曾 雪,王 偉,李雪瑞,徐曉云,3,王魯峰,,*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430070;2.武漢食品化妝品檢驗(yàn)所,湖北武漢 430012;3.環(huán)境食品學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430070)

荸薺(Heleocharisdulcis(Burm. f.)Trin.)又名馬蹄,是一種莎草科多年水生草本植物。荸薺分為野生和栽培兩種類型,食用的主要是栽培型,此類荸薺球莖較大,有的肉質(zhì)較粗,渣多,淀粉含量高,較耐貯藏;部分品種味甜,渣少[2]。荸薺的營(yíng)養(yǎng)豐富,含水分約68%、淀粉約18%、蛋白質(zhì)約2%、脂肪約0.19%,也含有豐富的礦物質(zhì),比如鉀(500 mg/100 g)。荸薺熟食,葷素皆宜,能做成多種美味佳肴[3-4]。一般認(rèn)為荸薺能降火、消食化痰、補(bǔ)肺涼肝、生津開胃、消食醒酒,可治療痰熱咳嗽、咽喉疼痛、便血等[5]。

目前荸薺主要用于鮮食,加工制品較少。其中,荸薺汁是最主要的加工產(chǎn)品,分為澄清汁和渾濁汁兩種。渾濁汁呈較為明顯的渾濁態(tài),商品價(jià)值及市場(chǎng)接受程度不及澄清汁。其混濁顆粒主要有淀粉膠粒、果膠-蛋白質(zhì)膠粒和纖維素-半纖維素膠粒,這些膠粒不僅粒度非常小,而且它的外表帶有很多負(fù)電荷,自然沉降速率非常慢,阻止膠粒之間凝結(jié)成團(tuán)[6],致使膠粒表現(xiàn)出很高的懸浮穩(wěn)定性。因此如何去除部分渾濁顆粒,改善荸薺汁的澄清效果是非常值得研究的課題。

歐姆加熱又稱為通電加熱,它是利用食品物料具有的電導(dǎo)特性來加工食品的技術(shù),比如電解質(zhì)溶液會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)從而使物料導(dǎo)電[1,7]。歐姆加熱易操作、無污染、熱能利用率高,加工食品質(zhì)量好,能實(shí)現(xiàn)含有顆粒的液固混合食品及固體食品的高溫快速殺菌[8]。Palaniappan等[9]研究了不同電壓和不溶性固體對(duì)歐姆加熱胡蘿卜和番茄汁巴氏殺菌的影響。Martynenko等[10]做了歐姆加熱處理液體食品之后食品品質(zhì)的評(píng)估,指出溫度影響了果汁的電導(dǎo)率。LI Fa-de等[15]對(duì)歐姆加熱豆?jié){做了相關(guān)特性的研究,發(fā)現(xiàn)歐姆加熱電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于豆?jié){中脲酶活性的影響不大,王云陽(yáng)等[12]研究指出蘋果汁電導(dǎo)率和介電損耗因子的影響因素,為歐姆加熱蘋果汁提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。但是,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)歐姆加熱荸薺汁相關(guān)的研究未見報(bào)道。此外,歐姆加熱除了熱效應(yīng)外,還有電場(chǎng)作用,有可能作用于荸薺汁中的帶電粒子,繼而破壞其穩(wěn)定性,有改善澄清度的潛力。本文采用簡(jiǎn)易歐姆加熱裝置,研究荸薺汁的歐姆加熱特性,并分析此條件下歐姆加熱對(duì)改善荸薺汁澄清效果的作用,以初步明確其在荸薺汁加工中的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

荸薺 湖北省孝感市本地市場(chǎng)。

圖1為自行設(shè)計(jì)組裝的歐姆加熱設(shè)備示意圖,加熱槽極板可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 歐姆加熱裝置示意圖

緊湊型數(shù)字電橋 常州同惠電子股份有限公司;溫度控制器 青島科迪博電子科技有限公司;電力監(jiān)測(cè)儀 深圳市北電儀表有限公司;低速果渣分離榨汁機(jī) 北京京東世紀(jì)貿(mào)易有限公司;離心機(jī) 德國(guó)貝克曼;冷凍干燥機(jī) 武漢德力詳儀器設(shè)備有限公司;X-射線衍射儀器 德國(guó)BRUKER;激光粒度儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司;Zetasizer 英國(guó)馬爾文儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 荸薺汁的制備 新鮮荸薺削好皮后迅速轉(zhuǎn)至4 ℃水中儲(chǔ)存?zhèn)溆?實(shí)驗(yàn)前將每個(gè)樣品清洗干凈并除去多余的水分,用低速果渣分離榨汁機(jī)對(duì)荸薺進(jìn)行榨汁,然后將汁液通過食品級(jí)80目濾網(wǎng)進(jìn)行過濾,去除濾渣[12]。

