荸薺汁歐姆加熱特性及歐姆加熱對其澄清度的影響

曾 雪,王 偉,李雪瑞,徐曉云,3,王魯峰,,*

(1.華中農業大學食品科學技術學院,湖北武漢 430070;2.武漢食品化妝品檢驗所,湖北武漢 430012;3.環境食品學教育部重點實驗室,湖北武漢 430070)

荸薺(Heleocharisdulcis(Burm. f.)Trin.)又名馬蹄,是一種莎草科多年水生草本植物。荸薺分為野生和栽培兩種類型,食用的主要是栽培型,此類荸薺球莖較大,有的肉質較粗,渣多,淀粉含量高,較耐貯藏;部分品種味甜,渣少[2]。荸薺的營養豐富,含水分約68%、淀粉約18%、蛋白質約2%、脂肪約0.19%,也含有豐富的礦物質,比如鉀(500 mg/100 g)。荸薺熟食,葷素皆宜,能做成多種美味佳肴[3-4]。一般認為荸薺能降火、消食化痰、補肺涼肝、生津開胃、消食醒酒,可治療痰熱咳嗽、咽喉疼痛、便血等[5]。

目前荸薺主要用于鮮食,加工制品較少。其中,荸薺汁是最主要的加工產品,分為澄清汁和渾濁汁兩種。渾濁汁呈較為明顯的渾濁態,商品價值及市場接受程度不及澄清汁。其混濁顆粒主要有淀粉膠粒、果膠-蛋白質膠粒和纖維素-半纖維素膠粒,這些膠粒不僅粒度非常小,而且它的外表帶有很多負電荷,自然沉降速率非常慢,阻止膠粒之間凝結成團[6],致使膠粒表現出很高的懸浮穩定性。因此如何去除部分渾濁顆粒,改善荸薺汁的澄清效果是非常值得研究的課題。

歐姆加熱又稱為通電加熱,它是利用食品物料具有的電導特性來加工食品的技術,比如電解質溶液會發生定向移動從而使物料導電[1,7]。歐姆加熱易操作、無污染、熱能利用率高,加工食品質量好,能實現含有顆粒的液固混合食品及固體食品的高溫快速殺菌[8]。Palaniappan等[9]研究了不同電壓和不溶性固體對歐姆加熱胡蘿卜和番茄汁巴氏殺菌的影響。Martynenko等[10]做了歐姆加熱處理液體食品之后食品品質的評估,指出溫度影響了果汁的電導率。LI Fa-de等[15]對歐姆加熱豆漿做了相關特性的研究,發現歐姆加熱電場強度對于豆漿中脲酶活性的影響不大,王云陽等[12]研究指出蘋果汁電導率和介電損耗因子的影響因素,為歐姆加熱蘋果汁提供基礎數據支持。但是,目前國內外對歐姆加熱荸薺汁相關的研究未見報道。此外,歐姆加熱除了熱效應外,還有電場作用,有可能作用于荸薺汁中的帶電粒子,繼而破壞其穩定性,有改善澄清度的潛力。本文采用簡易歐姆加熱裝置,研究荸薺汁的歐姆加熱特性,并分析此條件下歐姆加熱對改善荸薺汁澄清效果的作用,以初步明確其在荸薺汁加工中的應用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

荸薺 湖北省孝感市本地市場。

圖1為自行設計組裝的歐姆加熱設備示意圖,加熱槽極板可以根據實驗需要進行調節。

圖1 歐姆加熱裝置示意圖

緊湊型數字電橋 常州同惠電子股份有限公司;溫度控制器 青島科迪博電子科技有限公司;電力監測儀 深圳市北電儀表有限公司;低速果渣分離榨汁機 北京京東世紀貿易有限公司;離心機 德國貝克曼;冷凍干燥機 武漢德力詳儀器設備有限公司;X-射線衍射儀器 德國BRUKER;激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司;Zetasizer 英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 荸薺汁的制備 新鮮荸薺削好皮后迅速轉至4 ℃水中儲存備用,實驗前將每個樣品清洗干凈并除去多余的水分,用低速果渣分離榨汁機對荸薺進行榨汁,然后將汁液通過食品級80目濾網進行過濾,去除濾渣[12]。

1.2.2 歐姆加熱處理及普通加熱處理 1.1中圖1為自行設計組裝的歐姆加熱設備示意圖,其中加熱槽極板間距可調,分別在6、8、10 cm處,通入220 V的電流后,根據E=U/d,E-電場強度,U-電壓,d-極板之間的距離,可得電場強度分別為22、27.5、36.7 V/cm,其中設置各電場強度對應的頻率見表1。

