仙人掌果果汁的流变学特性

侯燕杰，郭玉蓉，牛鹏飞

(陕西师范大学 食品工程与营养科学学院，陕西 西安，710119)

仙人掌原产地为南美洲，墨西哥是世界上仙人掌产量最大的国家[1]，在我国海南等沿海亚热带地区也有部分种植[2]。仙人掌果是仙人掌属的果实，成熟果实果肉呈现红色，含有丰富的氨基酸和矿物质元素，除此之外多糖、膳食纤维和蛋白质也占据较大比例[3]。据古医学记载，仙人掌果能够止咳解毒、活血祛瘀、清热、生肌[4]。现代医学研究表明仙人掌果提取物有助于伤口愈合，有效增强肌肤保水性。仙人掌果以其独特的颜色和营养价值得到越来越多的关注，在热带和亚热带地区的国家，鲜果已经作为一种鲜食水果和加工原料被广泛应用，并开发了部分产品[5]。我国也有仙人掌果的生产，但因其果皮带刺，内部含有八角刺，果肉多籽且味偏酸，口感略微苦涩而难以食用。仙人掌果属于浆果类，不易储藏，最常见的解决方式是加工为果汁或果酱，便于长时间存放。目前对仙人掌果的研究主要是成分分析和与其他果汁的复配[6-7]等，对于果汁的流变特性研究甚少。而流变性是果汁或者其他液体类产品的一个极其重要的参考标准，对其进行流变特性的研究可以有效地判断果汁的加工特性，改善共流变特性直接影响消费者的口感和产品销量。本实验对仙人掌果果汁的流变特性及其影响因素进行了探究。

1 材料与方法

1.1 材料

仙人掌果在海南采摘后当日空运至陕西西安，储存于冷库中，去皮去籽后榨汁得到仙人掌果果汁。

1.2 主要仪器设备与试剂

AR-G2型流变仪，美国TA公司；RVDV-Ⅱ+Pro型黏度计，美国博利飞公司；FE20K PLUS pH计，梅特勒托利多中国有限公司；HH-S4型电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；PAL-1数显折射仪，日本ATAGO公司；MS7-H550-S数显加热型磁力搅拌器，大龙兴创实验仪器(北京)有限公司；GZX-9146 MBE型普通热风干燥箱。

食品级柠檬酸，碳酸二氢钠，购自西安晶博生物科技有限公司；食用白砂糖，购自陕西华润万家超市。

1.3 试验方法

1.3.1 对仙人掌果果汁的总糖、水分含量、pH值和糖度进行检测

参照罗香[8]的方法对果汁总糖、水分含量检测。

1.3.2 流体判定

仙人掌果原果汁使用AR-G2型流变仪，温度和应变恒定，改变剪切速率0.1～600 s-1，判断果汁的流变类型。

1.3.3 浓度、温度、pH和糖度对仙人掌果果汁黏度影响

(1)仙人掌果原果汁稀释到含量为85%、75%、65%、55%、50%(质量浓度)，搅拌均匀后在转速200 r/min条件下测其黏度变化；

(2)原果汁分别于40、50、60、70、80、90 ℃的水浴锅中加热1 h，冷却至室温后搅拌均匀，在转速200 r/min条件下测其黏度变化；

(3)取原果汁分别用柠檬酸和碳酸钠溶液调节pH，使其分别为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0，搅拌均匀转速200 r/min条件下测其黏度变化；

(4)取原果汁边搅拌边加入食用蔗糖，得到10、15、20、25、30、35、40°Brix的待测样，用磁力搅拌器搅拌15 min，使用黏度计在转速200 r/min的条件下测定其黏度变化。

1.3.4 温度和质量浓度对仙人掌果果汁黏度的影响

将原果汁稀释到果汁含量为40%、45%、50%、55%、60%和65%，每个浓度均在50、60、70、80和90 ℃的水浴锅中加热1 h，搅拌均匀后在200 r/min转速下测定果汁黏度。

