凍融對紅豆濃漿穩定性及流變學特性的影響研究

姜 平，譚 斌，龔雪梅，吳娜娜?，陳 穎

（1.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；2.廈門惠爾康食品有限公司，福建 廈門 361004）

紅豆，又叫赤小豆、紅小豆、赤豆，由于它所含的蛋白質和碳水化合物含量較高，還富含多種生理活性物質，如膳食纖維、葉酸、皂角苷以及多種微量元素等，具有生津、益氣、補脾、補血、益腎、補肝等營養保健功能，常被當作重要原料來加工成具有保健功能的食品[1-2]。隨著人們對健康飲食的重視，全谷物飲品由于其方便食用、材料真實、全面的營養成分及多樣的口感和風味，成為了一種備受人們歡迎的代餐、膳食補給方式，但隨著貯存時間的延長尤其是在東北及新疆高寒地帶儲運過程中，由于溫度波動，易發生凍融現象（低溫冷凍、解凍），多次凍融會加速冷凍淀粉中冰晶的形成，并造成顆粒性損害。隨著存放時間的增加，支鏈淀粉微晶形成更加明顯[3]，往往會出現黏度增加、析水等現象，這與凍融穩定性有直接關系，這主要是因為谷物飲品中的主要成分淀粉在較低的溫度環境尤其是較大的溫度波動差異的條件下容易發生老化現象，出現退減作用和脫水收縮[4]，其中以紅豆濃漿淀粉老化問題最為嚴重。這一情況的發生不僅給其消費體驗及營養吸收方面帶來了嚴重的負面影響，也使得谷物飲品在銷售流通環節面臨著巨大的困難，造成了極大的浪費。

本文通過對企業提供的紅豆濃漿產品的凍融穩定性及流變學特性進行研究，以期進一步指導產品研發改進及生產實踐，減少產品在貨架期內因為老化造成的品質下降及浪費問題，具有重要的經濟和社會意義。

1 材料與方法

紅豆濃漿樣品由某企業提供，其蛋白質含量3.4%，脂肪含量 2.1%，碳水化合物含量 8.2%，膳食纖維含量6.0%，具體制作方法如下：

PL2002-IC型電子天平：METTLER TOLEDO儀器有限公司；L580低速離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；Mastersizer 2000 E型激光粒度儀：英國 Malvern Panalytical公司；AR2000EX型旋轉流變儀：美國 TA公司；Dispersion Analyser Lumisizer 611型穩定性分析儀：德國L.U.M.GmbH公司。

1.1 實驗方法

1.1.1 紅豆濃漿的反復凍融實驗

將同批次多瓶紅豆濃漿置于-18 ℃冰柜中，每隔7天取出，25 ℃常溫自然解凍24 h，記為一個凍融循環，取樣進行測定，其余放回冰柜中繼續冷凍，據此分別進行1、2、3、4、5次凍融循環（依次簡稱為 0FTC、1FTC、2FTC、3FTC、4FTC、5FTC）。

1.1.2 紅豆濃漿凍融穩定性的分析方法

1.1.2.1 析水率的測定方法 參考 Ye J等[5]方法。稱取離心管質量m0，向離心管中加入適量樣品后稱取質量 m1，以 3 500 r/min的轉速離心20 min后，將離心管中的上清液小心移除，稱量離心管和剩余物的總質量m2。

1.1.2.2 穩定系數的測定方法 參考吳金鋆[6]方法并稍有改動。將樣品稀釋10倍，震蕩均勻后在一定波長下測定其吸光度，并記錄其數值A前，以3 000 r/min的轉速離心10 min后，將離心管中的上清液小心吸出，并在一定波長下測定其吸光度，記錄其數值A后，其中所述波長為785 nm。穩定系數R值的大小反映所測定樣品的穩定性能，一般情況下R值越大，則樣品越穩定。

