高能振動球磨對核桃醬流變學(xué)特性的影響

王忠琨，耿夢潔，杜林笑，江楠，胡昊

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070

我國是世界上核桃主要生產(chǎn)國，2019年我國核桃產(chǎn)量約達100萬t，且近年來國內(nèi)消費量及出口量也在持續(xù)增長[1]。因為其富含不飽和脂肪酸和生物活性物質(zhì)(如多酚和植物甾醇等)，具有較高營養(yǎng)價值與獨特風味[2]。據(jù)報道，核桃仁中含有55%～70%的脂質(zhì)，其中約70%是由不飽和脂肪酸組成，這對調(diào)節(jié)心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，降低其發(fā)病率具有重要意義[3]。核桃可以用來制備核桃醬，同其他堅果醬一樣，可以作為面包、餅干的配料食用，或添加在點心、糖果中增強風味[4]。

減小固體顆粒尺寸是制備堅果醬的主要加工環(huán)節(jié)，即通過研磨將固體顆粒的粒徑減小到特定范圍[4-5]。固體顆粒的粒徑直接影響感官特性和流變特性[6]。如粒徑大于35 μm的巧克力口感會變得粗糙，可接受度降低[7]。研究表明，堅果醬的粒度分布受原料配方[8-10]和多個工藝參數(shù)的影響，如烘烤[11]、研磨工藝[12]、研磨時間[13]等。

工業(yè)中常采用膠體磨、石磨等方法制備核桃醬，但其存在研磨時間長、需要分步研磨等問題。高能振動球磨技術(shù)是一種綠色、環(huán)保、低成本的新型超細研磨技術(shù)，能夠短時間內(nèi)改善固體顆粒粒度分布，被廣泛應(yīng)用于化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域，近年來也逐漸被應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域。該技術(shù)是將物料放置于裝有研磨介質(zhì)的研磨筒中，通過碰撞、摩擦和剪切來提供機械力作用；當作用力施加在物料上時，分子的結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒的粒徑減小，顆粒表面被脂肪相包裹，從而賦予其獨特的流變和質(zhì)構(gòu)特性[14]。一些研究人員利用球磨技術(shù)來改變食品原料的特性，如玉米淀粉[15]、燕麥[16]、玫瑰花粉[17]、大豆蛋白[18]等，但是國內(nèi)外關(guān)于將球磨技術(shù)應(yīng)用于核桃醬制備的研究還鮮有報道。

在本研究中，利用高能振動球磨技術(shù)制備核桃醬，研究不同球磨時間處理對核桃醬粒度分布、流變特性、質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響，可為核桃醬加工工藝參數(shù)及品質(zhì)評價提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

核桃購自河北綠嶺康維食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

G100高通量組織研磨儀，卡尤迪生物科技(北京)有限公司；AR2000ex流變儀，美國TA儀器公司；Mastersizer 2000激光粒度分布儀，英國馬爾文儀器有限公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國超技儀器公司；倒置熒光顯微鏡，日本尼康公司。

1.3 核桃醬的制備

取去殼后的核桃整仁在烘箱中150 ℃條件下烘烤20 min。快速取出并去皮。稱取去皮后的核桃仁于粉碎機中粉碎15 s。取5 g核桃粉末于50 mL球磨容器中，放入直徑20 mm鋼球，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下進行球磨處理。每工作30 s，暫停30 s。

1.4 粒徑測量

稱取0.1 g核桃醬置于15 mL離心管中，并加入10 mL蒸餾水后渦旋10 s，進行樣品稀釋與分散。遮光度10%～20%，測定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，折射指數(shù)為1.33。

1.5 質(zhì)構(gòu)特性測定

參考徐群英等[19]的方法并進行細微調(diào)整。采用P 0.25S探頭，下壓模式，觸發(fā)力5 g，測試前速度2 mm/s，測試速度1 mm/s，測試后速度2 mm/s。

1.6 流變特性測定

1)靜態(tài)剪切流變特性。采用AR2000ex流變儀對不同的樣品進行流變學(xué)特性分析，測試條件為25 ℃，平行板直徑40 mm，測定模式為flow ramp，剪切速率設(shè)置為0.1～100 s-1。

2)觸變性測定。測試條件為剪切速率從0 s-1上升到100 s-1，100 s-1保持120 s，之后立即以同樣的變化速率從100 s-1下降到0 s-1。

3)動態(tài)剪切流變測定。線性黏彈區(qū)的確定：在25 ℃下采用直徑為40 mm的平行板進行應(yīng)變掃描測量，平板之間的間隔為1 mm，頻率選擇1 Hz。在本試驗中，選擇0.05%作為頻率掃描的應(yīng)變。頻率掃描：振蕩頻率范圍為0.1～10 Hz，測定頻率掃描過程中G′和G″的變化。