表1 電場強度和頻率實驗設計Table 1 Electric field intensity and frequency experiment design

由于荸薺汁的出汁率較低,且渾濁度較高,在荸薺汁實際生產過程中通常需要對其進行稀釋處理。因此,本研究取過濾后的汁液250 mL至1 L量筒中,稀釋4倍,制備1 L的新鮮荸薺汁樣品。然后將荸薺汁汁液放入歐姆加熱裝置中,通過熱電偶實時檢測荸薺汁內部溫度,當溫度升到20 ℃時,開始計時,直到溫度達到90 ℃時實驗結束并冷卻至室溫。歐姆加熱過程中,在20～90 ℃的溫度范圍內,每5 ℃測量荸薺汁的阻抗和相位角,用溫控器,電力監測儀等測相關值的變化。

普通加熱實驗的樣品處理同上,具體操作是:讓汁液置于同一容器中在1600 W的電磁爐上進行加熱,實時監測其溫度變化,90 ℃停止。

1.2.3 溫度及電導率、電阻、容抗、感抗的測定 在固定的電壓梯度和加熱時間下測量荸薺汁的瞬時溫度。通電加熱過程中,在20～90 ℃的溫度范圍內,每5 ℃測量荸薺汁的阻抗和相位角,記錄溫度、電壓、電流。將電極板和荸薺汁接觸的表面看成電容,荸薺汁看成電阻,則整個系統看成一個等效電路。測得的整個系統的電導率及電極的容抗和荸薺汁的電阻,計算公式如下:

式中:σ-物料電導率,s/m;L-加熱槽內鈦電極板之間的距離,m;Ae-極板與物料之間的有效接觸面積,m2;R-電阻,Ω;I-電流,A;U-電壓,V。

電阻為R=|Z|×cosθ

式中:R-荸薺汁的電阻值,Ω;|Z|-荸薺汁阻抗測量值,Ω。

容抗為X=|Z|×sinθ

式中:X-容抗值,Ω;|Z|-荸薺汁阻抗測量值,Ω。

感抗為XL=2πfL

式中:XL-感抗,Ω;L-電感,H;f-頻率,Hz。

1.2.4 荸薺汁顆粒粒徑的測定 荸薺汁添加蒸餾水配制為質量分數25%的稀釋汁樣品,然后分別取5份200 mL樣品于300 mL三角瓶中,編號a、b、c、d、e,其中a號樣品在36.7 V/cm,50 Hz條件下歐姆加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;b號樣品在22 V/cm,400 Hz條件下歐姆加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;c號樣品在36.7 V/cm,400 Hz條件下歐姆加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;d號樣品(普通汁)用電磁爐加熱,從室溫加熱至90 ℃,置于4 ℃冰箱中靜置;e號樣品(原汁)未經過任何加熱處理,混勻后直接置于4 ℃冰箱中靜置。靜置6 h后,將上清液分別倒入另一潔凈容器中,搖勻取樣于三角瓶,超聲分散,進激光粒度儀對上清液和絮狀沉淀進行顆粒粒徑測定。

1.2.5 荸薺汁沉淀的X射線衍射分析 取1.2.4靜置完畢的樣品,倒掉上清液,搖勻,取絮狀沉淀樣液于凍干機中凍干48 h,凍干后將其研磨成細粉,用x-射線衍射儀進行分析。采用粉末壓片法,測試條件為:CuKa(λ=0.15406 nm)輻射,測試電壓40 kV,測試電流40 mA,掃描方式為步進掃描,掃描速度為10 °/min,步長0.02 °。

1.2.6 Zeta電位分析 取1.2.4靜置完畢的樣品,倒掉上清液,搖勻,取絮狀沉淀樣液導入電位儀的電位池中,測試溫度為25 ℃,用Zeta電位分析儀測定其Zeta電位值,3次平均樣的平均值。

1.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2007軟件初步整理,使用GraphPad Prism 5.0繪圖軟件進行圖表處理。所有數據均取3次測試的平均值并計算標準差。

