結冷膠和卡拉膠在可可奶中的應用研究

薛玉清,朱麗娟,李焱鑫,楊偉,李文強,張妍,胡君榮,羅潔,李言郡,成官哲*

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) 3(杭州鋒味派食品有限公司,浙江 杭州,310018)

結冷膠(gellan gum)是一種由少動鞘脂單胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)產生的微生物胞外多糖[1]。它于1987年由美國Kelco公司生產制造,1992年通過美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration,FDA)認證,可應用于食品中。由于結冷膠具有良好的風味釋放性、較寬的pH范圍穩定性、且在冷熱條件下均可形成熱可逆凝膠等優良特性,因此作為一種新型的食品添加劑被廣泛應用[2-3]。結冷膠有3種典型的基本類型,即天然結冷膠、低酰基結冷膠、低酰基純化結冷膠[4-5]。由于高酰基結冷膠體比低酰基結冷膠凝膠柔軟,且在高溫下構象更有次序,所以高酰基結冷膠的結構本質更穩定,加之離子敏感性更弱且能夠賦予食品一種令人愉悅的質地和口感,因此被廣泛用于食品領域作增稠劑、穩定劑、凝結劑、懸浮劑和成膜劑[6-9]。卡拉膠是一種典型的陰離子多糖,反應活性主要由于半乳糖殘基上帶有半酯式硫酸基[10]。商品化卡拉膠的相對分子質量由于所用原料和生產工藝的不同而有顯著性的差異,而相對分子質量對性能和用途有明顯影響[11]。卡拉膠在較低濃度就可形成凝膠,且凝膠的透明度高,但存在凝膠脆性大、彈性小、易脫液收縮等問題,因此常常與其他食品膠復配使用[12]。

乳飲料在飲料市場中占據重要位置,其內容多樣、口感順滑、營養豐富,深受消費者青睞。隨著飲料行業的飛速發展,各類乳飲料層出不窮,可可奶更是深受廣大消費者喜愛的產品。但由于可可奶中存在一些不溶性或油溶性成分,以分散態存在于體系中提供相應的口感、營養或功能,如可可粉、脂肪等[13]。由于這些物質的密度不同于體系中分散介質的密度,或者在體系中難以均勻分散,因此在重力或機械外力的作用下,產品在加工過程或貨架期中常會發生脂肪上浮、分層、絮凝或沉淀現象。為了解決上述穩定性問題,常需要在產品中添加一些穩定劑。前期多有報道通過使用微晶纖維素和卡拉膠來改善可可奶的品質,該方案雖能有效解決沉淀和脂肪上浮問題,卻也帶來了新的穩定性問題——弱凝膠[14]。結冷膠和卡拉膠作為食品常用穩定劑被廣泛用于飲料產品中提高穩定性,因此為了保證可可奶均勻、穩定且不出現新的品質問題,本文就結冷膠和卡拉膠添加量對可可奶的穩定性影響展開了研究,旨在為中性顆粒類乳飲料研發、穩定體系構建提供理論支持和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

結冷膠,美國斯比凱可商貿有限公司;卡拉膠,美國國際香精香料公司;脫脂奶粉,新西蘭恒天然集團;白砂糖,市售;可可粉,嘉吉投資中國有限公司。

1.2 儀器與設備

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;Mastersizer3000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-651,羅姆(江蘇)儀器有限公司;Turbiscan穩定性分析儀,法國Formulaction公司;流變儀,安東帕(上海)商貿有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

工藝流程如下:

脫脂粉10%(質量分數)→50 ℃溶解→加入可可粉1%(質量分數)→分散10 min→水化20 min→均質(20/5 Bar)→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結冷膠和卡拉膠混合液0.05%(質量分數)→定容→均質(20/5 Bar)→UHT殺菌(137 ℃/15 s)→冷卻后室溫貯藏

1.3.2 操作要點

a)還原奶制備:脫脂粉溶解溫度要控制在(55±5) ℃,溶解時要伴隨攪拌,但攪拌速度不可大于3 500 r/min,避免產生過多泡沫。加入可可粉徹底分散后保證徹底水化,室溫靜置至少20 min。

b)穩定劑膠體溶液的制備:剪切過程中將結冷膠緩慢加入到300 g 85 ℃的純水中,勻速剪切10 min,緩慢加入卡拉膠,繼續剪切10～15 min,保證膠體充分溶解,制成膠體溶液(1 L成品溶膠水量約300 g)。

