聂 卉，李 辰，陈 雨，刘培华，李坚斌*
（广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004）
摘 要：利用超声波处理马铃薯淀粉糊，研究超声场下马铃薯淀粉糊流体性质及表观黏度性质变化规律。采用超声波设备处理马铃薯淀粉糊样品，用流变仪测定马铃薯淀粉糊剪切力和表观黏度，运用幂函数定律建立超声场马铃薯淀粉糊流动模型。结果表明：超声作用改变了马铃薯淀粉糊的流体性质，从假塑性流体趋于符合牛顿流体特征；作用时间和声强对马铃薯淀粉糊表观黏度影响较大，成正相关；随着超声作用时间的延长，马铃薯淀粉糊质量分数对表观黏度的影响呈现先增大后减小的趋势。因此，增加超声时间和声强可以降低马铃薯淀粉糊表观黏度，改变淀粉糊流动性。
关键词：超声场；马铃薯淀粉糊；表观黏度；流动性
聂卉， 李辰， 陈雨， 等. 超声处理对马铃薯淀粉糊流体性质和表观黏度的影响［J］. 食品科学， 2016， 37（15）: 19-24. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201615004. http://www.spkx.net.cn
NIE Hui， LI Chen， CHEN Yu， et al. Effect of ultrasonic treatment on rheological characteristics and apparent viscosity of potato starch paste［J］. Food Science， 2016， 37（15）: 19-24. （in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201615004. http://www.spkx.net.cn
天然原淀粉来源丰富、价格经济，广泛应用于医药、化工、化妆品、食品等领域。然而在食品生产体系中，通常利用淀粉糊的增稠、黏结、胶凝、乳化等性质 ［1］来提高产品的整体质量，增加产品稳定性 ［2-3］。淀粉糊化是相当复杂的过程，当水溶液中的淀粉颗粒处于高温环境时，颗粒会吸水溶胀破裂，结晶结构逐渐消失，颗粒内的淀粉分子溶出颗粒体外，导致扩展开来的淀粉分子之间互相联结、缠绕，最终形成黏度增大的淀粉糊 ［4］。淀粉糊具有一定流体特性，当受到外力作用，如压力和剪切力时，就会发生形状和流动性质的改变 ［5］，稠度和黏度是其重要的特征参数。目前，学者们主要以实验数据为基础，根据牛顿流体定律，建立量化级经验模型 ［6］，研究流体特征变化规律，描述淀粉糊黏度在不同剪切力、流速、时间和性质之间的关系 ［7］，来控制产品品质、评估产品组织结构、开发新产品 ［8］。
为了全面满足食品加工工业中的应用需求，通常采用物理、化学、酶解和修改基因等方法对淀粉进行改性 ［9］。超声技术是一种新兴的物理改性技术，在保证食品安全性的同时，还可以提高食品品质，赋予食品新的物性 ［10］。其作用机制主要是超声场中产生的机械作用和空化作用 ［11］。在超声体系中，物料受到强大的机械剪切力和在空化过程中由于空化泡产生、生长和崩溃中瞬时产生的高温高压，同时伴随着强烈的冲击波和微射流，再加上此过程引起的自由基变化，会使原料物性发生很大改变 ［12］。相应地，也会引起食品体系组成、性质和功能的变化，从而改善其加工性质。研究淀粉流体性质和黏度变化特征规律对于进一步开拓淀粉在塑料、包装材料、食品、黏合剂等方面的应用，和控制食品加工过程中淀粉产品的品质、鉴别产品优劣、工艺和设备的设计提供必要的数据等方面，有着积极意义 ［13］。然而有关超声场中马铃薯淀粉糊体系黏度特性研究鲜见报道。
本实验以马铃薯淀粉糊为原料，采用超声新技术，建立马铃薯淀粉糊流动模型，研究淀粉糊在超声场中流体变化及表观黏度与超声作用时间、超声声强和样品质量分数之间的关系，对掌握淀粉糊各状态变量对结构组成的影响，具有广泛的适用性。
1.1 材料
马铃薯淀粉（优级，湿基含水量14.4%，纯度99.5%） 美国国民淀粉化学（广东）有限公司。
1.2 仪器与设备
Fabr-Nr型电子天平 德国Sartorius公司；UP400S型超声波设备 德国Dr. Hielscher公司；RS600型哈克流变仪 德国Haake Rheostress公司。
1.3 方法
1.3.1 马铃薯淀粉糊化
准确称取马铃薯淀粉2.000、4.000、8.000、16.000、24.000、32.000 g，用蒸馏水将其配成质量分数为0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的溶液，搅拌使之充分分散，沸水浴中加热糊化30 min后冷却至室温。
1.3.2 样品超声处理
采用UP400S型超声波设备处理样品。将马铃薯淀粉糊样品100 mL置于频率25 kHz的超声场中。超声作用时间为0、0.5、1.0、5.0、10.0、30.0、60.0 min；超声强度为75、150、225、300 W/cm 2；超声探头直径7 mm；超声探头浸入液面2 cm；超声占空比为0.5；实际超声声强与最大超声声强的百分比可在0%～100%之间连续调节。实验过程中采用冰水浴的方法调节反应体系温度。
