慕萨莱思熬煮液流变学特性分析

2013-02-21朱丽霞

食品工业科技 2013年24期

朱丽霞，王强

（塔里木大学生命科学学院，新疆阿拉尔843300；南疆特色农产品加工兵团重点实验室，新疆阿拉尔843300）

果汁的流变学特性是果汁加工重要特性之一，其中粘度为加工设备设计的基础性物性参数[1]。基于剪切应力与剪切速率相互关系，能精准反应流体特性的数学模型有阿累尼乌斯方程，指数方程，幂函数等，且这些模型参数值随着果汁种类，果汁浓度，温度等不同而具有很大不同[1-6]。新疆慕萨莱思作为新疆民族传统饮品，以其独特的工艺与独有且突出的典型品质，集地域特色，民族特色和文化特色等为一体，逐渐成为地方经济发展的新型行业，为地方经济发展最具潜力的资源之一。随着市场的推动，地方政府的扶持，产学研的技术支撑，慕萨莱思发展迎来历史上的黄金阶段，目前慕萨莱思发展处于传统加工与规模化生产的交替阶段，传统工艺作坊式的生产表现出不能满足规模化的生产需求的先天性缺陷，各个厂家进行扩大生产，仿照葡萄酒酿造行业的工艺流程与设备进行传统慕萨莱思行业的工艺与设备改造，缺乏科学理论支撑，导致规模化生产弱化或丧失传统慕萨莱思优质典型品质[7]。本研究主要分析慕萨莱思加工熬煮过程中熬煮液流变学特性，分析温度对粘度的影响，浓度对粘度的影响及其两者的综合影响，为慕萨莱思工艺改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

地方葡萄：和田红葡萄市售。

手持糖度仪TZ-62 福建省泉州光学仪器厂；榨汁机LZ-0.5 正广螺旋压榨机；流变仪美国Brook field，R/S+-CC；恒温水浴 Brook field TC-602。

1.2 慕萨莱思熬煮液的准备流程及取样点设置

和田红葡萄→清洗、沥干→榨汁→皮渣→加水（料∶水，1∶3）→熬煮1h左右（常压、铝锅，沸腾，温度约92℃）→过滤→滤液与原葡萄汁混合→熬煮（常压、铝锅，沸腾，温度约92℃）。

在皮渣熬煮中，取10°Brix、15°Brix，在混合熬煮中，取20°Brix、25°Brix的熬煮液，进行-23℃冻藏、备用。

1.3 慕萨莱思熬煮液粘度测定

通过温控系统设定温度梯度为15、25、35、45、55℃，剪切率范围设置50～1000s-1。将上述参数设定之后，将浓度为20°Brix慕萨莱思熬煮液进行测量剪切应力的变化。

1.4 温度、浓度对粘度的影响

对10、15、20和25°Brix慕萨莱思熬煮液，从低浓度到高浓度逐个测定在5、25、35、45、55℃温度下的粘度，剪切速率设置300s-1。每次测量结束后用蒸馏水冲洗，并相应汁液润洗，重复上述操作3次取平均值。

测量注意事项：将四种浓度的熬煮液融化，各取30m L左右，用纱布粗过滤除去残留的果籽，防止干扰粘度测量。将熬煮液倒入转子中，将转子固定在流变仪上，保持与流变仪垂直。

1.5 数据处理软件

博勒飞流变仪自带分析软件及M ircorsoft 2007 Excel。

2 结果与分析

2.1 慕萨莱思熬煮液流体特性确定

以浓度为20°Brix的熬煮液剪切应力与剪切率在不同温度下的关系为例，根据测量数据可知，慕萨莱思熬煮液在不同温度下剪切速率（D）与剪切应力（τ）之间呈线性关系（图1），液体所受到的剪切应力与剪切速率成正比，其比例系数就是粘度η。因此，熬煮液在试验温度下剪切应力（τ）与剪切速率（D）适合于牛顿粘性定律：η=τ/D，即，熬煮液在所测浓度下都表现为牛顿流体。

图1 葡萄汁熬煮液（20°Brix）流变学曲线Fig.1 Rheological curve of the boiled grape juice（20°Brix）

2.2 温度对流变学特性的影响

图2 温度对葡萄汁熬煮液粘度的影响Fig.2 Effect of temperature on viscosity of boiled grape juice with increasing concentration

