粒径分析法研究稳定剂对含乳饮料稳定性的影响

2011, Vol. 32, No. 13 食品科学 ※基础研究58 粒径法研究稳定剂对含乳饮料稳定性的影响 李向东 1，李 娟 2 (1.光明乳业股份有限公司技术中心，乳业生物技术国家重点实验室，上海 200436； 2.中国石油化工股份有限公司 北京化工研究院，北京 100013) 摘 要：研究水溶性大豆多糖(SSPS)、羧甲基纤维素钠(CMC)和高酯果胶(HMP)在含乳饮料中的粒径分布和离心沉 淀率。结果明：在 SSPS、CMC和HMP的质量分数大于 0.3%时，酸性含乳饮料的体系开始趋于稳定，当HMP 添加量为 0.3%、SSPS和 CMC的添加量分别为 0.5%时，含乳饮料体系稳定性最好，而且粒径分析与离心沉淀率 结果相一致。通过分析含乳饮料的粒径分布和离心沉淀率可以快速、准确的判断所添加稳定剂的含量在含乳饮料 体系中应用的可行性。 关键词：粒径分析法；离心沉淀率；稳定性；含乳饮料 Effects of Stabilizers on Stability of Milk Beverage Evaluated by Particle Size Analysis LI Xiang-dong1，LI Juan2 (1. State Key Laboratory of Dairy Biotechnology, Technology Center, Bright Dairy and Food Co. Ltd., Shanghai 200436, China； 2. Beijing Research Institute of Chemical Industry, China Petroleum and Chemical Corporation, Beijing 100013, China) Abstract ：In this paper, particle size distribution and centrifugal sedimentation rate of water-soluble soybean polysaccharide (SSPS), sodium carboxymethyl cellulose (CMC) and high ester pectin (HMP) in milk beverage were studied. The results showed that the acidic milk beverage system exhibited an increased stability when the concentrations of SSPS, CMC and HMP were higher than 0.3%. The best stability of the acidic milk system was achieved when HMP, SSPS and CMC were added at 0.3%, 0.5% and 0.5%, respectively. Meanwhile, particle size distribution analysis and centrifugal sedimentation rate analysis could provide the consistent results for the milk beverage system. Therefore, it is feasible to use particle size distribution and centrifugal sedimentation rate for quickly and accurately analyzing the amounts of added stabilizers in milk beverage. Key words：particle size analysis；centrifugal sedimentation rate；stability；milk beverage 中图分类号：TS201.7 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)13-0058-04 收稿日期：2010-10-12 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD04A14) 作者简介：李向东(1980—)，男，师，硕士，主要从事乳及乳制品研究。