橙汁飲料中β-胡蘿卜素乳狀液的穩定性

孫術國，高彥祥，尹 紅，麻成金，王小虎

(1.吉首大學食品科學研究所，湖南 吉首 416000；2.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

橙汁飲料中β-胡蘿卜素乳狀液的穩定性

孫術國1,2，高彥祥2，尹 紅1，麻成金1，王小虎1

(1.吉首大學食品科學研究所，湖南 吉首 416000；2.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083)

研究均質條件、VC添加量、阿拉伯膠的添加量和殺菌時間對橙汁飲料中β-胡蘿卜素放置前2h期間的遷移速率和貯藏兩周粒徑變化的影響，從而評價橙汁飲料β-胡蘿卜素的物理穩定性；研究貯藏兩周橙汁飲料β-胡蘿卜素含量的變化，判別橙汁飲料β-胡蘿卜素的化學穩定性。結果表明：均質壓力30MPa、VC添加的質量分數為0.03%、阿拉伯膠添加的質量分數為0.08%和殺菌時間7min制備的橙汁飲料β-胡蘿卜素乳狀液物理化學穩定性最佳。研究不同貯藏溫度條件橙汁飲料β-胡蘿卜素的穩定性，結果發現：飲料β-胡蘿卜素含量與貯藏時間變化擬合一階動力學模型lnC＝lnC0－kt(R2＝0.992)，不同溫度梯度條件下β-胡蘿卜素降解速率常數的對數與溫度的倒數很好的擬合Arrhenius模型(R2＝0.961)。

橙汁；β-胡蘿卜素乳狀液；穩定性；一階動力學模型

類胡蘿卜素是一類天然色素，廣泛分布于各類植物中[1]。它們擁有多種結構形式，對人類具有多種保健功能，除了可用于各類食品調色[2]，從營養學角度，它們還具有VA原的活性。目前報道的類胡蘿卜素大約有700種，當中具有未被取代β-環、11個碳原子的多烯烴類胡蘿卜素才擁有VA原的活性[3]，能滿足這種結構的類胡蘿卜素只有60多種。另外，類胡蘿卜素還具有清除自由基、增強抗氧化活性[4]，能夠預防和治療人類一些疾病，如皮膚代謝混亂、癌癥、心狀病、眼睛老化相關疾病等[5-8]，研究也發現人體內類胡蘿卜素具有信號識別功能[9]和護肝功能[10]。正因為類胡蘿卜素具有上述重要的保健功能，越來越多的研究重視類胡蘿卜素在食品和醫藥方面的應用。

類胡蘿卜素應用于食品當中典范是β-胡蘿卜素在橙汁飲料當中的應用，它可以改善橙汁飲料的色澤，同時可以給人類提供VA原。但由于天然的β-胡蘿卜素不溶于水，對氧、熱和光敏感，在橙汁飲料貯存期間(貨架期間)容易上浮，在PET瓶蓋處形成油圈，嚴重影響飲料產品的品質和外觀。為解決這些問題，研究人員將油溶性β-胡蘿卜素制成水溶性納米級乳狀液[11-14]，部分解決了β-胡蘿卜素在橙汁飲料中穩定差的問題，但納米級β-胡蘿卜素乳狀液在橙汁飲料穩定性研究鮮有報道。本研究采用納米級β-胡蘿卜素乳狀液制備橙汁飲料，考察均質條件、VC的添加質量分數、阿拉伯膠的添加質量分數和殺菌條件對β-胡蘿卜素穩定性的影響，并且探討橙汁飲料在不同溫度條件下的貯存穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

質量分數1%的β-胡蘿卜素油為納米級乳狀液 自制[11]；濃縮橙汁 北京匯源飲料食品集團有限公司；

VC 北京國人逸康科技有限公司；阿拉伯膠 喬富食品工業公司；β-胡蘿卜素標準品 美國Sigma公司；甲醇(色譜純)和乙酸乙酯(色譜純) 國藥集團化學試劑有限公司；其他化學試劑均為分析純；實驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

Waters 2695 高效液相色譜儀 美國Waters公司；Turbiscan穩定性分析儀 法國Formulaction公司；Agilent XDB-C18色譜柱(15cm×3.9mm，5μm) 美國安捷倫公司；Mastersizer2000激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器公司；GYB60-6S高壓均質機 上海東華高壓均質機廠。

1.3 方法

1.3.1 橙汁飲料制備方法

橙汁飲料的基礎配方(以質量分數計)：濃縮橙汁1.8%(6.8倍濃縮)、白砂糖7.8%、檸檬酸0.16%、檸檬酸鈉0.05%、阿拉伯膠0.08%、VC 0.04%、1%的β-胡蘿卜素乳狀液0.03%。

