田 芬,王銀娟,歐 凱,金世合,李羅飛,張佳佳,吳偉都,高興華

(杭州娃哈哈科技有限公司,浙江杭州 310018)

不同高酯果膠的鈣敏特性及其對酸乳飲料穩(wěn)定性的影響

田 芬,王銀娟,歐 凱,金世合,李羅飛,張佳佳,吳偉都,高興華*

(杭州娃哈哈科技有限公司,浙江杭州 310018)

本文以6種高酯果膠為研究對象,采用頻率掃描-粘彈性流變曲線來研究其鈣敏特性,并研究鈣敏性對酸乳飲料穩(wěn)定性的影響作用。結(jié)果表明:高酯果膠P1、P2、P3、P4有鈣敏性,P5、P6幾乎無鈣敏性。鈣敏性強(qiáng)弱順序為P1>P2>P4>P3>P5≥P6。蛋白穩(wěn)定性研究表明:酯化度相近的高酯果膠在粘度相同的情況下,其鈣敏性對酸乳飲料的穩(wěn)定性有影響作用,鈣敏性越強(qiáng),酸乳體系越穩(wěn)定,鈣敏性越弱,酸乳體系越失穩(wěn)。

高酯果膠,鈣敏性,穩(wěn)定性,頻率掃描

果膠是一種線性的多糖聚合物,D-半乳糖醛酸是果膠分子的主要組成成分,果膠分子主鏈?zhǔn)怯蒁-半乳糖醛酸殘基以α-1,4糖苷鍵連接形成的酸性大分子多糖,并且半乳糖醛酸C6上的羧基多是以甲酯化形式狀態(tài)存在[1-2]。

果膠根據(jù)酯化度DE來分為高酯果膠(DE≥50%)和低酯果膠(DE<50%)。高酯和低酯果膠都能形成凝膠,但凝膠條件和相應(yīng)機(jī)制不同。鈣敏性定義為:Ca2+存在的情況下果膠溶液出現(xiàn)的粘度增加現(xiàn)象[3]。有研究表明:Ca2+的加入,使高酯果膠溶液的粘彈性增大,利于其形成凝膠[4-5],也有研究證實高酯果膠的凝膠速度和凝膠強(qiáng)度受到Ca2+的影響[5-6]。說明高酯果膠有鈣敏性,本文對其進(jìn)行深入研究。

酸乳飲料是一類普通的飲料。高酯果膠廣泛用于酸乳飲料的穩(wěn)定體系,發(fā)揮穩(wěn)定酪蛋白的能力,阻止酪蛋白在低pH下的相互聚團(tuán)而引發(fā)的沉淀問題[8-10]。研究表明:果膠通過靜電吸附和空間位阻作用使酪蛋白穩(wěn)定于體系中[10-12],本文研究了酯化度相近、粘度相同的不同高酯果膠的鈣敏特性,及鈣敏性對酸乳飲料穩(wěn)定性的影響;即在空間位阻基本相同的情況下,通過流變掃描研究高酯果膠的鈣敏性,并闡明鈣敏性對酸乳飲料離心沉淀率的影響,為其在酸乳穩(wěn)定體系的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

6種高酯果膠 食品級(酯化度為70%～72%,0.5%溶液的粘度均為5.2～5.4 mPa·s)；CaCl2天津化學(xué)試劑一廠；脫脂粉 Arla Foods；葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯 江西新黃海醫(yī)藥食品化工有限公司；白砂糖 北京糖業(yè)有限公司。

AR-G2 高級旋轉(zhuǎn)流變儀 美國TA儀器有限公司;pH計、分析天平(感量0.001 g):Mettler-Toledo;Silverson攪拌器 英國silverson公司;離心機(jī) 德國eppendorf公司;均質(zhì)機(jī)、UHT:德國APV公司;水浴鍋 石家莊靜天環(huán)保儀器儀表供應(yīng)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鈣敏性測試方法 將不同高酯果膠配成0.5%(w/w)的溶液,70～80 ℃下攪拌20 min,水化好之后分別加入CaCl2(2.72 μmol/mL[13]),對果膠原液和果膠+CaCl2溶液分別進(jìn)行頻率掃描流變測試,掃描條件[14-15]:測試間距500 μm,測試溫度10 ℃,上樣后平衡5 min,應(yīng)變:15%,頻率掃描范圍0.01～100 Hz。平行實驗三次。

