均質(zhì)條件對(duì)核桃乳穩(wěn)定性的影響

齊 兵，趙慧博，趙慧敏，徐 姍，李喜層，吳彥兵，耿 會(huì)，葛冬雪，夏君霞,

（1.河北養(yǎng)元智匯飲品股份有限公司，河北衡水 053000；

2.河北省核桃飲品技術(shù)創(chuàng)新中心，河北衡水 053000）

核桃仁中富含優(yōu)質(zhì)蛋白、不飽和脂肪酸、維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1-3]。核桃乳是以核桃仁為主要原料，添加其他輔料、食品添加劑，經(jīng)加工、調(diào)制后制成的植物蛋白飲料。由于核桃乳飲料體系主要以水為分散介質(zhì)，以蛋白、脂肪為主要分散相的乳濁液，具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性，因此，在核桃乳的加工和貯藏過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脂肪上浮和蛋白沉淀[4]，影響產(chǎn)品的感官和質(zhì)量。

Stocks定律認(rèn)為，流體粒子的沉降速度與粒子的半徑有關(guān)，粒子的半徑越小，沉降速度越小，體系的穩(wěn)定性越高，而高壓均質(zhì)正是一種有效降低顆粒粒徑的方法[5-8]，通過(guò)對(duì)核桃仁中的脂肪、纖維、蛋白等大顆粒物質(zhì)產(chǎn)生撞擊、爆破和剪切力等作用[9]，降低單顆粒的體積和質(zhì)量，使顆粒分散，使脂肪和蛋白等微細(xì)化、均勻化，降低乳液的粒徑，解決脂肪上浮和蛋白質(zhì)下沉的問(wèn)題，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性[10-12]。目前，企業(yè)針對(duì)核桃乳均質(zhì)工藝條件的優(yōu)化，大都通過(guò)目測(cè)觀察不同均質(zhì)條件的產(chǎn)品穩(wěn)定性，進(jìn)行分析判斷，該方法周期長(zhǎng)，且結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀性。本研究旨在利用Mastersizer3000激光粒度分析儀和Turbiscan穩(wěn)定性分析儀，通過(guò)研究核桃乳粒徑分布圖及穩(wěn)定性指數(shù)曲線，更加準(zhǔn)確、快速地篩選出適宜的均質(zhì)條件，并為核桃乳產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化提供更加科學(xué)高效的參考方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

核桃仁 河北養(yǎng)元智匯飲品股份有限公司；白砂糖 廣西農(nóng)墾糖業(yè)集團(tuán)；碳酸鈉 食品級(jí)，唐山三友化工股份有限公司；YY 0244復(fù)配乳化增稠劑 丹尼斯克（中國(guó)）投資有限公司；氫氧化鈉 食品級(jí)，天津坤鵬化工有限公司。

SG400型實(shí)驗(yàn)室乳化機(jī) 上海尚貴流體設(shè)備有限公司；JMS-80A膠體磨 廊坊市惠友機(jī)械有限公司；GYB60-6S高壓均質(zhì)機(jī) 上海市東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；TW-PB3X5L恒溫加熱水浴槽、TW-CPB3X5L恒溫冷卻水浴槽 上海沃迪自動(dòng)化裝備股份有限公司；METTLER TOLED0型pH計(jì) 梅特勒-托利儀器有限公司；HENC實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)-HW30 上海恒川機(jī)械設(shè)備有限公司；AL204/01電子分子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；XT-FGJ100S型手動(dòng)封蓋機(jī) 廣州市喜泰包裝設(shè)備有限公司；LDZM-60KCS立式壓力蒸汽滅菌器 上海市申安醫(yī)療器械廠；Turbiscan Lab分散穩(wěn)定性分析儀 北京朗迪森科技有限公司；Master sizer 3000激光粒度分析儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 核桃乳加工工藝 核桃仁→堿液去皮→磨漿→溶解輔料→調(diào)配定容→均質(zhì)→灌裝→滅菌→冷卻→成品

