慕薩萊思熬煮液流變學(xué)特性分析

朱麗霞，王 強(qiáng)

（塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300；南疆特色農(nóng)產(chǎn)品加工兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾843300）

果汁的流變學(xué)特性是果汁加工重要特性之一，其中粘度為加工設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性物性參數(shù)[1]?；诩羟袘?yīng)力與剪切速率相互關(guān)系，能精準(zhǔn)反應(yīng)流體特性的數(shù)學(xué)模型有阿累尼烏斯方程，指數(shù)方程，冪函數(shù)等，且這些模型參數(shù)值隨著果汁種類，果汁濃度，溫度等不同而具有很大不同[1-6]。新疆慕薩萊思作為新疆民族傳統(tǒng)飲品，以其獨(dú)特的工藝與獨(dú)有且突出的典型品質(zhì)，集地域特色，民族特色和文化特色等為一體，逐漸成為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新型行業(yè)，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具潛力的資源之一。隨著市場的推動(dòng)，地方政府的扶持，產(chǎn)學(xué)研的技術(shù)支撐，慕薩萊思發(fā)展迎來歷史上的黃金階段，目前慕薩萊思發(fā)展處于傳統(tǒng)加工與規(guī)?；a(chǎn)的交替階段，傳統(tǒng)工藝作坊式的生產(chǎn)表現(xiàn)出不能滿足規(guī)?；纳a(chǎn)需求的先天性缺陷，各個(gè)廠家進(jìn)行擴(kuò)大生產(chǎn)，仿照葡萄酒釀造行業(yè)的工藝流程與設(shè)備進(jìn)行傳統(tǒng)慕薩萊思行業(yè)的工藝與設(shè)備改造，缺乏科學(xué)理論支撐，導(dǎo)致規(guī)?；a(chǎn)弱化或喪失傳統(tǒng)慕薩萊思優(yōu)質(zhì)典型品質(zhì)[7]。本研究主要分析慕薩萊思加工熬煮過程中熬煮液流變學(xué)特性，分析溫度對粘度的影響，濃度對粘度的影響及其兩者的綜合影響，為慕薩萊思工藝改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

地方葡萄：和田紅葡萄 市售。

手持糖度儀TZ-62 福建省泉州光學(xué)儀器廠；榨汁機(jī)LZ-0.5 正廣螺旋壓榨機(jī)；流變儀 美國Brook field，R/S+-CC；恒溫水浴 Brook field TC-602。

1.2 慕薩萊思熬煮液的準(zhǔn)備流程及取樣點(diǎn)設(shè)置

和田紅葡萄→清洗、瀝干→榨汁→皮渣→加水（料∶水，1∶3）→熬煮1h左右（常壓、鋁鍋，沸騰，溫度約92℃）→過濾→濾液與原葡萄汁混合→熬煮（常壓、鋁鍋，沸騰，溫度約92℃）。

在皮渣熬煮中，取10°Brix、15°Brix，在混合熬煮中，取20°Brix、25°Brix的熬煮液，進(jìn)行-23℃凍藏、備用。

1.3 慕薩萊思熬煮液粘度測定

通過溫控系統(tǒng)設(shè)定溫度梯度為15、25、35、45、55℃，剪切率范圍設(shè)置50～1000s-1。將上述參數(shù)設(shè)定之后，將濃度為20°Brix慕薩萊思熬煮液進(jìn)行測量剪切應(yīng)力的變化。

1.4 溫度、濃度對粘度的影響

對10、15、20和25°Brix慕薩萊思熬煮液，從低濃度到高濃度逐個(gè)測定在5、25、35、45、55℃溫度下的粘度，剪切速率設(shè)置300s-1。每次測量結(jié)束后用蒸餾水沖洗，并相應(yīng)汁液潤洗，重復(fù)上述操作3次取平均值。

測量注意事項(xiàng)：將四種濃度的熬煮液融化，各取30m L左右，用紗布粗過濾除去殘留的果籽，防止干擾粘度測量。將熬煮液倒入轉(zhuǎn)子中，將轉(zhuǎn)子固定在流變儀上，保持與流變儀垂直。

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件

博勒飛流變儀自帶分析軟件及M ircorsoft 2007 Excel。

2 結(jié)果與分析

2.1 慕薩萊思熬煮液流體特性確定

以濃度為20°Brix的熬煮液剪切應(yīng)力與剪切率在不同溫度下的關(guān)系為例，根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，慕薩萊思熬煮液在不同溫度下剪切速率（D）與剪切應(yīng)力（τ）之間呈線性關(guān)系（圖1），液體所受到的剪切應(yīng)力與剪切速率成正比，其比例系數(shù)就是粘度η。因此，熬煮液在試驗(yàn)溫度下剪切應(yīng)力（τ）與剪切速率（D）適合于牛頓粘性定律：η=τ/D，即，熬煮液在所測濃度下都表現(xiàn)為牛頓流體。

圖1 葡萄汁熬煮液（20°Brix）流變學(xué)曲線Fig.1 Rheological curve of the boiled grape juice（20°Brix）

2.2 溫度對流變學(xué)特性的影響

圖2 溫度對葡萄汁熬煮液粘度的影響Fig.2 Effect of temperature on viscosity of boiled grape juice with increasing concentration

根據(jù)不同濃度的熬煮液在不同溫度下的粘度變化（見圖2），可知隨著溫度的升高發(fā)酵液粘度逐漸降低，其下降速率與溫度和濃度有關(guān)。低濃度的熬煮液受溫度的影響較小，熬煮液濃度逐漸增大受到溫度的影響也越來越大（見表1）。

表1 不同濃度葡萄汁熬煮液粘度差Table1 The difference of viscosities of boiled grape juice under different concentration