1.7 基本成分測定

參照GB 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》，采用酸水解法測定脂肪含量；參照GB 5009.5—2016 《食品中蛋白質(zhì)的測定》，采用凱氏定氮法測定蛋白質(zhì)含量。

1.8 微觀結(jié)構(gòu)觀察

參考Ahmed等[20]的方法并進行細微調(diào)整。采用20倍普通光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)。熒光顯微鏡觀察前取0.1 g樣品與20 μL的染料混合，避光攪拌5 min。

1.9 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析，Duncan’s分析比較差異性(P<0.05)。用Origin 9.0軟件繪制曲線圖形。除另有說明，數(shù)值為3次重復(fù)的平均值，誤差條所顯示的是標準偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 球磨處理對核桃醬粒徑分布及質(zhì)構(gòu)特性的影響

圖1表示在不同球磨處理時間下核桃醬的粒徑分布變化。所有樣品的粒徑分布均呈現(xiàn)具有中心主峰的多峰形態(tài)，曲線峰值區(qū)間粒度分別為0.5～2、3～70與200～900 μm。與球磨處理2 min的粒徑分布曲線相比，球磨處理4 min的粒徑分布曲線在小粒徑和中粒徑區(qū)域向左平移，在大粒徑區(qū)域幾近重合；球磨處理至8和16 min時，粒徑曲線整體向左平移幅度顯著，且兩者曲線幾乎重合；當繼續(xù)球磨至24 min時，中粒徑和大粒徑區(qū)域明顯向左平移，而小粒徑區(qū)域變化幅度較低。整體而言，隨著球磨時間的延長，樣品的粒徑分布曲線在小粒徑一端變化較小，而中粒徑和大粒徑區(qū)域不斷向左平移，最終表現(xiàn)為核桃醬的平均粒徑不斷減小。

圖1 不同球磨處理時間下核桃醬的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of walnut butter at different milling time

將核桃醬在不同球磨處理時間的粒徑分布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理(表1)。在球磨8 min時，D0,5開始明顯減小，相比于球磨處理2 min的樣品，其平均粒徑D0,5減小約14.71%，繼續(xù)延長球磨時間，D0,5減小不明顯。在所有處理時間下，樣品的D4,3明顯大于D3,2，表明樣品顆粒分散且整體顆粒較大。球磨處理4 min時，與前一處理時間段樣品相比，D3,2顯著減小，而D4,3沒有明顯變化；球磨處理至8 min和16 min時，D3,2和D4,3均顯著降低(P<0.05)，且兩者間沒有顯著差異；當繼續(xù)球磨處理至24 min時，D3,2沒有繼續(xù)呈現(xiàn)明顯降低，而D4,3始終呈現(xiàn)減小趨勢。在球磨2～4 min時，由于最初樣品中大粒徑顆粒含量較高，雖然大部分顆粒粒徑減小，但平均粒徑仍未呈現(xiàn)出降低趨勢；當繼續(xù)延長球磨時間，顆粒在剪切力的作用下被破壞，大粒徑顆粒逐漸減少，平均粒徑開始顯著降低。為進一步分析粒徑分布的變化，對D4,3和D3,2作差后進行分析，發(fā)現(xiàn)其差值隨球磨時間延長而降低，表明樣品中大顆粒粒徑不斷減小，呈現(xiàn)整體平均粒徑減小的趨勢。

表1 球磨處理過程中核桃醬的粒徑特征參數(shù)和質(zhì)構(gòu)特性Table 1 Size characteristics and texture of walnut butter at different ball milling time

由表1可知，球磨2 min樣品的凝膠強度、黏著性和黏聚力最大。隨著球磨處理時間的增加，核桃醬的凝膠強度、黏著性及黏聚力隨之降低，且不同處理時間之間具有顯著性差異(P<0.05)。當球磨處理16 min時，與短時間處理2 min相比，核桃醬的凝膠強度降低約75 g，黏著性降低約517 g·s，黏聚力絕對值降低約45 g。球磨16 min和24 min時，樣品的凝膠強度、黏著性和黏聚力繼續(xù)降低，但兩者沒有表現(xiàn)出明顯差異。

