應用快速穩定性分析方法研究增稠劑對燕麥飲料穩定性的影響

王成祥，劉輝,段勝林,馬芙俊，張美娜

1(同福碗粥股份有限公司，安徽 蕪湖，241000) 2(中國食品發酵工業研究院，北京，100015)

以燕麥為原料開發的谷物飲料具有廣闊的市場前景，但是由于飲料中淀粉、纖維素含量較高且含有一定的蛋白質，經高溫滅菌后，在6～12個月的保質期內容易出現析水、沉淀、浮油及絮集等穩定性問題。

采用傳統的觀察法或離心沉淀法來預測穩定性存在周期長、準確性差的缺點。為解決穩定性快速判定的問題，朱亞婧等采用LUMiSizer 611穩定性分析儀結合激光粒度分析儀考察了不同均質工藝下燕麥飲料的穩定性[1]。李婷等采用測定飲料體系的粒徑和電荷分布的方法研究燕麥魔芋濃漿型飲料的流變特性、多相凝膠體系的膠體特性和濃漿型飲料的穩定特性，建立了體系粒徑和膠體電位對穩定性的影響模型[2]。白潔等利用Turbiscan穩定性分析儀測定與離心沉淀率、透光率及粘度等指標考察了燕麥豆乳在不同微細化處理工藝下的穩定性[3]。以燕麥谷物飲料為代表的食品乳狀液由于內容物成分、含量、生產工藝等方面的差異和各類快速分析方法本身的局限，導致在采用單一的穩定性快速分析方法時，難以全面、準確地預測產品穩定性。

目前，基于近紅外反射物理模型的穩定性分析儀已開始應用于研究食品乳濁液的穩定性，本研究采用其中具有代表性的LUMiSize和Turbiscan Tower兩種快速穩定性分析儀同時結合靜置觀察、平均粒徑測定、離心沉淀率測定等傳統方法共同考察卡拉膠、結冷膠、微晶纖維素3種增稠劑對燕麥飲料的穩定性影響，以期篩選出穩定性最佳的增稠劑，并探討2種快速穩定性分析方法的優劣。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

燕麥米、蔗糖，市售；谷物粉，北京富海科技術有限公司；大豆分離蛋白，山東萬得福實業集團有限公司；菊粉，天津濱海捷成專類化工有限公司；亞麻籽油，吉林省長白工坊科貿有限公司；食品級碳酸鈉，市售；VC，山東魯維制藥有限公司；單，雙甘油脂肪酸酯，廣州美晨集團股份有限公司；增稠劑(卡拉膠，嘉吉亞太食品系統(北京)有限公司；結冷膠，斯比凱可生物制品有限公司；微晶纖維素，富曼實(上海)食品科技有限公司。

1.2　儀器設備

FW3D 型高速攪拌器，德國 Ika Labortechnik公司；pH計，瑞士Metrohm公司；電子分析天平，德國 Sartorius 公司；APV1000 型均質機，丹麥 APV 公司；LDZX-30FB 壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠；TURBISCAN TOWER型分散穩定性分析儀，法國Formulaction公司；LUMiSizer LS610穩定性分析儀，德國L.U.M.GmbH 公司；Microtrac S3500激光粒度分析儀，美國麥奇克有限公司；Z216MK臺式離心機，德國HERMLE Labortechnik GmbH公司。

2　實驗方法

2.1　燕麥飲料的工藝與配方

2.1.1燕麥提取液的制備

燕麥米加入10～15倍純凈水(g∶mL)，用Na2CO3調節pH值為8.5～8.8，加熱至90～95 ℃，攪拌保溫，提取1.5 h，用80目濾網過濾，保留提取液。

2.1.2調配

谷物粉、增稠劑、蔗糖、大豆分離蛋白、菊粉、VC、單、雙甘油脂肪酸酯干混，與亞麻籽油一起加入80～85 ℃燕麥提取液，充分溶解15～20 min后，用純化水定容至100%，攪拌5 min。