2 結果與分析

2.1 荸薺汁歐姆加熱過程中電導率的變化

由圖2分析可知,在三種電場強度和三種電場頻率下,荸薺汁的電導率都隨溫度呈近似線性增加,并且隨著溫度的增加,頻率的影響更顯著(p<0.05)。但是到80、90 ℃時,電導率明顯降低,推測主要是因為產生了絕緣性的氣泡,干擾電流的流動而導致整個系統的電導率降低[14-15]。同時荸薺中含有大量淀粉,淀粉糊化,使得荸薺汁黏度增加,這些都會降低荸薺汁的電導率。此外,同一電場強度下,荸薺汁的電導率隨加熱頻率的增加而增加,其中在200和400 Hz時電導率約為50 Hz時的兩倍。這可能是因為低頻時,由于荸薺汁雙電層電容的影響溶液阻抗很大,電導率偏低;高頻時,雙電層來不及形成,阻抗主要來源于溶液的電阻,電導率有所增加[1]。這也說明荸薺汁不是純電阻電路。此外,未發現電場強度對荸薺汁的電導率有顯著影響(p>0.05)。

圖2 不同歐姆加熱條件對荸薺汁電導率的影響

2.2 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁溫度的變化

歐姆加熱也是電能轉化為溶液熱能的過程。但參數設計不同,加熱的速率也不同。由圖3可知,隨著電場強度的增加,加熱速率也增加,達到沸騰的溫度所用時間就越少。當電場強度為36.7 V/cm的時候,大約需要4 min,27.5 V/cm時,約需5 min,22 V/cm時,則需約6 min,甚至更長時間。可以近似認為低頻低電場強度下荸薺汁的溫度隨時間呈線性關系,高頻高電場強度下則呈指數關系。指數方程為[17]:T=C1×eC2×t+C3+C4,式中C1、C2、C3、C4為常數,t為時間,T為溫度。低頻時的線性變化可能是因為加熱時間長,散熱多,導致體系溫度損失大,指數關系被削弱。高頻時這種變化可由單位體積荸薺汁單位時間內產生的熱量q[16]:q=δ×E2分析,其中q-單位體積荸薺汁單位時間內產生的熱量,Js-1;δ-荸薺汁的電導率,Sm-1;E-電場強度,Vm-1。熱量與電場強度的平方成正比,所以電場強度越大,產生的熱量就越多,加熱速率也就越高。

圖3 不同歐姆加熱條件對荸薺汁加熱速率的影響

2.3 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁的電阻值的變化

荸薺汁呈弱酸性,其中的有機酸、金屬離子、帶電膠粒等提供一定導電性。由圖4分析可知,在不同電場強度下,三個頻率條件下荸薺汁的電阻值主要在2～10 Ω間波動。50 ℃以上時電阻減小的原因主要有兩個方面引起。一是導電離子在水溶液中并不是孤單地存在,而是與水分子形成水合物。當溫度升高時,離子的水化作用減小了,載流子的遷移率增加,使電阻下降;二是當溫度升高時,溶液的粘度降低了,這就減小了離子移動時所受到的阻力,也使離子的遷移率增加。理論上講,頻率不同時電阻應該保持不變,但是圖中顯示高電場頻率時,電阻值有減小的趨勢流。這應該是由低電場頻率時的極化效應(當電流通過電極時會發生氧化或還原反應從而改變電極附近溶液的組成產生“極化”現象)引起的[15]。

圖4 不同歐姆加熱條件對荸薺汁電阻的影響

2.4 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁的容抗值的變化

荸薺汁電極板之間會形成電容,并也應具有通高頻、阻低頻的特點。由圖5分析可知:在不同的電場強度和頻率條件下,荸薺汁的容抗值主要是在-5～0 Ω之間波動。電場強度對其的影響不顯著(p>0.05)。但在同一電場強度時,頻率越高容抗越小,這符合交流電體系的基本特征-頻率越高體系電容對阻抗的貢獻越小。但個別數值出現劇烈波動,可能是因為荸薺汁溶液在溫度較高時電學性質不穩定。

圖5 不同歐姆加熱條件對荸薺汁容抗的影響

2.5 荸薺汁歐姆加熱過程中荸薺汁的感抗值的變化

電感具有通直流,阻交流的基本特點,且頻率越高這種阻礙作用越大。但由圖6分析可知:電場頻率從50 Hz升高到400 Hz時,感抗值并未表現規律性變化。這與經典理論有所偏差,說明荸薺汁體系具有一定的感抗,但其感抗特性并不穩定或者在更高頻率下電感被部分破壞。這其中的內在原因尚需要進一步研究。

