澄清型黑蒜飲料的流變特性研究

李 鑫,劉 銳,張 民,王躍猛

(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

澄清型黑蒜飲料的流變特性研究

李 鑫,劉 銳,張 民*,王躍猛

(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

本文通過采用DV-Ⅲ+型數字流變儀測定了不同溫度條件下澄清型黑蒜飲料的流變特性。通過對擬合方程和所得參數的研究發現,在25、35、45℃的溫度條件下,黑蒜飲料的流變曲線為一條過原點的直線,對曲線的擬合參數n值接近1,近似為牛頓流體類型;而在55℃和65℃的溫度條件下,黑蒜飲料的流變曲線為一條過原點向下凹的曲線,對曲線的擬合參數n值大于1,符合脹塑性流體類型的特征。同時,在不同溫度下測定了黑蒜飲料黏度的變化,通過Arrehenius方程η=K0exp(Ea/RT)相關變化進行擬合,可用來預測實際加工過程中澄清型黑蒜飲料溫度對黏度的影響,為其加工生產提供理論指導。

澄清型黑蒜飲料,流變特性,黏度,溫度

黑蒜是將大蒜精選、高溫高濕處理加工而成的[1]。黑蒜與大蒜相比,水分、脂肪等有顯著的降低,微量元素有顯著提高,其中,最高的微量元素為鉀,其次為鎂、鈉、鈣、鐵和鋅,對維持人體生命活動具有重要意義。這些都是人體不可缺少的營養成分。而蛋白質、糖分、維生素等物質的含量至少是大蒜的2倍。作為美味成分的氨基酸,黑蒜中的含量更是比普通的大蒜增加了2.5倍[2]。而且,黑蒜具有殺菌、防治流感,調節血糖和膽固醇水平,促進糖尿病康復,調節血壓和血脂,改善便秘、失眠和較好的抗癌、預防血管老化、提高免疫力等作用[3-4]。將黑蒜加工成飲料可以使其營養物質更好的被吸收和利用。

食品流變學研究的對象是食品物質。現階段,國內外對于食品流變特性的研究不斷深入,因為流變特性可以更好的用于產品的實際生產[5]。流變學指標在黑蒜飲料評價中的實際意義主要體現在可以改善黑蒜飲料及其它以黑蒜汁為中間產品的黑蒜制品的生產工藝,控制黑蒜飲料的品質,評價黑蒜飲料優劣程度(尤其在感官上),提高產品的穩定性等方面。

鑒于黑蒜豐富的營養成分及重要的生物功能,研發出營養可口的黑蒜飲料便成為黑蒜加工產業中的重要課題。黑蒜的營養成分在高溫下會遭到破壞且產生不易被接受的氣味兒,因此在飲料的研發過程中需要注意控制溫度。在國內外暫時沒有發現對黑蒜飲料流變特性的研究,這就預示著黑蒜飲料的流變學研究具有重要意義,主要體現在對改進黑蒜飲料的加工工藝、指導生產和改善品質等方面。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

澄清型黑蒜飲料(實驗室自制,主要工藝包括打漿、過濾、配料和滅菌)。相關理化性質如下:pH為4.2,可溶性固形物含量(Brix%)為10.8,總酸含量為0.4%,脂肪含量為0,蛋白質含量為0.53%。

DV-Ⅲ+型數字流變儀 Brookfield工程實驗室;循環水式水浴鍋 鄭州長城科工貿有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 黑蒜飲料流體類型的研究 分別測定25、35、45、55、65℃ 5個溫度梯度下黑蒜飲料剪切應力隨剪切速率的變化,得到飲料流動特性曲線。

1.2.2 溫度對飲料黏度的影響 分別測定黑蒜飲料在25、35、45、55、65℃ 5個溫度梯度下黏度隨剪切速率的變化和同一剪切速率下黏度隨剪切時間的變化,分析溫度對黑蒜飲料黏度的影響。

1.2.3 實驗數據處理 實驗數據利用Origin8.5進行處理得到。

2 結果與討論

2.1 黑蒜飲料流體類型

分別在25、35、45、55和65℃的溫度條件下,以剪切速率為橫坐標,剪切應力為縱坐標作關系曲線圖,如圖2:

