不同胶体对碳酸饮料CO2气容量的影响

蔡满意，许洪高，李绍振，高彦祥,*，张花方

(1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.北京汇源饮料食品集团有限公司研发中心，北京101305；3.北京华泰民康健康科技有限公司，北京 100036)

不同胶体对碳酸饮料CO2气容量的影响

蔡满意1,2，许洪高1,2，李绍振2，高彦祥1,2,*，张花方3

(1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.北京汇源饮料食品集团有限公司研发中心，北京101305；3.北京华泰民康健康科技有限公司，北京 100036)

研究羧甲基纤维素钠(CMC)、海藻酸丙二醇酯(PGA)、阿拉伯胶和瓜尔豆胶对碳酸饮料在储存和饮用过程中CO2气容量的影响。当碳酸饮料中含有相同质量分数(0.05%)的食用胶时，饮料开启后，CO2的释放速率由慢到快的胶体顺序为：CMC＜PGA＜阿拉伯胶＜瓜尔豆胶。加速实验(37℃，4周)，CO2气容量衰减速率的顺序为：PGA＜CMC＜阿拉伯胶＜瓜尔豆胶。

羧甲基纤维素钠；海藻酸丙二醇酯；阿拉伯胶；瓜尔豆胶；碳酸饮料；CO2气容量

碳酸饮料的清爽口感与果汁饮料、茶饮料等健康饮品相结合，开发加汽果汁饮料和加汽茶饮料成为国内市场新产品研发方向。碳酸饮料在储存和饮用过程中，CO2气容量是影响产品刹口感的一个重要指标，随着碳酸饮料储存时间的延长和开启次数的增多，碳酸饮料的CO2气容量逐渐降低，刹口感也逐渐减弱。因此，研究碳酸饮料在货架期及开启后CO2气容量的保持能力对提升碳酸饮料的品质具有重要意义。

国外相关液体持气性的研究中多通过应用胶体提高体系的黏度、改变体系的表面张力，从而影响气泡形成、成长、脱离、上升等动力学过程[1-7]。有研究表明，0.6mg/kg海藻酸丙二醇酯(PGA)和30mg/kg阿拉伯胶与可乐香精进行乳化，可以提高可乐型碳酸饮料的持气性[8]。羧甲基纤维素钠(CMC)具有良好的增稠性和悬浮稳定性，口感爽滑，价格低廉，在饮料工业应用广泛；PGA、阿拉伯胶和瓜尔豆胶在国外果汁型碳酸饮料产品中常用作乳化剂和增稠剂。本实验比较研究CMC、PGA、瓜尔豆胶、阿拉伯胶对碳酸饮料保持CO2气容量能力的影响，为相关产品开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白砂糖、柠檬酸、山梨酸钾、羧甲基纤维素钠(CMC)、海藻酸丙二醇酯(PGA)、阿拉伯胶、瓜尔豆胶北京汇源饮料食品集团有限公司。

1.2 仪器与设备

HDII-3型高速乳化均质机 北京华远航实验设备厂；GYB-60-6S型高压均质机 上海东华高压均质机厂；TP 313型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；AR 1500eX型流变仪 TA仪器公司；7001二氧化碳测定仪 Can Need仪器公司；汇源碳酸饮料现调机康富(天津)有限公司；SPX-250B型生化培养箱 天津泰斯特仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 工艺配方

白砂糖10%、柠檬酸0.12%、食用胶0.05%、山梨酸钾0.03%，均为质量分数。

1.3.2 工艺流程

上述工艺中的预热温度为60～70℃、200目过滤、18～20MPa均质、100℃杀菌并持续40s、冷却至75℃灌装至聚对苯二甲基乙二醇酯(PET)瓶、冷却至4℃混比。空白样品不添加食用胶体。所有样品制备15个平行样，确保每个数据分析点3个平行样。

1.4 指标测定方法

1.4.1 表观黏度测定

采用AR1500eX流变仪测定质量分数0.05%的CMC、PGA、阿拉伯胶、瓜尔豆胶溶液的表观黏度。测定条件为：60mm平板、25℃、峰值保持模式、剪切速率为100s-1，每10s采集一个样品数据，持续5min。

