質(zhì)構(gòu)技術(shù)快速辨別蜂蜜品種的研究

竇文卿，柴春祥，劉 玥，魯曉翔

(天津商業(yè)大學(xué) 生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

蜂蜜具有豐富的營養(yǎng)價值，含有糖類物質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、有機(jī)酸、酚類、酶類等180多種營養(yǎng)成分。劃分蜂蜜品種的主要依據(jù)是蜜源的植物來源，蜂蜜的蜜源不同，其感官和品質(zhì)存在一定差異，其營養(yǎng)價值和功效也不同。由于蜂蜜的感官特性易受加工方式、儲存條件等因素的影響，傳統(tǒng)的感官分析難以準(zhǔn)確辨別蜂蜜品種，容易造成蜂蜜品種混淆、市場價格混亂?；瘜W(xué)分析法可以分析蜂蜜的水分含量、果糖和葡萄糖含量以及酸度等指標(biāo)，但是該方法具有破壞性、操作繁瑣、費(fèi)時費(fèi)力。近年來，利用蜂蜜的力學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)非破壞性地對樣品進(jìn)行快速準(zhǔn)確地檢測成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。

食品流變學(xué)是力學(xué)的一個分支，用于研究食品受力后的變形及流動的情況，對于評價食品的質(zhì)構(gòu)特性具有重要作用。對蜂蜜力學(xué)特性的研究，不僅利于預(yù)測蜂蜜的品質(zhì)和口感，而且有益于生產(chǎn)加工。近年來，國內(nèi)外學(xué)者都對蜂蜜的力學(xué)特性進(jìn)行了研究。但蜂蜜種類繁多，并受到植物源、加工方式、產(chǎn)地等多種因素的影響，蜂蜜的力學(xué)特性較為復(fù)雜，不能單純地歸為牛頓流體或非牛頓流體。目前，大多數(shù)研究認(rèn)為蜂蜜為牛頓流體，Nayik等研究了高海拔印尼蜂蜜在不同溫度下的流變特性，所有樣品均表現(xiàn)出了牛頓力學(xué)行為。Escriche等研究了從莫桑比克獲取的30個蜂蜜樣本的流變特性，所有蜂蜜都顯示出了牛頓行為，并且可以應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測流變參數(shù)隨溫度、頻率和化學(xué)成分的變化。Oroian等探究了甘露蜜中摻入葡萄糖、果糖、轉(zhuǎn)化糖、水解菊粉糖漿和麥芽汁的流動特性，蜂蜜和摻假蜂蜜都表現(xiàn)出了牛頓流體行為，但在蜂蜜中加入果糖會降低黏度(η)、損耗模量(G＇＇)及觸變面積的數(shù)值；加入葡萄糖和水解菊粉糖漿會增加黏度(η)、損耗模量(G＇＇)及觸變面積的數(shù)值；在蜂蜜樣品中添加麥芽糖則會顯著增加樣品的觸變面積，實(shí)驗(yàn)表明測定黏度(η)、觸變面積、儲能模量(G＇)以及損耗模量(G＇＇)可以有效檢測出摻假蜂蜜。Dobre等分析了從羅馬尼亞采集的52份蜂蜜樣本，除甘露蜜和油菜蜂蜜外均表現(xiàn)出了牛頓流體行為，根據(jù)蜂蜜碳水化合物組成及流變學(xué)性質(zhì)對蜂蜜進(jìn)行分類的正確率較高。Cohen等測定了以色列蜂蜜的流變特性，流變學(xué)和微粒跟蹤微流變學(xué)的結(jié)果一致，均為牛頓流體。然而，由于石楠蜂蜜含有大量蛋白質(zhì)，表現(xiàn)出了非牛頓流體特性。同樣，由于奶油蜂蜜中含有大量蛋白質(zhì)、葡聚糖以及蜂蜜結(jié)晶后產(chǎn)生的晶體，奶油蜂蜜也表現(xiàn)出了非牛頓流體行為。

