应用快速稳定性分析方法研究增稠剂对燕麦饮料稳定性的影响

王成祥，刘辉,段胜林,马芙俊，张美娜

1(同福碗粥股份有限公司，安徽 芜湖，241000) 2(中国食品发酵工业研究院，北京，100015)

以燕麦为原料开发的谷物饮料具有广阔的市场前景，但是由于饮料中淀粉、纤维素含量较高且含有一定的蛋白质，经高温灭菌后，在6～12个月的保质期内容易出现析水、沉淀、浮油及絮集等稳定性问题。

采用传统的观察法或离心沉淀法来预测稳定性存在周期长、准确性差的缺点。为解决稳定性快速判定的问题，朱亚婧等采用LUMiSizer 611稳定性分析仪结合激光粒度分析仪考察了不同均质工艺下燕麦饮料的稳定性[1]。李婷等采用测定饮料体系的粒径和电荷分布的方法研究燕麦魔芋浓浆型饮料的流变特性、多相凝胶体系的胶体特性和浓浆型饮料的稳定特性，建立了体系粒径和胶体电位对稳定性的影响模型[2]。白洁等利用Turbiscan稳定性分析仪测定与离心沉淀率、透光率及粘度等指标考察了燕麦豆乳在不同微细化处理工艺下的稳定性[3]。以燕麦谷物饮料为代表的食品乳状液由于内容物成分、含量、生产工艺等方面的差异和各类快速分析方法本身的局限，导致在采用单一的稳定性快速分析方法时，难以全面、准确地预测产品稳定性。

目前，基于近红外反射物理模型的稳定性分析仪已开始应用于研究食品乳浊液的稳定性，本研究采用其中具有代表性的LUMiSize和Turbiscan Tower两种快速稳定性分析仪同时结合静置观察、平均粒径测定、离心沉淀率测定等传统方法共同考察卡拉胶、结冷胶、微晶纤维素3种增稠剂对燕麦饮料的稳定性影响，以期筛选出稳定性最佳的增稠剂，并探讨2种快速稳定性分析方法的优劣。

1　材料与方法

1.1　试验材料

燕麦米、蔗糖，市售；谷物粉，北京富海科技术有限公司；大豆分离蛋白，山东万得福实业集团有限公司；菊粉，天津滨海捷成专类化工有限公司；亚麻籽油，吉林省长白工坊科贸有限公司；食品级碳酸钠，市售；VC，山东鲁维制药有限公司；单，双甘油脂肪酸酯，广州美晨集团股份有限公司；增稠剂(卡拉胶，嘉吉亚太食品系统(北京)有限公司；结冷胶，斯比凯可生物制品有限公司；微晶纤维素，富曼实(上海)食品科技有限公司。

1.2　仪器设备

FW3D 型高速搅拌器，德国 Ika Labortechnik公司；pH计，瑞士Metrohm公司；电子分析天平，德国 Sartorius 公司；APV1000 型均质机，丹麦 APV 公司；LDZX-30FB 压力蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；TURBISCAN TOWER型分散稳定性分析仪，法国Formulaction公司；LUMiSizer LS610稳定性分析仪，德国L.U.M.GmbH 公司；Microtrac S3500激光粒度分析仪，美国麦奇克有限公司；Z216MK台式离心机，德国HERMLE Labortechnik GmbH公司。

2　实验方法

2.1　燕麦饮料的工艺与配方

2.1.1燕麦提取液的制备

燕麦米加入10～15倍纯净水(g∶mL)，用Na2CO3调节pH值为8.5～8.8，加热至90～95 ℃，搅拌保温，提取1.5 h，用80目滤网过滤，保留提取液。

2.1.2调配

谷物粉、增稠剂、蔗糖、大豆分离蛋白、菊粉、VC、单、双甘油脂肪酸酯干混，与亚麻籽油一起加入80～85 ℃燕麦提取液，充分溶解15～20 min后，用纯化水定容至100%，搅拌5 min。

