上海騰拔質(zhì)構(gòu)儀助力浙江大學(xué)在Food Chemistry發(fā)文

近日，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院研究人員在國(guó)際食品期刊《Food Chemistry》(中科院一區(qū)，IF=9.8)發(fā)表了題為"Cross-scale assessment of yam waxiness attribute from stress relaxation and fluid mechanics: A distinctive mouthfeel derived from starch matrix"的研究論文。在該論文中，研究人員利用上海騰拔Universal TA國(guó)產(chǎn)質(zhì)構(gòu)儀用于測(cè)定山藥的應(yīng)力松弛行為。

關(guān)于waxiness評(píng)估及其潛在形成機(jī)制的研究仍然有限。在本研究中，我們通過(guò)整合感官評(píng)價(jià)和儀器分析，建立了一種評(píng)估山藥waxiness的綜合方法。通過(guò)將waxiness評(píng)估解構(gòu)為咀嚼和吞咽階段，采用應(yīng)力松弛和流變學(xué)測(cè)試來(lái)表征這些階段。系統(tǒng)地利用平衡模量（E0）、粘度系數(shù)（η1）、稠度系數(shù)（K*）和損耗模量（G''）等關(guān)鍵參數(shù)，以準(zhǔn)確評(píng)估山藥的waxiness。我們對(duì)waxiness形成機(jī)制的研究表明，長(zhǎng)淀粉鏈（24 < X < 100 和 5000 < X < 20,000）增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致 η1 和 G'' 增加。這些鏈整合到淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)，從而改善了凝膠的穩(wěn)定性、彈性和粘度，最終增強(qiáng)了山藥的waxiness。相反，短支鏈淀粉通過(guò)增加淀粉凝膠的 E0 降低了waxiness強(qiáng)度。

根據(jù)先前的研究，使用質(zhì)構(gòu)分析儀（Universal TA，上海騰拔儀器科技有限公司）進(jìn)行應(yīng)力松弛測(cè)試。該測(cè)試測(cè)量了材料在恒定應(yīng)變下隨時(shí)間的應(yīng)力響應(yīng)，旨在通過(guò)評(píng)估其粘彈性質(zhì)，建立一種評(píng)估固體山藥塊莖waxiness的方法。將山藥樣品加工成高度為 15mm、直徑為 22 mm 的圓柱體，并在過(guò)量純水中煮沸 35 分鐘。待樣品冷卻至 40°C 時(shí)進(jìn)行測(cè)量。使用 P36R 探頭測(cè)試山藥的應(yīng)力松弛，獲取應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)。探頭以 1 mm/s 的速度壓縮樣品 4.5 mm，并在恒定應(yīng)變下保持 120 秒以使應(yīng)力平衡。廣義麥克斯韋模型廣泛用于分析粘彈性材料的應(yīng)力松弛行為。該模型由多個(gè)與自由彈簧并聯(lián)的麥克斯韋單元組成，其中每個(gè)麥克斯韋單元由一個(gè)彈簧和一個(gè)阻尼器串聯(lián)構(gòu)成。壓縮過(guò)程中，完整樣品的壓縮區(qū)域在載荷下會(huì)出現(xiàn)變化，這有助于獲取力 - 時(shí)間曲線(xiàn)以分析應(yīng)力松弛行為。隨后，將松弛階段觀察到的力 - 時(shí)間關(guān)系擬合至廣義麥克斯韋模型的修正版本（公式 2、3）。

其中 σ(t) 為給定時(shí)間的應(yīng)力（Pa），D0 為恒定應(yīng)變（mm），E0 表示平衡彈性模量，Ei 為理想彈性元件的彈性模量，n 為麥克斯韋單元的數(shù)量，t 表示第 i 個(gè)麥克斯韋單元的弛豫時(shí)間，Ti 為各衰減過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，ηi 為元件 i 的黏度。

為了預(yù)測(cè)咀嚼時(shí)的waxiness，我們利用廣義麥克斯韋模型（圖 2）分析了山藥的動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛行為，該模型常用于表征粘彈性材料的應(yīng)力松弛特性。研究中采用單項(xiàng)和兩項(xiàng)麥克斯韋模型來(lái)確定應(yīng)力松弛行為，這兩種模型均可較好地描述熟制山藥的粘彈性質(zhì)。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果顯示，單項(xiàng)模型的 R2 值范圍為 0.9045 至 0.9449，平均殘差偏差（MRD）為 2.23%–20.13%（表 S6）。然而，單項(xiàng)模型在 CJ、BZ 和 AS 樣品中未能收斂。相比之下，兩項(xiàng)麥克斯韋模型的 R2 值更高，范圍為 0.9918 至 0.9986，且 MRD 值更低（0.51%–4.23%）。這些結(jié)果表明，兩項(xiàng)麥克斯韋模型能夠更準(zhǔn)確地?cái)M合熟制山藥的應(yīng)力松弛行為。

麥克斯韋模型的擬合曲線(xiàn)如圖 2a 所示。兩項(xiàng)麥克斯韋模型的 E0、Ei、Ti 和 η1 參數(shù)見(jiàn)表 S7。E0 反映了材料在持續(xù)加載時(shí)的剛度或彈性響應(yīng)。在粘彈性材料中，E0 通常與材料的時(shí)間依賴(lài)性行為相關(guān)。在所有測(cè)試的山藥樣品中，E0 呈現(xiàn)梯度分布，從 WN 樣品的 382.51 Nm?1 到 XY 樣品的 3978.77 Nm?1 不等。XY 山藥的 E0 值最高，表明其在長(zhǎng)期應(yīng)力下的變形最小，剛度更大。相比之下，WN 山藥的 E0 值z(mì)ui低，表明該山藥品種的松弛過(guò)程更明顯，柔韌性更高且質(zhì)地更柔軟。在麥克斯韋模型中，每個(gè)單元由代表彈性模量（Ei）的彈簧和代表黏度系數(shù)（ηi）的阻尼器組成，且這些彈簧呈串聯(lián)排列。E1 和 E2 捕捉了不同時(shí)間尺度下的彈性響應(yīng)，反映了材料在初始應(yīng)力和長(zhǎng)期應(yīng)力下的松弛行為。值得注意的是，在waxinesszui強(qiáng)的 WN 樣品中，E2 高于 E1，這表明即使在初始快速變形后，熟制山藥仍保留了顯著的彈性恢復(fù)能力。這些結(jié)果表明，WN 山藥在長(zhǎng)期應(yīng)力下會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形。有趣的是，隨著waxiness屬性強(qiáng)度的降低，這一現(xiàn)象變得不那么明顯。黏度系數(shù) η1 和 η2 代表材料對(duì)變形的阻力，每個(gè)阻尼器捕捉黏性行為的不同方面。η1 隨著waxiness屬性的增強(qiáng)而增加，導(dǎo)致初始變形更慢，表明材料的黏性阻力更大。

參考文獻(xiàn)：Ye Li et al. Cross-scale assessment of yam waxiness attribute from stress relaxation and fluid mechanics: A distinctive mouthfeel derived from starch matrix. Food Chemistry, 2025。