交聯(lián)淀粉對甘薯濁汁飲料穩(wěn)定性的影響

張佳艷 熊建文 崔 娜 陳正培

(廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院食品與化學(xué)工程系，廣西 柳州 545616)

淀粉質(zhì)植物飲料是以薯類、芋類、玉米、板栗、葛根等淀粉含量較高的植物根莖為原料制作而成的[1]。近年來，植物飲料由于營養(yǎng)功效優(yōu)良而備受消費者歡迎。但由于淀粉質(zhì)植物飲料中淀粉與蛋白質(zhì)含量高，加工后容易在飲料中形成沉淀，限制了該類產(chǎn)品的品質(zhì)與發(fā)展[2]。為提高淀粉質(zhì)植物飲料的穩(wěn)定性，多采用添加穩(wěn)定劑、酶解淀粉、高壓均質(zhì)等方法提高該飲料的穩(wěn)定性[3-6]，而添加的穩(wěn)定劑主要有明膠、乳蛋白、親水性膠體與變性淀粉等物質(zhì)。交聯(lián)淀粉是常用的一種變性淀粉，是通過交聯(lián)劑在淀粉分子上的羥基之間形成酯鍵或醚鍵，從而提高淀粉的持水性、黏度、熱力學(xué)穩(wěn)定性及其他加工特性[7]。目前，交聯(lián)淀粉主要作為增稠劑、穩(wěn)定劑應(yīng)用于湯、醬料與乳制品中[8-10]，Rungtiwa等[3]研究表明，1.0%木薯交聯(lián)淀粉能夠顯著改善湯的質(zhì)地特性與感官品質(zhì)；Bo等[4]研究表明交聯(lián)乙酰化淀粉能夠增強(qiáng)酸奶酪蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；Steeneken等[11]研究表明淀粉顆粒交聯(lián)的程度影響醬料在加工過程中的穩(wěn)定性。但目前尚未有將交聯(lián)淀粉作為穩(wěn)定劑應(yīng)用于淀粉質(zhì)植物飲料的報道。試驗擬研究不同交聯(lián)程度的交聯(lián)淀粉對紅薯濁汁飲料穩(wěn)定性的影響，為交聯(lián)淀粉在淀粉質(zhì)植物飲料中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯：淀粉含量11.95%，柳州市江友薯品有限責(zé)任公司；

馬鈴薯淀粉：分析純，水分含量12.5%，直鏈淀粉與支鏈淀粉質(zhì)量比為23∶77，西亞試劑有限公司；

三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉：分析純，阿拉丁生化科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

微波合成反應(yīng)工作站：MAS-IIPLUS型，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；

紫外—可見分光光度計：UV-5100型，上海元析儀器有限公司；

分散穩(wěn)定性分析儀：Turbiscan tower 型，法國Formulaction公司；

流變儀：AR1000型，英國TA有限公司；

Zeta電位分析儀：3000型，英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 制備交聯(lián)淀粉 根據(jù)張佳艷等[12]的方法修改如下：準(zhǔn)確稱取馬鈴薯淀粉40 g(干基)，加入蒸餾水，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的淀粉乳濁液，向淀粉乳液中加入不同濃度(6%，8%，10%，12%，14%)的三聚磷酸鈉/三偏磷酸鈉(1∶4，質(zhì)量比)與10%無水硫酸鈉，攪拌后置于微波設(shè)備中并于450 W、45 ℃下反應(yīng)3 min，采用1 mol/L的HCl溶液調(diào)整淀粉乳液pH至6.0～6.5以終止交聯(lián)反應(yīng)，4 000 r/min離心5 min，真空抽濾，用雙蒸水洗滌7次，50 ℃ 下烘干過夜，粉碎后過80目篩，得到白色粉末狀物質(zhì)即為馬鈴薯交聯(lián)淀粉(CLPS)。

1.3.2 甘薯濁汁飲料制備工藝流程 根據(jù)Yi等[13-14]的制備工藝進(jìn)行修改。

甘薯洗凈→蒸煮(隔水蒸30 min)→去皮→護(hù)色(0.15% 檸檬酸)→加水打漿[料液比1∶2 (g/mL)]→調(diào)配(加入1.5%交聯(lián)淀粉、5%蔗糖與0.2%檸檬酸)→膠體磨→均質(zhì)(65 ℃，20～25 MPa，10 min)→罐裝→排氣→封蓋→殺菌(100 ℃，30 min)→冷卻→甘薯濁汁飲料成品

1.3.3 飲料渾濁度 將甘薯濁汁飲料室溫放置30 d，每隔6 d測定果汁渾濁度。取10 g濁汁于離心管中，4 000 r/min 離心10 min，取上清液，以蒸餾水為參照，在660 nm處測量上清液的吸光度[15]。