E-mail：lixiangdong1980@126.com 含乳饮料以其酸甜适口、口感清爽的风味倍受广大 消费者的喜爱，按照加工工艺的不同可将其分为配制型 和发酵型两种。配制型含乳饮料是以乳或乳制品为原 料，加入水、白砂糖、甜味剂、酸味剂等物质调制 而成的饮料，其中蛋白质含量≥ 1%。发酵型含乳饮料 是以牛乳为主要原料，经乳酸菌发酵后，部分乳糖转 变为乳酸，蛋白质发生部分降解产生多种呈味成分，再 添加白砂糖、稳定剂、有机酸等物质经调制加工成的 色、香、味俱佳的功能性饮料。 含乳饮料的主要质量问题包括在加工及贮藏中出现 沉淀和产品分层，以及乳清析出、脂肪分层等问题。 凡是影响牛乳蛋白质稳定性及牛乳缓冲体系的因素都会 影响产品的稳定性。特别是破坏酪蛋白胶粒结构稳定的 因素是含乳饮料产生沉淀的主要原因。为了提高产品的 稳定性，通常的做法是在产品中加入适当的高分子亲水 化合物(通常称为稳定剂)，这些高分子化合物的添加对 改变产品的稳定性具有一定的帮助，但这些添加物会对 乳饮料的口味、口感产生不利的影响，不适当的添加 会使牛乳的酪蛋白发生凝聚，在产品中添加适度的稳定 剂是生产含乳饮料的关键所在[1-2]。 粒径分布分析是通过特定的仪器和方法对体系粒径 特性进行表征的一种技术，如果体系粒径分布呈高斯分 布状态，即平均值、中值和最频值恰好处在同一位置， 则体系是处于比较稳定的状态，反之，体系则存在不 59※基础研究 食品科学 2011, Vol. 32, No. 13 稳定性因素。本实验通过测定产品的粒径分布和离心沉 淀率，研究了水溶性大豆多糖(SSPS)、羧甲基纤维素钠 (CMC)和高酯果胶(HMP)等稳定剂对配制型含乳饮料稳定 性的影响，在对其稳定机理探讨的同时，探索应用粒 径分布和离心沉淀率相结合快速判定体系稳定性的可行 性[3-4]，以期为评价含乳饮料的稳定性提供参考和借鉴。 1 材料与方法 1.1 材料、试剂与仪器 生牛乳 光明乳业股份有限公司；高酯果胶、羧 甲基纤维素钠、单硬脂酸甘油酯 乔富企业有限公司食 品配料分公司；水溶性大豆多糖 福建省泉州市味博食 品有限公司；柠檬酸 欣融实业有限公司；白砂糖 北 京糖业有限公司。 LS13320粒径分析仪 美国Beckman Coulter公司； APV1000型均质机 丹麦APV公司；FW3D型高速搅 拌器 德国 Ika Labortechnik公司；pH计 瑞士Metrohm 公司；TDL-40B型冷冻离心机 上海一恒科技有限公 司；电子分析天平 德国 Sartorius公司。 1.2 方法 1.2.1 配制型含乳饮料生产工艺 生牛乳(40%)＋白砂糖(6%)＋稳定剂＋净化水→原料 混合→预热→均质→冷却至调酸温度→乳化调酸→杀菌→ 无菌灌装 1.2.2 操作要点 1.2.2.1 灭菌 生牛乳在与其他配料混合前进行预杀菌，预杀菌条 件为 90℃杀菌 10min；调酸后的杀菌条件为 125～130℃ 杀菌 3～5s。 1.2.2.2 白砂糖及稳定剂胶体溶液的制备 将白砂糖、稳定剂以及质量分数 0.2%单硬脂酸甘 油酯充分混合均匀后，将稳定剂缓慢加入 75℃净化水 中，匀速搅拌，保证胶体充分溶解，制成胶体溶液。 1.2.2.3 净化水的使用 一部分用于配制白砂糖及稳定剂胶体溶液，另一部 分用于配制柠檬酸溶液。 1.2.2.4 均质 将半成品品预热到 65～70℃后进行均质，均质压力 18～20MPa。 1.2.2.5 调酸 调酸温度控制在30℃左右，采用滴加法用10%柠檬酸 溶液进行调酸，并且使用搅拌器对溶液不断进行高速搅拌。 1.2.3 离心沉淀率的测定 以离心管取待测样品 30mL，并测定样品质量 m 0 后，放入离心机，以 3000r/min离心 15min后，取出离 心管，静置 10min后，除去上清液，测残余物的质量m。 每个样品进行 3次平行测定，取平均值。计算离心沉淀 率(WHC)。 m WHC/%=——× 100 m0 1.2.4 粒径的测定 用激光粒径分析仪器测定含乳饮料粒径分布情况。 开机后设定测定条件；在室温下，放入分散介质和被测 样品(悬浮状溶液)；启动超声发生器使样品充分分散； 启动循环泵进行测量；测量结束，进行数据分析。 