白 洁,彭义交,李玉美,田 旭,刘丽莎,郭 宏

(北京食品科学研究院/北京市食品研究所,北京 100162)

基于Turbiscan稳定性分析仪技术研究微细化处理在燕麦豆乳中的应用

白 洁,彭义交,李玉美,田 旭,刘丽莎,郭 宏

(北京食品科学研究院/北京市食品研究所,北京 100162)

本文以燕麦、豆粉为原料,采用α-淀粉酶酶解制备燕麦豆乳饮料,利用Turbiscan稳定性分析仪结合物理方法分别研究了干法筛粉处理、湿法胶体磨及高压均质处理对燕麦豆乳饮料稳定性指数、表观粘度、离心沉淀率、分层高度及透光率等的影响,评价样品的稳定性。结果表明:经胶体磨后再两遍高压均质处理的样品体系稳定性最高,显著优于其他微细化处理方式(p<0.05),符合谷物饮料标准。利用Turbiscan测定的结果与物理方法测定的样品离心沉淀率、透光率及粘度等指标具有很好的一致性,说明Turbiscan在谷物饮料中具有很好的应用前景。

Turbiscan稳定性分析仪,微细化,燕麦豆乳,稳定性

燕麦,禾本科燕麦属作物,其蛋白质、脂肪、矿物质及不饱和脂肪酸含量均居谷物之首,特别是水溶性膳食纤维β-葡聚糖在所有谷物中含量最高。此外还含有亚油酸、皂苷等生物活性成分,对高血压、高血脂、肥胖症和便秘有一定疗效作用[1-3]。大豆是我国传统食品之一,富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、多种维生素和微量元素等,且赖氨酸含量较高,具有很好的营养价值[4-5]。将大豆与燕麦结合,可以弥补谷物限制性氨基酸不足的缺点,同时豆乳爽滑的口感可以有效缓和谷物的粗糙感,使产品色香味突出。但是,燕麦豆乳中高淀粉高纤维等固相粉质的存在易使饮料分层与沉淀,蛋白质、脂肪还易引起脂肪上浮,蛋白质沉降等问题,影响产品外观。因此,采取良好的工艺技术克服分层沉淀,提高稳定性是燕麦豆乳开发的关键。

目前国内外关于燕麦酶解饮料的研究集中在酶解工艺优化及稳定剂筛选等方面[6-9],忽略了工艺过程在饮料生产中的重要性。此外,当前评价谷物饮料稳定性的方法也主要以观察法和离心法为主[10],检测精度不够高且只能定性而不能定量评价体系的稳定效果。目前,基于反射物理模型的稳定性分析仪已开始应用于研究乳浊液的稳定性和浓缩胶体的分散性中[11-15]。因此,本文以燕麦、豆粉为原料,采用淀粉酶酶解制备燕麦豆乳饮料,从工艺角度重点讨论微细化处理方式在燕麦豆乳中的应用,并利用Turbiscan稳定性分析仪结合物理方法评价体系稳定性,为燕麦豆乳等谷物饮料的工业化生产与研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

燕麦 上海香汇实业有限公司;豆粉 黑龙江冰泉多多有限公司;α-淀粉酶BAN 480L 诺维信(中国)有限公司;复配增稠稳定剂YL2330-3A 石家庄兄弟伊兰食品配料有限公司。

高压均质机 上海东华均质机有限公司;胶体磨JM-L50 温州市龙心机械有限公司;粘度计 上海尼润智能科技有限公司;Turbiscan AGS(Formulaction)全方位稳定分析仪 北京朗迪森科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 燕麦豆乳样品的制备 燕麦、豆粉按6∶1混合,分别按工艺流程1和2制备,原料于85℃预糊化20min,降温至65℃,添加α-淀粉酶0.2%,65℃酶解50min,后取出煮沸灭酶,再进行后续处理。样品制备中干法处理的方法是将原料分别通过20、40、60、80及100目筛网,经检测稳定性指标选出的最佳过筛目数;湿法处理包括胶体磨、30MPa均质一遍、胶体磨+30MPa均质一遍及胶体磨+高压均质两遍(均质压力分别30、40MPa)四种处理方法,样品分别标记为胶体磨、直接均质、均质一遍及均质二遍,所有样品灭菌后检测。

