交聯淀粉對甘薯濁汁飲料穩定性的影響

張佳艷 熊建文 崔 娜 陳正培

(廣西科技大學鹿山學院食品與化學工程系，廣西 柳州 545616)

淀粉質植物飲料是以薯類、芋類、玉米、板栗、葛根等淀粉含量較高的植物根莖為原料制作而成的[1]。近年來，植物飲料由于營養功效優良而備受消費者歡迎。但由于淀粉質植物飲料中淀粉與蛋白質含量高，加工后容易在飲料中形成沉淀，限制了該類產品的品質與發展[2]。為提高淀粉質植物飲料的穩定性，多采用添加穩定劑、酶解淀粉、高壓均質等方法提高該飲料的穩定性[3-6]，而添加的穩定劑主要有明膠、乳蛋白、親水性膠體與變性淀粉等物質。交聯淀粉是常用的一種變性淀粉，是通過交聯劑在淀粉分子上的羥基之間形成酯鍵或醚鍵，從而提高淀粉的持水性、黏度、熱力學穩定性及其他加工特性[7]。目前，交聯淀粉主要作為增稠劑、穩定劑應用于湯、醬料與乳制品中[8-10]，Rungtiwa等[3]研究表明，1.0%木薯交聯淀粉能夠顯著改善湯的質地特性與感官品質；Bo等[4]研究表明交聯乙酰化淀粉能夠增強酸奶酪蛋白凝膠網絡的穩定性；Steeneken等[11]研究表明淀粉顆粒交聯的程度影響醬料在加工過程中的穩定性。但目前尚未有將交聯淀粉作為穩定劑應用于淀粉質植物飲料的報道。試驗擬研究不同交聯程度的交聯淀粉對紅薯濁汁飲料穩定性的影響，為交聯淀粉在淀粉質植物飲料中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯：淀粉含量11.95%，柳州市江友薯品有限責任公司；

馬鈴薯淀粉：分析純，水分含量12.5%，直鏈淀粉與支鏈淀粉質量比為23∶77，西亞試劑有限公司；

三偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉：分析純，阿拉丁生化科技有限公司。

1.2 儀器與設備

微波合成反應工作站：MAS-IIPLUS型，上海新儀微波化學科技有限公司；

紫外—可見分光光度計：UV-5100型，上海元析儀器有限公司；

分散穩定性分析儀：Turbiscan tower 型，法國Formulaction公司；

流變儀：AR1000型，英國TA有限公司；

Zeta電位分析儀：3000型，英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 制備交聯淀粉 根據張佳艷等[12]的方法修改如下：準確稱取馬鈴薯淀粉40 g(干基)，加入蒸餾水，配制成質量分數為40%的淀粉乳濁液，向淀粉乳液中加入不同濃度(6%，8%，10%，12%，14%)的三聚磷酸鈉/三偏磷酸鈉(1∶4，質量比)與10%無水硫酸鈉，攪拌后置于微波設備中并于450 W、45 ℃下反應3 min，采用1 mol/L的HCl溶液調整淀粉乳液pH至6.0～6.5以終止交聯反應，4 000 r/min離心5 min，真空抽濾，用雙蒸水洗滌7次，50 ℃ 下烘干過夜，粉碎后過80目篩，得到白色粉末狀物質即為馬鈴薯交聯淀粉(CLPS)。

1.3.2 甘薯濁汁飲料制備工藝流程 根據Yi等[13-14]的制備工藝進行修改。

甘薯洗凈→蒸煮(隔水蒸30 min)→去皮→護色(0.15% 檸檬酸)→加水打漿[料液比1∶2 (g/mL)]→調配(加入1.5%交聯淀粉、5%蔗糖與0.2%檸檬酸)→膠體磨→均質(65 ℃，20～25 MPa，10 min)→罐裝→排氣→封蓋→殺菌(100 ℃，30 min)→冷卻→甘薯濁汁飲料成品

1.3.3 飲料渾濁度 將甘薯濁汁飲料室溫放置30 d，每隔6 d測定果汁渾濁度。取10 g濁汁于離心管中，4 000 r/min 離心10 min，取上清液，以蒸餾水為參照，在660 nm處測量上清液的吸光度[15]。

