不同膠體對(duì)碳酸飲料CO2氣容量的影響

蔡滿意，許洪高，李紹振，高彥祥,*，張花方

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.北京匯源飲料食品集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，北京101305；3.北京華泰民康健康科技有限公司，北京 100036)

不同膠體對(duì)碳酸飲料CO2氣容量的影響

蔡滿意1,2，許洪高1,2，李紹振2，高彥祥1,2,*，張花方3

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.北京匯源飲料食品集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，北京101305；3.北京華泰民康健康科技有限公司，北京 100036)

研究羧甲基纖維素鈉(CMC)、海藻酸丙二醇酯(PGA)、阿拉伯膠和瓜爾豆膠對(duì)碳酸飲料在儲(chǔ)存和飲用過程中CO2氣容量的影響。當(dāng)碳酸飲料中含有相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.05%)的食用膠時(shí)，飲料開啟后，CO2的釋放速率由慢到快的膠體順序?yàn)椋篊MC＜PGA＜阿拉伯膠＜瓜爾豆膠。加速實(shí)驗(yàn)(37℃，4周)，CO2氣容量衰減速率的順序?yàn)椋篜GA＜CMC＜阿拉伯膠＜瓜爾豆膠。

羧甲基纖維素鈉；海藻酸丙二醇酯；阿拉伯膠；瓜爾豆膠；碳酸飲料；CO2氣容量

碳酸飲料的清爽口感與果汁飲料、茶飲料等健康飲品相結(jié)合，開發(fā)加汽果汁飲料和加汽茶飲料成為國內(nèi)市場(chǎng)新產(chǎn)品研發(fā)方向。碳酸飲料在儲(chǔ)存和飲用過程中，CO2氣容量是影響產(chǎn)品剎口感的一個(gè)重要指標(biāo)，隨著碳酸飲料儲(chǔ)存時(shí)間的延長和開啟次數(shù)的增多，碳酸飲料的CO2氣容量逐漸降低，剎口感也逐漸減弱。因此，研究碳酸飲料在貨架期及開啟后CO2氣容量的保持能力對(duì)提升碳酸飲料的品質(zhì)具有重要意義。

國外相關(guān)液體持氣性的研究中多通過應(yīng)用膠體提高體系的黏度、改變體系的表面張力，從而影響氣泡形成、成長、脫離、上升等動(dòng)力學(xué)過程[1-7]。有研究表明，0.6mg/kg海藻酸丙二醇酯(PGA)和30mg/kg阿拉伯膠與可樂香精進(jìn)行乳化，可以提高可樂型碳酸飲料的持氣性[8]。羧甲基纖維素鈉(CMC)具有良好的增稠性和懸浮穩(wěn)定性，口感爽滑，價(jià)格低廉，在飲料工業(yè)應(yīng)用廣泛；PGA、阿拉伯膠和瓜爾豆膠在國外果汁型碳酸飲料產(chǎn)品中常用作乳化劑和增稠劑。本實(shí)驗(yàn)比較研究CMC、PGA、瓜爾豆膠、阿拉伯膠對(duì)碳酸飲料保持CO2氣容量能力的影響，為相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白砂糖、檸檬酸、山梨酸鉀、羧甲基纖維素鈉(CMC)、海藻酸丙二醇酯(PGA)、阿拉伯膠、瓜爾豆膠北京匯源飲料食品集團(tuán)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HDII-3型高速乳化均質(zhì)機(jī) 北京華遠(yuǎn)航實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；GYB-60-6S型高壓均質(zhì)機(jī) 上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；TP 313型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；AR 1500eX型流變儀 TA儀器公司；7001二氧化碳測(cè)定儀 Can Need儀器公司；匯源碳酸飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)康富(天津)有限公司；SPX-250B型生化培養(yǎng)箱 天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 工藝配方

白砂糖10%、檸檬酸0.12%、食用膠0.05%、山梨酸鉀0.03%，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.2 工藝流程

上述工藝中的預(yù)熱溫度為60～70℃、200目過濾、18～20MPa均質(zhì)、100℃殺菌并持續(xù)40s、冷卻至75℃灌裝至聚對(duì)苯二甲基乙二醇酯(PET)瓶、冷卻至4℃混比。空白樣品不添加食用膠體。所有樣品制備15個(gè)平行樣，確保每個(gè)數(shù)據(jù)分析點(diǎn)3個(gè)平行樣。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

1.4.1 表觀黏度測(cè)定

采用AR1500eX流變儀測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的CMC、PGA、阿拉伯膠、瓜爾豆膠溶液的表觀黏度。測(cè)定條件為：60mm平板、25℃、峰值保持模式、剪切速率為100s-1，每10s采集一個(gè)樣品數(shù)據(jù)，持續(xù)5min。