1.2.2 歐姆加熱處理及普通加熱處理 1.1中圖1為自行設(shè)計(jì)組裝的歐姆加熱設(shè)備示意圖,其中加熱槽極板間距可調(diào),分別在6、8、10 cm處,通入220 V的電流后,根據(jù)E=U/d,E-電場(chǎng)強(qiáng)度,U-電壓,d-極板之間的距離,可得電場(chǎng)強(qiáng)度分別為22、27.5、36.7 V/cm,其中設(shè)置各電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的頻率見表1。

表1 電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Electric field intensity and frequency experiment design

由于荸薺汁的出汁率較低,且渾濁度較高,在荸薺汁實(shí)際生產(chǎn)過程中通常需要對(duì)其進(jìn)行稀釋處理。因此,本研究取過濾后的汁液250 mL至1 L量筒中,稀釋4倍,制備1 L的新鮮荸薺汁樣品。然后將荸薺汁汁液放入歐姆加熱裝置中,通過熱電偶實(shí)時(shí)檢測(cè)荸薺汁內(nèi)部溫度,當(dāng)溫度升到20 ℃時(shí),開始計(jì)時(shí),直到溫度達(dá)到90 ℃時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束并冷卻至室溫。歐姆加熱過程中,在20～90 ℃的溫度范圍內(nèi),每5 ℃測(cè)量荸薺汁的阻抗和相位角,用溫控器,電力監(jiān)測(cè)儀等測(cè)相關(guān)值的變化。

普通加熱實(shí)驗(yàn)的樣品處理同上,具體操作是:讓汁液置于同一容器中在1600 W的電磁爐上進(jìn)行加熱,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其溫度變化,90 ℃停止。

1.2.3 溫度及電導(dǎo)率、電阻、容抗、感抗的測(cè)定 在固定的電壓梯度和加熱時(shí)間下測(cè)量荸薺汁的瞬時(shí)溫度。通電加熱過程中,在20～90 ℃的溫度范圍內(nèi),每5 ℃測(cè)量荸薺汁的阻抗和相位角,記錄溫度、電壓、電流。將電極板和荸薺汁接觸的表面看成電容,荸薺汁看成電阻,則整個(gè)系統(tǒng)看成一個(gè)等效電路。測(cè)得的整個(gè)系統(tǒng)的電導(dǎo)率及電極的容抗和荸薺汁的電阻,計(jì)算公式如下:

式中:σ-物料電導(dǎo)率,s/m;L-加熱槽內(nèi)鈦電極板之間的距離,m;Ae-極板與物料之間的有效接觸面積,m2;R-電阻,Ω;I-電流,A;U-電壓,V。

電阻為R=|Z|×cosθ

式中:R-荸薺汁的電阻值,Ω;|Z|-荸薺汁阻抗測(cè)量值,Ω。

容抗為X=|Z|×sinθ

式中:X-容抗值,Ω;|Z|-荸薺汁阻抗測(cè)量值,Ω。

感抗為XL=2πfL

式中:XL-感抗,Ω;L-電感,H;f-頻率,Hz。

1.2.4 荸薺汁顆粒粒徑的測(cè)定 荸薺汁添加蒸餾水配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的稀釋汁樣品,然后分別取5份200 mL樣品于300 mL三角瓶中,編號(hào)a、b、c、d、e,其中a號(hào)樣品在36.7 V/cm,50 Hz條件下歐姆加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;b號(hào)樣品在22 V/cm,400 Hz條件下歐姆加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;c號(hào)樣品在36.7 V/cm,400 Hz條件下歐姆加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;d號(hào)樣品(普通汁)用電磁爐加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;e號(hào)樣品(原汁)未經(jīng)過任何加熱處理,混勻后直接置于4 ℃冰箱中靜置。靜置6 h后,將上清液分別倒入另一潔凈容器中,搖勻取樣于三角瓶,超聲分散,進(jìn)激光粒度儀對(duì)上清液和絮狀沉淀進(jìn)行顆粒粒徑測(cè)定。