除流變儀外，質(zhì)構(gòu)儀也可用于研究食品的力學(xué)特性，但將質(zhì)構(gòu)儀用于測定蜂蜜力學(xué)特性的研究較少，在米粉、酸奶、肉類等食品中的研究較多。Shinn等使用質(zhì)構(gòu)儀測定了結(jié)晶蜂蜜的峰值力、屈服力、黏附性和內(nèi)聚性，采用響應(yīng)面法建立了理化因素、加工因素與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，利用數(shù)學(xué)模型方程估計了最佳化學(xué)成分和最佳工藝條件，該模型可用于預(yù)測結(jié)晶蜂蜜的最終質(zhì)地。周顯青等使用質(zhì)構(gòu)儀測定了8種米粉的表面黏度，探究了不同煮制方式、煮后靜止時間、壓縮力以及探頭測試后速度對米粉表面黏性的影響，并確定了最佳測定條件，結(jié)果表明，該方法的精密度較高、重現(xiàn)性較好。吳偉都等探究了質(zhì)構(gòu)儀探頭直徑、壓縮距離、觸發(fā)力、樣品容器體積以及測試速度、測前速度、測后速度對攪拌型酸奶力學(xué)特性的影響；趙秀紅等則使用質(zhì)構(gòu)儀對變質(zhì)前和變質(zhì)后酸奶的硬度、內(nèi)聚性、黏附性等力學(xué)特性進(jìn)行了檢測，以此來評價酸奶的品質(zhì)變化。張馨木以豬肉和牛肉為研究對象，利用質(zhì)構(gòu)儀測定硬度、彈力、壓縮功、可恢復(fù)功等力學(xué)指標(biāo)分析冷鮮肉的新鮮度，并使用BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了對冷鮮豬肉新鮮度的預(yù)測模型，取得了較好的預(yù)測效果。

綜上所述，食品的力學(xué)特性是評價食品品質(zhì)的重要性質(zhì)，測定蜂蜜的力學(xué)特性對其品質(zhì)鑒定、摻假及品種辨別具有重要作用，研究蜂蜜的力學(xué)特性具有重要意義。

目前，蜂蜜力學(xué)特性的研究大多使用流變儀或黏度計。但是，黏度計在實(shí)際工作中會受到端部效應(yīng)、軸心偏移、間隙比以及轉(zhuǎn)速變化等因素的影響，導(dǎo)致測試結(jié)果有偏差。由于蜂蜜黏度較大，使用流變儀測量蜂蜜黏度時，裝樣較為不便，并且同軸圓筒式流變儀具有測試間隙內(nèi)剪切速率不均勻，樣品用量大，達(dá)到溫度平衡慢的缺點(diǎn)；平板式流變儀由于存在邊界效應(yīng)、探頭各位置剪切速率不同以及樣品會隨探頭流動等因素，導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確；錐板式流變儀則由于測試間隙固定，對樣品的要求較高。為解決上述問題，本研究擬尋找一種可以快速辨別蜂蜜品種的技術(shù)，為快速辨別蜂蜜品種提供客觀依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

蜂蜜：洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜，北京同仁堂蜂業(yè)有限公司。營養(yǎng)素參考值：能量16%、脂肪1%、碳水化合物25%、鈉1%。

1.2 儀器與設(shè)備

TA-XT2I型質(zhì)構(gòu)分析儀，英國Stable Micro Systems公司；A/BE35探頭(直徑35 mm)；測量杯(內(nèi)徑50 mm、高度60 mm)。

1.3 質(zhì)構(gòu)測量原理與方法

1.3.1 測量原理

蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性采用質(zhì)構(gòu)儀測試模式中的A/BE模式測試，該測試模式是一種反擠壓裝置，由探頭下壓容器中的蜂蜜，壓縮至一定距離后回到原始位置。在壓縮過程中，蜂蜜流動變形，這與流體在環(huán)形管道中的流動相似，如圖1。

