高压均质处理对橙汁流变特性的影响

王子宇，王智颖,2，罗港,2，雷爱玲，陈厚荣，张甫生*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学 西塔学院，重庆，400715)

橙汁是世界上产量和销量最大的果汁，截至2019年，我国橙汁的出口量为3 760 t，出口金额708.4万美元。因此提升橙汁加工品质，提高产品竞争力，拥有广阔的应用前景[1]。根据近年来关于消费者对于果汁喜好度的研究，消费者们近年来越发关注果汁的流变特性，如黏度、黏弹性、黏滑性、口腔摩擦特性等内容[2-3]。果蔬汁的流变特性是评价口感的重要指标，不同流变特性的果蔬汁在口感上存在明显的差异[4]。然而目前对于橙汁口感方面的研究较少，因此越来越多的学者开始关注研究橙汁的口感问题。

高压均质(high pressure homogenization, HPH)是一种新兴的非热加工方式，常用于果蔬汁加工。在HPH处理过程中，果蔬汁通过均质阀中狭窄的可调间隙而获得高压、高速，从而产生压力梯度、剪切力、高速碰撞、空穴效应等作用[5]，从而降低果蔬汁中果胶等可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)的分子质量(molecular weight,Mw)，可用于改变果蔬汁的流变特性[6]。例如使用HPH处理冷冻浓缩橙汁，会导致其损耗模量(G″)、储能模量(G′)和复合黏度(G*)降低，使得口感更加细腻[7]。测定HPH处理后番茄汁的蠕变和恢复性能，证明了HPH处理可以改变其黏性和弹性，口感大大改善[8]。此外，用Herschel Bulkley模型对胡萝卜汁流动特性的拟合结果证明，HPH处理能显著降低黏度系数K值和提高流动系数n值，使得表观黏度更低，流动性更强[9]。但是这些研究很少将流变特性与口感相结合，也未从溶质等微观颗粒入手进一步分析流变特性改变的影响因素。

橙汁是一种主要由多糖形成的分散系，每100 mL的非浓缩还原橙汁中，含碳水化合物10.0 g，其中主要包括纤维素和SDF，另外约有蛋白质0.5 g[10]，而在粗滤等加工流程中可除去大部分木质素、纤维素等不溶性多糖。以果胶为主的SDF的结构变化是造成非浓缩还原橙汁流变特性改变的主要原因，且比蛋白质对橙汁流变特性造成的影响更大[11]。本研究选用工业上常用来榨汁的爱媛38号果冻橙作为研究对象，进行0～100 MPa 的HPH处理，测定橙汁流动指数、表观黏度、黏弹性、摩擦学等流变特性的变化，并通过研究橙汁中SDF的结构改变研究其相互关系。以期改善橙汁的产品特性，使得不同条件下生产的橙汁能在口感上适用于不同消费者，为橙汁的加工生产和口感改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

爱媛38号果冻橙，产自四川眉山；KBr(分析纯)、丙酮，成都市科隆化学品有限公司；95%(体积分数)乙醇、三氯甲烷，重庆川东化工(集团)有限公司；甲醇(光谱纯)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器试剂

WF-B2000榨汁机，永康市天歌电器有限公司；超高压均质机，宁波新芝生物科技股份有限公司；JM-LB80-1D胶体磨，温州小杰机械公司；MCR302990000安东帕流变仪，奥地利安东帕(中国)有限公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司；Spectrum 100傅里叶红外光谱仪，美国Perkin Elmer公司；Phenom Pro10102扫描电子显微镜，荷兰Phenom World公司；Waters 2414凝胶色谱仪，沃特世科技(上海)有限公司；SHZ-D水循环式多用真空泵，河南省予华仪器有限公司；DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；HH-ZK8数显恒温水浴锅，巩义市予化仪器有限责任公司；FA1004A电子分析天平，上海精天电子仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 橙汁的处理

新鲜橙子清洗去皮后，切分榨汁，粗滤后用胶体磨均化处理5 min，使橙汁的粒径在10 μm以下。将均化好的橙汁进行HPH处理，进样温度控制25 ℃，均质压力选择20、40、60、80、100 MPa。

