瓊脂低聚糖性質及在乳酸菌飲料中的應用研究

李文強,胡佳麒,趙越,藍周昀,阮葉萍,羅潔,周運華,吳偉都,李言郡,2,薛玉清*

1(杭州娃哈哈集團有限公司,浙江 杭州,310018)2(浙江省食品生物工程重點實驗室,浙江 杭州,310018)

普通瓊脂作為一種海洋多糖,黏度高、水溶性低,不易被人體吸收,因此在應用方面受到很大限制[1]。普通瓊脂降解后得到的瓊脂低聚糖,又名“瓊膠寡糖”,是瓊脂經水解后聚合度為2～20的新型海洋功能性低聚糖,主要由瓊二糖的重復單位連接而成,包括瓊寡糖和新瓊寡糖2個系列。瓊寡糖以3,6-內醚- α-L-半乳糖殘基為還原性末端,新瓊寡糖以β-D-半乳糖殘基為還原性末端[2-3]。它不僅具有其他功能性低聚糖的一般特性,還具有許多普通瓊脂無法替代的功能特性,如水溶性更好,溶解溫度更低,凝膠強度更低,保水性能更好,有利于人體吸收等特性;具有更均勻的分子鏈結構,產品性能穩定;在飲料應用中口感更爽滑、細膩,風味釋放豐富,有類脂肪感和良好的堆積感;相比于其他功能低聚糖其凝膠強度和黏度受加工溫度的影響很小,抗衰減能力穩定,可防止冷鏈不完善導致的產品黏度衰減等問題[4-6]。

乳酸菌飲料是以鮮乳或還原乳為主要原料,殺菌之后接種乳酸菌發酵后制成的含乳飲料。乳酸菌飲料不僅能夠調節腸道菌群、改善便秘和腹瀉,而且具有豐富的營養價值和獨特的風味,因此倍受廣大消費者的喜愛,近年來的銷量也在持續上升[7]。但由于乳酸菌飲料pH值很接近牛乳酪蛋白的等電點,因此在加工、貯存過程中容易發生沉淀、絮凝、分層等體系穩定性問題,所以選擇合適的穩定劑提高乳酸菌飲料體系的穩定性對提升產品品質至關重要[8-10]。

本文通過研究瓊脂低聚糖的基本性質及在乳酸菌飲料中的應用,發現瓊脂低聚糖QZ-C50低凝膠強度的特性很適合飲料體系使用,且瓊脂低聚糖QZ-C50的性能對增加乳酸菌飲料懸浮性、提升乳酸菌飲料整體穩定性有非常重要的作用。因此,將瓊脂低聚糖QZ-C50推廣應用到具有懸浮需求、在加工、貯存過程中容易發生沉淀、絮凝、分層等體系穩定性問題的飲料產品中,用于提升飲料產品的整體穩定性和產品品質,有非常重要的價值,且具有廣闊的市場前景。

1 材料與方法

1.1 材料

脫脂奶粉,新西蘭恒天然集團;白砂糖,市售;嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)、保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbulgaricus)、果膠,丹尼斯克(中國)有限公司;瓊脂低聚糖QZ-C50,上海宏騰健康科技有限公司。

1.2 儀器與設備

pH計、分析天平,上海梅特勒-托利多儀器有限公司;MBL25高速剪切機,上楚業生物科技(上海)有限公司;SH-160生化培養箱、TD5G離心機,金壇市盛藍儀器制造有限公司;APV-1000型均質機,丹麥APV公司;小型UHT殺菌機,Armfield設備有限公司;Mastersizer 3000激光粒度分析儀,英國馬爾文儀器有限公司;黏度計,愛拓中國分公司;Lumisizer,羅姆(江蘇)儀器有限公司;質構儀,英國SMS公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 瓊脂低聚糖基礎性能