1.3.4 流變特性 根據余振宇等[16-17]的方法修改如下：平板間距1 000 μm，剪切速率0～200 s-1，測定25 ℃下飲料的表觀黏度與剪切應力隨剪切速率的變化曲線，采用Power-Law方程和Hershek-Bulkley方程對剪切應力隨剪切速率變化的流變曲線進行模型擬合。

Power-Law方程：τ=Kγn，

(1)

Hershek-Bulkley方程：τ=τ0+Kγn，

(2)

式中：

τ——剪切應力，Pa；

τ0——屈服應力，Pa；

K——稠度系數，Pa·sn；

γ——剪切速率，s-1；

n——流動特征指數。

取少量攪拌均勻的濁汁飲料置于流變儀底板上，平板間距1 000 μm，25 ℃，應變0.5%，頻率掃描0.1～10.0 Hz，測定儲能模量(G′)、損耗模量(G″)隨頻率變化的曲線。采用Power-Law方程對儲能模量(G′)隨頻率變化的流變曲線進行模型擬合。

Power-Law方程：G′=AωB，

(3)

式中：

G′——儲能模量，Pa；

ω——振蕩頻率，Hz；

A、B——常量。

1.3.5 穩定性分析 甘薯濁汁飲料靜置1 h，取20 mL放入樣品管中，測試溫度為室溫，掃描時間1 h，掃描間隔時間10 min，掃描結束后得到反射光強度隨樣品高度變化的曲線，采用軟件將反射光強度微積分轉換成測定時間內平均背散射光變化率，并以穩定系數(TSI)表示，TSI與飲料體系的穩定性呈負相關性[18-19]。

1.3.6 Zeta電位 采用Zeta電位分析儀測定，用去離子水稀釋100倍，震蕩混勻后取1 mL放入樣品池中，測定溫度25 ℃，所有樣品均平行測定3次[20]。

1.4 數據處理

所有試驗均重復3次，采用SPSS 19軟件對試驗數據進行方差與顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 濁度

由圖1可知，甘薯濁汁飲料的吸光度要低于未添加交聯淀粉的濁汁飲料(1 d)，由于交聯淀粉在受熱糊化后表現為致密的溶脹顆粒，尤其是高濃度交聯劑制備得到的交聯淀粉[21-22]，致密的溶脹顆粒折射光而非透射光，因此導致濁汁飲料的吸光度降低，但12% CLPS飲料的吸光度值低于14% CLPS的。在1～30 d的保存期限中，濁汁飲料的吸光度均呈現整體下降的趨勢，未添加交聯淀粉的濁汁飲料在保存期中吸光度大幅下降，但交聯淀粉的添加使飲料的吸光度在儲存期內變化較小，是由于交聯鍵的存在使淀粉分子間作用力增強[7]，在分子間作用力的拖拽下，使淀粉分子的沉降變得困難，其中以含12% CLPS的吸光度變化最小。

2.2 流變特性

2.2.1 剪切應力與剪切速率 由圖2可知，甘薯濁汁飲料的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低，表明該流體具有剪切稀化現象，可能是由于在高剪切速率下甘薯濁汁飲料中的分子內、分子間的相互作用力被破壞，包括交聯淀粉分子之間的締合作用[23]；表觀黏度隨交聯程度的增加不斷提高，采用12% CLPS的表觀黏度最高，可能是交聯淀粉在一定溫度下的膨脹度隨交聯度的增加而降低[7]，12% CLPS的交聯度則使膨脹度下降到足以防止淀粉顆粒破碎但不足以限制腫脹，使淀粉能夠吸收更多的水分，膨脹為尺寸更大的顆粒，從而使濁汁飲料得到較高的黏度[22]，但交聯度過高會抑制顆粒的腫脹，導致黏度降低，與Rungtiwa等[10]的結果類似。結果表明，交聯程度高的淀粉不適宜作為增稠劑應用于酸奶中，但可作為膳食纖維補充劑應用于食品中。