1.3.2 流变特性的测定

使用安东帕流变仪测定橙汁的流变特性，选用CP 60-1锥板和BC 12.7探头测定。设定参数如下[6-7, 12]：

设定剪切速率为对数变化规律，由0.1～100 rad/s，取点30个，每30 s取1次点，进行橙汁流体性质和表观黏度的测定。

先在1 s-1的频率下进行振幅扫描，测得橙汁线性黏弹区在形变量γ为1%～7%。设定形变量γ为5%进行频率扫描，剪切速率以对数变化规律从0.1～10 rad/s，一共取点20个，测定橙汁的储能模量G′和损耗模量G″。

设定预剪切速率为1 rad/s，测定速率3 rad/s，温度在4～50 ℃线性变化，升温速率1 ℃/min，0.25 min取1个点，进行橙汁温度扫描测定。

设定预剪切速率1 rad/s，恒定剪切速率5 rad/s，剪切时间300 s，每10 s取点1次。进行橙汁时间扫描测定。

设定测试恒定温度T=25 ℃，恒定法向力FN=0.1 N，滑动速率Vs以对数变化规律从0.002～0.2 m/s，取点30个，每20 s取1个点。进行橙汁Striback曲线测定。

1.3.3 粒径分布和Zeta电位的测定

使用Nano-激光纳米粒度分析仪测定橙汁粒径分布情况和Zeta电位。设定测定条件[13]：溶质折射率为1.060，吸收率0.001，溶液折射率为1.33，温度25 ℃，黏度0.887 2 mPa·s，介电常数为78.5，粒径范围为0.3 nm～10 μm。将橙汁稀释100倍后，选择PSD模式测定粒径分布，选择电位模式测定Zeta电位。

1.3.4 多糖溶质的提取

量取50 mL的橙汁，加入95%(体积分数)乙醇150 mL，水浴煮沸20 min，冷却后用G4沙芯漏斗(孔径5～15 μm)过滤，不溶物用95%(体积分数)煮沸乙醇100 mL，及氯仿与甲醇混和液(体积比为1∶1)50 mL冲洗，再用丙酮冲洗，最后得到均一、白色粉末状固体，于35 ℃烘箱中干燥至恒重，即得橙汁中大分子溶质。其中大部分为果胶等膳食纤维[14]。

1.3.5 傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析

采用KBr压片法，取0.01 g干燥样品，放入玛瑙研钵中，加入1.00 g干燥的KBr，研磨混匀。取100 mg研磨后的粉末，抽气加压维持约3 min成片，之后放入红外光谱仪中进行FTIR测定。设定扫描次数32次，分辨率4 cm-1，扫描范围：400～4 000 cm-1[15]。

1.3.6 分子质量(Mw)的测定

称取溶质混合物3 mg加入3 mL超纯水中，静置溶解3 h，过0.45 μm的水相滤膜，测样。选取聚苯乙烯PS标准样品，按照1 mg/mL配置成浓度梯度。设定流速为v=1 mL/min，单次进样1 mL[16]。经拟合，标准样品的标准曲线方程为：。

1.3.7 扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)观察

将干燥大分子溶质磨成粉末状，粘于铜台上镀金，送入电镜观察。SEM测试参数[17]：真空度10-2～10-3Torr，溅射电压1.1～1.2 kV，镀膜时间2～3 min。镀膜后样品放置10 min。

1.3.8 数据分析与处理

数据整理采用Microsoft 365；显著性分析采用SPSS 22.0；数学模型拟合采用Matlab R2016a；图片绘制采用Origin 8.6；所有样品平行实验3次，结果均采用“平均值±标准差”表示。P<0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 流变特性的测定

