不同高酯果胶的钙敏特性及其对酸乳饮料稳定性的影响

田 芬,王银娟,欧 凯,金世合,李罗飞,张佳佳,吴伟都,高兴华

(杭州娃哈哈科技有限公司,浙江杭州 310018)

不同高酯果胶的钙敏特性及其对酸乳饮料稳定性的影响

田 芬,王银娟,欧 凯,金世合,李罗飞,张佳佳,吴伟都,高兴华*

(杭州娃哈哈科技有限公司,浙江杭州 310018)

本文以6种高酯果胶为研究对象,采用频率扫描-粘弹性流变曲线来研究其钙敏特性,并研究钙敏性对酸乳饮料稳定性的影响作用。结果表明:高酯果胶P1、P2、P3、P4有钙敏性,P5、P6几乎无钙敏性。钙敏性强弱顺序为P1>P2>P4>P3>P5≥P6。蛋白稳定性研究表明:酯化度相近的高酯果胶在粘度相同的情况下,其钙敏性对酸乳饮料的稳定性有影响作用,钙敏性越强,酸乳体系越稳定,钙敏性越弱,酸乳体系越失稳。

高酯果胶,钙敏性,稳定性,频率扫描

果胶是一种线性的多糖聚合物,D-半乳糖醛酸是果胶分子的主要组成成分,果胶分子主链是由D-半乳糖醛酸残基以α-1,4糖苷键连接形成的酸性大分子多糖,并且半乳糖醛酸C6上的羧基多是以甲酯化形式状态存在[1-2]。

果胶根据酯化度DE来分为高酯果胶(DE≥50%)和低酯果胶(DE<50%)。高酯和低酯果胶都能形成凝胶,但凝胶条件和相应机制不同。钙敏性定义为:Ca2+存在的情况下果胶溶液出现的粘度增加现象[3]。有研究表明:Ca2+的加入,使高酯果胶溶液的粘弹性增大,利于其形成凝胶[4-5],也有研究证实高酯果胶的凝胶速度和凝胶强度受到Ca2+的影响[5-6]。说明高酯果胶有钙敏性,本文对其进行深入研究。

酸乳饮料是一类普通的饮料。高酯果胶广泛用于酸乳饮料的稳定体系,发挥稳定酪蛋白的能力,阻止酪蛋白在低pH下的相互聚团而引发的沉淀问题[8-10]。研究表明:果胶通过静电吸附和空间位阻作用使酪蛋白稳定于体系中[10-12],本文研究了酯化度相近、粘度相同的不同高酯果胶的钙敏特性,及钙敏性对酸乳饮料稳定性的影响;即在空间位阻基本相同的情况下,通过流变扫描研究高酯果胶的钙敏性,并阐明钙敏性对酸乳饮料离心沉淀率的影响,为其在酸乳稳定体系的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

6种高酯果胶 食品级(酯化度为70%～72%,0.5%溶液的粘度均为5.2～5.4 mPa·s)；CaCl2天津化学试剂一厂；脱脂粉 Arla Foods；葡萄糖酸-δ-内酯 江西新黄海医药食品化工有限公司；白砂糖 北京糖业有限公司。

AR-G2 高级旋转流变仪 美国TA仪器有限公司;pH计、分析天平(感量0.001 g):Mettler-Toledo;Silverson搅拌器 英国silverson公司;离心机 德国eppendorf公司;均质机、UHT:德国APV公司;水浴锅 石家庄静天环保仪器仪表供应有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 钙敏性测试方法 将不同高酯果胶配成0.5%(w/w)的溶液,70～80 ℃下搅拌20 min,水化好之后分别加入CaCl2(2.72 μmol/mL[13]),对果胶原液和果胶+CaCl2溶液分别进行频率扫描流变测试,扫描条件[14-15]:测试间距500 μm,测试温度10 ℃,上样后平衡5 min,应变:15%,频率扫描范围0.01～100 Hz。平行实验三次。

1.2.2 调酸型酸乳饮料的生产工艺流程 参考文献[16]脱脂粉4%+果胶0.5%+蔗糖6%+净化水→原料混合→冷却至调酸温度→调酸→定容→预热→均质→杀菌→灌装。操作要点如下:调酸:用1.6%(w/w)葡萄糖酸内酯来调酸,在搅拌器速度为3000 r/min下加入酸,用pH计测定pH=4.0时为终点。均质:样品定容后放置30 min后,预热到65～70 ℃去均质,均质条件18～20 Mpa,杀菌:杀菌条件125～130 ℃下3～5 s。

