭煬子，路上云

(陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710062)

濃縮石榴汁流變特性研究

趙武奇，王曉琴，王 茜，鄭煬子，路上云

(陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710062)

研究了不同濃度的石榴汁在不同溫度下的流變特性。結(jié)果表明:在實驗范圍內(nèi)，石榴汁表現(xiàn)為脹塑性流體，通過回歸分析，溫度對表觀粘度的影響可以用Arrhenius方程表示，濃度對表觀粘度的影響可以用指數(shù)方程更好地表示，并推導(dǎo)出溫度和濃度對表觀粘度綜合影響的方程式。該方程的建立可以用來預(yù)測實際加工過程中一定溫度和濃度時石榴汁的表觀粘度。

石榴汁，流變特性，表觀粘度，脹塑性流體

我國擁有豐富的石榴資源，據(jù)不完全統(tǒng)計全國石榴種植總面積共約120萬畝，年產(chǎn)量約100萬t，居世界第一位［1］。目前，我國石榴資源開發(fā)的重點是生產(chǎn)石榴汁、酒以及營養(yǎng)保健品［2］。石榴汁中含有豐富的對人體有益物質(zhì)，如維生素、類黃酮、氨基酸、礦物質(zhì)、鞣花酸、脂肪酸和多酚等，具有延緩衰老、抗癌、抑制突變、改善視力、美容，預(yù)防心臟病和抗艾滋病等作用［3］。近年來隨著國際市場上石榴汁需求的增加及價格上漲，我國一些濃縮果汁加工企業(yè)也開始探索濃縮石榴汁的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。濃縮石榴汁行業(yè)是一個極具發(fā)展?jié)摿Φ某柈a(chǎn)業(yè)。流變學(xué)是研究物質(zhì)的流動和變形的科學(xué)。通過對食品流變性質(zhì)的研究，可以了解食品的質(zhì)量、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分子形態(tài)等，為產(chǎn)品配方、工藝設(shè)計、質(zhì)量評定、傳熱及蒸發(fā)設(shè)備的設(shè)計、泵及混合機械功率的確定等提供依據(jù)［4］。目前在果汁流變特性方面，國內(nèi)外主要研究了澄清蘋果汁［5］、濃縮葡萄汁［6］、山楂汁［7］、獼猴桃汁［8］、芒果汁［4］、柚子汁、桃汁、番石榴汁、腰果汁、櫻桃汁等［9］的流變特性。而現(xiàn)階段國內(nèi)發(fā)展前景看好的濃縮石榴汁的流變特性的研究尚未見報道，本文對不同濃度的石榴汁在一定溫度范圍內(nèi)的流變特性進行研究，為石榴汁的工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

石榴汁 西安市臨潼區(qū)代王鎮(zhèn)凈皮甜石榴，果實達(dá)到正常采收成熟度，原料經(jīng)過清洗、去皮、切分、榨汁、過濾后得到石榴汁。

WYT手持折射儀(0%～80%) 成都興晨光光學(xué)儀器有限公司;RE－52型旋轉(zhuǎn)式蒸發(fā)器 上海安亭實驗儀器有限公司;AR—G2型流變儀 美國TA公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 用旋轉(zhuǎn)式蒸發(fā)器將石榴汁濃縮到60%，備用。

1.2.2 實驗方法 將濃縮石榴汁用蒸餾水分別稀釋到10%、20%、30%、40%、50%、60%，選用同心圓筒，用流變儀分別測定不同濃度的石榴汁在10、20、30、40、50、60、70、80、90℃時的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系。

1.3 統(tǒng)計分析

采用 Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 石榴汁的流變類型的確定

圖1～圖3分別是濃度為20%、40%和60%的石榴汁在溫度為20、40、60、80℃下的流變曲線?？梢钥闯觯髯兦€通過坐標(biāo)原點，所以剪切應(yīng)力τ和剪切速率D的關(guān)系可以用冪函數(shù)τ=kDn表示，式中k和n都是常數(shù);n稱為流態(tài)特性常數(shù);k稱為濃度系數(shù)。當(dāng)n＞1時，液體為脹塑性流體;當(dāng)n＜1時，液體為假塑性流體，當(dāng)n=1時，液體為牛頓流體。對圖1～圖3的數(shù)據(jù)按冪函數(shù)模型進行回歸分析，結(jié)果見表1。由表1看出，冪函數(shù)模型對流變曲線的擬合程度較高，均大于0.98，且所得流態(tài)特性常數(shù)n均大于1，說明石榴汁屬于脹塑性流體。

