浓缩石榴汁流变特性研究

赵武奇，王晓琴，王 茜，郑炀子，路上云

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710062)

浓缩石榴汁流变特性研究

赵武奇，王晓琴，王 茜，郑炀子，路上云

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710062)

研究了不同浓度的石榴汁在不同温度下的流变特性。结果表明:在实验范围内，石榴汁表现为胀塑性流体，通过回归分析，温度对表观粘度的影响可以用Arrhenius方程表示，浓度对表观粘度的影响可以用指数方程更好地表示，并推导出温度和浓度对表观粘度综合影响的方程式。该方程的建立可以用来预测实际加工过程中一定温度和浓度时石榴汁的表观粘度。

石榴汁，流变特性，表观粘度，胀塑性流体

我国拥有丰富的石榴资源，据不完全统计全国石榴种植总面积共约120万亩，年产量约100万t，居世界第一位［1］。目前，我国石榴资源开发的重点是生产石榴汁、酒以及营养保健品［2］。石榴汁中含有丰富的对人体有益物质，如维生素、类黄酮、氨基酸、矿物质、鞣花酸、脂肪酸和多酚等，具有延缓衰老、抗癌、抑制突变、改善视力、美容，预防心脏病和抗艾滋病等作用［3］。近年来随着国际市场上石榴汁需求的增加及价格上涨，我国一些浓缩果汁加工企业也开始探索浓缩石榴汁的生产技术和产业化开发。浓缩石榴汁行业是一个极具发展潜力的朝阳产业。流变学是研究物质的流动和变形的科学。通过对食品流变性质的研究，可以了解食品的质量、组成、内部结构、分子形态等，为产品配方、工艺设计、质量评定、传热及蒸发设备的设计、泵及混合机械功率的确定等提供依据［4］。目前在果汁流变特性方面，国内外主要研究了澄清苹果汁［5］、浓缩葡萄汁［6］、山楂汁［7］、猕猴桃汁［8］、芒果汁［4］、柚子汁、桃汁、番石榴汁、腰果汁、樱桃汁等［9］的流变特性。而现阶段国内发展前景看好的浓缩石榴汁的流变特性的研究尚未见报道，本文对不同浓度的石榴汁在一定温度范围内的流变特性进行研究，为石榴汁的工业化生产提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

石榴汁 西安市临潼区代王镇净皮甜石榴，果实达到正常采收成熟度，原料经过清洗、去皮、切分、榨汁、过滤后得到石榴汁。

WYT手持折射仪(0%～80%) 成都兴晨光光学仪器有限公司;RE－52型旋转式蒸发器 上海安亭实验仪器有限公司;AR—G2型流变仪 美国TA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理 用旋转式蒸发器将石榴汁浓缩到60%，备用。

1.2.2 实验方法 将浓缩石榴汁用蒸馏水分别稀释到10%、20%、30%、40%、50%、60%，选用同心圆筒，用流变仪分别测定不同浓度的石榴汁在10、20、30、40、50、60、70、80、90℃时的剪切应力随剪切速率变化的关系。

1.3 统计分析

采用 Excel 2003软件进行数据统计及曲线拟合。

2 结果与分析

2.1 石榴汁的流变类型的确定

图1～图3分别是浓度为20%、40%和60%的石榴汁在温度为20、40、60、80℃下的流变曲线。可以看出，流变曲线通过坐标原点，所以剪切应力τ和剪切速率D的关系可以用幂函数τ=kDn表示，式中k和n都是常数;n称为流态特性常数;k称为浓度系数。当n＞1时，液体为胀塑性流体;当n＜1时，液体为假塑性流体，当n=1时，液体为牛顿流体。对图1～图3的数据按幂函数模型进行回归分析，结果见表1。由表1看出，幂函数模型对流变曲线的拟合程度较高，均大于0.98，且所得流态特性常数n均大于1，说明石榴汁属于胀塑性流体。

图1 浓度为20%的石榴汁在不同温度下的流变曲线Fig.1 Rheological curves of pomegranate juice at20%concentrations for different temperature

图2 浓度为40%的石榴汁在不同温度下的流变曲线Fig.2 Rheological curves of pomegranate juice at 40%concentrations for different temperature

图3 浓度为60%的石榴汁在不同温度下的流变曲线Fig.3 Rheological curves of pomegranate juice at60%concentrations for different temperature

2.2 温度和浓度对石榴汁表观粘度的影响

在剪切速率631S－1下，测定浓度分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%的石榴汁在10、20、30、40、50、60、70、80、90℃时的表观粘度，得出温度、浓度对石榴汁表观粘度的影响，结果见表2。

表1 流变曲线对幂律模型的拟合结果Table 1 Fitting result of rheograms to power law equation

表2 温度和浓度对石榴汁表观粘度的综合影响(mPa·s)Table 2 Combined effects of temperature and concentration on the apparent viscosity of pomegranate juice(mPa·s)

由表2可知，随着温度的升高，石榴汁的表观粘度降低;随着浓度升高，表观粘度升高。在工业化生产过程中，我们可以调节温度和浓度来改变果汁的流动特性，这对于工业化生产过程中诸如混合、泵送、蒸发、加热杀菌和灌装等一系列操作都有重要意义。

2.3 温度对石榴汁表观粘度的影响

图4是浓度分别为30%、40%、50%及60%的石榴汁的表观粘度随温度的变化曲线，从图4中可以看出，随着温度升高表观粘度下降。浓度不同，表观粘度随温度的变化速率也不一样，温度对表观粘度的影响在高浓度时比在低浓度时大，即浓度高的石榴汁的表观粘度更容易受温度的影响。温度对流体的粘度的影响可能有如下原因:一方面温度升高时，液体体积增大，相同液体体积中分子数减少，从而使粘度降低;另一方面温度升高，促进了分子运动，分子的能量增大，分子间的凝聚机会降低，分子间作用力减弱，流动时内摩擦力减少，导致粘度下降。