1.3.3 可可奶實驗方法

采用1.3.1節所示的工藝制備可可奶,選擇適合中性乳飲料的高酰基結冷膠和iota-卡拉膠,添加量分別為0、0.01%、0.015%、0.02%、0.025%、0.03%、0.035%(質量分數,下同),室溫貯藏1 d后進行感官、離心沉淀率、粒徑、黏度、Zeta電位、黏彈性、Lumisizer、Turbiscan測定。

1.4 實驗指標測定

1.4.1 可可奶感官評定

選定20人作為感官鑒定小組,對不同添加量結冷膠和卡拉膠的可可奶樣品進行外觀、口感、脂肪上浮及沉淀情況進行品評和綜合評分,感官評分標準見表1。

表1 可可奶感官評分標準Table 1 Standards for sensory evaluation of cocoa milk

1.4.2 可可奶離心沉淀率測定

在離心管(50 mL,質量m1)中加入定量樣品(質量m),4 000 r/min下離心10 min,將上清液棄去得m2,計算離心沉淀率如公式(1)所示:

(1)

1.4.3 可可奶粒徑測定

用馬爾文Mastersizer3000激光粒度分析儀,分別檢測添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶的粒徑[15]。測試條件為:25 ℃,1 800 r/min。

1.4.4 可可奶黏度測定

分別檢測添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶的黏度,設置黏度計為25 ℃,60 r/min。

1.4.5 可可奶Zeta電位測定

基于經典動態光散射理論,用激光粒度儀Zeta potential模式測定添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶樣品的電位,平衡時間為120 s,每個樣品測定3次取平均值。

1.4.6 可可奶彈性模量測定

對添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶樣品,用流變儀進行頻率掃描[16]。測試條件為:同心圓筒,間距100 μm,上樣后平衡5 min,應變2%,溫度25 ℃,頻率掃描范圍0.1～10 Hz。

1.4.7 可可奶Lumisizer穩定性測定

用Lumisizer穩定性分析儀檢測添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶樣品的穩定性,測試條件:在25 ℃,4 000 r/min下5 s/條測試500條譜線[17-18]。

1.4.8 可可奶Turbiscan穩定性測定

用Turbiscan Lab穩定分析儀對添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶樣品進行穩定性分析,儀器參數設置:溫度為(25±0.5) ℃;連續性掃描程序:每1 h掃描1次,連續掃描24 h[19-20]。

1.5 統計分析

數據以均值±標準差表示,采用SPSS 21.0對均值進行單因素ANOVA分析和最小顯著差數法(least significant difference,LSD)多重比較,P<0.05差異有統計學意義。采用Origin 8.5進行統計圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 可可奶感官評定

卡拉膠存在凝膠脆性大、彈性小、易脫液收縮等問題,因此常常與其他食品膠復配使用。高酰基結冷膠主鏈上較多的酰基限制了每個雙螺旋束在很小的面積內結晶化,因此形成的橡膠狀結構較多,由于橡膠結構具有高彈性,因此產生的凝膠比較柔軟、富有彈性而且黏著力強,所以很適合用于中性乳飲料體系穩定顆粒物和水不溶物。但由于高溫、堿性環境均會使高酰基結冷膠的酰基脫除、性能改變,因此在食品加工過程中單獨使用高酰基結冷膠作為穩定劑風險較大。由于單一的穩定劑很難滿足生產需要,因此本文在后續探討中對于結冷膠和卡拉膠添加量為0的方案不再做討論。通過探索實驗發現:當結冷膠在可可奶中的添加量達到0.035%時,即便卡拉膠使用最低用量,產品中依然有明顯的凝膠塊,因此,為了高效科學的篩選最優的穩定方案,結冷膠的添加量最大到0.03%。添加不同質量分數結冷膠和卡拉膠的可可奶樣品,放置1 d后,由感官鑒定小組進行外觀、口感、脂肪上浮及沉淀情況評定,詳細評價情況見表2。由表2可知,16#、17#、22#、23#、27#、28# 6個方案的可可奶評分高于90分,整體均勻、黏稠度適中、沒有肉眼可見的脂肪上浮和沉淀,因此對其進行進一步的指標測定,加速評估貨架期的穩定性情況。

