赤藓糖醇对柠檬汁饮料中维生素C保护作用的研究

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(1. 光明乳业股份有限公司光明乳业研究院,上海 200436;2. 乳业生物技术国家重点实验室,上海 200436;3. 嘉吉投资(中国)有限公司,上海 200333)

果汁饮料中的维生素C是人体日常所需的重要营养成分之一,但由于其不稳定,易受到存放环境例如温度、光照以及果汁内部体系pH等条件的影响[1-2],从而引起氧化反应,产生大量的自由基,因而造成维生素C的氧化分解。赤藓糖醇作为近年来倍受推广的一种新型天然甜味剂,由于其甜味纯正,并且无不良苦后味,同时拥有热量低、耐受量高、体内代谢不引起血糖波动等生物学特性,因此,被广泛地应用于饮料、糖果等食品工业中[3-4]。同时经研究发现[5],赤藓糖醇还可作为抗氧化剂,能有效地清除自由基并抑制其生成。目前国内外对于赤藓糖醇在饮料中的研究主要侧重于其作为新型甜味剂的应用,但对于赤藓糖醇的抗氧化功能在饮料中的研究还没有相关报道。因此,本文以柠檬汁饮料作为实验材料,通过建立维生素C热降解动力学模型[6-10]来探究赤藓糖醇对柠檬汁饮料中维生素C的保护作用。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

蔗糖 上海耐金实业有限公司;柠檬酸 上海大鹰生物科技有限公司;浓缩柠檬汁 Cargill;赤藓糖醇 山东保龄宝生物股份有限公司;2,6-二氯靛酚 Johnson Matthey;草酸、抗坏血酸 国药集团化学试剂有限公司。

电子天平PL3000 梅特勒-托利多仪器有限公司;手持式搅拌机HR1364 飞利浦电子香港有限公司;超高温瞬时灭菌机Q56834 阿姆菲尔德有限公司;恒温培养箱LHS-250SC 上海一恒科技有限公司;pH计DELTA320 梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 柠檬汁饮料的制备 将浓缩柠檬汁240g溶解于温水中,依次加入蔗糖850g和柠檬酸16g配制成基础溶液10L,然后加入不同量的赤藓糖醇,制备成浓度分别为0%、1%、2%、3%的4桶原料,在100℃、5s的条件下经UHT高温灭菌后,分别灌装于250mL的塑料瓶中,并根据实验要求在不同温度下贮藏。

1.2.2 柠檬汁饮料中维生素C热降解动力学研究 将不添加赤藓糖醇的试样分为三组,每组11个试样,分别置于20、30、40℃的环境下贮藏,选择不同时间分别随机取样,测定其维生素C的含量,采用三组平行实验。

1.2.3 赤藓糖醇对维生素C降解速率的影响 将含有1%～3%不同赤藓糖醇浓度的试样放置于一定温度下,以赤藓糖醇的浓度分为三组,每组11个试样,选择不同时间测定各组试样中维生素C的含量,采用三组平行实验。

1.2.4 降解动力学方程 食品在加工和贮藏的过程中,其大多数营养物质都会受到各类因素的影响而造成降解。经研究证实[11],这些成分发生降解反应的动力学方程基本符合零级或一级动力学反应模型,相关方程分别为:

f(c)=f(c0)-kt

f(c)=f(c0)exp(-kt)

式中,f(c)为反应物在时间为t时刻的质量浓度;f(c0)为反应物在t=0时的质量浓度;k为在相应贮藏条件下反应物的降解速率常数;t为反应时间。

Arrhenius经验公式[8]是反映不同温度下的反应速率常数k随温度变化规律的方程,即:

k=A·exp(-Ea/RT)

式中,A为指前因子;Ea为活化能;R为理想气体常数;T为绝对温度。对于指定反应,A和Ea是既与反应物质量浓度无关,也与反应温度无关的常数。

1.2.5 维生素C浓度的测定 参考文献[12]的方法。

2 结果与讨论

2.1 柠檬汁饮料中维生素C热降解动力学研究

经实验测定,得到不同温度下柠檬汁饮料中维生素C含量随时间的变化趋势,并对其进行拟合,拟合结果如图1所示。

图1 不同温度对柠檬汁饮料中维生素C浓度变化的影响 Fig.1 Effect of temperature on vitamin C concentration in lemon juice