由圖1可以看出,黑蒜飲料在25、35℃和45℃三個溫度條件下,隨著剪切速率的增大,剪切應力也隨之增大。剪切應力與剪切速率呈線性變化,即流體所受到的剪切應力與剪切速率成正比,且曲線過原點,符合牛頓流體的特征[6]。而55℃和65℃兩個溫度條件下,隨著剪切速率的增加,剪切應力也不斷增加,但是增加趨勢逐漸變大,整體看來,流變曲線為一條過原點向下凹的曲線,有脹塑性流體的特征[7-9]。

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

為了驗證由圖直觀得到的黑蒜飲料在不同溫度下的流變類型,可以采用冪律方程對黑蒜飲料在不同溫度下的流變曲線進行擬合[10-11]。

冪律方程如圖3:

ι=KDn

式(1)

式中,τ-剪切應力(N/m2);K-黏度系數(Pa·s);D-剪切速率(s-1);n-流動指數。n=1對應于牛頓流體,其流變曲線為一條過原點的直線;01對應于剪切稠化,為脹塑性流體,其流變曲線為一條過原點向下凹的曲線。

通過冪律方程對流變曲線的擬合得到相關參數,進一步確定黑蒜飲料的流體類型。相關系數R表示方程的擬合精度,其值越高,表示擬合精度越高、效果越好[12]。擬合結果見表1。

表1 黑蒜飲料流體類型冪律方程參數及擬合情況

由表1的擬合結果顯示,黑蒜飲料在25、35℃和45℃的溫度條件下,n值接近1,冪律方程可以表示為τ=KD,符合牛頓流體的流變學方程,且由圖1也可看出,流變特性曲線為一條過原點的直線,可知,在45℃及其以下的溫度范圍中,黑蒜飲料屬于牛頓流體類型。但在55℃和65℃的溫度條件下,n值大于1,結合冪律方程τ=KDn可知,n>1對應于剪切稠化,為脹塑性流體,結合圖1,黑蒜飲料在這兩個溫度條件下屬于典型的脹塑性流體類型。

綜上所述,在溫度逐漸升高的過程中,黑蒜飲料的流體類型逐漸從牛頓流體偏離到脹塑性流體。擬合結果R2>0.98,說明擬合效果好且已達到較高水平。

2.2 溫度對飲料黏度的影響

分別在25、35、45、55和65℃的溫度下,以剪切速率為橫坐標,黏度為縱坐標作關系曲線圖,如圖2。

設定轉速為200r/min,分別在25、35、45、55℃和65℃的溫度下測定黏度隨剪切時間的變化,以剪切時間為橫坐標,黏度為縱坐標作關系曲線圖,如圖3。

由圖2可以看出,在25、35、45℃的溫度條件下,黏度隨剪切速率變化不大,只有輕微波動,說明在這三個溫度條件下,黏度不隨剪切速率的變化而變化,而是只與溫度有關,溫度越高,黏度越小。但在55℃和65℃的溫度條件下,在較低剪切速率下黏度沒有明顯變化,而較高剪切速率下,黏度隨剪切速率的增加而增大。溫度越高,黏度隨剪切速率變化的越明顯。由圖3可以看出,同一剪切速率下,在25、35、45℃的溫度條件下,隨著剪切時間的增大,黑蒜飲料黏度不變;在55℃和65℃的溫度條件下,隨著剪切時間的增大,黏度有逐漸降低的趨勢。

圖2 不同溫度下黏度與剪切速率關系Fig.2 Effect of shear rate on viscosity at different temperatures

圖3 不同溫度下黏度與剪切時間關系Fig.3 Effect of time on viscosity at different temperatures

根據國內外學者研究的參考文獻,溫度對流體表觀黏度的影響可以用阿累尼烏斯指數方程(Arrhenius)來表示:

η=K0exp(Ea/R/R)

式(2)

將方程兩邊取對數[13],得到:

式(3)

式中,K0-常數;Ea-流體活化能(KJ/kmol);R-氣體常數(8.314KJ/kmol·K);T-絕對溫度(K)。由式(3)可以看出,lnη與T-1存在線性關系。

黑蒜飲料黏度隨溫度的變化曲線見圖4:

圖4 不同溫度下黑蒜飲料黏度變化圖Fig.4 Viscosity of black garlic beverage at different temperature

由圖4可以看出,隨著溫度的升高,飲料的黏度呈現出急劇下降的趨勢。分析原因可能有如下情況:一是溫度升高,破壞了飲料中膠體形成的穩定體系,出現了飲料分層和黏度降低的現象;另一方面,隨著溫度的升高,飲料體系中分子的能量增大,分子間的聚合機率降低,從而使有效容積率降低,黏度也隨之下降[14]。