1.4 数据分析

采用SPSS 18.0进行数据分析，采用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 仙人掌果果汁的基本指标

对仙人掌果果汁的基本指标进行检测，得到表1。结果表明仙人掌果中水分占绝大部分，与印榕仙人掌果的研究[8]一致，水分含量充足，食用时有多汁、饱满且新鲜的愉悦感；实验中的仙人掌果总糖含量为6.96 %，略高于甘孜仙人掌果的总糖含量[5]，食用时呈现甜而不腻、酸而不涩的感觉，对减肥人群而言是一种新的选择。

表1 仙人掌果果汁的基本指标Table 1 The basic indexes of cactus fruit juice

2.2 流变型结果

采用流变仪对仙人掌果果汁的流变特性进行测定，得到图1。ζ=kSn为判定溶液类型的常用方程，其中ζ为剪切应力(Pa)，S为剪切速率(s-1)，k 和n为常数。对果汁剪切应力随剪切速率变化的曲线拟合得到方程y=3.396 1x0.561，且R2=0.994 7，表明方程可以用来描述果汁的流变特性。式中n=0.561<1，表明仙人掌果果汁为假塑性液体。因为果汁中糖分子以长链形式存在，相互缠绕重叠，随着剪切速率增大，互相缠绕的形式受到破坏的程度增大，宏观上呈现黏度随之降低，从而表现出剪切稀化的现象，这一结果与火龙果汁[9]的研究一致。

图1 仙人掌果果汁流变曲线Fig.1 The flow curve of cactus fruit juice

2.3 质量浓度、温度、pH和糖度对仙人掌果果汁黏度影响

图2分别为浓度、温度、pH和糖度对仙人掌果果汁黏度影响曲线。图2-a中果汁黏度随着浓度的增加而增强，当浓度为100%时果汁黏度最大，为215.21 (mPa·s)，随着质量浓度减小其黏度显著下降，当浓度为40%黏度最小，为109.72 (mPa·s)，果汁中含有大量果胶，质量浓度高时分子链折叠并互相缠绕，阻碍溶液流动，黏度较大；当浓度减小，溶液中分子链相对分散，对溶液流动阻碍程度降低，黏度较小。图2-b中果汁黏度随温度升高而降低，当温度为40 ℃时黏度最大，达到640 (mPa·s)，仙人掌果果汁中大分子物质之间及与其他可溶性物质会联结，形成较为紧致的结构[10]。随着温度增加，果汁中的分子结构受到一定程度破坏，使其折叠和缠绕程度下降，黏度逐渐下降，当温度为90 ℃黏度最小，为171 (mPa·s)。图2-c中果汁黏度随pH增加呈现先增加后减小的趋势，当pH为5时，黏度最大为183.58 (mPa·s)，pH逐渐升高时，果胶分子间排斥作用小，分子链间距离小，氢键容易形成，且网状结构稳定增加，黏度逐渐增大，pH达到一定值后，分子间排斥力增大，间隔增大，使体系不稳定，黏度开始下降。图2-d中随着糖度增加，果汁黏度先下降后增加，当糖度为25 °Brix时黏度最小，为125.62 (mPa·s)，在果汁自身pH条件下，由于氢键的形成，使得分子结构稳定性下降，逐渐加入糖，疏水作用使分子网状结构能维持稳定，因而果汁黏度会逐渐增强，随着糖的大量增多，果汁体系由于缺乏水分子导致果胶分子之间的结构难以维持，果汁黏度会突然增大。

图2 4种条件对果汁黏度变化影响曲线Fig.2 Effect of four factors on the viscosity of juice

2.4 温度对仙人掌果果汁黏度的影响

不同浓度下探究温度对果汁黏度影响，得到图3。由图3可知，随着温度增加，果汁黏度迅速降低，且浓度越高下降速度越快，其黏度受到温度影响越大。由于温度升高，分子运动加剧，氢键作用力减弱，分子链间距增加，果汁中分子之间及与其他物质联结程度减弱，致密结构被破坏，使得体系稳定性下降，因此黏度降低。

