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槳葉轉(zhuǎn)子測量果醬，巧克力醬，花生醬的屈服應(yīng)力
2020-7-14 閱讀(305)
摘要
果醬，巧克力醬和花生醬這類產(chǎn)品的標準質(zhì)控方法之一是在其原始容器中測量產(chǎn)品的屈服應(yīng)力。為了完成這類測試，需要使用槳葉式轉(zhuǎn)子，并將其垂直放入到盛放樣品的原始容器中，以免破壞其原始結(jié)構(gòu)。為了精確高效的完成此類質(zhì)控實驗，需要使用一臺具有簡單靈活升降控制功能的流變儀配備通用樣品夾持器，以便適應(yīng)各種形狀的容器，還要求該儀器的軟件可以自動進行測試，數(shù)據(jù)評估以及質(zhì)控結(jié)果記錄。另外還可以選擇加載一只與轉(zhuǎn)子平行的溫度傳感器以便記錄樣品的真實溫度。食品產(chǎn)品的屈服應(yīng)力是表征其性能比如產(chǎn)品的穩(wěn)定性，口感，流動性，分散性及加工性能的重要參數(shù)，而且會受到食品成分及配方的影響。
簡介
為了研究不同配方及成分對屈服應(yīng)力的影響以及重復(fù)性，本文選取 3 種典型的食品進行測試分析。槳葉式轉(zhuǎn)子的優(yōu)勢在于其可以用來測試含有較大尺寸顆粒的樣品，但是槳葉轉(zhuǎn)子的葉片尺寸也需要幾倍于樣品的zui大顆粒尺寸（比如山莓醬的種子）。從流變的角度看，固體顆粒屬于被動填料，不會對樣品的彈性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生貢獻，一般來說樣品的彈性網(wǎng)絡(luò)是由分子或大的聚集體直接的相互作用產(chǎn)生的。在樣品屈服之前，樣品會隨著剪切應(yīng)力或應(yīng)變表現(xiàn)出線性響應(yīng)；接近屈服時，所施加的應(yīng)力變得足夠大，可以改變材料的微結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致樣品的非線性粘彈響應(yīng)；樣品屈服以后則會表現(xiàn)出液體的性質(zhì)。而樣品的屈服應(yīng)力的確定則很大程度上依賴于所選用的實驗方法和參數(shù)設(shè)置 [1-3]。
巧克力醬則會因為糖分，脂肪，可可及蛋白質(zhì)含量以及乳化劑的不同而表現(xiàn)出不一樣的性質(zhì)。而這些因素都會對其屈服應(yīng)力產(chǎn)生不同的影響。本文選取了兩種市售的巧克力醬作為樣品進行了測試。而花生醬的屈服應(yīng)力要比巧克力醬還要高 [4]。本文也選擇了一種奶油花生醬進行實驗，并考察槳葉式轉(zhuǎn)子的測試重復(fù)性。
屈服應(yīng)力的定義是使得樣品流動所需要的zui小的剪切應(yīng)力。屈服應(yīng)力可以用來考察產(chǎn)品的流動性，分散性等，也可以用來評估其穩(wěn)定性 [2- 5]。屈服應(yīng)力的計算一方面取決于產(chǎn)品的成分，另一方面還受到測試方法及參數(shù)的影響。而且，樣品的預(yù)處理過程起著重要作用，直接決定所測試的是原始結(jié)構(gòu)還是破壞后的結(jié)構(gòu) [2,3,5]。
關(guān)于屈服應(yīng)力的測試方法，準確也是推薦的是用平行板夾具進行直接控制應(yīng)力實驗。這要求細致的樣品準備，處理及加樣，以保持樣品的原始結(jié)構(gòu) [6]。攪拌或者擠壓都會導(dǎo)致屈服應(yīng)力發(fā)生動態(tài)變化。將樣品加載到平行板，錐平板或者同軸圓筒內(nèi)進行實驗，通常需要很長的樣品恢復(fù)時間，從 10 到 20 分鐘不等，也許更長。但是對于質(zhì)控過程來說，這種方法太費時間，因此經(jīng)常采用相對槳葉式這種相對測試夾具來進行原位的實驗評估。選擇正確的實驗參數(shù)是此種實驗基礎(chǔ)的要素，詳見文獻 [7]，并且推薦用控制速率模式進行測試，轉(zhuǎn)速不超過1rmp。
