7种淀粉凝胶应力松弛特性研究

张　斌,吴　强,谢泽洋,孙兰萍

(蚌埠学院生物与食品工程系,安徽蚌埠 233030)



7种淀粉凝胶应力松弛特性研究

张斌,吴强,谢泽洋,孙兰萍*

(蚌埠学院生物与食品工程系,安徽蚌埠 233030)

将7种淀粉采用相同方法制备出凝胶块作为实验试样,经质构仪进行压缩和应力松弛实验得到流变学特性参数。利用统计分析软件进行非线性回归拟合,建立了广义Maxwell力学模型。结果表明:淀粉凝胶具有良好的压缩黏弹性力学性质,五元件广义Maxwell模型适用于模拟淀粉凝胶的应力松弛现象。通过主成分分析,应力松弛参数可归纳为两类,即凝胶粘弹特性和凝胶松弛时间。

淀粉凝胶,应力松弛,主成分分析

淀粉是植物中最重要的碳水化合物,广泛应用于食品、纺织品、塑料等行业[1-2]。淀粉糊化后可形成凝胶,其凝胶特性对食品品质的改善有着密切的关系[3-4]。例如,淀粉能有效地改善微波蛋糕的内部组织结构,增强蛋糕的内聚性,使其质地绵软细腻,气孔均匀致密[5];淀粉还可以提高低温乳化香肠保水保油性,改善其质构和感官品质[6]。

目前,淀粉凝胶质构特性的评价采用TPA测试法居多[7-8],以硬度、强度、韧性和粘着性等为指标,而将应力松弛方法应用于淀粉凝胶特性评价尚未见报道。应力松弛是指试样瞬时变形后,在应变量不变情况下,试样内部的应力随着时间的延长而下降的过程[9],其结果可以很好的反映出材料内部的结构构成和粘弹性状态,在预测食品质构特性和口感品质方面起到重要的作用[10]。研究采用英国TA.XT质构仪对食品工业中常用的7种淀粉制成的凝胶块进行应力松弛实验研究,建立应力松弛模型,获得应力松弛参数,考察应力、应变与时间的变化规律,以便建立新的评价淀粉凝胶质构特性的方法,为合理地选择利用各种淀粉提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

红薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉、绿豆淀粉、木薯淀粉食用级,上海朗顿生物有限公司;NaCl 分析纯无锡圣伦特国际贸易有限公司。

TA.XT Express型质构仪英国Stable Micro Systems公司;JK-800DB型数控超声清洗器南京利尔实验仪器设备有限公司;HH-4型超级恒温水浴锅上海蓝凯仪器仪表有限公司。

1.2实验方法

1.2.1样品制备参考文献[4]的方法制备出7种淀粉凝胶,用锋利的刀具将其切成长、宽、高为30 mm的凝胶块作为测试试样。

1.2.2力-变形曲线测定根据应力松弛的定义,应力松弛实验需要在不破坏样品的前提下进行,对淀粉凝胶样本瞬间施加一个固定应力产生非破坏性形变,通过后续形变的恢复过程来分析淀粉凝胶内部应力变化的过程[8,11]。为获得对全部凝胶样本所施加的最大变形量,选取7种淀粉中凝胶弹性最差的样本进行纵向破坏性压缩实验,通过应力-应变曲线找出试样弹性变形范围。

仪器参数设置参考文献[12]:测试模式measure fore in compression,P/5探头(直径5 mm),测试前速度2 mm/s,测试中速度0.8 mm/s,测试后速度0.8 mm/s,触发力5 g,数据采集速率200 pps。

1.2.3应力松弛曲线测定测试时保持变形量不变,测定试样应力与时间的关系,根据结果绘制出应力松弛曲线,建立其流变学模型[12-13]。

仪器参数设置参考文献[14]:测试模式measure force in compression,探头运行程序hold until time,P/5探头(直径5 mm),测试前速度2 mm/s,测试中速度0.8 mm/s,测试后速度0.8 mm/s,样品压缩比维持在26%,保持时间60 s,触发力5 g,数据采集速率200 pps。每个淀粉样品做20组平行实验。

1.2.4数据处理通过统计软件IBM SPSS Statistics 20.0 对实验的所有数据进行处理。

2　结果与讨论

2.1淀粉凝胶块力-变形曲线特征

对7种不同种类淀粉的凝胶块做纵向破坏性压缩实验绘制力-变形特征曲线,研究表明,当压缩变形量在26%(压缩5.2 mm)时,7种淀粉的凝胶块试样均可绘制出一条近似直线的应力-应变曲线(图1),即此刻应力与应变是正比关系。故试样变形量为26%时,能够保证所有的试样都属于弹性形变;而当试样变形量扩大到30%(压缩6 mm)时,部分实验出现塑性变形,应力-应变曲线也不再是一条直线状态。因此,在淀粉凝胶应力松弛实验中各试样的变形量以26%作为纵向压缩量。

图1　淀粉凝胶应力-应变曲线Fig.1　The curve of the pressure and deformation of starch gel

2.2淀粉凝胶块应力松弛特征

在以变形量26%作为纵向压缩量进行的淀粉凝胶块应力松弛实验中,根据实验数据绘制应力随时间变化的曲线,可获得如图2的典型应力松弛曲线。

图2　淀粉凝胶应力松弛曲线Fig.2　Stress relaxation cure of starch gel

由图2可知,淀粉凝胶块在某一固定纵向压缩变形过程中,其应力随着时间的延长而下降,下降速度逐渐减慢,最后趋于平衡。这说明淀粉凝胶块作为一种高分子聚合物不但具有黏性而且具有弹性,是一种黏弹性材料。在给凝胶块施加应力的瞬间,即应力松弛刚开始阶段,由于分子链中链角和链长发生变化导致分子链构象改变,而应力松弛后期主要是相邻分子链间的相互运动。前期变化反映了淀粉凝胶的储能性能即弹性,后期变化反映了淀粉凝胶的黏性[9]。

