沙棘渾濁果汁穩定性的研究

劉 鑫，朱 丹，魏文毅，牛廣財*，楊 楠，曹榮安

（1.黑龍江八一農墾大學 食品學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農墾大學 生命科學技術學院，黑龍江 大慶 163319）

沙棘（Hippophae rhamnoidesLinn.）屬胡頹子科沙棘屬，又稱醋柳、黃酸刺、酸刺柳、黑刺、酸刺等，產要產于我國河北、內蒙古、黑龍江、山西、陜西、甘肅、青海及四川等地[1]。沙棘果是一種極具營養、藥食兼用的水果，果實經壓榨得到的沙棘果汁含有維生素C、氨基酸、微量元素和黃酮及酚酸類等營養及活性成分，是生產營養保健飲料的良好原料[2]。目前，國內對沙棘果汁研究中，因其含有較多的果油，對果汁的穩定性有著很大影響，是沙棘果汁生產中的一大難題。

果汁飲料的穩定性一直是困擾生產企業的技術難題，分層主要原因是果汁內含物質導致了粒子的形成，粒子易凝集沉淀使果汁發生分層[3]，在這個混合體系中，不溶性的物質與液體之間較大的密度差異是果汁分層的要因。造成果汁沉淀分層的因素有很多，如果汁中的果膠、蛋白質、單寧間的相互作用[4-5]，也包括果汁中含有的不溶性纖維[6]，另外，果汁微粒過大也直接影響了其沉降速率。目前，解決果汁分層問題普遍采用的是向果汁中加入穩定劑，穩定劑的選擇與添加量是影響果汁穩定性的主要因素之一[7]，但是穩定效果還與穩定劑的種類、飲料的加工工藝和理化性質等有關，不同的果汁飲料最適的穩定劑組成也各不相同。王敏等[8]研究確定了蘋果、梨復合果汁最佳復配增稠劑為0.1%卡拉膠，0.1%果膠和0.02%黃原膠；汪增乾等[9]研究確定了臍橙、酸木瓜復合汁的最佳復合穩定劑總添加量為0.2%，組成比例為黃原膠∶羧甲基纖維素鈉∶海藻酸鈉=3∶3∶1。本研究以沙棘汁為主要原料，探究穩定劑種類和添加量的不同對沙棘汁穩定性的影響，通過響應面優化試驗得到添加穩定劑的最佳組合。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

冷凍沙棘果汁：黑龍江省農科院漿果研究所提供；白砂糖：市售；阿拉伯膠、黃原膠、魔芋膠（食品級）：河南思遠生物科技有限公司；果膠（食品級）：旺鑫生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

L420臺式低速自動平衡離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；APV-60高壓均質機：上海申鹿均質機有限公司；WFH-203C電子天平：奧豪斯儀器（上海）有限公司；UV-1100型紫外可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司；Bettersize-2000激光粒度分析儀：丹東市百特儀器有限公司；HWS-26電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科技儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 沙棘果汁澄清工藝流程與操作要點

沙棘果汁解凍→調配（白砂糖、穩定劑）→均質→灌裝→殺菌→冷卻→成品

將穩定劑在水浴90～95℃條件下溶解，溶液至澄清透明即膠體全部溶解后，將其加入果汁中攪拌均勻，加入7%的白砂糖后，在25MPa條件下高壓均質10min，均質1次，使果肉細致均勻，而后進行灌裝，90℃加熱殺菌10 min后冷卻至室溫。

1.3.2 沙棘果汁添加不同穩定劑的單因素試驗

根據果汁特性選用了黃原膠、阿拉伯膠、果膠、魔芋膠5種穩定劑進行單因素試驗，穩定劑的添加量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%，根據沉淀率大小及觀察果汁放置48 h后是否有分層現象，判斷其穩定效果，初步篩選出效果明顯的穩定劑。

1.3.3 穩定劑復配響應面試驗設計

根據單因素試驗，選取對果汁穩定性有顯著效果的果膠、黃原膠和阿拉伯膠進行3因素3水平的響應面試驗，試驗因素與水平見表1。通過Design-Expert 8.0.6軟件分析復配穩定劑最佳的添加量，并對軟件分析結果進行3次驗證試驗，比較實際測得離心沉淀率平均值與理論值差異大小，驗證模型可靠性。

