驢乳的系統(tǒng)流變學(xué)性質(zhì)研究

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(1.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730070;3.甘肅龍麒生物科技股份有限公司,甘肅瓜州 736100)

驢乳是一種很好的替代母乳的乳品之一,其營(yíng)養(yǎng)成分與人乳相似[1],富含亞油酸和亞麻酸[2]、乳清蛋白和β-乳球蛋白，氨基酸種類(lèi)齊全[3]。驢乳還具有抗增殖、抗腫瘤和抗菌特性[4-5]。驢乳營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富,是一種低膽固醇、高鈣和富硒的飲品,逐漸受到越來(lái)越多的關(guān)注與報(bào)道,可以作為一種新食品資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)。目前,驢乳的加工工藝[6]、營(yíng)養(yǎng)成分和功效已經(jīng)被大量研究,但驢乳的流變學(xué)研究尚屬空白。

流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支,它是材料流動(dòng)和變形的研究[7]。許多食品在生產(chǎn)和加工過(guò)程中以液體形式存在,因此流變學(xué)在食品科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用,食品加工需要考慮流變參數(shù),如黏度、剪切應(yīng)力和剪切速率[8]。流變學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于設(shè)計(jì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、貨架期估計(jì)、感官評(píng)估和食品穩(wěn)定性評(píng)估非常重要。其流變學(xué)性能對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸、貯藏、加工工藝等都起到至關(guān)重要的作用。

為了研究乳制品的物理性質(zhì)參數(shù),可通過(guò)流變學(xué)方法[9-10]表征。而流變性質(zhì)通常受溫度的影響[11]。因此,本文研究不同溫度(4、20、36、50 ℃)對(duì)驢乳的流動(dòng)性、觸變性以及動(dòng)態(tài)粘彈性的影響,以期為驢乳在食品加工行業(yè)的應(yīng)用提供有利技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮驢乳 采自甘肅龍麒生物股份有限公司良種驢養(yǎng)殖基地,驢的品種為德州驢,年齡4-5年,哺乳期3個(gè)月后采集鮮乳,3批次3瓶。鮮驢乳組成:蛋白質(zhì)1.89%,脂肪1.32%,乳糖6.10%,水分90.21%、灰分0.47%。

Anton Paar Physica MCR 301Rheometer流變儀 安東帕有限公司;PP50平板:直徑50 mm,轉(zhuǎn)子:CC27同心圓筒、內(nèi)徑27 mm，80目濾網(wǎng) 蘇州菲爾特過(guò)濾設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鮮驢乳的預(yù)處理 將采集的鮮驢乳4 ℃冷卻,用80目濾網(wǎng)過(guò)濾,除去驢乳中的細(xì)小雜質(zhì),4 ℃冷藏備用。

1.2.2 流動(dòng)性能測(cè)定 穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)試:使用平板 PP50(內(nèi)徑 50 mm)系統(tǒng),平行板間距為 1 mm。本實(shí)驗(yàn)前期,進(jìn)行溫度對(duì)驢乳流動(dòng)性的影響的篩選,當(dāng)溫度達(dá)大于50 ℃時(shí),驢乳不具有流變學(xué)性質(zhì),流動(dòng)曲線不符合流變模型,且在高溫條件下驢乳變質(zhì),失去了流變實(shí)驗(yàn)的意義,故最高溫度選取50 ℃,最低溫度選取4 ℃是乳品常用低溫保存溫度。設(shè)置測(cè)量溫度為4、20、36、50 ℃,測(cè)量驢乳的黏度隨剪切速率的變化趨勢(shì),剪切速率范圍:0.01～100 s-1。

1.2.3 觸變性能測(cè)定 觸變測(cè)試:使用平板 PP50 在旋轉(zhuǎn)模式下進(jìn)行三段參數(shù)設(shè)定,即第一階段:剪切速率以恒定增速(3.12 s-1)從 0 s-1升高到 100 s-1;第二階段:在剪切速率為100 s-1下保持50 s;第三階段:以恒定減速(3.12 s-1)從100 s-1降低到0 s-1,測(cè)試溫度為4、20、36、50 ℃。

1.2.4 動(dòng)態(tài)粘彈性測(cè)定

1.2.4.1 線性粘彈性范圍的確定 應(yīng)變掃描使用CC27同心圓筒,分別在 4、20、36、50 ℃條件下給樣品以恒定的頻率(1 Hz)施加一個(gè)范圍(0.1%～100%)的正弦形變(應(yīng)變),依據(jù)儲(chǔ)能模量的變化來(lái)確定其線性粘彈性范圍。