1.2.2 調(diào)酸型酸乳飲料的生產(chǎn)工藝流程 參考文獻(xiàn)[16]脫脂粉4%+果膠0.5%+蔗糖6%+凈化水→原料混合→冷卻至調(diào)酸溫度→調(diào)酸→定容→預(yù)熱→均質(zhì)→殺菌→灌裝。操作要點如下:調(diào)酸:用1.6%(w/w)葡萄糖酸內(nèi)酯來調(diào)酸,在攪拌器速度為3000 r/min下加入酸,用pH計測定pH=4.0時為終點。均質(zhì):樣品定容后放置30 min后,預(yù)熱到65～70 ℃去均質(zhì),均質(zhì)條件18～20 Mpa,殺菌:殺菌條件125～130 ℃下3～5 s。

1.2. 3 調(diào)酸型酸乳飲料的穩(wěn)定能力測試-離心沉淀率測定 以離心管取待測樣品10 mL,并測定樣品質(zhì)量m0后。放入離心機(jī),以3000 r/min離心15 min后,取出離心管,靜置10 min后,除去上清液,測殘余物的質(zhì)量m。每個樣品進(jìn)行3次平行測定,取平均值。計算離心沉淀率(WHC)。

WHC(%)=m/m0×100[16]

1.2.4 統(tǒng)計學(xué)分析 本文涉及的統(tǒng)計學(xué)分析均使用origin 8.0來完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高酯果膠的鈣敏性測定結(jié)果

基于布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)分類法，學(xué)校對臨床藥學(xué)專業(yè)本科生實踐教學(xué)體系進(jìn)行了改革，學(xué)生由低階的了解、加深了解、熟悉藥師的工作內(nèi)容向高階的基本掌握、掌握藥師的臨床藥學(xué)工作技能發(fā)展，臨床藥學(xué)教育從基礎(chǔ)目標(biāo)逐步向高級目標(biāo)(“八星藥師”或我國臨床藥學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo))轉(zhuǎn)化。由于本校對2016年入學(xué)的本科生才開始實施新改的臨床藥學(xué)實踐教學(xué)模式，目前尚無畢業(yè)生，因此在新改臨床藥學(xué)實踐教學(xué)模式的實施過程中應(yīng)該利用科學(xué)的教學(xué)體系評價方法驗證其合理性及有效性。

鈣敏性是指在Ca2+存在的情況下果膠溶液出現(xiàn)的粘度增加現(xiàn)象[3]。如圖1所示:當(dāng)頻率≤5 Hz時,加Ca2+后的P1和P2均出現(xiàn)粘度(G″)和彈性(G′)的增加現(xiàn)象,說明高酯果膠P1和P2有鈣敏性;當(dāng)頻率≥5 Hz時,兩者加鈣前后的粘彈性曲線基本重合,無鈣敏性;表明P1、P2的鈣敏性信號只限于低頻范圍(頻率≤5 Hz),說明高酯果膠的鈣敏性較弱。G″>G′,高酯果膠的粘度特征更明顯[3]。高酯果膠的那些連續(xù)的未酯化的重復(fù)帶負(fù)電片段具有鈣敏性[17-18],帶負(fù)電的集中片段越多,局部電荷量越高,越易與Ca2+強(qiáng)烈吸附,鈣敏性表現(xiàn)程度越強(qiáng),粘彈性增幅越大[19]。

圖1 P1和P2的鈣敏性頻率掃描曲線Fig.1 Frequency scanning curves of calcium sensitivity of pectin P1 and P2注:G″-粘性模量,G′-彈性模量;“P1、P2”為加鈣前的果膠溶液,“P1+Ca2+”、“P2+Ca2+”為加鈣后的果膠溶液。

如圖2所示:當(dāng)頻率≤5 Hz時,加Ca2+后的P3和P4均出現(xiàn)粘度和彈性增加現(xiàn)象,表明這兩者均有鈣敏性;當(dāng)頻率>5 Hz時,加鈣前后的粘彈性曲線幾乎重合,無鈣敏性。P3和P4的G″>G′,高酯果膠的粘度特征優(yōu)于彈性特征。