表1 Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.4 測定方法

（1）沉淀率測定：取沙棘果汁20 mL，3 500 r/min條件離心15 min，去除上清液后，離心管倒置待其干燥至質量恒定后稱量[10]，計算沉淀率，平行試驗3次。計算公式如下：

（2）粒徑分布測定：用激光粒度分布儀分析沙棘果汁顆粒大小分布情況，根據顆粒大小判斷穩定劑對果汁穩定性的影響[10-11]。

2 結果與分析

2.1 單一穩定劑對沙棘果汁穩定性的影響

2.1.1 不同果膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響

果膠加入果汁中可與陽離子發生凝膠反應，將不溶性的顆粒懸浮在液體中使沙棘果汁不分層[12]。不同果膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響如表2所示。

表2 不同果膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響Table 2 Effect of different pectin addition on the stability of sea buckthorn juice

由表2可知，隨著果膠添加量的增加，沉淀率降低，果膠添加量為0.10%時，沉淀率最小，果膠添加量≥0.20%時，沉淀率明顯增加，說明果膠對果汁的穩定作用與果膠的添加量并不成正相關。并且第5組與第6組果汁發生分層現象，底層出現膠凍狀沉淀，果膠添加量過多。其他四組靜置放置后，并未發現分層現象，狀態均一，沙棘果汁穩定狀態良好，故最佳果膠添加量為0.10%。

2.1.2 不同阿拉伯膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響

阿拉伯膠有較好的乳化作用適用于水包油體系[13]，因沙棘果汁比其他果汁含較多的果油，故阿拉伯膠適合作為穩定劑加入沙棘果汁中，不同阿拉伯膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響如表3所示。

表3 不同阿拉伯膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響Table 3 Effect of different gum arabic addition on the stability of sea buckthorn juice

由表3可知，阿拉伯膠添加量在0.05%～0.20%時，沉淀率幾乎成下降趨勢；添加量＞0.25%時，沉淀率稍有增加；阿拉伯膠添加量在0.20%時，沉淀率最小。靜置觀察后，第1組稍有分層現象，其他實驗組并未發生分層現象，沙棘果汁狀態穩定均一。添加阿拉伯膠的試驗組靜置觀察后的均一穩定狀態證明了其穩定效果。故阿拉伯膠的最佳添加量為0.20%。

2.1.3 不同黃原膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響

黃原膠是相對分子質量100萬以上的多糖類的高分子化合物，二級結構是通過氫鍵維系的雙螺旋結構，大分子的結構易與樣品結合而相互作用，其特殊的二級結構使其低含量的黃原膠穩定效果較好，并且由于沙棘果汁偏酸性，而黃原膠在酸性環境中的穩定性良好，又與其他穩定劑有良好的協同作用，適合進行復配試驗[14]。不同黃原膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響如表4所示。

表4 不同黃原膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響Table 4 Effect of different xanthan gum addition on the stability of sea buckthorn juice

由表4可知，黃原膠對沙棘果汁穩定性的改善效果明顯，靜置后并未出現分層現象，黃原膠添加量為0.05%～0.15%時，果汁狀態穩定均一，沉淀率依次減少；黃原膠添加量≥0.20%，沉淀率明顯上升。由此可見，黃原膠的最佳添加量為0.15%。

2.1.4 不同魔芋膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響

魔芋膠是線性的大分子結構，樣品通過空隙進入到大分子結構與并與其相互作用而起到穩定的作用，不同魔芋膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響如表5所示。

表5 不同魔芋膠添加量對沙棘果汁穩定性的影響Table 5 Effect of different konjac gum addition on the stability of sea buckthorn juice

由表5可知，魔芋膠添加量為0.10%時未見分層，其余實驗組均發生分層現象，上層為絮狀油層，中層為澄清液體，底層出現沉淀物。但由于魔芋膠自身重力影響并不能起到很好的懸浮效果，使得沉淀率上升[15]。由此可見，魔芋膠對沙棘果汁穩定作用不明顯。