1.4.2 二氧化碳气容量测定

CO2气容量测定采用减压器法[9]。将样品瓶用减压器上的针头刺穿瓶盖，旋开放气阀排气，待压力表指针回零后，立即关闭放气阀，将样品瓶往复剧烈振摇约40s，待压力稳定后，记录压强值(精确至0.01MPa)。旋开放气阀，随即打开瓶盖，用温度计测量样品温度。根据测得的压力和温度，查碳酸气吸收系数表，即得CO2气容量。饮料开启后，测量CO2气容量一次后，旋开放气阀，待压力表指针回零后，立即关闭放气阀，继续测量CO2气容量，对同一样品连续测量8次，并记录CO2气容量变化。

加速实验：将1.3节所制得的碳酸饮料样品用PET瓶盖密封置于37℃恒温箱储存4周，每周取样一次，冷却至室温后测量，记录CO2气容量变化。

1.5 统计分析

选用OriginPro 7.5软件(OriginLab Corporation，Northampton，USA)对数据进行单边方差分析(ANOVA)。显著性分析采用Tukey检验，显著性水平采用0.05。

2 结果与分析

2.1 饮料开启后食用胶对CO2气容量的影响

图1 4种胶体在碳酸饮料开启后对CO2气容量的影响Fig.1 Effects of different gums on volumetric carbon dioxide capacity after package opening of carbonated soft drinks

碳酸饮料开启后，不同食用胶对CO2气容量的影响如图1所示，CO2气容量均呈下降趋势。应用CMC、阿拉伯胶和瓜尔豆胶的碳酸饮料样品第2次所测CO2气容量与样品初始的CO2气容量之间存在显著差异(P＜0.05)，而后续所测CO2气容量之间无显著差异(P＞0.05)。可见，应用CMC、阿拉伯胶和瓜尔豆胶3种胶体的碳酸饮料在开启之初，CO2损失较快。应用PGA的碳酸饮料样品前3次所测CO2气容量之间均无显著差异(P＞0.05)，而第4次所测CO2气容量与第3次所测CO2气容量之间存在显著差异(P＜0.05)，后续所测数据间无显著差异(P＞0.05)，数据结果表明应用PGA的碳酸饮料在开启之初能够较好地控制CO2的释放。

根据添加不同胶体的碳酸饮料其CO2气容量随饮料开启次数的拟合曲线(图1)可知，添加不同胶体的碳酸饮料样品中CO2释放速率由慢到快的顺序为：CMC＜PGA＜阿拉伯胶＜瓜尔豆胶＜空白。通过检测体系的黏度发现，质量分数0.05% CMC、PGA、阿拉伯胶、瓜尔豆胶溶液的表观黏度分别为6.42、1.76、1.03、1.71mPa·s。气体在液体中的释放速度与液体体系的黏度、气体压力等有直接关系[3,10]。本实验中，添加不同胶体碳酸饮料样品的初始CO2气容量并无显著差异(P＞0.05)，即饮料的初始气体压力间没有显著差异，CO2的释放速率仅与样品体系的黏度相关，而添加CMC的碳酸饮料的黏度最大，故CMC表现出较好的控制CO2释放效果。Frank等[3]发现：质量分数0.5%的CMC和PGA的黏度分别为6.16Pa·s和1.90Pa·s，当CO2压力为0.3MPa时，CMC溶液中CO2气泡的上升速率较慢；得出压力一致的前提下，体系黏度越大，气泡上升的速率越小。这与本实验结果一致。

2.2 饮料加速实验过程食用胶对CO2气容量的影响

图2 4种食用胶体在碳酸饮料加速实验过程中对CO2气容量的影响Fig.2 Effects of different gums on volumetric carbon dioxide capacity of carbonated soft drinks in acceleration experiments

在碳酸饮料加速实验过程中，不同食用胶对CO2气容量的影响如图2所示。存放一周的样品所测CO2气容量与样品初始的CO2气容量之间存在显著差异(P＜0.05)，添加胶体或不添加胶体的碳酸饮料样品其CO2气容量的衰减量均超过总衰减量的50%；而后续所测CO2气容量之间无显著差异(P＞0.05)，数据结果表明碳酸饮料在加速实验前期CO2气容量降低较快。根据各胶体所应用饮料CO2气容量的拟合曲线可知，添加不同胶体的样品中CO2衰减速率由慢到快的顺序为：PGA＜CMC＜阿拉伯胶＜瓜尔豆胶＜空白。数据结果表明应用PGA的碳酸饮料在加速实验中能够较好地控制CO2的释放。

