橙汁饮料中β-胡萝卜素乳状液的稳定性

孙术国，高彦祥，尹 红，麻成金，王小虎

(1.吉首大学食品科学研究所，湖南 吉首 416000；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

橙汁饮料中β-胡萝卜素乳状液的稳定性

孙术国1,2，高彦祥2，尹 红1，麻成金1，王小虎1

(1.吉首大学食品科学研究所，湖南 吉首 416000；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083)

研究均质条件、VC添加量、阿拉伯胶的添加量和杀菌时间对橙汁饮料中β-胡萝卜素放置前2h期间的迁移速率和贮藏两周粒径变化的影响，从而评价橙汁饮料β-胡萝卜素的物理稳定性；研究贮藏两周橙汁饮料β-胡萝卜素含量的变化，判别橙汁饮料β-胡萝卜素的化学稳定性。结果表明：均质压力30MPa、VC添加的质量分数为0.03%、阿拉伯胶添加的质量分数为0.08%和杀菌时间7min制备的橙汁饮料β-胡萝卜素乳状液物理化学稳定性最佳。研究不同贮藏温度条件橙汁饮料β-胡萝卜素的稳定性，结果发现：饮料β-胡萝卜素含量与贮藏时间变化拟合一阶动力学模型lnC＝lnC0－kt(R2＝0.992)，不同温度梯度条件下β-胡萝卜素降解速率常数的对数与温度的倒数很好的拟合Arrhenius模型(R2＝0.961)。

橙汁；β-胡萝卜素乳状液；稳定性；一阶动力学模型

类胡萝卜素是一类天然色素，广泛分布于各类植物中[1]。它们拥有多种结构形式，对人类具有多种保健功能，除了可用于各类食品调色[2]，从营养学角度，它们还具有VA原的活性。目前报道的类胡萝卜素大约有700种，当中具有未被取代β-环、11个碳原子的多烯烃类胡萝卜素才拥有VA原的活性[3]，能满足这种结构的类胡萝卜素只有60多种。另外，类胡萝卜素还具有清除自由基、增强抗氧化活性[4]，能够预防和治疗人类一些疾病，如皮肤代谢混乱、癌症、心状病、眼睛老化相关疾病等[5-8]，研究也发现人体内类胡萝卜素具有信号识别功能[9]和护肝功能[10]。正因为类胡萝卜素具有上述重要的保健功能，越来越多的研究重视类胡萝卜素在食品和医药方面的应用。

类胡萝卜素应用于食品当中典范是β-胡萝卜素在橙汁饮料当中的应用，它可以改善橙汁饮料的色泽，同时可以给人类提供VA原。但由于天然的β-胡萝卜素不溶于水，对氧、热和光敏感，在橙汁饮料贮存期间(货架期间)容易上浮，在PET瓶盖处形成油圈，严重影响饮料产品的品质和外观。为解决这些问题，研究人员将油溶性β-胡萝卜素制成水溶性纳米级乳状液[11-14]，部分解决了β-胡萝卜素在橙汁饮料中稳定差的问题，但纳米级β-胡萝卜素乳状液在橙汁饮料稳定性研究鲜有报道。本研究采用纳米级β-胡萝卜素乳状液制备橙汁饮料，考察均质条件、VC的添加质量分数、阿拉伯胶的添加质量分数和杀菌条件对β-胡萝卜素稳定性的影响，并且探讨橙汁饮料在不同温度条件下的贮存稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

质量分数1%的β-胡萝卜素油为纳米级乳状液 自制[11]；浓缩橙汁 北京汇源饮料食品集团有限公司；

VC 北京国人逸康科技有限公司；阿拉伯胶 乔富食品工业公司；β-胡萝卜素标准品 美国Sigma公司；甲醇(色谱纯)和乙酸乙酯(色谱纯) 国药集团化学试剂有限公司；其他化学试剂均为分析纯；实验用水为去离子水。

