超聲處理對馬鈴薯淀粉糊流體性質(zhì)和表觀黏度的影響

聶 卉，李 辰，陳 雨，劉培華，李堅斌*

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

超聲處理對馬鈴薯淀粉糊流體性質(zhì)和表觀黏度的影響

聶 卉，李 辰，陳 雨，劉培華，李堅斌*

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

利用超聲波處理馬鈴薯淀粉糊，研究超聲場下馬鈴薯淀粉糊流體性質(zhì)及表觀黏度性質(zhì)變化規(guī)律。采用超聲波設(shè)備處理馬鈴薯淀粉糊樣品，用流變儀測定馬鈴薯淀粉糊剪切力和表觀黏度，運用冪函數(shù)定律建立超聲場馬鈴薯淀粉糊流動模型。結(jié)果表明：超聲作用改變了馬鈴薯淀粉糊的流體性質(zhì)，從假塑性流體趨于符合牛頓流體特征；作用時間和聲強對馬鈴薯淀粉糊表觀黏度影響較大，成正相關(guān)；隨著超聲作用時間的延長，馬鈴薯淀粉糊質(zhì)量分數(shù)對表觀黏度的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。因此，增加超聲時間和聲強可以降低馬鈴薯淀粉糊表觀黏度，改變淀粉糊流動性。

超聲場；馬鈴薯淀粉糊；表觀黏度；流動性

聶卉， 李辰， 陳雨， 等. 超聲處理對馬鈴薯淀粉糊流體性質(zhì)和表觀黏度的影響［J］. 食品科學(xué)， 2016， 37（15）: 19-24. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201615004. http://www.spkx.net.cn

NIE Hui， LI Chen， CHEN Yu， et al. Effect of ultrasonic treatment on rheological characteristics and apparent viscosity of potato starch paste［J］. Food Science， 2016， 37（15）: 19-24. （in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201615004. http://www.spkx.net.cn

天然原淀粉來源豐富、價格經(jīng)濟，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、化妝品、食品等領(lǐng)域。然而在食品生產(chǎn)體系中，通常利用淀粉糊的增稠、黏結(jié)、膠凝、乳化等性質(zhì)［1］來提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量，增加產(chǎn)品穩(wěn)定性［2-3］。淀粉糊化是相當(dāng)復(fù)雜的過程，當(dāng)水溶液中的淀粉顆粒處于高溫環(huán)境時，顆粒會吸水溶脹破裂，結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸消失，顆粒內(nèi)的淀粉分子溶出顆粒體外，導(dǎo)致擴展開來的淀粉分子之間互相聯(lián)結(jié)、纏繞，最終形成黏度增大的淀粉糊［4］。淀粉糊具有一定流體特性，當(dāng)受到外力作用，如壓力和剪切力時，就會發(fā)生形狀和流動性質(zhì)的改變［5］，稠度和黏度是其重要的特征參數(shù)。目前，學(xué)者們主要以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)牛頓流體定律，建立量化級經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?］，研究流體特征變化規(guī)律，描述淀粉糊黏度在不同剪切力、流速、時間和性質(zhì)之間的關(guān)系［7］，來控制產(chǎn)品品質(zhì)、評估產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)、開發(fā)新產(chǎn)品［8］。

為了全面滿足食品加工工業(yè)中的應(yīng)用需求，通常采用物理、化學(xué)、酶解和修改基因等方法對淀粉進行改性［9］。超聲技術(shù)是一種新興的物理改性技術(shù)，在保證食品安全性的同時，還可以提高食品品質(zhì)，賦予食品新的物性［10］。其作用機制主要是超聲場中產(chǎn)生的機械作用和空化作用［11］。在超聲體系中，物料受到強大的機械剪切力和在空化過程中由于空化泡產(chǎn)生、生長和崩潰中瞬時產(chǎn)生的高溫高壓，同時伴隨著強烈的沖擊波和微射流，再加上此過程引起的自由基變化，會使原料物性發(fā)生很大改變［12］。相應(yīng)地，也會引起食品體系組成、性質(zhì)和功能的變化，從而改善其加工性質(zhì)。研究淀粉流體性質(zhì)和黏度變化特征規(guī)律對于進一步開拓淀粉在塑料、包裝材料、食品、黏合劑等方面的應(yīng)用，和控制食品加工過程中淀粉產(chǎn)品的品質(zhì)、鑒別產(chǎn)品優(yōu)劣、工藝和設(shè)備的設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)等方面，有著積極意義［13］。然而有關(guān)超聲場中馬鈴薯淀粉糊體系黏度特性研究鮮見報道。

