冻融对红豆浓浆稳定性及流变学特性的影响研究

姜 平，谭 斌，龚雪梅，吴娜娜✉，陈 颖

（1.国家粮食和物资储备局科学研究院，北京 100037；2.厦门惠尔康食品有限公司，福建 厦门 361004）

红豆，又叫赤小豆、红小豆、赤豆，由于它所含的蛋白质和碳水化合物含量较高，还富含多种生理活性物质，如膳食纤维、叶酸、皂角苷以及多种微量元素等，具有生津、益气、补脾、补血、益肾、补肝等营养保健功能，常被当作重要原料来加工成具有保健功能的食品[1-2]。随着人们对健康饮食的重视，全谷物饮品由于其方便食用、材料真实、全面的营养成分及多样的口感和风味，成为了一种备受人们欢迎的代餐、膳食补给方式，但随着贮存时间的延长尤其是在东北及新疆高寒地带储运过程中，由于温度波动，易发生冻融现象（低温冷冻、解冻），多次冻融会加速冷冻淀粉中冰晶的形成，并造成颗粒性损害。随着存放时间的增加，支链淀粉微晶形成更加明显[3]，往往会出现黏度增加、析水等现象，这与冻融稳定性有直接关系，这主要是因为谷物饮品中的主要成分淀粉在较低的温度环境尤其是较大的温度波动差异的条件下容易发生老化现象，出现退减作用和脱水收缩[4]，其中以红豆浓浆淀粉老化问题最为严重。这一情况的发生不仅给其消费体验及营养吸收方面带来了严重的负面影响，也使得谷物饮品在销售流通环节面临着巨大的困难，造成了极大的浪费。

本文通过对企业提供的红豆浓浆产品的冻融稳定性及流变学特性进行研究，以期进一步指导产品研发改进及生产实践，减少产品在货架期内因为老化造成的品质下降及浪费问题，具有重要的经济和社会意义。

1 材料与方法

红豆浓浆样品由某企业提供，其蛋白质含量3.4%，脂肪含量 2.1%，碳水化合物含量 8.2%，膳食纤维含量6.0%，具体制作方法如下：

PL2002-IC型电子天平：METTLER TOLEDO仪器有限公司；L580低速离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司；紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；Mastersizer 2000 E型激光粒度仪：英国 Malvern Panalytical公司；AR2000EX型旋转流变仪：美国 TA公司；Dispersion Analyser Lumisizer 611型稳定性分析仪：德国L.U.M.GmbH公司。

1.1 实验方法

1.1.1 红豆浓浆的反复冻融实验

将同批次多瓶红豆浓浆置于-18 ℃冰柜中，每隔7天取出，25 ℃常温自然解冻24 h，记为一个冻融循环，取样进行测定，其余放回冰柜中继续冷冻，据此分别进行1、2、3、4、5次冻融循环（依次简称为 0FTC、1FTC、2FTC、3FTC、4FTC、5FTC）。

1.1.2 红豆浓浆冻融稳定性的分析方法

1.1.2.1 析水率的测定方法 参考 Ye J等[5]方法。称取离心管质量m0，向离心管中加入适量样品后称取质量 m1，以 3 500 r/min的转速离心20 min后，将离心管中的上清液小心移除，称量离心管和剩余物的总质量m2。

1.1.2.2 稳定系数的测定方法 参考吴金鋆[6]方法并稍有改动。将样品稀释10倍，震荡均匀后在一定波长下测定其吸光度，并记录其数值A前，以3 000 r/min的转速离心10 min后，将离心管中的上清液小心吸出，并在一定波长下测定其吸光度，记录其数值A后，其中所述波长为785 nm。稳定系数R值的大小反映所测定样品的稳定性能，一般情况下R值越大，则样品越稳定。