1.1.2.3 Slope值及澄清指數的測定方法 采用德國 LUMisizer穩定性分析儀對不同凍融循環后的紅豆濃漿樣品進行穩定性、全程分離步驟、沉降及懸浮并存的復雜分離行為分析[7]。通過Slope值和澄清指數的大小來比較樣品的穩定性，其中Slope值（%/h）是指光透過率積分隨時間變化曲線的斜率，澄清指數是指樣品在離心過程中各部位隨時間的透光率變化。測定參數設置：檢測溫度25 ℃，轉速3 000 r/min，light factor 1.00，每10 s掃描一次，共掃描200次。

1.1.3 平均粒度的測定

參考汪麗萍等[8]方法。使用Mastersizer 2000 E型激光粒度儀測定，測定過程采用濕法手動測量：移取一定量樣品均勻分散在去離子水中，使響應值在最佳區間，測定顆粒大小的分布情況。為了減少多重散射所造成的測量誤差，每個樣品重復測定3次，取平均值。

1.1.4 流變性質

1.1.4.1 靜態流變性質 參考王雪瑩等[9]方法并稍有改動。將經過多次凍融循環的紅豆濃漿樣品加到流變儀平板上，將剪切速率設為變量，樣品的剪切速率變換范圍設定為0.1～100 s-1，設定溫度 25 ℃，測量樣品表觀黏度隨剪切速率的變化曲線。

1.1.4.2 動態流變性質 參考王雪瑩等[9]方法并稍有改動。在 25 ℃下，測定經過多次凍融循環的紅豆濃漿樣品動態流變性質，固定振蕩應變在1%，角頻率變換范圍設定為0.1～20 rad/s，測定樣品的彈性模量 G′、粘性模量 G″隨角頻率的變化曲線。

1.2 數據處理

采用SPSS 20.0和Microsoft Excel系統軟件進行數據分析，使用 SPSS 20.0軟件對數據進行方差分析，方差分析選取Duncan檢驗，在P＜0.05檢驗水平上對數據進行統計學分析[10]。

2 結果與分析

2.1 凍融循環對紅豆濃漿凍融穩定性的影響

2.1.1 對析水率及穩定系數的影響

由于原料組分中的直鏈淀粉含量較多，在凍融條件下存在加速老化、析水的現象，因此通過析水率及穩定系數的測定可以客觀的反映樣品經過多次凍融循環后的穩定性情況。由圖1可以看出，隨著凍融循環次數的增加，紅豆濃漿的析水率呈現逐漸增加的趨勢，穩定系數呈現逐漸下降的趨勢，說明反復凍融使得濃漿體系越來越不穩定，這可能是由于多次凍融逐漸破壞了濃漿內部的三維網絡結構，使得原本在凝膠中的水分逐漸流失[11]，因而造成了體系的穩定性逐漸變差。

當凍融次數超過 1次后紅豆濃漿的析水率及穩定系數差異不顯著，這可能是由于紅豆濃漿經過1次凍融循環后其三維網絡結構已經遭到了嚴重破壞，在凝膠網格中的大部分水分已經滲出，而進一步的凍融循環會使體系形成海綿狀的網絡結構，這種結構會導致凝膠體系的彈性和剛性增加，部分析出水分子發生回吸作用[12]，因此出現了隨著凍融次數的增加，紅豆濃漿的析水率先顯著上升后趨于平緩的趨勢。

2.1.2 對Slope值及澄清指數的影響

Slope值越大，表示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 Slope數值越小，樣品越穩定。澄清指數越小表明樣品具有良好的穩定性，不易出現分層現象[13]。

由圖2可以看出，Slope值及澄清指數均隨著凍融次數的增加而呈現逐漸增大并趨于平緩的趨勢，當凍融次數超過1次后紅豆濃漿的澄清指數變化差異不顯著，這與紅豆濃漿的析水率所呈現趨勢一致。這可能是由于在冷藏過程中熱能的波動和水的相變使淀粉膠基質被破壞，凍結時水分子呈玻璃態，而玻璃態的水無固態形狀，不存在晶體結構，流動性差，再加上一些添加劑如蔗糖等的存在使得水分子更易形成玻璃態故而穩定性好[14-15]，但融化過程導致體系結構玻璃態的破壞，因此紅豆濃漿體系越來越不穩定，易出現分層現象。

