羧甲基纖維素鈉對酸性乳飲料穩定作用的研究

姚 晶，孟祥晨，王紅梅

（1.東北農業大學乳品科學教育部重點實驗室/食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江東方學院，黑龍江哈爾濱150086）

羧甲基纖維素鈉對酸性乳飲料穩定作用的研究

姚 晶1，2，孟祥晨1，*，王紅梅2

（1.東北農業大學乳品科學教育部重點實驗室/食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江東方學院，黑龍江哈爾濱150086）

通過測定添加不同含量的羧甲基纖維素鈉（CMC）對酸性乳飲料的沉淀率、粘度、粒徑分布、水分子流動性及Zeta電位的影響，研究了CMC對酸性乳飲料的穩定作用。結果表明，CMC對酸性乳飲料的穩定作用表現為使產品的沉淀率降低，粘度升高，在微觀性質上表現為使產品的粒徑減小，水分流動性減弱，Zeta電位的絕對值升高。

羧甲基纖維素鈉，酸性乳飲料，穩定性

羧甲基纖維素鈉（CMC）是一種纖維素衍生物，也是最主要的離子型纖維素膠，因具有獨特的增稠、懸浮、黏合、持水等特性，而被廣泛應用于各工業領域中。添加食用CMC能降低食品生產成本，同時提高食品等級，改善口感，延長保質期。CMC作為增稠劑、穩定劑、持水劑、乳化劑在我國被用于冷飲、冷食、方便面、酸奶、果汁、酸性乳飲料等眾多食品中[1]。本研究利用激光粒度分析儀、核磁共振波譜儀、Zeta電位儀等儀器測定了添加不同含量的CMC對酸性乳飲料粒徑分布、水分子流動性及Zeta電位等的影響，從微觀上研究了CMC對酸性乳飲料穩定性的影響，結合對產品沉淀率和粘度的測定，為綜合評價CMC對酸性乳飲料的穩定效果提供了一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮奶，CMC，食品級的蔗糖酯、白砂糖、檸檬酸、檸檬酸鈉等。

均質機（二級），PHS-2C數顯酸度計，LD5-2A型離心機，HWS26型電熱恒溫水浴鍋，NDJ-8S數顯粘度計，Mastersize S激光粒度分析儀，Zetasizer 3000HSa納米粒度及Zeta電位分析儀，PQ-001核磁共振分析儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 酸性乳飲料的制備 酸性乳飲料制作工藝流程如下：

操作要點如下：

配方：鮮奶33%，水61%，蔗糖5%，蔗糖酯0.1%，檸檬酸鈉0.05%，以上均為質量分數。

原料乳的殺菌：殺菌條件為90℃，10min。

蔗糖及CMC膠體溶液的制備：將CMC、蔗糖以及檸檬酸鈉、蔗糖酯充分混合均勻后，將混合物緩慢加入40℃蒸餾水中，勻速攪拌，保證膠體充分溶解，制成膠體溶液。

水應分成兩部分使用，一部分用于配制蔗糖及穩定劑膠體溶液，一部分用于配制檸檬酸溶液。

調酸：采用滴加法用檸檬酸溶液（溶液質量分數為10%）進行調酸，調節飲料的pH為4.0，并且使用攪拌器對溶液不斷進行高速攪拌。

均質：均質溫度為65℃，均質壓力為20MPa。殺菌：采用90℃，10min的殺菌條件。

1.2.2 CMC的含量對產品穩定性的影響 采用1.2.1工藝制備酸性乳飲料，選取CMC添加量分別為0、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、0.60%（以上均為質量分數）進行實驗，測定CMC含量對產品沉淀率、粘度、粒徑分布、水分子流動性、Zeta電位的影響。

1.3 測定方法

1.3.1 沉淀率的測定 稱量離心管的質量W1，加入40g酸性乳飲料的樣品，放入離心機中在約4700r/min下離心20min，將離心管中清液倒出，再倒立5min后稱其質量為W2。沉淀率用下式計算：沉淀率（%）=（W2－W1）/ 40×100%。每個樣品進行3次平行測定，結果取平均值。

1.3.2 粘度的測定 通過NDJ－8S數顯粘度計測定粘度，轉速為60r/min，停留時間為30s，測量溫度為25℃。

1.3.3 粒徑分布的測定 利用Mastersize S激光粒度分析儀測其粒徑分布情況。Mastersize S激光粒度分析儀是基于米氏光散射理論設計，以波長為633nm的He－N激光器為主光源，波長為466nm的藍光固體光源為輔光源，檢測限為0.02～2000μm。測試參數如下：蛋白質的折光指數為1.529，水的折光指數為1.33，吸光度為0。測試結果通過該儀器附帶的軟件進行分析。