1.3.3 样品流体模型建立及表观黏度测定
25.00 ℃条件下将样品保温60.00 s，剪切速率在从1.00 s -1连续升高至1 000.00 s -1，采用RS600型哈克流变仪进行表观黏度和剪切力的测定，测定时间为60.00 s。使用HAAKE PolySoft OS Software，2.4流变软件计算滞后环面积，并建立模型。流变仪探头型号为PP35Ti，平行板直径为27.83 mm。样品置于平行板之间，在样品裸露部位添加薄层硅油，以防止测量过程中水分蒸发，平板间隙设置为1 mm。
1.4 数据处理
所有数据采用Origin 8.0软件作图。
2.1 超声作用时间对马铃薯淀粉糊影响规律
2.1.1 超声作用时间下马铃薯淀粉糊的流动模型
在25.00 ℃条件下，将质量分数2.0%的马铃薯淀粉糊置于超声场中，根据流变曲线的形状，采用下式来描述马铃薯淀粉糊在超声中的变化规律 ［14］。
式中：τ为剪切力/Pa；γ为剪切速率/（r/min）；m为流态特征指数；k为稠度系数。
通过一元非线性回归，得出样品的k、m值及决定系数R 2，如表1所示。
表1 超声作用时间对2％马铃薯淀粉糊流动特征参数的影响
Table 1 Rheological parameters of 2.0 PSP subjected to ultrasonic treatments for different durations
作用时间/min超声声强/（W/cm 2）75150225300 kmR 2kmR 2kmR 2kmR 200.327 5 0.649 4 0.992 20.327 5 0.649 4 0.992 20.327 5 0.649 4 0.992 20.327 5 0.649 40.986 1 0.50.317 6 0.640 2 0.991 40.316 7 0.656 6 0.983 60.288 7 0.660 8 0.990 50.127 6 0.707 20.990 8 10.290 3 0.641 1 0.988 00.278 4 0.661 0 0.991 90.172 4 0.667 4 0.990 10.079 4 0.712 90.9 80 4 50.187 9 0.683 6 0.985 70.172 4 0.677 4 0.990 1 0.063 0 0.761 4 0.958 20.036 5 0.773 40.979 0 100.103 0 0.761 4 0.958 20.092 6 0.788 5 0.973 20.037 5 0.893 8 0.994 00.016 5 0.918 50.985 5 300.023 8 0.871 6 0.945 30.017 5 1.000 0 0.985 60.006 0 1.000 0 0.970 70.004 9 1.000 00.970 6 600.006 3 1.000 0 0.991 20.004 9 1.000 0 0.970 70.003 4 1.000 0 0.953 40.002 9 1.000 00.966 9
由表1可知，决定系数R 2在0.945 3～0.992 2之间，说明幂定律可以较好地拟合超声场中马铃薯淀粉糊的流动特性曲线。此外，稠度系数k随着超声场作用时间的增加而减少，流态指数m随着超声作用时间的增加而增大。把表1所有样品的k、m值拟合结果绘制成图，可得4 种超声声强下超声作用时间对马铃薯淀粉糊的稠度系数k和流态特征指数m的影响（图1）。
图1 1 2%马铃薯淀粉糊受超声作用时间影响的流动模型参数
Fig. 1 Power law parameters k and m obtained from non-linear fitting curves for the measured shear stress versus shear rate of 2.0% potato starch paste subjected to treatments with different ultrasonic intensities
由图1a可知，超声作用时间与马铃薯淀粉糊的流变学性质成正相关，在不同超声声强下稠度系数k均随着作用时间延长而降低，即超声作用时间越长，淀粉糊流变性越强。这是由于随着超声时间延长，导致淀粉分子间的作用力减弱，分子链之间相互作用减弱，大分子链段的扩散和运动得到加强，淀粉分子簇在超声作用下被破坏，有利于大分子降解，这与Herceg等 ［15］的研究一致。同时淀粉糊体系受到的剪切力作用，强化了淀粉分子与水分子的相互作用，导致淀粉糊流变性变化。由图1b可知在0～30 min之间，所有样品的流动特征指数m值都小于1，说明经过此时淀粉糊仍保持假塑性流体特征 ［16-17］，但随超声作用时间的延长（≥30 min），流动特征指数m值不断增大并趋向于1，说明超声作用时间延长利于马铃薯淀粉糊由假塑性流体向牛顿型流体转变，并具有较好的流动性。
2.1.2 超声作用时间对马铃薯淀粉糊表观黏度的影响