2.1.3均质

将料液升温至75～80 ℃，再30、40 MPa下各均质1次。

2.1.4灭菌

均质后将料液灌入玻璃瓶中，用121 ℃静止蒸汽灭菌25 min。

2.1.5冷却

灭菌完成后室温下冷却静止，观察现象。

燕麦饮料的基础配方见表1。增稠剂使用方案见表2。

表1　燕麦饮料基础配方Table 1　The basic formula of oat beverage

2.2　燕麦饮料的分析方法

2.2.1静置观察

本实验将燕麦饮料在贮藏期经常出现的析水、沉淀、浮油、絮集作为主要的观察指标，记录在常温25 ℃放置30 d后的样品情况。将能够量化的析水、浮油和沉淀分别记录高度，絮集用“+”表示，“+”越多表示现象越严重。0～9#各观察3个平行样品。

表2　增稠剂应用方案Table 2　The application progame of thickening agents

2.2.2平均粒径的测定

使用Microtrac S3500激光粒度分析仪测定，测定方式选择湿法手动测量：将燕麦饮料样品滴入样品池中。当样品达到合适的浓度时，分散均匀的颗粒被激光束照射产生衍射，由于半径不同，产生的衍射角度不同，衍射光被检测器收集后将接收到的光信号转换成电信号送入计算机，反应为颗粒的平均粒径以及粒径的分布。平均粒径用MV(μm)表示。从第1天、第10天、第20天、第30天各测1次，每组重复3次。

2.2.3用LUMiSizer稳定性分析仪测定稳定性

采用德国LUMisizer 稳定性分析仪对不同增稠剂使用方案下得到的燕麦饮料进行稳定性分析。仪器采用Stokes Law 的离心加速方法和Lambert-Beer Law 光学技术监测样品的稳定性、全程分离步骤、沉降及悬浮并存的复杂分离行为[4]。软件记录仪器测定得到的样品在离心作用下红外透光率(transmitted light, T)的变化并绘制谱线，谱线左侧为样品的顶部，右侧为样品的底部，计算光透过率积分对时间的曲线的斜率作为不稳定系数。

根据LUMiSizer的测定原理可知：在顶部，终止谱线如果高于起始谱线(谱线向上变宽)，则表明顶部的透光率增加，溶液变得澄清，溶液组分在离心力的作用下向底部发生迁移；在底部，如果终止谱线与起始谱线重合，说明底部组分没有发生导致透光率变化的迁移，终止谱线如低于起始谱线(谱线向下变宽)，说明溶液中的组分迁移到底部导致透光率下降，这通常是沉淀现象，沉淀层越厚，则谱线在横坐标方向上的宽度越宽。

通过不稳定系数值比较样品的稳定性。不稳定系数值越大，在一定的时间内样品的透光率变化越快，即样品的移动分层速度变化越快，样品越不稳定；反之不稳定系数数值越小，样品越稳定。测定参数：温度20 ℃，离心速度3 000 r/min，光因子系数1.00，每10s 扫描1次，共扫描300次。

2.2.4用Turbiscan Tower型分散稳定性分析仪测定稳定性

Turbiscan Tower型分散稳定性分析仪采用脉冲近红外光源2个同步光学探测器,分别探测透过样品的透射光(T)和被样品反射的背散射光(backscattering, BS)得到样品检测曲线图。光源探测器由样品瓶底开始扫描至瓶顶，样品扫描范围为2～45 mm。根据设备的检测原理，扫描图的左侧初始部分是样品的底部，右侧线端是样品的顶部。底部曲线如果向上移动，说明样品反射光增加，则样品组分增加，底部曲线向下移动说明样品反射光减少，则样品组分减少，表观现象为水析；顶部曲线向上移动是脂肪上浮的表现，向下移动表现为水析；中间曲线移动过多，说明体系有团聚或絮凝现象。以初次扫描样品数据为0 起始线，随着时间增加，样品内体系发生变化，与原起始线偏离越大，稳定性越差，反之则稳定性越好，最终应用软件分析曲线图得出稳定性指数(turbiscan stability index，TSI)，TSI越低说明稳定性越好[5]。