2.2 球磨處理對核桃醬靜態(tài)剪切流變特性的影響

由圖2可以看出，在整個剪切范圍內(nèi)(0.1～100 s-1)，隨著剪切速率的增大，核桃醬的黏度均呈下降趨勢，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，表現(xiàn)出假塑性流體特征。在初始時，球磨4、8和16 min的樣品，與前一處理時間段樣品相比，黏度均降低了一個數(shù)量級，而球磨至24 min時樣品不再表現(xiàn)出明顯差異。在0.1～10 s-1剪切速率范圍內(nèi)，隨著球磨時間的延長，核桃醬的流變曲線均向下移動，黏度有一定程度的降低；球磨16 min和24 min的曲線幾乎重合。同時，在10～100 s-1剪切速率范圍內(nèi)，所有樣品的流變曲線趨向一致。

圖2 球磨處理過程中核桃醬的黏度與剪切速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity and shear rate of walnut butter at different ball milling time

2.3 球磨處理對核桃醬觸變性的影響

圖3為核桃醬的觸變性測定結(jié)果。由圖3可知，球磨4 min后的核桃醬樣品均具有正觸變性。球磨處理4 min和8 min的核桃醬的觸變性無明顯差異。當繼續(xù)球磨至16 min和24 min時，滯后環(huán)面積開始顯著降低，由20 839 Pa·s降低至10 726 Pa·s，降低約48%。說明球磨16 min時樣品的流動狀態(tài)發(fā)生明顯變化，體系流動所需要克服的能量減少，觸變性降低，流動性增強。

圖3 球磨處理過程中核桃醬的觸變性變化Fig.3 Thixotropic properties of walnut butter at different ball milling time

2.4 球磨處理對核桃醬動態(tài)剪切流變特性的影響

圖4和圖5是球磨處理不同時間后核桃醬的頻率掃描結(jié)果。由圖4，圖5可知，所有核桃醬的儲存模量G′均大于損耗模量G″，表現(xiàn)為典型的凝膠行為。隨著振蕩頻率的增加，所有樣品的G′和G″均呈現(xiàn)增大趨勢，表現(xiàn)出對頻率的依賴性，說明各個處理時間下的核桃醬具有弱凝膠性質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征。同時可以看出，核桃醬的G′與G″隨球磨時間的延長而降低。球磨處理2～8 min后的核桃醬的G′與G″相對較高，凝膠性較強；而在球磨處理16 min和24 min之后，樣品的G′和G″值明顯低于其他樣品，且兩個樣品的變化曲線幾乎重合，黏彈性差異較小。由此可知，隨著球磨時間的延長，核桃醬的粒徑逐漸減小，G′與G″總體呈下降趨勢，凝膠性逐漸減弱。

圖4 不同球磨處理時間對核桃醬儲存模量G′的影響Fig.4 The effect of ball milling time on storage modulus (G′) of walnut butter

圖5 不同球磨處理時間對核桃醬損耗模量G″的影響Fig.5 The effect of ball milling time on loss modulus (G″) of walnut butter

2.5 球磨核桃醬的外觀形態(tài)及微觀形貌的影響

圖6為不同球磨處理時間后的核桃醬外觀形態(tài)。球磨2、4 min的核桃醬彈性和黏度較大，流動性低，涂抹后容易恢復(fù)原有形態(tài)；球磨處理8 min的核桃醬顆粒較均勻，彈性和黏度降低，流動性增強，涂抹效果較好；繼續(xù)球磨至16、24 min時，樣品顆粒變小，彈性和黏度較低，呈現(xiàn)流動狀。

圖6 不同球磨處理時間后核桃醬的外觀形態(tài)Fig.6 Appearance of ball milling treated walnut butter at different time

所有球磨核桃醬都是由同一批烘烤核桃仁制備而成的，因此這些樣品均具有相同的化學(xué)組成。根據(jù)基本成分測定結(jié)果，脂肪和蛋白質(zhì)分別約占總質(zhì)量的52.75%和19.10%，是核桃醬的主要組成成分。為進一步觀察核桃醬的微觀結(jié)構(gòu)形貌，分別采用異硫氰酸熒光素和尼羅紅染色液對蛋白質(zhì)和油滴進行染色，并在熒光顯微鏡下進行觀察，如圖7所示。結(jié)合普通光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡觀察結(jié)果可以看出，隨著球磨時間延長，樣品的聚集狀態(tài)逐漸減弱，油滴或蛋白質(zhì)等其他顆粒物質(zhì)逐漸分散。這與粒度分布結(jié)果基本一致，即大顆粒粒徑不斷減小，呈現(xiàn)整體平均粒徑減小的趨勢。在球磨2 min和4 min時，樣品中蛋白質(zhì)和油滴呈現(xiàn)明顯的聚集形態(tài)。球磨時間8 min時，蛋白質(zhì)和油滴的聚集狀態(tài)被破壞，尺寸不斷減??；繼續(xù)球磨至16 min和24 min時，可以看出明顯的油滴狀形態(tài)，表現(xiàn)為油滴聚集，并且分散程度變大。

