流变仪原位检测技术在饮料网络结构评价中的应用

吴伟都, 朱 慧, 李文强, 欧 凯, 王雅琼, 李言郡, 舒志成

(杭州娃哈哈集团有限公司研究院,浙江杭州 310018)

亲水胶体作为一种悬浮剂,经常被用在饮料生产中解决蛋白或其他颗粒沉淀问题,同时还能改善产品质构[1-2]。不同饮料体系,需考虑使用不同的亲水胶体以及胶体的用量[3-4]。如何评价增稠剂在饮料体系中所形成的网络结构,并考察其稳定化作用合适与否,需要借助一些手段对饮料进行检测。在评价手段上除了感官目视评定法之外,还可应用离心机、稳定性测试仪及流变仪等仪器研究饮料的网络结构[5-7]。

目前,原包装检测-浆式转子-旋转流变仪联合评价饮料体系网络结构的方法在国内外尚未见报道。原包装与浆式转子的应用可尽可能减少上样过程对网络结构造成的破坏。文章以清爽型乳酸菌饮品以例,考察较稀薄体系在室温、37℃及55℃3种储存环境饮料上下部网络结构的差异性,根据弹性模量的大小判定是否存在网络结构,以及储存环境与储存时间对网络结构的影响。另外,以含有较多起悬浮作用的增稠剂及自身含有淀粉的红豆薏米饮品为例,在考察弹性模量大小的基础上,主要评价其弹性模量对频率的依赖关系,以判定是否存在弱凝胶及弱凝胶形成的速率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：乳酸菌饮料、红豆薏米饮料,实验室自制(生产工艺流程参考图1、图2)。

仪器：AR.G2型高级旋转流变仪,美国TA公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品测试

图1 乳酸菌饮料生产工艺流程Fig.1 Processing technology flow of lactic acid bacteria beverage

图2 红豆薏米饮料生产工艺流程Fig.2 Processing technology flow of protein beverage with red bean and coix seed

轻轻打开饮料瓶盖子,对于瓶口较小的塑料瓶,则取剪纸刀一把,在饮料的顶部轻轻割出一个口子。将饮料平稳地移到流变仪的Peltier板上,移动浆式转子,慢慢插入饮料中待检测的部位,如上部、中部或下部。在流变仪中设置频率扫描测试参数,如预平衡为1 min,应变值为1% ～10%(一般选择10%,对于较强网络结构的选择1%),频率扫描范围为0.01 ～10 Hz。

1.2.2 数据处理

对于一般的清爽型乳饮料,选择弹性模量数值进行比较;对于较强网络结构的饮料,选择弹性模量随频率变化的曲线斜率的大小进行比较。

2 结果与分析

2.1 弹性模量评价饮料网络结构

以乳酸菌饮品为例进行实验,实验中以不加增稠剂为对照组,考察增稠剂(果胶)对网络结构的影响,并研究添加增稠剂的饮品在室温、37℃及55℃3个储存温度下网络结构的差异性,以及储存时间引起的上下部在网络结构上的差异性,结果见表1及图3。

表1 清爽型乳酸菌饮品不同部位弹性模量的大小Tab.1 Elastic modulus of different parts of fresh type of lactic acid bacteria beverage mPa

由表1可知,添加了果胶的饮品存在一定的网络结构,而对照组由于不存在多糖,不形成任何的网络结构,在数值上表现出负值。同时,储存温度与储存时间明显使得上下部在网络结构的强弱上存在差异,在本实验中,弹性模量由大到小排序为下部、上部,室温组、37℃组、55℃组。表明储存温度升高时在一定程度上破坏了多糖结构或者使构象结构发生转变,从而破坏了部分网络结构,特别是55℃组,饮料上部已经没有网络结构,弹性模量数值表现出负值;同时,下部的弹性模量值与室温组及37℃组相比较已出现明显的降低。另外,对于清爽型乳酸菌饮品,由于口感的需要添加的果胶量较少,因此形成的网络结构较弱,弹性模量数值较小,随着储存时间的延长,不足以长期悬浮蛋白质,多糖保护的蛋白质有出现下沉的趋势,因此,饮料下部的弹性模量值大于上部。

2.2 弹性模量曲线斜率的大小在饮料弱凝胶评价中的应用

图3 乳酸菌饮品弹性模量随频率的变化曲线Fig.3 Frequency sweep curves of lactic acid bacteria beverage