1.2.2 操作要點(diǎn) 將挑揀好的核桃仁利用濃度為2.5‰～2.9‰的堿性溶液進(jìn)行脫皮處理后，用自來(lái)水沖洗至水澄清；然后將去皮核桃仁倒入膠體磨上方漏斗，加入80 ℃熱水進(jìn)行磨漿。核桃仁:水按質(zhì)量比1:4的比例；同時(shí)將稱量好的白砂糖、復(fù)配乳化增稠劑分別用70～80 ℃的熱水溶解，在糖罐和輔料罐中攪拌10 min；再將溶解好的輔料及核桃漿液打入定容罐，定容至5 t；并利用高壓均質(zhì)機(jī)在壓力20～60 MPa，溫度40～80 ℃下進(jìn)行均質(zhì)；最后，封蓋完成后放入滅菌鍋中，按121 ℃、15 min進(jìn)行滅菌。

1.2.3 均質(zhì)工藝實(shí)驗(yàn) 在配料及其他制備工藝相同情況下，依次對(duì)均質(zhì)壓力、均質(zhì)溫度和均質(zhì)次數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，考察不同均質(zhì)條件對(duì)于核桃乳粒徑分布及穩(wěn)定性的影響。

1.2.3.1 均質(zhì)壓力對(duì)核桃乳粒徑分布及穩(wěn)定性的影響在均質(zhì)溫度為70 ℃、均質(zhì)次數(shù)為2次的條件下，考察均質(zhì)壓力20、30、40、50、60 MPa對(duì)產(chǎn)品粒徑分布及穩(wěn)定性的影響。

1.2.3.2 均質(zhì)溫度對(duì)核桃乳粒徑分布及穩(wěn)定性的影響在均質(zhì)壓力為40 MPa、均質(zhì)次數(shù)為2次的條件下，考察均質(zhì)溫度40、50、60、70、80 ℃對(duì)產(chǎn)品粒徑分布及穩(wěn)定性的影響。

1.2.3.3 均質(zhì)次數(shù)對(duì)核桃乳粒徑分布及穩(wěn)定性的影響在均質(zhì)壓力為40 MPa、均質(zhì)溫度為70 ℃的條件下，考察均質(zhì)次數(shù)1、2、3、4次對(duì)產(chǎn)品粒徑分布及穩(wěn)定性的影響。

1.2.4 粒徑分析 Mastersizer 3000激光粒度分析儀是根據(jù)顆粒能夠使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)樣品，樣品的粒徑分布圖由電腦分析得出，利用粒徑分布圖來(lái)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性幫助分析體系結(jié)構(gòu)[13]。參數(shù)設(shè)置[14]：顆粒折射率為1.52，顆粒吸收率為0.01，分散劑為去離子水，分散劑折射率為1.33；樣品的平均粒徑用D[4,3]值表示，平均粒徑越小，表明產(chǎn)品中蛋白質(zhì)顆粒和脂肪球越小，分布越均勻，證明產(chǎn)品穩(wěn)定性越好[15]。

1.2.5 Turbiscan穩(wěn)定性分析測(cè)定 Turbsican穩(wěn)定分析法基于反射物理模型，是檢測(cè)乳狀液穩(wěn)定性的一種新方法，可直觀、快速、準(zhǔn)確地反映出乳化體系的變化趨勢(shì)[16]。采用Turbiscan Lab分散穩(wěn)定性分析儀對(duì)核桃乳的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通過(guò)檢測(cè)樣品的透射光和背散射光的光強(qiáng)值變化，反映樣品的穩(wěn)定性[17]。