由上述两组实验结果发现：在饮料开启后，CMC在碳酸饮料中对CO2的保持能力优于PGA，而在加速实验中PGA在碳酸饮料中对CO2的保持能力优于CMC，这与二者的结构特征和碳酸饮料的特性有一定关系。CMC是一种阴离子、直链、水溶性纤维素醚，容易水解成二糖和葡萄糖，造成其溶液体系黏度降低。如2%的耐酸性CMC溶液(pH6.0)的起始黏度为1250mPa·s，在40℃放置7d黏度降为450mPa·s，放置15d黏度降为210mPa·s[11]；另外，应用CMC的碳酸饮料在保温存储过程中生成的气泡直径达到一定尺寸后破裂，气泡瞬间破裂所释放的高能量(气穴现象)将使CMC分子在气泡破裂区域内拉长断裂[12]，从而使加速实验中的体系黏度下降，减弱了对CO2的释放控制效果。PGA广泛应用于啤酒工业，当PGA添加量达到35mg/L时，可显著提高啤酒的泡沫稳定性和持泡力[13-14]。PGA对酸、盐及金属离子均较稳定，尽管PGA水溶液在高温加热时，黏度也会迅速下降，但60℃以下温度的影响不显著，不会像CMC那样出现黏度下降的现象[15]，所以在本研究的加速实验中，PGA较CMC表现出更优异的持气性。

3 结 论

当CMC、PGA、阿拉伯胶和瓜尔豆胶4种食用胶等质量分数(0.05%)应用于碳酸软饮料时，结果表明：1)饮料开启后，不同食用胶体影响CO2释放速度由慢到快的顺序为：CMC＜PGA＜阿拉伯胶＜瓜尔豆胶＜空白；PGA在碳酸饮料开启之初能较好的控制CO2的释放；2)碳酸饮料在37℃储存4周的加速实验中，影响CO2释放速度由慢到快的顺序为：PGA＜CMC＜阿拉伯胶＜瓜尔豆胶＜空白；碳酸饮料加速实验初始阶段是CO2衰减的主要阶段。总之，在相同压力的前提下，饮料体系的黏度及其稳定性决定了碳酸饮料CO2气容量的变化趋势。

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Effect of Different Food Gums on Volumetric Carbon Dioxide Capacity of Carbonated Soft Drinks

CAI Man-yi1,2，XU Hong-gao1,2，LI Shao-zhen2，GAO Yan-xiang1,2,*，ZHANG Hua-fang3
(1. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China；2. Research and Development Center, Beijing Huiyuan Beverage and Food Group Co. Ltd., Beijing 101305, China；3. Beijing Cathay Harmony and Health Technology Co. Ltd., Beijing 100036, China)

The effects of respective additions of sodium carboxymethyl cellulose (CMC), propylene glycol alginate (PGA), arabic gum and guar gum on carbon dioxide volumetric capacity in carbonated soft drinks packaged with PET were studied. By carbon dioxide release rate after package opening, carbonated soft drinks with separately added four food gums at a level of 0.05% could be ranked as follows: CMC ＜ PGA ＜ arabic gum ＜ guar gum. During storage at 37 ℃ for 4 weeks, the attenuation rate of carbon dioxide volumetric capacity was decreased in the following order: guar gum ＞ arabic gum ＞CMC ＞ PGA.

sodium carboxymethyl cellulose；propylene glycol alginate；arabic gum；guar gum；carbonated soft drinks；volumetric carbon dioxide capacity

TS202.3

A

1002-6630(2011)07-0121-04

2010-08-24

国家“863”计划项目(2010AA10Z301)

蔡满意(1977—)，女，工程师，硕士研究生，研究方向为饮料加工。E-mail：caimanyiyanfa@163.com

*通信作者：高彦祥(1961—)，男，教授，博士，研究方向为食品高新技术与饮料加工。E-mail：gyxcau@126.com