基于Turbiscan穩定性分析儀技術研究微細化處理在燕麥豆乳中的應用

白 潔,彭義交,李玉美,田 旭,劉麗莎,郭 宏

(北京食品科學研究院/北京市食品研究所,北京 100162)

基于Turbiscan穩定性分析儀技術研究微細化處理在燕麥豆乳中的應用

白 潔,彭義交,李玉美,田 旭,劉麗莎,郭 宏

(北京食品科學研究院/北京市食品研究所,北京 100162)

本文以燕麥、豆粉為原料,采用α-淀粉酶酶解制備燕麥豆乳飲料,利用Turbiscan穩定性分析儀結合物理方法分別研究了干法篩粉處理、濕法膠體磨及高壓均質處理對燕麥豆乳飲料穩定性指數、表觀粘度、離心沉淀率、分層高度及透光率等的影響,評價樣品的穩定性。結果表明:經膠體磨后再兩遍高壓均質處理的樣品體系穩定性最高,顯著優于其他微細化處理方式(p<0.05),符合谷物飲料標準。利用Turbiscan測定的結果與物理方法測定的樣品離心沉淀率、透光率及粘度等指標具有很好的一致性,說明Turbiscan在谷物飲料中具有很好的應用前景。

Turbiscan穩定性分析儀,微細化,燕麥豆乳,穩定性

燕麥,禾本科燕麥屬作物,其蛋白質、脂肪、礦物質及不飽和脂肪酸含量均居谷物之首,特別是水溶性膳食纖維β-葡聚糖在所有谷物中含量最高。此外還含有亞油酸、皂苷等生物活性成分,對高血壓、高血脂、肥胖癥和便秘有一定療效作用[1-3]。大豆是我國傳統食品之一,富含蛋白質、脂肪、碳水化合物、多種維生素和微量元素等,且賴氨酸含量較高,具有很好的營養價值[4-5]。將大豆與燕麥結合,可以彌補谷物限制性氨基酸不足的缺點,同時豆乳爽滑的口感可以有效緩和谷物的粗糙感,使產品色香味突出。但是,燕麥豆乳中高淀粉高纖維等固相粉質的存在易使飲料分層與沉淀,蛋白質、脂肪還易引起脂肪上浮,蛋白質沉降等問題,影響產品外觀。因此,采取良好的工藝技術克服分層沉淀,提高穩定性是燕麥豆乳開發的關鍵。

目前國內外關于燕麥酶解飲料的研究集中在酶解工藝優化及穩定劑篩選等方面[6-9],忽略了工藝過程在飲料生產中的重要性。此外,當前評價谷物飲料穩定性的方法也主要以觀察法和離心法為主[10],檢測精度不夠高且只能定性而不能定量評價體系的穩定效果。目前,基于反射物理模型的穩定性分析儀已開始應用于研究乳濁液的穩定性和濃縮膠體的分散性中[11-15]。因此,本文以燕麥、豆粉為原料,采用淀粉酶酶解制備燕麥豆乳飲料,從工藝角度重點討論微細化處理方式在燕麥豆乳中的應用,并利用Turbiscan穩定性分析儀結合物理方法評價體系穩定性,為燕麥豆乳等谷物飲料的工業化生產與研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥 上海香匯實業有限公司;豆粉 黑龍江冰泉多多有限公司;α-淀粉酶BAN 480L 諾維信(中國)有限公司;復配增稠穩定劑YL2330-3A 石家莊兄弟伊蘭食品配料有限公司。

高壓均質機 上海東華均質機有限公司;膠體磨JM-L50 溫州市龍心機械有限公司;粘度計 上海尼潤智能科技有限公司;Turbiscan AGS(Formulaction)全方位穩定分析儀 北京朗迪森科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 燕麥豆乳樣品的制備 燕麥、豆粉按6∶1混合,分別按工藝流程1和2制備,原料于85℃預糊化20min,降溫至65℃,添加α-淀粉酶0.2%,65℃酶解50min,后取出煮沸滅酶,再進行后續處理。樣品制備中干法處理的方法是將原料分別通過20、40、60、80及100目篩網,經檢測穩定性指標選出的最佳過篩目數;濕法處理包括膠體磨、30MPa均質一遍、膠體磨+30MPa均質一遍及膠體磨+高壓均質兩遍(均質壓力分別30、40MPa)四種處理方法,樣品分別標記為膠體磨、直接均質、均質一遍及均質二遍,所有樣品滅菌后檢測。

