7種淀粉凝膠應(yīng)力松弛特性研究

張　斌,吳　強(qiáng),謝澤洋,孫蘭萍

(蚌埠學(xué)院生物與食品工程系,安徽蚌埠 233030)

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7種淀粉凝膠應(yīng)力松弛特性研究

張斌,吳強(qiáng),謝澤洋,孫蘭萍*

(蚌埠學(xué)院生物與食品工程系,安徽蚌埠 233030)

將7種淀粉采用相同方法制備出凝膠塊作為實(shí)驗(yàn)試樣,經(jīng)質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行壓縮和應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)得到流變學(xué)特性參數(shù)。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行非線性回歸擬合,建立了廣義Maxwell力學(xué)模型。結(jié)果表明:淀粉凝膠具有良好的壓縮黏彈性力學(xué)性質(zhì),五元件廣義Maxwell模型適用于模擬淀粉凝膠的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。通過(guò)主成分分析,應(yīng)力松弛參數(shù)可歸納為兩類,即凝膠粘彈特性和凝膠松弛時(shí)間。

淀粉凝膠,應(yīng)力松弛,主成分分析

淀粉是植物中最重要的碳水化合物,廣泛應(yīng)用于食品、紡織品、塑料等行業(yè)[1-2]。淀粉糊化后可形成凝膠,其凝膠特性對(duì)食品品質(zhì)的改善有著密切的關(guān)系[3-4]。例如,淀粉能有效地改善微波蛋糕的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),增強(qiáng)蛋糕的內(nèi)聚性,使其質(zhì)地綿軟細(xì)膩,氣孔均勻致密[5];淀粉還可以提高低溫乳化香腸保水保油性,改善其質(zhì)構(gòu)和感官品質(zhì)[6]。

目前,淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的評(píng)價(jià)采用TPA測(cè)試法居多[7-8],以硬度、強(qiáng)度、韌性和粘著性等為指標(biāo),而將應(yīng)力松弛方法應(yīng)用于淀粉凝膠特性評(píng)價(jià)尚未見(jiàn)報(bào)道。應(yīng)力松弛是指試樣瞬時(shí)變形后,在應(yīng)變量不變情況下,試樣內(nèi)部的應(yīng)力隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降的過(guò)程[9],其結(jié)果可以很好的反映出材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)成和粘彈性狀態(tài),在預(yù)測(cè)食品質(zhì)構(gòu)特性和口感品質(zhì)方面起到重要的作用[10]。研究采用英國(guó)TA.XT質(zhì)構(gòu)儀對(duì)食品工業(yè)中常用的7種淀粉制成的凝膠塊進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)研究,建立應(yīng)力松弛模型,獲得應(yīng)力松弛參數(shù),考察應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的變化規(guī)律,以便建立新的評(píng)價(jià)淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的方法,為合理地選擇利用各種淀粉提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

紅薯淀粉、玉米淀粉、小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、豌豆淀粉、綠豆淀粉、木薯淀粉食用級(jí),上海朗頓生物有限公司;NaCl 分析純無(wú)錫圣倫特國(guó)際貿(mào)易有限公司。

TA.XT Express型質(zhì)構(gòu)儀英國(guó)Stable Micro Systems公司;JK-800DB型數(shù)控超聲清洗器南京利爾實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司;HH-4型超級(jí)恒溫水浴鍋上海藍(lán)凱儀器儀表有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1樣品制備參考文獻(xiàn)[4]的方法制備出7種淀粉凝膠,用鋒利的刀具將其切成長(zhǎng)、寬、高為30 mm的凝膠塊作為測(cè)試試樣。

1.2.2力-變形曲線測(cè)定根據(jù)應(yīng)力松弛的定義,應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)需要在不破壞樣品的前提下進(jìn)行,對(duì)淀粉凝膠樣本瞬間施加一個(gè)固定應(yīng)力產(chǎn)生非破壞性形變,通過(guò)后續(xù)形變的恢復(fù)過(guò)程來(lái)分析淀粉凝膠內(nèi)部應(yīng)力變化的過(guò)程[8,11]。為獲得對(duì)全部凝膠樣本所施加的最大變形量,選取7種淀粉中凝膠彈性最差的樣本進(jìn)行縱向破壞性壓縮實(shí)驗(yàn),通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線找出試樣彈性變形范圍。

儀器參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[12]:測(cè)試模式measure fore in compression,P/5探頭(直徑5 mm),測(cè)試前速度2 mm/s,測(cè)試中速度0.8 mm/s,測(cè)試后速度0.8 mm/s,觸發(fā)力5 g,數(shù)據(jù)采集速率200 pps。

