超高壓均質對非濃縮還原甜瓜汁的流變學特性研究

馬金花,馬紫荊,王曉雨,常晨光,黃文書,2*

1(新疆農業大學 食品科學與藥學學院,新疆 烏魯木齊,830052) 2(新疆果品采后科學與技術重點實驗室,新疆 烏魯木齊,830052)

甜瓜屬于葫蘆科植物,是新疆的特產水果之一。甜瓜被人們稱為“瓜中之王”,是水果中的佳品[1],這是因為新疆具有獨特的氣候、地理、環境等優勢,種植的甜瓜具有甘之如蜜、風味襲人、含糖量高等特點。甜瓜有很高的營養價值,例如在干物質中含纖維素最高可達6.7%,糖分最高可達15.8%,維生素含量分別比西瓜、蘋果、杏高4～7、6、1.3倍,Fe含量是牛奶的18倍,是雞肉的2～3倍[2],還有果膠、蘋果酸、以及Ca、P等元素,這些成分對人的腸道消化有促進作用。研究表明,甜瓜汁還具有一定的抗菌效果[3]。

現在市面上主要是發酵型乳酸飲料、調配飲品,濃縮果汁等,這些加工領域在國內外研究中取得了較多的成果,還有一些市售產品有甜瓜酸奶、果肉、果脯等[4],這些種類的甜瓜產品耐貯藏、顏色風味保留較好,但與非濃縮還原(not from concentrate,NFC)甜瓜汁相比在口感、營養物質等方面還有一定差距。鮮榨果蔬汁能夠有效提高人體免疫力,例如可以提高人體內的淋巴細胞[5]及巨噬細胞活性。一些研究表明非熱力加工技術即超高壓均質技術對果汁中酵母菌[6-7]、引起果汁敗壞的真菌孢子[8]、和致病菌[9-11]等有明顯抑制或殺滅作用,在保障果蔬汁安全方面、營養方面有很大優勢。

目前超高壓均質技術已應用到化學[12]、生物、制藥等行業中,主要用于減小顆粒粒徑、提取代謝產物、破碎分散體等[11]。超高壓均質處理能夠最大程度地保留食品原有的風味,不破壞食物的營養物質與原始風味,保持了食物的生鮮特性[13]。鑒于甜瓜汁產品在市場上所占份額較小,探究如何將甜瓜進行進一步加工是目前刻不容緩的問題,超高壓均質技術能使果汁的穩定性更高,果汁顆粒大小會隨均質壓力大小而產生變化,另外甜瓜最重要的品質之一就是它獨特的香氣,但甜瓜汁屬于熱敏性果汁,傳統的熱處理會導致其香氣、口感、營養成分的損失,高溫處理會使甜瓜汁產生類似“南瓜蒸煮”味,而采用超高壓均質技術可能是解決甜瓜汁加熱變味難題的有效方法。近年來根據消費者對于果汁喜好度的研究顯示,消費者們對于果汁的流變特性,如黏度、黏彈性、黏滑性等關注越來越多[14-15],果汁流變性指標與果汁口感、感官等食用品質密切相關,其變化特性對鮮榨果汁加工技術改進、創新具有重要的指導意義[16-17]。本文利用超高壓均質技術,經超高壓均質以不同的均質壓力(20、60、100、140、180 MPa)、均質次數(1、2、3次)、均質溫度(25、35、45、55 ℃)處理后,采用流變儀分別檢測了這些指標,包括靜態流變黏度、動態頻率和溫度掃描,以掌握其NFC甜瓜汁的流變學特性,為NFC甜瓜汁的加工及創新提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選取品種為新鮮、成熟度良好的西州蜜25號甜瓜,產地新疆吐魯番,烏魯木齊市新北園春。

1.2 儀器與設備

JN-Mini Pro超高壓均質機,廣東聚能納米生物科技有限公司;MCR92流變儀,奧地利Anton Paar公司的旋轉流變儀;篩網(20目),紹興市上虞張興紗篩廠;M450打漿機,中山市禧膳電器有限公司;JM-LB65膠體磨,溫州七星膠體磨機械制造有限公司;

