聚丙烯酰胺澄清苹果汁工艺及其机理分析

阙小峰+缪建芹+司文会+徐良+黄超群

摘要：研究用聚丙烯酰胺澄清苹果汁的工艺因素，初步探讨了聚丙烯酰胺澄清作用的机理，并对澄清过程中果汁成分的变化进行了分析。结果表明：聚丙烯酰胺澄清果汁的机理是利用极性基团破坏果汁中微粒的ζ电位，对其吸附并利用长链结构“桥联”形成絮凝共聚物；聚丙烯酰胺澄清苹果汁的最佳条件为：聚丙烯酰胺用量20μg/mL果汁，温度40～50℃，pH值4.0，澄清后果汁还原糖和总酸保留率在95%以上。

关键词：聚丙烯酰胺；果汁澄清；机理；影响因素

中图分类号：TS275.5文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2014）11-0310-02

果汁澄清是果汁加工中的重要工序，当果汁从水果中压榨出来后，常常带有悬浮的细胞碎块，和果胶、淀粉等亲水性胶体悬浮物的保护因子，以及蛋白质、多酚类形成的不溶性混浊或沉淀等三类成分[1]。在果汁加工或贮藏期间，它们与其他成分作用，会引起果汁的混浊现象，果汁的澄清处理就是要将上述三类混浊因子尽可能完全除去，以保障果汁在贮藏期间的质量稳定。

在苹果汁生产过程中，澄清工序是决定苹果汁外观的关键工序，不仅影响产品外观，而且直接对果汁的品质和稳定性起决定作用[2]。常见的苹果汁澄清方法有自然澄清、热处理、超滤法、酶法和添加澄清剂等，本试验主要利用一种高分子表面活性物质——聚丙烯酰胺[3]来澄清苹果汁，并研究影响聚丙烯酰胺澄清果汁的因素，分析聚丙烯酰胺澄清果汁的最佳工艺条件及聚丙烯酰胺澄清作用对果汁成分的影响，从而初步探讨聚丙烯酰胺澄清果汁的机理。

1材料与方法

1.1材料与试剂

试验材料为富士苹果，市售，于试验前贮藏在4℃冰柜中。

聚丙烯酰胺，购自上海化学药品制剂公司。

1.2果汁制备

取富士苹果，经清洗、去皮去核、切块后用家用榨汁机（上海海菱电器有限公司）榨汁。

1.3澄清剂的制备

将聚丙烯酰胺用蒸馏水浸泡至透明状后加水溶解，用纯净水将其稀释成质量分数0.1%的聚丙烯酰胺溶液。

1.4成分的测定

可溶性固形物的测定采用阿贝折光仪折光法；还原糖的测定采用Lane-Eynon法；总酸的测定采用滴定法，以苹果酸计；维生素C的测定采用2，6-二氯靛酚滴定法；透光率T625nm采用722型分光光度计测定。

2结果与分析

2.1聚丙烯酰胺用量对澄清效果的影响

在250mL苹果汁中添加不同量的聚丙烯酰胺进行澄清试验，结果见图1。

由图1可知，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL时，澄清效果最好，透光率达到98.67%；当用量超过30μg/mL时，透光率逐渐下降[4]。因此采用20μg/mL聚丙烯酰胺澄清果汁效果最佳。

2.2pH值对聚丙烯酰胺澄清效果的影响

在不同pH值条件下进行果汁澄清（聚丙烯酰胺用量20μg/mL），澄清后果汁的透光率见图2。

从图2可以看出，pH值在3～5之间时，聚丙烯酰胺澄清果汁的透光率均在95%以上；当pH值<3或pH值>5时，澄清效果变差。可见pH值对苹果汁的澄清效果与壳聚糖相似[5-6]。考虑到果汁溶液的酸碱性和澄清效果，采用pH值为4.0的聚丙烯酰溶液澄清果汁。

2.3温度对聚丙烯酰胺澄清效果的影响

在果汁中添加20μg/mL聚丙烯酰胺，自然pH值条件，在不同温度下进行澄清，结果见图3。

从图3可见，温度在30～70℃之间时，聚丙烯酰胺澄清果汁的透光率均在95%以上，其中以40～50℃温度区域透光率最大，达到98%以上。考虑到高温下苹果汁风味物质的变化，澄清温度应在40～45℃之间为最佳。

2.4果汁褐变对聚丙烯酰胺澄清效果的影响

在果汁中添加足量的抗坏血酸可以防止褐变的发生，用聚丙烯酰胺（20μg/mL）澄清时，絮凝物完全沉淀用时5.42h，而不添加抗褐变剂的果汁澄清时间为4.65h，比添加抗坏血酸时节约14.21%，这一点与Wakayama等的试验结果[7]一致。

2.5澄清前后果汁主要成分的变化

苹果汁在澄清前后的总可溶性固形物、还原糖、维生素C和总酸含量的变化如表1所示。从表1可以看出，苹果汁经聚丙烯酰胺处理后，总可溶性固形物、还原糖、总酸的含量几乎没有变化，保留率均在95%以上，只有维生素C含量的保留率略低，为92.72%。研究中发现果胶物质难以检出，因而可以认为聚丙烯酰胺对苹果汁中的主要营养成分没有影响[8-9]。