2000mL橙汁飲料的制備：按照橙汁飲料的基配方配制2000mL橙汁飲料于5000r/min高速攪拌15min，再經25MPa壓力條件下均質5min，獲得的橙汁經100℃殺菌、PET瓶灌裝和冷卻，最終產品用于穩定性評價。

分別研究不同均質條件(壓力分別為15、20、25、30、35、40MPa)、不同VC添加量(質量分數分別為0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%)、不同阿拉伯膠添加量(質量分數分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.12%、0.14%)和不同殺菌時間(分別為1、4、7、10、13、16min)對β-胡蘿卜素乳狀液穩定性影響，進行單因素試驗。

1.3.2β-胡蘿卜素的測定

色譜條件如下：色譜柱：C18(15cm×3.9mm，5μm)；流動相：A：甲醇：水體積比為90:1 0，B：乙酸乙酯，洗脫梯度參考文獻[15]方法；檢測波長454 nm；柱溫：25℃；進樣量：15μL；保留時間：10.46min。

標準曲線的制作：精密稱取β-胡蘿卜素標準品，用正己烷稀釋配成4μg/mL標準溶液，分別取標準溶液0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5mL移入10mL棕色容量瓶中，用正己烷將其定容10mL，經0.45μm濾膜過濾，分別進樣，根據β-胡蘿卜素標準品的不同質量濃度(x，μg/mL)和相應的峰面積(y)，繪制標準曲線，得標準曲線方程為y＝845150x－81618(R2＝0.9984)。

取橙汁飲料20mL，采用高速分散均質機邊攪拌邊添加20mL正己烷，待完全加入后，將速度調制10000r/min，均質5min，然后分層，取正己烷部分，稀釋到合適的倍數，經0.4μm濾膜過濾，進樣，根據出峰時間和峰面積計算β-胡蘿卜素質量分數。上述所有操作在避光條件下進行。

1.3.3 穩定性分析和粒度分析

采用Turbiscan穩定性分析儀根據參考文獻[11]進行穩定性分析。此儀器專門測試飲料、乳狀液穩定性，其檢測原理為儀器檢測指標透射光和反射光隨檢測樣品顆粒在液相中遷移速率和平均粒徑變化而變化，這些指標變化大小間接體現樣品顆粒在液相中穩定性，本實驗采用該儀器檢測橙汁飲料配制后，放置2h期間β-胡蘿卜素乳滴遷移動力學，考察橙汁飲料中β-胡蘿卜素乳狀液穩定性。

采用Mastersizer2000激光粒度分析儀測定橙汁飲料中β-胡蘿卜素乳貯藏兩周粒徑變化率(D/%＝(D14—D0)/D0，D14和D0分別是14d和0d時β-胡蘿卜素乳滴粒徑的大小)，根據粒徑變化率確定β-胡蘿卜素乳液穩定性。

1.3.4 橙汁飲料β-胡蘿卜素貯藏穩定性

在較佳工藝條件下，制備的橙汁飲料分別在10、25、40、55℃避光貯藏，經歷6、12、24、48、96、168、360、720h后，檢測橙汁飲料中β-胡蘿卜素含量的變化。

1.3.5 數據統計

上述所有實驗重復3次，取平均值，實驗采用SPSS統計軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 橙汁飲料β-胡蘿卜素乳滴遷移動力學

在均質壓力25MPa、VC添加量0.03%、阿拉伯膠添加量為0.75%和殺菌時間5min的工藝條件制備一批橙汁飲料，采用Turbiscan穩定性分析儀測定放置2h期間飲料中β-胡蘿卜素乳滴在飲料中遷移規律，結果如圖1所示。圖1A顯示2h內玻璃測試瓶內飲料所有的掃描曲線基本重合，說明飲料中β-胡蘿卜素乳滴穩定性較好。采用掃描特定區域模式(35～41mm)，掃描時間0～2h，樣品分散粒子遷移速率結果如圖1B所示，樣品瓶中35～41mm區域樣品分散粒子遷移平均速率為3.83657μm/min，結合Stokes沉淀定律，說明該體系穩定性較好。

圖1 橙汁飲料中β-胡蘿卜素乳滴在2h內遷移速率Fig.1 Migration rate of β-carotene emulsion droplets in orange juice during the first two hours

2.2 均質條件對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響

圖2 均質壓力對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響Fig.2 Effect of homogenization pressure on the stability of β-carotene emulsion in orange juice

由圖2可知，隨著均質壓力的增加，β-胡蘿卜素穩定性先增加后降低，最佳均質壓力為30MPa，而β-胡蘿卜素乳滴粒徑變化以及放置2h期間的遷移速率，呈現與β-胡蘿卜素穩定性變化負相關。此結果原因在于飲料灌裝殺菌前適當的均質，能夠降低β-胡蘿卜素乳滴的粒徑，增加β-胡蘿卜素與VC的接觸機會和面積，同時，也促進阿拉伯膠對β-胡蘿卜素乳滴的包埋，提高了β-胡蘿卜素乳滴分散性和穩定性。但均質超過一定壓力，β-胡蘿卜素乳滴變小，其表面積突然增大，原有的乳化劑未能對β-胡蘿卜素乳滴完整的包埋，反而造成團聚加劇，因而穩定性降低。