1.2. 3 调酸型酸乳饮料的稳定能力测试-离心沉淀率测定 以离心管取待测样品10 mL,并测定样品质量m0后。放入离心机,以3000 r/min离心15 min后,取出离心管,静置10 min后,除去上清液,测残余物的质量m。每个样品进行3次平行测定,取平均值。计算离心沉淀率(WHC)。

WHC(%)=m/m0×100[16]

1.2.4 统计学分析 本文涉及的统计学分析均使用origin 8.0来完成。

2 结果与分析

2.1 不同高酯果胶的钙敏性测定结果

基于布鲁姆学习目标分类法，学校对临床药学专业本科生实践教学体系进行了改革，学生由低阶的了解、加深了解、熟悉药师的工作内容向高阶的基本掌握、掌握药师的临床药学工作技能发展，临床药学教育从基础目标逐步向高级目标(“八星药师”或我国临床药学专业培养目标)转化。由于本校对2016年入学的本科生才开始实施新改的临床药学实践教学模式，目前尚无毕业生，因此在新改临床药学实践教学模式的实施过程中应该利用科学的教学体系评价方法验证其合理性及有效性。

钙敏性是指在Ca2+存在的情况下果胶溶液出现的粘度增加现象[3]。如图1所示:当频率≤5 Hz时,加Ca2+后的P1和P2均出现粘度(G″)和弹性(G′)的增加现象,说明高酯果胶P1和P2有钙敏性;当频率≥5 Hz时,两者加钙前后的粘弹性曲线基本重合,无钙敏性;表明P1、P2的钙敏性信号只限于低频范围(频率≤5 Hz),说明高酯果胶的钙敏性较弱。G″>G′,高酯果胶的粘度特征更明显[3]。高酯果胶的那些连续的未酯化的重复带负电片段具有钙敏性[17-18],带负电的集中片段越多,局部电荷量越高,越易与Ca2+强烈吸附,钙敏性表现程度越强,粘弹性增幅越大[19]。

图1 P1和P2的钙敏性频率扫描曲线Fig.1 Frequency scanning curves of calcium sensitivity of pectin P1 and P2注:G″-粘性模量,G′-弹性模量;“P1、P2”为加钙前的果胶溶液,“P1+Ca2+”、“P2+Ca2+”为加钙后的果胶溶液。

如图2所示:当频率≤5 Hz时,加Ca2+后的P3和P4均出现粘度和弹性增加现象,表明这两者均有钙敏性;当频率>5 Hz时,加钙前后的粘弹性曲线几乎重合,无钙敏性。P3和P4的G″>G′,高酯果胶的粘度特征优于弹性特征。

图2 P3和P4的钙敏性频率扫描曲线Fig.2 Frequency scanning curves of calcium sensitivity of pectin P3 and P4注:G″-粘性模量,G′-弹性模量;“P3、P4”为加钙前的果胶溶液,“P3+Ca2+”、“P4+Ca2+”为加钙后的果胶溶液。

如图3所示:频率扫描下,P5、P6的加钙前后的粘弹性曲线基本重合,加钙后的 P5几乎无粘弹性增幅,而P6甚至出现负增幅,表明这两种果胶几乎无钙敏性。P5、P6的粘性模量G″>弹性模量G′。

图3 P5和P6的钙敏性频率扫描曲线Fig.3 Frequency scanning curves ofcalcium sensitivity of pectin P5 and P6注:G″-粘性模量,G′-弹性模量;“P5、P6”为加钙前的果胶溶液,“P5+Ca2+”、“P6+Ca2+”为加钙后的果胶溶液。

上述6种高酯果胶,不论钙敏性的高酯果胶P1、P2、P3、P4,还是非钙敏性的高酯果胶P5、P6,其粘性模量G″>弹性模量G′,验证了高酯果胶的粘度特征更明显,高酯果胶以稳定酸乳体系蛋白为主,粘度是其发挥空间位阻作用的重要因素[20]。另具钙敏性的高酯果胶,其钙敏性信号只限于低频扫描范围(频率≤5 Hz),说明高酯果胶的钙敏性较弱。

2.2 不同高酯果胶的钙敏性大小对比

下图4、图5分别为不同高酯果胶的粘弹性增幅(Δ)对比,即在上述2.1钙敏性流变数据的基础上,以加钙后引起的粘弹性增加值所做的曲线;粘弹性增幅Δ分别标示为ΔG″/ΔG′,来比较不同高酯果胶的钙敏性大小趋势。

图4 不同高酯果胶在加钙后,粘性模量ΔG″的增幅趋势Fig.4 ΔG″ curves of 6 different HM pectins solution after Ca2+ addition