工艺1:原料—干法处理—预糊化—酶解—灭酶—添加复配增稠稳定剂—调配—灌装、灭菌

工艺2:原料—预糊化—酶解—灭酶—湿法处理—添加复配增稠稳定剂—调配—灌装、灭菌

1.2.2 燕麦豆乳稳定性评价方法 常规物理方法包括粘度、离心沉淀率、透光率及上清液高度的测定,稳定性分析仪包括样品扫描图谱及稳定性动力学指数的测定,两者结合全面评价燕麦豆乳的稳定性。

1.2.3 表观粘度的测定 室温下,用旋转粘度计测定体系的表观黏度(21号转子,80r/min,1min)。

1.2.4 离心沉淀率的测定 将样品摇匀,称取30g样品于离心管中,3000r/min 离心10min,将上清液倒出,称量沉淀物的重量,离心沉淀率(SR)计算公式见(1)[16],离心沉淀率越大,表明体系稳定性越差;反之,稳定性越好。

式(1)

其中:m1-样品溶液离心后沉淀物的质量,g；m2-样品溶液离心前的质量,g。

1.2.5 透光率(T%) 将样品用水稀释100倍,于750nm波长下测定样品的透光率,透光率越小,表明稳定程度越好,饮料保持均匀稳定的时间越长[16]。

1.2.6 上清液高度的测定 将样品装入20mL带刻度试管中,40℃静置一周,测其上清液的高度。

1.2.7 Turbiscan研究燕麦豆乳饮料的稳定性 将待测样品放入20mL的测量池内,选取背散射光对样品进行分析。采用扫描模式进行测量,测量探头从样品池的底部到样品池的顶部每40μm测量一次,完成样品池从底到顶的一次扫描。扫描曲线给出了不同扫描时间透射光和反射光随样品高度的变化关系,以样品初始值为对照,样品与之的差值(即变化率,ΔBS)反映其体系的变化。设定样品扫描时间为6h,扫描间隔30min,温度为室温,第一次扫描显示蓝色,最后一次显示红色,曲线从左到右代表样品从底部到顶部。

1.2.8 稳定性动力学指数(TSI)的测定 利用Turbiscan软件处理得出样品体系稳定性指数(TSI),它是在选定的高度,比较每一次扫描测量对前一次扫描测量的光强度的变化,并将结果累计至样品总高度而获得的结果。TSI反映样品在整个放置时间浓度和颗粒粒径的变化幅度的综合,变化幅度越大,稳定性动力学指数越大,体系越不稳定。

1.3 数据分析

本实验所得数据采用Excel、SPSS-18.0进行处理分析,并采用ANOVA进行差异显著性分析,当p<0.05时表示差异显著,所有实验重复3次。Turbiscan稳定性分析仪采集数据使用TurbiSoft 2.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 干法处理对燕麦豆乳饮料表观粘度及离心沉淀率的影响

干粉粒径大小对燕麦豆乳饮料稳定性的影响如图 1、图2所示,过筛目数较小时,饮料的表观粘度差异不显著,当过筛目数为40目时,随着过筛目数增大,饮料的表观粘度也显著增大,这是由于颗粒粒径范围减小,颗粒间相互作用增强所致[17]。离心沉淀率随着过筛目数增大先减少后增大,通过80目筛网的体系离心沉淀率最小,这可能是因为固相粉质减小到一定程度后,高温杀菌易使其相互聚集,不易摇散,导致料液不稳定,因此工艺 1 中干法处理选择通过80目筛网。

图1 干法处理对燕麦豆乳饮料表观粘度的影响Fig.1 Influence of dry method on the apparent viscosity of oat-soybean beverage注:具有不同字母表示差异显著(p<0.05)，图2～图6同。

2.2 微细化处理对燕麦豆乳饮料离心沉淀率的影响

微细化处理对燕麦豆乳离心沉淀率的影响如图3,从图中可知,干法处理样品的离心沉淀率显著高于湿法处理样品;湿法处理样品中,胶体磨处理后的样品离心沉淀率最高,达13.48%,经胶体磨+二遍均质处理的样品离心沉淀率最小,仅为6.18%,直接均质的样品离心沉淀率显著高于胶体磨后均质一遍处理的样品,说明相比干法处理,胶体磨和高压均质处理可有效地使物料中的蛋白质和脂肪球等颗粒微粒化,且粒径越小,植物蛋白饮料的稳定性越好。目前我国常规粉碎设备制得的植物蛋白粒子在 50～1500μm之间,因此可以用Stokes沉淀定律解释这一现象,即饮料中微粒的沉降速度与粒子直径的平方成正比,微粒越小,沉降速度越慢,体系越稳定[18]。此外,由于燕麦豆乳饮料中含有较多纤维类物质,经高温杀菌后容易聚团沉淀,干法处理较湿法处理纤维粒径大,聚团后不易摇散,导致离心沉淀率增大。