圖2 凍融循環對濃漿Slope值及澄清指數的影響Fig.2 Effect of freeze-thaw cycle on Slope value and clarification index of pulp

2.2 凍融循環對紅豆濃漿顆粒粒度的影響

在粒度分布中，D0.1表示該樣品有 10%的顆粒所對應的的直徑，D0.5表示該顆粒群的粒度大小，也稱為中位徑，D0.9表示該樣品有 90%的顆粒所對應的的直徑，D4-3表示平均徑，（D0.9-D0.1）/D0.5稱為距徑，它表示樣品分布區域的寬度，距徑越大，表明其分布得越寬。根據斯托克斯規律，顆粒粒徑越小，沉淀速度越慢，樣品越穩定[16]。

通過表1中的數據可以看出，與紅豆濃漿原始樣品相比，經過不同凍融循環后紅豆濃漿的顆粒均呈現增大趨勢，這可能是由于冷凍過程中濃漿中的自由水向冰晶態轉變，而冰晶在顆粒上占據的空間更多，施加的機械力也更大，這就會使淀粉顆粒膨大、溶脹[17]，而解凍會使淀粉的表層和內部結構發生破損，一些中等分子量大小的支鏈淀粉的裂解和滲出[18]以及水分子的移動、結合和再分布會導致淀粉結構變得松散且剛性下降，導致了濃漿顆粒粒徑的變化。但經過1次凍融循環后濃漿的顆粒粒度增大的幅度最大，再經過多次凍融循環后，顆粒粒度與1次凍融循環后濃漿的顆粒粒度相比反而逐漸減小，這可能是由于初次凍融對濃漿體系中淀粉結構體系破壞程度最大，大分子間的再結合或淀粉等大分子的溢出使得顆粒粒度增大，而后發生的多次凍融循環可能使濃漿體系在初次凍融基礎上形成了海綿狀結構，水分子發生回吸，淀粉分子被破壞裂解，因此顆粒粒度與1次凍融循環后濃漿的顆粒粒度相比逐漸變小。

表1 凍融循環對濃漿顆粒粒度的影響Table 1 Effect of freeze-thaw cycle on particle size of pulp

2.3 凍融循環對紅豆濃漿流變性質的影響

食品的流變學特性分析是一種衡量食品穩定性以及設計加工工藝的重要手段，通過流變學分析得到的重要參數可以對食品的狀態和品質做出判斷，能為其產品研發和質量檢測提供重要參數[9]。

2.3.1 凍融循環對紅豆濃漿靜態流變性質的影響

觸變性和觸變結構是影響食品體系穩定性的重要因素。觸變性是指剪切使分散體系結構破壞，去除剪切后結構逐步恢復的現象，它分為正觸變性（切稀現象）和負觸變性（切稠現象）[19]。

由圖 3可以看出，多次凍融循環后紅豆濃漿樣品均表現為溶液黏度隨剪切速率增加而減小的正觸變性現象，這是典型的非牛頓流體的假塑性流動行為，而且隨著凍融次數的增加，濃漿樣品的黏度也呈現下降的趨勢，這可能是因為體系中含有鏈狀高分子的膠體粒子，如蛋白-脂肪、淀粉-蛋白、淀粉-多糖等，它們處于靜止狀態或低速率流動狀態時會互相纏繞結合在一起，這就使得此時的體系黏度較大，而當外力的剪切速度增大時，不規則的鏈狀粒子在剪切外力的作用下不斷收縮、翻轉成團，減少了相互勾掛，從而出現了剪切稀化現象，黏度逐漸降低[6]。而隨著凍融次數的增加，紅豆濃漿中冰晶不斷的融解和再形成，就會伴隨著對淀粉顆粒的反復擠壓，造成程度逐漸加深的機械損傷并伴隨越來越多淀粉游離溢出和加速重結晶老化導致黏度顯著下降[20-21]。

圖3 凍融循環后濃漿靜態流變特性圖Fig.3 Static rheological characteristics of pulp after freeze-thaw cycles

