荸荠汁欧姆加热特性及欧姆加热对其澄清度的影响

曾 雪,王 伟,李雪瑞,徐晓云,3,王鲁峰,,*

(1.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 430070;2.武汉食品化妆品检验所,湖北武汉 430012;3.环境食品学教育部重点实验室,湖北武汉 430070)

荸荠(Heleocharisdulcis(Burm. f.)Trin.)又名马蹄,是一种莎草科多年水生草本植物。荸荠分为野生和栽培两种类型,食用的主要是栽培型,此类荸荠球茎较大,有的肉质较粗,渣多,淀粉含量高,较耐贮藏;部分品种味甜,渣少[2]。荸荠的营养丰富,含水分约68%、淀粉约18%、蛋白质约2%、脂肪约0.19%,也含有丰富的矿物质,比如钾(500 mg/100 g)。荸荠熟食,荤素皆宜,能做成多种美味佳肴[3-4]。一般认为荸荠能降火、消食化痰、补肺凉肝、生津开胃、消食醒酒,可治疗痰热咳嗽、咽喉疼痛、便血等[5]。

目前荸荠主要用于鲜食,加工制品较少。其中,荸荠汁是最主要的加工产品,分为澄清汁和浑浊汁两种。浑浊汁呈较为明显的浑浊态,商品价值及市场接受程度不及澄清汁。其混浊颗粒主要有淀粉胶粒、果胶-蛋白质胶粒和纤维素-半纤维素胶粒,这些胶粒不仅粒度非常小,而且它的外表带有很多负电荷,自然沉降速率非常慢,阻止胶粒之间凝结成团[6],致使胶粒表现出很高的悬浮稳定性。因此如何去除部分浑浊颗粒,改善荸荠汁的澄清效果是非常值得研究的课题。

欧姆加热又称为通电加热,它是利用食品物料具有的电导特性来加工食品的技术,比如电解质溶液会发生定向移动从而使物料导电[1,7]。欧姆加热易操作、无污染、热能利用率高,加工食品质量好,能实现含有颗粒的液固混合食品及固体食品的高温快速杀菌[8]。Palaniappan等[9]研究了不同电压和不溶性固体对欧姆加热胡萝卜和番茄汁巴氏杀菌的影响。Martynenko等[10]做了欧姆加热处理液体食品之后食品品质的评估,指出温度影响了果汁的电导率。LI Fa-de等[15]对欧姆加热豆浆做了相关特性的研究,发现欧姆加热电场强度对于豆浆中脲酶活性的影响不大,王云阳等[12]研究指出苹果汁电导率和介电损耗因子的影响因素,为欧姆加热苹果汁提供基础数据支持。但是,目前国内外对欧姆加热荸荠汁相关的研究未见报道。此外,欧姆加热除了热效应外,还有电场作用,有可能作用于荸荠汁中的带电粒子,继而破坏其稳定性,有改善澄清度的潜力。本文采用简易欧姆加热装置,研究荸荠汁的欧姆加热特性,并分析此条件下欧姆加热对改善荸荠汁澄清效果的作用,以初步明确其在荸荠汁加工中的应用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

荸荠 湖北省孝感市本地市场。

图1为自行设计组装的欧姆加热设备示意图,加热槽极板可以根据实验需要进行调节。

图1 欧姆加热装置示意图

紧凑型数字电桥 常州同惠电子股份有限公司;温度控制器 青岛科迪博电子科技有限公司;电力监测仪 深圳市北电仪表有限公司;低速果渣分离榨汁机 北京京东世纪贸易有限公司;离心机 德国贝克曼;冷冻干燥机 武汉德力详仪器设备有限公司;X-射线衍射仪器 德国BRUKER;激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司;Zetasizer 英国马尔文仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 荸荠汁的制备 新鲜荸荠削好皮后迅速转至4 ℃水中储存备用,实验前将每个样品清洗干净并除去多余的水分,用低速果渣分离榨汁机对荸荠进行榨汁,然后将汁液通过食品级80目滤网进行过滤,去除滤渣[12]。

1.2.2 欧姆加热处理及普通加热处理 1.1中图1为自行设计组装的欧姆加热设备示意图,其中加热槽极板间距可调,分别在6、8、10 cm处,通入220 V的电流后,根据E=U/d,E-电场强度,U-电压,d-极板之间的距离,可得电场强度分别为22、27.5、36.7 V/cm,其中设置各电场强度对应的频率见表1。