如图4所示:在频率≤5 Hz时,粘度增幅ΔG″由大到小:P1>P2>P4>P3>P5>P6,即钙敏性大小也是如此。

如图5所示:在频率≤2 Hz时,弹性增幅ΔG′由大到小:P1>P2>P4>P3>P5≈P6。即钙敏性大小也是如此。当2 Hz<频率≤5 Hz时,P4、P6的ΔG′曲线出现反常波动,但频率越低,数据越有意义[21],因为高酯果胶的钙敏性较弱,越是在低频下的数据对比,钙敏性越有意义。

图5 不同高酯果胶在加钙后,弹性模量ΔG′增幅趋势Fig.5 ΔG′ curves of 6 different HM pectins solution after Ca2+ addition

对比图4、图5可以看出:不同高酯果胶的粘性增幅ΔG″和弹性增幅ΔG′大小趋势几乎一致,说明G″、G′能同时准确反映高酯果胶的钙敏性,两者相辅相成。并且粘性ΔG″明显大于弹性ΔG′,即G″>G′,与上述论证一致,高酯果胶的粘性特征优于弹性特征。

2.3 酸乳体系的稳定性对比

如表2所示:离心沉淀率由少到多为:P1P2>P4>P3>P5≥P6,与上述高酯果胶的钙敏性大小趋势一致。

表1 不同高酯果胶的稳定蛋白能力-离心沉淀Table 1 The stability of 6 HM pectins-centrifugation

注:在任意两行中,如有相同的字母,则表示这两个平均数间差异不显著或者极不显著;反之,如没有相同的字母,则表示这两个平均数间差异显著或者极显著。

分别对10 min和20 min的离心沉淀率进行方差分析,结果如表1所示:除P5和P6在离心10 min时无显著性差异(p>0.05),其余几种果胶的稳定效果均有显著性差异(p<0.05)。

高酯果胶通过静电吸附和空间位阻作用使牛乳酪蛋白稳定在体系中[11]。首先果胶链上强的静电吸附点紧密吸附在酪蛋白上,其次分子链上其他甲酯化的、带电荷少的、不带电的结构分布在空间中,起到空间位阻的作用[20];若这时由静电吸附和空间位阻共同作用形成的蛋白保护层较结实,便发挥极好的稳定蛋白能力。

本文在固定空间位阻作用的前提下,研究钙敏性对酸乳体系稳定性的影响程度,即对酯化度相近、粘度相同的6种不同高酯果胶,研究其钙敏性和蛋白稳定性,上述数据表明:酯化度相近的高酯果胶在粘度相同的情况下,钙敏性越强,沉淀率越少,酸乳体系越稳定;而钙敏性越弱、或不具备钙敏性的高酯果胶,沉淀率越多,酸乳体系越容易失稳。有研究表明钙敏性越强的高酯果胶,甲氧基分布程度极不规律[13，17],导致分子链上的局部电荷量越高,与钙离子吸附能力越强,进一步与酪蛋白的静电吸附能力越强[17,20],显而易见,钙敏性与静电吸附作用力有一定的相关性,待后续进行更深入的研究。

3 结论

通过流变数据得出:高酯果胶P1、P2、P3、P4有钙敏性,P5、P6几乎无钙敏性;钙敏性强弱顺序为P1>P2>P4>P3>P5≥P6。而具钙敏性的高酯果胶在低频扫描下可捕捉到信号,频率≤5 Hz时,有钙敏性,频率>5 Hz时,无钙敏性,说明高酯果胶的钙敏性较弱;高酯果胶的粘性模量G″>弹性模量G′,表明高酯果胶的粘度特征更明显。

通过蛋白稳定性数据得出:酸乳饮料的稳定性强弱顺序为P1>P2>P4≥P3>P5≥P6,稳定性数据与钙敏性数据一致。表明:酯化度相近的高酯果胶在粘度相同的情况下,钙敏性越强,沉淀率越少,酸乳体系越稳定,而钙敏性越弱,沉淀率越多,酸乳体系越失稳。

[1]Harholt J,Suttangkakul A,& Scheller H V. Biosynthesis of pectin[J]. Plant Physiology,2010,153(2):384-395.

[2]Scheller H V,Jensen J K,Sorensen S O,et al. Biosynthesis of pectin[J]. Physiologia Plantarum,2007,129(2):283-295.

[3]Rolin C. Calcium sensitivity of high ester citrus pectins,in:G. O. Phillips,P.A. Williams,D.J. Wedlock(Eds.),Industry 7.Gums and Stabilisers for the Food Industry[D],Oxford University Press,Oxford,1993:413-422.

[4]Macdougall A J,Needs P W,Rigby N M,et al. Calcium gelation of pectic polysaccharides isolated from unripe tomato fruit[J]. Carbohydrate Research,1996,293(2):235-249.

