基于空間-時間消光圖譜技術測定不同穩定劑對西番蓮果汁穩定性的影響

楊 陽，鄭冰鈺，張江玲，胡嘉淼，林少玲

（福建農林大學食品科學學院，福建福州 352000）

西番蓮是一種生長在熱帶、亞熱帶氣候的草質藤本植物，屬于西番蓮科、西番蓮屬，學名Passiflora edulis[1]。西番蓮作為一種獨特濃縮香型的水果，含有香味物質達24種[2]，糖酸比為7.5:1[3]，酸甜可口，風味適宜，是很好的果汁加工原料，具有“飲料之王”、“果汁之王”的美譽[4]。同時，西番蓮還被證實富含多種營養功能成分，包括有機酸（檸檬酸等）[5]、微量元素（鐵、硒、錳等）[6]、氨基酸（谷氨酸等）[6]、維生素C[7]、酯類及萜烯類等[8]，有抗焦慮、抗腫瘤[8]、抗炎作用[9]、預防心血管疾病[10]、緩解焦慮失眠[11]、減輕壓力[12]、神經保護[13]等保健作用，具有用于進一步開發保健功能飲料的潛力。

雖然西番蓮果汁飲料開發生產的前景良好，但是目前研究發現西番蓮飲料常存在穩定性差、易產生沉淀、出現分層的問題，嚴重影響果汁的口感與外觀，進而降低商品價值[14]，因此進一步探索增強西番蓮果汁的穩定性的方式成為了當前該領域重要的研究課題之一。目前在果汁飲料生產過程中適當添加穩定劑（如羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）及瓊脂等）是有效提高其穩定性的常用方法，可以使果汁中介質密度分散，形成均勻穩定的溶液，從而提高飲品的口感及產品的質量[15]。

目前常用的果汁穩定性評價方法有：感官評價法[16]、自然沉淀率法[17]、離心沉淀率法[18?19]，但上述測定方式均需要人為評測并需等待較長的靜置時間，主觀性強、效率低且較為繁瑣。為解決上述難點，基于空間-時間消光圖譜技術的全自動穩定性分析儀測定法[20]應運而生。該方法的測定原理是采用Stock定律和Beer-Lambert定律來對樣品分離沉降過程監測[21]。根據Stock定律，液滴的運動速度與半徑平方存在線性關系[22]；而根據Beer-Lambert定律，單色光的吸光度與吸收物質的濃度之間存在線性關系[23]。從而該方法以離心分析方法模擬加速沉降過程并測定透光率變化，進而判斷出產品的穩定性[24]，目前已經被證實可用于研究懸濁液、乳狀液等流體的穩定性測定及優化[25?26]；還可以加速測量多種影響溶液穩定性的物理化學過程，如相分離速率、粒度分布和沉積物固結[27]，從而確定造成其不穩定的原因。此外，該方法還具有能夠在幾乎任何濃度下測定樣品穩定性的優點[25]。

基于此，本研究選擇基于該原理的LUMi全自動穩定性分析儀，采用離心加速法模擬西番蓮果汁在放置過程中的沉降速率，并通過檢測其透光率的變化趨勢，測定不同穩定劑在不同添加量及不同復配比例條件下對西番蓮果汁穩定性的影響，從而優化得到可有效穩定西番蓮果汁飲料的感官品質的穩定劑添加比例，進而為改良西番蓮果汁飲料的生產提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

西番蓮原漿 果朝（廣西）食品有限公司；羧甲基纖維素鈉（300～800 mPa·s） 國藥集團化學試劑有限公司；瓊脂 北京酷來搏科技有限公司。

JYL-C19V九陽廚房料理機 九陽股份有限公司；HWS-26電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學儀器有限公司；SQP電子天平 賽多利斯科學儀器有限公司；LUMiSizer全功能穩定性分析儀 源順國際有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 西番蓮果汁制備 取適量西番蓮果漿放入料理機中進行榨汁處理；榨汁完成后，使用200目的濾布對果汁進行過濾；為了提高過濾的效果，將過濾后的果汁繼續使用濾布進行二次過濾，最終制得西番蓮果汁樣品。

1.2.2 穩定劑溶液的制備 根據宋華靜[28?29]懸浮穩定劑的制備的方法，將穩定劑按2.5（w/v）比例加入40 ℃的純凈水至完全溶解。然后進一步稀釋至實驗所需濃度進行實驗。