圖2 P3和P4的鈣敏性頻率掃描曲線Fig.2 Frequency scanning curves of calcium sensitivity of pectin P3 and P4注:G″-粘性模量,G′-彈性模量;“P3、P4”為加鈣前的果膠溶液,“P3+Ca2+”、“P4+Ca2+”為加鈣后的果膠溶液。

如圖3所示:頻率掃描下,P5、P6的加鈣前后的粘彈性曲線基本重合,加鈣后的 P5幾乎無粘彈性增幅,而P6甚至出現(xiàn)負(fù)增幅,表明這兩種果膠幾乎無鈣敏性。P5、P6的粘性模量G″>彈性模量G′。

圖3 P5和P6的鈣敏性頻率掃描曲線Fig.3 Frequency scanning curves ofcalcium sensitivity of pectin P5 and P6注:G″-粘性模量,G′-彈性模量;“P5、P6”為加鈣前的果膠溶液,“P5+Ca2+”、“P6+Ca2+”為加鈣后的果膠溶液。

上述6種高酯果膠,不論鈣敏性的高酯果膠P1、P2、P3、P4,還是非鈣敏性的高酯果膠P5、P6,其粘性模量G″>彈性模量G′,驗證了高酯果膠的粘度特征更明顯,高酯果膠以穩(wěn)定酸乳體系蛋白為主,粘度是其發(fā)揮空間位阻作用的重要因素[20]。另具鈣敏性的高酯果膠,其鈣敏性信號只限于低頻掃描范圍(頻率≤5 Hz),說明高酯果膠的鈣敏性較弱。

2.2 不同高酯果膠的鈣敏性大小對比

下圖4、圖5分別為不同高酯果膠的粘彈性增幅(Δ)對比,即在上述2.1鈣敏性流變數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,以加鈣后引起的粘彈性增加值所做的曲線;粘彈性增幅Δ分別標(biāo)示為ΔG″/ΔG′,來比較不同高酯果膠的鈣敏性大小趨勢。

圖4 不同高酯果膠在加鈣后,粘性模量ΔG″的增幅趨勢Fig.4 ΔG″ curves of 6 different HM pectins solution after Ca2+ addition

如圖4所示:在頻率≤5 Hz時,粘度增幅ΔG″由大到小:P1>P2>P4>P3>P5>P6,即鈣敏性大小也是如此。

如圖5所示:在頻率≤2 Hz時,彈性增幅ΔG′由大到小:P1>P2>P4>P3>P5≈P6。即鈣敏性大小也是如此。當(dāng)2 Hz<頻率≤5 Hz時,P4、P6的ΔG′曲線出現(xiàn)反常波動,但頻率越低,數(shù)據(jù)越有意義[21],因為高酯果膠的鈣敏性較弱,越是在低頻下的數(shù)據(jù)對比,鈣敏性越有意義。

圖5 不同高酯果膠在加鈣后,彈性模量ΔG′增幅趨勢Fig.5 ΔG′ curves of 6 different HM pectins solution after Ca2+ addition

對比圖4、圖5可以看出:不同高酯果膠的粘性增幅ΔG″和彈性增幅ΔG′大小趨勢幾乎一致,說明G″、G′能同時準(zhǔn)確反映高酯果膠的鈣敏性,兩者相輔相成。并且粘性ΔG″明顯大于彈性ΔG′,即G″>G′,與上述論證一致,高酯果膠的粘性特征優(yōu)于彈性特征。

2.3 酸乳體系的穩(wěn)定性對比

如表2所示:離心沉淀率由少到多為:P1P2>P4>P3>P5≥P6,與上述高酯果膠的鈣敏性大小趨勢一致。

表1 不同高酯果膠的穩(wěn)定蛋白能力-離心沉淀Table 1 The stability of 6 HM pectins-centrifugation

注:在任意兩行中,如有相同的字母,則表示這兩個平均數(shù)間差異不顯著或者極不顯著;反之,如沒有相同的字母,則表示這兩個平均數(shù)間差異顯著或者極顯著。

分別對10 min和20 min的離心沉淀率進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表1所示:除P5和P6在離心10 min時無顯著性差異(p>0.05),其余幾種果膠的穩(wěn)定效果均有顯著性差異(p<0.05)。

