质构技术快速辨别蜂蜜品种的研究

窦文卿，柴春祥，刘 玥，鲁晓翔

(天津商业大学 生物技术与食品科学学院，天津市食品生物技术重点实验室，天津 300134)

蜂蜜具有丰富的营养价值，含有糖类物质、矿物质、维生素、有机酸、酚类、酶类等180多种营养成分。划分蜂蜜品种的主要依据是蜜源的植物来源，蜂蜜的蜜源不同，其感官和品质存在一定差异，其营养价值和功效也不同。由于蜂蜜的感官特性易受加工方式、储存条件等因素的影响，传统的感官分析难以准确辨别蜂蜜品种，容易造成蜂蜜品种混淆、市场价格混乱。化学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标，但是该方法具有破坏性、操作繁琐、费时费力。近年来，利用蜂蜜的力学、光学等物理性质非破坏性地对样品进行快速准确地检测成为了人们关注的重点。

食品流变学是力学的一个分支，用于研究食品受力后的变形及流动的情况，对于评价食品的质构特性具有重要作用。对蜂蜜力学特性的研究，不仅利于预测蜂蜜的品质和口感，而且有益于生产加工。近年来，国内外学者都对蜂蜜的力学特性进行了研究。但蜂蜜种类繁多，并受到植物源、加工方式、产地等多种因素的影响，蜂蜜的力学特性较为复杂，不能单纯地归为牛顿流体或非牛顿流体。目前，大多数研究认为蜂蜜为牛顿流体，Nayik等研究了高海拔印尼蜂蜜在不同温度下的流变特性，所有样品均表现出了牛顿力学行为。Escriche等研究了从莫桑比克获取的30个蜂蜜样本的流变特性，所有蜂蜜都显示出了牛顿行为，并且可以应用人工神经网络预测流变参数随温度、频率和化学成分的变化。Oroian等探究了甘露蜜中掺入葡萄糖、果糖、转化糖、水解菊粉糖浆和麦芽汁的流动特性，蜂蜜和掺假蜂蜜都表现出了牛顿流体行为，但在蜂蜜中加入果糖会降低黏度(η)、损耗模量(G＇＇)及触变面积的数值；加入葡萄糖和水解菊粉糖浆会增加黏度(η)、损耗模量(G＇＇)及触变面积的数值；在蜂蜜样品中添加麦芽糖则会显著增加样品的触变面积，实验表明测定黏度(η)、触变面积、储能模量(G＇)以及损耗模量(G＇＇)可以有效检测出掺假蜂蜜。Dobre等分析了从罗马尼亚采集的52份蜂蜜样本，除甘露蜜和油菜蜂蜜外均表现出了牛顿流体行为，根据蜂蜜碳水化合物组成及流变学性质对蜂蜜进行分类的正确率较高。Cohen等测定了以色列蜂蜜的流变特性，流变学和微粒跟踪微流变学的结果一致，均为牛顿流体。然而，由于石楠蜂蜜含有大量蛋白质，表现出了非牛顿流体特性。同样，由于奶油蜂蜜中含有大量蛋白质、葡聚糖以及蜂蜜结晶后产生的晶体，奶油蜂蜜也表现出了非牛顿流体行为。

除流变仪外，质构仪也可用于研究食品的力学特性，但将质构仪用于测定蜂蜜力学特性的研究较少，在米粉、酸奶、肉类等食品中的研究较多。Shinn等使用质构仪测定了结晶蜂蜜的峰值力、屈服力、黏附性和内聚性，采用响应面法建立了理化因素、加工因素与结构参数的关系，利用数学模型方程估计了最佳化学成分和最佳工艺条件，该模型可用于预测结晶蜂蜜的最终质地。周显青等使用质构仪测定了8种米粉的表面黏度，探究了不同煮制方式、煮后静止时间、压缩力以及探头测试后速度对米粉表面黏性的影响，并确定了最佳测定条件，结果表明，该方法的精密度较高、重现性较好。吴伟都等探究了质构仪探头直径、压缩距离、触发力、样品容器体积以及测试速度、测前速度、测后速度对搅拌型酸奶力学特性的影响；赵秀红等则使用质构仪对变质前和变质后酸奶的硬度、内聚性、黏附性等力学特性进行了检测，以此来评价酸奶的品质变化。张馨木以猪肉和牛肉为研究对象，利用质构仪测定硬度、弹力、压缩功、可恢复功等力学指标分析冷鲜肉的新鲜度，并使用BP(back propagation)神经网络建立了对冷鲜猪肉新鲜度的预测模型，取得了较好的预测效果。