1.2.4.2 振蕩頻率掃描 在樣品的線性粘彈性范圍內(nèi)(0.5%～40%),使用CC27同心圓筒進(jìn)行測(cè)定,即施加不同頻率的正弦形變后,得到不同溫度下驢乳的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨頻率變化的關(guān)系,即驢乳粘性和彈性之間的變化趨勢(shì)。

1.2.4.3 溫度對(duì)動(dòng)態(tài)黏度的影響 在4～50 ℃溫度范圍內(nèi)測(cè)量驢乳的黏度ηa,加熱速率保持恒定在2 ℃·min-1,保持剪切速率恒定在50 s-1,這是口中的剪切速率[12]。為了描述該指定剪切速率下測(cè)量黏度η50,通過(guò)Arrhenius模型方程描述在指定剪切速率下黏度η50對(duì)溫度的依賴(lài)性。

式(1)

式中:η50是剪切速率50 s-1的黏度(Pa·s),η0是常數(shù)(Pa·s),EA是活化能(kJ·mol-1),R是通用氣體常數(shù)(8.3145 kJ·mol-1·K-1)和T溫度(K)。計(jì)算流動(dòng)行為部分的R2和SD值來(lái)評(píng)估預(yù)測(cè)模型的適合度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)流變儀自帶的軟件得到所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為了獲得可靠的數(shù)據(jù),所有測(cè)試重復(fù)三次取平均值。用OriginPro 8.0 軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)性分析

如圖1所示,在處理溫度范圍內(nèi),驢乳的黏度隨剪切速率的增大而降低,表現(xiàn)出剪切變稀的特性,為假塑性流體。驢乳是一個(gè)復(fù)雜的體系,其含有蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、乳糖、生長(zhǎng)因子等諸多生物活性物質(zhì)。隨著剪切速率增大,驢乳各大分子結(jié)構(gòu)鏈的解纏結(jié)和重新纏結(jié)之間發(fā)生不平衡。在高剪切速率處,可能會(huì)受到更嚴(yán)重的剪切力，破壞驢乳大分子結(jié)構(gòu),其黏度降低。4～50 ℃溫度升高會(huì)增加驢乳中大分子的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng),從而促進(jìn)分子鏈的解纏結(jié),從而導(dǎo)致黏度降低。同樣Whitaker R等[13]研究表明脫脂乳的黏度隨溫度(5～80 ℃)升高而降低。在較高溫度(36、50 ℃)下,當(dāng)剪切速率增大時(shí),驢乳中大分子鏈的纏結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞,越多越復(fù)雜的纏結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞對(duì)黏度下降的貢獻(xiàn)越大,因而體系的黏度大幅度降低。

圖1 不同溫度驢乳的流動(dòng)曲線Fig.1 Flow curves of donkey milk in different temperature

利用Carreau[14]和Cross模型[14-15]對(duì)驢乳的流動(dòng)曲線進(jìn)行擬合,其方程式分別為:

式(2)

式(3)

式(2)和(3)中:η為黏度(Pa·s-1),η0表示零剪切黏度(Pa·s-1),η∞表示無(wú)窮剪切黏度,c和α為與流體結(jié)構(gòu)破壞相關(guān)的時(shí)間常數(shù)(s),γ為剪切速率(s-1),p和d表示在剪切變稀區(qū)域黏度對(duì)剪切速率的依賴(lài)程度。

表1 不同溫度驢乳的Carreau模型擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of Carreau model for donkey milk at different temperature

表2 不同溫度驢乳的Cross模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of Cross model for donkey milk at different temperature

對(duì)比表1和表2可以得出,驢乳的流動(dòng)行為與Carreau模型擬合度比與Cross模型的較高,Carreau模型擬合的R2>0.9691,且標(biāo)準(zhǔn)差SD較小。p指示表觀黏度對(duì)剪切速率的依賴(lài)程度,反應(yīng)材料的非牛頓性的強(qiáng)弱,當(dāng)溫度為4 ℃時(shí),p值最大。由表1可知,隨著溫度的增驢乳的p值不斷減小,說(shuō)明驢乳的黏度隨溫度增加而減小。c是指破壞其結(jié)構(gòu)的時(shí)間常數(shù)[16],隨著溫度增加c不斷減小,破環(huán)結(jié)構(gòu)所需的剪切速率不斷增加,說(shuō)明隨溫度增加,驢乳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,破壞這種結(jié)構(gòu)需要的時(shí)間減少。