1.4.2 二氧化碳?xì)馊萘繙y(cè)定

CO2氣容量測(cè)定采用減壓器法[9]。將樣品瓶用減壓器上的針頭刺穿瓶蓋，旋開放氣閥排氣，待壓力表指針回零后，立即關(guān)閉放氣閥，將樣品瓶往復(fù)劇烈振搖約40s，待壓力穩(wěn)定后，記錄壓強(qiáng)值(精確至0.01MPa)。旋開放氣閥，隨即打開瓶蓋，用溫度計(jì)測(cè)量樣品溫度。根據(jù)測(cè)得的壓力和溫度，查碳酸氣吸收系數(shù)表，即得CO2氣容量。飲料開啟后，測(cè)量CO2氣容量一次后，旋開放氣閥，待壓力表指針回零后，立即關(guān)閉放氣閥，繼續(xù)測(cè)量CO2氣容量，對(duì)同一樣品連續(xù)測(cè)量8次，并記錄CO2氣容量變化。

加速實(shí)驗(yàn)：將1.3節(jié)所制得的碳酸飲料樣品用PET瓶蓋密封置于37℃恒溫箱儲(chǔ)存4周，每周取樣一次，冷卻至室溫后測(cè)量，記錄CO2氣容量變化。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

選用OriginPro 7.5軟件(OriginLab Corporation，Northampton，USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單邊方差分析(ANOVA)。顯著性分析采用Tukey檢驗(yàn)，顯著性水平采用0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 飲料開啟后食用膠對(duì)CO2氣容量的影響

圖1 4種膠體在碳酸飲料開啟后對(duì)CO2氣容量的影響Fig.1 Effects of different gums on volumetric carbon dioxide capacity after package opening of carbonated soft drinks

碳酸飲料開啟后，不同食用膠對(duì)CO2氣容量的影響如圖1所示，CO2氣容量均呈下降趨勢(shì)。應(yīng)用CMC、阿拉伯膠和瓜爾豆膠的碳酸飲料樣品第2次所測(cè)CO2氣容量與樣品初始的CO2氣容量之間存在顯著差異(P＜0.05)，而后續(xù)所測(cè)CO2氣容量之間無顯著差異(P＞0.05)。可見，應(yīng)用CMC、阿拉伯膠和瓜爾豆膠3種膠體的碳酸飲料在開啟之初，CO2損失較快。應(yīng)用PGA的碳酸飲料樣品前3次所測(cè)CO2氣容量之間均無顯著差異(P＞0.05)，而第4次所測(cè)CO2氣容量與第3次所測(cè)CO2氣容量之間存在顯著差異(P＜0.05)，后續(xù)所測(cè)數(shù)據(jù)間無顯著差異(P＞0.05)，數(shù)據(jù)結(jié)果表明應(yīng)用PGA的碳酸飲料在開啟之初能夠較好地控制CO2的釋放。

根據(jù)添加不同膠體的碳酸飲料其CO2氣容量隨飲料開啟次數(shù)的擬合曲線(圖1)可知，添加不同膠體的碳酸飲料樣品中CO2釋放速率由慢到快的順序?yàn)椋篊MC＜PGA＜阿拉伯膠＜瓜爾豆膠＜空白。通過檢測(cè)體系的黏度發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05% CMC、PGA、阿拉伯膠、瓜爾豆膠溶液的表觀黏度分別為6.42、1.76、1.03、1.71mPa·s。氣體在液體中的釋放速度與液體體系的黏度、氣體壓力等有直接關(guān)系[3,10]。本實(shí)驗(yàn)中，添加不同膠體碳酸飲料樣品的初始CO2氣容量并無顯著差異(P＞0.05)，即飲料的初始?xì)怏w壓力間沒有顯著差異，CO2的釋放速率僅與樣品體系的黏度相關(guān)，而添加CMC的碳酸飲料的黏度最大，故CMC表現(xiàn)出較好的控制CO2釋放效果。Frank等[3]發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的CMC和PGA的黏度分別為6.16Pa·s和1.90Pa·s，當(dāng)CO2壓力為0.3MPa時(shí)，CMC溶液中CO2氣泡的上升速率較慢；得出壓力一致的前提下，體系黏度越大，氣泡上升的速率越小。這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 飲料加速實(shí)驗(yàn)過程食用膠對(duì)CO2氣容量的影響

圖2 4種食用膠體在碳酸飲料加速實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)CO2氣容量的影響Fig.2 Effects of different gums on volumetric carbon dioxide capacity of carbonated soft drinks in acceleration experiments

在碳酸飲料加速實(shí)驗(yàn)過程中，不同食用膠對(duì)CO2氣容量的影響如圖2所示。存放一周的樣品所測(cè)CO2氣容量與樣品初始的CO2氣容量之間存在顯著差異(P＜0.05)，添加膠體或不添加膠體的碳酸飲料樣品其CO2氣容量的衰減量均超過總衰減量的50%；而后續(xù)所測(cè)CO2氣容量之間無顯著差異(P＞0.05)，數(shù)據(jù)結(jié)果表明碳酸飲料在加速實(shí)驗(yàn)前期CO2氣容量降低較快。根據(jù)各膠體所應(yīng)用飲料CO2氣容量的擬合曲線可知，添加不同膠體的樣品中CO2衰減速率由慢到快的順序?yàn)椋篜GA＜CMC＜阿拉伯膠＜瓜爾豆膠＜空白。數(shù)據(jù)結(jié)果表明應(yīng)用PGA的碳酸飲料在加速實(shí)驗(yàn)中能夠較好地控制CO2的釋放。