综上所述，食品的力学特性是评价食品品质的重要性质，测定蜂蜜的力学特性对其品质鉴定、掺假及品种辨别具有重要作用，研究蜂蜜的力学特性具有重要意义。

目前，蜂蜜力学特性的研究大多使用流变仪或黏度计。但是，黏度计在实际工作中会受到端部效应、轴心偏移、间隙比以及转速变化等因素的影响，导致测试结果有偏差。由于蜂蜜黏度较大，使用流变仪测量蜂蜜黏度时，装样较为不便，并且同轴圆筒式流变仪具有测试间隙内剪切速率不均匀，样品用量大，达到温度平衡慢的缺点；平板式流变仪由于存在边界效应、探头各位置剪切速率不同以及样品会随探头流动等因素，导致测试结果不准确；锥板式流变仪则由于测试间隙固定，对样品的要求较高。为解决上述问题，本研究拟寻找一种可以快速辨别蜂蜜品种的技术，为快速辨别蜂蜜品种提供客观依据。

1 材料与方法

1.1 材料

蜂蜜：洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜，北京同仁堂蜂业有限公司。营养素参考值：能量16%、脂肪1%、碳水化合物25%、钠1%。

1.2 仪器与设备

TA-XT2I型质构分析仪，英国Stable Micro Systems公司；A/BE35探头(直径35 mm)；测量杯(内径50 mm、高度60 mm)。

1.3 质构测量原理与方法

1.3.1 测量原理

蜂蜜质构特性采用质构仪测试模式中的A/BE模式测试，该测试模式是一种反挤压装置，由探头下压容器中的蜂蜜，压缩至一定距离后回到原始位置。在压缩过程中，蜂蜜流动变形，这与流体在环形管道中的流动相似，如图1。

在压缩过程中，蜂蜜流动可用流体在环形管道中的流动描述。

为了推导出蜂蜜在环形管道中的流动方程式，假设：①探头压缩蜂蜜时，与测量杯杯壁接触的那层蜂蜜静止不动；②蜂蜜流动是分层流动，一层一层地流动；③蜂蜜流动时，蜂蜜黏性引起的机械能转化为热能的损失忽略不计。

r1为质构仪探头外半径，r2为测量杯内半径。

(1)

公式(1)中：为距离测量杯轴心线的距离(m)；为流速(m·s)；为轴心方向，以流动方向为正；为黏度(Pa·s)；为压力(Pa)。

将式(1)进行第一次积分，带入边界条件③，可得下式：

(2)

根据边界条件①对式(2)进行第二次积分，得速度分布为

(3)

由边界条件②，得速度分布另一表达式：

(4)

由式(3)和式(4)联立求解，得到：

(5)

由已知速度分布，可根据平均速度乘以环隙截面积等于环隙体积流量的概念：

(6)

经积分得到环隙的平均速度为

(7)

方向上的压力降可表达为

(8)

(9)

推导测量原理时，假设：①探头压缩蜂蜜时，与测量杯杯壁接触的那层蜂蜜静止不动；②蜂蜜流动时，蜂蜜是分层流动，一层一层地流动；③蜂蜜流动时，蜂蜜黏性引起的机械能转化为热能的损失忽略不计。但在实际测量时，要完全符合上述假设条件很困难，故引入校正系数，对实际测量的结果进行校正，得到如下公式：

(10)

公式(10)中，为探头压缩蜂蜜时受到的剪切力(N)，为质构仪探头半径(m)，为测量杯半径(m)，为探头下降的速度(m·s)，为蜂蜜黏度(Pa·s)，为测试时间(s)，为校正系数。

公式(10)应用时，需要获得公式中的校正系数。对3种蜂蜜进行了预实验，得到校正系数的值为53.3。

本实验装置中，质构仪探头的半径为0.017 5 m，测量杯的半径为0.025 m，由公式(5)计算为0.0211 m，=0.001 m·s，整理得到：

=001。

(11)

