高壓射流磨處理對燕麥漿穩(wěn)定性的影響

黃素君

王月茹1

鄧莉萍2

羅舜菁1

劉成梅1

(1. 南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2. 江西大北農(nóng)科技有限責任公司，江西 南昌 331700)

全谷物的麩皮對降低2型糖尿病、心血管疾病、結(jié)直腸癌、消化系統(tǒng)疾病的發(fā)病風險有益，并有利于控制體重[1]。然而，由于全谷物口感不佳，不易被消費者接受，通過精加工去除全谷物麩皮是提高其食用品質(zhì)的常用方法，但會導致大多數(shù)膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)和活性成分流失[2]。隨著健康理念深入人心，全谷物食品正成為一種新興趨勢[3]。

目前，全谷物被制成全麥面包、糙米面條等，開發(fā)全谷物飲料是最受歡迎的研究方向之一。全谷物飲料是由大尺寸分散淀粉、蛋白質(zhì)、膳食纖維、脂肪小球等組成的懸浮液[4]，是一種不穩(wěn)定體系，易于分層。已有大量研究表明通過發(fā)酵[5]、發(fā)芽[6]或酶水解可以延長全谷物飲料的保質(zhì)期并改善風味[7]，但過濾等工藝過程均會造成大量營養(yǎng)物質(zhì)的流失。

課題組[8]設計了一個工業(yè)規(guī)模的微射流系統(tǒng)，該系統(tǒng)由預濕磨和工業(yè)級微射流組成[8]，即高壓射流磨系統(tǒng)。高壓射流磨處理能力高達5 000 L/h，遠遠高于傳統(tǒng)微射流[9]，達到工業(yè)生產(chǎn)水平。其腔口直徑為300～500 μm，可避免大顆粒材料的堵塞，適用范圍廣泛?；诖讼到y(tǒng)，無需添加任何穩(wěn)定劑或過濾豆渣，即可生產(chǎn)出穩(wěn)定性極好的全豆豆?jié){[7]。因此，高壓射流磨具有免過濾生產(chǎn)全谷物飲料的潛力。

燕麥是全球消費的全谷物之一，與其他全谷物相比，其β-葡聚糖含量更高[10]。β-葡聚糖是一種黏性多糖，具有增稠特性[11]。同時，燕麥具有更豐富的膳食纖維，具有更大的黏彈性和抗應力性[12]，粉碎難度大。研究擬選取燕麥作為全谷物代表，模擬全谷物飲料生產(chǎn)工藝，探究高壓射流磨處理壓力對燕麥漿穩(wěn)定性的影響，并研究其穩(wěn)定性機制，旨在為全谷物飲料加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

燕麥：贛州康瑞農(nóng)產(chǎn)品有限公司；

考馬斯亮藍法試劑盒(P0017A)：碧云天生物試劑公司；

總淀粉測定試劑盒(K-TST A-100A)、總膳食纖維測定試劑盒(K-TDFR-200A)：愛爾蘭Megazyme公司；

丙酮、石油醚、氫氧化鈉等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

濕法粉碎機：XCFG-2018型，北京協(xié)同創(chuàng)新食品科技有限公司；

高壓射流磨：SPJ-500型，北京協(xié)同創(chuàng)新食品科技有限公司；

流變儀：MCR302型，奧地利Anton-Paar公司；

穩(wěn)定分析儀：LUMiFuge型，德國Lum GmbH公司；

激光衍射粒度分析儀：Mastersizer3000型，英國馬爾文儀器有限公司；

光學顯微鏡：Axio Imager 2型，北京普瑞賽司儀器有限公司；

發(fā)射掃描電子顯微鏡：JSM-6701F型，日本JEOL公司；

激光共聚焦掃描顯微鏡：LSM710型，德國卡爾蔡司公司；

手持數(shù)顯折光儀：PAL-1型，日本Atago公司。

1.2 方法

1.2.1 燕麥漿的制備 燕麥于170 ℃烘烤20 min滅酶，與水按m燕麥∶m水為6∶94預濕磨，制成6%燕麥漿。設定高壓射流磨處理壓力分別為30，60，90，120 MPa，對燕麥漿進行處理，同時將預濕磨但未經(jīng)高壓射流磨處理的樣品標記為0 MPa。樣品于95～100 ℃熟化30 min，以模擬谷物飲料生產(chǎn)過程，并加入質(zhì)量分數(shù)為0.05%的疊氮化鈉水溶液抑制微生物的生長。