圖 1：Thermo賽默飛HAAKE哈克 Viscotester iQ 智能流變儀，通用夾持器及槳葉轉(zhuǎn)子
實驗材料和方法
本文使用賽默飛哈克Viscotest iQ 智能流變儀配合兩種 4 葉片的槳葉式轉(zhuǎn)子（FL16 和 FL22）在通用夾持器上通過控制速率模式進行實驗，轉(zhuǎn)子葉片直徑分別為16 和 22 毫米，高度分別為 8.8 和 16 毫米（圖 1），儀器轉(zhuǎn)速設(shè)置為 0.05rpm。5 中市售醬類產(chǎn)品分別使用不同的轉(zhuǎn)子，采用相同的實驗參數(shù)進行測試。將產(chǎn)品容器蓋子打開，直接放置在通用夾持器上面。利用手動控制升降功能和哈克 TMRheoWin軟件設(shè)置（圖 2）以保證轉(zhuǎn)子保持靜止，然后垂直的將轉(zhuǎn)子插入到具有高度重復(fù)性的測量位置。實際經(jīng)驗表明，較硬的產(chǎn)品在生產(chǎn)線上以較高的速度罐裝時，產(chǎn)品在容器內(nèi)的不同區(qū)域可能表現(xiàn)出不一樣的性質(zhì)。因此每次實驗都必須保證槳葉轉(zhuǎn)子在產(chǎn)品容器中的位置是相同的，以確保測試結(jié)果的重復(fù)性和可靠性。當樣品經(jīng)過短暫的平衡和恢復(fù)后，測試時間被重置為 0。然后設(shè)置一個非常低轉(zhuǎn)速（0.05rpm），旋轉(zhuǎn)的時間以及在此時間段內(nèi)所需要的數(shù)據(jù)點的數(shù)量?？梢约尤霐?shù)據(jù)自動評估的設(shè)置以及生成實驗報告。實驗報告可以保存為多種格式（比如 pdf，jpeg，tiff 等）或者直接由打印機輸出。對于每一類樣品，都需要進行簡單的預(yù)實驗來確定合適的轉(zhuǎn)子型號。比如較小尺寸的轉(zhuǎn)子適合測試具備較高屈服應(yīng)力的樣品，比如花生醬；而尺寸大的轉(zhuǎn)子則適用于測試低粘度、低屈服應(yīng)力的樣品，例如巧克力醬，果醬或者蛋黃醬 [7]。為了確定合適的轉(zhuǎn)速，則需要進行多種轉(zhuǎn)速的實驗。轉(zhuǎn)速太高則會在曲線上形成一個難以計算的尖峰（圖 3 中紅色三角形），
圖 2：哈克 TMRheoWin軟件設(shè)置
圖 3：同一樣品不同轉(zhuǎn)速下，實驗結(jié)果的區(qū)別
轉(zhuǎn)速太低則會產(chǎn)生漸進型的曲線（圖 3 綠色圓圈）。而我們的目的是選擇一個合適的轉(zhuǎn)速，使得實驗曲線具有一個可以評估的zui大值（圖 3 藍色長方形）。前期實驗證明，0.05rpm 的轉(zhuǎn)速是適合這些樣品的。
結(jié)果與討論
果醬的流變特性很大程度上取決于水果的種類及果醬配方 [8]。圖 4 給出了兩種山莓醬的實驗結(jié)果，一種是含有種子的，另一種是過篩的。跟預(yù)期的一樣，過了篩的樣品的屈服應(yīng)力遠大于含有種子的樣品。這是因為其種子
表現(xiàn)為堅硬的球體，并不會對樣品彈性結(jié)構(gòu)起到任何貢獻。但是兩種樣品產(chǎn)生屈服的時間軸是基本一致的，如表 1 所示。其中表 1 的數(shù)據(jù)還包含了過篩樣品的兩次實驗數(shù)據(jù)，用以考察結(jié)果重復(fù)性。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過大約 85-90度時，此時轉(zhuǎn)子再也感知不到任何樣品的原始結(jié)構(gòu)信息，因此在大約 300 秒后，曲線會略有下降。
圖 4：兩種山莓醬的屈服應(yīng)力測試結(jié)果
表 1：山莓醬樣品的實驗數(shù)據(jù)匯總及對比