2.1.3均質

將料液升溫至75～80 ℃，再30、40 MPa下各均質1次。

2.1.4滅菌

均質后將料液灌入玻璃瓶中，用121 ℃靜止蒸汽滅菌25 min。

2.1.5冷卻

滅菌完成后室溫下冷卻靜止，觀察現象。

燕麥飲料的基礎配方見表1。增稠劑使用方案見表2。

表1　燕麥飲料基礎配方Table 1　The basic formula of oat beverage

2.2　燕麥飲料的分析方法

2.2.1靜置觀察

本實驗將燕麥飲料在貯藏期經常出現的析水、沉淀、浮油、絮集作為主要的觀察指標，記錄在常溫25 ℃放置30 d后的樣品情況。將能夠量化的析水、浮油和沉淀分別記錄高度，絮集用“+”表示，“+”越多表示現象越嚴重。0～9#各觀察3個平行樣品。

表2　增稠劑應用方案Table 2　The application progame of thickening agents

2.2.2平均粒徑的測定

使用Microtrac S3500激光粒度分析儀測定，測定方式選擇濕法手動測量：將燕麥飲料樣品滴入樣品池中。當樣品達到合適的濃度時，分散均勻的顆粒被激光束照射產生衍射，由于半徑不同，產生的衍射角度不同，衍射光被檢測器收集后將接收到的光信號轉換成電信號送入計算機，反應為顆粒的平均粒徑以及粒徑的分布。平均粒徑用MV(μm)表示。從第1天、第10天、第20天、第30天各測1次，每組重復3次。

2.2.3用LUMiSizer穩定性分析儀測定穩定性

采用德國LUMisizer 穩定性分析儀對不同增稠劑使用方案下得到的燕麥飲料進行穩定性分析。儀器采用Stokes Law 的離心加速方法和Lambert-Beer Law 光學技術監測樣品的穩定性、全程分離步驟、沉降及懸浮并存的復雜分離行為[4]。軟件記錄儀器測定得到的樣品在離心作用下紅外透光率(transmitted light, T)的變化并繪制譜線，譜線左側為樣品的頂部，右側為樣品的底部，計算光透過率積分對時間的曲線的斜率作為不穩定系數。

根據LUMiSizer的測定原理可知：在頂部，終止譜線如果高于起始譜線(譜線向上變寬)，則表明頂部的透光率增加，溶液變得澄清，溶液組分在離心力的作用下向底部發生遷移；在底部，如果終止譜線與起始譜線重合，說明底部組分沒有發生導致透光率變化的遷移，終止譜線如低于起始譜線(譜線向下變寬)，說明溶液中的組分遷移到底部導致透光率下降，這通常是沉淀現象，沉淀層越厚，則譜線在橫坐標方向上的寬度越寬。

通過不穩定系數值比較樣品的穩定性。不穩定系數值越大，在一定的時間內樣品的透光率變化越快，即樣品的移動分層速度變化越快，樣品越不穩定；反之不穩定系數數值越小，樣品越穩定。測定參數：溫度20 ℃，離心速度3 000 r/min，光因子系數1.00，每10s 掃描1次，共掃描300次。

2.2.4用Turbiscan Tower型分散穩定性分析儀測定穩定性

Turbiscan Tower型分散穩定性分析儀采用脈沖近紅外光源2個同步光學探測器,分別探測透過樣品的透射光(T)和被樣品反射的背散射光(backscattering, BS)得到樣品檢測曲線圖。光源探測器由樣品瓶底開始掃描至瓶頂，樣品掃描范圍為2～45 mm。根據設備的檢測原理，掃描圖的左側初始部分是樣品的底部，右側線端是樣品的頂部。底部曲線如果向上移動，說明樣品反射光增加，則樣品組分增加，底部曲線向下移動說明樣品反射光減少，則樣品組分減少，表觀現象為水析；頂部曲線向上移動是脂肪上浮的表現，向下移動表現為水析；中間曲線移動過多，說明體系有團聚或絮凝現象。以初次掃描樣品數據為0 起始線，隨著時間增加，樣品內體系發生變化，與原起始線偏離越大，穩定性越差，反之則穩定性越好，最終應用軟件分析曲線圖得出穩定性指數(turbiscan stability index，TSI)，TSI越低說明穩定性越好[5]。