公式(11)中的用来表示蜂蜜的质构特性，是蜂蜜的质构特征值(蜂蜜黏度)。

蜂蜜质构特性测试时，质构仪探头的运动分为两个阶段，第一阶段为探头开始接触到蜂蜜至完全浸入蜂蜜阶段。在探头浸入蜂蜜过程中，蜂蜜在测量杯与探头之间开始分层流动，由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动，产生了内摩擦力。随着探头的不断浸入，探头与蜂蜜流动方向的接触面积不断增加，故探头受到的剪切力不断增加。另一阶段为探头完全浸入蜂蜜。探头完全浸入蜂蜜后，各层流之间的相对运动趋于稳定，各层流之间的内摩擦力也就趋于稳定，探头与蜂蜜流动方向的接触面积不再发生变化，故探头受到的剪切力不再变化。故公式(11)表示的探头所受到的剪切力可表示为：

(12)

公式(12)中，为探头完全浸入蜂蜜的时间，s。

综上为蜂蜜质构的测量原理。

1.3.2 测量方法

在25 ℃下，枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜各取50 mL置于测量杯中，利用A/BE35探头测试蜂蜜的质构特性，每种蜂蜜测量3次。

模式：质构仪探头下压测量剪切力；测量条件：测试前速度3 mm·s，测试速度1 mm·s，测试后速度10 mm·s，压缩距离18 mm。

说明：质构仪探头自接触到蜂蜜后下压18 mm，然后探头返回起点。

水分含量与温度是影响蜂蜜流变特性的两个重要因素。有研究表明，在25 ℃左右时，细微的蜂蜜水分含量的差异不会对黏度造成太大影响。经测定，本实验所用3种蜂蜜的水分含量均在17.6%～18.3%，蜂蜜水分含量差距较小，水分含量对蜂蜜质构特征的影响可忽略不计。

1.4 数据处理

取每种蜂蜜测量3次的平均值为最终结果，采用SPSS25.0软件进行差异显著性分析，用Origin2019b软件进行绘图。

2 结果与讨论

2.1 质构仪探头受到的剪切力随测试时间的变化

使用质构仪对枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜进行质构测试，质构仪探头下压蜂蜜过程中所受到的剪切力与测试时间的关系如图2所示。从图2中可以看出，随着测试时间的延长，探头所受到的剪切力先逐渐增加，经过一段时间后保持不变。在0～5 s，质构仪探头压缩3种蜂蜜时所受到的剪切力均随测试时间的延长而增加。在测试时间大于5 s后，探头受到的剪切力保持不变，不再随着测试时间的增加而增加。其中，探头压缩洋槐蜂蜜时受到的剪切力最大，其力的稳定值为0.44 N；其次为探头压缩紫云英蜂蜜时受到的剪切力，其力的稳定值为0.26 N；探头压缩枸杞蜂蜜时受到的剪切力最小，其力的稳定值为0.22 N。

图2 质构仪探头受到的剪切力随测试时间的变化

质构仪探头压缩3种蜂蜜时受到的剪切力均在探头压缩蜂蜜5 s后不再增加，说明探头在测试时间为5 s时完全浸入蜂蜜，测量杯与探头间的蜂蜜流体层受到的内摩擦力不变，故探头受到的剪切力也不再增加。探头压缩洋槐蜂蜜受到的剪切力最大，说明其黏度最大；探头压缩枸杞蜂蜜受到的剪切力最小，说明其黏度最小。这符合上述质构测量原理的理论推导，见公式(11)。

用SPSS25.0软件对不同品种蜂蜜质构特性的测试结果进行了分析，结果如表1所示。洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜的变异系数分别为0.07%、0.90%、2.91%，均小于10%，表明使用质构仪测定蜂蜜质构特性的精密度较高。经分析，3种蜂蜜的组间显著性为0，表明3种蜂蜜之间有显著性差异。在LSD的多重比较中，枸杞蜂蜜与洋槐蜂蜜的组间显著性为0，枸杞蜂蜜与紫云英蜂蜜的组间显著性为0.004，洋槐蜂蜜与紫云英蜂蜜的组间显著性为0。3种蜂蜜两两比较均有显著性差异(<0.05)，说明枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜质构特性差异较大。