1.1.2.3 Slope值及澄清指数的测定方法 采用德国 LUMisizer稳定性分析仪对不同冻融循环后的红豆浓浆样品进行稳定性、全程分离步骤、沉降及悬浮并存的复杂分离行为分析[7]。通过Slope值和澄清指数的大小来比较样品的稳定性，其中Slope值（%/h）是指光透过率积分随时间变化曲线的斜率，澄清指数是指样品在离心过程中各部位随时间的透光率变化。测定参数设置：检测温度25 ℃，转速3 000 r/min，light factor 1.00，每10 s扫描一次，共扫描200次。

1.1.3 平均粒度的测定

参考汪丽萍等[8]方法。使用Mastersizer 2000 E型激光粒度仪测定，测定过程采用湿法手动测量：移取一定量样品均匀分散在去离子水中，使响应值在最佳区间，测定颗粒大小的分布情况。为了减少多重散射所造成的测量误差，每个样品重复测定3次，取平均值。

1.1.4 流变性质

1.1.4.1 静态流变性质 参考王雪莹等[9]方法并稍有改动。将经过多次冻融循环的红豆浓浆样品加到流变仪平板上，将剪切速率设为变量，样品的剪切速率变换范围设定为0.1～100 s-1，设定温度 25 ℃，测量样品表观黏度随剪切速率的变化曲线。

1.1.4.2 动态流变性质 参考王雪莹等[9]方法并稍有改动。在 25 ℃下，测定经过多次冻融循环的红豆浓浆样品动态流变性质，固定振荡应变在1%，角频率变换范围设定为0.1～20 rad/s，测定样品的弹性模量 G′、粘性模量 G″随角频率的变化曲线。

1.2 数据处理

采用SPSS 20.0和Microsoft Excel系统软件进行数据分析，使用 SPSS 20.0软件对数据进行方差分析，方差分析选取Duncan检验，在P＜0.05检验水平上对数据进行统计学分析[10]。

2 结果与分析

2.1 冻融循环对红豆浓浆冻融稳定性的影响

2.1.1 对析水率及稳定系数的影响

由于原料组分中的直链淀粉含量较多，在冻融条件下存在加速老化、析水的现象，因此通过析水率及稳定系数的测定可以客观的反映样品经过多次冻融循环后的稳定性情况。由图1可以看出，随着冻融循环次数的增加，红豆浓浆的析水率呈现逐渐增加的趋势，稳定系数呈现逐渐下降的趋势，说明反复冻融使得浓浆体系越来越不稳定，这可能是由于多次冻融逐渐破坏了浓浆内部的三维网络结构，使得原本在凝胶中的水分逐渐流失[11]，因而造成了体系的稳定性逐渐变差。

当冻融次数超过 1次后红豆浓浆的析水率及稳定系数差异不显著，这可能是由于红豆浓浆经过1次冻融循环后其三维网络结构已经遭到了严重破坏，在凝胶网格中的大部分水分已经渗出，而进一步的冻融循环会使体系形成海绵状的网络结构，这种结构会导致凝胶体系的弹性和刚性增加，部分析出水分子发生回吸作用[12]，因此出现了随着冻融次数的增加，红豆浓浆的析水率先显著上升后趋于平缓的趋势。

2.1.2 对Slope值及澄清指数的影响

Slope值越大，表示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 Slope数值越小，样品越稳定。澄清指数越小表明样品具有良好的稳定性，不易出现分层现象[13]。

由图2可以看出，Slope值及澄清指数均随着冻融次数的增加而呈现逐渐增大并趋于平缓的趋势，当冻融次数超过1次后红豆浓浆的澄清指数变化差异不显著，这与红豆浓浆的析水率所呈现趋势一致。这可能是由于在冷藏过程中热能的波动和水的相变使淀粉胶基质被破坏，冻结时水分子呈玻璃态，而玻璃态的水无固态形状，不存在晶体结构，流动性差，再加上一些添加剂如蔗糖等的存在使得水分子更易形成玻璃态故而稳定性好[14-15]，但融化过程导致体系结构玻璃态的破坏，因此红豆浓浆体系越来越不稳定，易出现分层现象。

