粉狀調(diào)味品潮解、結(jié)團(tuán)原因分析與對(duì)策研究

胥忠生，劉政芳

(1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.安琪酵母股份有限公司，湖北 宜昌 443003)

粉狀調(diào)味產(chǎn)品的吸潮結(jié)團(tuán)是行業(yè)中普遍存在的一個(gè)難題，吸潮結(jié)團(tuán)后的產(chǎn)品往往感官質(zhì)量也會(huì)發(fā)生不利的變化，進(jìn)而影響產(chǎn)品的貨架期。多數(shù)粉狀調(diào)味品都是由2種或2種以上的物料經(jīng)過(guò)混合加工而成，所得產(chǎn)品的性質(zhì)也往往由所使用原料的性質(zhì)決定。調(diào)味品中用到的很多原料都比較容易吸潮結(jié)團(tuán)，比如：酵母提取物、肉類(lèi)提取物、水解動(dòng)物或植物蛋白、部分蔬菜粉等，我們把這些物料統(tǒng)稱(chēng)為具有潮解性質(zhì)的組分。分析這些組分潮解、結(jié)塊的原因，對(duì)于我們尋找控制粉狀調(diào)味產(chǎn)品潮解、結(jié)團(tuán)的措施是非常有幫助和必要的。

1 粉狀物料的潮解現(xiàn)象

1.1 物料潮解的概念及發(fā)生的原因

所謂潮解，是指由水分引起的，當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度達(dá)到或高于某臨界點(diǎn)時(shí)，物料開(kāi)始由固態(tài)向液態(tài)進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換所處的初始階段[1]。為了便于理解，我們可以定義物料開(kāi)始發(fā)生潮解時(shí)的相對(duì)濕度(即潮解臨界點(diǎn))為RH0，當(dāng)物料所處環(huán)境的相對(duì)濕度(RHi)高于RH0時(shí)，物料即開(kāi)始發(fā)生潮解。物料發(fā)生潮解的過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 物料潮解的過(guò)程圖示[2]

當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度(RHi)低于RH0時(shí)，物料的表層通過(guò)氫鍵的作用力開(kāi)始吸附少量的水分(一般會(huì)吸附少于3個(gè)分子層的水分)[3,4]，隨著環(huán)境相對(duì)濕度的不斷增加，當(dāng)RHi>RH0時(shí)，物料的表層由于吸附了足夠多的水分開(kāi)始發(fā)生溶解直至形成一層飽和溶液。

由于這一層飽和溶液的蒸汽壓低于純水的蒸汽壓，外界的水分會(huì)不斷地由表及里向物料內(nèi)部擴(kuò)散，因此，若環(huán)境相對(duì)濕度RHi長(zhǎng)期高于物料的RH0，物料會(huì)不斷進(jìn)行潮解并最終由固態(tài)變成液態(tài)溶液[5]。

在調(diào)味品中用到的多數(shù)物料都具有一定的潮解性，比如食鹽、蔗糖、谷氨酸鈉、有機(jī)酸等[6]，不同物料的潮解性能往往有所不同，主要體現(xiàn)在物料本身的潮解臨界點(diǎn)(RH0)上，表1中顯示了調(diào)味品中常見(jiàn)物料的RH0值及aw值。RH0的大小與物料的物化性質(zhì)有關(guān)，一般而言，物料的水溶性越強(qiáng)，RH0值也越低。另外，如果物料的溶解性隨著溫度的升高而增加，那么RH0值也會(huì)隨著溫度的升高而降低。因此，物料的潮解性與環(huán)境溫度也是密切相關(guān)的。

表1 調(diào)味品中常見(jiàn)物料的潮解臨界點(diǎn)(RH0)及aw值

1.2 混合組分潮解臨界點(diǎn)降低現(xiàn)象

當(dāng)2種或更多種具有潮解性質(zhì)的物料發(fā)生物理接觸時(shí)，混合組分的潮解臨界點(diǎn)值(定義為RH0mix)比其包含的任何單一組分的潮解臨界點(diǎn)值(RH0)都要低，并且RH0mix值下降的程度與混合物中各單組分的比例沒(méi)有直接的相關(guān)性[7]。