图3 温度对果汁黏度影响Fig.3 Effect of temperature on the viscosity of juice

通常，温度对液体黏度影响的公式为阿累尼乌斯指数方程(Arrhenius)[11-12]，即公式(1)

η=k0exp(Ea/RT)

(1)

式中：η表示表观黏度，(Pa·s)；k0表示频率因子(常数)；Ea表示流动活化能，J/mol；R表示气体常数8.315,J/(K·mol)；T表示绝对温度,K，且T=273.15+t(℃)。

对公式(1)两边同时取对数，转化为lnη=Ea/(RT)+lnk0，计算不同浓度下温度对仙人掌果果汁黏度影响，得到表2，表中各浓度下回归方程R2均大于0.99，表明方程可以很好的表示温度对果汁黏度的影响。随着浓度减小，方程斜率和截距均呈现减小的趋势，根据斜率Ea/RT和截距lnk0，计算可得到不同浓度果汁的Ea和k0值，即表3，Ea随仙人掌果果汁浓度的减小而减小，k0值随果汁浓度减小而增加，说明流动活化能会与频率因子之间有一定补偿的关系，浓度升高，分子运动受到阻碍，所需能量增加。因此运输和加工过程可适当升温以达到增加果汁流动性的目的。

表2 温度对果汁黏度影响线性回归拟合方程Table 2 The equation for the effect of temperature on viscosity of juice

2.5 浓度对仙人掌果果汁黏度的影响

不同温度下探究浓度对仙人掌果果汁黏度的影响，得到图4。

表3 仙人掌果果汁的Ea和k0值Table 3 The Ea and k0 values of cactus fruit juice

图4 浓度对果汁黏度影响Fig.4 The effect of concentrations on the viscosity of cactus fruit juice

由图4可以看出随着质量浓度的增加，果汁黏度增加，温度越低增长趋势越明显。果汁质量浓度增大，体系中分子数目增多，分子链间距变小，分子间互相缠绕折叠，减弱体系的流动性，在宏观上表现出搅拌阻力增大，因此黏度增大。

果汁质量浓度对其黏度的影响可以通过指数方程和幂函数方程具体表示[13-18]。即：y=k1ekx，y=k2xa，其中k1、k、k2、a均为常数；y为黏度，Pa·s；x为果汁质量浓度。对不同温度下果汁黏度和质量浓度的关系进行拟合，得到表4。

表4 质量浓度对果汁黏度影响指数和幂函数拟合方程Table 4 Index equation and power function of effect of concentrations on the viscosity of juice

由表4可以看出，方程R2值均大于0.97，表示两种方程均可以表征质量浓度对黏度的影响；对比可得，同一温度下，指数方程R2值明显大于幂函数，因此仙人掌果果汁质量浓度对黏度的影响更符合指数关系，这一结果与苹果汁[19]的研究一致。试验条件下可以得到黏度和浓度的具体关系，实际生产中通过浓度估算果汁的黏度，达到采取合理的方式储存运输和加工的目的。

3 结论

通过对仙人掌果果汁的流变学特性研究，在试验条件下为假塑性流体，随着剪切速率增加呈现变稀现象。探究温度、浓度、pH和糖对果汁黏度影响，得出随着浓度减小、温度升高和糖含量减少，果汁黏度减小，而随着pH的增加，果汁黏度先增加后减小。不同质量浓度下温度对果汁黏度的影响可以转化为线性回归方程表示，且活化能Ea随着质量浓度增加而减小；而不同温度下浓度对果汁黏度的影响可以用指数方程表示。在试验条件范围内，可以为实际加工和运输过程中黏度的估算和保存提供借鉴，也可为仙人掌果在不同条件下产品的生产和品质的研究奠定基础。