測(cè)試過(guò)程：將待測(cè)樣品放入測(cè)量池，裝液量為20 mL，選取背散射光對(duì)樣品進(jìn)行分析，通過(guò)掃描模式進(jìn)行測(cè)量，探頭從樣品池的底部到樣品池的頂部每隔40 μm測(cè)量一次，完成樣品池從底部到頂部的測(cè)量稱為1次掃描。設(shè)定樣品掃描時(shí)間為24 h，掃描間隔為1 h，測(cè)試溫度恒定為25 ℃[18]。以初次掃描數(shù)據(jù)為0起始線，隨著時(shí)間增加，樣品內(nèi)體系發(fā)生變化，與原起始線偏離越大，穩(wěn)定性越差，反之則穩(wěn)定性越好。穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)（TSI）曲線反映樣品在整個(gè)掃描時(shí)間內(nèi)濃度和顆粒粒徑的變化幅度的綜合情況，TSI變化幅度越小，穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)越小，說(shuō)明體系越穩(wěn)定[19-21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 均質(zhì)壓力對(duì)核桃乳粒徑分布和穩(wěn)定性的影響

2.1.1 均質(zhì)壓力對(duì)粒徑分布的影響 不同均質(zhì)壓力對(duì)核桃乳粒徑分布影響如圖1所示，所有樣品均呈現(xiàn)出雙峰分布，且隨著均質(zhì)壓力的增加，粒徑分布曲線整體向低粒徑區(qū)域移動(dòng)，均質(zhì)壓力升高至40 MPa以上，繼續(xù)提升均質(zhì)壓力，核桃乳粒徑分布曲線變化不大。從圖2可以看出，隨著均質(zhì)壓力增加，核桃乳平均粒徑D[4,3]逐漸減小，均質(zhì)壓力達(dá)到40 MPa時(shí)，核桃乳的平均粒徑D[4,3]達(dá)到（72.84±1.20）μm，這表明通過(guò)均質(zhì)閥的剪切作用，核桃漿液中的大顆粒物質(zhì)，被粉碎成較小的顆粒[22]。繼續(xù)增大均質(zhì)壓力平均粒徑D[4,3]無(wú)顯著減小（P＞0.05）。

圖1 均質(zhì)壓力對(duì)粒徑分布的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure on particle size distribution

2.1.2 均質(zhì)壓力對(duì)核桃乳穩(wěn)定性的影響 背散射光譜圖反映的是不同掃描時(shí)間變化下，背散射光強(qiáng)度隨樣品高度的變化關(guān)系，以樣品初始值為對(duì)照，樣品與之的差值（變化率，ΔBS）可以反映體系濃度的變化，ΔBS值隨著體系濃度的增加而變大，由于ΔBS值越小，體系越穩(wěn)定，ΔBS值越大，體系越不穩(wěn)定[23-25]。

圖2 均質(zhì)壓力對(duì)平均粒徑大小的影響Fig.2 Effect of homogenization pressure on average particle size

圖3 不同均質(zhì)壓力樣品背散射光譜圖Fig.3 Backscatter spectra of different homogenization pressure samples

從背散射光譜圖（圖3）可以看出，靜置掃描過(guò)程中，樣品頂部38～42 mm處出現(xiàn)高峰，底部0～5 mm處出現(xiàn)凹峰，說(shuō)明核桃乳體系頂部有聚集層，底部有少量析水層。均質(zhì)壓力由20 MPa增加到40 MPa時(shí)，底部ΔBS值逐步由-10%減小到-5%，繼續(xù)增加壓力底部ΔBS值基本不再變化。均質(zhì)壓力超過(guò)40 MPa后，樣品頂部高峰寬度明顯減小，峰寬越小，說(shuō)明聚積層厚度越小[18]，這主要是由于提高均質(zhì)壓力，有效減小了脂肪球的粒度，進(jìn)而改善了頂部脂肪的聚集情況。

圖4 不同均質(zhì)壓力整體TIS指數(shù)曲線Fig.4 Stability index curves of different homogenization pressure samples

圖5 均質(zhì)溫度對(duì)粒徑分布的影響Fig.5 Effect of homogenization temperature on particle size distribution

圖6 均質(zhì)溫度對(duì)平均粒徑大小的影響Fig.6 Effect of homogenization temperature on average particle size

圖7 不同均質(zhì)溫度樣品背散射光譜圖Fig.7 Backscatter spectra of different homogenization temperature samples