1.2 仪器与设备

Waters 2695 高效液相色谱仪 美国Waters公司；Turbiscan稳定性分析仪 法国Formulaction公司；Agilent XDB-C18色谱柱(15cm×3.9mm，5μm) 美国安捷伦公司；Mastersizer2000激光粒度分析仪 英国马尔文仪器公司；GYB60-6S高压均质机 上海东华高压均质机厂。

1.3 方法

1.3.1 橙汁饮料制备方法

橙汁饮料的基础配方(以质量分数计)：浓缩橙汁1.8%(6.8倍浓缩)、白砂糖7.8%、柠檬酸0.16%、柠檬酸钠0.05%、阿拉伯胶0.08%、VC 0.04%、1%的β-胡萝卜素乳状液0.03%。

2000mL橙汁饮料的制备：按照橙汁饮料的基配方配制2000mL橙汁饮料于5000r/min高速搅拌15min，再经25MPa压力条件下均质5min，获得的橙汁经100℃杀菌、PET瓶灌装和冷却，最终产品用于稳定性评价。

分别研究不同均质条件(压力分别为15、20、25、30、35、40MPa)、不同VC添加量(质量分数分别为0%、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%)、不同阿拉伯胶添加量(质量分数分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.12%、0.14%)和不同杀菌时间(分别为1、4、7、10、13、16min)对β-胡萝卜素乳状液稳定性影响，进行单因素试验。

1.3.2β-胡萝卜素的测定

色谱条件如下：色谱柱：C18(15cm×3.9mm，5μm)；流动相：A：甲醇：水体积比为90:1 0，B：乙酸乙酯，洗脱梯度参考文献[15]方法；检测波长454 nm；柱温：25℃；进样量：15μL；保留时间：10.46min。

标准曲线的制作：精密称取β-胡萝卜素标准品，用正己烷稀释配成4μg/mL标准溶液，分别取标准溶液0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5mL移入10mL棕色容量瓶中，用正己烷将其定容10mL，经0.45μm滤膜过滤，分别进样，根据β-胡萝卜素标准品的不同质量浓度(x，μg/mL)和相应的峰面积(y)，绘制标准曲线，得标准曲线方程为y＝845150x－81618(R2＝0.9984)。

取橙汁饮料20mL，采用高速分散均质机边搅拌边添加20mL正己烷，待完全加入后，将速度调制10000r/min，均质5min，然后分层，取正己烷部分，稀释到合适的倍数，经0.4μm滤膜过滤，进样，根据出峰时间和峰面积计算β-胡萝卜素质量分数。上述所有操作在避光条件下进行。

1.3.3 稳定性分析和粒度分析

采用Turbiscan稳定性分析仪根据参考文献[11]进行稳定性分析。此仪器专门测试饮料、乳状液稳定性，其检测原理为仪器检测指标透射光和反射光随检测样品颗粒在液相中迁移速率和平均粒径变化而变化，这些指标变化大小间接体现样品颗粒在液相中稳定性，本实验采用该仪器检测橙汁饮料配制后，放置2h期间β-胡萝卜素乳滴迁移动力学，考察橙汁饮料中β-胡萝卜素乳状液稳定性。

采用Mastersizer2000激光粒度分析仪测定橙汁饮料中β-胡萝卜素乳贮藏两周粒径变化率(D/%＝(D14—D0)/D0，D14和D0分别是14d和0d时β-胡萝卜素乳滴粒径的大小)，根据粒径变化率确定β-胡萝卜素乳液稳定性。

1.3.4 橙汁饮料β-胡萝卜素贮藏稳定性

在较佳工艺条件下，制备的橙汁饮料分别在10、25、40、55℃避光贮藏，经历6、12、24、48、96、168、360、720h后，检测橙汁饮料中β-胡萝卜素含量的变化。

