檸檬黃素在淀粉凝膠內的擴散特性研究

趙學偉，李國愉

（鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，河南鄭州450002）

檸檬黃素在淀粉凝膠內的擴散特性研究

趙學偉，李國愉

（鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，河南鄭州450002）

測定了在4℃和35℃條件下檸檬黃素在3種濃度的小麥﹑小米淀粉凝膠內的擴散系數。結果表明，在相同條件下，與小麥淀粉凝膠相比，檸檬黃在小米淀粉凝膠內的擴散較慢。擴散系數隨著凝膠濃度的減小而增大，隨著溫度升高而升高。與改變濃度相比，降低溫度更能有效地降低檸檬黃在淀粉凝膠內的擴散速度。

淀粉凝膠，檸檬黃，擴散系數

對于一個液態食品體系，添加淀粉的濃度較低時起到增稠作用，濃度高時因受熱成膠而起膠凝作用。所以，淀粉常用作增稠劑和膠凝劑。淀粉也是構成很多食品的基質材料。與其它常用的膠凝劑相比，淀粉價格低廉，來源廣泛。為增強某些食品（如果凍）的感官吸引力，有時要求其一定部位有顏色，而周圍保持無色。如果有色部位的色素進入無色區域，就會降低產品品質。這時，了解色素在凝膠基質中的擴散特性就十分重要。溫度和凝膠濃度是影響擴散速度的兩個主要因素[1]，了解它們對擴散系數的影響有利于選定合理的凝膠濃度和存放溫度。測定擴散系數的方法包括：吸附動力學法、擴散室法、濃度-距離法、干燥速率法[1]。其中擴散室法[2]和濃度-距離法[3]在測定凝膠內的物質擴散方面較為常用。采用濃度-距離法，只進行一次實驗就可求出擴散系數，已用于研究nisin[3]、色素[4]、水分[5-6]在食品凝膠內的擴散。本研究采用該方法。在求解擴散系數時需要知道擴散物質的濃度，可以直接測定擴散物質的含量，也可以采用間接物理量來反映擴散物質的含量。對于色素擴散，可以根據色澤參數來測定擴散物質的含量，但要先建立色澤參數與擴散物質濃度的關系[7]。檸檬黃是最為常用的食用色素，本文擬研究其在4℃和35℃條件下在不同濃度的2種谷物淀粉凝膠內的擴散系數。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥淀粉 購于超市；小米淀粉 自制，采用0.2% NaOH溶液去蛋白，淀粉中剩余蛋白的含量為0.52%；檸檬黃 天津市凱通化學試劑有限公司生產。小麥淀粉是較為常用的商業淀粉，淀粉粒較大；小米淀粉為小粒淀粉。選擇淀粉粒大小明顯不同的兩種淀粉有助于了解淀粉粒在決定擴散特性方面所起的作用。

1.2 實驗方法

1.2.1 淀粉凝膠的制備 采用濃度-距離法測定擴散系數時需要兩種凝膠，一種含有檸檬黃，另一種不含。本研究選定凝膠中淀粉的濃度為14%、19%、25%。含檸檬黃凝膠中檸檬黃的濃度選定為0.02%。

精確稱量所需淀粉，加入經煮沸并冷卻至60℃左右的水中。前期實驗表明，采用煮沸的水可以避免在加熱淀粉成膠的過程中出現氣泡。在充分攪勻的情況下將淀粉懸浮液吸入25mL塑料注射器（已拔去金屬針頭），用面筋密封注射器的吸入口。將裝有淀粉懸浮液的注射器放入90℃水浴鍋中加熱20min。加熱過程中要不停攪動注射器（尤其是前5min）以防淀粉沉淀導致凝膠不均勻。然后取出注射器室溫靜置冷卻24h。制作含有檸檬黃的凝膠時，在懸浮液中加入所要量的檸檬黃即可。

1.2.2 擴散實驗 取含檸檬黃和不含檸檬黃淀粉凝膠的注射器各一支，用單面刀片切去帶針頭一端的塑料底，并盡量保證切口平整。將含檸檬黃的凝膠推出一半，切去推出部分。兩針筒的切口端對接，將不含檸檬黃的淀粉凝膠小心推入另一針筒，注意保證推的過程中兩段凝膠柱界面緊密接觸。推不動時用刀片沿兩針筒的界面將多余凝膠切去。用塑料薄膜包裹針筒的開口端并用膠帶纏繞，保證密封。用記號筆在注射器外表面標注兩凝膠的界面位置。

本研究測定淀粉凝膠在4℃和35℃的擴散系數，4℃是食品低溫存放的常用溫度，35℃是高溫存放時食品所經受的較高溫度。將注射器分別放置在4℃冰箱或35℃的恒溫箱內。4℃存放的樣品78h后取出，35℃存放的樣品120h后取出。將注射器與一鋼尺平行放置在桌面上，用照相機拍照。參見圖1。

圖1 14%小麥淀粉凝膠4℃下放置120h后的照片Fig.1 Photos of 14%wheat starch gel placement at 4℃after 120h

采用IJ1.24圖像處理軟件，根據圖中鋼尺的刻度以及注射器上的凝膠界面標記，可以求出離界面不同距離處凝膠的灰度值。此前，先制作一組檸檬黃濃度（0.00001%～0.05%）已知的凝膠，并測出其灰度值，然后建立灰度值與濃度之間的經驗關系式。根據該經驗式即可求出離界面不同距離處凝膠內的檸檬黃濃度。