2.2.5离心沉淀率

取12 mL燕麦饮料加入刻度离心管中，在3 500 r/min 离心条件下，离心15 min，然后倒出上清液，称量底部的沉淀物的量。离心沉淀率计算如式(1)：

(1)

式中：m1为沉淀物的质量，g；m2为称取样品的质量，g。每组重复3次。

3　结果与分析

3.1　静置观察结果

燕麦饮料中含有大量的原淀粉，这些淀粉在长期放置过程中很容易发生老化，出现析水。饮料中含有的蛋白质在高温杀菌后表面疏水基团暴露增多，容易聚集成大颗粒，进而逐渐沉降，同时淀粉、纤维等与蛋白质一起形成沉淀。

从表3可以看到，样品在经过25 ℃放置30 d后，没有增稠剂的0#空白析水有1.5 mm，沉淀有3 mm，说明体系不稳定的主要原因是淀粉老化带来的析水和不溶性颗粒造成的沉降。1#、2#、3#分别是卡拉胶0.02%、0.04%、0.06%添加量样品，沉淀高度与空白比无明显减少，吸水量明显少于空白，说明卡拉胶在该体系下的悬浮能力较弱，控制析水的能力较好。4#、5#、6#分别是结冷胶0.02%、0.04%、0.06%添加量样品，通过放置观察可以看到，随着结冷胶添加量的增加，体系产生严重的絮集，饮料呈凝胶状态，上层出现大量析水。说明结冷胶对于该体系来说，0.02%添加量时凝胶强度依然过大。7#、8#、9#分别是微晶纤维素0.02%、0.04%、0.06%添加量样品，它们相对于空白样品的析水量、沉淀量都明显减少，8#、9#完全没有沉淀，8#析水显著少于其他各组(p<0.05)。由此可知，微晶纤维素的悬浮能力最佳，控制析水的能力先增加后减少。

表3　样品在25 ℃下放置30 d后的观察结果Table 3　The observation results of sample after 30 daysat 25 ℃

注：“a、b、c、d”表示各组之间有显著性差异，置信区间为95%。

3.2　平均粒径的测定结果

根据图1结果可知，在30 d的常温贮藏期内，各组样品的平均粒径逐渐变大，并且1～10 d内平均粒径变化最快。同一时期内的，在0.02%～0.06%添加量范围内，卡拉胶对体系的平均粒径影响不明显，结冷胶相对空白样呈现先增加后降低的趋势，微晶纤维素呈现平均粒径逐渐上升的趋势。平均粒径最小的6#和9#在观察结果中差异明显，6#凝胶、析水，9#均一、无沉淀。并不是平均粒径越小的体系越稳定，也要看体系中胶体的类型。

图1　不同增稠剂对半径的影响Fig.1　Average particle size

3.3　LUMiSizer稳定性分析仪测定结果

使用不同增稠剂方案的0～9#样品利用LUMiSizer进行稳定性分析后，图谱结果与不稳定系数结果分别见图2、图3。

图2　LUMiSizer稳定性分析图谱Fig.2　The dispersion of analysis chromatograms of LUMiSizer

图3　各增稠剂方案的不稳定系数随时间变化情况Fig.3　The instability index of each thickening agentswith different time

卡拉胶在0.02%添加量时不稳定系数比空白略有下降，之后随着添加量增加不稳定系数逐渐升高，但与空白相差不大。结冷胶呈现先降后升的趋势，而且0.06%添加量时的不稳定析水远远高于空白。微晶纤维素3个添加量下的不稳定系数与空白差别不大。

卡拉胶方案中，谱线的变化趋势与空白样基本相似，即上层组分向下迁移导致透光率上升，并且顶部的谱线呈现一定的坡度，这说明顶部组分的迁移速率高于中部组分。3#图谱底部透光率比空白样高，形成面积略大于空白样，导致总体不稳定系数高于空白。