2.2 可可奶離心沉淀率測定

分別測定可可奶的離心沉淀率,由圖1可知:當結冷膠用量從0.02%增加到0.025%時,可可奶離心沉淀率大幅度下降,說明結冷膠對整個懸浮體系貢獻主要力量;當結冷膠濃度達到0.03%,同時卡拉膠用量也不小于0.03%時,可可奶體系出現明顯的凝膠塊,說明在可可奶產品中,結冷膠的適用添加量為0.02%～0.025%;當結冷膠添加量較低時,隨著卡拉膠用量的增加,可可奶離心沉淀率呈現下降趨勢,而當結冷膠用量足夠形成穩定網絡時,隨著卡拉膠用量的增加,可可奶的離心沉淀率反而增加。結合卡拉膠性能可知,有如下原因:當結冷膠沒有形成足夠網絡時,卡拉膠上電負性極強的硫酸酯基和乳蛋白上正電區域結合,形成類似網絡協同結冷膠共同穩定可可奶;而當結冷膠自身形成網絡足夠穩定可可奶時,卡拉膠隨著用量增加和蛋白質作用力也增強,較強的作用力在離心力作用下反而拉著乳蛋白一起沉淀,因此沉淀反而增加。綜上可知,當結冷膠和卡拉膠添加量均為0.025%時,可可奶離心沉淀率最少、穩定性最好。

2.3 可可奶粒徑測定

產品的粒徑分布是影響顆粒物沉降的主要因素,正常情況下,顆粒物沉降速度與其粒子尺寸成正比,粒徑越小、分布越均勻,其沉降速度就越慢,產品穩定性就相對越好[21]。由圖2粒徑分布圖和表3粒徑數據可知,6個方案可可奶粒徑分布均非標準正態分布,主要由于以下原因:可可粉本身不可溶,且顆粒尺寸不均勻單一,本身較寬的粒徑直接影響可可奶的粒徑分布;結冷膠和卡拉膠屬于大分子多糖,加入到可可奶中,除了自身形成雙螺旋結構之外,還會跟體系中的蛋白、可可纖維等作用、纏繞,形成尺寸不一的聚集體,因此可可奶粒徑很難做到尺寸均一的正態分布。由結合粒徑圖和數據可以看出:當結冷膠用量一致,增加卡拉膠的用量可可奶粒徑大幅度增加,主要由于卡拉膠除了與自身雙螺旋之外,還會與乳蛋白上的正電區域結合形成復合體,從而增加可可奶的粒徑;卡拉膠用量相同時,增加結冷膠用量,粒徑也會有略微的增加,但由于結冷膠成膠性強、可浮動范圍有限,在沒形成明顯凝膠塊的情況下,結冷膠對可可奶粒徑沒有明顯的影響;22#方案粒徑相對拖尾少,整體粒徑小,穩定性相對優于其他方案。

表3 可可奶粒徑檢測數據 單位:μm

2.4 可可奶黏度測定

分別測定可可奶的黏度,結果如圖3所示。隨著結冷膠和卡拉膠用量的增加,體系黏度呈增加趨勢;結冷膠對產品黏度的影響較卡拉膠大,主要由于結冷膠分子質量遠遠大于卡拉膠分子質量,而多糖的黏度跟分子質量正相關。由于該穩定體系屬于網絡結構穩定性體系,并非黏度體系,因此離心沉淀率、產品穩定性跟黏度沒有正相關性。所以,檢測黏度主要是評估黏度對產品口感的影響。

2.5 可可奶Zeta電位測定

Zeta電位是指帶電微粒表面剪切層的電位,由微粒表面電荷和周圍溶液環境條件共同決定,廣泛用于描述溶液微粒之間的靜電相互作用,是表征膠體分散系穩定性的重要指標。Zeta電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力強度的度量,分散粒子越小、Zeta電位絕對值越大,體系越穩定。如表4所示,22#方案可可奶的Zeta電位絕對值最大;27#方案由于凝膠,Zeta電位顯著下降。在穩定劑種類、體系主要原輔料均相同的情況下,22#方案粒徑最小,Zeta電位絕對值最大,說明22#方案可可奶的穩定性最佳。