1.3.4 流變特性 根據(jù)余振宇等[16-17]的方法修改如下：平板間距1 000 μm，剪切速率0～200 s-1，測定25 ℃下飲料的表觀黏度與剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線，采用Power-Law方程和Hershek-Bulkley方程對剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的流變曲線進(jìn)行模型擬合。

Power-Law方程：τ=Kγn，

(1)

Hershek-Bulkley方程：τ=τ0+Kγn，

(2)

式中：

τ——剪切應(yīng)力，Pa；

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

K——稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流動特征指數(shù)。

取少量攪拌均勻的濁汁飲料置于流變儀底板上，平板間距1 000 μm，25 ℃，應(yīng)變0.5%，頻率掃描0.1～10.0 Hz，測定儲能模量(G′)、損耗模量(G″)隨頻率變化的曲線。采用Power-Law方程對儲能模量(G′)隨頻率變化的流變曲線進(jìn)行模型擬合。

Power-Law方程：G′=AωB，

(3)

式中：

G′——儲能模量，Pa；

ω——振蕩頻率，Hz；

A、B——常量。

1.3.5 穩(wěn)定性分析 甘薯濁汁飲料靜置1 h，取20 mL放入樣品管中，測試溫度為室溫，掃描時間1 h，掃描間隔時間10 min，掃描結(jié)束后得到反射光強(qiáng)度隨樣品高度變化的曲線，采用軟件將反射光強(qiáng)度微積分轉(zhuǎn)換成測定時間內(nèi)平均背散射光變化率，并以穩(wěn)定系數(shù)(TSI)表示，TSI與飲料體系的穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)性[18-19]。

1.3.6 Zeta電位 采用Zeta電位分析儀測定，用去離子水稀釋100倍，震蕩混勻后取1 mL放入樣品池中，測定溫度25 ℃，所有樣品均平行測定3次[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗均重復(fù)3次，采用SPSS 19軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差與顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 濁度

由圖1可知，甘薯濁汁飲料的吸光度要低于未添加交聯(lián)淀粉的濁汁飲料(1 d)，由于交聯(lián)淀粉在受熱糊化后表現(xiàn)為致密的溶脹顆粒，尤其是高濃度交聯(lián)劑制備得到的交聯(lián)淀粉[21-22]，致密的溶脹顆粒折射光而非透射光，因此導(dǎo)致濁汁飲料的吸光度降低，但12% CLPS飲料的吸光度值低于14% CLPS的。在1～30 d的保存期限中，濁汁飲料的吸光度均呈現(xiàn)整體下降的趨勢，未添加交聯(lián)淀粉的濁汁飲料在保存期中吸光度大幅下降，但交聯(lián)淀粉的添加使飲料的吸光度在儲存期內(nèi)變化較小，是由于交聯(lián)鍵的存在使淀粉分子間作用力增強(qiáng)[7]，在分子間作用力的拖拽下，使淀粉分子的沉降變得困難，其中以含12% CLPS的吸光度變化最小。

2.2 流變特性

2.2.1 剪切應(yīng)力與剪切速率 由圖2可知，甘薯濁汁飲料的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低，表明該流體具有剪切稀化現(xiàn)象，可能是由于在高剪切速率下甘薯濁汁飲料中的分子內(nèi)、分子間的相互作用力被破壞，包括交聯(lián)淀粉分子之間的締合作用[23]；表觀黏度隨交聯(lián)程度的增加不斷提高，采用12% CLPS的表觀黏度最高，可能是交聯(lián)淀粉在一定溫度下的膨脹度隨交聯(lián)度的增加而降低[7]，12% CLPS的交聯(lián)度則使膨脹度下降到足以防止淀粉顆粒破碎但不足以限制腫脹，使淀粉能夠吸收更多的水分，膨脹為尺寸更大的顆粒，從而使?jié)嶂嬃系玫捷^高的黏度[22]，但交聯(lián)度過高會抑制顆粒的腫脹，導(dǎo)致黏度降低，與Rungtiwa等[10]的結(jié)果類似。結(jié)果表明，交聯(lián)程度高的淀粉不適宜作為增稠劑應(yīng)用于酸奶中，但可作為膳食纖維補(bǔ)充劑應(yīng)用于食品中。