激光粒度分析仪采用湿法分散技术，机械搅拌使样 品均匀散开，超声高频振荡使团聚的颗粒充分分散，电 磁循环泵使大小颗粒在整个循环系统中均匀分布，从而 在根本上保证了宽分布样品测试的准确重复[5-6]。 2 结果与分析 2.1 水溶性大豆多糖添加量对配制型含乳饮料稳定性的 影响 牛乳中酪蛋白的含量占总蛋白的 8 0 % 左右，酪 蛋白、无机盐(主要为磷酸盐)、水以及一些微量组 分共同形成酪蛋白磷酸盐复合物。酪蛋白的理化性 质随着 pH 值的降低而发生变化，对酸性含乳饮料体 系来说，选择阴离子多糖和处于等电点以下带正净 电荷的酪蛋白产生络合作用是提高酪蛋白稳定性的有 效措施 [ 7 ]。 由图 1可知，SSPS添加量在 0.1%～0.2%之间时， 其粒径分布多在 10～60μm，粒径没有明显变化，并且 只在 50μm左右出现一个峰，说明此时的添加量对体系 的稳定性不起作用。当添加量大于 0 .3 % 时，分别在 40μm和 100μm出现两个峰，且添加量为 0.5%时更为 明显，说明此时 SSPS 对体系的稳定效果最好。 图 1 SSPS添加量对含乳饮料平均粒径的影响 Fig.1 Effect of SSPS amount on particle size distribution of milk beverage 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 体 积 /% 粒径 /μm 7 6 5 4 3 2 1 0 0.1 1 10 100 1000 2011, Vol. 32, No. 13 食品科学 ※基础研究60 图 2 SSPS添加量对含乳饮料离心沉淀率的影响 Fig.2 Effect of SSPS amount on centrifugal sedimentation rate of milk beverage 离 心 沉 淀 率 /% 添加量 /% 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 由图 2可知，当 SSPS的添加量小于 0.3%时，离 心沉淀率降幅明显，由 2.1%降至 1.6%，体系不稳定； 当添加量大于 0.3%时，离心沉淀率趋于稳定，离心沉 淀率为 1.5%。由此可知，SSPS添加量对粒径的影响与 离心沉淀率结果相一致，SSPS 的添加量在低于 0 .3% 时，含乳饮料中的酪蛋白在等电点附近已经沉淀，使 得其不稳定，SSPS的添加量为 0.5%时，含乳饮料体系 稳定性最好。SSPS在蛋白质颗粒表面形成的水溶性薄 膜可以很好的稳定酸性含乳饮料，阻止蛋白质凝聚，使 其沉淀率和黏度处于较低的状态，从而使含乳饮料的品 质状态稳定并保持清爽的口感[8]。 2.2 甲基纤维素钠添加量对配制型含乳饮料稳定性的 影响 由图 3可知，CMC添加量为 0.1%和 0.2%时，分 别在 100μm和 6μm左右各出现一个峰，粒径没有明显 变化，调酸时出现肉眼可见的聚集颗粒，说明在低添 加量时，体系发生了架桥絮凝，CMC 不能充分包裹牛 乳中酪蛋白，蛋白质分子发生聚集，胶束的粒径明显 增大，因而产生了明显沉淀[9]。当添加量为 0.3%、0.4%、 0.5%时，分别在 0.6μm和 1μm出现两个峰，两个峰 值之间所占体积百分数较少，粒径分布在 0. 5～5μm， 说明当 CMC的添加量达到一定量时，足以覆盖酪蛋白 的表面，含乳饮料稳定不发生聚集。 图 4 CMC添加量对含乳饮料离心沉淀率的影响 Fig.4 Effect of CMC amount on centrifugal sedimentation rate of milk beverage 离 心 沉 淀 率 /% 添加量 /% 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 由图 4可知，当 CMC添加量从 0.1%增加到 0.2% 时，离心沉淀率由 1.8%降至 1.3%，原因是少量的 CMC 不足以覆盖酪蛋白胶粒，一个 CMC分子连接两个或两 个以上的酪蛋白，从而促进了聚集的发生，使沉淀率 升高。当 CMC 的添加量大于 0.2%时，随添加量的增 加，离心沉淀率趋于稳定，当CMC添加量达到 0.5%时 稳定性最好，此时 CMC达到了吸附酪蛋白的临界吸附 量。