图2 冻融循环对浓浆Slope值及澄清指数的影响Fig.2 Effect of freeze-thaw cycle on Slope value and clarification index of pulp

2.2 冻融循环对红豆浓浆颗粒粒度的影响

在粒度分布中，D0.1表示该样品有 10%的颗粒所对应的的直径，D0.5表示该颗粒群的粒度大小，也称为中位径，D0.9表示该样品有 90%的颗粒所对应的的直径，D4-3表示平均径，（D0.9-D0.1）/D0.5称为距径，它表示样品分布区域的宽度，距径越大，表明其分布得越宽。根据斯托克斯规律，颗粒粒径越小，沉淀速度越慢，样品越稳定[16]。

通过表1中的数据可以看出，与红豆浓浆原始样品相比，经过不同冻融循环后红豆浓浆的颗粒均呈现增大趋势，这可能是由于冷冻过程中浓浆中的自由水向冰晶态转变，而冰晶在颗粒上占据的空间更多，施加的机械力也更大，这就会使淀粉颗粒膨大、溶胀[17]，而解冻会使淀粉的表层和内部结构发生破损，一些中等分子量大小的支链淀粉的裂解和渗出[18]以及水分子的移动、结合和再分布会导致淀粉结构变得松散且刚性下降，导致了浓浆颗粒粒径的变化。但经过1次冻融循环后浓浆的颗粒粒度增大的幅度最大，再经过多次冻融循环后，颗粒粒度与1次冻融循环后浓浆的颗粒粒度相比反而逐渐减小，这可能是由于初次冻融对浓浆体系中淀粉结构体系破坏程度最大，大分子间的再结合或淀粉等大分子的溢出使得颗粒粒度增大，而后发生的多次冻融循环可能使浓浆体系在初次冻融基础上形成了海绵状结构，水分子发生回吸，淀粉分子被破坏裂解，因此颗粒粒度与1次冻融循环后浓浆的颗粒粒度相比逐渐变小。

表1 冻融循环对浓浆颗粒粒度的影响Table 1 Effect of freeze-thaw cycle on particle size of pulp

2.3 冻融循环对红豆浓浆流变性质的影响

食品的流变学特性分析是一种衡量食品稳定性以及设计加工工艺的重要手段，通过流变学分析得到的重要参数可以对食品的状态和品质做出判断，能为其产品研发和质量检测提供重要参数[9]。

2.3.1 冻融循环对红豆浓浆静态流变性质的影响

触变性和触变结构是影响食品体系稳定性的重要因素。触变性是指剪切使分散体系结构破坏，去除剪切后结构逐步恢复的现象，它分为正触变性（切稀现象）和负触变性（切稠现象）[19]。

由图 3可以看出，多次冻融循环后红豆浓浆样品均表现为溶液黏度随剪切速率增加而减小的正触变性现象，这是典型的非牛顿流体的假塑性流动行为，而且随着冻融次数的增加，浓浆样品的黏度也呈现下降的趋势，这可能是因为体系中含有链状高分子的胶体粒子，如蛋白-脂肪、淀粉-蛋白、淀粉-多糖等，它们处于静止状态或低速率流动状态时会互相缠绕结合在一起，这就使得此时的体系黏度较大，而当外力的剪切速度增大时，不规则的链状粒子在剪切外力的作用下不断收缩、翻转成团，减少了相互勾挂，从而出现了剪切稀化现象，黏度逐渐降低[6]。而随着冻融次数的增加，红豆浓浆中冰晶不断的融解和再形成，就会伴随着对淀粉颗粒的反复挤压，造成程度逐渐加深的机械损伤并伴随越来越多淀粉游离溢出和加速重结晶老化导致黏度显著下降[20-21]。

