食用植物油流变学特性研究

杨春英 刘学铭 陈智毅 王思远

(广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广州 510610)

植物油是人们生活的必需品，在国民经济中占有重要地位。植物油因其种类不同、营养价值不同而价格差异显著[1]。部分生产经营者为了获取暴利，在高价植物油中掺入廉价植物油，有的还将过期变质油掺入合格油中以次充好，甚至有厂家将有毒、非食用油(地沟油、潲水油等)掺入食用油以降低生产成本[2－3]。掺伪食用油不仅影响其卫生品质与营养成分，还严重危害消费者的健康，必须重视食用油的品质鉴定和掺伪检测技术的研究。目前，食用油掺伪检验方法主要有理化检验法[4]、气相色谱法[5]、高效液相色谱法[6]、近红外光谱技术[7]和同位素法[8]等，但这些方法基本立足于植物油的化学组成，测定过程需对样品进行预处理，所使用的化学试剂也对环境造成一定污染。

流变学(Rheology)是研究物质的流动和变形的科学，通常用流变仪研究物质的流变性能。旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，依靠旋转运动产生剪切流动，实现快速测定材料的黏性、弹性等各方面的流变性能。流动一般通过一对夹具的相对运动来产生，常用夹具主要包括同轴圆筒、椎板和平板等。引入流动的方法有两种(图1)，一种是施加一定的扭矩，测量产生的应变或旋转，称应力控制型；另一种是驱动一个夹具，测定产生的扭矩，称应变控制型。

食品流变学是研究食品在力作用下变形或流动的科学。食品流变学实验可用于鉴别食品原材料、控制产品的质量、评定食品的品质以及鉴别食品的优劣[9]，现已成功应用于蜂蜜的鉴定[10]。黏度(η)是食品流变常用的测试项目，表示流体的流动难易程度或黏稠程度的物性常数，是液体流动时由分子之间的摩擦产生。因此，可定义η为流体承受剪切力时，剪切力与剪切速率(剪应变随位置的变化率)的比值，数学表述为:

式中:τ为剪切力；γ为剪切速率；u为速度场在x方向分量；y为与x垂直的方向坐标。

目前，国内外对于食用油的流变学特性研究较少，从流变学角度鉴评食用油几乎是空白，因此作试探性研究，探索食用油的流变学特征，开展食用油流变学鉴伪技术研究。

图1 旋转流变仪测量原理

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料:茶籽油(金龙鱼)、花生油(金龙鱼)、葡萄籽油(枫叶)、大豆油(金龙鱼)、菜籽油(金龙鱼)、玉米油(金龙鱼)、葵花籽油(金龙鱼)、橄榄油(鲁花)、芝麻油(金龙鱼)、调和油(厨艺)、花椒籽油(长康)、辣椒油(红味斋)、芥末油(嘉豪)、姜油(乡王)和大蒜油(乡王)；花生油品牌包括金龙鱼、百佳、龙大、胡姬花、名师傅、鹰唛、金穗花、鲁花、沙土地、鸿禧、福临门和刀唛；均购买于广州大型连锁超市。

AR1500ex旋转流变仪，配Peliter板温控系统:美国TA Instruments－Waters LLC

1.2 试验方法

1.2.1 黏度的剪切速率依赖(流动曲线)

60 mm椎板(1deg，58 min 30 s，gap＝59μm)，剪切速率范围:0.1～1 000 s－1，温度:25℃，稳态模式，每10倍频率取10个数据点。测定黏度及剪切力随剪切速率的变化。

1.2.2 黏度的温度依赖(黏温曲线)

60 mm椎板(1deg，58 min 30 s，gap＝59μm)，剪切速率50 s－1，温度变化范围:0～50℃，升温速率5℃/min，每10 s取1个数据点。测定黏度随温度的变化。

为了保证测试的准确性，测试前样品均在设定的初始温度下恒温30 min，每个样品测试3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 黏度的剪切速率依赖(流动曲线)

图2和与图3分别为植物油黏度随剪切速率变化、剪切力随剪切速率变化曲线。选定的剪切速率范围内植物油的黏度(25℃)测定结果和剪切力(τ)与剪切速率(γ)曲线方程结果见表1。