1.2.3應(yīng)力松弛曲線測(cè)定測(cè)試時(shí)保持變形量不變,測(cè)定試樣應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系,根據(jù)結(jié)果繪制出應(yīng)力松弛曲線,建立其流變學(xué)模型[12-13]。

儀器參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[14]:測(cè)試模式measure force in compression,探頭運(yùn)行程序hold until time,P/5探頭(直徑5 mm),測(cè)試前速度2 mm/s,測(cè)試中速度0.8 mm/s,測(cè)試后速度0.8 mm/s,樣品壓縮比維持在26%,保持時(shí)間60 s,觸發(fā)力5 g,數(shù)據(jù)采集速率200 pps。每個(gè)淀粉樣品做20組平行實(shí)驗(yàn)。

1.2.4數(shù)據(jù)處理通過(guò)統(tǒng)計(jì)軟件IBM SPSS Statistics 20.0 對(duì)實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2　結(jié)果與討論

2.1淀粉凝膠塊力-變形曲線特征

對(duì)7種不同種類淀粉的凝膠塊做縱向破壞性壓縮實(shí)驗(yàn)繪制力-變形特征曲線,研究表明,當(dāng)壓縮變形量在26%(壓縮5.2 mm)時(shí),7種淀粉的凝膠塊試樣均可繪制出一條近似直線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1),即此刻應(yīng)力與應(yīng)變是正比關(guān)系。故試樣變形量為26%時(shí),能夠保證所有的試樣都屬于彈性形變;而當(dāng)試樣變形量擴(kuò)大到30%(壓縮6 mm)時(shí),部分實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)塑性變形,應(yīng)力-應(yīng)變曲線也不再是一條直線狀態(tài)。因此,在淀粉凝膠應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)中各試樣的變形量以26%作為縱向壓縮量。

圖1　淀粉凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1　The curve of the pressure and deformation of starch gel

2.2淀粉凝膠塊應(yīng)力松弛特征

在以變形量26%作為縱向壓縮量進(jìn)行的淀粉凝膠塊應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線,可獲得如圖2的典型應(yīng)力松弛曲線。

圖2　淀粉凝膠應(yīng)力松弛曲線Fig.2　Stress relaxation cure of starch gel

由圖2可知,淀粉凝膠塊在某一固定縱向壓縮變形過(guò)程中,其應(yīng)力隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降,下降速度逐漸減慢,最后趨于平衡。這說(shuō)明淀粉凝膠塊作為一種高分子聚合物不但具有黏性而且具有彈性,是一種黏彈性材料。在給凝膠塊施加應(yīng)力的瞬間,即應(yīng)力松弛剛開(kāi)始階段,由于分子鏈中鏈角和鏈長(zhǎng)發(fā)生變化導(dǎo)致分子鏈構(gòu)象改變,而應(yīng)力松弛后期主要是相鄰分子鏈間的相互運(yùn)動(dòng)。前期變化反映了淀粉凝膠的儲(chǔ)能性能即彈性,后期變化反映了淀粉凝膠的黏性[9]。

2.3淀粉凝膠應(yīng)力松弛曲線的擬合

采用圖3所示的廣義麥克斯韋(Maxwell)模型對(duì)淀粉凝膠試樣的應(yīng)力松弛曲線進(jìn)行擬合[12，14-15],模型方程見(jiàn)(1),利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行非線性回歸分析得到擬合方程,分別使用三元件模型、五元件模型、七元件模型獲得的松弛階段擬合方程的模型參數(shù)如表1所示。

(1)

式中,σ(t):應(yīng)力松弛過(guò)程中任意時(shí)刻t時(shí)的應(yīng)力,MPa;t:應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)時(shí)間,s;ε0:壓縮變形量,%,ε0=26%;E0:平衡彈性模量,MPa;Ei:衰變彈性模量,MPa;τi:松弛時(shí)間,s;ηi:阻尼體粘滯系數(shù),MPa·s,ηi=Ei×τi。

圖3　廣義麥克斯韋模型Fig.3　Generalized Maxwell model表1　不同模型的擬合度比較Table 1　Comparison of different models of goodness of fit

模型三元件五元件七元件R20.934～0.9610.991～0.9970.998～0.999

由表1可知,七元件模型的擬合程度最高,其次是五元件模型,平均擬合度均大于0.95,都能夠很好的描述淀粉凝膠塊的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。為方便計(jì)算,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù),本實(shí)驗(yàn)采用五元件模型來(lái)對(duì)淀粉凝膠塊的應(yīng)力松弛現(xiàn)象進(jìn)行描述。