本實驗以馬鈴薯淀粉糊為原料，采用超聲新技術(shù)，建立馬鈴薯淀粉糊流動模型，研究淀粉糊在超聲場中流體變化及表觀黏度與超聲作用時間、超聲聲強和樣品質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系，對掌握淀粉糊各狀態(tài)變量對結(jié)構(gòu)組成的影響，具有廣泛的適用性。

1　材料與方法

1.1材料

馬鈴薯淀粉（優(yōu)級，濕基含水量14.4%，純度99.5%） 美國國民淀粉化學(xué)（廣東）有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

Fabr-Nr型電子天平 德國Sartorius公司；UP400S型超聲波設(shè)備 德國Dr. Hielscher公司；RS600型哈克流變儀 德國Haake Rheostress公司。

1.3方法

1.3.1馬鈴薯淀粉糊化

準確稱取馬鈴薯淀粉2.000、4.000、8.000、16.000、24.000、32.000 g，用蒸餾水將其配成質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的溶液，攪拌使之充分分散，沸水浴中加熱糊化30 min后冷卻至室溫。

1.3.2樣品超聲處理

采用UP400S型超聲波設(shè)備處理樣品。將馬鈴薯淀粉糊樣品100 mL置于頻率25 kHz的超聲場中。超聲作用時間為0、0.5、1.0、5.0、10.0、30.0、60.0 min；超聲強度為75、150、225、300 W/cm2；超聲探頭直徑7 mm；超聲探頭浸入液面2 cm；超聲占空比為0.5；實際超聲聲強與最大超聲聲強的百分比可在0%～100%之間連續(xù)調(diào)節(jié)。實驗過程中采用冰水浴的方法調(diào)節(jié)反應(yīng)體系溫度。

1.3.3樣品流體模型建立及表觀黏度測定

25.00℃條件下將樣品保溫60.00 s，剪切速率在從1.00 s-1連續(xù)升高至1 000.00 s-1，采用RS600型哈克流變儀進行表觀黏度和剪切力的測定，測定時間為60.00 s。使用HAAKE PolySoft OS Software，2.4流變軟件計算滯后環(huán)面積，并建立模型。流變儀探頭型號為PP35Ti，平行板直徑為27.83 mm。樣品置于平行板之間，在樣品裸露部位添加薄層硅油，以防止測量過程中水分蒸發(fā)，平板間隙設(shè)置為1 mm。

1.4數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Origin 8.0軟件作圖。

2　結(jié)果與分析

2.1超聲作用時間對馬鈴薯淀粉糊影響規(guī)律

2.1.1超聲作用時間下馬鈴薯淀粉糊的流動模型

在25.00 ℃條件下，將質(zhì)量分數(shù)2.0%的馬鈴薯淀粉糊置于超聲場中，根據(jù)流變曲線的形狀，采用下式來描述馬鈴薯淀粉糊在超聲中的變化規(guī)律［14］。

式中：τ為剪切力/Pa；γ為剪切速率/（r/min）；m為流態(tài)特征指數(shù)；k為稠度系數(shù)。

通過一元非線性回歸，得出樣品的k、m值及決定系數(shù)R2，如表1所示。

表1　超聲作用時間對2％馬鈴薯淀粉糊流動特征參數(shù)的影響Table 1 Rheological parameters of 2.0 PSP subjected to ultrasonic treatments for different durations

由表1可知，決定系數(shù)R2在0.945 3～0.992 2之間，說明冪定律可以較好地擬合超聲場中馬鈴薯淀粉糊的流動特性曲線。此外，稠度系數(shù)k隨著超聲場作用時間的增加而減少，流態(tài)指數(shù)m隨著超聲作用時間的增加而增大。把表1所有樣品的k、m值擬合結(jié)果繪制成圖，可得4 種超聲聲強下超聲作用時間對馬鈴薯淀粉糊的稠度系數(shù)k和流態(tài)特征指數(shù)m的影響（圖1）。