由表1可见，在恒定的温度下，随着剪切速率的增大，植物油的黏度基本保持不变(RSD≤1.83%)；剪切力与剪切速率成良好的正比例关系(r＝1.00)，说明植物油呈牛顿流体特性。根据牛顿黏性规律，可判断植物油属于牛顿流体。

图2 植物油黏度随剪切速率变化曲线

图3 植物油剪切力随剪切速率变化曲线(25℃)

表1 植物油黏度测定结果及τ与γ曲线方程

植物油品种不同其黏度也有所不同。纯品植物油中，橄榄油黏度最大(0.065 50 Pa·s)，其次是茶油，葡萄籽油黏度最小(0.047 80 Pa·s)，约为橄榄油的76%。6种调和(味)油黏度相对较小，其中芥末油的黏度最小(0.047 96 Pa·s)，小于其他14种植物油。调和(味)油之间的黏度差异性较大，可能与其植物油组成及添加的辛香料不同有关。可见，植物油黏度在品种之间存在显著差异，可能与其营养组成不同有关。

2.2 黏度的温度依赖(黏温曲线)

试验考查了0～50℃温度范围内15种植物油黏度随温度改变的变化情况，结果见图4。可见，随着温度的提高，植物油黏度呈非线性降低。这是由于温度的提高加剧了分子热运动，植物油成分的分子间作用力减小，降低了植物油的黏度[11]。研究对植物油的黏温曲线进行了指数方程拟合，结果表明，在选定的温度范围内，除花生油外，其余14种植物油的黏温曲线符合阿伦尼乌斯方程模型:

式中:η表示植物油黏度；A为指前因子；Ea为活化能；R为气体摩尔常数；T为热力学温度。经计算，14种植物油的活化能和指前因子结果见表2。活化能反映物质材料对温度的敏感度(温敏性)，其值越大，该物质的温敏性越高。可见，橄榄油的活化能最高，温度变化对其黏度影响最显著，其次是茶油，葡萄籽油黏度对温度的敏感度最小。由研究结果可以判断:植物油的流变学特性为温度敏感，并非剪切敏感。

花生油黏温曲线偏离阿伦尼乌斯方程模型可能由于花生油低温(＜10℃)凝结，发生相变，黏度急剧增大。

图4 植物油黏度随温度变化曲线

表2 植物油的阿伦尼乌斯方程参数

2.3 花生油黏温曲线

根据阿伦尼乌斯方程的对数式:lnη＝lnA－Ea/RT，作食用植物油的 lnη与1/T曲线(图5)，除花生油外，其余食用植物油的lnη与1/T在选定温度范围内有良好线性关系，r≥0.999 4；由于花生油的黏温曲线在选定温度范围内偏离阿伦尼乌斯方程，故其lnη与1/T非线性相关。试验收集了12个不同品牌的纯品花生油和1个直接压榨自提纯的花生油样品进行比较，考察了花生油的lnη与1/T曲线(图6)，13种纯品花生油的lnη与1/T均呈非线性相关，与上述结果一致。试验同时发现，不同品种花生油lnη随1/T的变化速率不同，可能与花生原料品种、产地及制取工艺不同有关。可见，黏温曲线(0～50℃)不符合阿伦尼乌斯方程模型纯品花生油的流变学特征之一，也是其区别于其他纯品植物油的重要特征。因此，可将黏温曲线(lnη与1/T)非线性特征作为判别纯品花生油的依据。

图5 植物油lnη与1/T相关性曲线

图6 不同品牌花生油lnη与1/T曲线

3 结论与展望

本研究用旋转流变仪分析了15种食用植物油的流变学行为，结果表明:室温下(25℃)食用植物油均属于牛顿流体，食用植物油的流变学特性为温度敏感；植物油的黏度和温敏性与植物油种类有关。纯品花生油的黏温曲线lnη与1/T非线性相关，显著区别于其它植物油的线性相关特性。

对食用植物油的流变学特性做了较系统的研究，研究结果为食用油的质量控制与鉴别提供了依据，也为食用油流变学鉴伪技术的开发奠定了基础。

参考文献

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