在壓縮過程中，蜂蜜流動可用流體在環(huán)形管道中的流動描述。

為了推導(dǎo)出蜂蜜在環(huán)形管道中的流動方程式，假設(shè)：①探頭壓縮蜂蜜時，與測量杯杯壁接觸的那層蜂蜜靜止不動；②蜂蜜流動是分層流動，一層一層地流動；③蜂蜜流動時，蜂蜜黏性引起的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的損失忽略不計。

r1為質(zhì)構(gòu)儀探頭外半徑，r2為測量杯內(nèi)半徑。

(1)

公式(1)中：為距離測量杯軸心線的距離(m)；為流速(m·s)；為軸心方向，以流動方向?yàn)檎粸轲ざ?Pa·s)；為壓力(Pa)。

將式(1)進(jìn)行第一次積分，帶入邊界條件③，可得下式：

(2)

根據(jù)邊界條件①對式(2)進(jìn)行第二次積分，得速度分布為

(3)

由邊界條件②，得速度分布另一表達(dá)式：

(4)

由式(3)和式(4)聯(lián)立求解，得到：

(5)

由已知速度分布，可根據(jù)平均速度乘以環(huán)隙截面積等于環(huán)隙體積流量的概念：

(6)

經(jīng)積分得到環(huán)隙的平均速度為

(7)

方向上的壓力降可表達(dá)為

(8)

(9)

推導(dǎo)測量原理時，假設(shè)：①探頭壓縮蜂蜜時，與測量杯杯壁接觸的那層蜂蜜靜止不動；②蜂蜜流動時，蜂蜜是分層流動，一層一層地流動；③蜂蜜流動時，蜂蜜黏性引起的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的損失忽略不計。但在實(shí)際測量時，要完全符合上述假設(shè)條件很困難，故引入校正系數(shù)，對實(shí)際測量的結(jié)果進(jìn)行校正，得到如下公式：

(10)

公式(10)中，為探頭壓縮蜂蜜時受到的剪切力(N)，為質(zhì)構(gòu)儀探頭半徑(m)，為測量杯半徑(m)，為探頭下降的速度(m·s)，為蜂蜜黏度(Pa·s)，為測試時間(s)，為校正系數(shù)。

公式(10)應(yīng)用時，需要獲得公式中的校正系數(shù)。對3種蜂蜜進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，得到校正系數(shù)的值為53.3。

本實(shí)驗(yàn)裝置中，質(zhì)構(gòu)儀探頭的半徑為0.017 5 m，測量杯的半徑為0.025 m，由公式(5)計算為0.0211 m，=0.001 m·s，整理得到：

=001。

(11)

公式(11)中的用來表示蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特性，是蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特征值(蜂蜜黏度)。

蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性測試時，質(zhì)構(gòu)儀探頭的運(yùn)動分為兩個階段，第一階段為探頭開始接觸到蜂蜜至完全浸入蜂蜜階段。在探頭浸入蜂蜜過程中，蜂蜜在測量杯與探頭之間開始分層流動，由于各層速度不同，層與層之間發(fā)生了相對運(yùn)動，產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力。隨著探頭的不斷浸入，探頭與蜂蜜流動方向的接觸面積不斷增加，故探頭受到的剪切力不斷增加。另一階段為探頭完全浸入蜂蜜。探頭完全浸入蜂蜜后，各層流之間的相對運(yùn)動趨于穩(wěn)定，各層流之間的內(nèi)摩擦力也就趨于穩(wěn)定，探頭與蜂蜜流動方向的接觸面積不再發(fā)生變化，故探頭受到的剪切力不再變化。故公式(11)表示的探頭所受到的剪切力可表示為：

(12)

公式(12)中，為探頭完全浸入蜂蜜的時間，s。

綜上為蜂蜜質(zhì)構(gòu)的測量原理。

1.3.2 測量方法

在25 ℃下，枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜各取50 mL置于測量杯中，利用A/BE35探頭測試蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特性，每種蜂蜜測量3次。