3讨论与结论

3.1聚丙烯酰胺澄清果汁的机理分析

压榨果汁是一种含果胶、蛋白质、丹宁和微细果质纤维素的悬浊液，其中大部分是胶体颗粒。这些胶体在果汁中之所以能保持稳定的分散状态，有2种原因：一是可溶性大分子有机物质受pH值的影响，某些基团（如羟基、羰基、氨基）发生部分电离，致使胶粒表面存在极性基团，且这些极性基团相互排斥，不易聚集；二是胶粒表面的极性基团对水分子具有亲和力，这样就在胶粒的表面形成了1层水膜，继而产生胶体聚集的“位阻”。

聚丙烯酰胺是一种具有极性基团及长链结构的高分子物质，其澄清果汁的过程是与结构特性相关的，其具体结构式见图4。

当聚丙烯酰胺加入果汁中后，由于其分子中含有极性基团及长链结构，根据DLVO理论解释，将对果汁体系的胶体稳定性产生很大的影响：（1）降低胶粒表面的ζ电位。ζ电位与胶粒之间的排斥能成正比，聚丙烯酰胺分子含有的极性基团（—NH3+）与果汁中胶粒表面的基团（—OH-、—COOH-）电荷相反，从而降低了胶粒的ζ电位，胶粒间排斥能下降。（2）降低界面张力。聚丙烯酰胺为高分子表面活性物质，溶入果汁后，降低了胶粒-汁液界面的张力，而界面张力又与排斥能成正比。（3）絮凝“桥联”作用。聚丙烯酰胺为长链结构，果汁中存在的胶粒依据静电引力和范德华力吸附在其上，形成了一种以聚丙烯酰胺为基本骨架的“螯体”絮凝物，从而增大了共聚物的厚度，易于沉降。endprint

综上，聚丙烯酰胺澄清果汁的机理为：利用极性基团降低果汁中胶粒表面的μ电位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的长链“桥联”作用形成共聚体，从而加速沉降过程[10-11]。

3.2各因素对聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影响

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究结果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL时效果最好。聚丙烯酰胺用量低时，对果汁中胶粒的作用程度不完全，不能完全消除所有胶粒的ζ电位，同时在胶粒之间也不能形成完整的共聚体；当聚丙烯酰胺用量超过20μg/mL时，较多的聚丙烯酰胺会缠绕在胶粒的表面形成胶束状态，从而对胶粒产生“屏蔽保护”作用，不易于与其他胶粒附聚。

3.2.2pH值结果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最适pH值在3～5之间，该pH值范围正是果汁的自然pH值范围，这一结论与壳聚糖澄清果汁的结果相同。pH值的影响也许是对胶粒表面基团及聚丙烯酰胺电离程度的影响。

3.2.3温度结果还表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最适温度范围为40～50℃，透光率达98%以上。在一定的温度范围内（<60℃），增加了分子的热扩散运动速度和频率；因而促进了胶粒与胶粒、胶粒与聚丙烯酰胺之间的结合；但当温度过大时（>60℃），热力作用弱化了胶粒和聚丙烯酰胺之间的作用力，反而不利于澄清过程。

3.2.4褐变程度与添加足量抗坏血酸相比，未添加抗坏血酸的褐变果汁澄清时间减少了0.77h，减少了14.21%，这是因为果汁发生褐变后，其中的酚类物质氧化成醌。比较酚类中的羟基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可见，后者

的负电性更大，更容易与聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）结合；另外，醌类聚合后，分子量增大，因此与聚丙烯酰胺之间的范德华力也增大，有利于其与聚丙烯酰胺的结合。

综上可见，利用聚丙烯酰胺来澄清苹果汁的最佳条件为：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，温度40～50℃，pH值4.0。

参考文献：

[1]夏文水.食品工艺学[M].北京：中国轻工业出版社，2007.

[2]祝战斌，马兆瑞.苹果酒澄清工艺的研究[J].食品工业，2008（4）：35-37.

[3]张学佳，纪巍，康志军，等.聚丙烯酰胺的特性及应用[J].化学工业与工程技术，2008，29（5）：45-49.

[4]夏文水，王璋.壳聚糖澄清果汁作用的研究[J].无锡轻工业学院学报，1993，12（2）：111-117.

[5]王鸿飞，李元瑞，师俊玲.壳聚糖在猕猴桃果汁澄清中的应用研究[J].食品工业科技，1997，18（4）：20-22.

[6]RaoMA，AcreeTE，CooleyHJ，etal.Clarificationofapplejuicebyhollowfiberultrafiltration：fluxesandretentionofodor-activevolatiles[J].JournalofFoodScience，1987，52（2）：375-377.

[7]WakayamaT，LeeCY.Factorsinfluencingtheclarificationofapplejuicewithhoney[J].FoodChemistry，1987，25（2）：111-116.

[8]秦卫东.表面活性剂法澄清果汁工艺的探讨[J].食品科学，1992，13（11）：40-42.