2.1.1 流体特性测定

橙汁的剪切应力-剪切速率的关系可以反映其流体特性，采用Herschel Bulkley模型对不同压力HPH处理后的橙汁流体特性进行拟合，结果见表1。从表1可以看出，在0～100 MPa内，橙汁呈现典型的假塑性，且随着均质压力的提高，橙汁的流动系数n值逐渐升高，黏度系数K值呈现明显的降低趋势，假塑性明显增强。较低的K值和较高的n值表示橙汁流动性更强，黏稠度更低，在口感上更有清汁的口感[18]。相比未处理组，20～60 MPa的HPH处理使得橙汁的n值有所升高，K值有所降低；n值升高率分别为：19.94%、41.01%、58.99%；K值降低率分别为：22.86%、34.29%、45.71%。而在80～100 MPa处理下，橙汁的n值的升高速率和K值的降低速率更快，n值分别升高63.48%、76.12%，K值分别降低68.57%、77.14%。这表明，80～100 MPa的HPH处理能更加显著地改变橙汁的流变特性，使得橙汁更稀、黏度更小。屈服应力σ0非常低，表明橙汁体系主要呈现为液体形态，施加较小的力就可使体系产生形变。R2较大，表明拟合效果好。综上，HPH处理能有效降低橙汁的黏度，增强其假塑性，让橙汁更稀。20～60 MPa的HPH处理可以降低橙汁的黏度，更适合青年人的口感；而80～100 MPa的处理下，橙汁黏度更低，相比更符合儿童和老年人的口感需求。橙汁在HPH过程中，流体结构发生改变是因为SDF大分子物质可在果汁中相互缠绕联结形成网络结构，并与水分子相互络合，使得橙汁具有黏度[19]。而在HPH处理过程中，橙汁中的SDF大分子物质被打碎越充分，平均分子质量Mw逐渐降低，使得橙汁中舒展开的空间网状结构变小或被破坏[20]，橙汁内部构造减弱，内部分子结合而形成的阻力由于构造破坏而减少，流动特性逐渐增强[4]。

表1 高压均质橙汁流体的类型Table 1 Determination of fluid types in orange juice treated by high pressure homogenization

2.1.2 表观黏度测定

从图1看出，随着剪切速率的提高，橙汁黏度明显降低，橙汁呈现典型的假塑性。在0～100 MPa范围内，随着均质压力的升高，橙汁的黏度逐渐降低。在0.1 s-1的剪切速率下，相比未处理组，20 MPa处理的橙汁黏度略微降低了5.4%。在40～60 MPa处理后，橙汁的黏度有较大幅度的下降，分别降低25.43% 和39.29%。加压80～100 MPa后，橙汁黏度大幅降低，分别降低43.18%和74.06%。这是由于随着均质压力的升高，橙汁中对黏度起决定性作用的SDF被打碎，平均分子质量Mw降低，链长变短[21]。分子链的变短，降低了膳食纤维分子发生碰撞的几率，减少了其形成大分子质量物质的联结点，降低了共价键、疏水相互作用、氢键等作用，使得橙汁中的内聚力降低[22]，表现为橙汁的黏度降低。压力越高，黏度降低越明显。可以看出在20～60 MPa处理下的橙汁，相比未处理橙汁具有更低的黏度，饮用时更加顺滑；而在80～100 MPa处理下，橙汁黏度进一步降低，橙汁口感越稀。

图1 表观黏度测定Fig.1 Measurement of apparent viscosity

2.1.3 频率扫描测定

由于在平行板1 μm的测定间隙内，部分SDF分子直径大于此间隙，大分子物质会在此区域内伸展开，并结合成为一种“弱凝胶”的结构[23]。由图2可见，均质压力从0 MPa增至100 MPa，橙汁的G′和G″均呈现下降趋势，tanδ=1的临界胶凝点逐渐趋于低剪切速率。G′和G″所呈现的趋势均为：未处理组>20 MPa>40 MPa>60 MPa>80 MPa>100 MPa，在低频率剪切时，体系主要发生弹性形变，G′