2.2 觸變性分析

觸變性是描述在非破壞或剪切條件下,材料的形變對(duì)剪應(yīng)力的響應(yīng)。剪切速率隨時(shí)間延長(zhǎng)直到達(dá)到剪切速率最大值。之后,在沒(méi)有任何干擾的情況下,通過(guò)降低剪切速率能夠恢復(fù)過(guò)來(lái),從而形成上下閉合的曲線,根據(jù)式(4)計(jì)算不同溫度下驢乳滯后環(huán)面積,見(jiàn)表3。

式(4)

式中:γ1和γ2均為剪切速率(s-1),k1為正向流動(dòng)指數(shù)(Pa· sn1),k2正向流動(dòng)指數(shù)(Pa·sn2),n1和 n2分別為流動(dòng)冪指數(shù)。

從表3中可以看出所有測(cè)試溫度下驢乳都有一定的觸變性,低溫條件下驢乳的滯后環(huán)面積最大,對(duì)于中高溫的驢乳來(lái)說(shuō),其觸變環(huán)面積隨著溫度的升高而減小,因此觸變性也隨之減弱。在50 ℃下驢乳觸變環(huán)面積Ha<0,這可能是驢乳由于受熱其生物大分子解纏結(jié)流動(dòng)方向重新排列,從而導(dǎo)致乳液中的結(jié)構(gòu)變化,不能恢復(fù)到初始狀態(tài)。

表3 不同溫度驢乳的觸變環(huán)面積Table 3 Hysteresis loops areas for donkey milk at different temperature

2.3 動(dòng)態(tài)粘彈性分析

2.3.1 應(yīng)變掃描分析 粘彈性體系的粘性和彈性響應(yīng)可以用動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)試來(lái)表征,儲(chǔ)能模量G′表示存儲(chǔ)在材料中的能量的大小或每個(gè)變形周期可恢復(fù)的能量,而損耗模量G″表示每個(gè)變形周期的粘性耗散下材料損失的能量。線性粘彈性區(qū)域(LVR)表示所施加的外力不會(huì)改變材料的穩(wěn)定性或?qū)е缕浣Y(jié)構(gòu)破壞。tanδ是一重要參數(shù),稱(chēng)為損耗因子,表示粘性相對(duì)于彈性部分的比值。

式(5)

式(5)中,儲(chǔ)能模量G′(Pa):彈性部分,形變能力的儲(chǔ)存部分,損耗模量G″:粘性部分,形變能力的損失部分。當(dāng)tanδ<1,即G″1,即G″>G′,粘性占主要部分,為流體;tanδ=1,即G″=G′,粘性和彈性相等,為溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

由圖2可知驢乳在不同溫度下的應(yīng)變掃描測(cè)試,這個(gè)圖可以分為三段,即a穩(wěn)定區(qū)/線性粘彈性區(qū)域:其中G′和G″的值隨應(yīng)變的增加保持不變;b過(guò)渡階段:在高應(yīng)變區(qū)域(應(yīng)變>1%),G′和G″都迅速下降而tanδ急劇增加,最終達(dá)到交叉流動(dòng)點(diǎn)(G′=G″),表明樣品結(jié)構(gòu)中斷,還發(fā)現(xiàn)G′和G″的交叉點(diǎn)(表4)對(duì)溫度的依賴(lài)性較大,G′=G″的值隨溫度升高而減小;c反轉(zhuǎn)階段:G″>G′、tanδ>1驢乳從凝膠體轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w。Neha Duhan等[17]研究印度牛奶酥油的溫度依賴(lài)性動(dòng)態(tài)振蕩剪切流變特性中得到相似結(jié)果。

