聚丙烯酰胺澄清蘋果汁工藝及其機理分析

闕小峰+繆建芹+司文會+徐良+黃超群

摘要：研究用聚丙烯酰胺澄清蘋果汁的工藝因素，初步探討了聚丙烯酰胺澄清作用的機理，并對澄清過程中果汁成分的變化進行了分析。結果表明：聚丙烯酰胺澄清果汁的機理是利用極性基團破壞果汁中微粒的ζ電位，對其吸附并利用長鏈結構“橋聯”形成絮凝共聚物；聚丙烯酰胺澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL果汁，溫度40～50℃，pH值4.0，澄清后果汁還原糖和總酸保留率在95%以上。

關鍵詞：聚丙烯酰胺；果汁澄清；機理；影響因素

中圖分類號：TS275.5文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2014）11-0310-02

果汁澄清是果汁加工中的重要工序，當果汁從水果中壓榨出來后，常常帶有懸浮的細胞碎塊，和果膠、淀粉等親水性膠體懸浮物的保護因子，以及蛋白質、多酚類形成的不溶性混濁或沉淀等三類成分[1]。在果汁加工或貯藏期間，它們與其他成分作用，會引起果汁的混濁現象，果汁的澄清處理就是要將上述三類混濁因子盡可能完全除去，以保障果汁在貯藏期間的質量穩定。

在蘋果汁生產過程中，澄清工序是決定蘋果汁外觀的關鍵工序，不僅影響產品外觀，而且直接對果汁的品質和穩定性起決定作用[2]。常見的蘋果汁澄清方法有自然澄清、熱處理、超濾法、酶法和添加澄清劑等，本試驗主要利用一種高分子表面活性物質——聚丙烯酰胺[3]來澄清蘋果汁，并研究影響聚丙烯酰胺澄清果汁的因素，分析聚丙烯酰胺澄清果汁的最佳工藝條件及聚丙烯酰胺澄清作用對果汁成分的影響，從而初步探討聚丙烯酰胺澄清果汁的機理。

1材料與方法

1.1材料與試劑

試驗材料為富士蘋果，市售，于試驗前貯藏在4℃冰柜中。

聚丙烯酰胺，購自上海化學藥品制劑公司。

1.2果汁制備

取富士蘋果，經清洗、去皮去核、切塊后用家用榨汁機（上海海菱電器有限公司）榨汁。

1.3澄清劑的制備

將聚丙烯酰胺用蒸餾水浸泡至透明狀后加水溶解，用純凈水將其稀釋成質量分數0.1%的聚丙烯酰胺溶液。

1.4成分的測定

可溶性固形物的測定采用阿貝折光儀折光法；還原糖的測定采用Lane-Eynon法；總酸的測定采用滴定法，以蘋果酸計；維生素C的測定采用2，6-二氯靛酚滴定法；透光率T625nm采用722型分光光度計測定。

2結果與分析

2.1聚丙烯酰胺用量對澄清效果的影響

在250mL蘋果汁中添加不同量的聚丙烯酰胺進行澄清試驗，結果見圖1。

由圖1可知，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時，澄清效果最好，透光率達到98.67%；當用量超過30μg/mL時，透光率逐漸下降[4]。因此采用20μg/mL聚丙烯酰胺澄清果汁效果最佳。

2.2pH值對聚丙烯酰胺澄清效果的影響

在不同pH值條件下進行果汁澄清（聚丙烯酰胺用量20μg/mL），澄清后果汁的透光率見圖2。

從圖2可以看出，pH值在3～5之間時，聚丙烯酰胺澄清果汁的透光率均在95%以上；當pH值<3或pH值>5時，澄清效果變差。可見pH值對蘋果汁的澄清效果與殼聚糖相似[5-6]。考慮到果汁溶液的酸堿性和澄清效果，采用pH值為4.0的聚丙烯酰溶液澄清果汁。

2.3溫度對聚丙烯酰胺澄清效果的影響

在果汁中添加20μg/mL聚丙烯酰胺，自然pH值條件，在不同溫度下進行澄清，結果見圖3。

從圖3可見，溫度在30～70℃之間時，聚丙烯酰胺澄清果汁的透光率均在95%以上，其中以40～50℃溫度區域透光率最大，達到98%以上。考慮到高溫下蘋果汁風味物質的變化，澄清溫度應在40～45℃之間為最佳。

2.4果汁褐變對聚丙烯酰胺澄清效果的影響

在果汁中添加足量的抗壞血酸可以防止褐變的發生，用聚丙烯酰胺（20μg/mL）澄清時，絮凝物完全沉淀用時5.42h，而不添加抗褐變劑的果汁澄清時間為4.65h，比添加抗壞血酸時節約14.21%，這一點與Wakayama等的試驗結果[7]一致。