1.2.5 荸薺汁沉淀的X射線衍射分析 取1.2.4靜置完畢的樣品,倒掉上清液,搖勻,取絮狀沉淀樣液于凍干機(jī)中凍干48 h,凍干后將其研磨成細(xì)粉,用x-射線衍射儀進(jìn)行分析。采用粉末壓片法,測(cè)試條件為:CuKa(λ=0.15406 nm)輻射,測(cè)試電壓40 kV,測(cè)試電流40 mA,掃描方式為步進(jìn)掃描,掃描速度為10 °/min,步長(zhǎng)0.02 °。

1.2.6 Zeta電位分析 取1.2.4靜置完畢的樣品,倒掉上清液,搖勻,取絮狀沉淀樣液導(dǎo)入電位儀的電位池中,測(cè)試溫度為25 ℃,用Zeta電位分析儀測(cè)定其Zeta電位值,3次平均樣的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件初步整理,使用GraphPad Prism 5.0繪圖軟件進(jìn)行圖表處理。所有數(shù)據(jù)均取3次測(cè)試的平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 荸薺汁歐姆加熱過程中電導(dǎo)率的變化

由圖2分析可知,在三種電場(chǎng)強(qiáng)度和三種電場(chǎng)頻率下,荸薺汁的電導(dǎo)率都隨溫度呈近似線性增加,并且隨著溫度的增加,頻率的影響更顯著(p<0.05)。但是到80、90 ℃時(shí),電導(dǎo)率明顯降低,推測(cè)主要是因?yàn)楫a(chǎn)生了絕緣性的氣泡,干擾電流的流動(dòng)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電導(dǎo)率降低[14-15]。同時(shí)荸薺中含有大量淀粉,淀粉糊化,使得荸薺汁黏度增加,這些都會(huì)降低荸薺汁的電導(dǎo)率。此外,同一電場(chǎng)強(qiáng)度下,荸薺汁的電導(dǎo)率隨加熱頻率的增加而增加,其中在200和400 Hz時(shí)電導(dǎo)率約為50 Hz時(shí)的兩倍。這可能是因?yàn)榈皖l時(shí),由于荸薺汁雙電層電容的影響溶液阻抗很大,電導(dǎo)率偏低;高頻時(shí),雙電層來不及形成,阻抗主要來源于溶液的電阻,電導(dǎo)率有所增加[1]。這也說明荸薺汁不是純電阻電路。此外,未發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)荸薺汁的電導(dǎo)率有顯著影響(p>0.05)。

圖2 不同歐姆加熱條件對(duì)荸薺汁電導(dǎo)率的影響

2.2 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁溫度的變化

歐姆加熱也是電能轉(zhuǎn)化為溶液熱能的過程。但參數(shù)設(shè)計(jì)不同,加熱的速率也不同。由圖3可知,隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,加熱速率也增加,達(dá)到沸騰的溫度所用時(shí)間就越少。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為36.7 V/cm的時(shí)候,大約需要4 min,27.5 V/cm時(shí),約需5 min,22 V/cm時(shí),則需約6 min,甚至更長(zhǎng)時(shí)間?？梢越普J(rèn)為低頻低電場(chǎng)強(qiáng)度下荸薺汁的溫度隨時(shí)間呈線性關(guān)系,高頻高電場(chǎng)強(qiáng)度下則呈指數(shù)關(guān)系。指數(shù)方程為[17]:T=C1×eC2×t+C3+C4,式中C1、C2、C3、C4為常數(shù),t為時(shí)間,T為溫度。低頻時(shí)的線性變化可能是因?yàn)榧訜釙r(shí)間長(zhǎng),散熱多,導(dǎo)致體系溫度損失大,指數(shù)關(guān)系被削弱。高頻時(shí)這種變化可由單位體積荸薺汁單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量q[16]:q=δ×E2分析,其中q-單位體積荸薺汁單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量,Js-1;δ-荸薺汁的電導(dǎo)率,Sm-1;E-電場(chǎng)強(qiáng)度,Vm-1。熱量與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比,所以電場(chǎng)強(qiáng)度越大,產(chǎn)生的熱量就越多,加熱速率也就越高。