圖 5 和表 2 的數(shù)據(jù)是兩種巧克力醬產(chǎn)品 A 和 B 的實驗結(jié)果。其中 A 樣品中含有更多的可可、蛋白質(zhì)和糖分，但是其脂肪含量要小于 B 樣品。另外，兩種產(chǎn)品所使用的乳化劑也不一樣，A 用的是大豆提取物，而 B 則是提取自向日葵。結(jié)果表面 B 樣品的屈服應(yīng)力幾乎超過 A 的兩倍以上。槳葉轉(zhuǎn)子重復(fù)性實驗使用的是 FL16 型號轉(zhuǎn)子，樣品是牛奶花生醬。圖 6 和表 3 的結(jié)果表明，在三次獨立的實驗結(jié)果中，數(shù)據(jù)重復(fù)性非常好，并且屈服應(yīng)力數(shù)據(jù)與平均值之間的誤差只有 1.5%，其發(fā)生屈服的時間也基本一致。
圖 6：牛奶花生醬的三次獨立測試實驗結(jié)果
表 2：巧克力醬樣品的實驗結(jié)果匯總及對比
圖 6：牛奶花生醬的三次獨立測試實驗結(jié)果
表 3：牛奶花生醬的三次獨立實驗結(jié)果匯總及對比
結(jié)論
使用賽默飛哈克Viscotest iQ 智能流變儀配合通用夾持具及槳葉式轉(zhuǎn)子可以快速，高效的完成果醬類樣品的質(zhì)控工作，并且可以對樣品進行原位的性能表征及評估。該儀器具備智能升降功能，可以保證便捷，快速的操作。配合通用夾持器，可以讓用戶在特定的容器中進行樣品測試，并保證槳葉轉(zhuǎn)子測試位置的高重復(fù)性，這也是得到高重復(fù)性數(shù)據(jù)的保證。賽默飛哈克Viscotest iQ 智能流變儀既可以通過內(nèi)置程序單獨工作，也可以通過具備強大功能的哈克 TMRheoWin軟件來完成更加復(fù)雜的測試和數(shù)據(jù)評估。
參考文獻
1. Sun A., Gunasekaran S. “Yield stress in foods-measurements and applications“ Intl. J. Food Prop. 12(2009) 70-101
2. Steffe J. F. “Rheological methods in food process engineering“. 2nd Ed.; Freeman Press, East Lansing(1996)
3. Rao M. A. “Rheology of fluid and semisolid foods – Principles and applications“. 2nd Ed., Springer, New York (2007)
4. Oldörp K. “Applied food rheology – Using fast speed control and axial measurements“. Thermo Scientific Application Note V238 (2009)
5. Schramm G. “A practical approach to rheology and rheometry“. Thermo Scientific, Karlsruhe (2004)
6. DIN Report 143 “Modern rheological test methods – Part 1: Determination of the yield point – Fundamentals and comparative testing methods“. (2005)
7. De Vito F., Meyer F., Soergel F. “Investigation of the effect of fat content on the yield stress of mayonnaise measured with HAAKE Viscotester iQ and vane rotor“. Thermo Scientific Application Note V271 (2014)
8. Javanmard M., Endan J. “A survey on rheological properties of fruit jams“. Int. J. Chem. Eng. Appl. 1 (2010) 31-37
9. Fischer A. “Qualitätskontrolle mit Hilfe der HAAKE RheoWin Software“. Thermo Scientific Application Note V223 (2007)
