上海腾拔质构仪助力浙江大学在Food Chemistry发文

近日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院研究人员在国际食品期刊《Food Chemistry》(中科院一区，IF=9.8)发表了题为"Cross-scale assessment of yam waxiness attribute from stress relaxation and fluid mechanics: A distinctive mouthfeel derived from starch matrix"的研究论文。在该论文中，研究人员利用上海腾拔Universal TA国产质构仪用于测定山药的应力松弛行为。

关于waxiness评估及其潜在形成机制的研究仍然有限。在本研究中，我们通过整合感官评价和仪器分析，建立了一种评估山药waxiness的综合方法。通过将waxiness评估解构为咀嚼和吞咽阶段，采用应力松弛和流变学测试来表征这些阶段。系统地利用平衡模量（E0）、粘度系数（η1）、稠度系数（K*）和损耗模量（G''）等关键参数，以准确评估山药的waxiness。我们对waxiness形成机制的研究表明，长淀粉链（24 < X < 100 和 5000 < X < 20,000）增强了结构稳定性，导致 η1 和 G'' 增加。这些链整合到淀粉颗粒的结晶区和无定形区，从而改善了凝胶的稳定性、弹性和粘度，最终增强了山药的waxiness。相反，短支链淀粉通过增加淀粉凝胶的 E0 降低了waxiness强度。

根据先前的研究，使用质构分析仪（Universal TA，上海腾拔仪器科技有限公司）进行应力松弛测试。该测试测量了材料在恒定应变下随时间的应力响应，旨在通过评估其粘弹性质，建立一种评估固体山药块茎waxiness的方法。将山药样品加工成高度为 15mm、直径为 22 mm 的圆柱体，并在过量纯水中煮沸 35 分钟。待样品冷却至 40°C 时进行测量。使用 P36R 探头测试山药的应力松弛，获取应力松弛数据。探头以 1 mm/s 的速度压缩样品 4.5 mm，并在恒定应变下保持 120 秒以使应力平衡。广义麦克斯韦模型广泛用于分析粘弹性材料的应力松弛行为。该模型由多个与自由弹簧并联的麦克斯韦单元组成，其中每个麦克斯韦单元由一个弹簧和一个阻尼器串联构成。压缩过程中，完整样品的压缩区域在载荷下会出现变化，这有助于获取力 - 时间曲线以分析应力松弛行为。随后，将松弛阶段观察到的力 - 时间关系拟合至广义麦克斯韦模型的修正版本（公式 2、3）。

其中 σ(t) 为给定时间的应力（Pa），D0 为恒定应变（mm），E0 表示平衡弹性模量，Ei 为理想弹性元件的弹性模量，n 为麦克斯韦单元的数量，t 表示第 i 个麦克斯韦单元的弛豫时间，Ti 为各衰减过程的时间常数，ηi 为元件 i 的黏度。

为了预测咀嚼时的waxiness，我们利用广义麦克斯韦模型（图 2）分析了山药的动态应力松弛行为，该模型常用于表征粘弹性材料的应力松弛特性。研究中采用单项和两项麦克斯韦模型来确定应力松弛行为，这两种模型均可较好地描述熟制山药的粘弹性质。数据拟合结果显示，单项模型的 R² 值范围为 0.9045 至 0.9449，平均残差偏差（MRD）为 2.23%–20.13%（表 S6）。然而，单项模型在 CJ、BZ 和 AS 样品中未能收敛。相比之下，两项麦克斯韦模型的 R² 值更高，范围为 0.9918 至 0.9986，且 MRD 值更低（0.51%–4.23%）。这些结果表明，两项麦克斯韦模型能够更准确地拟合熟制山药的应力松弛行为。

麦克斯韦模型的拟合曲线如图 2a 所示。两项麦克斯韦模型的 E0、Ei、Ti 和 η1 参数见表 S7。E0 反映了材料在持续加载时的刚度或弹性响应。在粘弹性材料中，E0 通常与材料的时间依赖性行为相关。在所有测试的山药样品中，E0 呈现梯度分布，从 WN 样品的 382.51 Nm⁻¹ 到 XY 样品的 3978.77 Nm⁻¹ 不等。XY 山药的 E0 值最高，表明其在长期应力下的变形最小，刚度更大。相比之下，WN 山药的 E0 值zui低，表明该山药品种的松弛过程更明显，柔韧性更高且质地更柔软。在麦克斯韦模型中，每个单元由代表弹性模量（Ei）的弹簧和代表黏度系数（ηi）的阻尼器组成，且这些弹簧呈串联排列。E1 和 E2 捕捉了不同时间尺度下的弹性响应，反映了材料在初始应力和长期应力下的松弛行为。值得注意的是，在waxinesszui强的 WN 样品中，E2 高于 E1，这表明即使在初始快速变形后，熟制山药仍保留了显著的弹性恢复能力。这些结果表明，WN 山药在长期应力下会发生明显的塑性变形。有趣的是，随着waxiness属性强度的降低，这一现象变得不那么明显。黏度系数 η1 和 η2 代表材料对变形的阻力，每个阻尼器捕捉黏性行为的不同方面。η1 随着waxiness属性的增强而增加，导致初始变形更慢，表明材料的黏性阻力更大。

参考文献：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。