圖3 不同歐姆加熱條件對(duì)荸薺汁加熱速率的影響

2.3 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁的電阻值的變化

荸薺汁呈弱酸性,其中的有機(jī)酸、金屬離子、帶電膠粒等提供一定導(dǎo)電性。由圖4分析可知,在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下,三個(gè)頻率條件下荸薺汁的電阻值主要在2～10 Ω間波動(dòng)。50 ℃以上時(shí)電阻減小的原因主要有兩個(gè)方面引起。一是導(dǎo)電離子在水溶液中并不是孤單地存在,而是與水分子形成水合物。當(dāng)溫度升高時(shí),離子的水化作用減小了,載流子的遷移率增加,使電阻下降;二是當(dāng)溫度升高時(shí),溶液的粘度降低了,這就減小了離子移動(dòng)時(shí)所受到的阻力,也使離子的遷移率增加。理論上講,頻率不同時(shí)電阻應(yīng)該保持不變,但是圖中顯示高電場(chǎng)頻率時(shí),電阻值有減小的趨勢(shì)流。這應(yīng)該是由低電場(chǎng)頻率時(shí)的極化效應(yīng)(當(dāng)電流通過電極時(shí)會(huì)發(fā)生氧化或還原反應(yīng)從而改變電極附近溶液的組成產(chǎn)生“極化”現(xiàn)象)引起的[15]。

圖4 不同歐姆加熱條件對(duì)荸薺汁電阻的影響

2.4 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁的容抗值的變化

荸薺汁電極板之間會(huì)形成電容,并也應(yīng)具有通高頻、阻低頻的特點(diǎn)。由圖5分析可知:在不同的電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率條件下,荸薺汁的容抗值主要是在-5～0 Ω之間波動(dòng)。電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其的影響不顯著(p>0.05)。但在同一電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),頻率越高容抗越小,這符合交流電體系的基本特征-頻率越高體系電容對(duì)阻抗的貢獻(xiàn)越小。但個(gè)別數(shù)值出現(xiàn)劇烈波動(dòng),可能是因?yàn)檩┧j汁溶液在溫度較高時(shí)電學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。

圖5 不同歐姆加熱條件對(duì)荸薺汁容抗的影響

2.5 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁的感抗值的變化

電感具有通直流,阻交流的基本特點(diǎn),且頻率越高這種阻礙作用越大。但由圖6分析可知:電場(chǎng)頻率從50 Hz升高到400 Hz時(shí),感抗值并未表現(xiàn)規(guī)律性變化。這與經(jīng)典理論有所偏差,說明荸薺汁體系具有一定的感抗,但其感抗特性并不穩(wěn)定或者在更高頻率下電感被部分破壞。這其中的內(nèi)在原因尚需要進(jìn)一步研究。

圖6 不同歐姆加熱條件對(duì)荸薺汁感抗的影響

2.6 不同處理方式對(duì)荸薺汁上清液和沉淀粒徑的影響

由圖7發(fā)現(xiàn),上清液的粒徑中,原汁的粒徑比其他組粒徑大。可能是因?yàn)樵z粒間斥力大于引力,溶膠較穩(wěn)定。不同加熱方式處理后上清液中顆粒粒徑均出現(xiàn)了明顯下降,但各組之間沒有顯著性差異(36.7 V/cm 400 Hz除外)。推測(cè)是部分顆粒發(fā)生了解體或沉淀,沉淀積累從而使沉淀的粒徑有所增加。另外,歐姆加熱后沉淀粒徑比普通加熱處理的要小,可能說明歐姆加熱條件下的粒徑沉淀的較少,部分發(fā)生了解體。由DLVO(膠體顆粒的聚集穩(wěn)定性)理論[18]:膠體的穩(wěn)定性取決于粒子間的范德華力和靜電排斥作用。若斥力大于引力,則溶膠穩(wěn)定,反之,則不穩(wěn)定?？梢酝茰y(cè),歐姆加熱改變了原有靜電力場(chǎng)的分布,促進(jìn)了部分顆粒的解體,也可能導(dǎo)致了部分顆粒的重新聚集。