對圖4進行回歸分析,結果見表2。

由表2可知,線性方程的相關性系數R2>0.99,說明Arrhenius方程能夠很好的反映溫度對黑蒜飲料黏度的影響。在實際生產澄清型黑蒜飲料時,可以用上述模型對加工及運輸過程中產品黏度的確定進行指導。

表2 黑蒜飲料的Arrhenius方程參數

3 結論

在不同溫度和不同剪切速率的條件下,研究黑蒜飲料的流變特性。研究發現,黑蒜飲料的流變特性與溫度有關。通過對冪律方程的擬合情況可以看出,在45℃及其以下溫度條件下,n值接近于1,這說明黑蒜飲料為牛頓流體;在55℃和65℃的溫度條件下,n值均大于1,說明黑蒜飲料為非牛頓型流體,且為脹塑性流體。

黑蒜飲料溫度對黏度的影響通過變形可以用Arrhenius方程來表示,因此,該方程可以為黑蒜飲料的生產和運輸提供理論參考。

據國內外研究發現,針對澄清型果蔬汁飲料的流變特性研究眾多,但沒有涉及到黑蒜飲料的研究。參照文獻方法可知,本研究對澄清型黑蒜飲料有效可行,對于渾濁型飲料的適用性還有待研究。

[1]Ji S K,Kang O J,Gweon O C. Comparison of phenolic acids and flavonoids in black garlic at different thermal processing steps[J]. Journal of Functional Foods,2013,5(1):80-86.

[2]雷逢超,郝果,朱黎,等. 黑蒜的營養價值及保健作用的研究進展[J]. 食品工業科技,2012,33(13):429-432.

[3]Bahaa K A,Abel S. Immunomodulatory effects of black seeds and garlic on alloxan-induced Diabetes in albino rat[J]. Allergol Immunopathol(Madr),2012,40(6):336-400.

[4]Sang E B,Seung Y C,Yong D W,et al. Changes in S-allyl cysteine contents and physic chemical properties of black garlic during heat treatment[J]. LWT-Food Science and Technology,2014,55(1):397-402.

[5]Stephanie S P,Carlise B F,Isabella B Murioz,et al. Effects of the addition of microencapsulated Bifidobacterium BB-12 on the properties of frozen yogurt[J]. Journal of Food Engineering,2012,111(4):563-569.

[6]Duffy B R,David P,Stephen K W. The shear-driven Rayleigh problem for generalised Newtonian fluids[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,2014,206:11-17.

[7]Ohta T,Miyashita M. DNS and LES with an extended Smagorinsky model for wall turbulence in non-Newtonian viscous fluids[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,2014,206:29-39.

[8]Kefayati GH R. FDLBM simulation of magnetic field effect on natural convection of non-Newtonian power-law fluids in a linearly heated cavity[J]. Powder Technology,2014,256:87-99.

[9]Chai Z H,Shi B C,Guo Z l,et al. Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model for generalized Newtonian fluid flows[J].Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,2011,166(5-6):332-342.

[10]Castro W F,Cruz A G,Bisinoto M S,et al. Development of probiotic dairy beverages:rheological properties and application of mathematical models in sensory evaluation[J]. Journal of Dairy Science,2013,96(1):16-25.

[11]Teresa W,Mariusz W,Rafai Z. Effect of inulin and pectin on rheological and thermal properties of potato starch paste and gel[J]. Journal of Food Engineering,2014,124:72-79.

[12]Wal W,Wu P,Wang H,et al. Sea levels and uplift rate from composite rheology in glacial isostatic adjustment modeling[J]. Journal of Geodynamics,2010,50(1):38-48.

[13]Ahmed J,Shivhare U S,Raghavan G S V. Rheological characteristics and kinetics of colour degradation of green chilli puree[J]. Journal of Food Engineering,2000,44(4):239-244.

[14]涂宗財,陳劍兵,劉成梅,等. 帶果肉芹菜汁的流變特性研究[J]. 食品工業科技,2006,27(2):101-104.

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,碩士研究生,主要從事食品營養與食品添加劑方向。

*通訊作者:張民(1972-),男,博士,教授,研究方向:食品營養與食品化學。

十二五國家科技支撐計劃重點項目課題(2012BAD33B08)。

TS275.5

A

1002-0306(2015)07-0132-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.07.019