图2 频率扫描测定Fig.2 Measurement of frequency scanning

2.1.4 温度扫描测定

从图3可以看出，随着HPH压力的升高，橙汁的表观黏度逐渐降低，同温度下的黏度大小与表观黏度、频率扫描结果保持一致。同时可见，随着温度的升高，各组橙汁的表观黏度均呈现下降的趋势，在4～25 ℃，表观黏度降低较快，25 ℃之后温度降低较慢。这一方面与橙汁的密度有关，低温时橙汁密度ρ较大，随着温度升高，ρ逐渐降低，造成表观黏度降低[25]；另一方面，低温时橙汁中SDF大分子物质互相交缠连接，形成的体系较为稳定，但随着温度升高，其结构逐渐变化，分子舒展开来，且分子动能增加，使得橙汁流动性增强，黏度降低[26]。橙汁最佳入口温度为8～12 ℃，测得10 ℃下橙汁的表观黏度，在20～60 MPa的处理下分别降低29.4%、35.1%、44.9%，而在80～100 MPa处理后分别降低54.2%、61.3%，降低幅度明显高于20～60 MPa处理组。这表明在10 ℃下饮用橙汁时，20～60 MPa处理的橙汁黏度有所降低，而在80～100 MPa的处理下橙汁更稀，更具清汁的口感。

图3 温度扫描测定Fig.3 Measurement of temperature scanning

2.1.5 时间扫描测定

图4表明，在20～100 MPa内，随着均质压力的升高，橙汁的黏度呈现逐渐降低的趋势。在5 rad/s的恒定剪切速率下，橙汁黏度随时间呈现先下降后上升最后保持稳定的趋势。橙汁黏度在大约160 s的剪切后达到稳定，此稳定黏度在20～60 MPa的HPH处理后有所降低，分别降低48.6%、53.3%、55.9%；而在80～100 MPa的处理后降低速率更快，分别降低64.0%、73.9%。这与橙汁的表观黏度部分的的分析结果相同。

图4 时间扫描测定Fig.4 Measurement of time scanning

在0～50 s，橙汁黏度略微下降，这是由于其中的SDF大分子物质在平板间隙中形成的“弱凝胶”结构被破坏，橙汁体系的黏度减小。但是在50～150 s，由于剪切速率恒定，膳食纤维分子又相互缠绕连结，在1 mm 的平板上形成了一种弱凝胶的结构。随着时间的增加，恒定的剪切使得其发生碰撞的几率上升，缠绕连结的分子变多，“弱凝胶”的强度增大，表现为表观黏度上升。而150 s之后，表观黏度趋稳，这可能是发生缠绕连结的分子与剪切破坏的分子达到了动态平衡。

2.1.6 Striback曲线测定

Striback曲线是关于流体的摩擦系数μ随滑动速度变化的图象，以0.002～0.2 m/s的滑动速度可以用来模拟橙汁在人体口腔中的摩擦变化情况，进一步反映其口腔摩擦学特性[8]。从图5可以看出， 经过20 MPa的HPH处理后，橙汁的摩擦系数μ值大幅降低，0.2 m/s时的摩擦系数μ值从0.74降低至0.11以下，且均质压力越大，μ值越低。相比未处理组， 20～60 MPa的HPH处理使得μ值降低且逐渐趋于平稳，分别降低85.1%、87.2%、88.1%；当压力达到80 MPa时，橙汁的μ值又大幅降低90.1%；而当压力达到100 MPa时，μ值降低幅度更大，达到了92.2%。由于橙汁的摩擦系数与黏度有密切的相关性，黏度越小的橙汁μ值越小，随滑动速度增加的变化量也越小。这说明越高的压力能更好地打碎橙汁中的溶质颗粒，均质越充分，橙汁溶质颗粒越小，体系越稳定，摩擦系数也越小。在饮用橙汁时，20～60 MPa的橙汁具有较低的摩擦系数μ值，与口腔的摩擦感大大降低，而80～100 MPa处理下的橙汁，μ值降低更多，口感更加细腻润滑。

图5 Striback曲线测定Fig.5 Measurement of Strriback curve of orange juice

同时可以看出，未经HPH处理的橙汁，随着滑动速度的提高，μ值呈现逐渐升高的趋势，而在0.04 m/s以后μ值逐渐趋于稳定。这是由于在未经过HPH处理时，橙汁中的颗粒较大，SDF使得橙汁的黏度较大，在滑动时形成的摩擦力较大，且颗粒与压力面碰撞的几率高，使得μ值较高。而在高于0.04 m/s的剪切速率后，颗粒碰撞对正压力所起的贡献较小，μ值趋于平稳。而经过HPH处理后的橙汁，由于颗粒较小，滑动速率对橙汁的μ值影响减小，μ值曲线一直较为平稳。