模式：質(zhì)構(gòu)儀探頭下壓測量剪切力；測量條件：測試前速度3 mm·s，測試速度1 mm·s，測試后速度10 mm·s，壓縮距離18 mm。

說明：質(zhì)構(gòu)儀探頭自接觸到蜂蜜后下壓18 mm，然后探頭返回起點(diǎn)。

水分含量與溫度是影響蜂蜜流變特性的兩個重要因素。有研究表明，在25 ℃左右時，細(xì)微的蜂蜜水分含量的差異不會對黏度造成太大影響。經(jīng)測定，本實(shí)驗(yàn)所用3種蜂蜜的水分含量均在17.6%～18.3%，蜂蜜水分含量差距較小，水分含量對蜂蜜質(zhì)構(gòu)特征的影響可忽略不計。

1.4 數(shù)據(jù)處理

取每種蜂蜜測量3次的平均值為最終結(jié)果，采用SPSS25.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析，用Origin2019b軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨測試時間的變化

使用質(zhì)構(gòu)儀對枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測試，質(zhì)構(gòu)儀探頭下壓蜂蜜過程中所受到的剪切力與測試時間的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著測試時間的延長，探頭所受到的剪切力先逐漸增加，經(jīng)過一段時間后保持不變。在0～5 s，質(zhì)構(gòu)儀探頭壓縮3種蜂蜜時所受到的剪切力均隨測試時間的延長而增加。在測試時間大于5 s后，探頭受到的剪切力保持不變，不再隨著測試時間的增加而增加。其中，探頭壓縮洋槐蜂蜜時受到的剪切力最大，其力的穩(wěn)定值為0.44 N；其次為探頭壓縮紫云英蜂蜜時受到的剪切力，其力的穩(wěn)定值為0.26 N；探頭壓縮枸杞蜂蜜時受到的剪切力最小，其力的穩(wěn)定值為0.22 N。

圖2 質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨測試時間的變化

質(zhì)構(gòu)儀探頭壓縮3種蜂蜜時受到的剪切力均在探頭壓縮蜂蜜5 s后不再增加，說明探頭在測試時間為5 s時完全浸入蜂蜜，測量杯與探頭間的蜂蜜流體層受到的內(nèi)摩擦力不變，故探頭受到的剪切力也不再增加。探頭壓縮洋槐蜂蜜受到的剪切力最大，說明其黏度最大；探頭壓縮枸杞蜂蜜受到的剪切力最小，說明其黏度最小。這符合上述質(zhì)構(gòu)測量原理的理論推導(dǎo)，見公式(11)。

用SPSS25.0軟件對不同品種蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性的測試結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜的變異系數(shù)分別為0.07%、0.90%、2.91%，均小于10%，表明使用質(zhì)構(gòu)儀測定蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性的精密度較高。經(jīng)分析，3種蜂蜜的組間顯著性為0，表明3種蜂蜜之間有顯著性差異。在LSD的多重比較中，枸杞蜂蜜與洋槐蜂蜜的組間顯著性為0，枸杞蜂蜜與紫云英蜂蜜的組間顯著性為0.004，洋槐蜂蜜與紫云英蜂蜜的組間顯著性為0。3種蜂蜜兩兩比較均有顯著性差異(<0.05)，說明枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性差異較大。

表1 不同品種蜂蜜對探頭力的作用

2.2 質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨其壓縮距離的變化

使用質(zhì)構(gòu)儀對枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測試，質(zhì)構(gòu)儀探頭下壓蜂蜜過程中所受到的剪切力與壓縮距離的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，隨著壓縮距離的增加，探頭所受到的剪切力先逐漸增加，經(jīng)過一段時間后保持不變。在壓縮距離為0～5 mm范圍內(nèi)，質(zhì)構(gòu)儀探頭壓縮3種蜂蜜時所受到的剪切力均隨壓縮距離的增加而增加。在壓縮距離大于5 mm后，探頭受到的剪切力保持不變，不再隨著壓縮距離的增加而增加。其中，探頭壓縮洋槐蜂蜜時受到的剪切力最大，其力的穩(wěn)定值為0.44 N；其次為探頭壓縮紫云英蜂蜜時受到的剪切力，其力的穩(wěn)定值為0.26 N；探頭壓縮枸杞蜂蜜時受到的剪切力最小，其力的穩(wěn)定值為0.22 N。