1.3.5 数据统计

上述所有实验重复3次，取平均值，实验采用SPSS统计软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 橙汁饮料β-胡萝卜素乳滴迁移动力学

在均质压力25MPa、VC添加量0.03%、阿拉伯胶添加量为0.75%和杀菌时间5min的工艺条件制备一批橙汁饮料，采用Turbiscan稳定性分析仪测定放置2h期间饮料中β-胡萝卜素乳滴在饮料中迁移规律，结果如图1所示。图1A显示2h内玻璃测试瓶内饮料所有的扫描曲线基本重合，说明饮料中β-胡萝卜素乳滴稳定性较好。采用扫描特定区域模式(35～41mm)，扫描时间0～2h，样品分散粒子迁移速率结果如图1B所示，样品瓶中35～41mm区域样品分散粒子迁移平均速率为3.83657μm/min，结合Stokes沉淀定律，说明该体系稳定性较好。

图1 橙汁饮料中β-胡萝卜素乳滴在2h内迁移速率Fig.1 Migration rate of β-carotene emulsion droplets in orange juice during the first two hours

2.2 均质条件对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响

图2 均质压力对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响Fig.2 Effect of homogenization pressure on the stability of β-carotene emulsion in orange juice

由图2可知，随着均质压力的增加，β-胡萝卜素稳定性先增加后降低，最佳均质压力为30MPa，而β-胡萝卜素乳滴粒径变化以及放置2h期间的迁移速率，呈现与β-胡萝卜素稳定性变化负相关。此结果原因在于饮料灌装杀菌前适当的均质，能够降低β-胡萝卜素乳滴的粒径，增加β-胡萝卜素与VC的接触机会和面积，同时，也促进阿拉伯胶对β-胡萝卜素乳滴的包埋，提高了β-胡萝卜素乳滴分散性和稳定性。但均质超过一定压力，β-胡萝卜素乳滴变小，其表面积突然增大，原有的乳化剂未能对β-胡萝卜素乳滴完整的包埋，反而造成团聚加剧，因而稳定性降低。

2.3 杀菌时间对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响

图3 杀菌时间对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响Fig.3 Effect of sterilization time on the stability of β-carotene emulsion in orange juice

由图3可知，随杀菌时间的延长，饮料中β-胡萝卜素稳定性先增加后降低，最佳的杀菌时间7min。细菌污染是影响饮料不稳定的重要因素，适当的杀菌处理可以提高饮料稳定性，但杀菌超过一定程度，易造成β-胡萝卜素损失，而且也容易造成破乳现象，β-胡萝卜素稳定性反而降低。

2.4 阿拉伯胶和VC的添加量对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响

图4 阿拉伯胶添加量对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响Fig.4 Effect of arabic gum concentration on the stability of β-carotene emulsion in orange juice

图5 VC添加量对橙汁饮料中β-胡萝卜素稳定性影响Fig.5 Effect of vitamin C concentration on the stability ofβ -carotene emulsion orange juice

由图4、5可知，随着阿拉伯胶和VC的添加量的增加，β-胡萝卜素稳定性先增加，然后趋于平衡，考虑到原料成本和添加剂的使用限量，最佳VC添加量和阿拉伯胶的添加量分别为0.03%和0.08%，而β-胡萝卜素乳滴粒径以及贮藏2h期间的迁移速率，也呈现与β-胡萝卜素稳定性变化相反的趋势。

2.5 贮藏期间橙汁饮料中β-胡萝卜素降解动力学

采用上述较佳的制备方法(均质压力30MPa、VC添加量0.03%、阿拉伯胶添加量0.08%和杀菌时间7min)生产一批橙汁饮料，研究4种温度条件下，贮藏6～720h的β-胡萝卜素贮藏稳定性，结果如图6所示。结果表明橙汁饮料中β-胡萝卜素含量的变化与贮藏时间变化很好的拟合一阶动力学模型lnC＝lnC0－kt，其中，C0为初始β-胡萝卜素含量/%，C为β-胡萝卜素在t时的含量/%，k为β-胡萝卜素降解速率常数/h-1。对于一阶动力学模型，半衰期t1/2＝ln2/k。此模型目前普遍用于食品天然色素在贮藏过程降解动力学研究[16-17]。通过此模型，可以预测橙汁饮料中β-胡萝卜素含量的变化。