工藝1:原料—干法處理—預糊化—酶解—滅酶—添加復配增稠穩定劑—調配—灌裝、滅菌

工藝2:原料—預糊化—酶解—滅酶—濕法處理—添加復配增稠穩定劑—調配—灌裝、滅菌

1.2.2 燕麥豆乳穩定性評價方法 常規物理方法包括粘度、離心沉淀率、透光率及上清液高度的測定,穩定性分析儀包括樣品掃描圖譜及穩定性動力學指數的測定,兩者結合全面評價燕麥豆乳的穩定性。

1.2.3 表觀粘度的測定 室溫下,用旋轉粘度計測定體系的表觀黏度(21號轉子,80r/min,1min)。

1.2.4 離心沉淀率的測定 將樣品搖勻,稱取30g樣品于離心管中,3000r/min 離心10min,將上清液倒出,稱量沉淀物的重量,離心沉淀率(SR)計算公式見(1)[16],離心沉淀率越大,表明體系穩定性越差;反之,穩定性越好。

式(1)

其中:m1-樣品溶液離心后沉淀物的質量,g；m2-樣品溶液離心前的質量,g。

1.2.5 透光率(T%) 將樣品用水稀釋100倍,于750nm波長下測定樣品的透光率,透光率越小,表明穩定程度越好,飲料保持均勻穩定的時間越長[16]。

1.2.6 上清液高度的測定 將樣品裝入20mL帶刻度試管中,40℃靜置一周,測其上清液的高度。

1.2.7 Turbiscan研究燕麥豆乳飲料的穩定性 將待測樣品放入20mL的測量池內,選取背散射光對樣品進行分析。采用掃描模式進行測量,測量探頭從樣品池的底部到樣品池的頂部每40μm測量一次,完成樣品池從底到頂的一次掃描。掃描曲線給出了不同掃描時間透射光和反射光隨樣品高度的變化關系,以樣品初始值為對照,樣品與之的差值(即變化率,ΔBS)反映其體系的變化。設定樣品掃描時間為6h,掃描間隔30min,溫度為室溫,第一次掃描顯示藍色,最后一次顯示紅色,曲線從左到右代表樣品從底部到頂部。

1.2.8 穩定性動力學指數(TSI)的測定 利用Turbiscan軟件處理得出樣品體系穩定性指數(TSI),它是在選定的高度,比較每一次掃描測量對前一次掃描測量的光強度的變化,并將結果累計至樣品總高度而獲得的結果。TSI反映樣品在整個放置時間濃度和顆粒粒徑的變化幅度的綜合,變化幅度越大,穩定性動力學指數越大,體系越不穩定。

1.3 數據分析

本實驗所得數據采用Excel、SPSS-18.0進行處理分析,并采用ANOVA進行差異顯著性分析,當p<0.05時表示差異顯著,所有實驗重復3次。Turbiscan穩定性分析儀采集數據使用TurbiSoft 2.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 干法處理對燕麥豆乳飲料表觀粘度及離心沉淀率的影響

干粉粒徑大小對燕麥豆乳飲料穩定性的影響如圖 1、圖2所示,過篩目數較小時,飲料的表觀粘度差異不顯著,當過篩目數為40目時,隨著過篩目數增大,飲料的表觀粘度也顯著增大,這是由于顆粒粒徑范圍減小,顆粒間相互作用增強所致[17]。離心沉淀率隨著過篩目數增大先減少后增大,通過80目篩網的體系離心沉淀率最小,這可能是因為固相粉質減小到一定程度后,高溫殺菌易使其相互聚集,不易搖散,導致料液不穩定,因此工藝 1 中干法處理選擇通過80目篩網。

圖1 干法處理對燕麥豆乳飲料表觀粘度的影響Fig.1 Influence of dry method on the apparent viscosity of oat-soybean beverage注:具有不同字母表示差異顯著(p<0.05)，圖2～圖6同。