表2　7種淀粉的凝膠塊應(yīng)力松弛參數(shù)(n=20)Table 2　Stress-relaxation parameters of seven varieties of starch gel(n=20)

注:表2中同列數(shù)值后不同字母表示在p<0.05水平上鄧肯氏檢驗(yàn)差異性顯著。

表3　淀粉凝膠應(yīng)力松弛參數(shù)間相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3　The correlation matrix of Stress-relaxation parameters of starch gel

2.4淀粉凝膠應(yīng)力松弛曲線測(cè)定參數(shù)主成分分析

采用五元件模型進(jìn)行非線性回歸擬合,計(jì)算出7種不同種類淀粉的凝膠塊試樣應(yīng)力松弛參數(shù),各參數(shù)值見(jiàn)表2,不同淀粉的應(yīng)力松弛參數(shù)具有顯著性差異。對(duì)表2中淀粉凝膠塊應(yīng)力松弛參數(shù)做相關(guān)性分析,得到其相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。繼續(xù)對(duì)表3的數(shù)據(jù)做主成分分析,分析的結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4　應(yīng)力松弛相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值及方差貢獻(xiàn)率Table 4　The eigenvalues and percentage of correlation matrix of stress-relaxation parameters of starch gel

由表4可以看出,第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為61.83%,第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為28.69%,兩者累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.52%。并且,第一主成分的特征值為4.33,第二主成分的特征值為2.01,兩者特征值都大于1。而從第三主成分開(kāi)始特征值都小于1。因此,只用第一和第二主成分就能夠確切的對(duì)淀粉凝膠的應(yīng)力松弛特性參數(shù)做出解釋。

由表5中的主成分載荷量分析得出,第一主成分F1與參數(shù)X1、X2、X4、X5、X7顯著相關(guān),F1可以很好的反應(yīng)這5個(gè)參數(shù)的信息,即凝膠塊的粘性和彈性;第二主成分F2與參數(shù)X3、X6顯著相關(guān),即F2反映了凝膠塊的松弛時(shí)間。兩個(gè)主成分的數(shù)學(xué)表達(dá)式[16]分別為:

主成分F1=0.47x1+0.48x2-0.04x3+0.34x4+0.47x5-0.19x6+0.43x7

主成分F2=-0.03x1-0.06x2+0.66x3+0.46x4-0.15x5-0.52x6-0.25x7

表5　主成分載荷矩陣與特征值向量Table 5　Component matrix and eigenvectors

注:xi為SPSS軟件對(duì)表2標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)。

3　結(jié)論

淀粉凝膠是粘彈性材料,可用五元件廣義Maxwell模型對(duì)其應(yīng)力松弛現(xiàn)象作出很好的擬合。

通過(guò)對(duì)應(yīng)力松弛參數(shù)做相關(guān)性分析,得出淀粉凝膠的內(nèi)部應(yīng)力松弛參數(shù)存在信息重疊,即參數(shù)之間存在著一定的相關(guān)性。

對(duì)7個(gè)應(yīng)力松弛參數(shù)做主成分分析,這些參數(shù)可被兩個(gè)主成分很好的描述。第一主成分表示淀粉凝膠塊的黏性和彈性。第二主成分表示淀粉凝膠塊的松弛時(shí)間。

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Stress relaxation characteristics of seven kinds of starch gels

ZHANG Bin,WU Qiang,XIE Ze-yang,SUN Lan-ping*

(Department of Biology and Food Engineering,Bengbu College,Bengbu 233000,China)

The parameters of mechanics and theological properties of seven different starch gel samples were investigated. In order to obtain the parameters,the texture analyzer was employed to perform the compression and the stress-relaxation test. The mechanical model of generalized Maxwell was set up by using the SPSS software to make non-linear regression. It showed that starch gels had favorable viscoelastic mechanical property during compression,the five elements of general Maxwell model can be applied to simulate the stress-relaxation phenomenon in starch gels. Through principal component analysis,stress-relaxation parameters can be summarized into two kinds,which was gel viscoelastic property and gel relaxation time.

starch gel;stress relaxation;principal component analysis

2015-04-09

張斌(1979-),男,碩士,副教授,研究方向:食品加工技術(shù),E-mail:zhangbin207@163.com。

孫蘭萍(1969-),女,碩士,教授,研究方向:天然產(chǎn)物提取與分離,E-mail:lanpingsun@163.com。

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A182);安徽省卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃(2013zjjh040);2013年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201311305028)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0101-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.012