表1 电场强度和频率实验设计Table 1 Electric field intensity and frequency experiment design

由于荸荠汁的出汁率较低,且浑浊度较高,在荸荠汁实际生产过程中通常需要对其进行稀释处理。因此,本研究取过滤后的汁液250 mL至1 L量筒中,稀释4倍,制备1 L的新鲜荸荠汁样品。然后将荸荠汁汁液放入欧姆加热装置中,通过热电偶实时检测荸荠汁内部温度,当温度升到20 ℃时,开始计时,直到温度达到90 ℃时实验结束并冷却至室温。欧姆加热过程中,在20～90 ℃的温度范围内,每5 ℃测量荸荠汁的阻抗和相位角,用温控器,电力监测仪等测相关值的变化。

普通加热实验的样品处理同上,具体操作是:让汁液置于同一容器中在1600 W的电磁炉上进行加热,实时监测其温度变化,90 ℃停止。

1.2.3 温度及电导率、电阻、容抗、感抗的测定 在固定的电压梯度和加热时间下测量荸荠汁的瞬时温度。通电加热过程中,在20～90 ℃的温度范围内,每5 ℃测量荸荠汁的阻抗和相位角,记录温度、电压、电流。将电极板和荸荠汁接触的表面看成电容,荸荠汁看成电阻,则整个系统看成一个等效电路。测得的整个系统的电导率及电极的容抗和荸荠汁的电阻,计算公式如下:

式中:σ-物料电导率,s/m;L-加热槽内钛电极板之间的距离,m;Ae-极板与物料之间的有效接触面积,m2;R-电阻,Ω;I-电流,A;U-电压,V。

电阻为R=|Z|×cosθ

式中:R-荸荠汁的电阻值,Ω;|Z|-荸荠汁阻抗测量值,Ω。

容抗为X=|Z|×sinθ

式中:X-容抗值,Ω;|Z|-荸荠汁阻抗测量值,Ω。

感抗为XL=2πfL

式中:XL-感抗,Ω;L-电感,H;f-频率,Hz。

1.2.4 荸荠汁颗粒粒径的测定 荸荠汁添加蒸馏水配制为质量分数25%的稀释汁样品,然后分别取5份200 mL样品于300 mL三角瓶中,编号a、b、c、d、e,其中a号样品在36.7 V/cm,50 Hz条件下欧姆加热,从室温加热至90 ℃,置于4 ℃冰箱中静置;b号样品在22 V/cm,400 Hz条件下欧姆加热,从室温加热至90 ℃,置于4 ℃冰箱中静置;c号样品在36.7 V/cm,400 Hz条件下欧姆加热,从室温加热至90 ℃,置于4 ℃冰箱中静置;d号样品(普通汁)用电磁炉加热,从室温加热至90 ℃,置于4 ℃冰箱中静置;e号样品(原汁)未经过任何加热处理,混匀后直接置于4 ℃冰箱中静置。静置6 h后,将上清液分别倒入另一洁净容器中,摇匀取样于三角瓶,超声分散,进激光粒度仪对上清液和絮状沉淀进行颗粒粒径测定。

1.2.5 荸荠汁沉淀的X射线衍射分析 取1.2.4静置完毕的样品,倒掉上清液,摇匀,取絮状沉淀样液于冻干机中冻干48 h,冻干后将其研磨成细粉,用x-射线衍射仪进行分析。采用粉末压片法,测试条件为:CuKa(λ=0.15406 nm)辐射,测试电压40 kV,测试电流40 mA,扫描方式为步进扫描,扫描速度为10 °/min,步长0.02 °。

1.2.6 Zeta电位分析 取1.2.4静置完毕的样品,倒掉上清液,摇匀,取絮状沉淀样液导入电位仪的电位池中,测试温度为25 ℃,用Zeta电位分析仪测定其Zeta电位值,3次平均样的平均值。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 2007软件初步整理,使用GraphPad Prism 5.0绘图软件进行图表处理。所有数据均取3次测试的平均值并计算标准差。