高酯果膠通過靜電吸附和空間位阻作用使牛乳酪蛋白穩(wěn)定在體系中[11]。首先果膠鏈上強(qiáng)的靜電吸附點緊密吸附在酪蛋白上,其次分子鏈上其他甲酯化的、帶電荷少的、不帶電的結(jié)構(gòu)分布在空間中,起到空間位阻的作用[20];若這時由靜電吸附和空間位阻共同作用形成的蛋白保護(hù)層較結(jié)實,便發(fā)揮極好的穩(wěn)定蛋白能力。

本文在固定空間位阻作用的前提下,研究鈣敏性對酸乳體系穩(wěn)定性的影響程度,即對酯化度相近、粘度相同的6種不同高酯果膠,研究其鈣敏性和蛋白穩(wěn)定性,上述數(shù)據(jù)表明:酯化度相近的高酯果膠在粘度相同的情況下,鈣敏性越強(qiáng),沉淀率越少,酸乳體系越穩(wěn)定;而鈣敏性越弱、或不具備鈣敏性的高酯果膠,沉淀率越多,酸乳體系越容易失穩(wěn)。有研究表明鈣敏性越強(qiáng)的高酯果膠,甲氧基分布程度極不規(guī)律[13，17],導(dǎo)致分子鏈上的局部電荷量越高,與鈣離子吸附能力越強(qiáng),進(jìn)一步與酪蛋白的靜電吸附能力越強(qiáng)[17,20],顯而易見,鈣敏性與靜電吸附作用力有一定的相關(guān)性,待后續(xù)進(jìn)行更深入的研究。

3 結(jié)論

通過流變數(shù)據(jù)得出:高酯果膠P1、P2、P3、P4有鈣敏性,P5、P6幾乎無鈣敏性;鈣敏性強(qiáng)弱順序為P1>P2>P4>P3>P5≥P6。而具鈣敏性的高酯果膠在低頻掃描下可捕捉到信號,頻率≤5 Hz時,有鈣敏性,頻率>5 Hz時,無鈣敏性,說明高酯果膠的鈣敏性較弱;高酯果膠的粘性模量G″>彈性模量G′,表明高酯果膠的粘度特征更明顯。

通過蛋白穩(wěn)定性數(shù)據(jù)得出:酸乳飲料的穩(wěn)定性強(qiáng)弱順序為P1>P2>P4≥P3>P5≥P6,穩(wěn)定性數(shù)據(jù)與鈣敏性數(shù)據(jù)一致。表明:酯化度相近的高酯果膠在粘度相同的情況下,鈣敏性越強(qiáng),沉淀率越少,酸乳體系越穩(wěn)定,而鈣敏性越弱,沉淀率越多,酸乳體系越失穩(wěn)。

[1]Harholt J,Suttangkakul A,& Scheller H V. Biosynthesis of pectin[J]. Plant Physiology,2010,153(2):384-395.

[2]Scheller H V,Jensen J K,Sorensen S O,et al. Biosynthesis of pectin[J]. Physiologia Plantarum,2007,129(2):283-295.

[3]Rolin C. Calcium sensitivity of high ester citrus pectins,in:G. O. Phillips,P.A. Williams,D.J. Wedlock(Eds.),Industry 7.Gums and Stabilisers for the Food Industry[D],Oxford University Press,Oxford,1993:413-422.

[4]Macdougall A J,Needs P W,Rigby N M,et al. Calcium gelation of pectic polysaccharides isolated from unripe tomato fruit[J]. Carbohydrate Research,1996,293(2):235-249.

[5]Lǒfgren C,Guillotin S,Evenbratt H,et al. Effects of calcium,pH,and blockiness on kinetic rheological behavior and microstructure of HM pectin gels[J]. Biomacromolecules,2005,6(2):646-652.

[6]Neidhart S,Hannak C,Gierschner K,et al. Investigations of the influence of various cations on the rheological properties of high-esterified pectin gels. In Elsevier[J]. Progress in biotechnology,1996,14:583-590.

[7]Nakamura A,Yoshida R,Maeda H,et al. The stabilizing behavior of soybean soluble polysaccharide and pectin in acidified milk beverages[J]. International Dairy Journal,2006,16:361-369.