2.5澄清前后果汁主要成分的變化

蘋果汁在澄清前后的總可溶性固形物、還原糖、維生素C和總酸含量的變化如表1所示。從表1可以看出，蘋果汁經聚丙烯酰胺處理后，總可溶性固形物、還原糖、總酸的含量幾乎沒有變化，保留率均在95%以上，只有維生素C含量的保留率略低，為92.72%。研究中發現果膠物質難以檢出，因而可以認為聚丙烯酰胺對蘋果汁中的主要營養成分沒有影響[8-9]。

3討論與結論

3.1聚丙烯酰胺澄清果汁的機理分析

壓榨果汁是一種含果膠、蛋白質、丹寧和微細果質纖維素的懸濁液，其中大部分是膠體顆粒。這些膠體在果汁中之所以能保持穩定的分散狀態，有2種原因：一是可溶性大分子有機物質受pH值的影響，某些基團（如羥基、羰基、氨基）發生部分電離，致使膠粒表面存在極性基團，且這些極性基團相互排斥，不易聚集；二是膠粒表面的極性基團對水分子具有親和力，這樣就在膠粒的表面形成了1層水膜，繼而產生膠體聚集的“位阻”。

聚丙烯酰胺是一種具有極性基團及長鏈結構的高分子物質，其澄清果汁的過程是與結構特性相關的，其具體結構式見圖4。

當聚丙烯酰胺加入果汁中后，由于其分子中含有極性基團及長鏈結構，根據DLVO理論解釋，將對果汁體系的膠體穩定性產生很大的影響：（1）降低膠粒表面的ζ電位。ζ電位與膠粒之間的排斥能成正比，聚丙烯酰胺分子含有的極性基團（—NH3+）與果汁中膠粒表面的基團（—OH-、—COOH-）電荷相反，從而降低了膠粒的ζ電位，膠粒間排斥能下降。（2）降低界面張力。聚丙烯酰胺為高分子表面活性物質，溶入果汁后，降低了膠粒-汁液界面的張力，而界面張力又與排斥能成正比。（3）絮凝“橋聯”作用。聚丙烯酰胺為長鏈結構，果汁中存在的膠粒依據靜電引力和范德華力吸附在其上，形成了一種以聚丙烯酰胺為基本骨架的“螯體”絮凝物，從而增大了共聚物的厚度，易于沉降。endprint

綜上，聚丙烯酰胺澄清果汁的機理為：利用極性基團降低果汁中膠粒表面的μ電位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的長鏈“橋聯”作用形成共聚體，從而加速沉降過程[10-11]。

3.2各因素對聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影響

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究結果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時效果最好。聚丙烯酰胺用量低時，對果汁中膠粒的作用程度不完全，不能完全消除所有膠粒的ζ電位，同時在膠粒之間也不能形成完整的共聚體；當聚丙烯酰胺用量超過20μg/mL時，較多的聚丙烯酰胺會纏繞在膠粒的表面形成膠束狀態，從而對膠粒產生“屏蔽保護”作用，不易于與其他膠粒附聚。

3.2.2pH值結果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適pH值在3～5之間，該pH值范圍正是果汁的自然pH值范圍，這一結論與殼聚糖澄清果汁的結果相同。pH值的影響也許是對膠粒表面基團及聚丙烯酰胺電離程度的影響。

3.2.3溫度結果還表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適溫度范圍為40～50℃，透光率達98%以上。在一定的溫度范圍內（<60℃），增加了分子的熱擴散運動速度和頻率；因而促進了膠粒與膠粒、膠粒與聚丙烯酰胺之間的結合；但當溫度過大時（>60℃），熱力作用弱化了膠粒和聚丙烯酰胺之間的作用力，反而不利于澄清過程。

3.2.4褐變程度與添加足量抗壞血酸相比，未添加抗壞血酸的褐變果汁澄清時間減少了0.77h，減少了14.21%，這是因為果汁發生褐變后，其中的酚類物質氧化成醌。比較酚類中的羥基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可見，后者

的負電性更大，更容易與聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）結合；另外，醌類聚合后，分子量增大，因此與聚丙烯酰胺之間的范德華力也增大，有利于其與聚丙烯酰胺的結合。

綜上可見，利用聚丙烯酰胺來澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，溫度40～50℃，pH值4.0。

參考文獻：

[1]夏文水.食品工藝學[M].北京：中國輕工業出版社，2007.