圖3 質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨壓縮距離的變化

質(zhì)構(gòu)儀探頭壓縮3種蜂蜜時受到的剪切力均在探頭下壓5 mm后不再增加，說明探頭在壓縮距離為5 mm處完全浸入蜂蜜，測量杯與探頭間的蜂蜜流體層受到的內(nèi)摩擦力不變，故探頭受到的剪切力也不再增加。探頭壓縮洋槐蜂蜜受到的剪切力最大，其次為探頭壓縮紫云英蜂蜜時受到的剪切力，再次為探頭壓縮枸杞蜂蜜時受到的剪切力。探頭受到的剪切力大，說明蜂蜜的黏度大，反之，探頭受到的剪切力小，說明蜂蜜的黏度小。

2.3 蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性的測定結(jié)果

使用Origin2019b軟件對質(zhì)構(gòu)儀探頭壓縮3種蜂蜜時受到的剪切力與測試時間的變化關(guān)系進(jìn)行了回歸分析。限于篇幅所限，現(xiàn)以枸杞蜂蜜為例，在質(zhì)構(gòu)儀探頭從接觸到蜂蜜表面至完全浸入蜂蜜這一階段，對質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力與測試時間的變化關(guān)系進(jìn)行了回歸分析，分析結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出，質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨測試時間變化的測定結(jié)果可用一元線性方程式表示，該方程式可以用來描述質(zhì)構(gòu)儀測定枸杞蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性時，質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨測試時間變化的各數(shù)據(jù)點(diǎn)。質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨測試時間變化的測定結(jié)果經(jīng)回歸分析后，回歸方程式符合公式(12)的形式，說明蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性測定時，其測量原理正確。

圖4 探頭壓縮枸杞蜂蜜受到的剪切力與測試時間的關(guān)系

質(zhì)構(gòu)儀探頭壓縮3種蜂蜜受到的剪切力與測試時間的關(guān)系用Origin2019b進(jìn)行了回歸分析，回歸方程見表2。從表2可看出，洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性回歸結(jié)果可用一元線性方程式表示，回歸方程的分別為0.994 6、0.977 3、0.968 7，擬合結(jié)果較好。根據(jù)3種蜂蜜的回歸方程，可以計算出洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特征值分別為8.01、5.96、5.34 Pa·s。蜂蜜不同，其質(zhì)構(gòu)特性不同。3種蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特征值差異較大，可以用來辨別3種蜂蜜的品種。

表2 探頭受到的剪切力與測試時間的回歸方程

3 結(jié)論

本文采用質(zhì)構(gòu)特性測試技術(shù)測定了枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特性，基于流體在環(huán)形管道中流動的原理推導(dǎo)了蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性的測量原理，分析了3種蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特性測試數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：流體在環(huán)形管道中流動的原理可以用來描述質(zhì)構(gòu)儀壓縮蜂蜜時蜂蜜在測量杯中的流動狀態(tài)，公式(12)可用來表示探頭壓縮蜂蜜過程中的受力情況；回歸分析了3種蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性的測試數(shù)據(jù)，3種蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性測試時，質(zhì)構(gòu)儀探頭受到的剪切力隨測試時間變化的測定結(jié)果可用一元線性方程式表示，回歸方程的均大于0.9，擬合結(jié)果較好；洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特征值分別為8.01、5.96、5.34 Pa·s，3種蜂蜜質(zhì)構(gòu)特征差異顯著，可以用其質(zhì)構(gòu)特征值區(qū)分3種蜂蜜?？傊?，基于蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性的測量原理，采用質(zhì)構(gòu)特性測試技術(shù)測量蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特性，可以獲得蜂蜜的質(zhì)構(gòu)特征值，進(jìn)而區(qū)分蜂蜜的品種。采用質(zhì)構(gòu)特性測試技術(shù)測量蜂蜜質(zhì)構(gòu)特性，裝樣簡單，操作方便、快捷，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可靠性較高，因此，質(zhì)構(gòu)技術(shù)可以用來快速辨別蜂蜜品種。