圖2 不同溫度驢乳應(yīng)變掃描Fig.2 Strain sweeps of donkey milk in different temperature

溫度(℃)應(yīng)變(%)G′=G″(Pa)411.701.40209.290.943610.280.415012.060.27

2.3.2 頻率掃描分析 由圖3(A)顯示了4、20、36和50 ℃測(cè)量條件下,驢乳儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″對(duì)角頻率的關(guān)系曲線圖。G′、G″表現(xiàn)出對(duì)角頻率和溫度的依賴(lài)性,隨著溫度的增加,依賴(lài)性降低。在4個(gè)測(cè)量溫度下整個(gè)掃描范圍內(nèi)G′>G″,表明主要是流體狀響應(yīng),隨著角頻率增加,G′增加的比G″快,并且高溫條件下G′/G″增加的比低溫快,這說(shuō)明驢乳的儲(chǔ)能模量G′、損耗模量G″的變化對(duì)溫度的依耐性更大。與穩(wěn)定剪切流動(dòng)(圖1)相比,圖3B顯示出不同溫度條件下的η*值也隨振蕩頻率增加先減小再增加,在高頻率測(cè)試條件下驢乳有效成分結(jié)構(gòu)改變,其復(fù)數(shù)黏度增加;增加測(cè)量溫度,η*值隨之減小,在整個(gè)溫度處理范圍內(nèi)4 ℃驢乳的η*值最大,較高溫度條件下的驢乳中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子的分子鍵在振蕩剪切中破裂和重新組合,這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化,從而表現(xiàn)出驢乳剪切變稀的流變行為。高頻率破壞分子內(nèi)/分子間鍵,不能在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)恢復(fù)。此外,在宏觀水平上降低η*會(huì)產(chǎn)生分子鏈的永久取向或分離[18]。根據(jù)Long等[19]的研究,這種現(xiàn)象與乳蛋白分子鏈間的纏結(jié)及解纏結(jié)有關(guān),另外,溫度對(duì)分子間作用力也起到很重要的作用。

圖3 不同溫度驢乳頻率掃描Fig.3 Frequency sweeps of donkey milk in different temperature

2.3.3 溫度對(duì)黏度的影響 溫度對(duì)動(dòng)態(tài)黏度η50的影響如圖4所示,溫度從4 ℃升至50 ℃,η50值由0.0032下降至0.00096 Pa·s。通過(guò)Arrhenius模型擬合分析,模型參數(shù)η0和活化能EA值分別0.0036 Pa·s和2.3387 kJ·mol-1,R2值為0.9734,SD為0.00013,說(shuō)明測(cè)量溫度范圍內(nèi)驢乳動(dòng)態(tài)黏度曲線能與Arrhenius模型很好地?cái)M合,這可以準(zhǔn)確地說(shuō)明其黏度對(duì)溫度有依賴(lài)性。與溫度相關(guān)的η50值下降趨勢(shì)可能是由于驢乳中蛋白質(zhì)、脂肪等生物大分子間間隙增加由熱膨脹和高動(dòng)力引起,分子鏈解纏結(jié)使黏度隨溫度升高而降低。Seuvre等[20]研究發(fā)現(xiàn)溫度直接影響奶油蛋羹中分子間鍵合和芳香釋放動(dòng)力學(xué)。Neha Duhan等[17]研究表明牛奶酥油的香味成分游離脂肪酸(FFA)、內(nèi)酯和羰基化合物的混合物,與甘油三酯和其生物分子緊密結(jié)合,當(dāng)溫度超過(guò)這些化合物的熔化范圍后會(huì)改變其黏度。

圖4 溫度掃描曲線Fig.4 Temperature sweeps of donkey milk

3 結(jié)論

驢乳本質(zhì)上是非牛頓流體,表現(xiàn)出剪切稀化行為。在4、20、36、50 ℃測(cè)試溫度下其黏度隨溫度升高而降低,流動(dòng)曲線符合流變學(xué)Carreau模型。在4 ℃下驢乳的滯后環(huán)面積最大,其觸變環(huán)面積隨著溫度的升高而減小,因此觸變性也隨之減弱。動(dòng)態(tài)黏彈性儲(chǔ)能模G′和損耗模量G″對(duì)溫度的依賴(lài)性較大;4～50 ℃測(cè)量溫度范圍內(nèi)驢乳動(dòng)態(tài)黏度隨溫度增加逐漸減小,其動(dòng)態(tài)曲線能與Arrhenius模型很好的擬合。流變學(xué)表征表明,溫度對(duì)驢乳的流變性影響較大,有顯著的能量相互作用或結(jié)構(gòu)異質(zhì)性,這些結(jié)果為驢乳的進(jìn)一步研究和加工提供了基礎(chǔ)和有用的數(shù)據(jù)。