2.2 微細化處理對燕麥豆乳飲料離心沉淀率的影響

微細化處理對燕麥豆乳離心沉淀率的影響如圖3,從圖中可知,干法處理樣品的離心沉淀率顯著高于濕法處理樣品;濕法處理樣品中,膠體磨處理后的樣品離心沉淀率最高,達13.48%,經膠體磨+二遍均質處理的樣品離心沉淀率最小,僅為6.18%,直接均質的樣品離心沉淀率顯著高于膠體磨后均質一遍處理的樣品,說明相比干法處理,膠體磨和高壓均質處理可有效地使物料中的蛋白質和脂肪球等顆粒微粒化,且粒徑越小,植物蛋白飲料的穩定性越好。目前我國常規粉碎設備制得的植物蛋白粒子在 50～1500μm之間,因此可以用Stokes沉淀定律解釋這一現象,即飲料中微粒的沉降速度與粒子直徑的平方成正比,微粒越小,沉降速度越慢,體系越穩定[18]。此外,由于燕麥豆乳飲料中含有較多纖維類物質,經高溫殺菌后容易聚團沉淀,干法處理較濕法處理纖維粒徑大,聚團后不易搖散,導致離心沉淀率增大。

圖3 微細化處理對燕麥豆乳飲料離心沉淀率的影響Fig.3 Influence of micronized treatment on the SR of oat-soybean beverage

2.3 微細化處理對燕麥豆乳飲料透光率和分層高度的影響

不同微細化處理對燕麥豆乳飲料透光率及分層高度的影響如圖4、圖5所示,樣品經微細化處理后,透光率及分層高度隨顆粒細化程度升高而顯著降低,說明顆粒越小,脂肪、蛋白質、固相粉質顆粒與水分子結合的程度越好,體系越穩定。經過膠體磨+二遍均質處理的樣品穩定性顯著提高,分層高度僅為0.11cm,符合谷物類飲料標準(QB/T 4221-2011)。直接均質的樣品靜置后上清液達0.46cm,顯著高于膠體磨后一遍均質的樣品,這說明預先將樣品經膠體磨細化后,再經過均質機,有助于使料液中的蛋白質和脂肪球等顆粒進一步微粒化,且有利于均質機的日常保養與維護。

圖4 微細化處理對燕麥豆乳飲料透光率的影響Fig.4 Influence of micronized treatment on the light transmittance of oat-soybean beverage

圖5 微細化處理對燕麥豆乳飲料分層高度的影響Fig.5 Influence of micronized treatment on the stratification height of oat-soybean beverage

2.4 微細化處理對燕麥豆乳飲料粘度的影響

不同微細化處理對燕麥豆乳飲料表觀粘度的影響如圖6所示,樣品經高壓均質處理后表觀粘度顯著高于僅膠體磨處理的樣品(p<0.05),這與牛乳經均質后粘度增加類似,但隨著均質次數的增加,粘度增大不顯著。一般認為,隨著微粒逐漸減小,粒徑比表面積增大,單位體積內的粒子數量增加,互相碰撞產生聚合的機率就會明顯增加,宏觀上就表現為料液的表觀粘度提高[19]。干法處理樣品顆粒雖然大,但樣品中含有較多大顆粒纖維類物質,可以適當的分散亞微顆粒,形成網狀結構,因此表現出較高粘度,與直接均質及膠體磨處理的樣品粘度均無顯著差異。

圖6 微細化處理對燕麥豆乳飲料表觀粘度的影響Fig.6 Influence of micronized treatment on the apparent viscosity of oat-soybean beverage

2.5 干法處理的燕麥豆乳飲料Turbiscan測試

干法處理的燕麥豆乳飲料背反射光強度隨時間的變化如圖7所示,從圖中可知,干法處理的樣品穩定性較差,樣品底部0～2.9mm處ΔBS值由0%逐漸增加至14.88%,表明底部出現嚴重的沉淀層,并且沉淀速度非常快,以致于第二次掃描,底部峰值便增加至6.14%,這可能是由于蛋白質及固相粉質沉淀所形成的沉淀層。中間段隨著時間推移,ΔBS值越來越小,并逐漸小于0,這表明整個體系很不穩定,頂部31～40mm的ΔBS隨時間推移逐漸降低至-15.94%,表明頂部出現明顯的澄清層,這是由于顆粒發生向下遷移引起的。

圖7 干法處理燕麥豆乳飲料的Turbiscan測試結果Fig.7 Turbiscan test result of oat-soybean beverage treated with dry method注:不同曲線代表每間隔30min樣品的狀態,共掃描6h。