1.2.3 添加穩定劑的果汁樣品制備 參考杜偉等[30]及陳毓瀅等[31]的研究結果，結合實際對方案進行調整。配制成含有0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%的瓊脂的西番蓮果汁每組各5 mL，用于測定單一穩定劑瓊脂的穩定效果；配制成含有0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%的CMC-Na的西番蓮果汁每組各5 mL，用于測定單一穩定劑CMC-Na的穩定效果；設定復配穩定劑總添加量為0.50%[32]，將CMCNa與瓊脂按0.25% CMC-Na+0.25%瓊脂，0.15%CMC-Na+0.35%瓊脂，0.35% CMC-Na+0.15%瓊脂，0.30% CMC-Na+0.20%瓊脂，0.20% CMC-Na+0.30%瓊脂的比例進行配比用于后續測定分析。

1.2.4 穩定性分析方法 吸取425 μL的果汁放入類型為LUMi 2 mm，PC，Rect. Synthenic Cell（110-131）的試管中（2 mm×8 mm），全部注入樣品后，依次放入LUMiSizer機器中，并通過在波長為865 nm的近紅外光束對樣品進行掃描分析。掃描參數設定為1倍的掃描光強、25 ℃及4000 r/min的轉速掃描一個小時，每間隔30 s掃描一次，共計掃描120次，測定徑向位置的函數[24]。掃描結束后，樣品對應的空間-時間消光圖譜、積分透射率及沉降速率結果通過全功能穩定性分析儀附帶分析軟件SEPView6進行分析。

1.3 數據處理

使用SEPViewer 6對結果進行處理分析，并使用GraphPad Prism8進行數據統計和差異顯著性分析（P<0.05為顯著）以及使用Origin 2019b進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 瓊脂添加量對西番蓮果汁穩定性的影響

通過全自動穩定性分析儀對添加不同穩定劑的西番蓮果汁樣品進行檢測分析，從而獲得空間-時間消光圖譜（圖1）。該圖譜反映了西番蓮果汁樣品透射率隨樣品位置不同及沉降時間延長所產生的變化。該圖譜中圖譜線條越緊湊，線條走向越平穩，則代表樣品的穩定性越好。進一步通過對積分透射率做斜率可得沉降速率（積分透射率/時間，%/s），從而可對穩定性進行量化比較。沉降速率越低則代表沉淀出現的時間越晚，穩定性越好[30]。

由實驗所得到的空間-時間消光圖譜（圖1）可知，添加0.20%瓊脂的西番蓮果汁樣品圖譜線條之間最為緊湊，線條走向平穩，說明其穩定性較好；當瓊脂含量增加，即當瓊脂添加到0.25%時，圖譜線條稀疏，線條波動較大，說明其穩定性較差。由沉降速率（圖2A）及積分透射率（圖2B）結果所示，添加0.15%和0.20%瓊脂后西番蓮果汁積分透射率及沉淀速率（（0.0447±0.0018）%/s，（0.0439±0.0018）%/s）相較于空白組（（0.0464±0.0019）%/s）有所降低，樣品穩定性略有提升。但是，由圖1和圖2我們可以看到，瓊脂各組與空白組的積分透射率以及圖譜的變化差異并不明顯，并且在沉降速率的對比中并無顯著性的差異（P>0.05），說明添加瓊脂后對西番蓮果汁穩定性沒有很大提升。而同時發現，當瓊脂添加量過高（大于0.25%）時，瓊脂的添加反而使得沉降速率上升甚至超過空白組，部分圖譜出現不平整、突起的部分，說明瓊脂的過量添加不僅不能起到增稠穩定的作用，反而可能造成穩定性的進一步破壞。這可能是由于過量添加的瓊脂形成小顆粒凝結所導致的[33]。瓊脂的空間凝膠網絡形成的溫度大約發生在40 ℃[34]，即說明瓊脂的凝膠溫度約為40 ℃，而果汁樣品在實驗中溫度逐漸降低，當溫度降低到40 ℃及以下時瓊脂會出現凝結并呈現顆粒狀，從而加快了果汁的沉淀，導致西番蓮飲料的穩定性下降。以上結果表明，瓊脂較低濃度下添加可小幅度增加西番蓮果汁的穩定性，但當添加量增加到一定濃度時反而使穩定性降低，其對于西番蓮果汁的穩定性沒有明顯改善，不適合作為西番蓮果汁的穩定劑。