由圖1a可知，超聲作用時間與馬鈴薯淀粉糊的流變學(xué)性質(zhì)成正相關(guān)，在不同超聲聲強下稠度系數(shù)k均隨著作用時間延長而降低，即超聲作用時間越長，淀粉糊流變性越強。這是由于隨著超聲時間延長，導(dǎo)致淀粉分子間的作用力減弱，分子鏈之間相互作用減弱，大分子鏈段的擴散和運動得到加強，淀粉分子簇在超聲作用下被破壞，有利于大分子降解，這與Herceg等［15］的研究一致。同時淀粉糊體系受到的剪切力作用，強化了淀粉分子與水分子的相互作用，導(dǎo)致淀粉糊流變性變化。由圖1b可知在0～30 min之間，所有樣品的流動特征指數(shù)m值都小于1，說明經(jīng)過此時淀粉糊仍保持假塑性流體特征［16-17］，但隨超聲作用時間的延長（≥30 min），流動特征指數(shù)m值不斷增大并趨向于1，說明超聲作用時間延長利于馬鈴薯淀粉糊由假塑性流體向牛頓型流體轉(zhuǎn)變，并具有較好的流動性。

2.1.2超聲作用時間對馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的影響

圖2　超聲作用時間對2%馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的影響Fig. 2 Relationship between ultrasonic treatment time and apparent viscosity of 2.0% potato starch paste

由圖2可知，2.0%的馬鈴薯淀粉糊在150 W/cm2、25.00 ℃條件下，在相同的剪切速率下，隨著超聲作用時間的增加，馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度值顯著降低，具有剪切變稀現(xiàn)象，說明作用時間對馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度有較大的影響。這是因為在超聲作用過程中，超聲波產(chǎn)生的機械作用、空化作用使淀粉分子鏈斷裂，淀粉分子質(zhì)量分布發(fā)生了變化［18］，小分子物質(zhì)的數(shù)量增加、淀粉分子間的作用力減弱、溶膠的自由體積增大、分子鏈之間相互作用減弱，對淀粉糊流動產(chǎn)生的黏性阻力減小，從而引起了馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的降低。研究也發(fā)現(xiàn)超聲作用會導(dǎo)致淀粉糊黏度的下降［19-20］。

2.2超聲聲強對馬鈴薯淀粉糊特性的影響

2.2.1超聲聲強對馬鈴薯淀粉糊流動模型的影響

圖3 3 2%馬鈴薯淀粉糊受超聲聲強影響的流動曲線Fig. 3 Flow curves of 2.0% PSP subjected to ultrasonic treatments at different intensities

圖3為在超聲場中，馬鈴薯淀粉糊質(zhì)量分數(shù)為2.0%，溫度為25.00 ℃，反應(yīng)時間為30.0 min，超聲聲強分別為75、150、225、300 W/cm2下剪切力和剪切速率關(guān)系。超聲場中馬鈴薯淀粉糊的剪切力隨剪切速率的增大而增大，具有假塑性流體特征。當(dāng)剪切速率相同時，剪切力隨超聲作用時間的延長而減小。

由表1可知，稠度系數(shù)k隨著超聲場聲強的增大而降低，而流態(tài)指數(shù)m隨著超聲聲強的增大而增大。超聲聲強增大意味著能量的累積，機械作用和空化作用得到強化，由此產(chǎn)生的高頻剪切振動和射流的力場作用使淀粉糊體系內(nèi)強烈攪拌，部分淀粉分子鏈斷裂［21］，嚴重削弱淀粉分子間的作用力，增大了溶膠自由體積，加強了大分子鏈段的擴散和運動，減少流動過程中因分子鏈段相互摩擦而引起的損耗［22］。這說明超聲強烈程度與超聲聲強成正相關(guān)關(guān)系，即超聲聲強越大，其機械作用和空化作用越強，攪拌、剪切、沖擊效果越明顯。

2.2.2超聲聲強對馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的影響

圖4　超聲聲強對馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的影響Fig. 4 Relationship between ultrasonic treatment intensity and apparent viscosity of PSP