图2 超声作用时间对2%马铃薯淀粉糊表观黏度的影响
Fig. 2 Relationship between ultrasonic treatment time and apparent viscosity of 2.0% potato starch paste
由图2可知，2.0%的马铃薯淀粉糊在150 W/cm 2、25.00 ℃条件下，在相同的剪切速率下，随着超声作用时间的增加，马铃薯淀粉糊的表观黏度值显著降低，具有剪切变稀现象，说明作用时间对马铃薯淀粉糊的表观黏度有较大的影响。这是因为在超声作用过程中，超声波产生的机械作用、空化作用使淀粉分子链断裂，淀粉分子质量分布发生了变化 ［18］，小分子物质的数量增加、淀粉分子间的作用力减弱、溶胶的自由体积增大、分子链之间相互作用减弱，对淀粉糊流动产生的黏性阻力减小，从而引起了马铃薯淀粉糊表观黏度的降低。研究也发现超声作用会导致淀粉糊黏度的下降 ［19-20］。
2.2 超声声强对马铃薯淀粉糊特性的影响
2.2.1 超声声强对马铃薯淀粉糊流动模型的影响
图3 3 2%马铃薯淀粉糊受超声声强影响的流动曲线
Fig. 3 Flow curves of 2.0% PSP subjected to ultrasonic treatments at different intensities
图3 为在超声场中，马铃薯淀粉糊质量分数为2.0%，温度为25.00 ℃，反应时间为30.0 min，超声声强分别为75、150、225、300 W/cm 2下剪切力和剪切速率关系。超声场中马铃薯淀粉糊的剪切力随剪切速率的增大而增大，具有假塑性流体特征。当剪切速率相同时，剪切力随超声作用时间的延长而减小。
由表1可知，稠度系数k随着超声场声强的增大而降低，而流态指数m随着超声声强的增大而增大。超声声强增大意味着能量的累积，机械作用和空化作用得到强化，由此产生的高频剪切振动和射流的力场作用使淀粉糊体系内强烈搅拌，部分淀粉分子链断裂 ［21］，严重削弱淀粉分子间的作用力，增大了溶胶自由体积，加强了大分子链段的扩散和运动，减少流动过程中因分子链段相互摩擦而引起的损耗 ［22］。这说明超声强烈程度与超声声强成正相关关系，即超声声强越大，其机械作用和空化作用越强，搅拌、剪切、冲击效果越明显。
2.2.2 超声声强对马铃薯淀粉糊表观黏度的影响
图4 超声声强对马铃薯淀粉糊表观黏度的影响
Fig. 4 Relationship between ultrasonic treatment intensity and apparent viscosity of PSP
由图4可知，超声场中马铃薯淀粉糊的表观黏度较原马铃薯淀粉糊均有不同程度的降低；在相同的剪切速率下，随着超声声强的增加，马铃薯淀粉糊的表观黏度值降低，说明超声声强变化对马铃薯淀粉糊的表观黏度有显著影响。另外发现，在低剪切速率下，更能表征超声声强对马铃薯淀粉糊表观黏度的影响。实验测得原马铃薯淀粉糊表观黏度为0.081 60 Pa·s，当γ=65.04 s -1时，在超声作用5.0 min，超声声强为75、150、225、300 W/cm 2条件下，淀粉糊的表观黏度分别下降到0.078 89、0.070 72、0.048 85、0.027 98 Pa·s，超声场作用30.0 min后，淀粉糊的表观黏度又分别下降到0.060 38、0.037 96、0.004 608、0.004 14 Pa·s。这是因为在超声场中，超声波产生的机械作用和空化作用使淀粉分子链断裂，淀粉分子质量分布发生了变化 ［23］，使淀粉分子链之间相互作用减弱，对淀粉糊流动产生的黏性阻力减小 ［24］，从而引起马铃薯淀粉糊表观黏度的降低。
2.3 超声场中不同质量分数马铃薯淀粉糊变化规律
2.3.1 超声场中不同质量分数马铃薯淀粉糊的流动模型考虑到食品加工过程中糊体系浓度，将质量分数
0.5 %、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的马铃薯淀粉糊分别置于超声场中，25.00 ℃条件下超声作用30 min后，剪切力与剪切速率的关系如图5所示。
图5 超声场中不同质量分数马铃薯淀粉糊的流动曲线
Fig. 5 Flow curves of ultrasonic-treated PSP at different concentrations
由图5可知，当质量分数相同时，马铃薯淀粉糊的剪切力随剪切速率的增大而增大，质量分数越大，变化越明显；而在同一剪切速率下，剪切力随淀粉糊质量分数升高而增大。用幂方程τ=k·γ m对曲线进行拟合 ［14］，可以得到如下数据（表2），非线性回归的决定系数在0.931 3～0.994 1之间。
表2 超声场中不同质量分数马铃薯淀粉糊的流变特征参数
Table 2 Rheological parameters of PSP subjected to ultrasonic treatments at various intensities
注：η. 表观黏度；C. 马铃薯淀粉糊质量分数；R 2. 决定系数。