Salameh和Taylor[8]對(duì)檸檬酸、果糖及其不同比例混合物的潮解臨界點(diǎn)進(jìn)行了研究，見(jiàn)圖2。

圖2 檸檬酸、果糖及其不同比例混合物的水分吸收特征圖

果糖、檸檬酸分別在環(huán)境相對(duì)濕度為60%，75%時(shí)重量急劇上升，表明潮解開(kāi)始發(fā)生，而果糖與檸檬酸的混合物在環(huán)境相對(duì)濕度為50%左右時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)重量的急劇上升，這說(shuō)明混合組分的潮解臨界點(diǎn)出現(xiàn)下降。另外，果糖∶檸檬酸(9∶1，1∶1，1∶9，W/W)3個(gè)不同混合比例的混合物潮解臨界點(diǎn)并非呈遞增或遞減的順序，說(shuō)明混合組分潮解臨界點(diǎn)下降的程度與兩組分間的混合比例沒(méi)有直接相關(guān)性。

表2 調(diào)味品中常用物料混合后的潮解臨界點(diǎn)(RH0mix)及awmix值

表2中顯示了調(diào)味品中一些常用物料兩兩混合后的潮解臨界點(diǎn)(RH0mix)及aw值變化情況。由表2中數(shù)據(jù)可知，單組分物料兩兩混合后的RH0mix及awmix值比混合前兩單組分物料的RH0及aw值都要低，物料混合后出現(xiàn)了潮解臨界點(diǎn)降低的現(xiàn)象。因此，將具有潮解性質(zhì)的2種或多種原料進(jìn)行混合后，包含這些原料的混合物更容易發(fā)生潮解。

2 粉狀物料的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象

所謂結(jié)團(tuán)，一般是指可以自由流動(dòng)的粉體轉(zhuǎn)變成對(duì)外力具有一定抵抗能力的團(tuán)狀、塊狀或聚合物的現(xiàn)象[9]。在粉狀產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸及儲(chǔ)存過(guò)程中，粉狀物料的結(jié)團(tuán)結(jié)塊是時(shí)常會(huì)遇到的問(wèn)題，粉體產(chǎn)品結(jié)團(tuán)不僅影響其流動(dòng)性、分散性及溶解性，降低了加工性能，還對(duì)產(chǎn)品本身的感官質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)而縮短了產(chǎn)品的貨架期。

影響粉體結(jié)團(tuán)的因素是多方面的，包括環(huán)境相對(duì)濕度、環(huán)境溫度、粉體組分的物化性質(zhì)等，但粉體發(fā)生附聚并結(jié)塊的根本原因還是粉體粒子之間各種結(jié)合力的形成和增加，比如靜電吸引力或范德華力、粒子表層的燒結(jié)、粒子之間形成“液橋”進(jìn)而固化成“固橋”等[10]。其中，環(huán)境水分引起粉體潮解，使得粉體粒子之間形成“液橋”并發(fā)生粘連，是導(dǎo)致物料最終結(jié)團(tuán)的最普遍起因。

由于環(huán)境的相對(duì)濕度是不斷變化和波動(dòng)的，當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度RHi大于物料的潮解臨界點(diǎn)RH0時(shí)，物料開(kāi)始出現(xiàn)吸水潮解，物料粒子的表層變得濕潤(rùn)粘連，粒子與粒子之間形成連接力并不強(qiáng)的“液橋”；當(dāng)RHi小于RH0時(shí)，物料會(huì)出現(xiàn)部分風(fēng)化再結(jié)晶，之前粒子間形成的“液橋”會(huì)失水固化，形成連接力更強(qiáng)的“固橋”。環(huán)境相對(duì)濕度不斷循環(huán)往復(fù)的變化，使得物料粒子間形成的“固橋”越來(lái)越多，并最終導(dǎo)致粉體結(jié)團(tuán)結(jié)塊。粒子間“固橋”的形成是當(dāng)前比較被認(rèn)可的、導(dǎo)致粉體結(jié)團(tuán)結(jié)塊的主要原因。