從整體TIS指數(shù)曲線（圖4）可看出，在測(cè)試周期內(nèi)，隨著均質(zhì)壓力的增加，TSI指數(shù)逐漸減小，核桃乳穩(wěn)定性也越好。均質(zhì)壓力達(dá)到40 MPa后，TSI指數(shù)曲線的斜率明顯變小，掃描22 h時(shí)，均質(zhì)壓力由20 MPa增加至40 MPa，整體TSI由3.1減小到1.9，繼續(xù)增加壓力，TSI變化不大。結(jié)合背散射光譜圖及粒徑分析結(jié)果，選擇均質(zhì)壓力為40 MPa。

2.2 均質(zhì)溫度對(duì)核桃乳粒徑分布和穩(wěn)定性的影響

2.2.1 均質(zhì)溫度對(duì)粒徑分布的影響 從圖5可以看出，所有樣品均呈現(xiàn)雙峰分布。均質(zhì)溫度在40和50 ℃時(shí)，粒徑主要分布在0.6～8和20～300 μm范圍內(nèi)；當(dāng)溫度升至60 ℃時(shí)，粒徑分布曲線整體向低粒徑區(qū)域移動(dòng)，粒徑分布主要范圍為0.1～0.6和20～200 μm，由此說(shuō)明，均質(zhì)溫度對(duì)樣品的粒徑分布有一定影響。從圖6可以看出，核桃乳的平均粒徑D[4,3]隨著溫度的升高，呈逐漸減小的趨勢(shì)，溫度由60 ℃升高至70 ℃時(shí)，平均粒徑D[4,3]由59.69±0.95 μm下降至47.41±0.78 μm，溫度再繼續(xù)升高至80 ℃，平均粒徑D[4,3]與70 ℃時(shí)無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

2.2.2 均質(zhì)溫度對(duì)核桃乳穩(wěn)定性的影響 從背散射光譜圖（圖7）可以看出，均質(zhì)溫度升高底部凹峰的ΔBS峰值變化不明顯，說(shuō)明均質(zhì)溫度對(duì)于核桃乳底部吸水層無(wú)明顯影響。隨著由均質(zhì)溫度40 ℃升高至80 ℃，頂部高峰ΔBS值呈明顯減小趨勢(shì)，均質(zhì)溫度80 ℃，頂部高峰ΔBS值下降至22%，從背散射光圖片頂部呈現(xiàn)的高峰可以看出，均質(zhì)溫度由40 ℃升高至70 ℃，頂部峰寬呈顯著減小趨勢(shì)，表明隨著均質(zhì)溫度的升高，頂部聚積脂肪層厚度和濃度明顯減小，而均質(zhì)溫度80 ℃時(shí)，頂部高峰峰寬與70 ℃相比差異不明顯。

從整體TIS指數(shù)曲線（圖8）可看出，在測(cè)試周期內(nèi)，隨著均質(zhì)溫度的升高，TSI指數(shù)逐漸減小。均質(zhì)溫度達(dá)到70 ℃后，掃描22 h時(shí)，整體TSI減小到1.5；均質(zhì)溫度80 ℃，TSI指數(shù)為1.5，且均質(zhì)溫度80 ℃的整體TSI曲線斜率逐漸增大，說(shuō)明其穩(wěn)定性呈現(xiàn)變差趨勢(shì)。因此，選擇適宜的均質(zhì)溫度為70 ℃。

圖8 不同均質(zhì)溫度整體TIS指數(shù)曲線Fig.8 Stability index curves of different homogenization temperature samples

2.3 均質(zhì)次數(shù)對(duì)核桃乳粒徑分布和穩(wěn)定性的影響

2.3.1 均質(zhì)次數(shù)對(duì)粒徑分布的影響 從圖9可以看出，與1次均質(zhì)相比，2次均質(zhì)的粒徑分布曲線整體向低粒徑分布區(qū)域移動(dòng)，并且粒徑分布在800 μm處的峰已經(jīng)消失，說(shuō)明通過(guò)2次均質(zhì)，對(duì)于核桃乳中大顆粒細(xì)化作用明顯，這是由于均質(zhì)對(duì)核桃乳中的脂肪、纖維、蛋白等大顆粒物質(zhì)產(chǎn)生撞擊、爆破和剪切力等作用，會(huì)使其顆粒直徑減小，降低單顆粒的體積和質(zhì)量，使顆粒分散[26]。均質(zhì)3次和均質(zhì)4次的粒徑分布曲線與2次均質(zhì)基本重合。