[5]Lǒfgren C,Guillotin S,Evenbratt H,et al. Effects of calcium,pH,and blockiness on kinetic rheological behavior and microstructure of HM pectin gels[J]. Biomacromolecules,2005,6(2):646-652.

[6]Neidhart S,Hannak C,Gierschner K,et al. Investigations of the influence of various cations on the rheological properties of high-esterified pectin gels. In Elsevier[J]. Progress in biotechnology,1996,14:583-590.

[7]Nakamura A,Yoshida R,Maeda H,et al. The stabilizing behavior of soybean soluble polysaccharide and pectin in acidified milk beverages[J]. International Dairy Journal,2006,16:361-369.

[8]Glahn P E,& Rolin C. Casein-pectin interaction in sour milk beverages[R]. Food Ingredients Europe Conference Proceedings. 1994:252-258.

[9]Janhøj T,Frøst M B,& Ipsen R. Sensory and rheological characterization of acidified milk drinks[J]. Food Hydrocolloids,2008,22:798-806.

[10]张静,李元瑞,籍保平,等. 酸性条件下酪蛋白与高酯果胶稳定体系的研究[J].西北农林科技大学学报,2008,36(6):195-198.

[11]Tromp R H,de Kruif C G,Van Eijk M,et al. On the mechanism of stabilization of acidifed milk drinks by pectin[J]. Food Hydrocolloids,2004,18:565-572.

[12]宋馨,艾连中,穆海菠,等. 高甲氧基果胶在稳定调酸型酸乳体系中的研究[J].中国乳品工业,2012,40(7):19-21.

[13]Yang Y,Zhang G,Hong Y,et al. Calcium cation triggers and accelerates the gelation of high methoxy pectin[J]. Food Hydrocolloids,2013,32:228-234.

[14]Lǒfgren C,Hermansson A M. Synergistic rheological behavior of mixed HM/LM pectin gels[J]. Food Hydrocoloids,2007,21:480-486.

[15]吴伟都,朱慧,王雅琼,等. CMC与阴离子瓜尔胶复配溶液的流变特性研究[J].中国食品学报,2014,14(2):118-125.

[16]李向东,李娟. 粒径分析法研究稳定剂对含乳饮料饮料稳定性的影响[J].食品科学,2011,32(13):58-61.

[17]Wehr J B,Menzies N W,& Blamey F P C. Alkali hydroxide-induced gelation of pectin[J]. Food Hydrocolloids,2004,18(3):375-378.

[18]Almrhag O,George P,Bannikova A,et al. Analysis on the effectiveness of co-solute on the network integrity of high methoxy pectin[J]. Food chemisty,2012,135:1455-1462.

[19]Fang Y,Al-Assaf S,Phillips G O,et al. Binding behavior of calcium to polyuronates:comparison of pectin with alginate[J]. Carbohydrate Polymers,2008,72(2):334-341.

[20]Jensen Søren,Rolin C,Ipsen R,Stabilisation of acidified skimmed milk with HM pectin[J]. Food Hydrocolloids,2010,24:291-299.

[21]Videcoq P,Garnier C,Robert P,et al. Influence of calcium on pectin methylesterase behavior in the presence of medium methylated pectins[J].Carbohydrate Polymers,2011,86:1657-1664.

Calcium sensitivity of different HM pectins and their effect on
stability of acid milk beverage

TIAN Fen,WANG Yin-juan,OU Kai,JIN Shi-he,LI Luo-fei,ZHANG Jia-jia,WU Wei-du,GAO Xing-hua*

(Hangzhou Wahaha Technology Co. Ltd,Hangzhou 310018,China)

The 6 High Methoxyl pectins which were researched deeply before were regarded as the research subject to determine their G″ and G′ with frequency scanning explanation for calcium sensitivity. Results demonstrated that HM pectins P1、P2、P3、P4 had obvious calcium sensitivity,respectively,and P5,P6 were non-calcium sensitivity. The order of calcium sensitivity of HM pectins was P1>P2>P4>P3>P5≥P6. Protein stability data showed that there was correlation between calcium sensitivity and protein stability of HM pectins when their viscosity and DE were same,HM pectins with strong calcium sensitivity had better protein stability,whereas low calcium-sensitive HM pectins had poor protein stability.

High Methoxyl pectin;calcium sensitivity;protein stability;frequency scanning

2014-09-02

田芬(1987-)，女，硕士，工程师，研究方向:乳品科学,E-mail:neautf@163.com。

*通讯作者:高兴华(1975-)，女，硕士，高级工程师，研究方向:食品科学与工程,E-mail:xinghuagao@wahaha.com.cn。

杭州市科技发展计划项目农业科技攻关专项(20140432B105)。

TS201.7

A

1002-0306(2015)19-0083-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.19.008