2.2.5離心沉淀率

取12 mL燕麥飲料加入刻度離心管中，在3 500 r/min 離心條件下，離心15 min，然后倒出上清液，稱量底部的沉淀物的量。離心沉淀率計算如式(1)：

(1)

式中：m1為沉淀物的質量，g；m2為稱取樣品的質量，g。每組重復3次。

3　結果與分析

3.1　靜置觀察結果

燕麥飲料中含有大量的原淀粉，這些淀粉在長期放置過程中很容易發生老化，出現析水。飲料中含有的蛋白質在高溫殺菌后表面疏水基團暴露增多，容易聚集成大顆粒，進而逐漸沉降，同時淀粉、纖維等與蛋白質一起形成沉淀。

從表3可以看到，樣品在經過25 ℃放置30 d后，沒有增稠劑的0#空白析水有1.5 mm，沉淀有3 mm，說明體系不穩定的主要原因是淀粉老化帶來的析水和不溶性顆粒造成的沉降。1#、2#、3#分別是卡拉膠0.02%、0.04%、0.06%添加量樣品，沉淀高度與空白比無明顯減少，吸水量明顯少于空白，說明卡拉膠在該體系下的懸浮能力較弱，控制析水的能力較好。4#、5#、6#分別是結冷膠0.02%、0.04%、0.06%添加量樣品，通過放置觀察可以看到，隨著結冷膠添加量的增加，體系產生嚴重的絮集，飲料呈凝膠狀態，上層出現大量析水。說明結冷膠對于該體系來說，0.02%添加量時凝膠強度依然過大。7#、8#、9#分別是微晶纖維素0.02%、0.04%、0.06%添加量樣品，它們相對于空白樣品的析水量、沉淀量都明顯減少，8#、9#完全沒有沉淀，8#析水顯著少于其他各組(p<0.05)。由此可知，微晶纖維素的懸浮能力最佳，控制析水的能力先增加后減少。

表3　樣品在25 ℃下放置30 d后的觀察結果Table 3　The observation results of sample after 30 daysat 25 ℃

注：“a、b、c、d”表示各組之間有顯著性差異，置信區間為95%。

3.2　平均粒徑的測定結果

根據圖1結果可知，在30 d的常溫貯藏期內，各組樣品的平均粒徑逐漸變大，并且1～10 d內平均粒徑變化最快。同一時期內的，在0.02%～0.06%添加量范圍內，卡拉膠對體系的平均粒徑影響不明顯，結冷膠相對空白樣呈現先增加后降低的趨勢，微晶纖維素呈現平均粒徑逐漸上升的趨勢。平均粒徑最小的6#和9#在觀察結果中差異明顯，6#凝膠、析水，9#均一、無沉淀。并不是平均粒徑越小的體系越穩定，也要看體系中膠體的類型。

圖1　不同增稠劑對半徑的影響Fig.1　Average particle size

3.3　LUMiSizer穩定性分析儀測定結果

使用不同增稠劑方案的0～9#樣品利用LUMiSizer進行穩定性分析后，圖譜結果與不穩定系數結果分別見圖2、圖3。

圖2　LUMiSizer穩定性分析圖譜Fig.2　The dispersion of analysis chromatograms of LUMiSizer

圖3　各增稠劑方案的不穩定系數隨時間變化情況Fig.3　The instability index of each thickening agentswith different time

卡拉膠在0.02%添加量時不穩定系數比空白略有下降，之后隨著添加量增加不穩定系數逐漸升高，但與空白相差不大。結冷膠呈現先降后升的趨勢，而且0.06%添加量時的不穩定析水遠遠高于空白。微晶纖維素3個添加量下的不穩定系數與空白差別不大。

卡拉膠方案中，譜線的變化趨勢與空白樣基本相似，即上層組分向下遷移導致透光率上升，并且頂部的譜線呈現一定的坡度，這說明頂部組分的遷移速率高于中部組分。3#圖譜底部透光率比空白樣高，形成面積略大于空白樣，導致總體不穩定系數高于空白。