圖1 濃度為20%的石榴汁在不同溫度下的流變曲線Fig.1 Rheological curves of pomegranate juice at20%concentrations for different temperature

圖2 濃度為40%的石榴汁在不同溫度下的流變曲線Fig.2 Rheological curves of pomegranate juice at 40%concentrations for different temperature

圖3 濃度為60%的石榴汁在不同溫度下的流變曲線Fig.3 Rheological curves of pomegranate juice at60%concentrations for different temperature

2.2 溫度和濃度對石榴汁表觀粘度的影響

在剪切速率631S－1下，測定濃度分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%的石榴汁在10、20、30、40、50、60、70、80、90℃時的表觀粘度，得出溫度、濃度對石榴汁表觀粘度的影響，結(jié)果見表2。

表1 流變曲線對冪律模型的擬合結(jié)果Table 1 Fitting result of rheograms to power law equation

表2 溫度和濃度對石榴汁表觀粘度的綜合影響(mPa·s)Table 2 Combined effects of temperature and concentration on the apparent viscosity of pomegranate juice(mPa·s)

由表2可知，隨著溫度的升高，石榴汁的表觀粘度降低;隨著濃度升高，表觀粘度升高。在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，我們可以調(diào)節(jié)溫度和濃度來改變果汁的流動特性，這對于工業(yè)化生產(chǎn)過程中諸如混合、泵送、蒸發(fā)、加熱殺菌和灌裝等一系列操作都有重要意義。

2.3 溫度對石榴汁表觀粘度的影響

圖4是濃度分別為30%、40%、50%及60%的石榴汁的表觀粘度隨溫度的變化曲線，從圖4中可以看出，隨著溫度升高表觀粘度下降。濃度不同，表觀粘度隨溫度的變化速率也不一樣，溫度對表觀粘度的影響在高濃度時比在低濃度時大，即濃度高的石榴汁的表觀粘度更容易受溫度的影響。溫度對流體的粘度的影響可能有如下原因:一方面溫度升高時，液體體積增大，相同液體體積中分子數(shù)減少，從而使粘度降低;另一方面溫度升高，促進了分子運動，分子的能量增大，分子間的凝聚機會降低，分子間作用力減弱，流動時內(nèi)摩擦力減少，導(dǎo)致粘度下降。

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究，溫度對流體表觀粘度的影響可以用阿累尼烏斯指數(shù)方程(Arrhenius)來表示［10］:

式中η為表觀粘度(Pa·s)，K0為頻率因子(常數(shù))，Ea為流動活化能(J/mol)，R為氣體常數(shù)(8.315J/(K·mol))，T為絕對溫度(K)。

式1可轉(zhuǎn)化為:

表5 濃度為10%～40%石榴汁的表觀粘度(η)與濃度(C)的冪函數(shù)擬合式與指數(shù)函數(shù)擬合式Table 5 Fitting result of apparent viscosity to concentrations based on power function and exoponential function for pomegranate juice at10%～40%concentrations

表6 濃度為40%～60%石榴汁的表觀粘度(η)與濃度(C)的冪函數(shù)擬合式與指數(shù)函數(shù)擬合式Table 6 Fitting result of apparent viscosity to concentrations based on power function and exoponential function for pomegranate juice at40%～60%concentrations

圖4 溫度對不同濃度石榴汁的表觀粘度的影響Fig.4 Effect of temperature on apparent viscosity at different pomegranate juice concentrations

利用lnη對1/T進行線性回歸分析，結(jié)果見表3。表中y表示lnη，x表示1/T，可以看出決定系數(shù)R2均大于0.99，ln(η)與1/T線性擬合度好;斜率隨濃度的增大而增大，截距隨濃度的增大而減小，方程中的斜率表示Ea/R，截距表示ln(K0)。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可計算出石榴汁的流動活化能(Ea)與頻率因子(K0)的數(shù)值，結(jié)果見表4。