[2]祝戰斌，馬兆瑞.蘋果酒澄清工藝的研究[J].食品工業，2008（4）：35-37.

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[10]秦衛東，仝莉，孫向榮.聚丙烯酰胺澄清果汁工藝研究——澄清過程主要成分的變化[J].彭城職業大學學報，1998，13（4）：104-105.

[11]張雪，王雪濤.用于蘋果汁吸附實驗的不溶性殼聚糖制備工藝的研究[J].食品工業科技，2008，29（7）：110-113.endprint

綜上，聚丙烯酰胺澄清果汁的機理為：利用極性基團降低果汁中膠粒表面的μ電位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的長鏈“橋聯”作用形成共聚體，從而加速沉降過程[10-11]。

3.2各因素對聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影響

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究結果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時效果最好。聚丙烯酰胺用量低時，對果汁中膠粒的作用程度不完全，不能完全消除所有膠粒的ζ電位，同時在膠粒之間也不能形成完整的共聚體；當聚丙烯酰胺用量超過20μg/mL時，較多的聚丙烯酰胺會纏繞在膠粒的表面形成膠束狀態，從而對膠粒產生“屏蔽保護”作用，不易于與其他膠粒附聚。

3.2.2pH值結果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適pH值在3～5之間，該pH值范圍正是果汁的自然pH值范圍，這一結論與殼聚糖澄清果汁的結果相同。pH值的影響也許是對膠粒表面基團及聚丙烯酰胺電離程度的影響。

3.2.3溫度結果還表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適溫度范圍為40～50℃，透光率達98%以上。在一定的溫度范圍內（<60℃），增加了分子的熱擴散運動速度和頻率；因而促進了膠粒與膠粒、膠粒與聚丙烯酰胺之間的結合；但當溫度過大時（>60℃），熱力作用弱化了膠粒和聚丙烯酰胺之間的作用力，反而不利于澄清過程。

3.2.4褐變程度與添加足量抗壞血酸相比，未添加抗壞血酸的褐變果汁澄清時間減少了0.77h，減少了14.21%，這是因為果汁發生褐變后，其中的酚類物質氧化成醌。比較酚類中的羥基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可見，后者

的負電性更大，更容易與聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）結合；另外，醌類聚合后，分子量增大，因此與聚丙烯酰胺之間的范德華力也增大，有利于其與聚丙烯酰胺的結合。

綜上可見，利用聚丙烯酰胺來澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，溫度40～50℃，pH值4.0。

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綜上，聚丙烯酰胺澄清果汁的機理為：利用極性基團降低果汁中膠粒表面的μ電位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的長鏈“橋聯”作用形成共聚體，從而加速沉降過程[10-11]。

3.2各因素對聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影響

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究結果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時效果最好。聚丙烯酰胺用量低時，對果汁中膠粒的作用程度不完全，不能完全消除所有膠粒的ζ電位，同時在膠粒之間也不能形成完整的共聚體；當聚丙烯酰胺用量超過20μg/mL時，較多的聚丙烯酰胺會纏繞在膠粒的表面形成膠束狀態，從而對膠粒產生“屏蔽保護”作用，不易于與其他膠粒附聚。

3.2.2pH值結果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適pH值在3～5之間，該pH值范圍正是果汁的自然pH值范圍，這一結論與殼聚糖澄清果汁的結果相同。pH值的影響也許是對膠粒表面基團及聚丙烯酰胺電離程度的影響。

3.2.3溫度結果還表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適溫度范圍為40～50℃，透光率達98%以上。在一定的溫度范圍內（<60℃），增加了分子的熱擴散運動速度和頻率；因而促進了膠粒與膠粒、膠粒與聚丙烯酰胺之間的結合；但當溫度過大時（>60℃），熱力作用弱化了膠粒和聚丙烯酰胺之間的作用力，反而不利于澄清過程。

3.2.4褐變程度與添加足量抗壞血酸相比，未添加抗壞血酸的褐變果汁澄清時間減少了0.77h，減少了14.21%，這是因為果汁發生褐變后，其中的酚類物質氧化成醌。比較酚類中的羥基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可見，后者

的負電性更大，更容易與聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）結合；另外，醌類聚合后，分子量增大，因此與聚丙烯酰胺之間的范德華力也增大，有利于其與聚丙烯酰胺的結合。

綜上可見，利用聚丙烯酰胺來澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，溫度40～50℃，pH值4.0。

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[11]張雪，王雪濤.用于蘋果汁吸附實驗的不溶性殼聚糖制備工藝的研究[J].食品工業科技，2008，29（7）：110-113.endprint