2.2 CMC-Na添加量對西番蓮果汁穩定性的影響

由空間-時間消光圖譜（圖3）所示，當CMC-Na的添加量為0.30%和0.35%時，圖譜線條較其他組別更為緊湊，顯示出更好的穩定性，且果汁穩定性與CMC-Na的添加量基本呈劑量依賴性增加。由沉降速率（圖4A）和積分透射率（圖4B）所示，添加CMCNa的果汁樣品的沉降速率以及積分透射率均低于空白組；尤其在沉降速率中，CMC-Na組別與空白組（（0.0463±0.0018）%/s）有顯著的差異性（P<0.05）。而在CMC-Na不同添加量的組間對比中，添加量為0.30%和0.35% CMC-Na的果汁樣品的沉降速率為（0.0209±0.0003）%/s和（0.0181±0.0002）%/s，顯著（P<0.05）低于其他添加比例，而這兩種比例之間無顯著性差異（P>0.05），因此添加0.30%和0.35% CMC-Na時對西番蓮果汁穩定性的改善效果最好。這可能是因為CMC-Na作為高分子量的陰離子型聚合物[35]，其分子中攜帶的陰離子負電荷通過結合易導致果汁中沉淀產生的物質，減少了果汁中絮狀沉淀的發生，并促進果汁形成穩定性較好的懸濁液，最終提升了果汁的穩定性[3]。因此在單一穩定劑的實驗中，0.30%和0.35% CMC-Na的添加使西番蓮果汁呈現出最佳的穩定效果。

圖3 果汁中添加不同含量的CMC-Na的空間-時間消光圖譜Fig.3 Space and time resolved extinction profiles of passion fruit juice with different content of CMC-Na

圖4 添加不同含量的CMC-Na對西番蓮飲料穩定性沉降速率和積分透射率的影響Fig.4 Influence in settling rate and integral transmittance of passion fruit juice with different content of CMC-Na

2.3 復配穩定劑添加量對西番蓮果汁穩定性的影響

目前，市面上往往不是單一使用食品添加劑，而是將多種添加劑復配使用，通過協同增效更好發揮出穩定劑的作用，在保證產品品質的同時減少單種添加劑的使用量，以在實際生產中達到降低成本或者符合標準規定的目的[36]。故將CMC-Na與瓊脂混合復配，通過實驗分析得到這兩種穩定劑的最佳復配比例，通過全自動穩定性分析儀分析得到的空間-時間消光圖譜如圖5所示。

根據空間-時間消光圖譜（圖5）對比可知，添加量為0.35% CMC-Na+0.15%瓊脂和0.30% CMCNa+0.20%瓊脂的圖譜線條更為緊湊，線條較平緩。隨著CMC-Na含量的上升，瓊脂含量降低，西番蓮果汁穩定性越好。當瓊脂的含量增加時，西番蓮飲料中的顆粒增多，分散率增高，這是由于瓊脂的易凝結性質所導致的；而CMC-Na的含量增加時，瓊脂的不利影響減弱，能更好的起到穩定的作用。0.35% CMCNa+0.15%瓊脂和0.30% CMC-Na+0.20%瓊脂的積分透射率明顯低于其他組（圖6B）。由圖6A所示，復配添加劑的所有組別沉降速率均顯著（P<0.05）低于空白組，而0.35% CMC-Na+0.15%瓊脂和0.30%CMC-Na+0.20%瓊脂的速率為（0.0231±0.0004）%/s，（0.0209±0.0004）%/s顯著（P<0.05）低于空白組（（0.0375±0.0013）%/s）及其他各組同時這兩種比例的復配添加劑沉降速率間無差異顯著性（P>0.05）。因此，0.35%CMC-Na+0.15%瓊脂和0.30% CMC-Na+0.20%瓊脂這兩種復配比例添加下的果汁樣品穩定性最好。

圖5 果汁中添加不同比例的CMC-Na和瓊脂的空間-時間消光圖譜Fig.5 Space and time resolved extinction profiles of passion fruit juice with different content of CMC-Na and agar

圖6 添加不同比例CMC-Na和瓊脂對西番蓮飲料穩定性沉降速率和積分透射率的影響Fig.6 Influence in settling rate and integral transmittance of passion fruit juice with different content of CMC-Na and agar