1.2.2 貯藏穩(wěn)定性 所有樣品于常溫貯藏，并觀察貯藏第0，3，7，14，21，30天的外觀。

1.2.3 不穩(wěn)定性指標分析 采用穩(wěn)定分析儀評估貯藏期各樣品的穩(wěn)定性。以4 000 r/min離心1 h，近紅外波長(865 nm)發(fā)射的光束對2 mm×8 mm的矩形單元中的樣品進行分析，25 ℃下每10 s掃描一次。

1.2.4 粒徑分析 采用激光衍射粒度分析儀測量貯藏期各樣品的粒徑分布。設定折射率為1.590，平均粒徑大小以D[4,3]表示。

1.2.5 流變特性分析 采用流變儀測量貯藏期各樣品的流變特性。將16 mL搖勻樣品轉(zhuǎn)移至同心圓柱中，25 ℃下以0.1～300.0 s-1的剪切速率測量表觀黏度，應變值設定為0.1。

1.2.6 形態(tài)分析

(1) 光學顯微鏡：將原樣品和稀釋一倍樣品置于載玻片上，使用光學顯微鏡于25 ℃下觀察樣品結(jié)構(gòu)。

(2) 激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)：分別使用FITC(1 mg/mL，溶于DMSO)和尼羅紅(1 mg/mL，溶于乙醇)對蛋白質(zhì)和油滴進行染色，激發(fā)波長分別為568，488 nm，40倍油鏡下觀察樣品。

(3) 掃描電子顯微鏡(SEM)：將凍干樣品固定于導電雙面膠上，利用離子濺射鍍膜儀鍍金，采用SEM以低真空模式于20 kV的加速電壓下放大3 000倍，觀察樣品微觀形貌結(jié)構(gòu)。

1.2.7 可溶性成分含量測定

(1) 可溶性固形物含量：使用手持數(shù)顯折光儀進行測定[13]。

(2) 可溶性蛋白含量：參照Peng等[14]的方法。

(3) 可溶性膳食纖維含量：參照Li等[7]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 17軟件進行單向方差分析(ANOVA)，通過Duncan檢驗在5%的顯著性水平(P<0.05)下確定均值的比較。所有試驗重復3次，數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿貯藏穩(wěn)定性的影響

試驗發(fā)現(xiàn)，貯藏第7天，不添加任何穩(wěn)定劑的所有樣品均保持了良好的貯藏穩(wěn)定性；貯藏第14天，0，30 MPa樣品上層出現(xiàn)輕微析水；貯藏第21天，0 MPa樣品析水分層明顯，30 MPa樣品也逐漸析水分層；貯藏第30天，90，120 MPa樣品仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。此外，貯藏30 d后，各樣品上層出現(xiàn)油脂層，處理壓力越高的樣品油脂層越薄，可能是由于高壓處理使更多可溶性蛋白溶出，增強了體系乳化穩(wěn)定性[15]。綜上，高壓射流磨處理能有效提高燕麥漿的貯藏穩(wěn)定性，處理壓力越大，其穩(wěn)定性越好。

2.2 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿不穩(wěn)定指數(shù)的影響

由表1可知，隨著高壓射流磨處理壓力的增大，燕麥漿不穩(wěn)定指數(shù)減小，穩(wěn)定性增大。隨著貯藏時間的延長，各處理壓力下的燕麥漿樣品的不穩(wěn)定指數(shù)均逐漸增大，表明燕麥漿的穩(wěn)定性在貯藏期間逐漸降低。此外，貯藏第30天，0，90，120 MPa樣品的不穩(wěn)定指數(shù)分別從0.190，0.151，0.155升高至0.357，0.236，0.242，分別增長了88%，56%，56%，表明高壓射流磨處理壓力越高，不穩(wěn)定指數(shù)的增長速率越慢，樣品穩(wěn)定性降低越慢，說明高壓射流磨的處理使得體系能長時間維持相對穩(wěn)定。

表1 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿不穩(wěn)定指數(shù)的影響?