图3 微细化处理对燕麦豆乳饮料离心沉淀率的影响Fig.3 Influence of micronized treatment on the SR of oat-soybean beverage

2.3 微细化处理对燕麦豆乳饮料透光率和分层高度的影响

不同微细化处理对燕麦豆乳饮料透光率及分层高度的影响如图4、图5所示,样品经微细化处理后,透光率及分层高度随颗粒细化程度升高而显著降低,说明颗粒越小,脂肪、蛋白质、固相粉质颗粒与水分子结合的程度越好,体系越稳定。经过胶体磨+二遍均质处理的样品稳定性显著提高,分层高度仅为0.11cm,符合谷物类饮料标准(QB/T 4221-2011)。直接均质的样品静置后上清液达0.46cm,显著高于胶体磨后一遍均质的样品,这说明预先将样品经胶体磨细化后,再经过均质机,有助于使料液中的蛋白质和脂肪球等颗粒进一步微粒化,且有利于均质机的日常保养与维护。

图4 微细化处理对燕麦豆乳饮料透光率的影响Fig.4 Influence of micronized treatment on the light transmittance of oat-soybean beverage

图5 微细化处理对燕麦豆乳饮料分层高度的影响Fig.5 Influence of micronized treatment on the stratification height of oat-soybean beverage

2.4 微细化处理对燕麦豆乳饮料粘度的影响

不同微细化处理对燕麦豆乳饮料表观粘度的影响如图6所示,样品经高压均质处理后表观粘度显著高于仅胶体磨处理的样品(p<0.05),这与牛乳经均质后粘度增加类似,但随着均质次数的增加,粘度增大不显著。一般认为,随着微粒逐渐减小,粒径比表面积增大,单位体积内的粒子数量增加,互相碰撞产生聚合的机率就会明显增加,宏观上就表现为料液的表观粘度提高[19]。干法处理样品颗粒虽然大,但样品中含有较多大颗粒纤维类物质,可以适当的分散亚微颗粒,形成网状结构,因此表现出较高粘度,与直接均质及胶体磨处理的样品粘度均无显著差异。

图6 微细化处理对燕麦豆乳饮料表观粘度的影响Fig.6 Influence of micronized treatment on the apparent viscosity of oat-soybean beverage

2.5 干法处理的燕麦豆乳饮料Turbiscan测试

干法处理的燕麦豆乳饮料背反射光强度随时间的变化如图7所示,从图中可知,干法处理的样品稳定性较差,样品底部0～2.9mm处ΔBS值由0%逐渐增加至14.88%,表明底部出现严重的沉淀层,并且沉淀速度非常快,以致于第二次扫描,底部峰值便增加至6.14%,这可能是由于蛋白质及固相粉质沉淀所形成的沉淀层。中间段随着时间推移,ΔBS值越来越小,并逐渐小于0,这表明整个体系很不稳定,顶部31～40mm的ΔBS随时间推移逐渐降低至-15.94%,表明顶部出现明显的澄清层,这是由于颗粒发生向下迁移引起的。

图7 干法处理燕麦豆乳饮料的Turbiscan测试结果Fig.7 Turbiscan test result of oat-soybean beverage treated with dry method注:不同曲线代表每间隔30min样品的状态,共扫描6h。

2.6 湿法处理的燕麦豆乳复合饮料Turbiscan测试

湿法处理的燕麦豆乳背反射光强度随时间的变化如图8所示,从图中可知,四种不同的湿法处理方式对样品的稳定性影响显著。图a中ΔBS值随时间的推移变化趋势与干法处理相似,即底部出现沉淀,中部波动较大,顶部出现澄清,但较干法处理底部峰值明显降低,0～2.3mm处峰值增加至9.45%,中间15～28mm波动较小,顶部38～40mm处形成一个下凹的峰,最大峰值达-16.67%,由于ΔBS值越小,体系越稳定,ΔBS值越大,体系越不稳定[10],可知经胶体磨粗磨后的样品稳定性不好,但优于干法处理样品的稳定性。