可以从图1中看到,随着柠檬汁饮料贮藏时间的延长,维生素C的含量逐渐下降;并且伴随着温度的升高,其分解速率加快。在20、30、40℃的环境条件下贮藏16周,维生素C的保存率分别为60.82%、31.98%、8.48%。

拟合结果表明,柠檬汁饮料中维生素C在不同温度下的分解符合一级反应动力学模型,即:

f(c)=f(c0)exp(-kt)

式(1)

根据实验数据由式(1)计算维生素C在不同温度下的分解速率常数k,并进行线性回归分析,结果见表1。

表1 不同温度下柠檬汁饮料中维生素C分解速率常数和回归系数Table1 Values of reaction rate constant and regression coefficient of vitamin C degradation under different temperatures

将Arrhenius方程左右两边同时取对数可得:

lnk=lnA-Ea/RT

式(2)

根据上式(2),对维生素C一级反应速率常数的对数lnk与贮藏温度的倒数1/T作图,如图2所示,由直线的斜率和截距分别求得其活化能Ea和指前因子A,结果见表2。

图2 lnk与1/T的关系曲线 Fig.2 Relationship between lnk and 1/T

表2 柠檬汁饮料中维生素C热降解动力学参数Table 2 Kinetic parameters of vitamin C heat degradation in lemon juice

通常认为化学反应的活化能Ea为40～400kJ/mol,活化能Ea越小,反应越易进行。当Ea<42kJ/mol时,反应速率非常大;当Ea>400kJ/mol时,反应速率非常小[6]。从表2可知,柠檬汁饮料在贮藏过程中维生素C易发生降解反应。

表3 不同条件下柠檬汁饮料中维生素C分解速率常数、活化能和指前因子Table 3 Values of reaction rate constant,activation energy and pre-exponential factor of vitamin C degradation under different conditions

2.2 赤藓糖醇对维生素C降解速率的影响

在恒温条件下,经实验测定,得到柠檬汁饮料中不同赤藓糖醇添加量对维生素C含量随时间变化的影响,并对变化趋势进行拟合,拟合结果如图3～图5所示。

图3 赤藓糖醇添加量对柠檬汁饮料中维生素C浓度变化的影响(T=20℃) Fig.3 Effect of erythritol addition on vitamin C concentration in lemon juice(T=20℃)

图4 赤藓糖醇添加量对柠檬汁饮料中维生素C浓度变化的影响(T=30℃) Fig.4 Effect of erythritol addition on vitamin C concentration in lemon juice(T=30℃)

图5 赤藓糖醇添加量对柠檬汁饮料中维生素C浓度变化的影响(T=40℃) Fig.5 Effect of erythritol addition on vitamin C concentration in lemon juice(T=40℃)

拟合结果表明,上述条件下柠檬汁饮料中维生素C随时间的降解速率符合一级反应动力学模型。可以从图3～图5中看到,在恒温条件下,随着赤藓糖醇添加量的增多,维生素C的分解速率有所放缓,相比于对照(无添加),贮藏16周后维生素C的保存率均有不同程度的增长。根据上述实验数据由式(1)和式(2)计算维生素C在不同条件下的分解速率常数k以及相应的活化能Ea和指前因子A,结果见表2。

由表2可知,添加赤藓糖醇后柠檬汁饮料中维生素C发生降解反应的活化能均比未添加赤藓糖醇的试样(65.68kJ/mol)高,因此维生素C的降解反应与对照相比较难进行,并且随着赤藓糖醇添加浓度的提高,活化能基本呈上升趋势。其中,当赤藓糖醇添加浓度为2%时,维生素C降解反应活化能达到最大,为75.47kJ/mol,比对照高出了9.79kJ/mol;但随着赤藓糖醇浓度的继续增加,反应活化能基本不变。综上所述,在柠檬汁饮料中加入赤藓糖醇确实能在一定程度上起到保护维生素C的作用。

3 结论

实验研究结果表明,柠檬汁饮料在贮藏过程中维生素C对热不稳定,温度对维生素C的降解符合一级反应动力学模型,随着贮藏温度的升高,维生素C的降解速率明显增大。赤藓糖醇作为一种能够抗氧化的甜味剂,通过建立动力学模型考察维生素C降解过程中的活化能、速率常数等动力学参数,发现它的加入确实能使维生素C的降解速度减缓,提高反应活化能,从而对维生素起到一定的保护作用。这也为赤藓糖醇在作为甜味剂的同时,其抗氧化作用在果汁饮料中的研究提供了一定的基础。

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