2.3淀粉凝胶应力松弛曲线的拟合

采用图3所示的广义麦克斯韦(Maxwell)模型对淀粉凝胶试样的应力松弛曲线进行拟合[12，14-15],模型方程见(1),利用SPSS统计分析软件进行非线性回归分析得到拟合方程,分别使用三元件模型、五元件模型、七元件模型获得的松弛阶段拟合方程的模型参数如表1所示。

(1)

式中,σ(t):应力松弛过程中任意时刻t时的应力,MPa;t:应力松弛实验时间,s;ε0:压缩变形量,%,ε0=26%;E0:平衡弹性模量,MPa;Ei:衰变弹性模量,MPa;τi:松弛时间,s;ηi:阻尼体粘滞系数,MPa·s,ηi=Ei×τi。

图3　广义麦克斯韦模型Fig.3　Generalized Maxwell model表1　不同模型的拟合度比较Table 1　Comparison of different models of goodness of fit

模型三元件五元件七元件R20.934～0.9610.991～0.9970.998～0.999

由表1可知,七元件模型的拟合程度最高,其次是五元件模型,平均拟合度均大于0.95,都能够很好的描述淀粉凝胶块的应力松弛现象。为方便计算,简化数据,本实验采用五元件模型来对淀粉凝胶块的应力松弛现象进行描述。

表2　7种淀粉的凝胶块应力松弛参数(n=20)Table 2　Stress-relaxation parameters of seven varieties of starch gel(n=20)

注:表2中同列数值后不同字母表示在p<0.05水平上邓肯氏检验差异性显著。

表3　淀粉凝胶应力松弛参数间相关系数矩阵Table 3　The correlation matrix of Stress-relaxation parameters of starch gel

2.4淀粉凝胶应力松弛曲线测定参数主成分分析

采用五元件模型进行非线性回归拟合,计算出7种不同种类淀粉的凝胶块试样应力松弛参数,各参数值见表2,不同淀粉的应力松弛参数具有显著性差异。对表2中淀粉凝胶块应力松弛参数做相关性分析,得到其相关系数见表3。继续对表3的数据做主成分分析,分析的结果见表4和表5。

表4　应力松弛相关系数矩阵的特征值及方差贡献率Table 4　The eigenvalues and percentage of correlation matrix of stress-relaxation parameters of starch gel

由表4可以看出,第一主成分的方差贡献率为61.83%,第二主成分的方差贡献率为28.69%,两者累计方差贡献率达90.52%。并且,第一主成分的特征值为4.33,第二主成分的特征值为2.01,两者特征值都大于1。而从第三主成分开始特征值都小于1。因此,只用第一和第二主成分就能够确切的对淀粉凝胶的应力松弛特性参数做出解释。

由表5中的主成分载荷量分析得出,第一主成分F1与参数X1、X2、X4、X5、X7显著相关,F1可以很好的反应这5个参数的信息,即凝胶块的粘性和弹性;第二主成分F2与参数X3、X6显著相关,即F2反映了凝胶块的松弛时间。两个主成分的数学表达式[16]分别为:

主成分F1=0.47x1+0.48x2-0.04x3+0.34x4+0.47x5-0.19x6+0.43x7

主成分F2=-0.03x1-0.06x2+0.66x3+0.46x4-0.15x5-0.52x6-0.25x7

表5　主成分载荷矩阵与特征值向量Table 5　Component matrix and eigenvectors

注:xi为SPSS软件对表2标准化后的数据。

3　结论

淀粉凝胶是粘弹性材料,可用五元件广义Maxwell模型对其应力松弛现象作出很好的拟合。

通过对应力松弛参数做相关性分析,得出淀粉凝胶的内部应力松弛参数存在信息重叠,即参数之间存在着一定的相关性。

对7个应力松弛参数做主成分分析,这些参数可被两个主成分很好的描述。第一主成分表示淀粉凝胶块的黏性和弹性。第二主成分表示淀粉凝胶块的松弛时间。

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Stress relaxation characteristics of seven kinds of starch gels

ZHANG Bin,WU Qiang,XIE Ze-yang,SUN Lan-ping*

(Department of Biology and Food Engineering,Bengbu College,Bengbu 233000,China)

The parameters of mechanics and theological properties of seven different starch gel samples were investigated. In order to obtain the parameters,the texture analyzer was employed to perform the compression and the stress-relaxation test. The mechanical model of generalized Maxwell was set up by using the SPSS software to make non-linear regression. It showed that starch gels had favorable viscoelastic mechanical property during compression,the five elements of general Maxwell model can be applied to simulate the stress-relaxation phenomenon in starch gels. Through principal component analysis,stress-relaxation parameters can be summarized into two kinds,which was gel viscoelastic property and gel relaxation time.

starch gel;stress relaxation;principal component analysis

2015-04-09

张斌(1979-),男,硕士,副教授,研究方向:食品加工技术,E-mail:zhangbin207@163.com。

孙兰萍(1969-),女,硕士,教授,研究方向:天然产物提取与分离,E-mail:lanpingsun@163.com。

安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2013A182);安徽省卓越工程师培养计划(2013zjjh040);2013年国家级大学生创新项目(201311305028)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0101-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.012