表1 不同品种蜂蜜对探头力的作用

2.2 质构仪探头受到的剪切力随其压缩距离的变化

使用质构仪对枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜进行质构测试，质构仪探头下压蜂蜜过程中所受到的剪切力与压缩距离的关系如图3所示。从图3可以看出，随着压缩距离的增加，探头所受到的剪切力先逐渐增加，经过一段时间后保持不变。在压缩距离为0～5 mm范围内，质构仪探头压缩3种蜂蜜时所受到的剪切力均随压缩距离的增加而增加。在压缩距离大于5 mm后，探头受到的剪切力保持不变，不再随着压缩距离的增加而增加。其中，探头压缩洋槐蜂蜜时受到的剪切力最大，其力的稳定值为0.44 N；其次为探头压缩紫云英蜂蜜时受到的剪切力，其力的稳定值为0.26 N；探头压缩枸杞蜂蜜时受到的剪切力最小，其力的稳定值为0.22 N。

图3 质构仪探头受到的剪切力随压缩距离的变化

质构仪探头压缩3种蜂蜜时受到的剪切力均在探头下压5 mm后不再增加，说明探头在压缩距离为5 mm处完全浸入蜂蜜，测量杯与探头间的蜂蜜流体层受到的内摩擦力不变，故探头受到的剪切力也不再增加。探头压缩洋槐蜂蜜受到的剪切力最大，其次为探头压缩紫云英蜂蜜时受到的剪切力，再次为探头压缩枸杞蜂蜜时受到的剪切力。探头受到的剪切力大，说明蜂蜜的黏度大，反之，探头受到的剪切力小，说明蜂蜜的黏度小。

2.3 蜂蜜质构特性的测定结果

使用Origin2019b软件对质构仪探头压缩3种蜂蜜时受到的剪切力与测试时间的变化关系进行了回归分析。限于篇幅所限，现以枸杞蜂蜜为例，在质构仪探头从接触到蜂蜜表面至完全浸入蜂蜜这一阶段，对质构仪探头受到的剪切力与测试时间的变化关系进行了回归分析，分析结果见图4。从图4中可以看出，质构仪探头受到的剪切力随测试时间变化的测定结果可用一元线性方程式表示，该方程式可以用来描述质构仪测定枸杞蜂蜜质构特性时，质构仪探头受到的剪切力随测试时间变化的各数据点。质构仪探头受到的剪切力随测试时间变化的测定结果经回归分析后，回归方程式符合公式(12)的形式，说明蜂蜜质构特性测定时，其测量原理正确。

图4 探头压缩枸杞蜂蜜受到的剪切力与测试时间的关系

质构仪探头压缩3种蜂蜜受到的剪切力与测试时间的关系用Origin2019b进行了回归分析，回归方程见表2。从表2可看出，洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜质构特性回归结果可用一元线性方程式表示，回归方程的分别为0.994 6、0.977 3、0.968 7，拟合结果较好。根据3种蜂蜜的回归方程，可以计算出洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜的质构特征值分别为8.01、5.96、5.34 Pa·s。蜂蜜不同，其质构特性不同。3种蜂蜜的质构特征值差异较大，可以用来辨别3种蜂蜜的品种。

表2 探头受到的剪切力与测试时间的回归方程

3 结论

本文采用质构特性测试技术测定了枸杞蜂蜜、洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜的质构特性，基于流体在环形管道中流动的原理推导了蜂蜜质构特性的测量原理，分析了3种蜂蜜的质构特性测试数据。结果表明：流体在环形管道中流动的原理可以用来描述质构仪压缩蜂蜜时蜂蜜在测量杯中的流动状态，公式(12)可用来表示探头压缩蜂蜜过程中的受力情况；回归分析了3种蜂蜜质构特性的测试数据，3种蜂蜜质构特性测试时，质构仪探头受到的剪切力随测试时间变化的测定结果可用一元线性方程式表示，回归方程的均大于0.9，拟合结果较好；洋槐蜂蜜、紫云英蜂蜜、枸杞蜂蜜的质构特征值分别为8.01、5.96、5.34 Pa·s，3种蜂蜜质构特征差异显著，可以用其质构特征值区分3种蜂蜜。总之，基于蜂蜜质构特性的测量原理，采用质构特性测试技术测量蜂蜜的质构特性，可以获得蜂蜜的质构特征值，进而区分蜂蜜的品种。采用质构特性测试技术测量蜂蜜质构特性，装样简单，操作方便、快捷，数据准确性、可靠性较高，因此，质构技术可以用来快速辨别蜂蜜品种。