学术研究报告：固体体积分数对芝麻酱流变特性及储存稳定性的影响

第一作者及期刊信息
本研究由Jingwen Zhao、Jun He、Yan Zhang等学者合作完成，通讯作者为Yiguo Zhao和Yapeng Fang。研究发表于食品科学领域知名期刊《Food Hydrocolloids》2025年7月刊（Volume 164, 111196）。

学术背景
芝麻酱是一种半固态食品，因其独特风味和营养价值在亚洲饮食文化中占据重要地位。然而，其复杂的流变特性和储存过程中的油固分离问题严重影响了产品品质和货架期。传统解决方法包括调整加工条件（如烘焙温度）或添加外源稳定剂（如多糖或蛋白质复合物），但这些方法可能改变产品感官特性。本研究从流体力学角度出发，提出通过调控固体体积分数（solid volume fraction）来优化芝麻酱的流变行为和稳定性，旨在建立一种基于固体体积分数的科学调控方法，并开发基于CT灰度分析的无损稳定性评估技术。

研究流程与方法
1. 样品制备与基础表征
- 以32%固体体积分数的芝麻酱为基准，通过调整芝麻油含量制备了15%-42%不同固体体积分数的样品（共9组）。
- 采用烘箱法、凯氏定氮法、索氏提取法分别测定水分、蛋白质和脂肪含量；通过马尔文粒度仪（Malvern Mastersizer 3000）分析颗粒粒径分布，结果显示样品呈三峰分布，平均粒径为25.04–27.53 μm，确保初始分散一致性。

1. 流变学分析

   • 触变性测试：通过剪切速率阶梯变化（0.1–100 s⁻¹）发现，固体体积分数≥38%时出现显著触变环（thixotropic loop），积分面积最高达62909（42%组），表明高固体分数增强了内部网络结构的破坏与恢复阻力。
     
   • 稳态剪切实验：拟合Herschel-Bulkley模型显示，屈服应力（yield stress, σ₀）从15%组的0.05 Pa升至42%组的68.52 Pa，一致性指数（k）同步增长，证实固体分数增加会显著提升流动阻力。
     
   • 动态振荡剪切：通过G’（储能模量）和G”（损耗模量）交点确定动态屈服应力（σ_y,p），42%组达1.53 Pa，与稳态结果趋势一致但数值更低，反映不同剪切条件下流变行为的差异。
     
   • 代数应力分叉法（ASB）：首次应用于芝麻酱，量化固-液转变的起始（start）和终止（end）应力，42%组分别为1.44 Pa和1.68 Pa，为工业应用提供更精确的工艺参数。
     

2. 储存稳定性与CT分析

   • 60天自然沉降实验显示，固体体积分数从15%升至42%时，漏油率（oil leakage rate）从53%降至6.1%，证明高固体分数通过增强屈服应力抑制颗粒沉降。
     
   • X射线CT扫描：通过灰度值（CT gray value）与固体体积分数的线性关系（R²=0.99），建立预测模型：灰度值=17107 + 23040×固体分数。进一步关联灰度值与漏油率，提出无损稳定性评估方法。
     

主要结果与逻辑链条
- 流变特性：固体体积分数升高导致剪切稀化（shear-thinning）和触变性增强，源于颗粒间相互作用力提升（如Krieger-Dougherty方程拟合显示最大体积分数理论值φ_max=0.53，但实际离心实验为0.45，与多分散性相关）。
- 稳定性机制：高固体分数通过增加屈服应力阻碍颗粒沉降，CT显微结构显示颗粒分布密度随固体分数上升而增大，直接支撑了流变数据结论。

研究结论与价值
1. 科学价值：首次系统阐明了固体体积分数对芝麻酱流变特性和稳定性的定量影响规律，为半固态食品设计提供了理论依据。
2. 应用价值：提出的CT灰度分析法可替代传统破坏性检测，实现快速质量控制；优化固体分数（如35%-42%）可平衡稳定性和感官特性。
3. 方法论创新：将代数应力分叉法引入食品流变学，拓展了复杂流体屈服应力的表征手段。

研究亮点
- 揭示了固体体积分数作为核心变量对芝麻酱流变和稳定性的双重调控作用。
- 开发基于CT灰度值的无损稳定性预测模型，具有工业化应用潜力。
- 多方法交叉验证（稳态/动态流变、ASB、CT）提升了结论的可靠性。

其他有价值内容
研究指出，尽管高固体分数提升稳定性，但超过42%可能导致质地过硬，未来需结合感官评价进一步优化。此外，CT设备的成本问题建议通过开发替代性成像技术解决。