由上述兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在飲料開啟后，CMC在碳酸飲料中對(duì)CO2的保持能力優(yōu)于PGA，而在加速實(shí)驗(yàn)中PGA在碳酸飲料中對(duì)CO2的保持能力優(yōu)于CMC，這與二者的結(jié)構(gòu)特征和碳酸飲料的特性有一定關(guān)系。CMC是一種陰離子、直鏈、水溶性纖維素醚，容易水解成二糖和葡萄糖，造成其溶液體系黏度降低。如2%的耐酸性CMC溶液(pH6.0)的起始黏度為1250mPa·s，在40℃放置7d黏度降為450mPa·s，放置15d黏度降為210mPa·s[11]；另外，應(yīng)用CMC的碳酸飲料在保溫存儲(chǔ)過程中生成的氣泡直徑達(dá)到一定尺寸后破裂，氣泡瞬間破裂所釋放的高能量(氣穴現(xiàn)象)將使CMC分子在氣泡破裂區(qū)域內(nèi)拉長斷裂[12]，從而使加速實(shí)驗(yàn)中的體系黏度下降，減弱了對(duì)CO2的釋放控制效果。PGA廣泛應(yīng)用于啤酒工業(yè)，當(dāng)PGA添加量達(dá)到35mg/L時(shí)，可顯著提高啤酒的泡沫穩(wěn)定性和持泡力[13-14]。PGA對(duì)酸、鹽及金屬離子均較穩(wěn)定，盡管PGA水溶液在高溫加熱時(shí)，黏度也會(huì)迅速下降，但60℃以下溫度的影響不顯著，不會(huì)像CMC那樣出現(xiàn)黏度下降的現(xiàn)象[15]，所以在本研究的加速實(shí)驗(yàn)中，PGA較CMC表現(xiàn)出更優(yōu)異的持氣性。

3 結(jié) 論

當(dāng)CMC、PGA、阿拉伯膠和瓜爾豆膠4種食用膠等質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.05%)應(yīng)用于碳酸軟飲料時(shí)，結(jié)果表明：1)飲料開啟后，不同食用膠體影響CO2釋放速度由慢到快的順序?yàn)椋篊MC＜PGA＜阿拉伯膠＜瓜爾豆膠＜空白；PGA在碳酸飲料開啟之初能較好的控制CO2的釋放；2)碳酸飲料在37℃儲(chǔ)存4周的加速實(shí)驗(yàn)中，影響CO2釋放速度由慢到快的順序?yàn)椋篜GA＜CMC＜阿拉伯膠＜瓜爾豆膠＜空白；碳酸飲料加速實(shí)驗(yàn)初始階段是CO2衰減的主要階段。總之，在相同壓力的前提下，飲料體系的黏度及其穩(wěn)定性決定了碳酸飲料CO2氣容量的變化趨勢(shì)。

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Effect of Different Food Gums on Volumetric Carbon Dioxide Capacity of Carbonated Soft Drinks

CAI Man-yi1,2，XU Hong-gao1,2，LI Shao-zhen2，GAO Yan-xiang1,2,*，ZHANG Hua-fang3
(1. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China；2. Research and Development Center, Beijing Huiyuan Beverage and Food Group Co. Ltd., Beijing 101305, China；3. Beijing Cathay Harmony and Health Technology Co. Ltd., Beijing 100036, China)

The effects of respective additions of sodium carboxymethyl cellulose (CMC), propylene glycol alginate (PGA), arabic gum and guar gum on carbon dioxide volumetric capacity in carbonated soft drinks packaged with PET were studied. By carbon dioxide release rate after package opening, carbonated soft drinks with separately added four food gums at a level of 0.05% could be ranked as follows: CMC ＜ PGA ＜ arabic gum ＜ guar gum. During storage at 37 ℃ for 4 weeks, the attenuation rate of carbon dioxide volumetric capacity was decreased in the following order: guar gum ＞ arabic gum ＞CMC ＞ PGA.

sodium carboxymethyl cellulose；propylene glycol alginate；arabic gum；guar gum；carbonated soft drinks；volumetric carbon dioxide capacity

TS202.3

A

1002-6630(2011)07-0121-04

2010-08-24

國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2010AA10Z301)

蔡滿意(1977—)，女，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)轱嬃霞庸ぁ-mail：caimanyiyanfa@163.com

*通信作者：高彥祥(1961—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称犯咝录夹g(shù)與飲料加工。E-mail：gyxcau@126.com