2.6 濕法處理的燕麥豆乳復合飲料Turbiscan測試

濕法處理的燕麥豆乳背反射光強度隨時間的變化如圖8所示,從圖中可知,四種不同的濕法處理方式對樣品的穩定性影響顯著。圖a中ΔBS值隨時間的推移變化趨勢與干法處理相似,即底部出現沉淀,中部波動較大,頂部出現澄清,但較干法處理底部峰值明顯降低,0～2.3mm處峰值增加至9.45%,中間15～28mm波動較小,頂部38～40mm處形成一個下凹的峰,最大峰值達-16.67%,由于ΔBS值越小,體系越穩定,ΔBS值越大,體系越不穩定[10],可知經膠體磨粗磨后的樣品穩定性不好,但優于干法處理樣品的穩定性。

圖b、c、d均是通過高壓均質進一步細化的樣品,從圖中明顯可見通過高壓均質處理的樣品穩定性顯著優于未高壓均質處理樣。其中圖b樣品底部0～1.5mm處峰值由0逐漸增加至0.93%,中間段3.5～38.5mm處峰值波動不顯著,頂部38.5～42mm處峰值逐漸降低至-2.58%,說明頂部有輕微的澄清。圖c體系變化趨勢與圖b相似,底部0～1.5mm處有一凸峰,中間段1.5～40mm處峰值波動不顯著,樣品粒徑變化很小,頂部40～41mm處峰值降低,說明圖c樣品底部和頂部仍有輕微的沉淀與澄清,但整體體系較圖b更均勻,穩定性更好。圖d樣品體系均一,底部及中間樣品峰值波動均很小,說明顆粒物質沉淀及脂肪顆粒上浮現象不顯著,底部0～0.5mm處峰值逐漸增加至0.78%,頂部40～41mm處有一小凹峰,峰值僅為-1.0%左右,出現非常輕微的澄清與脂肪上浮,這一結果與樣品分層高度測定結果保持一致,符合谷物飲料允許少量分層的標準。

由此可見高壓均質在谷物飲料中有著非常重要的作用,這是因為高壓均質可以提供很強的機械作用力,使物料在擠壓、強沖擊及失壓膨脹三重作用下,克服油、水之間的表面張力和密度的差別使樣品均勻混合,并且有助于穩定劑在兩相界面上的吸附界面張力降低,提高體系的穩定性[20],高壓均質機在飲料中的應用是膠體磨不可比擬的。

圖8 濕法處理燕麥豆乳飲料的Turbiscan測試結果Fig.8 Turbiscan test result of oat-soybean beverage treated with wet method注:不同曲線代表每間隔30min樣品的狀態,共掃描6h。圖a為膠體磨處理的Turbiscan測試結果;圖b為直接均質的Turbiscan測試結果;圖c為均質一遍的Turbiscan測試結果;圖d為均質二遍的Turbiscan測試結果。

2.7 微細化處理對燕麥豆乳飲料穩定性指數的影響

不同微細化處理的燕麥豆乳飲料的穩定性動力學參數不同,見表1,動力學參數越小,穩定性越好[10]。從表中可知微細化程度越高,燕麥豆乳飲料的穩定性越好。通過Turbiscan測定的樣品穩定性和物理方法測定的樣品離心沉淀率、分層高度、透光率等指標具有很好的一致性。

表1 微細化處理對燕麥豆乳飲料穩定性指數的影響Table 1 Influence of micronized treatment on the stability index of oat-soybean beverage

3 結論

3.1 通過本實驗發現,燕麥豆乳飲料穩定性隨微細化程度加大而提高,膠體磨后高壓均質二遍的樣品具有最小的離心沉淀率,最低的分層高度及透光率,顯著優于其他微細化處理工藝,并且粘度適中,具有良好的穩定性,生產出的產品符合谷物飲料標準。

3.2 利用全方位穩定性分析儀,評價5種微細化處理對燕麥豆乳飲料的穩定效果,結果與物理方法測定的樣品離心沉淀率、透光率、分層高度等指標具有很好的一致性。利用Turbiscan得到的穩定性指數也反映了這一特點,說明Turbiscan在谷物飲料中具有很好的應用前景。

[1]郭曉娜,張少兵,張暉,等. 燕麥乳飲料制備工藝研究[J].糧食與油脂,2011,7:44-47.

[2]胡新中. 燕麥食品加工及功能特性研究進展[J]. 麥類作物學報,2005,25(5):122-124.