结冷胶方案中，5#、6#终止谱线的顶部透光率都明显上升，在中部的透光率呈近似直角的突然下降，底部透光率几乎与初始谱线重合，6#尤其明显。这说明5#、6#顶部出现了界限分明、大量的析水层，6#底部出现很宽的沉淀层，这与静置观察到的现象一直。6#图谱出现直角谱线说明，各组分是以整体一致的迁移速度向下沉降的，而不同粒径、密度的组分如要达到一致的迁移速度，则需要各组分之间通过形成某种坚固的“联结”实现，这反映在宏观上的现象之一就是凝胶。

微晶纤维素方案的图谱与空白比较没有明显的区别，并没反映出静置观察到的沉淀减少现象，这与LUMiSizer加速离心的分析方法有关，当离心速度过大或离心时间过长时，微晶纤维素三维网状结构所形成的“悬浮力”不足以阻止体系内组分的迁移，导致沉降结果与空白一样。

3.4　Turbiscan Tower型分散稳定性分析仪测定结果

用Turbiscan Tower型分散稳定性分析仪对0～9#样品连续进行24 h静止状态下的近红外扫描后，绘出了从0 h开始至24 h结束的图谱(ΔBS与横坐标0基准线围成的区域)。与LUMiSizer不同的是该图谱采用背散射光(BS)的变化率为横坐标，左侧为样品底部，右侧为样品顶部。图4显示了0#、1#、2#、3#样品的背散射光图谱，图5显示了4#、5#、6#样品的背散射光图谱，图6显示了7#、8#、9#样品的背散射光图谱。

图4　0#、1#、2#、3#样品的Turbiscan稳定性图谱Fig.4　Turbiscan stability scanning of sample 0#, 1#, 2#,3#

0#空白样品底部曲线上升增加，说明底部组分增加，有沉淀趋势；顶部曲线从上至下，先下降再上扬又下降，说明顶部形成了析水层-浮油层-析水层。

1#～3#卡拉胶不同添加量下的图谱显示，底部曲线上升幅度较空白样(ΔBS约 6.5%)都有一定降低，顶部曲线下降幅度逐渐降低，说明卡拉胶能小幅度地减慢组分的沉降速度，对控制析水有一定效果，对浮油的抑制作用不大。

图5　4#、5#、6#样品的Turbiscan稳定性图谱Fig.5　Turbiscan stability scanning of sample 4#, 5#, 6#

结冷胶不同添加量下的Trubiscan图谱见图4，随着结冷胶添加量的增加，底部曲线的高度与0#空白样底部谱线变化不大；但顶部曲线在基线以下下降明显，而且6#的下降深度与宽度最明显。说明结冷胶在6#添加量下的顶部析水最严重，已经有明显分层的趋势。

图6展示了微晶纤维素添加量0.02%、0.04%、0.06%下燕麦饮料的Turbiscan稳定性图谱。这3个梯度下，图谱左侧表示底部的背散射光变化率与空白相比明显减少，其中8#、9#的底部ΔBS只有1.5%左右，远低于空白样的6.5%；右侧顶部的曲线下降幅度呈现先减少后增加的趋势；顶部以下曲线的上扬幅度则变化不明显。说明微晶纤维素随添加量增加对底部组分向下迁移的减弱明显增强(背散射光增加幅度减少)，对上层析水的控制先增加后减弱，对浮油的控制不理想。

图6　7#、8#、9#样品的Turbiscan稳定性图谱Fig.6　Turbiscan stability scanning of sample 7#, 8#, 9#

通过Turbiscan软件对图谱的整体、顶部、底部进行分析得出稳定性指数(TSI)，结果如图7～图9所示。空白样品的稳定性问题主要出现在底部，TSI达到1.7，说明底部组分向下迁移是最突出的不稳定因素。全部10个方案中整体稳定性最好的8#、9#，顶部稳定性最好的是7#，底部稳定性最好的是8#，因此以Turbiscan来评价，整体稳定性最好的增稠剂方案是8#。