2.6 可可奶彈性模量測定

可可奶飲料屬于流體,因此可以用流變學的黏彈性指標表征體系的穩定性。黏彈性不僅僅反映產品體系的整體穩定性,同時還能表征大分子多糖和產品中蛋白、纖維等成分的相互作用。彈性模量又稱為損耗模量(G′),它表示產品內部化學鍵數目和鍵能大小,即可側面反映產品穩定體系的網絡結構密度和強度。圖4是各方案可可奶的頻率掃描圖。由圖4可知,隨著結冷膠和卡拉膠添加量的增加,穩定體系網絡結構的密度和強度均增加,可可奶的彈性模量呈現明顯的上升趨勢。但對于飲料產品,彈性模量也并非越大越好,結合其他指標可知當彈性模量過大,產品容易出現凝膠塊,不僅失去了保證體系均勻穩定的效果,反而影響產品品質。22#方案具有合適的彈性模量,因此對可可奶體系穩定有比較好的幫助;同時彈性模量又遠遠低于已經出現凝膠塊的28#方案,說明在貨架期產品出現凝膠塊的風險較低,屬于較優方案。

圖4 可可奶頻率掃描圖Fig.4 Scanning pictures of frequency for cocoa milk

2.7 可可奶Lumisizer穩定性測定

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[22]。圖5是可可奶的Lumisizer測試結果。從Lumisizer穩定性分析儀檢測圖譜可以看出,隨著時間延長,所有方案的頂部透光率均增加,說明可可奶在離心力作用下固形物有下沉趨勢,頂部有輕微析水。相比而言,22#和27#頂部透光率變化較小,析水程度較輕,說明22#和27#方案穩定性較好。但27#方案圖譜中中下部有明顯鋸齒狀,說明27#方案體系中有大分子聚集的情況,傾倒樣品,發現27#由于卡拉膠比例較高,與蛋白作用力較強,出現了凝膠塊,因此排除;另外各方案底部透光率均沒有明顯的變化,說明各方案懸浮效果較好,沒有明顯的沉淀。從不穩定系數柱狀圖和體系穩定性變化斜率曲線分析,22#方案穩定性較好,因此可知添加0.025%結冷膠和0.025%卡拉膠對可可奶體系穩定有較好的效果。

2.8 可可奶Turbiscan穩定性測定

Turbiscan是基于多重光散射技術的穩定性分析儀,其根據反射物理模型和透射物理模型、背散射光的變化率反映體系的均一程度、顆粒大小和濃度,據此判斷體系的穩定性,同一樣品不同曲線之間光強值變化越大表示體系越不穩定[23-24]。Turbiscan圖譜左邊代表樣品底部,右邊代表樣品頂部;左邊曲線向上移動則說明背散射光增強樣品有沉淀,向下移動則代表水析;右邊頂部曲線向上則代表脂肪上浮;向下移動則代表水析;曲線中間波動較大則說明體系有團聚、凝膠現象。由圖6可知;16#、17#、23#、28#方案背散射光隨著時間延長整體下降,說明體系固形物整體下沉趨勢明顯;右側部分的背散射光強度隨著時間降低,說明頂部出現澄清;左側部分的背散射光強度隨著時間延長,說明底部出現沉淀。27#方案也是頂部出現上浮,并在下方有澄清及顆粒聚集現象,底部出現沉淀,中間部分背散射光強度變化較大,說明體系有明顯的顆粒聚集、凝膠現象;只有22#方案背散射光強度變化較小,穩定性較好。

a-16#;b-17#c-22#;d-23#;e-27#;f-28#圖6 可可奶穩定性掃描圖Fig.6 Stability scanning diagram of cocoa milk

3 結論

本文就結冷膠和卡拉膠在可可奶中的應用展開研究,通過考察不同添加量、配比的結冷膠和卡拉膠對可可奶外觀、口感、離心沉淀率、黏度、Zeta電位、彈性模量、Lumisize分析、Turbiscan檢測等的影響可知,當結冷膠和卡拉膠添加量均為0.025%時,可可奶穩定性良好且在貨架期出現脂肪上浮、沉淀、凝膠塊的風險較低,是制備可可奶的較優穩定方案。通過該研究,將結冷膠復配卡拉膠的穩定方案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。