1.2.3 擴散系數求解 認為檸檬黃在淀粉凝膠內的擴散過程遵循Fick第二擴散定律，對于一維擴散，則有[8]：

其中，D：擴散系數（m2/s），t：擴散時間（s），C：檸檬黃的濃度，x：距凝膠界面的距離。

假設凝膠段為半無限介質（即滿足：Dt/L＜0.05，L為擴散凝膠段的長度），則存在如下初始和邊界條件：

在t=0且x≥0時，C=Cin=0

在t≥0且x=xmax時，C=0

在t≥0且x=0時，C=C0

其中，Cin：淀粉凝膠中檸檬黃的初始濃度，本研究中Cin=0；xmax：從界面到凝膠另一端的最大距離，本研究中xmax=40mm；C0：色素源凝膠段內檸檬黃的濃度，本研究中C0=0.02%。如果D與凝膠檸檬黃的濃度無關，則式（1）在上述初始和邊界條件下存在如下解析解[9]：

其中，erf函數為誤差函數：

對于一個擴散過程，在進行t時間后，根據測得的多組C－x對應值，就可根據式（2）回歸求出D值。由于式（2）是一個以積分上限為變量的方程，采用一般的方法難以回歸求解，我們編制程序后運用Matlab軟件求得D的值。

2 結果與分析

2.1 灰度值與色素濃度的關系

圖2 灰度值與檸檬黃濃度之間的關系Fig.2 Relationship between gray value and tartrazine

圖2為凝膠中的檸檬黃濃度與凝膠灰度值之間的關系，其中x=lnC。R2接近0.95，說明灰度值與lnC之間基本呈線性關系。在測得凝膠的灰度值后，我們根據回歸方程y=－11.631lnC+75.707計算其中檸檬黃的含量。

2.2 淀粉濃度和溫度對檸檬黃擴散系數的影響

圖3 采用式（2）擬合14%小麥淀粉凝膠4℃下的色素擴散數據Fig.3 Pigment diffusion data of 14%wheat starch gel at 4℃fitting by type（2）

圖3為14%小麥淀粉凝膠在4℃下存放120h后測得的距界面不同位置處檸檬黃的含量，其中的曲線為根據式（2）得到的擬合曲線。可以看出曲線與實驗數據點擬合得很好。由于擴散時間t已知，通過擬合可求出擴散系數D的值。

圖4給出了在4℃條件下檸檬黃在兩種淀粉凝膠內的擴散系數。可以看出，隨凝膠中淀粉濃度提高，擴散系數降低。濃度從14%增大到25%時，小麥、小米淀粉凝膠內的擴散系數分別從8.64×10－11、3.96×10－11m2/s接近線性降低到4.00×10－11、1.18×10－11m2/s。另外，在相同濃度時小米凝膠內的擴散速度比小麥淀粉凝膠內的要低。這可能與小米淀粉粒較小，糊化后形成的凝膠較為“密實”有關。

圖5為兩種淀粉凝膠在35℃條件下的水分擴散系數。凝膠濃度和淀粉種類對擴散系數的影響趨勢與4℃條件下的基本一致。比較圖4、圖5可以發現，升高溫度可以導致擴散系數快速增大。例如：19%的小麥淀粉凝膠在4℃時的擴散系數為6.19×10-11m2/s，35℃時擴散系數增大到2.581×10-10m2/s，擴散速度增大為原來的4倍多。

圖4 4℃下檸檬素在2種淀粉凝膠內的擴散系數Fig.4 Diffusion coefficient of tartrazine in 2 kinds of starch gel at 4℃

圖5 35℃下檸檬黃在2種淀粉凝膠內的擴散系數Fig.5 Diffusion coefficient of tartrazine in 2 kinds of starch gel at 35℃

所以，為了控制檸檬黃在淀粉凝膠內的擴散，首先要選擇合理的淀粉種類，另外，降低溫度比提高凝膠濃度更為有效。

關于檸檬黃在淀粉凝膠中的擴散系數，尚未見相關報道。檸檬黃在7℃條件下在2%低酯果膠+40%蔗糖所形成的凝膠中的擴散系數為6.0×10-11m2/s[4]，與本研究中5℃條件下的測定結果在一個數量級上。水在25%濃度的糯玉米淀粉膠中的擴散系數在10-10m2/s數量級上[9]，比本研究中檸檬黃素高很多。估計由于水分子較小，容易擴散；另外，該研究采用的是糯玉米淀粉，糊化后很少有直鏈淀粉析出，使得凝膠基質中淀粉濃度較低，水分子擴散變得容易。

最后，對于4℃下的擴散，擴散時間為78h，最大擴散系數為8.64×10-11m2/s，可以算出Dt/L=0.0233；對于35℃下的擴散，擴散時間為120h，最大擴散系數為2.738×10-10m2/s，則Dt/L=0.0481。都小于0.05，說明前面關于半無限介質擴散的假設是可以接受的。

3 結論

在相同條件下，檸檬黃在小米淀粉凝膠內的擴散速度比在小麥淀粉凝膠內的要低。提高淀粉凝膠的濃度或降低溫度都使得擴散速度降低，但降低溫度對擴散速度的影響更為明顯。

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Study on diffusion of tartrazine in starch gels

ZHAO Xue-wei，LI Guo-yu
（School of Food and Biological Engineering，Zhengzhou Institute of Light Industry，Zhengzhou 450002，China）

The diffusivity of tartrazine in wheat and millet starch gels of three starch concentrations was determined in 4℃ and 35℃.The results showed that with same temperature and starch concentration the diffusion of tartrazine in millet starch gel was slower than that in wheat starch gel.The diffusivity increased with decreasing starch concentrations or increasing temperature.Compared with decreasing starch concentration，increasing temperature was more effective in decreasing the diffusivity.

starch gel；tartrazine；diffusivity

TS201.7

A

1002-0306（2012）05-0303-03

2011－03－18

趙學偉（1969-），男，副教授，研究方向：谷物食品加工。

鄭州輕工業學院博士基金項目（000100）。