2.4 單一及復配穩定劑添加量對西番蓮果汁穩定性效果的對比

通過上述實驗，篩選出了單一穩定劑及復配穩定劑的最佳添加量，為了進一步了解兩者對西番蓮果汁穩定性的改善效果之間是否有顯著性差異，對比了最佳添加量的單一穩定劑及復配穩定劑與空白組的沉降速率之間的差異。如表1所示，添加了單一穩定劑的樣品與添加了復配穩定劑的樣品穩定性不同，單一穩定劑和復配穩定劑對沉降速率的改善效果間有顯著性差異（P<0.05）。0.30%和0.35% CMC-Na的添加，使西番蓮果汁的沉降速率下降程度更高，沉淀速度更慢，整體穩定性較添加0.35% CMC-Na+0.15%瓊脂和0.30% CMC-Na+0.20%瓊脂的果汁樣品更好。這可以再一次說明，瓊脂的加入不僅不能使西番蓮果汁穩定性提升，反而會造成穩定性的進一步破壞，其不適合作為西番蓮飲料的穩定劑。

表1 不同濃度單一穩定劑和復配穩定劑對沉降速率的影響Table 1 Influence in settling rate of passion fruit juice with different content of single stabilize and compound stabilizer

3 討論與結論

通過基于空間-時間消光圖譜技術的全自動穩定性分析儀測定法，比較了不同比例的CMC-Na或瓊脂作為增稠穩定劑對西番蓮果汁飲料穩定性的影響。作為飲料中常用的穩定劑，CMC-Na具有良好的耐酸特性，常在酸性飲料中作為穩定劑使用，在水中的強溶解性使其可形成粘稠的溶液達到增稠穩定的效果，在蔬菜水果一類的飲料中能夠有效地避免或者減輕沉淀出現，有助于其穩定性的提升，使感官品質得以保持、貨架期得以延長[37?38]。而瓊脂則能使固形物懸浮均勻，流動增加，爽滑口感且延長貨架期[39]。通過本實驗所獲得的空間-時間消光圖譜，對經過離心模擬加速沉降后的樣品透光狀態變化進行分析，從而有效克服了自然放置法觀察僅通過重力作用下使果汁出現沉淀需要消耗大量實驗時間的弊端，實驗操作時間更短，同時得出的數據更易精確量化比較。

實驗結果表明，在西番蓮果汁中添加一定量的穩定劑，相較于未添加增稠穩定劑，可使得空間-時間消光圖譜中線條更緊湊、平緩，表明果汁整體沉降速率得到降低，有效地改善果汁的穩定性，減少果汁沉淀的出現。其中適量添加CMC-Na或CMC-Na與瓊脂按一定比例復配添加，可以顯著降低西番蓮果汁的沉降速率（P<0.05），從而確保果汁的均一性并改善果汁的感官品質。而瓊脂對于果汁穩定性提升效果較為有限（P>0.05），因此相較瓊脂，CMC-Na可能更適宜作為西番蓮果汁的穩定劑。在單一添加CMCNa時，最佳添加比例測得為0.30%～0.35%。而在復配穩定劑的實驗中，添加了0.35% CMC-Na+0.15%瓊脂和0.30% CMC-Na+0.20%瓊脂的果汁樣品與空白組相比也表現出更佳的穩定能力。但值得注意的是，相較單獨添加0.30%～0.35%的CMC-Na而言，進一步復配瓊脂未顯現出明顯的差異，這也符合單獨穩定劑實驗中所觀察到的現象，即瓊脂對西番蓮果汁穩定性的提升效果較不明顯，提示西番蓮果汁飲料最佳的單一穩定劑為0.30%～0.35%的CMC-Na。這些結論可為西番蓮這類熱帶果汁飲料的進一步研究與開發提供參考。

本研究中的西番蓮果汁飲料僅添加調控增稠穩定劑的含量，未對其他添加劑進行添加，減少了其他因素對西番蓮果汁飲料穩定性的影響，得出的實驗結果較為準確，有一定的參考價值。但由于本研究只進行了理論值的研究，在實際中正式投入西番蓮果汁飲料的生產還需要考慮產品的色澤、粘度、口感等方面的影響，以達到最佳的西番蓮果汁飲料生產工藝配比。