結冷膠方案中，5#、6#終止譜線的頂部透光率都明顯上升，在中部的透光率呈近似直角的突然下降，底部透光率幾乎與初始譜線重合，6#尤其明顯。這說明5#、6#頂部出現了界限分明、大量的析水層，6#底部出現很寬的沉淀層，這與靜置觀察到的現象一直。6#圖譜出現直角譜線說明，各組分是以整體一致的遷移速度向下沉降的，而不同粒徑、密度的組分如要達到一致的遷移速度，則需要各組分之間通過形成某種堅固的“聯結”實現，這反映在宏觀上的現象之一就是凝膠。

微晶纖維素方案的圖譜與空白比較沒有明顯的區別，并沒反映出靜置觀察到的沉淀減少現象，這與LUMiSizer加速離心的分析方法有關，當離心速度過大或離心時間過長時，微晶纖維素三維網狀結構所形成的“懸浮力”不足以阻止體系內組分的遷移，導致沉降結果與空白一樣。

3.4　Turbiscan Tower型分散穩定性分析儀測定結果

用Turbiscan Tower型分散穩定性分析儀對0～9#樣品連續進行24 h靜止狀態下的近紅外掃描后，繪出了從0 h開始至24 h結束的圖譜(ΔBS與橫坐標0基準線圍成的區域)。與LUMiSizer不同的是該圖譜采用背散射光(BS)的變化率為橫坐標，左側為樣品底部，右側為樣品頂部。圖4顯示了0#、1#、2#、3#樣品的背散射光圖譜，圖5顯示了4#、5#、6#樣品的背散射光圖譜，圖6顯示了7#、8#、9#樣品的背散射光圖譜。

圖4　0#、1#、2#、3#樣品的Turbiscan穩定性圖譜Fig.4　Turbiscan stability scanning of sample 0#, 1#, 2#,3#

0#空白樣品底部曲線上升增加，說明底部組分增加，有沉淀趨勢；頂部曲線從上至下，先下降再上揚又下降，說明頂部形成了析水層-浮油層-析水層。

1#～3#卡拉膠不同添加量下的圖譜顯示，底部曲線上升幅度較空白樣(ΔBS約 6.5%)都有一定降低，頂部曲線下降幅度逐漸降低，說明卡拉膠能小幅度地減慢組分的沉降速度，對控制析水有一定效果，對浮油的抑制作用不大。

圖5　4#、5#、6#樣品的Turbiscan穩定性圖譜Fig.5　Turbiscan stability scanning of sample 4#, 5#, 6#

結冷膠不同添加量下的Trubiscan圖譜見圖4，隨著結冷膠添加量的增加，底部曲線的高度與0#空白樣底部譜線變化不大；但頂部曲線在基線以下下降明顯，而且6#的下降深度與寬度最明顯。說明結冷膠在6#添加量下的頂部析水最嚴重，已經有明顯分層的趨勢。

圖6展示了微晶纖維素添加量0.02%、0.04%、0.06%下燕麥飲料的Turbiscan穩定性圖譜。這3個梯度下，圖譜左側表示底部的背散射光變化率與空白相比明顯減少，其中8#、9#的底部ΔBS只有1.5%左右，遠低于空白樣的6.5%；右側頂部的曲線下降幅度呈現先減少后增加的趨勢；頂部以下曲線的上揚幅度則變化不明顯。說明微晶纖維素隨添加量增加對底部組分向下遷移的減弱明顯增強(背散射光增加幅度減少)，對上層析水的控制先增加后減弱，對浮油的控制不理想。

圖6　7#、8#、9#樣品的Turbiscan穩定性圖譜Fig.6　Turbiscan stability scanning of sample 7#, 8#, 9#

通過Turbiscan軟件對圖譜的整體、頂部、底部進行分析得出穩定性指數(TSI)，結果如圖7～圖9所示。空白樣品的穩定性問題主要出現在底部，TSI達到1.7，說明底部組分向下遷移是最突出的不穩定因素。全部10個方案中整體穩定性最好的8#、9#，頂部穩定性最好的是7#，底部穩定性最好的是8#，因此以Turbiscan來評價，整體穩定性最好的增稠劑方案是8#。