2.2 溶质颗粒分析

2.2.1 橙汁粒径分布与Zeta电位分析

HPH处理后的橙汁体系中SDF颗粒直径，橙汁粒径分布见图6，所带电荷和分子质量的测定结果如表2所示。在0～100 MPa内，随着均质压力的升高，橙汁的粒径越来越小，且分布范围越来越窄。未经HPH处理时，橙汁的粒径分布集中在3 000～9 000 nm，平均粒径为5 275 nm。经过20 MPa的HPH处理后，橙汁的粒径分布范围降低至500～4 000 nm，平均粒径降低至1 223.33 nm。这是由于在HPH处理过程中，橙汁由于均质机产生的剪切力、空穴效应等作用，使得其中的膳食纤维大分子物质基本单元的糖苷键、酯键等共价键断裂，碳链变短[21]，分子链长度降低，粒径更小。同时，在40～60 MPa时,随着均质压力的逐渐升高，橙汁的粒径分布范围逐渐偏窄，粒径逐渐变低，这表明较高压力处理后的橙汁更加均一稳定。当压力在80～100 MPa时，粒径降低的效果更为明显。其中在100 MPa时，橙汁的粒径范围主要集中在200～900 nm，平均分子直径为427.5 nm，相比未处理组降低91.9%，相比20 MPa处理降低65.1%。橙汁中SDF粒径的降低，进一步说明了橙汁流动系数n值的升高以及黏度系数K值的降低，从而导致表观黏度和模量的降低。

图6 高压均质橙汁粒径分布图Fig.6 Figure of particle size distribution of HPH orange juice

Zeta电位表示颗粒表面所带电荷量，决定了橙汁的稳定性，可以影响其流变特性。由表2可见，橙汁中的颗粒均带负电荷。未处理组和20 MPa的HPH处理的橙汁电荷数没有显著性差异，均低于-15 mV，体系为不稳定状态。40 MPa处理能将颗粒电荷值升高11.5%，超过-15 mV，使原本处于不稳定状态的橙汁变成亚稳定状态。60 MPa处理后，电荷值显著升高，升高了58.0%。而80～100 MPa的处理后，电荷值升高更快，分别为：65.9%和70.2%。这是由于高压均质打碎了橙汁中的SDF等大分子物质，使得分子数量增多，暴露出更多的带电基团，如羧酸基团[27]，使得电荷值升高，体系更加稳定。

表2 高压均质处理对橙汁中溶质颗粒的影响Table 2 Effect of high pressure homogenization on the dietary fiber and pectin molecular particles in orange juice

2.2.2Mw的测定

根据凝胶色谱分析原理，分子质量较大的化合物出峰时间短。根据橙汁各成分的分子质量范围可以推断，色谱图第一个峰为纤维素，第二个峰为果胶等SDF。从图7可以看出，在0～60 MPa，橙汁中的纤维素出峰时间相差不大，分布范围基本保持不变，分子质量降低没有显著性，说明60 MPa以下的HPH处理对纤维素结构破坏作用不明显。但是经过80～100 MPa的处理后，纤维素的Mw相比未处理组降低有显著性，分别降低1.45%和1.87%。但是粗滤后橙汁中纤维素含量较少，且Mw降低幅度非常低，因此可以认为纤维素的变化对橙汁的流变特性影响不大。

图7 高压均质橙汁溶质分子质量Mw分布图Fig.7 Molecular weight distribution of the solute HPH orange juice