2.2 穩定劑復配的響應面優化分析

由單一穩定劑對沙棘果汁穩定性影響試驗的結果可知，果膠添加量（A）0.05%～0.15%、黃原膠添加量（B）0.05%～0.15%及阿拉伯膠添加量（C）0.15%～0.25%對沙棘果汁的穩定性最好，因為不同穩定劑之間可能存在相互協同作用。以沉淀率（Y）為響應值，將這3種對果汁影響較大的穩定劑進行響應面優化試驗，試驗結果如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗設計方案及結果Table 6 Design and results of Box-Behnken experiments

應用Design-Expert8.0.6軟件進行二次多項擬合，得沉淀率隨3種穩定劑添加量變化的回歸方程為Y=0.87-0.74A-0.21B-0.071C-0.14AB-0.19AC+0.15BC+0.58A2+0.093B2+0.075C2。對所得方程進行方差分析，分析結果見表7。

表7 響應面試驗結果方差分析Table 7 Variance analysis of response surface experiments results

由表7可知，回歸方程模型因素水平極顯著（P＜0.0001），回歸方程的調整系數R2=0.993 6接近回歸方程的系數R2=0.9972，說明方程擬合性好；失擬項不顯著（P＞0.05），說明方程可靠，可對響應值進行合理可靠預測。模型中一次項A、B、C影響極其顯著（P＜0.01），并且A、B影響因素大于C因素。同時，AB、AC、BC間交互作用影響極顯著（P＜0.01），二次項A2、B2對結果影響極顯著（P＜0.01），二次項C2對結果影響顯著（P＜0.05）。各因素交互作用對飲料沉淀率影響的響應面與等高線見圖1。

圖1 阿拉伯膠、黃原膠、果膠添加量交互作用對沙棘果汁穩定性影響的響應面及等高線Fig.1 Response surface plots and contour lines of effect of interactions between gum arabic,xanthan gum and pectin addition on the stability of sea buckthorn juice

經Design-Expert 8.0.6軟件分析后，在沙棘果汁中加入果膠0.14%，黃原膠0.14%，阿拉伯膠0.24%時穩定性最好，此時理論離心沉淀率為0.42%。為驗證結果的可靠性，在沙棘果汁中加入0.14%的果膠，0.14%的黃原膠及0.24%的阿拉伯膠，進行3組重復試驗，測得離心沉淀率的平均值為0.45%，與理論值接近，以此可驗證模型可靠性。

2.3 穩定劑對沙棘果汁粒徑分布影響分析

加入響應面試驗優化的穩定劑后沙棘果汁粒徑分布與未添加穩定劑空白組粒徑分布對照結果如圖2所示。由圖2可知，空白組粒徑大小分布范圍廣，且粒徑大小分布的范圍要大于加入復配穩定劑的測量組，復配穩定劑對沙棘果汁粒徑的分布有很大影響。空白組的粒徑分布寬，粒徑90%分布在8.949 μm以下，平均粒徑為4.101 μm，未添加穩定劑的沙棘果汁穩定性較差；添加復配穩定劑后的沙棘果汁粒徑90%分布在4.921 μm以下，平均粒徑為2.300 μm，添加復配穩定劑的果汁粒徑大小明顯降低，由此證明復配穩定劑可對沙棘果汁粒徑分布有明顯降低作用。結果表明，復配穩定劑通過降低沙棘果汁粒徑而提高其穩定性。

圖2 復配穩定劑對粒徑分布的影響Fig.2 Effect of compound stabilizer on the particle size distribution

3 結論

經響應面優化沙棘渾濁果汁穩定劑復配的最優配方為果膠0.14%，黃原膠0.14%，阿拉伯膠0.24%，此時離心沉淀率最小，為0.45%，穩定性最好。通過粒徑分布測定可知，加入復配穩定劑的沙棘果汁粒徑90%分布在4.921 μm以下，平均粒徑為2.300μm；空白組粒徑90%分布在8.949 μm以下，平均粒徑為8.949 μm；說明復配穩定劑通過降低沙棘果汁粒徑分布而提高其穩定性。

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