圖7　樣品整體的TSIFig.7　The TSI of global sample

圖8　樣品頂部的TSIFig.8　The TSI of top sample

圖9　樣品底部的TSIFig.9　The TSI of bottom sample

3.5　離心沉淀率測定結果

從表4可以看到，卡拉膠導致燕麥飲料的離心沉淀率有小幅增加，但各添加量的區別不明顯。結冷膠隨著添加量增加離心沉淀率逐步增多。微晶纖維素隨用量的增加，飲料離心沉淀率明顯下降。這與觀察結果、LUMiSizer和Turbiscan的圖譜顯示結果相吻合：結冷膠導致飲料中的組分形成連續的弱凝膠，在離心過程中更沉降，進而形成更多的沉淀；微晶纖維素添加量≥0.04%時具有較強的懸浮能力，與空白相比沉淀率明顯減少(p≤0.05)，能夠減慢溶液組分的沉降速度。

表4　樣品的離心沉淀率Table 4　The centrifugal sedimentation rate of sample

注：“a、b、c、d”表示各組之間有顯著性差異，置信區間為95%。

4　結論

(1)實驗結果表明，在燕麥飲料的體系中，卡拉膠有一定控制析水的能力但基本沒有懸浮能力，結冷膠的凝膠強度過大容易導致絮凝產生，并伴隨上層大量析水，微晶纖維素能夠形成弱的三維網狀結構可以大大減少飲料中組分的沉降速度，具有很好的懸浮作用，控制沉淀的效果明顯，但是添加量過高會導致析水增多，但對浮油沒有明顯作用。因此，在這3種單一增稠劑中，微晶纖維素是控制燕麥飲料沉淀效果比較好的增稠劑。但是，復合增稠劑的穩定效果通常要優于單一的增稠劑，比如曾建新等以糙米粉和燕麥粉為主要原料研制的糙米露中使用卡拉膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉(CMC)、黃原膠作為復合穩定劑達到了比較好的風味、口感和穩定性[6]。薛玉清等通過研究膠態級微晶纖維素的流變學特性，包括觸變性、黏度、懸浮能力和對熱的穩定性，利用膠態微晶纖維素可形成獨特的三維網狀結構的特點，同時復配卡拉膠或結冷膠應用于可可奶、椰奶等中性乳飲料中獲得了較好的穩定效果和口感[7]。林小秋等以護色香蕉漿和燕麥酶解液為基礎原料，乳化劑添加量0.015%(硬脂酰乳酸鈉∶蔗糖脂肪酸酯(質量比)=1∶1)、穩定劑添加量為0.03%(卡拉膠∶刺槐豆膠∶黃原膠(質量比)=1∶1∶1)，制備了香蕉燕麥酶解飲料[8]。李建磊等通過研究乳化劑與膠體對燕麥谷物飲料穩定性的影響，篩選出穩定劑的最佳復配組合[9]。楊洋等以牛乳、酶解燕麥粉為基礎原料探討了燕麥乳飲料的制備工藝條件[10]。

因此在下一步的工作中，我們需要繼續深入研究微晶纖維素、卡拉膠和結冷膠的復配方案對本燕麥飲料體系的穩定效果。

(2)通過對傳統的穩定性考察方法與快速穩定性分析方法對比，可以看出LUMiSizer與Turbiscan穩定性分析儀由于考察方式的不同(離心與靜止)，在反映實際產品的長期穩定性方面各有優劣勢，LUMiSizer離心加速的分析方法能夠反映體系內部組分之間的結合情況，如圖2中的5#、6#圖譜反映了結冷膠導致飲料絮凝后遷移狀態，但離心速度與時間過大則會產生與實際觀察結果不符的結論，如圖2中的7#、8#、9#；Turbiscan靜止掃描的方法能夠反映樣品內部組分在實際重力作用下的遷移情況，并且對沉降、上浮的程度能做到較精細的描述，缺點是測量時間相對較長，對絮集等現象的反映不夠明顯。

因此，在考察燕麥飲料這類淀粉、纖維素含量較高且有一定蛋白質含量飲料的穩定性時，結合LUMiSizer和Turbiscan這2種快速穩定性分析儀的優勢，可以更準確、快速地判斷穩定性問題，縮短產品開發周期。

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