由圖4可知，超聲場中馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度較原馬鈴薯淀粉糊均有不同程度的降低；在相同的剪切速率下，隨著超聲聲強的增加，馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度值降低，說明超聲聲強變化對馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度有顯著影響。另外發(fā)現(xiàn)，在低剪切速率下，更能表征超聲聲強對馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的影響。實驗測得原馬鈴薯淀粉糊表觀黏度為0.081 60 Pa·s，當(dāng)γ=65.04 s-1時，在超聲作用5.0 min，超聲聲強為75、150、225、300 W/cm2條件下，淀粉糊的表觀黏度分別下降到0.078 89、0.070 72、0.048 85、0.027 98 Pa·s，超聲場作用30.0 min后，淀粉糊的表觀黏度又分別下降到0.060 38、0.037 96、0.004 608、0.004 14 Pa·s。這是因為在超聲場中，超聲波產(chǎn)生的機械作用和空化作用使淀粉分子鏈斷裂，淀粉分子質(zhì)量分布發(fā)生了變化［23］，使淀粉分子鏈之間相互作用減弱，對淀粉糊流動產(chǎn)生的黏性阻力減?。?4］，從而引起馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的降低。

2.3超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)馬鈴薯淀粉糊變化規(guī)律

2.3.1超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)馬鈴薯淀粉糊的流動模型考慮到食品加工過程中糊體系濃度，將質(zhì)量分數(shù)

0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的馬鈴薯淀粉糊分別置于超聲場中，25.00 ℃條件下超聲作用30 min后，剪切力與剪切速率的關(guān)系如圖5所示。

圖5　超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)馬鈴薯淀粉糊的流動曲線Fig. 5 Flow curves of ultrasonic-treated PSP at different concentrations

由圖5可知，當(dāng)質(zhì)量分數(shù)相同時，馬鈴薯淀粉糊的剪切力隨剪切速率的增大而增大，質(zhì)量分數(shù)越大，變化越明顯；而在同一剪切速率下，剪切力隨淀粉糊質(zhì)量分數(shù)升高而增大。用冪方程τ=k·γm對曲線進行擬合［14］，可以得到如下數(shù)據(jù)（表2），非線性回歸的決定系數(shù)在0.931 3～0.994 1之間。

表2　超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)馬鈴薯淀粉糊的流變特征參數(shù)Table 2 Rheological parameters of PSP subjected to ultrasonic treatments at various intensities

根據(jù)上述公式，對表2進行擬合后可得稠度系數(shù)k和流動特征指數(shù)m隨質(zhì)量分數(shù)增大的變化規(guī)律。超聲場中馬鈴薯淀粉糊的稠度系數(shù)k值隨質(zhì)量分數(shù)的升高增大，隨作用時間的延長增幅減緩，超聲作用30.0 min時變化已不明顯，表明其流動性受質(zhì)量分數(shù)的影響已經(jīng)很??；流動特征指數(shù)m也隨著質(zhì)量分數(shù)升高而不斷增大并趨向于1，當(dāng)超聲作用30.0 min時，質(zhì)量分數(shù)0.5%、1.0%、2.0%、4.0%的馬鈴薯淀粉糊稠度系數(shù)很小，流動特征指數(shù)m=1.000，這說明超聲處理產(chǎn)生機械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)可使馬鈴薯淀粉糊由假塑性流體趨向于牛頓流體，馬鈴薯淀粉糊置于超聲場作用后已具有很好的流動性。

2.3.2超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)的馬鈴薯淀粉糊表觀黏度的變化規(guī)律

超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)的馬鈴薯淀粉糊表觀黏度也有很大的變化。超聲作用30 min后，在不同的剪切速率下，不同質(zhì)量分數(shù)的馬鈴薯淀粉糊表觀黏度變化如圖6所示。質(zhì)量分數(shù)與表觀黏度的關(guān)系可通過下式來描述。

式中：η為表觀黏度/（Pa·s）；C為馬鈴薯淀粉糊質(zhì)量分數(shù)/%；A、B均為常數(shù)。通過一元非線性回歸，得出所有樣品的A、B值及決定系數(shù)R2。R2在0.931 3～0.994 1之間，表明上述方程來描述η-C的關(guān)系是合理的，擬合的結(jié)果如下所示。