圖7 不同球磨處理時間后核桃醬的熒光顯微鏡(A)和普通光學(xué)顯微鏡(B)觀察結(jié)果Fig.7 Fluorescence microscopy micrographs(A) and optical microscopy images(B) of ball milling treated walnut butter at different time

3 討 論

本研究利用高能振動球磨技術(shù)，從具有相同化學(xué)成分組成的原料出發(fā)，通過調(diào)控球磨時間制備具有不同流變特性的核桃醬，如高黏度、高觸變性、高流動性等。具體而言，當球磨處理2～8 min時得到的核桃醬具有較好的凝膠穩(wěn)定性，黏稠度更高，結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力較弱，適合作為涂抹醬類黏稠度較大的產(chǎn)品；球磨處理16～24 min的核桃醬流動性最佳，黏稠度較低，適合加工為沙拉汁類流動性較強的產(chǎn)品[21-22]。

在本研究的粒徑范圍內(nèi)，靜態(tài)剪切流變測量結(jié)果顯示，隨著球磨時間的延長，樣品的黏性逐漸降低。這可能是由于研磨程度較低時，樣品的平均粒徑較大(圖1)，大顆粒更有利于形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，從而將流動相固定在其中；隨著研磨程度的增加，顆粒平均粒徑減小，骨架結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出更多的油脂作為體系的連續(xù)相，從而提供足夠空間使顆粒在流動方向上進行有序排列，如圖7所示。Zhang等[23]研究芝麻醬時也發(fā)現(xiàn)研磨時間延長，體系中更多的油脂釋放出來，并且完整的子葉細胞區(qū)域逐漸消失。此外，圖2的結(jié)果也表明所有核桃醬均呈現(xiàn)剪切稀化特征，這可能是因為在剪切力的作用下，樣品中蛋白質(zhì)、纖維的纏繞被拆解，而這些大分子聚合物重新排列纏繞的速率小于被剪切拉伸的速率，從而體現(xiàn)出剪切稀化行為[24-25]。在芝麻醬[26]、蛋黃醬[27]的研究中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。

觸變性可以反映出樣品在攪拌或涂抹后的流體學(xué)穩(wěn)定性，顯示了樣品隨時間變化的流動特性[28]。圖3結(jié)果顯示，球磨處理4～24 min的樣品呈現(xiàn)明顯的觸變性，且觸變環(huán)面積隨球磨時間延長而降低，這可能與粒徑分布變化有關(guān)。在剪切速率上升階段，在剪切力的作用下大分子發(fā)生解聚，導(dǎo)致在剪切速率下降階段時表現(xiàn)出剪切應(yīng)力的降低；當樣品平均粒徑較大時，體系具有更多的聚集結(jié)構(gòu)，觸變性更為明顯。Abu-Jdayil等[29]發(fā)現(xiàn)了芝麻醬的流動曲線具有滯后現(xiàn)象，這表明在剪切力作用于樣品后，體系結(jié)構(gòu)改變，表現(xiàn)為黏度降低。Muresan等[30]采用膠體磨制備不同粒度的芝麻醬，也發(fā)現(xiàn)其觸變環(huán)面積隨著粒度的減小而減少，結(jié)果與本研究相似。

根據(jù)動態(tài)剪切流變學(xué)結(jié)果，所有樣品的G′與G″均顯示出頻率依賴性。特別是在10～100 Hz，球磨時間越長，樣品的G′與G″的增加速率越高，即樣品在低頻率時表現(xiàn)為液體，而在高頻率下表現(xiàn)為固體特征，且小粒徑樣品體系的趨勢更為明顯。這可能是因為球磨作用時間延長后，顆粒間形成的骨架結(jié)構(gòu)被破壞，相互作用強度降低。這一現(xiàn)象與流變曲線、觸變性、質(zhì)構(gòu)特性和粒徑分布測定結(jié)果一致。

高能球磨技術(shù)在短時間、不添加輔料的情況下可制備具有不同流變學(xué)特性的核桃醬。隨著球磨時間的延長，樣品的黏度、彈性均逐漸降低，流動性逐漸增強。本研究為高能振動球磨技術(shù)在核桃醬制備領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)，加強了對核桃醬流變行為和微觀結(jié)構(gòu)的理解，將有助于糖果、堅果等制造廠商控制核桃醬、酥糖等加工食品的產(chǎn)品質(zhì)量和制造工藝，拓寬核桃醬的應(yīng)用前景。