2.3 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿粒徑的影響

由圖1可知，粒徑分布圖中均有3個峰，最小峰代表油體，中間峰代表蛋白體，最大峰代表膳食纖維或淀粉大顆粒[7]。隨著處理壓力的增大，粒徑分布逐漸向左偏移，表明高壓射流磨對油體、蛋白、膳食纖維和淀粉均有良好的破碎效果。

圖1 貯藏0 d時各樣品粒徑分布圖

由表2可知，隨著處理壓力的增大，粒徑逐漸減小，當處理壓力為90 MPa時最低，相比0 MPa降低了40%，當處理壓力為120 MPa時又有所升高，表明燕麥漿顆粒在空化和碰撞產(chǎn)生的高度密集能量作用下逐漸破碎，壓力越大，破碎效果越好，粒徑越小。同時，燕麥漿在120 MPa處理壓力下粒徑有小幅度回升，可能是粒徑過小而表面積增大時，顆粒分子間碰撞概率增大，顆粒表面的范德華力和靜電引力使其重新聚合，粒徑增大，與圖2的結(jié)論一致。此外，隨著貯藏時間的增長，樣品粒徑均增大，可能是淀粉的老化和顆粒的重聚集導致。同時，處理壓力越大，粒徑的增長速率越小，說明一定的處理壓力可以減緩貯藏過程中粒徑的增長，使樣品體系長時間保持穩(wěn)定。

2.4 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿流變性質(zhì)的影響

由圖2可知，燕麥漿呈非牛頓流體的剪切稀化現(xiàn)象。隨著處理壓力的增大，燕麥漿在0.1 s-1剪切頻率下的起始黏度逐漸減小。雖然高壓處理可能會使可溶性物含量增加，提高體系黏度，但完全糊化后的淀粉顆粒會形成具有高黏度的糊狀物，而高壓處理的高剪切力使樣品不再具有高黏性，黏度大幅下降，導致整體黏度下降。處理壓力越大，破壞程度越大，表觀黏度越小。

由表3可知，貯藏時間越長，所有樣品的起始黏度均逐漸變小，可能是由于糊化淀粉發(fā)生老化，失去原有的高黏性[16]。處理壓力越大，體系黏度變化越小，表明糊化淀粉在高壓下被剪切成更小的分子，粒徑變小，回生難度增大。有研究證實高壓處理還能抑制大米淀粉[17]、玉米淀粉[18]老化。同時，高壓處理后析出更多可溶性蛋白質(zhì)與淀粉發(fā)生相互作用，也會抑制淀粉老化[19]。當處理壓力為120 MPa時，樣品的表觀黏度幾乎不會隨貯藏時間的延長發(fā)生變化，具有高穩(wěn)定性。從食品工業(yè)角度而言，老化淀粉口感差，而高壓處理的糊化淀粉不易回生、口感順滑，更容易被消費者接受，高壓射流磨的高壓處理為淀粉類谷物飲品的開發(fā)提供了一種新思路。

表2 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿粒徑的影響?

圖2 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿流變性質(zhì)的影響

表3 不同處理壓力下樣品的起始黏度隨時間的變化?

2.5 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿形態(tài)及微觀形貌的影響

2.5.1 光學顯微鏡 由圖3可知，0 MPa處理下的原樣品中有完整清晰的蜂巢狀細胞壁結(jié)構(gòu)，細胞壁被認為可能由纖維與果膠物質(zhì)組成[20]，內(nèi)含大顆粒淀粉，會導致樣品的不穩(wěn)定性和沉淀；30 MPa處理下的原樣品中也有細胞壁組織結(jié)構(gòu)，但已呈碎片化，可能是高壓處理對細胞壁結(jié)構(gòu)造成了破壞，同時使細胞內(nèi)物質(zhì)析出；60 MPa處理下的原樣品中有零散的纖維狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，但已被壓縮成較短長度；而90，120 MPa處理下的原樣品中此類物質(zhì)逐漸消失，表明高壓處理可以有效破碎膳食纖維和大顆粒淀粉細胞，使體系穩(wěn)定化。隨著處理壓力的增大，原樣品顆粒粒徑逐漸減小，整體呈均一化、平整化，而稀釋1倍的樣品能更加清晰地觀察到此類變化。