图b、c、d均是通过高压均质进一步细化的样品,从图中明显可见通过高压均质处理的样品稳定性显著优于未高压均质处理样。其中图b样品底部0～1.5mm处峰值由0逐渐增加至0.93%,中间段3.5～38.5mm处峰值波动不显著,顶部38.5～42mm处峰值逐渐降低至-2.58%,说明顶部有轻微的澄清。图c体系变化趋势与图b相似,底部0～1.5mm处有一凸峰,中间段1.5～40mm处峰值波动不显著,样品粒径变化很小,顶部40～41mm处峰值降低,说明图c样品底部和顶部仍有轻微的沉淀与澄清,但整体体系较图b更均匀,稳定性更好。图d样品体系均一,底部及中间样品峰值波动均很小,说明颗粒物质沉淀及脂肪颗粒上浮现象不显著,底部0～0.5mm处峰值逐渐增加至0.78%,顶部40～41mm处有一小凹峰,峰值仅为-1.0%左右,出现非常轻微的澄清与脂肪上浮,这一结果与样品分层高度测定结果保持一致,符合谷物饮料允许少量分层的标准。

由此可见高压均质在谷物饮料中有着非常重要的作用,这是因为高压均质可以提供很强的机械作用力,使物料在挤压、强冲击及失压膨胀三重作用下,克服油、水之间的表面张力和密度的差别使样品均匀混合,并且有助于稳定剂在两相界面上的吸附界面张力降低,提高体系的稳定性[20],高压均质机在饮料中的应用是胶体磨不可比拟的。

图8 湿法处理燕麦豆乳饮料的Turbiscan测试结果Fig.8 Turbiscan test result of oat-soybean beverage treated with wet method注:不同曲线代表每间隔30min样品的状态,共扫描6h。图a为胶体磨处理的Turbiscan测试结果;图b为直接均质的Turbiscan测试结果;图c为均质一遍的Turbiscan测试结果;图d为均质二遍的Turbiscan测试结果。

2.7 微细化处理对燕麦豆乳饮料稳定性指数的影响

不同微细化处理的燕麦豆乳饮料的稳定性动力学参数不同,见表1,动力学参数越小,稳定性越好[10]。从表中可知微细化程度越高,燕麦豆乳饮料的稳定性越好。通过Turbiscan测定的样品稳定性和物理方法测定的样品离心沉淀率、分层高度、透光率等指标具有很好的一致性。

表1 微细化处理对燕麦豆乳饮料稳定性指数的影响Table 1 Influence of micronized treatment on the stability index of oat-soybean beverage

3 结论

3.1 通过本实验发现,燕麦豆乳饮料稳定性随微细化程度加大而提高,胶体磨后高压均质二遍的样品具有最小的离心沉淀率,最低的分层高度及透光率,显著优于其他微细化处理工艺,并且粘度适中,具有良好的稳定性,生产出的产品符合谷物饮料标准。

3.2 利用全方位稳定性分析仪,评价5种微细化处理对燕麦豆乳饮料的稳定效果,结果与物理方法测定的样品离心沉淀率、透光率、分层高度等指标具有很好的一致性。利用Turbiscan得到的稳定性指数也反映了这一特点,说明Turbiscan在谷物饮料中具有很好的应用前景。

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Application of micronized treatment inoat-soybean beverage using turbiscan technology

BAI Jie,PENG Yi-jiao,LI Yu-mei,TIAN Xu,LIU Li-sha,GUO Hong

(Beijing Academy of Food Sciences/Beijing Food Research Institute,Beijing 100162,China)

In this paper,oats and soybean were used as raw material to make up oat-soybean beverage which were hydrolyzed by α-amylase. Meanwhile the influence of dry sieving,wet colloid milling and homogeneous processing on the stability index,apparent viscosity,centrifugal sedimentation rate,stratification height and light transmittance of oat-soybean beverage were respectively studied by Turbiscan stability analyzer combined with physical methods. The results showed that stability of the sample system treated by colloid mill processing and homogenization twice was significantly higher than other micronized treatment and accorded with the standard of cereal beverage. The results of Turbiscan test had very good consistency with the index of centrifugal sedimentation rate,light transmittance and viscosity determined by physical methods. It indicated that Turbiscan test had a very good application prospect in the cereal beverage.

Turbiscan stability analyzer;micronized treatment;oat-soybean beverage;stability

2014-09-03

白洁(1986-)，女，硕士，工程师，研究方向：非热加工技术及饮料深加工。

TS219

A

1002-0306(2015)13-0108-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.014