圖9 均質(zhì)次數(shù)對(duì)粒徑分布的影響Fig.9 Effect of homogenization times on particle size distribution

如圖10所示，經(jīng)1次均質(zhì)核桃乳產(chǎn)品平均粒徑D[4,3]為（49.12±1.02）μm，經(jīng)過(guò)2次均質(zhì)后，平均粒徑D[4,3]達(dá)到（26.18±0.75）μm，顯著減小（P＜0.05）。繼續(xù)增加均質(zhì)次數(shù)，產(chǎn)品的平均粒徑D[4,3]變化不顯著（P＜0.05）。這表明2次均質(zhì)可以達(dá)到通過(guò)均質(zhì)工藝降低產(chǎn)品顆粒大小的目的[27]。

圖10 均質(zhì)次數(shù)對(duì)平均粒徑大小的影響Fig.10 Effect of homogenization times on average particle size

2.3.2 均質(zhì)次數(shù)對(duì)核桃乳穩(wěn)定性的影響 從背散射光譜圖（圖11）可以看出，經(jīng)過(guò)2次均質(zhì)工藝的核桃乳頂部高峰ΔBS值下降到18%，明顯低于均質(zhì)1次的核桃乳樣品，這主要是因?yàn)榫|(zhì)可以使核桃乳中蛋白質(zhì)和脂肪顆粒大小及分布更加均一[28]。均質(zhì)3次，頂部高峰ΔBS值與2次均質(zhì)一致，均質(zhì)4次，頂部高峰ΔBS值下降至17%，但峰寬變大，說(shuō)明產(chǎn)品頂部脂肪濃度降低減小，但厚度增加。

從整體TIS指數(shù)曲線（圖12）可看出，均質(zhì)次數(shù)增加，整體TSI指數(shù)曲線整體下移，相比較于1次均質(zhì)，經(jīng)過(guò)2次均質(zhì)的核桃乳樣品整體TSI由1.5減小到0.8，但繼續(xù)增加均質(zhì)次數(shù)，TSI指數(shù)減小不明顯，且均質(zhì)4次的TSI指數(shù)曲線的斜率反而變大，說(shuō)明體系穩(wěn)定性有變差的趨勢(shì)，這可能是由于過(guò)度均質(zhì)造成脂肪球粒徑過(guò)小，總界面積較大，使脂肪球容易發(fā)生互相聚集而產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，綜上所述，均質(zhì)次數(shù)2次較佳。

圖11 不同均質(zhì)次數(shù)樣品背散射光譜圖Fig.11 Backscatter spectra of different homogenization times samples

圖12 不同均質(zhì)次數(shù)整體TIS指數(shù)曲線Fig.12 Stability index curves of different homogenization time samples

3 結(jié)論

通過(guò)利用Mastersizer 3000激光粒度分析儀和Turbiscan穩(wěn)定性分析儀，研究了均質(zhì)壓力、溫度、次數(shù)等不同均質(zhì)條件對(duì)核桃乳粒徑分布和穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化得到的均質(zhì)條件為：均質(zhì)壓力40 MPa、均質(zhì)溫度70 ℃、均質(zhì)2次，且在該工藝條件下，測(cè)定得到的平均粒徑D[4,3]達(dá)到（26.18±0.75）μm，整體穩(wěn)定性指數(shù)TSI為0.8。采用Turbiscan穩(wěn)定性分析儀，結(jié)合激光粒度分析儀，通過(guò)分析產(chǎn)品的粒徑分布、背散射光譜圖以及穩(wěn)定性指數(shù)曲線，能夠快速準(zhǔn)確地判斷出產(chǎn)品體系的穩(wěn)定性，為優(yōu)化核桃乳工藝條件和判定體系穩(wěn)定性的研究提供了參考方法。