為研究交聯淀粉與甘薯濁汁飲料流動特性之間的相關性，采用Hershek-Bulkley、Power-law方程對飲料的剪切應力與剪切速率的流體曲線進行擬合，結果見表1。由表1可知，兩個方程的相關系數R2>0.99，表明曲線與擬合方程的相關性較高，且無論是Power-law方程還是Hershek-Bulkley方程，隨著交聯程度的增加，K值整體呈上升趨勢，n值整體呈下降趨勢，表明該流體的假塑性隨著交聯程度的增加而增加[24]，交聯淀粉可以增加飲料混合體系的黏稠性(表現為稠度系數K值不斷增加)，降低其流動性，減少其觸變面積，有助于提高體系的假塑性與剪切穩定性，形成相對穩定的結構；在12% CLPS時，K值最大，n值最小，表明含12% CLPS的濁汁飲料具有最大的稠度與高度抗剪切性。因此，12% CLPS對甘薯濁汁飲料有較大的改善。

圖1 交聯淀粉含量對甘薯濁汁飲料濁度的影響

Figure 1 Effect of cross-linked potato starch on turbidity of the sweet potato turbid juice beverage

圖2 25 ℃甘薯濁汁飲料的剪切速率與黏度、剪切應力的流變曲線

表1甘薯濁汁飲料的剪切應力與剪切速率的方程參數及其擬合情況

Table1PowerlawandHershek-Bulkleyconstantsandfittingdegreefortherelationshipbetweenshearrateandshearstressofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

交聯淀粉/%Power-Law方程nKR2Hershek-Bulkley方程τ0KnR200.9110.0350.998-0.1140.0460.8660.99960.7990.0680.9990.0160.0700.7930.99980.7360.0980.9990.0350.0920.7460.999100.6650.1510.9940.1180.1270.6940.999120.5430.3710.9950.6260.1970.6460.998140.6190.2310.9910.3100.1600.6790.997

2.2.2 儲能模量與頻率 由圖3可知，濁汁飲料的G′與G″均隨頻率的增大呈上升趨勢，且G′始終大于G″，表明甘薯濁汁飲料有類似固體的流體行為[10]；加入交聯淀粉可以提高濁汁飲料的G′和G″，且G′和G″隨著淀粉交聯程度的增大而提高，表現出較高的黏彈性。這是由于交聯淀粉的加入，淀粉分子之間的相互作用可以得到加強，形成強大的三維網絡，從而增加體系的黏彈性。Power-Law方程常數B值與凝膠強度有關[25]，由表2可知，濁汁飲料的B值隨交聯淀粉交聯程度的增加而降低，表明濁汁飲料的凝膠強度隨交聯淀粉交聯程度的增加而增加，在12% CLPS時，B值最小，A值最大，表明12% CLPS的添加使甘薯濁汁飲料有最大的凝膠強度，與Wongsagonsup等[10]和Khondkar等[26]的結果類似。

2.3 穩定性

由圖4可知，未添加交聯淀粉的濁汁飲料譜圖中的背散射光強度值變化較大，在樣品池的底部出現沉淀層，頂部出現澄清水析層，且曲線中間段有波動，表明有團聚或絮凝現象[27-28]，即未添加穩定劑的甘薯濁汁飲料的穩定性差；隨著交聯淀粉的添加及交聯程度的增加，譜圖中的背散射光強度值變化逐漸減小，其中12% CLPS底部的ΔBS遠低于未添加交聯淀粉的，左側頂部曲線在基線以下下降幅度明顯減少(相較于未添加)，說明交聯淀粉能夠抑制底部組分向下遷移；但14% CLPS底部的要大于12% CLPS的，表明12% CLPS具有較強的懸浮能力，可能是12% CLPS經加工破裂后能夠顯著增加體系的黏稠性[圖2(a)]；頂部析水程度隨交聯程度的增加而增加，當交聯程度>10%時，析水程度并未隨交聯程度增加而降低。

圖3 交聯淀粉對甘薯飲料儲能模量和損耗模量的影響

Figure 3 Effect of cross-linked starch on storage modulus and loss modulus of the sweet potato turbid juice beverage