[9]张建军，蔡同一，生吉平.苹果澄清汁加工过程主要营养素变化的研究[J].食品工业科技，1992，13（2）：20-25.

[10]秦卫东，仝莉，孙向荣.聚丙烯酰胺澄清果汁工艺研究——澄清过程主要成分的变化[J].彭城职业大学学报，1998，13（4）：104-105.

[11]张雪，王雪涛.用于苹果汁吸附实验的不溶性壳聚糖制备工艺的研究[J].食品工业科技，2008，29（7）：110-113.endprint

综上，聚丙烯酰胺澄清果汁的机理为：利用极性基团降低果汁中胶粒表面的μ电位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的长链“桥联”作用形成共聚体，从而加速沉降过程[10-11]。

3.2各因素对聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影响

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究结果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL时效果最好。聚丙烯酰胺用量低时，对果汁中胶粒的作用程度不完全，不能完全消除所有胶粒的ζ电位，同时在胶粒之间也不能形成完整的共聚体；当聚丙烯酰胺用量超过20μg/mL时，较多的聚丙烯酰胺会缠绕在胶粒的表面形成胶束状态，从而对胶粒产生“屏蔽保护”作用，不易于与其他胶粒附聚。

3.2.2pH值结果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最适pH值在3～5之间，该pH值范围正是果汁的自然pH值范围，这一结论与壳聚糖澄清果汁的结果相同。pH值的影响也许是对胶粒表面基团及聚丙烯酰胺电离程度的影响。

3.2.3温度结果还表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最适温度范围为40～50℃，透光率达98%以上。在一定的温度范围内（<60℃），增加了分子的热扩散运动速度和频率；因而促进了胶粒与胶粒、胶粒与聚丙烯酰胺之间的结合；但当温度过大时（>60℃），热力作用弱化了胶粒和聚丙烯酰胺之间的作用力，反而不利于澄清过程。

3.2.4褐变程度与添加足量抗坏血酸相比，未添加抗坏血酸的褐变果汁澄清时间减少了0.77h，减少了14.21%，这是因为果汁发生褐变后，其中的酚类物质氧化成醌。比较酚类中的羟基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可见，后者

的负电性更大，更容易与聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）结合；另外，醌类聚合后，分子量增大，因此与聚丙烯酰胺之间的范德华力也增大，有利于其与聚丙烯酰胺的结合。

综上可见，利用聚丙烯酰胺来澄清苹果汁的最佳条件为：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，温度40～50℃，pH值4.0。

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[10]秦卫东，仝莉，孙向荣.聚丙烯酰胺澄清果汁工艺研究——澄清过程主要成分的变化[J].彭城职业大学学报，1998，13（4）：104-105.

[11]张雪，王雪涛.用于苹果汁吸附实验的不溶性壳聚糖制备工艺的研究[J].食品工业科技，2008，29（7）：110-113.endprint

综上，聚丙烯酰胺澄清果汁的机理为：利用极性基团降低果汁中胶粒表面的μ电位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的长链“桥联”作用形成共聚体，从而加速沉降过程[10-11]。

3.2各因素对聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影响

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究结果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL时效果最好。聚丙烯酰胺用量低时，对果汁中胶粒的作用程度不完全，不能完全消除所有胶粒的ζ电位，同时在胶粒之间也不能形成完整的共聚体；当聚丙烯酰胺用量超过20μg/mL时，较多的聚丙烯酰胺会缠绕在胶粒的表面形成胶束状态，从而对胶粒产生“屏蔽保护”作用，不易于与其他胶粒附聚。

3.2.2pH值结果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最适pH值在3～5之间，该pH值范围正是果汁的自然pH值范围，这一结论与壳聚糖澄清果汁的结果相同。pH值的影响也许是对胶粒表面基团及聚丙烯酰胺电离程度的影响。

3.2.3温度结果还表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最适温度范围为40～50℃，透光率达98%以上。在一定的温度范围内（<60℃），增加了分子的热扩散运动速度和频率；因而促进了胶粒与胶粒、胶粒与聚丙烯酰胺之间的结合；但当温度过大时（>60℃），热力作用弱化了胶粒和聚丙烯酰胺之间的作用力，反而不利于澄清过程。

3.2.4褐变程度与添加足量抗坏血酸相比，未添加抗坏血酸的褐变果汁澄清时间减少了0.77h，减少了14.21%，这是因为果汁发生褐变后，其中的酚类物质氧化成醌。比较酚类中的羟基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可见，后者

的负电性更大，更容易与聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）结合；另外，醌类聚合后，分子量增大，因此与聚丙烯酰胺之间的范德华力也增大，有利于其与聚丙烯酰胺的结合。

综上可见，利用聚丙烯酰胺来澄清苹果汁的最佳条件为：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，温度40～50℃，pH值4.0。

参考文献：

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[9]张建军，蔡同一，生吉平.苹果澄清汁加工过程主要营养素变化的研究[J].食品工业科技，1992，13（2）：20-25.

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[11]张雪，王雪涛.用于苹果汁吸附实验的不溶性壳聚糖制备工艺的研究[J].食品工业科技，2008，29（7）：110-113.endprint