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

將新鮮西州蜜25號甜瓜清洗后,手工去皮去瓤,切成1.5 cm×1.5 cm瓜塊,用打漿機打漿(<30 s),過膠體磨后用20目篩網過濾,經超高壓均質處理后,在4 ℃冰箱保存備用。

1.3.2 參數設定

本實驗設定超高壓均質壓力為20、60、100、140、180 MPa;進料溫度為25、35、45、55 ℃;均質次數為1、2、3次;2個對照：CK(未處理)、巴氏(經巴氏殺菌)。

1.3.3 流變學性質的測定

1.3.3.1 NFC甜瓜汁靜態流變學測定

NFC甜瓜汁的黏度曲線,采用流變儀,選取平板轉子(直徑49.983 mm,間隙1 mm),使用水循環系統控制測定溫度為(25±1) ℃。取 2.5 mL甜瓜汁汁置于夾具和平板轉子之間,在穩態剪切模式下,設置剪切速率從0.01 s-1指數增加到 100 s-1,剪切黏度隨剪切速率的變化[18]。

1.3.3.2 NFC甜瓜汁動態流變頻率測定

采用流變儀,平板轉子,用水循環系統控制測定溫度為(25±1) ℃。在振蕩剪切模式下,應變振幅為1%,頻率由0.1 Hz增加到10 Hz,記錄儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨頻率的變化。

1.3.3.3 NFC甜瓜汁動態流變溫度測定

采用旋轉流變儀、平板轉子溫度由20 ℃增加到60 ℃。在振蕩剪切模式下,應變振幅為1%,頻率1 Hz,記錄G′和G″隨頻率的變化。

1.4 數據處理

本實驗采用Excel 2020、Origin 2019、SPSS 20.0軟件進行數據的分析和處理。

2 結果與分析

2.1 NFC甜瓜汁靜態流變特性分析

如圖1所示為均質壓力對NFC甜瓜汁黏度曲線圖。隨著剪切速率的不斷增加,剪切黏度逐漸減小,出現了剪切稀化的現象,這是典型的非牛頓流體,呈現假塑性行為[19-20],此結果與超高壓均質處理后蘋果汁[21]、果汁模型[22]、哈密瓜汁[20]、菠蘿果肉果汁[23]的黏度變化趨勢一致。由圖1可知,當均質溫度為25 ℃,均質次數為1次,均質壓力增大時,NFC甜瓜汁的黏度逐漸下降,這一結果跟尹琳琳[19]一致,這可能是因為隨著剪切速率的增大,NFC甜瓜汁中的果膠物質受到破壞,使得黏度變小。AUGUSTO等[21]研究發現,蘋果汁表觀黏度隨壓力(0～150 MPa)的升高逐漸升高,隨著處理壓力的增加,其破壞程度增大,可能是由于超高壓均質處理使得更多大分子物質溶出。

圖1 不同均質壓力對NFC甜瓜汁黏度的影響

如圖2所示為不同的均質溫度對NFC黏度的影響。由圖2可知,均質壓力為140 MPa、均質次數為1的條件下,隨著均質溫度的不斷增加,NFC甜瓜汁的黏度不斷減小,即剪切稀化明顯,這是因為溫度的不斷升高加速了NFC甜瓜汁中大分子物質果膠的溶出。經巴氏殺菌的黏度比經超高壓均質過的要高,這可能是由于溫度的升高,體系中分子運動加劇,分子間距增大,分子間作用力減小,流動時的摩擦力減小,黏度降低[21],此結果與芒果汁黏度變化[24]一致。