為研究交聯(lián)淀粉與甘薯濁汁飲料流動特性之間的相關(guān)性，采用Hershek-Bulkley、Power-law方程對飲料的剪切應(yīng)力與剪切速率的流體曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1。由表1可知，兩個方程的相關(guān)系數(shù)R2>0.99，表明曲線與擬合方程的相關(guān)性較高，且無論是Power-law方程還是Hershek-Bulkley方程，隨著交聯(lián)程度的增加，K值整體呈上升趨勢，n值整體呈下降趨勢，表明該流體的假塑性隨著交聯(lián)程度的增加而增加[24]，交聯(lián)淀粉可以增加飲料混合體系的黏稠性(表現(xiàn)為稠度系數(shù)K值不斷增加)，降低其流動性，減少其觸變面積，有助于提高體系的假塑性與剪切穩(wěn)定性，形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；在12% CLPS時，K值最大，n值最小，表明含12% CLPS的濁汁飲料具有最大的稠度與高度抗剪切性。因此，12% CLPS對甘薯濁汁飲料有較大的改善。

圖1 交聯(lián)淀粉含量對甘薯濁汁飲料濁度的影響

Figure 1 Effect of cross-linked potato starch on turbidity of the sweet potato turbid juice beverage

圖2 25 ℃甘薯濁汁飲料的剪切速率與黏度、剪切應(yīng)力的流變曲線

表1甘薯濁汁飲料的剪切應(yīng)力與剪切速率的方程參數(shù)及其擬合情況

Table1PowerlawandHershek-Bulkleyconstantsandfittingdegreefortherelationshipbetweenshearrateandshearstressofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

交聯(lián)淀粉/%Power-Law方程nKR2Hershek-Bulkley方程τ0KnR200.9110.0350.998-0.1140.0460.8660.99960.7990.0680.9990.0160.0700.7930.99980.7360.0980.9990.0350.0920.7460.999100.6650.1510.9940.1180.1270.6940.999120.5430.3710.9950.6260.1970.6460.998140.6190.2310.9910.3100.1600.6790.997

2.2.2 儲能模量與頻率 由圖3可知，濁汁飲料的G′與G″均隨頻率的增大呈上升趨勢，且G′始終大于G″，表明甘薯濁汁飲料有類似固體的流體行為[10]；加入交聯(lián)淀粉可以提高濁汁飲料的G′和G″，且G′和G″隨著淀粉交聯(lián)程度的增大而提高，表現(xiàn)出較高的黏彈性。這是由于交聯(lián)淀粉的加入，淀粉分子之間的相互作用可以得到加強(qiáng)，形成強(qiáng)大的三維網(wǎng)絡(luò)，從而增加體系的黏彈性。Power-Law方程常數(shù)B值與凝膠強(qiáng)度有關(guān)[25]，由表2可知，濁汁飲料的B值隨交聯(lián)淀粉交聯(lián)程度的增加而降低，表明濁汁飲料的凝膠強(qiáng)度隨交聯(lián)淀粉交聯(lián)程度的增加而增加，在12% CLPS時，B值最小，A值最大，表明12% CLPS的添加使甘薯濁汁飲料有最大的凝膠強(qiáng)度，與Wongsagonsup等[10]和Khondkar等[26]的結(jié)果類似。

2.3 穩(wěn)定性

由圖4可知，未添加交聯(lián)淀粉的濁汁飲料譜圖中的背散射光強(qiáng)度值變化較大，在樣品池的底部出現(xiàn)沉淀層，頂部出現(xiàn)澄清水析層，且曲線中間段有波動，表明有團(tuán)聚或絮凝現(xiàn)象[27-28]，即未添加穩(wěn)定劑的甘薯濁汁飲料的穩(wěn)定性差；隨著交聯(lián)淀粉的添加及交聯(lián)程度的增加，譜圖中的背散射光強(qiáng)度值變化逐漸減小，其中12% CLPS底部的ΔBS遠(yuǎn)低于未添加交聯(lián)淀粉的，左側(cè)頂部曲線在基線以下下降幅度明顯減少(相較于未添加)，說明交聯(lián)淀粉能夠抑制底部組分向下遷移；但14% CLPS底部的要大于12% CLPS的，表明12% CLPS具有較強(qiáng)的懸浮能力，可能是12% CLPS經(jīng)加工破裂后能夠顯著增加體系的黏稠性[圖2(a)]；頂部析水程度隨交聯(lián)程度的增加而增加，當(dāng)交聯(lián)程度>10%時，析水程度并未隨交聯(lián)程度增加而降低。

圖3 交聯(lián)淀粉對甘薯飲料儲能模量和損耗模量的影響

Figure 3 Effect of cross-linked starch on storage modulus and loss modulus of the sweet potato turbid juice beverage

表2甘薯濁汁飲料儲能模量與頻率的冪律方程參數(shù)及其擬合情況

Table2Powerlawconstantsandfittingdegreefortherelationshipbetweenstoragemodulusandfrequencyofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