2.3 殺菌時間對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響

圖3 殺菌時間對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響Fig.3 Effect of sterilization time on the stability of β-carotene emulsion in orange juice

由圖3可知，隨殺菌時間的延長，飲料中β-胡蘿卜素穩定性先增加后降低，最佳的殺菌時間7min。細菌污染是影響飲料不穩定的重要因素，適當的殺菌處理可以提高飲料穩定性，但殺菌超過一定程度，易造成β-胡蘿卜素損失，而且也容易造成破乳現象，β-胡蘿卜素穩定性反而降低。

2.4 阿拉伯膠和VC的添加量對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響

圖4 阿拉伯膠添加量對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響Fig.4 Effect of arabic gum concentration on the stability of β-carotene emulsion in orange juice

圖5 VC添加量對橙汁飲料中β-胡蘿卜素穩定性影響Fig.5 Effect of vitamin C concentration on the stability ofβ -carotene emulsion orange juice

由圖4、5可知，隨著阿拉伯膠和VC的添加量的增加，β-胡蘿卜素穩定性先增加，然后趨于平衡，考慮到原料成本和添加劑的使用限量，最佳VC添加量和阿拉伯膠的添加量分別為0.03%和0.08%，而β-胡蘿卜素乳滴粒徑以及貯藏2h期間的遷移速率，也呈現與β-胡蘿卜素穩定性變化相反的趨勢。

2.5 貯藏期間橙汁飲料中β-胡蘿卜素降解動力學

采用上述較佳的制備方法(均質壓力30MPa、VC添加量0.03%、阿拉伯膠添加量0.08%和殺菌時間7min)生產一批橙汁飲料，研究4種溫度條件下，貯藏6～720h的β-胡蘿卜素貯藏穩定性，結果如圖6所示。結果表明橙汁飲料中β-胡蘿卜素含量的變化與貯藏時間變化很好的擬合一階動力學模型lnC＝lnC0－kt，其中，C0為初始β-胡蘿卜素含量/%，C為β-胡蘿卜素在t時的含量/%，k為β-胡蘿卜素降解速率常數/h-1。對于一階動力學模型，半衰期t1/2＝ln2/k。此模型目前普遍用于食品天然色素在貯藏過程降解動力學研究[16-17]。通過此模型，可以預測橙汁飲料中β-胡蘿卜素含量的變化。

而在4種溫度條件下，lnk與溫度倒數(1/T)擬合Arrhenius模型lnk＝lnA－Ea/RT(R2＝0.961)(表1)，其中，A為頻率因子；Ea為活化能/(J/mol)；R為理想氣體常數，為8.314J/(mol·K)。4種溫度條件下的降解速率常數差異極顯著(P＜0.001)，說明貯藏過程控制溫度對β-胡蘿卜素穩定性至關重要。

圖6 不同貯藏溫度條件下β-胡蘿卜素一階降解動力學曲線Fig.6 First-order kinetic plot for the degradation of β-carotene at different storage temperatures

表1 不同貯藏溫度條件下β-胡蘿卜素降解速率常數(K)、半衰期(t1/2)、一階動力學回歸系數(R2＊)和阿列紐斯方程回歸系數(R2＊＊)Table 1 Degradation rate constant (K), half-life (t1/2), regression coefficient of first-order kinetic model (R2＊) and regression coefficient of Arrhenius model (R2＊＊) for β -carotene in orange juice at differentstorage temperatures

3 結 論

采用Turbiscan穩定性分析儀和粒度分析儀測定橙汁飲料中β-胡蘿卜素在貯藏過程中物理穩定性，采用高效液相色譜法測定橙汁飲料中β-胡蘿卜素在貯藏過程中化學穩定性，從而全方位掌握飲料中β-胡蘿卜素動態變化過程。以β-胡蘿卜素穩定性為指標，獲得較佳的橙汁飲料制備方法：均質壓力30MPa、VC添加量0.03%、阿拉伯膠添加量0.08%和殺菌時間7min。并且研究橙汁飲料在4個溫度梯度條件下，飲料中β-胡蘿卜素的貯藏穩定性，結果表明橙汁飲料中β-胡蘿卜素含量的變化與時間變化很好的擬合一階動力學模型。本研究為含β-胡蘿卜素的飲料制備研究提供參考，也能為功能性食品品質損失研究提供方法借鑒。

[1] GROSS J. Pigments in fruits[M]. London: Academic Press, 1987.