2.3.2 凍融循環對紅豆濃漿動態流變性質的影響

動態流變儀是分析樣品的粘性性質和彈性性質的一種重要手段，可以分為溫度掃描和頻率掃描，其中頻率掃描就是通過改變振蕩頻率來分析物質的彈性模量（G'）和粘性模量（G″）的變化情況的一種測定方法，進一步計算可得到損耗角正切 tanδ（tanδ= G″/G′），這些參數都間接地提供了樣品的分子結構方面的信息[22]。G′表示物料在形變過程中儲存的能量，反映物料形變后恢復原狀的能力，G′越大物料恢復形狀的能力越強；G″表示在形變過程中物料為了抵抗黏性阻力而損失的能量，反映物料抵抗流動的能力，G″越大物料抵抗流動的能力越強[23]。tanδ值的變化反映了樣品組分中高聚物組成的變化，其值越大，則說明樣品中含有低聚合度分子的數量越多，當材料的性質類似于固體時，其在線性范圍內的形變是可壓縮和恢復的，粘性模量（G″）小于彈性模量（G′），tanδ＜1；反之，當材料性質類似于流體或粘性系統時，tanδ＞1。

圖4中列出了經過不同次數凍融循環后紅豆濃漿的彈性模量（G′）、粘性模量（G″）以及tanδ值隨角頻率的變化曲線圖，其中A圖反映了經過不同次數凍融循環的紅豆濃漿的彈性模量（G′）均隨著角頻率的變化呈現先增大后減小的趨勢，其變化曲線形狀近似拋物線，符合二次函數變化規律，對其進行二次擬合分析，分析凍融次數對濃漿彈性模量的影響。二次回歸模型擬合研究模型為：

圖4 凍融循環后濃漿動態流變特性圖Fig.4 Dynamic rheological characteristics of pulp after freeze-thaw cycles

y=ax2+bx+c

式中：y-彈性模量（Pa）；x-角頻率（rad/s）；a,b,c-擬合系數。

擬合系數及檢驗結果如表 2所示，從表中可以看出，凍融循環對紅豆濃漿彈性模量具有相關性，紅豆濃漿在不同凍融循環處理后擬合優度R2＞0.9，說明回歸方程擬合度較高。

表2 擬合系數及檢驗結果Table 2 Fitting coefficient and test results

B圖反映了經過不同次數凍融循環的紅豆濃漿的粘性模量（G″）均隨著角頻率的變化呈現逐漸增大的趨勢，但增加幅度并不是很大，只有1～3 Pa的增加，而且不同凍融循環處理后樣品的粘性模量并未有較大差異，說明凍融循環對濃漿的粘性模量影響不大。C圖反映了經過不同次數凍融循環的紅豆濃漿的損耗角正切值（tanδ）均隨著角頻率的變化呈現逐漸增大的趨勢，且隨著凍融循環次數的增加，tanδ值的變化幅度越來越大，說明凍融循環使紅豆濃漿中高聚物的數量越來越少，聚合度越來越小。

3 結論

通過對紅豆濃漿產品的凍融穩定性及流變學性質的分析，該紅豆濃漿產品是典型的非牛頓流體的假塑性流體，經歷1次凍融循環（-18 ℃儲藏7天）后穩定系數呈現顯著下降趨勢，析水率、澄清指數及顆粒粒度呈現顯著增加趨勢，而經歷多次反復凍融循環后，這些指標無顯著變化，損耗角正切值（tanδ）呈現逐漸增大趨勢，這說明紅豆濃漿的結構體系在經歷1次凍融循環后已經遭到了嚴重破壞，反復的凍融循環會使紅豆濃漿中高聚物的數量越來越少，聚合度越來越小。因此企業應密切關注該產品在東北及新疆等高寒地帶儲運過程中溫度的變化，還應進一步在篩選原料品種、與化學變性淀粉的復配、凍融條件和工藝的優化以及添加劑的合理使用等方面進一步提升產品凍融性能，保持產品的口感及風味。