圖6 不同歐姆加熱條件對荸薺汁感抗的影響

2.6 不同處理方式對荸薺汁上清液和沉淀粒徑的影響

由圖7發現,上清液的粒徑中,原汁的粒徑比其他組粒徑大。可能是因為原汁膠粒間斥力大于引力,溶膠較穩定。不同加熱方式處理后上清液中顆粒粒徑均出現了明顯下降,但各組之間沒有顯著性差異(36.7 V/cm 400 Hz除外)。推測是部分顆粒發生了解體或沉淀,沉淀積累從而使沉淀的粒徑有所增加。另外,歐姆加熱后沉淀粒徑比普通加熱處理的要小,可能說明歐姆加熱條件下的粒徑沉淀的較少,部分發生了解體。由DLVO(膠體顆粒的聚集穩定性)理論[18]:膠體的穩定性取決于粒子間的范德華力和靜電排斥作用。若斥力大于引力,則溶膠穩定,反之,則不穩定。可以推測,歐姆加熱改變了原有靜電力場的分布,促進了部分顆粒的解體,也可能導致了部分顆粒的重新聚集。

圖7 不同處理方式對荸薺汁上清液和沉淀粒徑的影響

2.7 不同加熱方式處理后荸薺汁沉淀的X射線衍射分析

荸薺中淀粉含量豐富,在其衍射圖譜中表現出明顯的結晶結構。加工荸薺汁產生的沉淀也主要由淀粉構成。由圖8可以看出,只有原汁中出現結晶的衍射圖譜,歐姆加熱和普通加熱處理后均看不到結晶的衍射圖譜,說明歐姆加熱同樣可以使淀粉糊化而變為結晶消失。但不同加熱方式引起的淀粉的糊化和老化程度也會有不同,這還需要進一步的研究。

圖8 不同處理方式對荸薺汁中有結晶度物質的含量的影響

2.8 不同加熱方式處理后荸薺汁Zeta電位的變化

由表2數據得出,相比于原汁Zeta電位的絕對值大小,加熱處理后的荸薺汁Zeta電位的絕對值均大幅下降(約為原值的50%),說明加熱處理后其穩定性都降低了。不過需要說明的是,即使原汁的電位絕對值較大,但也屬于不穩定區間,容易發生凝集沉淀。我們推測原汁膠粒間的總位能達到最大值,一般膠粒動能遠遠小于此值而不能逾過,此時溶液中微粒之間斥力大于引力[18-19];加熱后,荸薺汁中的淀粉分子內部氫鍵斷裂,結構舒展開,當荸薺汁溶膠中存在個別動能非常大的膠粒相遇時,隨著距離的減小,吸引能顯著增加,吸引力強于斥力,部分膠粒就在此力作用下自動聚結,并呈現出了聚結不穩定[17-18]。歐姆加熱的外加電場又改變了體系的電荷分布,進一步破壞了電位平衡。結合前面顆粒粒徑變化的情況,或許可以利用歐姆加熱配合其他操作加快汁液的澄清,改善產品澄清度。

表2 不同處理方式處理荸薺汁后其Zeta電位的變化Table 2 The changes of Zeta electrical potential after different treatments on Chinese water chestnut juice

3 結論

荸薺汁的電導率隨著溫度的增加而增加,隨電場強度變化較小,隨頻率的增加而顯著增加。電場強度和頻率越大,電極-荸薺汁體系加熱速率越大,達到沸騰的溫度所用時間越少;低頻低電場強度下荸薺汁的溫度隨時間呈線性關系,高頻高電場強度下則呈指數關系。固定頻率值不變時,50、200 Hz時,電阻值、容抗值、感抗值不斷變化。荸薺汁的容抗值主要在-5～0 Ω之間波動,且電場強度對其影響不顯著。荸薺汁體系具有一定的感抗,但其感抗特性并不穩定或者在更高頻率下電感被部分破壞。荸薺汁不是純電阻電路,在歐姆加熱時需要考慮容抗和感抗的影響。

歐姆加熱對荸薺汁澄清度有一定改善作用。相比于普通加熱,歐姆加熱后荸薺汁沉淀顆粒粒徑更小,可能是歐姆加熱改變了原有靜電力場的分布,促進了部分顆粒的解體。通過對沉淀物進行了X射線衍射分析,發現只有原汁中出現結晶的衍射圖譜,歐姆加熱和普通加熱處理后均看不到結晶的衍射圖譜,說明歐姆加熱同樣可以使淀粉糊化而變為結晶消失。但不同加熱方式引起淀粉的糊化和老化程度也會有不同,這還需要進一步的研究。另外歐姆加熱后電位值下降,顆粒穩定性下降,更加易于荸薺汁的澄清。此外歐姆加熱加熱速度快且均勻,對果汁風味和營養價值的影響較小,綜合來看具有較好改善荸薺汁品質的潛力。