赤蘚糖醇對檸檬汁飲料中維生素C保護作用的研究

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(1. 光明乳業股份有限公司光明乳業研究院,上海 200436;2. 乳業生物技術國家重點實驗室,上海 200436;3. 嘉吉投資(中國)有限公司,上海 200333)

果汁飲料中的維生素C是人體日常所需的重要營養成分之一,但由于其不穩定,易受到存放環境例如溫度、光照以及果汁內部體系pH等條件的影響[1-2],從而引起氧化反應,產生大量的自由基,因而造成維生素C的氧化分解。赤蘚糖醇作為近年來倍受推廣的一種新型天然甜味劑,由于其甜味純正,并且無不良苦后味,同時擁有熱量低、耐受量高、體內代謝不引起血糖波動等生物學特性,因此,被廣泛地應用于飲料、糖果等食品工業中[3-4]。同時經研究發現[5],赤蘚糖醇還可作為抗氧化劑,能有效地清除自由基并抑制其生成。目前國內外對于赤蘚糖醇在飲料中的研究主要側重于其作為新型甜味劑的應用,但對于赤蘚糖醇的抗氧化功能在飲料中的研究還沒有相關報道。因此,本文以檸檬汁飲料作為實驗材料,通過建立維生素C熱降解動力學模型[6-10]來探究赤蘚糖醇對檸檬汁飲料中維生素C的保護作用。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

蔗糖 上海耐金實業有限公司;檸檬酸 上海大鷹生物科技有限公司;濃縮檸檬汁 Cargill;赤蘚糖醇 山東保齡寶生物股份有限公司;2,6-二氯靛酚 Johnson Matthey;草酸、抗壞血酸 國藥集團化學試劑有限公司。

電子天平PL3000 梅特勒-托利多儀器有限公司;手持式攪拌機HR1364 飛利浦電子香港有限公司;超高溫瞬時滅菌機Q56834 阿姆菲爾德有限公司;恒溫培養箱LHS-250SC 上海一恒科技有限公司;pH計DELTA320 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 檸檬汁飲料的制備 將濃縮檸檬汁240g溶解于溫水中,依次加入蔗糖850g和檸檬酸16g配制成基礎溶液10L,然后加入不同量的赤蘚糖醇,制備成濃度分別為0%、1%、2%、3%的4桶原料,在100℃、5s的條件下經UHT高溫滅菌后,分別灌裝于250mL的塑料瓶中,并根據實驗要求在不同溫度下貯藏。

1.2.2 檸檬汁飲料中維生素C熱降解動力學研究 將不添加赤蘚糖醇的試樣分為三組,每組11個試樣,分別置于20、30、40℃的環境下貯藏,選擇不同時間分別隨機取樣,測定其維生素C的含量,采用三組平行實驗。

1.2.3 赤蘚糖醇對維生素C降解速率的影響 將含有1%～3%不同赤蘚糖醇濃度的試樣放置于一定溫度下,以赤蘚糖醇的濃度分為三組,每組11個試樣,選擇不同時間測定各組試樣中維生素C的含量,采用三組平行實驗。

1.2.4 降解動力學方程 食品在加工和貯藏的過程中,其大多數營養物質都會受到各類因素的影響而造成降解。經研究證實[11],這些成分發生降解反應的動力學方程基本符合零級或一級動力學反應模型,相關方程分別為:

f(c)=f(c0)-kt

f(c)=f(c0)exp(-kt)

式中,f(c)為反應物在時間為t時刻的質量濃度;f(c0)為反應物在t=0時的質量濃度;k為在相應貯藏條件下反應物的降解速率常數;t為反應時間。

Arrhenius經驗公式[8]是反映不同溫度下的反應速率常數k隨溫度變化規律的方程,即:

k=A·exp(-Ea/RT)

式中,A為指前因子;Ea為活化能;R為理想氣體常數;T為絕對溫度。對于指定反應,A和Ea是既與反應物質量濃度無關,也與反應溫度無關的常數。

1.2.5 維生素C濃度的測定 參考文獻[12]的方法。

2 結果與討論

2.1 檸檬汁飲料中維生素C熱降解動力學研究

經實驗測定,得到不同溫度下檸檬汁飲料中維生素C含量隨時間的變化趨勢,并對其進行擬合,擬合結果如圖1所示。

圖1 不同溫度對檸檬汁飲料中維生素C濃度變化的影響 Fig.1 Effect of temperature on vitamin C concentration in lemon juice