1.3.4 水分子流動性的測定 本實驗利用上海紐邁電子科技有限公司的臺式核磁共振分析儀PQ－001 CPMG脈沖序列測量樣品中氫核的橫向弛豫時間（T2）來測定樣品中水分子的流動性。并使用紐邁多指數反演軟件進行T2譜反演分析。PQ－001核磁共振分析儀是基于NMR理論設計，以場強為0.53T的永磁體作為主磁場（共振頻率＞22MHz），15mm探頭線圈（樣品量約5mL），進行原始數據的采集。

1.3.5 Zeta電位的測定 利用Zetasizer 3000HSa納米粒度及Zeta電位分析儀測其Zeta電位情況。Zetasizer 3000HSa納米粒度及Zeta電位分析儀是基于經典動態光散射理論設計，以波長為633nm的He－Ne激光器為光源，Zeta電位測定范圍為電導率在0～200ms/cm的樣品。測定參數如下：體系粘度0.89，水的介電常數79.0。測定結果通過該儀器附帶的軟件進行分析。

2 結果與討論

2.1 CMC的含量對產品沉淀率的影響

CMC添加量對酸性乳飲料的沉淀率的影響如圖1所示。

由圖1可知，當加入的CMC為0.05%時，沉淀率升高，即發生了架橋絮凝。繼續添加CMC，產品的沉淀率降低，穩定性升高，當CMC的含量達到0.40%后，隨濃度的增加，沉淀率沒有太大改變，因此可以看出在CMC含量為0.40%時，酸性乳飲料已經達到穩定狀態。當酸性乳飲料中不添加果膠時，沉淀率很高，體系失穩，酪蛋白發生聚集。

圖1 CMC含量對產品沉淀率的影響Fig.1 The effect of CMC contents on sedimentation rate

當多糖與蛋白質膠粒發生吸附后，如果多糖濃度過低，則不足以完全覆蓋蛋白質的表面；對多糖而言，有一個“full coverage”的濃度，使蛋白質膠粒表面達到“飽和”，達到這個臨界濃度后，才能使蛋白質穩定。在臨界濃度以下，一個多糖分子會吸附兩個或更多個蛋白質膠粒，使之聚集，即發生架橋絮凝[2]，這樣體系失穩，發生相分離，其中一相為多糖和蛋白質的復合物，一相為溶劑。在這種情況下，一個CMC分子連接兩個或兩個以上的酪蛋白，從而促進了聚集的發生，使沉淀率升高。繼續添加CMC，沉淀率不斷降低，當CMC的含量達到0.40%后，隨濃度的增加，沉淀率沒有太大改變，可以推測CMC在酪蛋白上的吸附存在一個臨界吸附量，當達到這個濃度后體系趨于穩定。

2.2 CMC的含量對產品粘度的影響

CMC的含量對產品粘度的影響如圖2所示。

圖2 CMC含量對產品粘度的影響Fig.2 The effect of CMC contents on viscosity

由圖2可知，添加CMC使體系的粘度增加。由Stocks定律可知體系粘度的升高可降低微粒的沉降速率，由此可以提高產品的穩定性。

由此也可以看出，CMC除具有靜電排斥和空間位阻作用外，它本身提供的粘度，即增稠性，對體系的穩定性也有較大的貢獻。

2.3 CMC的含量對產品粒徑分布的影響

圖3 CMC含量對產品粒徑分布的影響Fig.3 The effect of CMC contents on particle size distribution

圖3是以CMC為穩定劑的酸性乳飲料的粒徑分布圖。由圖3可知，隨著CMC濃度的增加飲料體系的粒徑減小，產品具有較好的穩定性。加入的CMC的濃度達到0.50%和0.60%時，產品的粒徑分布變化不大。這表明當穩定劑的濃度達到一定時，足以覆蓋酪蛋白的表面，產品穩定不發生聚集。