根据不同浓度的熬煮液在不同温度下的粘度变化（见图2），可知随着温度的升高发酵液粘度逐渐降低，其下降速率与温度和浓度有关。低浓度的熬煮液受温度的影响较小，熬煮液浓度逐渐增大受到温度的影响也越来越大（见表1）。

表1 不同浓度葡萄汁熬煮液粘度差Table1 The difference of viscosities of boiled grape juice under different concentration

温度对粘度的影响可以用阿累尼乌斯方程（Arrhenius方程）来表示：

式（1）中η为黏度，单位为Pa·s；k0为常数，单位Pa·s；Ea为流体活化能，单位为J/mol；R为气体常数（8.351K/mol）；T为绝对温度，单位K。可以将式（1）转化为：

根据式（2）作图得图3，从图3中可以看出lnη与1/T成线性关系。

图3 温度对葡萄汁熬煮液粘度的影响Fig.3 The effect of boiled grape juice with increasing temperature on the viscosity

按不同的浓度得出线性方程如表2：

表2 不同浓度下的粘度与温度的线性方程Table2 The line equations between viscosity and temperature associated with different°Brix

方程中的相关系数R2≥0.9926，说明方程式能很好的反应1/T对熬煮液粘度lnη的影响

图3中的斜率表示Ea/R，截距表示ln（K0）。不同浓度熬煮液的流动活化能（Ea）与频率因子K0的数值进行分析总结（见表2），得到流动活化能（Ea）随着熬煮液浓度的上升而增加，频率因子（K0）随着浓度上升而减小。熬煮液活化能与频率因子存在一定补偿关系。

表3 不同温度下熬煮液的流动活化能（Ea）与频率因子（K0）Table3 The active energy（E）a and frequency factors of boiled grape juice under different temperature（K0）

2.3 浓度对流变学特性的影响

牛顿流体的浓度与粘度成指数关系形式：

k1、A1为常数，C为以°Brix示的熬煮液浓度。实验结果如图4。

图4 浓度对葡萄汁熬煮液粘度的影响Fig.4 The effectof boiled grape juice with different increasing concentration on the viscosity

由图4可知各个曲线指数函数关系其变化指数数学模型见表4。

表4 不同温度下粘度与浓度的指数方程Table4 The exponential equations between concentration and viscosity associated with different temperatures

2.4 温度、浓度对流变学特性的综合影响

根据表3制作流动活化能Ea和频率因子K0与浓度之间C之间的关系图（图5与图6），并得出拟合方程。熬煮液活化能和频率因子与浓度之间呈现指数关系形式，关系式为：

将方程（4）和（5）式的指数方程代入（1）式中经过转换可以得出以下综合方程：

图5 葡萄汁熬煮液浓度C对活化能Ea的影响Fig.5 The effectof concentration（C）of boiled grape juice on the active energy（Ea）

图6 浓度C对频率因子K0的影响Fig.6 The effectof concentration（C）of boiled grape juice on the frequency factor（K0）

3 讨论

本论文首次对慕萨莱思酿造关键工序—熬煮工序中葡萄熬煮液的流变学特性进行分析，在实验设计中，在详细了解慕萨莱思传统与现代工艺基础上，将熬煮程度确定为10～25°Brix。将温度范围确定为15～55℃。在此基础上得到的流体力学特性，将为慕萨莱思熬煮设备选型，熬煮液的管道运输，乃至自动化控制等现代化的设计提供必要的理论基础。

据相关报道，在果汁加工中，不论是浓缩汁[1-6]，还是澄清汁[8-9]，温度与组分浓度对流体的影响均表现为牛顿流体特性。在特定浓度下，随着温度的升高，熬煮液粘度降低，而在特定温度下，随着浓度的增加，葡萄熬煮液粘度增加，浓度上升粘度增大[1-10]。本试验中，浓度范围介于澄清汁与浓缩汁之间，同样表现为上述规律特性。参考相关文献[10-12]，分析原因，前者可能是随着温度升高，液体体积膨胀，使单位体积密度减小分子数降低导致粘度降低；温度升高，使分子运动剧烈，分子间作用力减小，导致粘度降低。后者原因可能为熬煮液浓度增加液体中固形物的浓度随之上升导致粘度增大；熬煮液主要组分浓度增加，各类分子之间的距离减小，相互之间作用力增大使粘度变大；各组分浓度增加密度增大导致粘度变大；溶液中悬浮着葡萄榨汁后的残留物，随着溶液浓缩，单位含量增加使液体粘度变大