圖6　超聲場中不同質(zhì)量分數(shù)的馬鈴薯淀粉糊表觀黏度變化Fig. 6 Relationship between concentration and apparent viscosity of ultrasonic-treated potato starch paste

由圖6可知，隨著質(zhì)量分數(shù)的增大，不同剪切速率下的馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度都有明顯的增大。在剪切速率低時，其表觀黏度隨質(zhì)量分數(shù)變化更加顯著。原因是大分子流體在靜止時，分子彼此纏結(jié)在一起，產(chǎn)生較強的濃度依賴性。在質(zhì)量分數(shù)低時，大分子以無規(guī)則孤立的形式存在于糊介質(zhì)中，隨著淀粉糊質(zhì)量分數(shù)增大，大分子數(shù)目增多，分子相互接觸，產(chǎn)生相互覆蓋和交疊，結(jié)果導(dǎo)致馬鈴薯淀粉糊和超聲場作用后的馬鈴薯淀粉糊的稠度系數(shù)隨質(zhì)量分數(shù)不斷增大。如果剪切速率低，則施加在分子間的外力小，流體流動變得更加困難，表觀黏度值就越大。另外，隨著超聲作用時間的延長，馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度大大降低，尤其是超聲作用30.0 min的表觀黏度值已經(jīng)很小，受質(zhì)量分數(shù)的影響也?。获R鈴薯淀粉糊易于流動，表觀黏度極小，已趨向于牛頓流體，此時馬鈴薯淀粉糊表觀黏度基本不受質(zhì)量分數(shù)影響。這是由于超聲場的機械作用和空化作用，由此產(chǎn)生高頻剪切振動和射流的力場作用使淀粉分子鏈斷裂，體系中小分子增多，淀粉分子間的作用力減弱，增大了溶膠的自由體積，加強了大分子鏈段的擴散和運動，有利于大分子鏈的解纏結(jié)，分子鏈之間相互作用減弱，馬鈴薯淀粉糊對質(zhì)量分數(shù)的依賴性大大減小了。

3　結(jié) 論

超聲作用前，不同條件下的超聲作用馬鈴薯淀粉糊均呈現(xiàn)假塑性流體特征，符合冪定律τ=k·γm［25］。而隨著作用時間和聲強增大，馬鈴薯淀粉糊的表觀黏度顯著降低，流動性不斷增加，逐漸趨于牛頓流體特征，說明超聲聲強與作用時間具有等同效應(yīng)。這與Sujka等［20］研究結(jié)果是一致的。而馬鈴薯淀粉糊表觀黏度隨著超聲作用時間延長基本不受濃度影響。

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Effect of Ultrasonic Treatment on Rheological Characteristics and Apparent Viscosity of Potato Starch Paste

NIE Hui， LI Chen， CHEN Yu， LIU Peihua， LI Jianbin*
（College of Light Industry and Food Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

To investigate the effect of ultrasonic treatment on rheological properties and apparent viscosity of potato starch paste， changes in the shear stress and apparent viscosity of potato starch pastes at different concentrations during ultrasonication were monitored by using a rheometer and their power-law rheology was modeled. The results showed that ultrasonic treatment changed the rheological characteristics of potato starch paste， altering the pseudoplastic fluid to conform to the characteristics of Newtonian fluid. The apparent viscosity of potato starch paste was strongly enhanced with increasing either ultrasonic intensity or treatment duration. Moreover， the increase in the apparent viscosity of potato starch paste no longer relied heavily on increasing starch paste concentrations with the extension of sonication. Therefore， increasing either ultrasonic intensity or treatment time could decrease the apparent viscosity of potato starch paste and change its fluidity.

ultrasonic field； potato starch paste； apparent viscosity； fluidity

10.7506/spkx1002-6630-201615004

TS231

A

1002-6630（2016）15-0019-06

2015-06-12

國家自然科學(xué)基金面上項目（20864001；31160326）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科能10100025）

聶卉（1978—），女，博士研究生，研究方向為糖類生物質(zhì)利用及污染控制。E-mail：zzqyhnh@126.com

李堅斌（1970—），女，教授，博士，研究方向為糖類物質(zhì)生物利用及其污染控制。E-mail：lijb0771@126.com

引文格式：