可以從圖1中看到,隨著檸檬汁飲料貯藏時間的延長,維生素C的含量逐漸下降;并且伴隨著溫度的升高,其分解速率加快。在20、30、40℃的環境條件下貯藏16周,維生素C的保存率分別為60.82%、31.98%、8.48%。

擬合結果表明,檸檬汁飲料中維生素C在不同溫度下的分解符合一級反應動力學模型,即:

f(c)=f(c0)exp(-kt)

式(1)

根據實驗數據由式(1)計算維生素C在不同溫度下的分解速率常數k,并進行線性回歸分析,結果見表1。

表1 不同溫度下檸檬汁飲料中維生素C分解速率常數和回歸系數Table1 Values of reaction rate constant and regression coefficient of vitamin C degradation under different temperatures

將Arrhenius方程左右兩邊同時取對數可得:

lnk=lnA-Ea/RT

式(2)

根據上式(2),對維生素C一級反應速率常數的對數lnk與貯藏溫度的倒數1/T作圖,如圖2所示,由直線的斜率和截距分別求得其活化能Ea和指前因子A,結果見表2。

圖2 lnk與1/T的關系曲線 Fig.2 Relationship between lnk and 1/T

表2 檸檬汁飲料中維生素C熱降解動力學參數Table 2 Kinetic parameters of vitamin C heat degradation in lemon juice

通常認為化學反應的活化能Ea為40～400kJ/mol,活化能Ea越小,反應越易進行。當Ea<42kJ/mol時,反應速率非常大;當Ea>400kJ/mol時,反應速率非常小[6]。從表2可知,檸檬汁飲料在貯藏過程中維生素C易發生降解反應。

表3 不同條件下檸檬汁飲料中維生素C分解速率常數、活化能和指前因子Table 3 Values of reaction rate constant,activation energy and pre-exponential factor of vitamin C degradation under different conditions

2.2 赤蘚糖醇對維生素C降解速率的影響

在恒溫條件下,經實驗測定,得到檸檬汁飲料中不同赤蘚糖醇添加量對維生素C含量隨時間變化的影響,并對變化趨勢進行擬合,擬合結果如圖3～圖5所示。

圖3 赤蘚糖醇添加量對檸檬汁飲料中維生素C濃度變化的影響(T=20℃) Fig.3 Effect of erythritol addition on vitamin C concentration in lemon juice(T=20℃)

圖4 赤蘚糖醇添加量對檸檬汁飲料中維生素C濃度變化的影響(T=30℃) Fig.4 Effect of erythritol addition on vitamin C concentration in lemon juice(T=30℃)

圖5 赤蘚糖醇添加量對檸檬汁飲料中維生素C濃度變化的影響(T=40℃) Fig.5 Effect of erythritol addition on vitamin C concentration in lemon juice(T=40℃)

擬合結果表明,上述條件下檸檬汁飲料中維生素C隨時間的降解速率符合一級反應動力學模型?？梢詮膱D3～圖5中看到,在恒溫條件下,隨著赤蘚糖醇添加量的增多,維生素C的分解速率有所放緩,相比于對照(無添加),貯藏16周后維生素C的保存率均有不同程度的增長。根據上述實驗數據由式(1)和式(2)計算維生素C在不同條件下的分解速率常數k以及相應的活化能Ea和指前因子A,結果見表2。

由表2可知,添加赤蘚糖醇后檸檬汁飲料中維生素C發生降解反應的活化能均比未添加赤蘚糖醇的試樣(65.68kJ/mol)高,因此維生素C的降解反應與對照相比較難進行,并且隨著赤蘚糖醇添加濃度的提高,活化能基本呈上升趨勢。其中,當赤蘚糖醇添加濃度為2%時,維生素C降解反應活化能達到最大,為75.47kJ/mol,比對照高出了9.79kJ/mol;但隨著赤蘚糖醇濃度的繼續增加,反應活化能基本不變。綜上所述,在檸檬汁飲料中加入赤蘚糖醇確實能在一定程度上起到保護維生素C的作用。

3 結論

實驗研究結果表明,檸檬汁飲料在貯藏過程中維生素C對熱不穩定,溫度對維生素C的降解符合一級反應動力學模型,隨著貯藏溫度的升高,維生素C的降解速率明顯增大。赤蘚糖醇作為一種能夠抗氧化的甜味劑,通過建立動力學模型考察維生素C降解過程中的活化能、速率常數等動力學參數,發現它的加入確實能使維生素C的降解速度減緩,提高反應活化能,從而對維生素起到一定的保護作用。這也為赤蘚糖醇在作為甜味劑的同時,其抗氧化作用在果汁飲料中的研究提供了一定的基礎。

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