而在4种温度条件下，lnk与温度倒数(1/T)拟合Arrhenius模型lnk＝lnA－Ea/RT(R2＝0.961)(表1)，其中，A为频率因子；Ea为活化能/(J/mol)；R为理想气体常数，为8.314J/(mol·K)。4种温度条件下的降解速率常数差异极显著(P＜0.001)，说明贮藏过程控制温度对β-胡萝卜素稳定性至关重要。

图6 不同贮藏温度条件下β-胡萝卜素一阶降解动力学曲线Fig.6 First-order kinetic plot for the degradation of β-carotene at different storage temperatures

表1 不同贮藏温度条件下β-胡萝卜素降解速率常数(K)、半衰期(t1/2)、一阶动力学回归系数(R2＊)和阿列纽斯方程回归系数(R2＊＊)Table 1 Degradation rate constant (K), half-life (t1/2), regression coefficient of first-order kinetic model (R2＊) and regression coefficient of Arrhenius model (R2＊＊) for β -carotene in orange juice at differentstorage temperatures

3 结 论

采用Turbiscan稳定性分析仪和粒度分析仪测定橙汁饮料中β-胡萝卜素在贮藏过程中物理稳定性，采用高效液相色谱法测定橙汁饮料中β-胡萝卜素在贮藏过程中化学稳定性，从而全方位掌握饮料中β-胡萝卜素动态变化过程。以β-胡萝卜素稳定性为指标，获得较佳的橙汁饮料制备方法：均质压力30MPa、VC添加量0.03%、阿拉伯胶添加量0.08%和杀菌时间7min。并且研究橙汁饮料在4个温度梯度条件下，饮料中β-胡萝卜素的贮藏稳定性，结果表明橙汁饮料中β-胡萝卜素含量的变化与时间变化很好的拟合一阶动力学模型。本研究为含β-胡萝卜素的饮料制备研究提供参考，也能为功能性食品品质损失研究提供方法借鉴。

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Stability ofβ-Carotene Emulsion in Orange Juice

SUN Shu-guo1,2，GAO Yan-xiang2，YIN Hong1，MA Cheng-jin1，WANG Xiao-hu1
(1. Institute of Food Science, Jishou University, Jishou 416000, China；2. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

The stability ofβ-carotene emulsion in orange juice was evaluated under different preparation conditions and different storage temperatures. The effects of homogenization pressure, vitamin C concentration, arabic gum concentration and sterilization time on the stability ofβ-carotene emulsion in orange juice were monitored based on the changes in particle size and migration rate ofβ-carotene emulsion droplets during the first two hours andβ-carotene content during two-week storage.The results showed that the best stability forβ-carotene emulsion in orange juice was achieved under the conditions:homogenization pressure of 30 MPa, vitamin C concentration of 0.03%, Arabic gum concentration of 0.08% and sterilization time of 7 min. The stability ofβ-carotene emulsion in orange juice was also investigated at different storage temperatures. We found thatβ-carotene degradation could be fitted into a first-order kinetic model with a regression coefficient (R2) of 0.992. The logarithm of degradation rate constant against the reciprocal of absolute temperature revealed the best fit to the Arrhenius model with a regression coefficient (R2) of 0.961.

orange juice；β-carotene emulsion；stability；first-order kinetic model

TS202.3

A

1002-6630(2012)11-0099-05

2011-06-12

孙术国(1977—)，男，讲师，硕士，研究方向为食品分析与功能食品开发。E-mail：sshuguo@163.com