圖2 不同均質溫度對NFC甜瓜汁黏度的影響

圖3為不同均質次數對NFC甜瓜汁黏度的影響。由圖3可知,當均質溫度為25 ℃、均質壓力為140 MPa時,隨著均質次數的增加,NFC甜瓜汁的黏度大小為：140 MPa、25 ℃、1次>140 MPa、25 ℃、3次>140 MPa、25 ℃、2次,即先減小后增加,此結果與芒果汁[24]的黏度變化相反,這可能是因為NFC甜瓜汁在140 MPa高壓下均質3次加速了果膠、蛋白質分子等物質溶出。

圖3 不同均質次數對NFC甜瓜汁黏度的影響

2.2 NFC甜瓜汁頻率掃描動態流變學分析

動態流變儀是分析樣品的G′和G″的一種重要手段,可以分為溫度掃描和頻率掃描,頻率和溫度掃描就是通過改變振蕩頻率和溫度來分析物質的彈性和黏性的情況,即G′和G″變化的一種測定方法[25]。

如圖4～圖6所示為超高壓均質不同處理壓力、次數、溫度對NFC甜瓜汁頻率掃描中的G′和G″的變化,G′>G″表示體系屬于凝膠體系,G′G″,NFC甜瓜汁屬于弱凝膠體系;隨著頻率的增加,NFC甜瓜汁的G′和G″整體呈緩慢上升狀態,該結果與蘿卜汁[18]、芒果汁[24]的G′和G″趨勢一致。與超高壓均質處理過的NFC甜瓜汁相比,CK和巴氏的NFC甜瓜汁的G′和G″高于超高壓均質處理過的,這可能是由于超高壓均質破壞了NFC甜瓜汁中的分子結構,從而產生較弱的結合力,使黏度下降[18]。

a-儲能模量;b-損耗模量圖4 不同均質壓力對NFC甜瓜汁的頻率掃描曲線

如圖4-a、圖4-b所示為不同均質壓力對NFC甜瓜汁的頻率掃描曲線,當均質溫度為25 ℃、均質次數為1次時,隨著均質壓力不斷增加,G′逐漸減小,G″逐漸增大,但始終小于G′,G′>G″,即彈性大于黏性;圖5-a、圖5-b為不同均質次數對NFC甜瓜汁的頻率掃描曲線,當均質壓力為140 MPa、均質溫度是25 ℃,隨著均質次數的增加,G′大小為：140 MPa、25 ℃、1次>140 MPa、25 ℃、3次>140 MPa、25 ℃、2次,G″與之相反,頻率在4 Hz時均質,均質2次的NFC甜瓜汁的G″迅速上升,即：140 MPa、25 ℃、2次>140 MPa、25 ℃、1次>140 MPa、25 ℃、3次。圖6-a、圖6-b是不同的均質溫度對NFC甜瓜汁的頻率掃描曲線,當均質壓力為140 MPa、均質次數為1次,隨著均質溫度不斷增加,G′逐漸降低,G″逐漸升高,當均質溫度為45、55 ℃時,G′幾乎一致,當頻率大于3 Hz時,均質壓力為140 MPa、均質次數為1次、均質溫度分為45、55 ℃時,G″迅速增高,這可能是由于溫度的不斷升高,NFC甜瓜汁在熱處理過程中纖維鏈之間的顆粒發生“膨脹”引起的[28],綜上所述,隨著頻率的不斷增加,NFC甜瓜汁的G′和G″整體呈緩慢上升趨勢,巴氏跟CK的G′逐漸增加,G′始終大于G″,NFC甜瓜汁具有凝膠特性,說明動態頻率掃描會影響NFC甜瓜汁的流變。