李静等[10]认为 CMC 添加量达到 0.3%后，体系趋 于稳定。可能是由于 CMC分子结构参数(相对分子质量 和取代度)的不同导致实验结果的差异，相对分子质量 大、取代度高的 CMC稳定效果较好，其中相对分子质 量的影响较大。由此可知，CMC 的粒径分析与离心沉 淀率结果相一致，当 CMC 的添加量达到 0.3%时，含 乳饮料的体系开始趋于稳定。 2.3 高酯果胶添加量对配制型含乳饮料稳定性的影响 SSPS、CMC和 HMP都是阴离子多糖，除了以增 加黏度来提高产品的稳定性外，它们主要通过和在等电 点以下带正净电荷的酪蛋白发生络合作用，吸附在酪蛋 白的表面形成保护膜，利用它们之间的静电排斥力或空 间位阻作用防止酪蛋白的聚集沉淀，从而提高含乳饮料 产品的稳定性[ 11]。 图 3 CMC添加量对含乳饮料平均粒径的影响 Fig.3 Effect of CMC amount on particle size distribution of milk beverage 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 体 积 /% 粒径 /μm 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.1 1 10 100 1000 图 5 HMP添加量对含乳饮料平均粒径的影响 Fig.5 Effect of HMP amount on particle size distribution of milk beverage 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 体 积 /% 粒径 /μm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.1 1 10 100 1000 由图 5可知，HMP添加量为 0.1%和 0.2%时，分 别在 90μm和 50μm左右各出现一个峰，粒径没有明显变 化。当添加量为0.3%和 0.4%时，粒径分布在 5～150μm 61※基础研究 食品科学 2011, Vol. 32, No. 13 之间。当添加量为 0.5%时，分别在 10μm和 150μm出 现两个峰，此时 H M P 对含乳饮料体系的稳定效果最 好。随着添加量的增加，含乳饮料体系趋于稳定。 图 6 HMP添加量对含乳饮料离心沉淀率的影响 Fig.6 Effect of HMP amount on centrifugal sedimentation rate of milk beverage 离 心 沉 淀 率 /% 添加量 /% 2.5 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 由图 6可知，当 HMP添加量从 0.1%增加到 0.3% 时，离心沉淀率由 2.3%降至 2.0%。随着添加量的增加， 离心沉淀率变化不大，说明此时体系开始趋于稳定。原 因是高酯果胶通过空间位阻效应和静电吸引而与酪蛋白 结合，阻止酪蛋白聚集沉淀，使酪蛋白在酸性条件下 可以相对稳定地存在[12]。由此可知，HMP的粒径分析 与离心沉淀率结果相一致，当HMC的添加量达到 0.3% 时，含乳饮料的体系趋于稳定。 3 结 论 3.1 通过测定产品的粒径分布和离心沉淀率可知，水 溶性大豆多糖、羧甲基纤维素钠和高酯果胶的添加量在 大于 0.3%时，酸性含乳饮料的体系开始趋于稳定，粒 径分析与离心沉淀率结果相一致。其中高酯果胶添加量 为 0.3%时，水溶性大豆多糖和羧甲基纤维素钠添加量 为 0 .5% 时，含乳饮料体系稳定性最好。 3.2 通过分析含乳饮料的粒径分布和离心沉淀率得知稳 定剂在其体系中的稳定性，从而可以快速、准确地判 断所添加稳定剂的含量在含乳饮料体系中应用的可行 性，为生产和科研提供理论依据。 参考文献： [1] 黄来发. 蛋白饮料加工工艺与配方[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 1996: 34-37. 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