以红豆薏米饮品为例进行实验,该饮品使用的增稠剂主要为微晶纤维素钠(MCC)与卡拉胶。由于MCC的使用量与弱凝胶的形成正相关,加上储存过程中红豆淀粉出现回生,并且在回生过程中淀粉能通过氢键等作用力与MCC、多糖及蛋白质形成更强的网络作用,从而更加有利于弱凝胶甚至强凝胶的产生。本实验中以3批红豆薏米饮品为例,通过弹性模量随频率变化的曲线的斜率大小考察弱凝胶(网络结构)的差异性,以及研究储存时间引起的上下部在网络结构上的差异性,结果见表2及图4。同时,对试样进行慢慢倾倒,用肉眼观察弱凝胶形成的程度,并将仪器测试结果与肉眼观察结果进行比较。

表2 红豆薏米饮品不同部位弹性模量曲线的斜率Tab.2 Slopes of elastic modulus curves of different parts of protein beverage with red bean and coix seed mPa

图4 红豆薏米饮品弹性模量随频率的变化曲线Fig.4 Frequency sweep curves of protein beverage with red bean and coix seed

从倾倒时肉眼观察来看,样品1、样品2及样品3的弱凝胶程度分别描述为：严重、一般严重、轻微,区别于清爽型乳酸菌饮品,上部比下部弱凝胶程度更明显,具体原因有待于进一步研究探讨。从表2可知,通过仪器手段得到的弹性模量曲线的斜率大小与肉眼观察结果完全相吻合,曲线斜率越小也即曲线越平坦,弱凝胶程度越严重,当斜率小于0.05时弱凝胶程度严重,0.05～0.09时弱凝胶程度一般严重,0.09～0.11时弱凝胶轻微。另外,同一批号样品不同瓶在倾倒肉眼观察时已无法区分,而通过仪器手段根据弹性模量曲线的斜率大小则能对同一弱凝胶程度进行更加有效的细分。

2.3 弹性模量曲线斜率的大小在饮料弱凝胶形成的速率与程度上的应用

为进一步验证弹性模量随频率变化曲线的斜率用于表征红豆薏米饮品弱凝胶形成的速率及程度的可行性,将上述3批原包装测试后的样品彻底搅匀后,均分至100 mL烧杯中,用保鲜膜封口,置于冰箱冷藏,定期取样后原包装(整个烧杯)进行弹性模量曲线斜率的测定,同时结合倾倒时肉眼观察与打分,结果见表3及图5～图7。

冷藏3 h后斜率均在0.17以上,样品3甚至达到0.3,3个样品均未产生弱凝胶,在后续的冷藏保温过程中,凡是斜率在0.11以上的目视法观察时均不具有弱凝胶特性,表明斜率大于0.11时样品是不具有弱凝胶风险的。样品1及样品2在21 h后已重新出现弱凝胶现象,倾倒时打分两者有差异,但不明显,分别为1分、0.5分,同时对应的斜率在0.09～0.1范围内存在差异;在45 h后,倾倒时打分两者差异加大,分别为2.5分、0.5分,此时样品1斜率在0.08～0.09,而样品2斜率在0.09～0.1,表明不同层级的斜率所对应的弱凝胶程度能明显区分。在后续的继续冷藏过程中,样品2的斜率在0.09～0.1范围内呈下降趋势,但倾倒时打分均为0.5分,样品1斜率在0.07～0.09范围内下降明显,但倾倒时打分均为2.5分,表明倾倒时目视观察法已经不能有效区分所形成的弱凝胶程度,而弹性模量曲线的斜率却能很好地表征弱凝胶形成的速率及程度。

表3 红豆薏米饮品搅匀后弹性模量曲线斜率及倾倒肉眼观察结果随放置时间的变化Tab.3 Slopes of elastic modulus curves and results of visual observation of protein beverage with red bean and coix seed after being stirred

图5 样品1搅匀后弹性模量曲线随时间的变化Fig.5 Effects of storage time on elastic modulus curve of sample 1 after being stirred

图6 样品2搅匀后弹性模量曲线随时间的变化Fig.6 Effects of storage time on elastic modulus curve of sample 2 after being stirred

图7 样品3搅匀后弹性模量曲线随时间的变化Fig.7 Effects of storage time on elastic modulus curve of sample 3 after being stirred

3 结 论

采用饮料原包装检测技术与浆式转子可以最大程度地避免样品上样过程中对样品结构的破坏。应用流变仪对饮料进行频率扫描,对于一般饮料体系可以通过弹性模量的大小评价其网络结构的强弱;对于具有较强网络结构的饮料体系,在考察弹性模量大小的基础上通过弹性模量对频率的依赖关系的评价,可以判定饮料体系是否出现弱凝胶或过强网络结构的现象。

该检测方法简便、准确,可以测定具有微弱网络结构、强网络结构甚至出现凝胶化的样品,测定同一样品不同部位的网络结构强弱,也可以对网络结构的强弱进行评价分级。因此,该方法可以广泛应用于饮料的研发与生产,对配方工艺的改进与完善上具有重要的指导意义。