上海騰拔質構儀助力浙江大學在Food Chemistry發文

近日，浙江大學生物系統工程與食品科學學院研究人員在國際食品期刊《Food Chemistry》(中科院一區，IF=9.8)發表了題為"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國產質構儀用于測定山藥的應力松弛行為。

關于waxiness評估及其潛在形成機制的研究仍然有限。在本研究中，我們通過整合感官評價和儀器分析，建立了一種評估山藥waxiness的綜合方法。通過將waxiness評估解構為咀嚼和吞咽階段，采用應力松弛和流變學測試來表征這些階段。系統地利用平衡模量（E0）、粘度系數（η1）、稠度系數（K*）和損耗模量（G''）等關鍵參數，以準確評估山藥的waxiness。我們對waxiness形成機制的研究表明，長淀粉鏈（24 < X < 100 和 5000 < X < 20,000）增強了結構穩定性，導致 η1 和 G'' 增加。這些鏈整合到淀粉顆粒的結晶區和無定形區，從而改善了凝膠的穩定性、彈性和粘度，最終增強了山藥的waxiness。相反，短支鏈淀粉通過增加淀粉凝膠的 E0 降低了waxiness強度。

根據先前的研究，使用質構分析儀（Universal TA，上海騰拔儀器科技有限公司）進行應力松弛測試。該測試測量了材料在恒定應變下隨時間的應力響應，旨在通過評估其粘彈性質，建立一種評估固體山藥塊莖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，并在過量純水中煮沸 35 分鐘。待樣品冷卻至 40°C 時進行測量。使用 P36R 探頭測試山藥的應力松弛，獲取應力松弛數據。探頭以 1 mm/s 的速度壓縮樣品 4.5 mm，并在恒定應變下保持 120 秒以使應力平衡。廣義麥克斯韋模型廣泛用于分析粘彈性材料的應力松弛行為。該模型由多個與自由彈簧并聯的麥克斯韋單元組成，其中每個麥克斯韋單元由一個彈簧和一個阻尼器串聯構成。壓縮過程中，完整樣品的壓縮區域在載荷下會出現變化，這有助于獲取力 - 時間曲線以分析應力松弛行為。隨后，將松弛階段觀察到的力 - 時間關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) 為給定時間的應力（Pa），D0 為恒定應變（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量，t 表示第 i 個麥克斯韋單元的弛豫時間，Ti 為各衰減過程的時間常數，ηi 為元件 i 的黏度。

為了預測咀嚼時的waxiness，我們利用廣義麥克斯韋模型（圖 2）分析了山藥的動態應力松弛行為，該模型常用于表征粘彈性材料的應力松弛特性。研究中采用單項和兩項麥克斯韋模型來確定應力松弛行為，這兩種模型均可較好地描述熟制山藥的粘彈性質。數據擬合結果顯示，單項模型的 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，單項模型在 CJ、BZ 和 AS 樣品中未能收斂。相比之下，兩項麥克斯韋模型的 R2 值更高，范圍為 0.9918 至 0.9986，且 MRD 值更低（0.51%–4.23%）。這些結果表明，兩項麥克斯韋模型能夠更準確地擬合熟制山藥的應力松弛行為。

麥克斯韋模型的擬合曲線如圖 2a 所示。兩項麥克斯韋模型的 E0、Ei、Ti 和 η1 參數見表 S7。E0 反映了材料在持續加載時的剛度或彈性響應。在粘彈性材料中，E0 通常與材料的時間依賴性行為相關。在所有測試的山藥樣品中，E0 呈現梯度分布，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，表明其在長期應力下的變形最小，剛度更大。相比之下，WN 山藥的 E0 值zui低，表明該山藥品種的松弛過程更明顯，柔韌性更高且質地更柔軟。在麥克斯韋模型中，每個單元由代表彈性模量（Ei）的彈簧和代表黏度系數（ηi）的阻尼器組成，且這些彈簧呈串聯排列。E1 和 E2 捕捉了不同時間尺度下的彈性響應，反映了材料在初始應力和長期應力下的松弛行為。值得注意的是，在waxinesszui強的 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能力。這些結果表明，WN 山藥在長期應力下會發生明顯的塑性變形。有趣的是，隨著waxiness屬性強度的降低，這一現象變得不那么明顯。黏度系數 η1 和 η2 代表材料對變形的阻力，每個阻尼器捕捉黏性行為的不同方面。η1 隨著waxiness屬性的增強而增加，導致初始變形更慢，表明材料的黏性阻力更大。

參考文獻：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。