交聯(lián)淀粉/%ABR204.7550.3610.98265.5720.1750.923810.7510.1320.9741013.9920.1120.9701243.1300.0860.9611425.0720.1610.990

穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)(TSI)與體系穩(wěn)定性呈反比[29]。由圖5可知，未添加穩(wěn)定劑的濁汁飲料TSI最大，而交聯(lián)淀粉的添加使體系TSI降低，且交聯(lián)程度越高，指數(shù)下降程度越高，當(dāng)采用12%的交聯(lián)劑交聯(lián)得到的淀粉動力學(xué)指數(shù)最小，即12% CLPS是較佳的穩(wěn)定劑。

2.4 Zeta電位

Zeta電位常用作討論體系穩(wěn)定性的依據(jù)，當(dāng)Zeta電位的絕對值較小時，體系內(nèi)顆粒之間的排斥力較少，顆粒間容易絮凝并形成沉淀[30]，而帶電荷的大分子可以與液滴的電荷發(fā)生相互作用，增加液滴表面電位的絕對值，減少絮凝沉淀[16]。由表3可知，甘薯濁汁飲料帶負(fù)電荷，但顆粒間的排斥力無法抵消大分子的重力作用，從而產(chǎn)生絮凝沉淀；交聯(lián)淀粉增加了體系Zeta 電位絕對值的大小，是由于交聯(lián)淀粉為長鏈分子，在制備過程中由于磷酸基團(tuán)的引入增強(qiáng)了淀粉顆粒上的負(fù)電荷，使得體系液滴表面的靜電斥力增加，降低粒子間的絮凝作用，另一方面交聯(lián)淀粉容易通過靜電排斥作用吸附在蛋白膠束表面，產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)與滲透作用，從而提高濁汁飲料體系的穩(wěn)定性；濁汁飲料Zeta 電位絕對值隨交聯(lián)程度的提高而上升，由于交聯(lián)劑濃度越大，引入的磷酸基團(tuán)數(shù)量越多，負(fù)電荷的增加使排斥力增大，同時，交聯(lián)程度高的交聯(lián)淀粉能顯著提高體系黏度，增加體系的穩(wěn)定性。

表3交聯(lián)淀粉對甘薯濁汁飲料電位的影響?

Table3Effectofcross-linkedstarchonelectricpotentialofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

交聯(lián)淀粉/%磷含量/%DS/(×10-4)電位/mV00.000 0±0.000 0a0.00±0.00a-19.26e60.002 5±0.000 1b1.31±0.23b-25.34d80.003 5±0.000 3c1.83±0.15c-26.78c100.004 2±0.000 1d2.20±0.29d-27.83b120.005 3±0.000 2e2.77±0.25e-29.11a140.006 2±0.000 4f3.24±0.31f-30.05a

? 同列字母不同表示存在顯著性差異。

圖4 交聯(lián)淀粉對甘薯濁汁飲料穩(wěn)定性的影響

2.5 離心沉淀率

由表4可知，交聯(lián)淀粉的添加能降低甘薯濁汁飲料離心沉淀率，且離心沉淀率隨交聯(lián)程度的增加而下降，其中12% CLPS離心沉淀率最低，與穩(wěn)定性試驗結(jié)果吻合。交聯(lián)淀粉的存在使飲料中的淀粉分子間的相互作用得以加強(qiáng)，形成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的存在穩(wěn)定了體系中的淀粉、蛋白質(zhì)等大分子，同時降低了體系析水，從而降低了體系的離心沉淀率。

圖5 交聯(lián)淀粉對甘薯濁汁飲料穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)的影響

Figure 5 Effect of cross-linked starch on the TSI of the sweet potato turbid juice beverage

表4交聯(lián)淀粉對甘薯濁汁飲料離心沉淀率的影響?

Table4Effectofcross-linkedstarchoncentrifugalprecipitationrateofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

%

? 同列字母不同表示存在顯著性差異。

3 結(jié)論

試驗探討了不同交聯(lián)程度的交聯(lián)淀粉對甘薯濁汁飲料穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明交聯(lián)淀粉使甘薯濁汁飲料的穩(wěn)定性有一定程度的提高，12% CLPS可作為穩(wěn)定劑應(yīng)用于淀粉質(zhì)濁汁飲料中。但交聯(lián)淀粉對飲料的析水控制能力有限，后續(xù)可將交聯(lián)淀粉與其他類型的變性淀粉或穩(wěn)定劑復(fù)合，以進(jìn)一步提高交聯(lián)淀粉作為濁汁飲料穩(wěn)定劑的應(yīng)用效果。