表2甘薯濁汁飲料儲能模量與頻率的冪律方程參數及其擬合情況

Table2Powerlawconstantsandfittingdegreefortherelationshipbetweenstoragemodulusandfrequencyofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

交聯淀粉/%ABR204.7550.3610.98265.5720.1750.923810.7510.1320.9741013.9920.1120.9701243.1300.0860.9611425.0720.1610.990

穩定性動力學指數(TSI)與體系穩定性呈反比[29]。由圖5可知，未添加穩定劑的濁汁飲料TSI最大，而交聯淀粉的添加使體系TSI降低，且交聯程度越高，指數下降程度越高，當采用12%的交聯劑交聯得到的淀粉動力學指數最小，即12% CLPS是較佳的穩定劑。

2.4 Zeta電位

Zeta電位常用作討論體系穩定性的依據，當Zeta電位的絕對值較小時，體系內顆粒之間的排斥力較少，顆粒間容易絮凝并形成沉淀[30]，而帶電荷的大分子可以與液滴的電荷發生相互作用，增加液滴表面電位的絕對值，減少絮凝沉淀[16]。由表3可知，甘薯濁汁飲料帶負電荷，但顆粒間的排斥力無法抵消大分子的重力作用，從而產生絮凝沉淀；交聯淀粉增加了體系Zeta 電位絕對值的大小，是由于交聯淀粉為長鏈分子，在制備過程中由于磷酸基團的引入增強了淀粉顆粒上的負電荷，使得體系液滴表面的靜電斥力增加，降低粒子間的絮凝作用，另一方面交聯淀粉容易通過靜電排斥作用吸附在蛋白膠束表面，產生空間位阻效應與滲透作用，從而提高濁汁飲料體系的穩定性；濁汁飲料Zeta 電位絕對值隨交聯程度的提高而上升，由于交聯劑濃度越大，引入的磷酸基團數量越多，負電荷的增加使排斥力增大，同時，交聯程度高的交聯淀粉能顯著提高體系黏度，增加體系的穩定性。

表3交聯淀粉對甘薯濁汁飲料電位的影響?

Table3Effectofcross-linkedstarchonelectricpotentialofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

交聯淀粉/%磷含量/%DS/(×10-4)電位/mV00.000 0±0.000 0a0.00±0.00a-19.26e60.002 5±0.000 1b1.31±0.23b-25.34d80.003 5±0.000 3c1.83±0.15c-26.78c100.004 2±0.000 1d2.20±0.29d-27.83b120.005 3±0.000 2e2.77±0.25e-29.11a140.006 2±0.000 4f3.24±0.31f-30.05a

? 同列字母不同表示存在顯著性差異。

圖4 交聯淀粉對甘薯濁汁飲料穩定性的影響

2.5 離心沉淀率

由表4可知，交聯淀粉的添加能降低甘薯濁汁飲料離心沉淀率，且離心沉淀率隨交聯程度的增加而下降，其中12% CLPS離心沉淀率最低，與穩定性試驗結果吻合。交聯淀粉的存在使飲料中的淀粉分子間的相互作用得以加強，形成強大的網絡，該網絡的存在穩定了體系中的淀粉、蛋白質等大分子，同時降低了體系析水，從而降低了體系的離心沉淀率。

圖5 交聯淀粉對甘薯濁汁飲料穩定性動力學指數的影響

Figure 5 Effect of cross-linked starch on the TSI of the sweet potato turbid juice beverage

表4交聯淀粉對甘薯濁汁飲料離心沉淀率的影響?

Table4Effectofcross-linkedstarchoncentrifugalprecipitationrateofthesweetpotatoturbidjuicebeverage

%

? 同列字母不同表示存在顯著性差異。

3 結論

試驗探討了不同交聯程度的交聯淀粉對甘薯濁汁飲料穩定性的影響，結果表明交聯淀粉使甘薯濁汁飲料的穩定性有一定程度的提高，12% CLPS可作為穩定劑應用于淀粉質濁汁飲料中。但交聯淀粉對飲料的析水控制能力有限，后續可將交聯淀粉與其他類型的變性淀粉或穩定劑復合，以進一步提高交聯淀粉作為濁汁飲料穩定劑的應用效果。