表3 不同濃度石榴汁ln(η)與1/T的線性方程Table 3 Linear equation between ln(η)and 1/T for pomegranate juice at various concentrations

表4 不同濃度下的活化能(Ea)與頻率因子Table 4 Activation energy and constant in arrhenius equation at various

由表4可知，流動活化能(Ea)隨石榴汁濃度的增加而增大，頻率因子(K0)隨石榴汁濃度的增加而減小，說明流動活化能與頻率因子之間存在一定補償關(guān)系。因此，在運輸過程中可通過改變溫度來改變果汁的流動性。

2.4 濃度對石榴汁表觀粘度的影響

濃度對表觀粘度的影響可表示成以下2種數(shù)學(xué)模型［10］:

式中:A1、A2、k1、k2均為常數(shù)，C為石榴汁的濃度。

圖5為石榴汁的表觀粘度隨濃度的變化曲線。從圖5中可以看出，隨著濃度升高，表觀粘度增大;而且當(dāng)濃度大于40%時，曲線的斜率明顯變化。分別對10%～40%范圍和40%～60%范圍的數(shù)據(jù)進行冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的擬合。結(jié)果分別見表5和表6。

圖5 濃度對不同溫度的石榴汁表觀粘度的影響Fig.5 Effect of concentrations on apparent viscosity at different pomegranate juice temperature

由表5和表6可以看出，指數(shù)函數(shù)的擬合結(jié)果好于冪函數(shù)的擬合結(jié)果，指數(shù)函數(shù)能更好的表達(dá)濃度對表觀粘度的影響。

2.5 溫度和濃度對石榴汁表觀粘度的綜合影響

分別作石榴汁的流動活化能(Ea)與濃度(C)的關(guān)系圖6和頻率因子(K0)與濃度(C)的關(guān)系圖7，并對二者進行指數(shù)趨勢分析。

圖6、圖7中的決定系數(shù)R2值都較高，將圖中擬合得出的Ea和K0帶入阿累尼烏斯方程η=k0exp (Ea/RT)，最終得出溫度和濃度對石榴汁表觀粘度影響的綜合方程:

圖6 石榴汁的濃度對流動活化能的影響Fig.6 Influence of pomegranate juice concentration on activation energy

圖7 石榴汁的濃度對頻率因子的影響Fig.7 Influence of pomegranate juice concentration on the proportionality constant

3 結(jié)論

在本文所研究的溫度和濃度范圍內(nèi)，石榴汁表現(xiàn)為脹塑性型流體，其流變特性可用冪函數(shù)表示。

在濃度一定的條件下，溫度對表觀粘度的影響可以用阿累尼烏斯指數(shù)方程表示;在溫度一定的條件下，濃度對其表觀粘度的影響可以用指數(shù)方程表示。

不同溫度下，不同濃度石榴汁的表觀粘度變化可以用綜合方程 η=0.0009e－0.1011cexp(5155.7e0.0261c/ RT)來表示。該方程可用于預(yù)測一定溫度和濃度范圍內(nèi)石榴汁的表觀粘度，為石榴汁的加工和運輸提供理論參考。

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The rheological behavior of concentrated pomegranate juice

ZHAO W u－qi，WANG Xiao－qin，WANG Qian，ZHENG Yang－zi，LU Shang－yun
(College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)

The rheological behavior of pom eg ranate juice was determ ined at d ifferent tem peratures and concentrations.The experimental results showed that pomegranate juice was dilatant fluid.By regression analysis，the effectof tem perature on apparentviscosity could be described by an Arrhenius type equation，and the effec tof concentration on apparent viscosity could be better desc ribed by an index type equation.Finally，an equation desc ribing the combined effect of tem perature and concentration on apparent viscosity of pomeg ranate juice was ob tained and the equation could be used to p red ic t apparent viscosities of pomeg ranate juice p rocessed at different tem peratures and concentrations.

pom eg ranate juice;rheologicalbehavior;apparent viscosity;d ilatant fluid

TS255.44

A

1002－0306(2012)12－0169－04

2011－10－10

趙武奇(1965－)，男，博士，副教授，研究方向:食品加工新技術(shù)。

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2011JM3011);國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目(101071821)。