1.3.1.1 凝膠強度測定

按照國標方法,將試樣制成質量分數為1.5%的凝膠,用質構儀測定凝膠在15～20 s內的抗破砝碼質量,根據溫度換算系數,計算樣品凝膠強度。

1.3.1.2 耐酸性考察

配制質量分數為1%的膠液,分別裝在5個100 mL藍蓋瓶中,將pH分別調整到起始pH值、4.5、4.2、4.0、3.8,然后擰緊瓶蓋在121 ℃殺菌10 min,冷卻到室溫,設置黏度計為25 ℃,60 r/min下進行黏度測定。

1.3.1.3 耐熱性考察

配制質量分數為1%的膠液,分別裝在5個100 mL耐高壓瓶中,置于130 ℃油浴中,分別殺菌0、5、10、20、30 min,冷卻到室溫,設置黏度計為25 ℃,60 r/min 下進行黏度測定。

1.3.1.4 假塑性測定

配制質量分數為1%的膠液,設置黏度計為25 ℃,分別測試10、60 r/min下的黏度。

1.3.2 滅菌型乳酸菌飲料的工藝流程

發酵乳的制備流程如下:

脫脂粉10%(質量分數)→50 ℃溶解→殺菌(95 ℃,5 min)→冷卻到43 ℃ →接種(嗜熱鏈球菌∶保加利亞乳桿菌=2∶1,質量比)→43 ℃恒溫靜置發酵5 h→冷藏(2～6 ℃)。

乳酸菌飲料的調配流程如下:

發酵乳攪拌破乳→均質(20/5 MPa)→攪拌時加入溶解后冷卻好的糖漿10%(質量分數)→攪拌時加入溶解后冷卻好的果膠和瓊脂低聚糖溶液1%(質量分數)→調酸(pH至4.2)→定容→均質→超高溫瞬時殺菌→室溫貯藏

1.3.3 瓊脂低聚糖在乳酸菌飲料中的應用

1.3.3.1 瓊脂低聚糖對乳酸菌飲料粒徑的影響

用馬爾文Mastersizer 3000激光粒度分析儀,分別檢測不添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料和添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料的粒徑。測試條件為25 ℃,1 800 r/min。

1.3.3.2 瓊脂低聚糖對乳酸菌飲料黏度的影響

分別檢測不添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料和添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料的黏度,設置黏度計為25 ℃,60 r/min。

1.3.3.3 瓊脂低聚糖對乳酸菌飲料離心沉淀率的影響

在50 mL離心管(質量m1)中加入定量樣品(質量m),1 500 r/min下離心10 min,將上清液棄去稱重得m2。離心沉淀率的計算如公式(1)所示:

(1)

1.3.3.4 乳酸菌飲料Lumisizer測定

Lumisizer穩定性分析儀,是通過離心力的作用使飲料中的各組分在重力或離心力的作用下發生上浮或者沉淀,再利用光源照射,得到一個實時監測的透光率圖譜,從而加速評估樣品在貨架期的沉降情況而推導出體系是否穩定。乳酸菌飲料的穩定性可由Lumisizer圖譜透光率變化、整體不穩定系數以及體系透光率變化斜率來反映,斜率越大、不穩定系數越大、透光率變化越快,說明飲料的穩定性越差;反之亦然。測試條件:在25 ℃,1 500 r/min下5 s/條測試500條譜線。

1.3.3.5 乳酸菌飲料貨架期放置觀察

跟蹤觀察不添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料和添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料在貨架期靜態放置的底部沉淀、整體狀態的外觀情況。

2 結果與分析

2.1 瓊脂低聚糖基礎性能

2.1.1 凝膠強度

收集了市售可用于食品飲料中的多個普通瓊脂型號進行測試結果如圖1所示。

圖1 不同型號瓊脂凝膠強度Fig.1 The gel strength of different types of agar

由圖1可知,可用于食品飲料中的普通瓊脂OS10 Z、QS10 ZW、YOGAR MGS、G300、S-200、LB05,凝膠強度相比用于肉制品、豆類制品、果凍制品中的瓊脂凝膠強度低很多,但是依舊是在30 g以上,只有瓊脂低聚糖QZ-C50的凝膠強度為26 g且凝膠軟彈不易破裂[11]。瓊脂低聚糖QZ-C50的這種特性可以極大的降低在飲料中應用時由于溫差等導致網絡收縮引起的析水、分層、絮凝等風險。