[3]Apollinaire Tsopmo. Chapter 43-Processing Oats and Bioactive Components[M]. Processing and Impact on Active Components in Food,2015:361-368.

[4]彭義交. 核桃-大豆雙蛋白飲料工藝配方優化[J]. 食品科學,2012,33(2):286-289.

[5]Jiangfeng Song,Chunquan Liu,Dajing Li,et al. Evaluation of sugar,free amino acid,and organic acid compositions of different varieties of vegetable soybean(Glycine max[L.]Merr)[J]. Industrial Crops and Products,2013,10(50):743-749.

[6]曹盼. 燕麥果汁復合飲料的研制[D]. 無錫：江南大學,2012.

[7]李建磊,陸淳,朱宏,等. 燕麥谷物飲料的研制[J]. 食品科技,2012,37(3):178-186.

[8]Shilpi Gupta,Sabrina Cox,Nissreen Abu-Ghannam. Process optimization for the development of a functional beverage based on lactic acid fermentation of oats[J]. Biochemical Engineering,2010,52(2):199-204.

[9]L.Viscione. 18-Fibre-enriched beverages[M]. Fibre-Rich and Whole grain Foods,2013:369-388.

[10]杭鋒,任璐,郭本恒,等.谷物牛乳穩定性研究[J]. 食品工業科技,2011,32(1):75-77.

[11]杭志奇,許景松,佟立鳳,等. 基于反射物理模型的穩定分析儀(Turbiscan)技術研究膠體對花生牛乳穩定性影響[J].食品科學,2010,31(21):110-113.

[12]郭翔,徐致遠,陳衛,等. 褐色益生菌乳飲料穩定性研究及工藝條件優化[J]. 食品科學,2009,30(22):226-230.

[13]Vanderghem C,Danthine S,Blecker C,et al. Effect of proteose-peptone addition on some physico-chemical characteristics of recombined dairy creams[J]. International Dairy Journal,2007,8(17):889-895.

[14]Kentaro Matsumiya,Takashi Inoue,Joju Niida,et al. Evaluation of long-term stability of milk beverages by a novel method for rapid determination of aggregation forces between colloidal particles[J]. Food Hydrocolloids,2014,1(34):177-183.

[15]杭鋒,郭本恒,陳衛,等. 利用背散射光技術比較UHT牛奶三種復配穩定劑的效果[J]. 食品科學,2009,30(7):36-39.

[16]王曉燁. 植物蛋白飲料穩定性及穩定性預測模型的研究[D]. 天津：天津科技大學，2009.

[17]周雪松,曾建新,蔣文真. 植物蛋白飲料增穩研究[J]. 糧食與油脂,2007,5:10-12.

[18]Durand A,Franks G V,Hosken R W. Particle sizes and stability of UHT bovine,cereal and grain milks[J]. Food Hydrocolloids,2003,17(5):671-678.

[19]吳金鋆. 復合全豆植物蛋白飲料的穩定性及流變特性研究[D]. 廣州：華南理工大學，2010.

[20]劉紅霞,賈少婷,劉衛星. 攪拌和均質對牛乳穩定性的影響[J].中國乳品工業,2009,37(9):58-61.

Application of micronized treatment inoat-soybean beverage using turbiscan technology

BAI Jie,PENG Yi-jiao,LI Yu-mei,TIAN Xu,LIU Li-sha,GUO Hong

(Beijing Academy of Food Sciences/Beijing Food Research Institute,Beijing 100162,China)

In this paper,oats and soybean were used as raw material to make up oat-soybean beverage which were hydrolyzed by α-amylase. Meanwhile the influence of dry sieving,wet colloid milling and homogeneous processing on the stability index,apparent viscosity,centrifugal sedimentation rate,stratification height and light transmittance of oat-soybean beverage were respectively studied by Turbiscan stability analyzer combined with physical methods. The results showed that stability of the sample system treated by colloid mill processing and homogenization twice was significantly higher than other micronized treatment and accorded with the standard of cereal beverage. The results of Turbiscan test had very good consistency with the index of centrifugal sedimentation rate,light transmittance and viscosity determined by physical methods. It indicated that Turbiscan test had a very good application prospect in the cereal beverage.

Turbiscan stability analyzer;micronized treatment;oat-soybean beverage;stability

2014-09-03

白潔(1986-)，女，碩士，工程師，研究方向：非熱加工技術及飲料深加工。

TS219

A

1002-0306(2015)13-0108-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.014