圖3 番茄粉與全脂乳粉結(jié)團(tuán)后的電鏡掃描圖

圖3顯示了噴霧干燥的番茄粉與全脂乳粉結(jié)團(tuán)后的電鏡掃描圖，從圖3中可以清晰地觀察到(畫(huà)白圈的部分)物料粉粒之間出現(xiàn)的連接“固橋”。

Hartmann和Palzer[12]將氯化鈉晶體(潮解臨界點(diǎn)為76%，25 ℃)分別放置于60%～62%，71%～73%，80%～83%相對(duì)濕度條件下，5天后用電鏡觀察氯化鈉晶體的變化情況，見(jiàn)圖4。

圖4 不同相對(duì)濕度條件下氯化鈉晶體的電鏡掃描圖

由圖4可知，氯化鈉晶體在60%～62%，71%～73%相對(duì)濕度條件下放置5天后，晶體仍然能保持較好的完整性和分散性；而在80%～83%相對(duì)濕度條件下放置5天后，氯化鈉晶體表層出現(xiàn)了部分溶解，表現(xiàn)出疏松多孔的現(xiàn)象，并且晶體與晶體之間出現(xiàn)了粘連，表明氯化鈉晶體表層的潮解導(dǎo)致了晶體間“液橋”的形成。

為了觀察環(huán)境濕度的波動(dòng)變化對(duì)物料結(jié)團(tuán)的影響，Salameh和Taylor將葡萄糖與檸檬酸混合物、果糖與檸檬酸混合物分別置于不同的環(huán)境濕度條件下放置相同的時(shí)間后，進(jìn)行電鏡掃描觀察，見(jiàn)圖5。

由圖5可知，a為葡萄糖與檸檬酸混合物，控制環(huán)境相對(duì)濕度在54%；b為葡萄糖與檸檬酸混合物，控制環(huán)境相對(duì)濕度在RH0mix上下循環(huán)波動(dòng)；c為果糖與檸檬酸混合物，控制環(huán)境相對(duì)濕度在33%；d為果糖與檸檬酸混合物，控制環(huán)境相對(duì)濕度在RH0mix上下循環(huán)波動(dòng)。a，c兩組樣品仍保持較好的分散性，而b，d兩組樣品已經(jīng)出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。這說(shuō)明環(huán)境相對(duì)濕度在物料潮解臨界點(diǎn)的上下波動(dòng)變化對(duì)物料結(jié)團(tuán)結(jié)塊有著直接的影響。

圖5 葡萄糖與檸檬酸、果糖與檸檬酸混合物在不同 環(huán)境中的電鏡掃描圖

3 如何抑制粉狀調(diào)味產(chǎn)品的潮解與結(jié)塊

通過(guò)前面的分析可知，當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度RHi高于物料的潮解臨界點(diǎn)RH0時(shí)，物料即開(kāi)始出現(xiàn)潮解。從理論上來(lái)講，如果能始終控制產(chǎn)品環(huán)境相對(duì)濕度在其潮解臨界點(diǎn)以下，就能夠很好地抑制產(chǎn)品潮解的發(fā)生。然而，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，控制產(chǎn)品環(huán)境相對(duì)濕度在需要的水平下是異常困難的，因?yàn)樵诋a(chǎn)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及銷(xiāo)售過(guò)程中，環(huán)境中的水分無(wú)處不在，環(huán)境濕度也變化無(wú)常，再加上環(huán)境溫度的波動(dòng)影響，同樣會(huì)加劇產(chǎn)品潮解的可能性。因此，面對(duì)如此復(fù)雜的環(huán)境因素，我們能做的與其說(shuō)是完全抑制產(chǎn)品潮解的發(fā)生，不如說(shuō)是在產(chǎn)品的貨架期內(nèi)盡可能延緩產(chǎn)品的潮解、結(jié)團(tuán)。那究竟如何才能延緩產(chǎn)品的潮解并且避免產(chǎn)品結(jié)團(tuán)結(jié)塊呢？大概有以下幾個(gè)方面需要注意。