2 结果与分析

2.1 荸荠汁欧姆加热过程中电导率的变化

由图2分析可知,在三种电场强度和三种电场频率下,荸荠汁的电导率都随温度呈近似线性增加,并且随着温度的增加,频率的影响更显著(p<0.05)。但是到80、90 ℃时,电导率明显降低,推测主要是因为产生了绝缘性的气泡,干扰电流的流动而导致整个系统的电导率降低[14-15]。同时荸荠中含有大量淀粉,淀粉糊化,使得荸荠汁黏度增加,这些都会降低荸荠汁的电导率。此外,同一电场强度下,荸荠汁的电导率随加热频率的增加而增加,其中在200和400 Hz时电导率约为50 Hz时的两倍。这可能是因为低频时,由于荸荠汁双电层电容的影响溶液阻抗很大,电导率偏低;高频时,双电层来不及形成,阻抗主要来源于溶液的电阻,电导率有所增加[1]。这也说明荸荠汁不是纯电阻电路。此外,未发现电场强度对荸荠汁的电导率有显著影响(p>0.05)。

图2 不同欧姆加热条件对荸荠汁电导率的影响

2.2 荸荠汁欧姆加热过程中荸荠汁温度的变化

欧姆加热也是电能转化为溶液热能的过程。但参数设计不同,加热的速率也不同。由图3可知,随着电场强度的增加,加热速率也增加,达到沸腾的温度所用时间就越少。当电场强度为36.7 V/cm的时候,大约需要4 min,27.5 V/cm时,约需5 min,22 V/cm时,则需约6 min,甚至更长时间。可以近似认为低频低电场强度下荸荠汁的温度随时间呈线性关系,高频高电场强度下则呈指数关系。指数方程为[17]:T=C1×eC2×t+C3+C4,式中C1、C2、C3、C4为常数,t为时间,T为温度。低频时的线性变化可能是因为加热时间长,散热多,导致体系温度损失大,指数关系被削弱。高频时这种变化可由单位体积荸荠汁单位时间内产生的热量q[16]:q=δ×E2分析,其中q-单位体积荸荠汁单位时间内产生的热量,Js-1;δ-荸荠汁的电导率,Sm-1;E-电场强度,Vm-1。热量与电场强度的平方成正比,所以电场强度越大,产生的热量就越多,加热速率也就越高。

图3 不同欧姆加热条件对荸荠汁加热速率的影响

2.3 荸荠汁欧姆加热过程中荸荠汁的电阻值的变化

荸荠汁呈弱酸性,其中的有机酸、金属离子、带电胶粒等提供一定导电性。由图4分析可知,在不同电场强度下,三个频率条件下荸荠汁的电阻值主要在2～10 Ω间波动。50 ℃以上时电阻减小的原因主要有两个方面引起。一是导电离子在水溶液中并不是孤单地存在,而是与水分子形成水合物。当温度升高时,离子的水化作用减小了,载流子的迁移率增加,使电阻下降;二是当温度升高时,溶液的粘度降低了,这就减小了离子移动时所受到的阻力,也使离子的迁移率增加。理论上讲,频率不同时电阻应该保持不变,但是图中显示高电场频率时,电阻值有减小的趋势流。这应该是由低电场频率时的极化效应(当电流通过电极时会发生氧化或还原反应从而改变电极附近溶液的组成产生“极化”现象)引起的[15]。

图4 不同欧姆加热条件对荸荠汁电阻的影响

2.4 荸荠汁欧姆加热过程中荸荠汁的容抗值的变化

荸荠汁电极板之间会形成电容,并也应具有通高频、阻低频的特点。由图5分析可知:在不同的电场强度和频率条件下,荸荠汁的容抗值主要是在-5～0 Ω之间波动。电场强度对其的影响不显著(p>0.05)。但在同一电场强度时,频率越高容抗越小,这符合交流电体系的基本特征-频率越高体系电容对阻抗的贡献越小。但个别数值出现剧烈波动,可能是因为荸荠汁溶液在温度较高时电学性质不稳定。

图5 不同欧姆加热条件对荸荠汁容抗的影响

2.5 荸荠汁欧姆加热过程中荸荠汁的感抗值的变化

电感具有通直流,阻交流的基本特点,且频率越高这种阻碍作用越大。但由图6分析可知:电场频率从50 Hz升高到400 Hz时,感抗值并未表现规律性变化。这与经典理论有所偏差,说明荸荠汁体系具有一定的感抗,但其感抗特性并不稳定或者在更高频率下电感被部分破坏。这其中的内在原因尚需要进一步研究。