图7　样品整体的TSIFig.7　The TSI of global sample

图8　样品顶部的TSIFig.8　The TSI of top sample

图9　样品底部的TSIFig.9　The TSI of bottom sample

3.5　离心沉淀率测定结果

从表4可以看到，卡拉胶导致燕麦饮料的离心沉淀率有小幅增加，但各添加量的区别不明显。结冷胶随着添加量增加离心沉淀率逐步增多。微晶纤维素随用量的增加，饮料离心沉淀率明显下降。这与观察结果、LUMiSizer和Turbiscan的图谱显示结果相吻合：结冷胶导致饮料中的组分形成连续的弱凝胶，在离心过程中更沉降，进而形成更多的沉淀；微晶纤维素添加量≥0.04%时具有较强的悬浮能力，与空白相比沉淀率明显减少(p≤0.05)，能够减慢溶液组分的沉降速度。

表4　样品的离心沉淀率Table 4　The centrifugal sedimentation rate of sample

注：“a、b、c、d”表示各组之间有显著性差异，置信区间为95%。

4　结论

(1)实验结果表明，在燕麦饮料的体系中，卡拉胶有一定控制析水的能力但基本没有悬浮能力，结冷胶的凝胶强度过大容易导致絮凝产生，并伴随上层大量析水，微晶纤维素能够形成弱的三维网状结构可以大大减少饮料中组分的沉降速度，具有很好的悬浮作用，控制沉淀的效果明显，但是添加量过高会导致析水增多，但对浮油没有明显作用。因此，在这3种单一增稠剂中，微晶纤维素是控制燕麦饮料沉淀效果比较好的增稠剂。但是，复合增稠剂的稳定效果通常要优于单一的增稠剂，比如曾建新等以糙米粉和燕麦粉为主要原料研制的糙米露中使用卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC)、黄原胶作为复合稳定剂达到了比较好的风味、口感和稳定性[6]。薛玉清等通过研究胶态级微晶纤维素的流变学特性，包括触变性、黏度、悬浮能力和对热的稳定性，利用胶态微晶纤维素可形成独特的三维网状结构的特点，同时复配卡拉胶或结冷胶应用于可可奶、椰奶等中性乳饮料中获得了较好的稳定效果和口感[7]。林小秋等以护色香蕉浆和燕麦酶解液为基础原料，乳化剂添加量0.015%(硬脂酰乳酸钠∶蔗糖脂肪酸酯(质量比)=1∶1)、稳定剂添加量为0.03%(卡拉胶∶刺槐豆胶∶黄原胶(质量比)=1∶1∶1)，制备了香蕉燕麦酶解饮料[8]。李建磊等通过研究乳化剂与胶体对燕麦谷物饮料稳定性的影响，筛选出稳定剂的最佳复配组合[9]。杨洋等以牛乳、酶解燕麦粉为基础原料探讨了燕麦乳饮料的制备工艺条件[10]。

因此在下一步的工作中，我们需要继续深入研究微晶纤维素、卡拉胶和结冷胶的复配方案对本燕麦饮料体系的稳定效果。

(2)通过对传统的稳定性考察方法与快速稳定性分析方法对比，可以看出LUMiSizer与Turbiscan稳定性分析仪由于考察方式的不同(离心与静止)，在反映实际产品的长期稳定性方面各有优劣势，LUMiSizer离心加速的分析方法能够反映体系内部组分之间的结合情况，如图2中的5#、6#图谱反映了结冷胶导致饮料絮凝后迁移状态，但离心速度与时间过大则会产生与实际观察结果不符的结论，如图2中的7#、8#、9#；Turbiscan静止扫描的方法能够反映样品内部组分在实际重力作用下的迁移情况，并且对沉降、上浮的程度能做到较精细的描述，缺点是测量时间相对较长，对絮集等现象的反映不够明显。

因此，在考察燕麦饮料这类淀粉、纤维素含量较高且有一定蛋白质含量饮料的稳定性时，结合LUMiSizer和Turbiscan这2种快速稳定性分析仪的优势，可以更准确、快速地判断稳定性问题，缩短产品开发周期。

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