2.3 NFC甜瓜汁溫度掃描動態流變學分析

如圖7～圖9所示為NFC甜瓜汁溫度掃描動態流變學曲線。掃描溫度為20～60 ℃,隨著掃描溫度的不斷升高,G′和G″也在逐漸升高,掃描溫度大于30 ℃時,上升幅度逐漸變大,且G′增加幅度大于G″,這可能是由于NFC甜瓜汁隨著掃描溫度的不斷升高,結構會發生變化,分子逐漸展開,分子動能增加,使得NFC甜瓜汁流動性增強,黏度降低[29]。如圖7-a、圖7-b所示為不同均質壓力對NFC甜瓜汁的溫度掃描曲線,均質溫度為25 ℃、均質次數為1時,隨著均質壓力的增大,NFC甜瓜汁的G′和G″不斷減小,均質壓力在20 MPa時,G′和G″達到最大,均質壓力在180 MPa時,G′和G″達到最小,均質壓力越大,“弱凝膠”結構越容易被破壞,G′和G″的降低表示NFC甜瓜汁的儲能模量(彈性)和損耗模量(黏性)降低,飲用時的口感逐漸偏向于清汁[30]。巴氏和CK相比,CK的G′和G″整體呈上升趨勢,與超高壓均質處理過NFC甜瓜汁相比,巴氏跟CK的G′和G″呈上升趨勢,這與掃描頻率結果一致。圖8-a、圖8-b為不同均質溫度對NFC甜瓜汁的溫度掃描曲線。當均質壓力為140 MPa、均質次數為1時,隨著均質溫度的升高,G′和G″不斷減小,這可能是因為隨著溫度升高,NFC甜瓜汁的分子能量增大,分子之間的聚合能力下降,使得有效容積率降低,黏度也因此下降[31]。圖9-a、圖9-b為不同均質次數對NFC甜瓜汁溫度掃描曲線。由圖可知,當均質壓力為140 MPa、均質溫度為25 ℃時,隨著均質次數的增加,G′和G″逐漸減小。綜上所述,隨著掃描溫度的不斷升高,NFC甜瓜汁的G′和G″呈上升趨勢;且G′>G″,屬于弱凝膠特性,該結果與頻率掃描基本一致,但溫度掃描顯著提高了NFC甜瓜汁的G′和G″。

a-儲能模量;b-損耗模量圖7 不同均質壓力對NFC甜瓜汁的溫度掃描曲線

3 結論

超高壓均質處理可以改變NFC甜瓜汁的流變學性質。NFC甜瓜汁屬于非牛頓流體,具有假塑性行為。由靜態黏度曲線得知,NFC甜瓜汁黏度隨著剪切速率的不斷增加而下降,呈現剪切變稀流變特性;其黏度隨著均質壓力(20、60、100、140、180 MPa)、溫度(25、35、45、55 ℃)的增加而降低,隨均質次數(1、2、3次)的增加,其黏度先減小后增大。由動態流變學結果可知,NFC甜瓜汁有弱凝膠特性(G′>G″)。在動態頻率掃描中,NFC甜瓜汁的G′和G″隨著頻率的增加呈緩慢上升趨勢;隨著均質壓力、溫度的增加,G′逐漸減小,G″逐漸增大,隨著均質次數的不斷增加,G′的大小為：140 MPa、25 ℃、1次>140 MPa、25 ℃、3次>140 MPa、25 ℃、2次,G″的大小為：140 MPa、25 ℃、2次>140 MPa、25 ℃、1次>140 MPa、25 ℃、3次。在動態溫度掃描中,在20～60 ℃范圍內隨著掃描溫度的不斷增加,NFC甜瓜汁的G′和G″均呈上升趨勢;隨著均質壓力、溫度、次數的不斷增加,G′和G″均減小,CK跟巴氏的G′和G″上升幅度較大,此結果與頻率掃描結果基本一致,但溫度掃描結果顯著提高了NFC甜瓜汁的G′和G″。

綜上所述,超高壓均質壓力在20～180 MPa、均質次數1～3次、溫度為25、35、45、55 ℃條件下可以有效改變NFC甜瓜汁的流變學特性,其流變特性會影響果汁的口感和感官,基于此,相信在未來隨著科技的不斷發展,超高壓均質探究NFC甜瓜汁的其他品質的影響,提高NFC甜瓜汁的營養價值,開發出不同口味的NFC甜瓜汁飲品,為NFC甜瓜汁的進一步創新與加工提供理論依據,以滿足消費者需求。