图6 不同欧姆加热条件对荸荠汁感抗的影响

2.6 不同处理方式对荸荠汁上清液和沉淀粒径的影响

由图7发现,上清液的粒径中,原汁的粒径比其他组粒径大。可能是因为原汁胶粒间斥力大于引力,溶胶较稳定。不同加热方式处理后上清液中颗粒粒径均出现了明显下降,但各组之间没有显著性差异(36.7 V/cm 400 Hz除外)。推测是部分颗粒发生了解体或沉淀,沉淀积累从而使沉淀的粒径有所增加。另外,欧姆加热后沉淀粒径比普通加热处理的要小,可能说明欧姆加热条件下的粒径沉淀的较少,部分发生了解体。由DLVO(胶体颗粒的聚集稳定性)理论[18]:胶体的稳定性取决于粒子间的范德华力和静电排斥作用。若斥力大于引力,则溶胶稳定,反之,则不稳定。可以推测,欧姆加热改变了原有静电力场的分布,促进了部分颗粒的解体,也可能导致了部分颗粒的重新聚集。

图7 不同处理方式对荸荠汁上清液和沉淀粒径的影响

2.7 不同加热方式处理后荸荠汁沉淀的X射线衍射分析

荸荠中淀粉含量丰富,在其衍射图谱中表现出明显的结晶结构。加工荸荠汁产生的沉淀也主要由淀粉构成。由图8可以看出,只有原汁中出现结晶的衍射图谱,欧姆加热和普通加热处理后均看不到结晶的衍射图谱,说明欧姆加热同样可以使淀粉糊化而变为结晶消失。但不同加热方式引起的淀粉的糊化和老化程度也会有不同,这还需要进一步的研究。

图8 不同处理方式对荸荠汁中有结晶度物质的含量的影响

2.8 不同加热方式处理后荸荠汁Zeta电位的变化

由表2数据得出,相比于原汁Zeta电位的绝对值大小,加热处理后的荸荠汁Zeta电位的绝对值均大幅下降(约为原值的50%),说明加热处理后其稳定性都降低了。不过需要说明的是,即使原汁的电位绝对值较大,但也属于不稳定区间,容易发生凝集沉淀。我们推测原汁胶粒间的总位能达到最大值,一般胶粒动能远远小于此值而不能逾过,此时溶液中微粒之间斥力大于引力[18-19];加热后,荸荠汁中的淀粉分子内部氢键断裂,结构舒展开,当荸荠汁溶胶中存在个别动能非常大的胶粒相遇时,随着距离的减小,吸引能显著增加,吸引力强于斥力,部分胶粒就在此力作用下自动聚结,并呈现出了聚结不稳定[17-18]。欧姆加热的外加电场又改变了体系的电荷分布,进一步破坏了电位平衡。结合前面颗粒粒径变化的情况,或许可以利用欧姆加热配合其他操作加快汁液的澄清,改善产品澄清度。

表2 不同处理方式处理荸荠汁后其Zeta电位的变化Table 2 The changes of Zeta electrical potential after different treatments on Chinese water chestnut juice

3 结论

荸荠汁的电导率随着温度的增加而增加,随电场强度变化较小,随频率的增加而显著增加。电场强度和频率越大,电极-荸荠汁体系加热速率越大,达到沸腾的温度所用时间越少;低频低电场强度下荸荠汁的温度随时间呈线性关系,高频高电场强度下则呈指数关系。固定频率值不变时,50、200 Hz时,电阻值、容抗值、感抗值不断变化。荸荠汁的容抗值主要在-5～0 Ω之间波动,且电场强度对其影响不显著。荸荠汁体系具有一定的感抗,但其感抗特性并不稳定或者在更高频率下电感被部分破坏。荸荠汁不是纯电阻电路,在欧姆加热时需要考虑容抗和感抗的影响。

欧姆加热对荸荠汁澄清度有一定改善作用。相比于普通加热,欧姆加热后荸荠汁沉淀颗粒粒径更小,可能是欧姆加热改变了原有静电力场的分布,促进了部分颗粒的解体。通过对沉淀物进行了X射线衍射分析,发现只有原汁中出现结晶的衍射图谱,欧姆加热和普通加热处理后均看不到结晶的衍射图谱,说明欧姆加热同样可以使淀粉糊化而变为结晶消失。但不同加热方式引起淀粉的糊化和老化程度也会有不同,这还需要进一步的研究。另外欧姆加热后电位值下降,颗粒稳定性下降,更加易于荸荠汁的澄清。此外欧姆加热加热速度快且均匀,对果汁风味和营养价值的影响较小,综合来看具有较好改善荸荠汁品质的潜力。