3.1 產(chǎn)品的配方設(shè)計(jì)至關(guān)重要

物料潮解性的難易首先與其自身的物化性質(zhì)有關(guān)，有些物料在較低的濕度環(huán)境下即開(kāi)始潮解，而有些物料則相對(duì)穩(wěn)定一些。對(duì)于多數(shù)復(fù)合調(diào)味產(chǎn)品而言，往往是由多種物料混合加工而成，這些物料中既包括具有潮解性質(zhì)的組分，如氯化鈉、蔗糖、谷氨酸鈉、麥芽糊精、各類(lèi)提取物等，它們的潮解性能也各不相同，也包括一些不具有潮解性質(zhì)的組分，比如玉米淀粉。合理地搭配使用這些物料去設(shè)計(jì)產(chǎn)品配方往往能夠獲得高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的產(chǎn)品。

3.2 良好的產(chǎn)品包裝必不可少

一個(gè)好的產(chǎn)品包裝往往能夠保護(hù)產(chǎn)品免于受到環(huán)境濕度波動(dòng)的影響，從而延緩產(chǎn)品的潮解，避免結(jié)團(tuán)結(jié)塊。

3.3 原料的水分控制也很重要

多數(shù)粉狀調(diào)味品中往往包含多種物料，在密閉的環(huán)境中，物料與物料之間的水分轉(zhuǎn)移也是時(shí)常會(huì)發(fā)生的事情。Mauer和Taylor將玉米淀粉在75%相對(duì)濕度環(huán)境中平衡1周時(shí)間后，放置于一個(gè)密閉容器中，之后將一些具有潮解性的粉狀物料在11%相對(duì)濕度環(huán)境中平衡之后，也放置在該密閉容器中(見(jiàn)圖6，黑圈部分為潮解性物料)。

圖6 不同水分含量的玉米淀粉與潮解性物料于 密閉容器中放置實(shí)驗(yàn)

由圖6可知，65 h之后，該粉狀物料完全潮解成液狀，說(shuō)明玉米淀粉中所含的水分已轉(zhuǎn)移至該物料中，使其吸濕潮解。因此，控制產(chǎn)品中非潮解性原料的水分十分重要，可以減輕對(duì)其他潮解性原料的影響。

3.4 選擇添加合適的抗結(jié)劑

粉狀調(diào)味品中添加合適的抗結(jié)劑往往能夠增加產(chǎn)品的流動(dòng)性，減少物料顆粒之間的摩擦力，同時(shí)抗結(jié)劑可以附著在物料顆粒表面，減少潮解性物料間的直接接觸，從而減輕混合組分潮解臨界點(diǎn)降低現(xiàn)象的發(fā)生。Lipasek等研究了3種不同的抗結(jié)劑(硬脂酸鈣、硅酸鈣、二氧化硅，添加比例均為1.5%，W/W)對(duì)氯化鈉∶蔗糖(1∶5.8)的混合物在不同溫度條件下潮解臨界點(diǎn)RH0mix的影響，見(jiàn)表3。

表3 3種抗結(jié)劑對(duì)氯化鈉和蔗糖混合物潮解臨界點(diǎn) RH0mix值的影響

由表3可知，添加了硬脂酸鈣的氯化鈉和蔗糖混合物在25，35，45 ℃條件下潮解臨界點(diǎn)RH0mix值相較未加抗結(jié)劑時(shí)有了較大幅度的提高，而硅酸鈣、二氧化硅對(duì)氯化鈉和蔗糖混合物潮解臨界點(diǎn)RH0mix值的影響較小。

4 結(jié)論

物料的潮解是由環(huán)境中的水分所引起的，并且與溫度密切相關(guān)。多數(shù)粉狀調(diào)味品都含有2種及2種以上具有潮解性質(zhì)的原料組分，在產(chǎn)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及銷(xiāo)售過(guò)程中，產(chǎn)品所面臨的環(huán)境因素是復(fù)雜多變的，產(chǎn)品中部分物料的潮解、結(jié)團(tuán)直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，產(chǎn)品中物料的潮解也可能會(huì)最終導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)團(tuán)結(jié)塊。為了避免貨架期內(nèi)結(jié)團(tuán)結(jié)塊而影響產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品的配方設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理是第一重要的，其次良好的產(chǎn)品包裝對(duì)保持產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也顯得十分關(guān)鍵，控制所使用原料的水分及選擇添加合適的抗結(jié)劑同樣對(duì)粉狀產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性很有幫助。