溫度對粘度的影響可以用阿累尼烏斯方程（Arrhenius方程）來表示：

式（1）中η為黏度，單位為Pa·s；k0為常數(shù)，單位Pa·s；Ea為流體活化能，單位為J/mol；R為氣體常數(shù)（8.351K/mol）；T為絕對溫度，單位K。可以將式（1）轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)式（2）作圖得圖3，從圖3中可以看出lnη與1/T成線性關(guān)系。

圖3 溫度對葡萄汁熬煮液粘度的影響Fig.3 The effect of boiled grape juice with increasing temperature on the viscosity

按不同的濃度得出線性方程如表2：

表2 不同濃度下的粘度與溫度的線性方程Table2 The line equations between viscosity and temperature associated with different°Brix

方程中的相關(guān)系數(shù)R2≥0.9926，說明方程式能很好的反應(yīng)1/T對熬煮液粘度lnη的影響

圖3中的斜率表示Ea/R，截距表示ln（K0）。不同濃度熬煮液的流動(dòng)活化能（Ea）與頻率因子K0的數(shù)值進(jìn)行分析總結(jié)（見表2），得到流動(dòng)活化能（Ea）隨著熬煮液濃度的上升而增加，頻率因子（K0）隨著濃度上升而減小。熬煮液活化能與頻率因子存在一定補(bǔ)償關(guān)系。

表3 不同溫度下熬煮液的流動(dòng)活化能（Ea）與頻率因子（K0）Table3 The active energy（E）a and frequency factors of boiled grape juice under different temperature（K0）

2.3 濃度對流變學(xué)特性的影響

牛頓流體的濃度與粘度成指數(shù)關(guān)系形式：

k1、A1為常數(shù)，C為以°Brix示的熬煮液濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 濃度對葡萄汁熬煮液粘度的影響Fig.4 The effectof boiled grape juice with different increasing concentration on the viscosity

由圖4可知各個(gè)曲線指數(shù)函數(shù)關(guān)系其變化指數(shù)數(shù)學(xué)模型見表4。

表4 不同溫度下粘度與濃度的指數(shù)方程Table4 The exponential equations between concentration and viscosity associated with different temperatures

2.4 溫度、濃度對流變學(xué)特性的綜合影響

根據(jù)表3制作流動(dòng)活化能Ea和頻率因子K0與濃度之間C之間的關(guān)系圖（圖5與圖6），并得出擬合方程。熬煮液活化能和頻率因子與濃度之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系形式，關(guān)系式為：

將方程（4）和（5）式的指數(shù)方程代入（1）式中經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得出以下綜合方程：

圖5 葡萄汁熬煮液濃度C對活化能Ea的影響Fig.5 The effectof concentration（C）of boiled grape juice on the active energy（Ea）

圖6 濃度C對頻率因子K0的影響Fig.6 The effectof concentration（C）of boiled grape juice on the frequency factor（K0）

3 討論

本論文首次對慕薩萊思釀造關(guān)鍵工序—熬煮工序中葡萄熬煮液的流變學(xué)特性進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在詳細(xì)了解慕薩萊思傳統(tǒng)與現(xiàn)代工藝基礎(chǔ)上，將熬煮程度確定為10～25°Brix。將溫度范圍確定為15～55℃。在此基礎(chǔ)上得到的流體力學(xué)特性，將為慕薩萊思熬煮設(shè)備選型，熬煮液的管道運(yùn)輸，乃至自動(dòng)化控制等現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，在果汁加工中，不論是濃縮汁[1-6]，還是澄清汁[8-9]，溫度與組分濃度對流體的影響均表現(xiàn)為牛頓流體特性。在特定濃度下，隨著溫度的升高，熬煮液粘度降低，而在特定溫度下，隨著濃度的增加，葡萄熬煮液粘度增加，濃度上升粘度增大[1-10]。本試驗(yàn)中，濃度范圍介于澄清汁與濃縮汁之間，同樣表現(xiàn)為上述規(guī)律特性。參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]，分析原因，前者可能是隨著溫度升高，液體體積膨脹，使單位體積密度減小分子數(shù)降低導(dǎo)致粘度降低；溫度升高，使分子運(yùn)動(dòng)劇烈，分子間作用力減小，導(dǎo)致粘度降低。后者原因可能為熬煮液濃度增加液體中固形物的濃度隨之上升導(dǎo)致粘度增大；熬煮液主要組分濃度增加，各類分子之間的距離減小，相互之間作用力增大使粘度變大；各組分濃度增加密度增大導(dǎo)致粘度變大；溶液中懸浮著葡萄榨汁后的殘留物，隨著溶液濃縮，單位含量增加使液體粘度變大

4 結(jié)論

4.1 在15～55℃下，濃度為10～25°Brix慕薩萊思熬煮液的流變學(xué)特性表現(xiàn)為牛頓型流體。

4.2 在15～55℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，慕薩萊思熬煮液的粘度降低；在10～25°Brix范圍內(nèi)，隨著其濃度的增大，熬煮液粘度也逐漸增加。

4.3 在測試濃度范圍內(nèi)，溫度對其粘度的影響可用阿累尼烏斯方程η=K0exp（Ea/RT）表示；在測試溫度范圍內(nèi)，濃度對其粘度的影響可用指數(shù)方程η=Kexp（AC）表示。

4.4 建立了溫度和濃度對薩萊思加工中葡萄熬煮液粘度影響的綜合性方程：η=3.3×10-7e-0.0237Ce19914e0.0056C/RT，在溫度為15～55℃，濃度為10～25°Brix，該方程可用于預(yù)測一定溫度和濃度范圍內(nèi)慕薩萊思熬煮液的粘度，為慕薩萊思的加工提供理論參考。

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