相比纤维素，HPH处理后果胶等可溶性膳食纤维的Mw降低非常明显。随着均质压力的升高，果胶等SDF出峰时间越来越长，这说明了HPH处理会显著降低其Mw，且压力越高Mw越小。经20～60 MPa处理后果胶等SDF分子质量Mw下降率分别为9.14%、22.74%、36.46%，而在80～100 MPa下Mw下降率分别为：41.29%、59.97%，明显高于20～60 MPa。这可以说明正是果胶等SDF分子质量的降低，造成了橙汁黏度和模量的降低，改变了流变特性。这是由于在高速流动、高压剪切的HPH处理过程中，SDF分子被打碎，α-1,4-糖苷键断裂，聚合度显著降低，造成其Mw的下降[5]。越高的压力处理后Mw越低。HPH处理对SDF分子原本形成的相互缠绕连结的网状结构产生了破坏，造成橙汁体系整体黏度和黏弹性的降低[11]。这也很好地解释了橙汁表观黏度和模量降低的趋势。

2.2.3 FTIR分析

FTIR分析可用于对溶质基团结构进行定性和半定量分析。由图8可知，未处理组和HPH处理组的红外吸收峰形状和位置无明显变化，这说明HPH处理没有产生新基团；但是在不同位置的吸收强度有所变化，说明一些基团的数量发生了改变。

图8 高压均质橙汁溶质FTIR分析Fig.8 Analysis of FTIR of solutes in orange juice treated by HPH

HPH处理组的FTIR吸收峰在2 926 cm-1处的甲基基团的C—H不对称伸缩振动峰减弱，1 369.25～1 419.16 cm-1处C—H面内弯曲振动吸收带、536.23～537.17 cm-1碳骨架的吸收峰的吸收率均有降低，说明其碳链变短[28]；882 cm-1处β-糖苷键的特征吸收峰增强，说明破坏暴露了更多的糖苷键[29]。相比未处理组，20～60 MPa处理下，碳链变短，糖苷键变多，证明多糖分子链显著变短；而在80～100 MPa处理下分子链变短更加明显。

FTIR的测定结果证明了HPH处理能有效破坏SDF的结构，使其分子链变短、DM降低，从而影响了橙汁的流变特性。

2.2.4 SEM观察

图9为不同均质压力下橙汁中提取的溶质在扫描电镜下的显微图，其主要成分为果胶等SDF，展现了它们的形态和颗粒大小。从图9可以看出，烘干提取所得的溶质主要呈现团状颗粒，且均质压力越大，颗粒越细。未处理组的团状颗粒平均直径为300～400 μm；在20～40 MPa处理下大于100 μm；在60 MPa 处理后略低于100 μm；而当压力达到80～100 MPa时，颗粒的平均直径远远低于100 μm，其中在100 MPa下仅为20～50 μm，为未处理组的1/6～1/20。

这可能是由于HPH处理破坏了橙汁中SDF的网络结构，破坏了其中的化学键，造成其Mw的降低，因而颗粒逐渐变小。橙汁中溶质颗粒的SEM结构图，和Mw分析结果保持一致，这更加证明了均质压力的提高造成了溶质粒径的降低，从而影响了橙汁流变特性。

A-未处理 500×;B-20 MPa 500×;C-40 MPa 500×;D-60 MPa 500×;E-80 MPa 500×;F-100 MPa 500×图9 不同均质压力下橙汁溶质颗粒扫描电镜观察Fig.9 SEM micrographs on the solute of orange juice treated by different high pressure homogenization

3 结论

HPH处理能有效改变橙汁的流变特性，0～100 Pa内随着压力的升高，橙汁的表观黏度、模量以及摩擦系数等流变特性指标有所降低。由橙汁粒径、Zeta电位、分子质量、FTIR以及SEM等指标分析可知，由于HPH处理破坏了橙汁中SDF的结构，使得糖苷键断裂、碳链变短，DM降低，导致Mw降低，溶质粒径减小，从而改变了橙汁的流变特性。

综上，在20～60 MPa的处理下，橙汁的流变指标有所降低，可能比较适合年轻人引用或是开发成运动饮料；而在80～100 MPa的压力处理下，流变指标降低更快，口感更加细腻润滑，可能适合老年人或是婴幼儿引用。基于此，今后随着HPH设备的升级，可以探究更高的均质压力、进样温度、循环次数等因素对于橙汁流变特性的影响，同时HPH处理可以和酶、超声、超高压等非热加工处理协同作用，开发出具有更多流变特性的橙汁，以满足消费者需求。