根据国内外学者研究，温度对流体表观粘度的影响可以用阿累尼乌斯指数方程(Arrhenius)来表示［10］:

式中η为表观粘度(Pa·s)，K0为频率因子(常数)，Ea为流动活化能(J/mol)，R为气体常数(8.315J/(K·mol))，T为绝对温度(K)。

式1可转化为:

表5 浓度为10%～40%石榴汁的表观粘度(η)与浓度(C)的幂函数拟合式与指数函数拟合式Table 5 Fitting result of apparent viscosity to concentrations based on power function and exoponential function for pomegranate juice at10%～40%concentrations

表6 浓度为40%～60%石榴汁的表观粘度(η)与浓度(C)的幂函数拟合式与指数函数拟合式Table 6 Fitting result of apparent viscosity to concentrations based on power function and exoponential function for pomegranate juice at40%～60%concentrations

图4 温度对不同浓度石榴汁的表观粘度的影响Fig.4 Effect of temperature on apparent viscosity at different pomegranate juice concentrations

利用lnη对1/T进行线性回归分析，结果见表3。表中y表示lnη，x表示1/T，可以看出决定系数R2均大于0.99，ln(η)与1/T线性拟合度好;斜率随浓度的增大而增大，截距随浓度的增大而减小，方程中的斜率表示Ea/R，截距表示ln(K0)。根据表3中的数据可计算出石榴汁的流动活化能(Ea)与频率因子(K0)的数值，结果见表4。

表3 不同浓度石榴汁ln(η)与1/T的线性方程Table 3 Linear equation between ln(η)and 1/T for pomegranate juice at various concentrations

表4 不同浓度下的活化能(Ea)与频率因子Table 4 Activation energy and constant in arrhenius equation at various

由表4可知，流动活化能(Ea)随石榴汁浓度的增加而增大，频率因子(K0)随石榴汁浓度的增加而减小，说明流动活化能与频率因子之间存在一定补偿关系。因此，在运输过程中可通过改变温度来改变果汁的流动性。

2.4 浓度对石榴汁表观粘度的影响

浓度对表观粘度的影响可表示成以下2种数学模型［10］:

式中:A1、A2、k1、k2均为常数，C为石榴汁的浓度。

图5为石榴汁的表观粘度随浓度的变化曲线。从图5中可以看出，随着浓度升高，表观粘度增大;而且当浓度大于40%时，曲线的斜率明显变化。分别对10%～40%范围和40%～60%范围的数据进行幂函数和指数函数的拟合。结果分别见表5和表6。

图5 浓度对不同温度的石榴汁表观粘度的影响Fig.5 Effect of concentrations on apparent viscosity at different pomegranate juice temperature

由表5和表6可以看出，指数函数的拟合结果好于幂函数的拟合结果，指数函数能更好的表达浓度对表观粘度的影响。

2.5 温度和浓度对石榴汁表观粘度的综合影响

分别作石榴汁的流动活化能(Ea)与浓度(C)的关系图6和频率因子(K0)与浓度(C)的关系图7，并对二者进行指数趋势分析。

图6、图7中的决定系数R2值都较高，将图中拟合得出的Ea和K0带入阿累尼乌斯方程η=k0exp (Ea/RT)，最终得出温度和浓度对石榴汁表观粘度影响的综合方程:

图6 石榴汁的浓度对流动活化能的影响Fig.6 Influence of pomegranate juice concentration on activation energy

图7 石榴汁的浓度对频率因子的影响Fig.7 Influence of pomegranate juice concentration on the proportionality constant

3 结论

在本文所研究的温度和浓度范围内，石榴汁表现为胀塑性型流体，其流变特性可用幂函数表示。

在浓度一定的条件下，温度对表观粘度的影响可以用阿累尼乌斯指数方程表示;在温度一定的条件下，浓度对其表观粘度的影响可以用指数方程表示。

不同温度下，不同浓度石榴汁的表观粘度变化可以用综合方程 η=0.0009e－0.1011cexp(5155.7e0.0261c/ RT)来表示。该方程可用于预测一定温度和浓度范围内石榴汁的表观粘度，为石榴汁的加工和运输提供理论参考。

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［3］邓小莉，常景玲，王斌，等.石榴汁护色工艺［J］.食品工业科技，2011(8):266－268.

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［5］何进武，梁敏思，樊伟伟，等.澄清苹果汁的流变特性研究［J］.食品工业科技，2008(3):133－135.

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The rheological behavior of concentrated pomegranate juice

ZHAO W u－qi，WANG Xiao－qin，WANG Qian，ZHENG Yang－zi，LU Shang－yun
(College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)

The rheological behavior of pom eg ranate juice was determ ined at d ifferent tem peratures and concentrations.The experimental results showed that pomegranate juice was dilatant fluid.By regression analysis，the effectof tem perature on apparentviscosity could be described by an Arrhenius type equation，and the effec tof concentration on apparent viscosity could be better desc ribed by an index type equation.Finally，an equation desc ribing the combined effect of tem perature and concentration on apparent viscosity of pomeg ranate juice was ob tained and the equation could be used to p red ic t apparent viscosities of pomeg ranate juice p rocessed at different tem peratures and concentrations.

pom eg ranate juice;rheologicalbehavior;apparent viscosity;d ilatant fluid

TS255.44

A

1002－0306(2012)12－0169－04

2011－10－10

赵武奇(1965－)，男，博士，副教授，研究方向:食品加工新技术。

陕西省自然科学基础研究计划项目(2011JM3011);国家大学生创新性实验计划项目(101071821)。