2.1.2 耐酸性

由圖2可知,瓊脂低聚糖QZ-C50在酸性條件下熱處理后黏度下降幅度比大多數植物類、海藻類多糖小很多[12]。但是當pH<4.2時,黏度下降幅度較大,因此在pH<4.2的產品中使用,要實時跟蹤關注穩定性變化情況。

圖2 瓊脂低聚糖QZ-C50在不同pH值下殺菌后的黏度Fig.2 The viscosity of agar oligosaccharide QZ-C50 at different pH values

2.1.3 耐熱性

由圖3可知,在經過高溫短時熱處理,瓊脂低聚糖QZ-C50的黏度上升,分析可知此現象是由于在一定程度的熱處理下分子鏈完全舒展所致[11]。另外由整體變化趨勢可以看出瓊脂低聚糖QZ-C50在經過高溫處理后,黏度下降幅度可控且下降幅度遠遠小于其他植物類、海藻類多糖,也就是說該瓊脂對殺菌熱處理的耐受性較好,能夠滿足生產需求[13]。

圖3 瓊脂低聚糖QZ-C50經過不同時間熱處理后的黏度Fig.3 The viscosity of agar oligosaccharide QZ-C50 after heat treatment at different times

2.1.4 假塑性

用黏度計測試25 ℃時,10、60 r/min下瓊脂低聚糖QZ-C50的黏度,由表1可知,該瓊脂低聚糖剪切性能值為3.364,相比結冷膠、黃原膠假塑性差很多(黃原膠熱剪切性能值在6.5～8),所以在使用時要注意它對產品口感的影響[14]。

表1 脂低聚糖QZ-C50的假塑性Table 1 The pseudoplastic of agar oligosaccharide QZ-C50

2.2 瓊脂低聚糖在乳酸菌飲料中的應用

2.2.1 瓊脂低聚糖對乳酸菌飲料粒徑的影響

從圖4粒徑分布圖和表2粒徑數據可知,添加了0.04%(質量分數)瓊脂低聚糖QZ-C50的試驗樣粒徑峰圖分布集中無拖尾(通過前期瓊脂低聚糖添加量實驗可知,當瓊脂低聚糖QZ-C50添加量≥0.04%時,瓊脂低聚糖對乳酸菌飲料的穩定性有顯著改善,結合成本角度考慮,最終確定乳酸菌飲料中瓊脂低聚糖QZ-C50的添加量為0.04%),跟對照樣相比不僅沒有因為瓊脂低聚糖的添加導致粒徑上升,反而消除了對照樣大顆粒所導致的拖尾現象,使產品整體粒徑下降50%。由Stokes定律可知含乳飲料中微粒的上浮或沉淀速度與粒子的直徑呈正相關作用,粒徑越小就意味著顆粒的沉降和上浮速度越慢,產品體系就越穩定均勻[15]。因此可知,在乳酸菌飲料中使用了瓊脂低聚糖QZ-C50后,對乳酸菌飲料穩定性的提高有很大作用。

圖4 乳酸菌飲料的粒徑分布圖Fig.4 The particle size distribution of lactic acid bacteria beverage

表2 乳酸菌飲料粒徑檢測數據 單位:μm

2.2.2 瓊脂低聚糖對乳酸菌飲料離心沉淀率的影響

分別測試對照樣和試驗樣的黏度和離心沉淀率,結果如圖5所示,可以看出,添加了0.04%瓊脂低聚糖QZ-C50的試驗樣,黏度稍有上升,但是離心沉淀率卻大幅度下降,對整體穩定性的提高有非常顯著的效果。這么明顯的穩定性改善所用,不僅僅是上升的黏度帶來體系顆粒運動速度減慢,更重要的是瓊脂低聚糖在溫度低于43 ℃時會形成雙螺旋結構的弱凝膠,對體系中的顆粒物的下沉和上浮有比較明顯的控制作用,因此它的加入大大提高了乳酸菌飲料體系的穩定性[16-17]。