2.4 CMC的含量對產品水分子流動性的影響

本實驗利用低場核磁共振儀來測定添加CMC后酸性乳飲料體系的水分子流動性的變化。近些年，脈沖核磁共振被廣泛應用于生物體系中結合水的研究，它可以測定反映水分子流動性的氫核的縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2。當水和底物緊密結合時，它就高度地固定，T2會降低；而游離水流動性好，有較大的T2。由此可知水分結合的力和程度[3-4]。通過測定加入不同含量的CMC樣品的弛豫曲線及其橫向弛豫時間T2的分布曲線，研究酸性乳飲料中的水分子的流動性。

圖4是添加不同濃度CMC的產品的弛豫曲線圖。

圖4 CMC含量對產品弛豫速度的影響Fig.4 The effect of CMC contents on relaxation rate

由圖4可知，隨著CMC添加量的增多，產品的弛豫速度加快，橫向弛豫時間T2減小，產品的持水能力增強。但是由圖中看出，添加0.20%和0.30%的CMC對產品中水分流動性影響差別不大。添加0.40%的CMC產品的水分流動性變化較大，水分子的流動性減弱，產品穩定性升高。

圖5是體系中不同水分組成的T2的分布圖，由圖5可知樣品中的水分由三個部分組成。三組分弛豫時間的大小為T21lt;T22lt;T23，橫向弛豫時間T2的大小代表水分流動性的強弱，因此可以得出：Ⅰ結合水、Ⅱ結合水和自由水之間的水、Ⅲ自由水[5-6]。由圖5可知，添加CMC體系的整體的水分T2分布都較寬。結合水和自由水之間的水分以及自由水這一段水分隨著CMC含量的增加T2的分布變窄，而且曲線也向左移動，與產品的弛豫速度曲線的規律相同。由此說明，隨著CMC含量的增多產品的持水性增強，穩定性升高。

圖5 CMC含量對產品橫向弛豫時間（T2）的影響Fig.5 The effect of CMC contents on the transverse relaxation time（T2）

2.5 CMC的含量對產品Zeta電位的影響

圖6為添加不同量CMC飲料的Zeta電位變化。

圖6 CMC含量對產品Zeta電位的影響Fig.6 The effect of CMC contents on Zeta potential

根據DLVO理論，膠體的穩定性主要取決于膠粒間吸引勢能VA和斥力勢能VR的總效應。如果膠體粒子間的斥力勢能VR大于粒子間的吸引勢能VA，則膠體是穩定的；反之，膠體發生不穩定現象。膠體穩定的機制有多種，如果膠體穩定的主要機理是電荷穩定，一般來說，Zeta電位越大，體系越穩定[7]。

由圖6可知，隨著CMC添加量的增多，飲料的Zeta電位的絕對值增大。證明CMC被吸附在酪蛋白表面的量在逐漸增多，體系的穩定性增強。

3 結論

3.1 CMC作為優良的穩定劑對酸性乳飲料有很好的穩定效果。當其用量為0.05%時會發生架橋絮凝現象，使飲料體系失穩。隨著CMC用量的增加，產品的穩定性升高。當其用量為0.40%時，產品已達穩定狀態。

3.2 CMC對酸性乳飲料的穩定作用表現為使產品的沉淀率降低，粘度升高，在微觀性質上表現為使產品的粒徑減小，水分流動性減弱，Zeta電位的絕對值升高。

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[7]天津大學物理化學教研室.物理化學[M].北京:高等教育出版社，2001：10-321.

Stabilization of sodium carboxymethyl cellulose on acidified milk drinks

YAO Jing1，2，MENG Xiang-chen1，*，WANG Hong-mei2
（1.Key Laboratory of Dairy Science，Ministry of Education，and Food Scienceamp;Technology College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Heilongjiang Orient University，Harbin 150086，China）

Stabilization of sodium carboxymethyl cellulose（CMC）on acidified milk drinks was studied by investigating the effect of CMC contents on characteristics of acidified milk drinks.The characteristics included sedimentation rate，viscosity，particle size distribution，watermolecularmobility and Zeta potential.The stabilization of CMC on the drinks showed that the sedimentation rate of the drinks was reduced，and the viscosity of the drinks rose with the amounts of CMC increased.The stabilization of CMC on acidified milk drinks showed in microscopic that the particle size distribution of the drinks diminished，water molecular mobility of the drinks slowed down，and the Zeta potential absolute value of the drinks heightened with the amounts of the stabilizers increased.

sodium carboxymethyl cellulose；acidified milk drinks；stability

TS275.5

A

1002-0306（2012）01-0156-03

2011－08－29 *通訊聯系人

姚晶（1980-），女，碩士研究生，講師，研究方向：乳品加工。