作用时间/min 0.0 0.5 1.0 5.0 10.0 30.0 γ/s -1ηR 2γ/s -1ηR 2γ/s -1ηR 2γ/s -1ηR 2γ/s -1ηR 2γ/s -1ηR 2作用时间/min马铃薯淀粉糊质量分数/%马铃薯淀粉糊质量分数/% 0.53.3260.126 5 C 2.472 60.963 53.3620.046 8 C 2.773 30.962 63.362 0.023 2 C 3.274 30.961 9 0.53.3620.020 0 C 2.941 70.982 0 3.3620.003 5 C 2.762 50.961 23.3620.001 6 C 2.019 50.960 0 1.027.3400.042 2 C 2.400 50.941 127.340.019 7 C 2.210 50.986 127.340 0.008 4 C 3.112 20.972 31.027.340 0.006 4 C 2.799 30.946 5 27.340.003 2 C 2.529 80.938 127.340.000 47 C 2.039 90.981 2 2.046.0200.031 7 C 2.290 80.951 046.020.015 8 C 2.082 80.972 546.020 0.006 4 C 3.007 40.937 92.046.020 0.004 7 C 2.704 80.953 4 46.020.002 9 C 2.197 60.973 446.020.000 28 C 1.958 10.970 6 4.066.4000.027 3 C 2.259 50.931 366.400.013 1 C 2.033 40.978 266.400 0.005 2 C 2.987 40.943 44.066.400 0.004 0 C 2.699 00.951 7 66.400.002 1 C 2.037 90.942 866.400.000 18 C 1.935 60.978 9 6.087.6300.024 7 C 2.230 50.994 187.630.012 6 C 2.023 30.967 187.630 0.004 5 C 2.985 60.937 86.087.630 0.003 9 C 2.564 70.953 7 87.630.002 0 C 2.005 10.948 387.630.000 16 C 1.923 50.960 4 8.0108.900 0.022 8 C 2.210 20.951 2108.90 0.011 8 C 2.010 00.961 9108.900 0.004 4 C 2.809 90.982 58.0108.900 0.003 7 C 2.552 90.957 5 108.900.000 18 C 2.000 10.954 5108.90.000 14 C 1.917 40.963 8
根据上述公式，对表2进行拟合后可得稠度系数k和流动特征指数m随质量分数增大的变化规律。超声场中马铃薯淀粉糊的稠度系数k值随质量分数的升高增大，随作用时间的延长增幅减缓，超声作用30.0 min时变化已不明显，表明其流动性受质量分数的影响已经很小；流动特征指数m也随着质量分数升高而不断增大并趋向于1，当超声作用30.0 min时，质量分数0.5%、1.0%、2.0%、4.0%的马铃薯淀粉糊稠度系数很小，流动特征指数m=1.000，这说明超声处理产生机械效应、热效应和空化效应可使马铃薯淀粉糊由假塑性流体趋向于牛顿流体，马铃薯淀粉糊置于超声场作用后已具有很好的流动性。
2.3.2 超声场中不同质量分数的马铃薯淀粉糊表观黏度的变化规律
超声场中不同质量分数的马铃薯淀粉糊表观黏度也有很大的变化。超声作用30 min后，在不同的剪切速率下，不同质量分数的马铃薯淀粉糊表观黏度变化如图6所示。质量分数与表观黏度的关系可通过下式来描述。
式中：η为表观黏度/（Pa·s）；C为马铃薯淀粉糊质量分数/%；A、B均为常数。通过一元非线性回归，得出所有样品的A、B值及决定系数R 2。R 2在0.931 3～0.994 1之间，表明上述方程来描述η-C的关系是合理的，拟合的结果如下所示。
图6 超声场中不同质量分数的马铃薯淀粉糊表观黏度变化
Fig. 6 Relationship between concentration and apparent viscosity of ultrasonic-treated potato starch paste