图3 冻融循环后浓浆静态流变特性图Fig.3 Static rheological characteristics of pulp after freeze-thaw cycles

2.3.2 冻融循环对红豆浓浆动态流变性质的影响

动态流变仪是分析样品的粘性性质和弹性性质的一种重要手段，可以分为温度扫描和频率扫描，其中频率扫描就是通过改变振荡频率来分析物质的弹性模量（G'）和粘性模量（G″）的变化情况的一种测定方法，进一步计算可得到损耗角正切 tanδ（tanδ= G″/G′），这些参数都间接地提供了样品的分子结构方面的信息[22]。G′表示物料在形变过程中储存的能量，反映物料形变后恢复原状的能力，G′越大物料恢复形状的能力越强；G″表示在形变过程中物料为了抵抗黏性阻力而损失的能量，反映物料抵抗流动的能力，G″越大物料抵抗流动的能力越强[23]。tanδ值的变化反映了样品组分中高聚物组成的变化，其值越大，则说明样品中含有低聚合度分子的数量越多，当材料的性质类似于固体时，其在线性范围内的形变是可压缩和恢复的，粘性模量（G″）小于弹性模量（G′），tanδ＜1；反之，当材料性质类似于流体或粘性系统时，tanδ＞1。

图4中列出了经过不同次数冻融循环后红豆浓浆的弹性模量（G′）、粘性模量（G″）以及tanδ值随角频率的变化曲线图，其中A图反映了经过不同次数冻融循环的红豆浓浆的弹性模量（G′）均随着角频率的变化呈现先增大后减小的趋势，其变化曲线形状近似抛物线，符合二次函数变化规律，对其进行二次拟合分析，分析冻融次数对浓浆弹性模量的影响。二次回归模型拟合研究模型为：

图4 冻融循环后浓浆动态流变特性图Fig.4 Dynamic rheological characteristics of pulp after freeze-thaw cycles

y=ax2+bx+c

式中：y-弹性模量（Pa）；x-角频率（rad/s）；a,b,c-拟合系数。

拟合系数及检验结果如表 2所示，从表中可以看出，冻融循环对红豆浓浆弹性模量具有相关性，红豆浓浆在不同冻融循环处理后拟合优度R2＞0.9，说明回归方程拟合度较高。

表2 拟合系数及检验结果Table 2 Fitting coefficient and test results

B图反映了经过不同次数冻融循环的红豆浓浆的粘性模量（G″）均随着角频率的变化呈现逐渐增大的趋势，但增加幅度并不是很大，只有1～3 Pa的增加，而且不同冻融循环处理后样品的粘性模量并未有较大差异，说明冻融循环对浓浆的粘性模量影响不大。C图反映了经过不同次数冻融循环的红豆浓浆的损耗角正切值（tanδ）均随着角频率的变化呈现逐渐增大的趋势，且随着冻融循环次数的增加，tanδ值的变化幅度越来越大，说明冻融循环使红豆浓浆中高聚物的数量越来越少，聚合度越来越小。

3 结论

通过对红豆浓浆产品的冻融稳定性及流变学性质的分析，该红豆浓浆产品是典型的非牛顿流体的假塑性流体，经历1次冻融循环（-18 ℃储藏7天）后稳定系数呈现显著下降趋势，析水率、澄清指数及颗粒粒度呈现显著增加趋势，而经历多次反复冻融循环后，这些指标无显著变化，损耗角正切值（tanδ）呈现逐渐增大趋势，这说明红豆浓浆的结构体系在经历1次冻融循环后已经遭到了严重破坏，反复的冻融循环会使红豆浓浆中高聚物的数量越来越少，聚合度越来越小。因此企业应密切关注该产品在东北及新疆等高寒地带储运过程中温度的变化，还应进一步在筛选原料品种、与化学变性淀粉的复配、冻融条件和工艺的优化以及添加剂的合理使用等方面进一步提升产品冻融性能，保持产品的口感及风味。