2.2.3 乳酸菌飲料Lumisizer測定

Lumisizer穩定性分析儀,是通過離心力的作用使飲料中的各組分在重力或離心力的作用下發生上浮或者沉淀,再利用光源照射,得到一個實時監測的透光率圖譜,從而加速評估樣品在貨架期的沉降情況而推導出體系是否穩定[18-20]。圖6是未添加瓊脂低聚糖乳酸菌飲料(QZ-1 H1 0808)和添加了0.04%瓊脂低聚糖乳酸菌飲料(QZ-2 0808)的Lumisizer測試結果。從Lumisizer穩定性分析儀檢測圖譜可以看出,添加瓊脂低聚糖QZ-C50的試驗組,透光率變化率逐漸減小,沉淀與懸浮分離的速度逐漸變慢,Lumisizer斜率逐漸減小,穩定性明顯優于對照組。不管是整個體系透光率的穩定性還是底部沉淀的降低幅度,都有非常明顯的差異;從不穩定系數柱狀圖和體系穩定性變化斜率曲線也均可知,添加了瓊脂低聚糖QZ-C50后,乳酸菌飲料的不穩定系數降低,穩定性有了顯著提高,因此可以說明瓊脂低聚糖QZ-C50對乳酸菌飲料體系穩定有非常顯著的改善作用。

圖5 乳酸菌飲料黏度和離心沉淀率Fig.5 The viscosity and centrifugal sedimentation rate of lactic acid bacteria beverage

a-QZ-1 H1 0808樣品Lumisizer檢測;b-QZ-2 0808樣品Lumisizer檢測;c-乳酸菌飲料澄清指數;d-乳酸菌飲料澄清指數趨勢圖圖6 乳酸菌飲料Lumisizer檢測Fig.6 The lumisizer scan of lactic acid bacteria beverage

2.2.4 乳酸菌飲料貨架期放置觀察

圖7是對照樣和試驗樣室溫放置7個月的底部沉淀情況,由圖7可知,對照組底部沉淀較厚,顏色呈黑色,且倒置后沉淀仍然貼壁,沉淀較為致密。添加了瓊脂低聚糖QZ-C50的試驗樣沉淀量大幅減少,且沉淀較為松散,稍作晃動或倒置后沉淀馬上消失,體系均勻無異樣。因此可知,瓊脂低聚糖QZ-C50對改善乳酸菌飲料沉淀問題、提高乳酸菌飲料整體穩定性,有很大的幫助。

a-乳酸菌飲料底部沉淀;b-強光手電筒觀察乳酸菌飲料底部沉淀;c-乳酸菌飲料倒置后底部沉淀圖7 乳酸菌飲料貨架期靜置狀態Fig.7 The shelf life condition of lactic acid bacteria beverage

3 結論

本文研究了瓊脂低聚糖QZ-C50的基本性能和它在乳酸菌飲料中應用后對產品穩定性的影響。瓊脂低聚糖QZ-C50凝膠強度低、耐熱性好、pH 4.2以上耐酸性能較好,添加0.04%就具有較好的懸浮性,且瓊脂低聚糖QZ-C50較低凝膠強度的特性很適合飲料體系;通過瓊脂低聚糖QZ-C50在乳酸菌飲料中的應用試驗可知,在乳酸菌飲料中添加0.04%瓊脂低聚糖QZ-C50,可以有效降低乳酸菌飲料的粒徑、大幅度減少沉淀量,瓊脂低聚糖QZ-C50對提高乳酸菌飲料產品穩定性有顯著的效果。通過該研究,將瓊脂低聚糖QZ-C50推廣應用到具有懸浮需求、在加工、貯存過程中容易發生沉淀、絮凝、分層等體系穩定性問題的飲料產品中,用于提升飲料產品的整體穩定性和產品品質,有非常重要的價值,且具有廣闊的市場前景。