[2] FERNANDEZ-GARCIA E, CARVAJAL-LERIDA I, JAREN-GALAN M, et al. Carotenoids bioavailability from foods: from plant pigments to efficient biological activities[J]. Food Research International, 2012, 46(2): 438-450.

[3] SIMPSON K L, CHICHESTER C O. Metabolism and nutritional significance of carotenoids[J]. Annual Review of Nutrition, 1981, 1(1):351-371.

[4] MELENDEZ-MARTINEZ A J, VICARIO I M, HEREDIA F J.Importancia nutricional de los pigmentos carotenoides[J]. Archivos Latinoamericanos de Nutricion, 2004, 54(2): 149-154.

[5] ALBANES D.β-carotene and lung cancer: a case study[J]. American Journal of Clinical Nutrition, 1999, 69(Suppl 6): 1345-1350.

[6] EDGE R. MCGARVEY D J. TRUSCOTT T G. The carotenoids as antioxidants: a review[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 1997, 41(3): 189-200.

[7] ERHARDT J G, MEISNER C, BODE J C, et al. Lycopene,β-carotene and colorectal adenomas[J]. American Journal of Clinical Nutrition,2003, 78(6): 1219-1224.

[8] ROCK C L. Carotenoids: biology and treatment[J]. Pharmacology Therapy, 1997, 75(3): 185-197.

[9] KANG J H, GRODSTEIN F. Plasma carotenoids and tocopherols and cognitive function: a prospective study[J]. Neurobiology of Aging, 2008,29(9): 1394-1403.

[10] 蘇偉, 王紀寧, 劉韜. 胡蘿卜素的提取及其護肝作用的研究[J]. 食品科學, 2006, 27(11): 486-488.

[11] 孫術國, 高彥祥, 麻成金, 等. Turbiscan分析儀快速評價β-胡蘿卜素乳狀液的穩定性[J]. 食品科學, 2008, 29(10): 93-96.

[12] YUAN Yuan, GAO Yanxiang, MAO Like, et al. Optimisation of conditions for the preparation ofβ-carotene nanoemulsions using response surface methodology[J]. Food Chemistry, 2008, 107(3): 1300-1306.

[13] YUAN Yuan, GAO Yanxiang, ZHAO Jian, et al. Characterization and stability evaluation ofβ-carotene nanoemulsions prepared by high pressure homogenization under various emulsifying conditions[J]. Food Research International, 2008, 41(1): 61-68.

[14] SILVA H D, CERQUEIRA M A, SOUZA B W S, et al. Nanoemulsions ofβ-carotene using a high-energy emulsification-evaporation technique[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 102(2): 130-135.

[15] 樊廣華, 寧堂原, 谷淑波, 等. 高效液相色譜法測定不同品種甘薯中β-胡蘿卜素的含量[J]. 現代儀器, 2006, 12(2): 46-47.

[16] SHARMA R, KAUR D, OBEROI D P S, et al. Thermal degradation kinetics of pigments and visual color in watermelon juice[J]. International Journal of Food Properties, 2008, 11(2): 439-449.

[17] MARETE E N, JACQUIER J, O,RIORDAN D. Feverfew as a source of bioactives for functional foods: storage stability in model beverages[J].Journal of Functional Foods, 2011, 3(1): 38-43.

Stability ofβ-Carotene Emulsion in Orange Juice

SUN Shu-guo1,2，GAO Yan-xiang2，YIN Hong1，MA Cheng-jin1，WANG Xiao-hu1
(1. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China；2. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

The stability ofβ-carotene emulsion in orange juice was evaluated under different preparation conditions and different storage temperatures. The effects of homogenization pressure, vitamin C concentration, arabic gum concentration and sterilization time on the stability ofβ-carotene emulsion in orange juice were monitored based on the changes in particle size and migration rate ofβ-carotene emulsion droplets during the first two hours andβ-carotene content during two-week storage.The results showed that the best stability forβ-carotene emulsion in orange juice was achieved under the conditions:homogenization pressure of 30 MPa, vitamin C concentration of 0.03%, Arabic gum concentration of 0.08% and sterilization time of 7 min. The stability ofβ-carotene emulsion in orange juice was also investigated at different storage temperatures. We found thatβ-carotene degradation could be fitted into a first-order kinetic model with a regression coefficient (R2) of 0.992. The logarithm of degradation rate constant against the reciprocal of absolute temperature revealed the best fit to the Arrhenius model with a regression coefficient (R2) of 0.961.

orange juice；β-carotene emulsion；stability；first-order kinetic model

TS202.3

A

1002-6630(2012)11-0099-05

2011-06-12

孫術國(1977—)，男，講師，碩士，研究方向為食品分析與功能食品開發。E-mail：sshuguo@163.com