由图6可知，随着质量分数的增大，不同剪切速率下的马铃薯淀粉糊的表观黏度都有明显的增大。在剪切速率低时，其表观黏度随质量分数变化更加显著。原因是大分子流体在静止时，分子彼此缠结在一起，产生较强的浓度依赖性。在质量分数低时，大分子以无规则孤立的形式存在于糊介质中，随着淀粉糊质量分数增大，大分子数目增多，分子相互接触，产生相互覆盖和交叠，结果导致马铃薯淀粉糊和超声场作用后的马铃薯淀粉糊的稠度系数随质量分数不断增大。如果剪切速率低，则施加在分子间的外力小，流体流动变得更加困难，表观黏度值就越大。另外，随着超声作用时间的延长，马铃薯淀粉糊的表观黏度大大降低，尤其是超声作用30.0 min的表观黏度值已经很小，受质量分数的影响也小；马铃薯淀粉糊易于流动，表观黏度极小，已趋向于牛顿流体，此时马铃薯淀粉糊表观黏度基本不受质量分数影响。这是由于超声场的机械作用和空化作用，由此产生高频剪切振动和射流的力场作用使淀粉分子链断裂，体系中小分子增多，淀粉分子间的作用力减弱，增大了溶胶的自由体积，加强了大分子链段的扩散和运动，有利于大分子链的解缠结，分子链之间相互作用减弱，马铃薯淀粉糊对质量分数的依赖性大大减小了。
超声作用前，不同条件下的超声作用马铃薯淀粉糊均呈现假塑性流体特征，符合幂定律τ=k·γ m［25］。而随着作用时间和声强增大，马铃薯淀粉糊的表观黏度显著降低，流动性不断增加，逐渐趋于牛顿流体特征，说明超声声强与作用时间具有等同效应。这与Sujka等 ［20］研究结果是一致的。而马铃薯淀粉糊表观黏度随着超声作用时间延长基本不受浓度影响。
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Effect of Ultrasonic Treatment on Rheological Characteristics and Apparent Viscosity of Potato Starch Paste
NIE Hui， LI Chen， CHEN Yu， LIU Peihua， LI Jianbin
*
（College of Light Industry and Food Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）
Abstract：To investigate the effect of ultrasonic treatment on rheological properties and apparent viscosity of potato starch paste， changes in the shear stress and apparent viscosity of potato starch pastes at different concentrations during ultrasonication were monitored by using a rheometer and their power-law rheology was modeled. The results showed that ultrasonic treatment changed the rheological characteristics of potato starch paste， altering the pseudoplastic fluid to conform to the characteristics of Newtonian fluid. The apparent viscosity of potato starch paste was strongly enhanced with increasing either ultrasonic intensity or treatment duration. Moreover， the increase in the apparent viscosity of potato starch paste no longer relied heavily on increasing starch paste concentrations with the extension of sonication. Therefore， increasing either ultrasonic intensity or treatment time could decrease the apparent viscosity of potato starch paste and change its fluidity.
Key words：ultrasonic field； potato starch paste； apparent viscosity； fluidity
DOI：10.7506/spkx1002-6630-201615004
中图分类号：TS231
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）15-0019-06
收稿日期：2015-06-12
基金项目：国家自然科学基金面上项目（20864001；31160326）；广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能10100025）
作者简介：聂卉（1978—），女，博士研究生，研究方向为糖类生物质利用及污染控制。E-mail：zzqyhnh@126.com
*通信作者：李坚斌（1970—），女，教授，博士，研究方向为糖类物质生物利用及其污染控制。E-mail：lijb0771@126.com
引文格式：