2.5.2 激光共聚焦掃描顯微鏡 由圖4可知，0，30 MPa處理下的樣品中蛋白質(zhì)呈不規(guī)則顆粒狀，此時蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保持著高度有序的狀態(tài)[21]。隨著處理壓力的不斷提高，原先完整的蛋白顆粒被裂解，游離的蛋白逐漸滲入燕麥漿體系中。Lin等[22]研究發(fā)現(xiàn)高壓射流磨的高剪切力破壞了蛋白的球狀結(jié)構(gòu)，變成粒徑較小的可溶性蛋白單體或低聚體，不溶性蛋白向可溶性蛋白轉(zhuǎn)化，提高了體系中的可溶性蛋白含量。燕麥漿中油體含量較低，油體顆粒變化同蛋白質(zhì)類似，隨著處理壓力的提高，油體顆粒逐漸消失并均勻分散于燕麥漿體系中。當處理壓力為90 MPa時，完整的游離顆粒全部消失，這可能是由于高壓均化導致油體尺寸減小，或與蛋白體相結(jié)合阻止了油體的重聚集[23]，從而提高了體系的穩(wěn)定性。

2.5.3 掃描電子顯微鏡 由圖5可知，高壓射流磨處理使得樣品表面出現(xiàn)孔洞，隨著處理壓力的增大，孔洞逐漸變大變密。Wang等[24]指出微射流處理使得顆粒內(nèi)部產(chǎn)生孔或腔，可能會暴露出更大的表面積和更多的水結(jié)合位點。因此，微射流可能會增強顆粒的水合性能，一定程度上提高體系的貯藏穩(wěn)定性。Chen等[25]研究發(fā)現(xiàn)微射流處理會在膳食纖維表面產(chǎn)生孔洞。孔洞增大了表面積，同時增強了膳食纖維的水合能力和對油滴、蛋白質(zhì)及其他物質(zhì)的吸附能力，有利于復雜體系的穩(wěn)定化。

2.6 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿可溶性物質(zhì)的影響

由表4可知，隨著處理壓力的增大，可溶性固形物含量升高，當處理壓力為120 MPa時可溶性固形物含量最大，相比于0 MPa處理下的樣品提高了34%。隨著處理壓力的增大，可溶性蛋白含量總體提高，當處理壓力為90 MPa時達到最大，當處理壓力為120 MPa時呈輕微下降趨勢，可能是由于處理壓力過高導致了高溫作用，使得蛋白氧化、變性或解體，結(jié)構(gòu)遭到破壞[26]。隨著處理壓力的增大，可溶性膳食纖維含量逐漸增大，120 MPa處理下的樣品相比于0 MPa處理下的樣品提高了25%，可能是強烈的撞擊剪切作用使得組織纖維變成可溶性纖維。有研究[10]表明，可溶性膳食纖維中，燕麥β-葡聚糖可以提高谷物飲料的穩(wěn)定性。綜上，高壓射流磨處理可以有效將不溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可溶性物質(zhì)，提升了體系的穩(wěn)定性。

從左至右依次為0，30，60，90，120 MPa處理樣品；從上至下依次為原樣品、原樣品、稀釋1倍樣品

從左至右依次為0，30，60，90，120 MPa處理樣品；上行為蛋白質(zhì)，下行為油滴

圖5 不同處理壓力下樣品的掃描電子顯微鏡圖

表4 高壓射流磨處理壓力對燕麥漿可溶性物質(zhì)含量的影響?

3 結(jié)論

以燕麥為谷物代表，高壓射流磨是一種可有效提高谷物飲品穩(wěn)定性的處理方法。試驗表明，隨著高壓射流磨處理壓力的增大，燕麥漿的粒徑與表觀黏度總體減小，總可溶性固形物含量、可溶性蛋白含量和可溶性膳食纖維含量總體增加。高壓射流磨可以均化蛋白質(zhì)和油脂，有效破壞細胞壁組織纖維，并在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生孔和腔，顆粒的水合能力增大，不易重聚集，提高了燕麥漿的貯藏穩(wěn)定性，延長貨架期。此外，高壓射流磨對均化蛋白、抑制淀粉老化的效果與機制有待進一步研究。