[8]Glahn P E,& Rolin C. Casein-pectin interaction in sour milk beverages[R]. Food Ingredients Europe Conference Proceedings. 1994:252-258.

[9]Janh?j T,Fr?st M B,& Ipsen R. Sensory and rheological characterization of acidified milk drinks[J]. Food Hydrocolloids,2008,22:798-806.

[10]張靜,李元瑞,籍保平,等. 酸性條件下酪蛋白與高酯果膠穩(wěn)定體系的研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報,2008,36(6):195-198.

[11]Tromp R H,de Kruif C G,Van Eijk M,et al. On the mechanism of stabilization of acidifed milk drinks by pectin[J]. Food Hydrocolloids,2004,18:565-572.

[12]宋馨,艾連中,穆海菠,等. 高甲氧基果膠在穩(wěn)定調(diào)酸型酸乳體系中的研究[J].中國乳品工業(yè),2012,40(7):19-21.

[13]Yang Y,Zhang G,Hong Y,et al. Calcium cation triggers and accelerates the gelation of high methoxy pectin[J]. Food Hydrocolloids,2013,32:228-234.

[14]Lǒfgren C,Hermansson A M. Synergistic rheological behavior of mixed HM/LM pectin gels[J]. Food Hydrocoloids,2007,21:480-486.

[15]吳偉都,朱慧,王雅瓊,等. CMC與陰離子瓜爾膠復(fù)配溶液的流變特性研究[J].中國食品學(xué)報,2014,14(2):118-125.

[16]李向東,李娟. 粒徑分析法研究穩(wěn)定劑對含乳飲料飲料穩(wěn)定性的影響[J].食品科學(xué),2011,32(13):58-61.

[17]Wehr J B,Menzies N W,& Blamey F P C. Alkali hydroxide-induced gelation of pectin[J]. Food Hydrocolloids,2004,18(3):375-378.

[18]Almrhag O,George P,Bannikova A,et al. Analysis on the effectiveness of co-solute on the network integrity of high methoxy pectin[J]. Food chemisty,2012,135:1455-1462.

[19]Fang Y,Al-Assaf S,Phillips G O,et al. Binding behavior of calcium to polyuronates:comparison of pectin with alginate[J]. Carbohydrate Polymers,2008,72(2):334-341.

[20]Jensen S?ren,Rolin C,Ipsen R,Stabilisation of acidified skimmed milk with HM pectin[J]. Food Hydrocolloids,2010,24:291-299.

[21]Videcoq P,Garnier C,Robert P,et al. Influence of calcium on pectin methylesterase behavior in the presence of medium methylated pectins[J].Carbohydrate Polymers,2011,86:1657-1664.

Calcium sensitivity of different HM pectins and their effect on
stability of acid milk beverage

TIAN Fen,WANG Yin-juan,OU Kai,JIN Shi-he,LI Luo-fei,ZHANG Jia-jia,WU Wei-du,GAO Xing-hua*

(Hangzhou Wahaha Technology Co. Ltd,Hangzhou 310018,China)

The 6 High Methoxyl pectins which were researched deeply before were regarded as the research subject to determine their G″ and G′ with frequency scanning explanation for calcium sensitivity. Results demonstrated that HM pectins P1、P2、P3、P4 had obvious calcium sensitivity,respectively,and P5,P6 were non-calcium sensitivity. The order of calcium sensitivity of HM pectins was P1>P2>P4>P3>P5≥P6. Protein stability data showed that there was correlation between calcium sensitivity and protein stability of HM pectins when their viscosity and DE were same,HM pectins with strong calcium sensitivity had better protein stability,whereas low calcium-sensitive HM pectins had poor protein stability.

High Methoxyl pectin;calcium sensitivity;protein stability;frequency scanning

2014-09-02

田芬(1987-)，女，碩士，工程師，研究方向:乳品科學(xué),E-mail:neautf@163.com。

*通訊作者:高興華(1975-)，女，碩士，高級工程師，研究方向:食品科學(xué)與工程,E-mail:xinghuagao@wahaha.com.cn。

杭州市科技發(fā)展計劃項目農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)專項(20140432B105)。

TS201.7

A

1002-0306(2015)19-0083-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.19.008