圖7 不同處理方式對(duì)荸薺汁上清液和沉淀粒徑的影響

2.7 不同加熱方式處理后荸薺汁沉淀的X射線衍射分析

荸薺中淀粉含量豐富,在其衍射圖譜中表現(xiàn)出明顯的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。加工荸薺汁產(chǎn)生的沉淀也主要由淀粉構(gòu)成。由圖8可以看出,只有原汁中出現(xiàn)結(jié)晶的衍射圖譜,歐姆加熱和普通加熱處理后均看不到結(jié)晶的衍射圖譜,說明歐姆加熱同樣可以使淀粉糊化而變?yōu)榻Y(jié)晶消失。但不同加熱方式引起的淀粉的糊化和老化程度也會(huì)有不同,這還需要進(jìn)一步的研究。

圖8 不同處理方式對(duì)荸薺汁中有結(jié)晶度物質(zhì)的含量的影響

2.8 不同加熱方式處理后荸薺汁Zeta電位的變化

由表2數(shù)據(jù)得出,相比于原汁Zeta電位的絕對(duì)值大小,加熱處理后的荸薺汁Zeta電位的絕對(duì)值均大幅下降(約為原值的50%),說明加熱處理后其穩(wěn)定性都降低了。不過需要說明的是,即使原汁的電位絕對(duì)值較大,但也屬于不穩(wěn)定區(qū)間,容易發(fā)生凝集沉淀。我們推測(cè)原汁膠粒間的總位能達(dá)到最大值,一般膠粒動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此值而不能逾過,此時(shí)溶液中微粒之間斥力大于引力[18-19];加熱后,荸薺汁中的淀粉分子內(nèi)部氫鍵斷裂,結(jié)構(gòu)舒展開,當(dāng)荸薺汁溶膠中存在個(gè)別動(dòng)能非常大的膠粒相遇時(shí),隨著距離的減小,吸引能顯著增加,吸引力強(qiáng)于斥力,部分膠粒就在此力作用下自動(dòng)聚結(jié),并呈現(xiàn)出了聚結(jié)不穩(wěn)定[17-18]。歐姆加熱的外加電場(chǎng)又改變了體系的電荷分布,進(jìn)一步破壞了電位平衡。結(jié)合前面顆粒粒徑變化的情況,或許可以利用歐姆加熱配合其他操作加快汁液的澄清,改善產(chǎn)品澄清度。

表2 不同處理方式處理荸薺汁后其Zeta電位的變化Table 2 The changes of Zeta electrical potential after different treatments on Chinese water chestnut juice

3 結(jié)論

荸薺汁的電導(dǎo)率隨著溫度的增加而增加,隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化較小,隨頻率的增加而顯著增加。電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率越大,電極-荸薺汁體系加熱速率越大,達(dá)到沸騰的溫度所用時(shí)間越少;低頻低電場(chǎng)強(qiáng)度下荸薺汁的溫度隨時(shí)間呈線性關(guān)系,高頻高電場(chǎng)強(qiáng)度下則呈指數(shù)關(guān)系。固定頻率值不變時(shí),50、200 Hz時(shí),電阻值、容抗值、感抗值不斷變化。荸薺汁的容抗值主要在-5～0 Ω之間波動(dòng),且電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其影響不顯著。荸薺汁體系具有一定的感抗,但其感抗特性并不穩(wěn)定或者在更高頻率下電感被部分破壞。荸薺汁不是純電阻電路,在歐姆加熱時(shí)需要考慮容抗和感抗的影響。

歐姆加熱對(duì)荸薺汁澄清度有一定改善作用。相比于普通加熱,歐姆加熱后荸薺汁沉淀顆粒粒徑更小,可能是歐姆加熱改變了原有靜電力場(chǎng)的分布,促進(jìn)了部分顆粒的解體。通過對(duì)沉淀物進(jìn)行了X射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)只有原汁中出現(xiàn)結(jié)晶的衍射圖譜,歐姆加熱和普通加熱處理后均看不到結(jié)晶的衍射圖譜,說明歐姆加熱同樣可以使淀粉糊化而變?yōu)榻Y(jié)晶消失。但不同加熱方式引起淀粉的糊化和老化程度也會(huì)有不同,這還需要進(jìn)一步的研究。另外歐姆加熱后電位值下降,顆粒穩(wěn)定性下降,更加易于荸薺汁的澄清。此外歐姆加熱加熱速度快且均勻,對(duì)果汁風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的影響較小,綜合來看具有較好改善荸薺汁品質(zhì)的潛力。