超高压微射流对铁棍山药汁物理稳定性的影响

郭晓君,纵　伟,赵光远,张丽华,王晓媛,吴顺红

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450002)



超高压微射流对铁棍山药汁物理稳定性的影响

郭晓君,纵伟*,赵光远,张丽华,王晓媛,吴顺红

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450002)

为探究超高压微射流对山药汁物理稳定性的影响,研究不同压力(40～200 MPa)和不同次数(1、2、3、4次)对山药汁可溶性固形物含量、粒径、Zeta电位、色泽、浊度和非酶褐变度的影响。结果表明,山药汁经超高压微射流处理后,可溶性固形物含量无显著变化;山药汁亮度L*值显著增大,40、80、120、160、200 MPa压力下处理1次后,亮度值较未处理样品分别增加了0.2%、21.4%、30.5%、52.4%、53.9%,而a*值、b*值呈减小趋势;Zeta电位随着压力的增加,电位绝对值有所下降,在-32.2至-23.7 mV之间变化;山药汁中颗粒平均粒径显著减小(p<0.05);浊度和非酶褐变度逐渐降低。表明超高压微射流处理可以改善山药汁的物理稳定性,为消费者提供高质量的蔬菜汁。

超高压微射流，铁棍山药，物理稳定性

山药(RhizomaDioscoreae,yam)又名山薯,为薯蓣科植物薯蓣的块茎。铁棍山药为山药中的一种,主要分布于河南焦作、温县、博爱等地。铁棍山药富含蛋白质、淀粉、多糖、脂肪酸及其他营养物质,具有调节肠胃、抗氧化、降血糖、降血脂和抗肿瘤等作用[1]。目前,对铁棍山药有效成分及药理作用的研究较多[2-5],但对其加工利用方面的研究较少,将铁棍山药加工成山药汁,不仅可以使铁棍山药类产品多样化,而且可提高经济效益。

果蔬汁加工过程中,物理稳定性是影响产品质量的主要问题之一。如何在加工过程中提高物理稳定性是研究者关注的问题。超高压微射流(High-Pressure Microfluidization,HPM)是一种新兴的高压均质技术。HPM技术主要运用于生物大分子的改性、乳化均质以及辅助杀菌方面[6-9];其作用机理主要是分子的高速撞击作用、强剪切粉碎、空穴作用等[10]。与传统高压均质不同,HPM处理过程中,物料受压时间短,压力变化率大,能在相对较低的压力下达到高压均质的效果。目前,HPM对果蔬汁稳定性的研究已有报道,研究表明,HPM能提高果蔬汁的物理稳定性及品质。Calligaris[11]等研究了HPM对香蕉汁的影响,经过HPM处理,香蕉汁色泽变亮,粘度降低;Kubo等[12]研究了HPM对番茄汁影响,通过HPM处理,粒径减小,浊度降低,提高了番茄汁物理稳定性;Betoret E[13]等研究HPM对橘子汁的影响,通过HPM处理,粒径减小,亮度增加,浊度减小,提高了橘子汁的品质。但HPM对铁棍山药汁稳定性的研究,目前还少见报道。因此,本文以铁棍山药汁为对象,应用HPM对山药汁进行处理,研究不同压力和次数处理对铁棍山药汁物理稳定性的影响,为HPM技术在山药汁中的应用提供理论基础。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

铁棍山药河南省焦作市;柠檬酸、抗坏血酸均为分析纯。

KYH-777乐创多功能食品料理机佛山市顺德区乐创科技有限公司;JMS-300胶体磨廊坊市廊通机械有限公司;HC-3618R高速冷冻离心机安徽中科中佳科学仪器有限公司;SFP“Bench-top”高压纳米均质机英国SFP公司;Malvern Zetasizer Nano-ZS90激光粒度仪英国Malvern公司;752紫外分光光度计上海菁华科技仪器有限公司;PAL-1手持糖度计北京阳光亿事达贸易有限公司;SC-80C全自动色差计北京康光光学仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1铁棍山药汁的制备选择无病虫、无机械损伤的铁棍山药,清洗、削皮,切成厚度2～3 cm的片段,放入0.5%柠檬酸和0.5%抗坏血酸的护色溶液里浸泡,1 h后用蒸馏水将山药表面冲洗干净,100 ℃加热1 min,然后按山药∶水=1∶9的比例放入打浆机中打浆,打浆后,过3次胶体磨,磨隙20 μm,得山药浑浊汁。

1.2.2超高压微射流处理山药汁在高压纳米均质机中以不同的压力(40、80、120、160、200 MPa)和不同次数(1、2、3、4次)处理,同时以未经处理的山药汁做对照。

1.3指标及测定方法

1.3.1可溶性固形物含量测定采用手持糖度计测定。

1.3.2粒径与Zeta电位的测定采用激光粒度仪分别测定。

1.3.3色泽测定样品在经过处理后,立即采用色差仪测定色泽参数L*、a*、b*,其中L*代表亮度,值越大表明样品亮度越大,a*值代表红绿值,正值高,倾向于红色,负值绝对值越大,倾向于绿色;b*代表黄蓝色,正值越高,倾向于黄色,负值绝对值越大,倾向于蓝色。

1.3.4浊度取适量样品,3000 r/min离心8 min,取上清液并充分混匀后,放入2 cm比色皿中在660 nm下测其OD值,以蒸馏水对照。OD值越高,浊度越大。

1.3.5非酶褐变度样品在经过处理后,立即将样品在转速4000 r/min离心30 min,取其上清液,在420 nm测定吸光值大小。以吸光度作为非酶褐变指数,吸光度越高,非酶褐变度越大。

1.4数据处理

每组数据重复测3次,采用Origin7.0软件作图,DPS7.0.5.8软件进行方差分析。

2　结果与分析

2.1HPM处理对山药汁可溶性固形物含量的影响

可溶性固形物是评价果蔬汁品质的重要参数。如图1所示,40、80、120、160、200 MPa分别进行1、2、3、4次处理后,可溶性固形物含量变化不显著(p>0.05),经HPM处理的山药汁,可溶性固形物含量有减小现象,可能因为可溶性固形物中少量的可溶性蛋白经HPM处理后,蛋白的疏水性结构暴露,产生更多疏水性区域,影响蛋白的溶解性[14],从而使可溶性固形物含量减少。

图1　HPM处理对山药汁可溶性固形物含量的影响Fig.1　Effect of HPM treatment on the soluble solids content of yam juice注：标注不同字母表示差异显著(p<0.05),图3～图9同。

2.2HPM处理对山药汁粒径大小的影响

粒径的大小可以表征果蔬汁的稳定性。从图2中可以看出,未处理样品中粒径大小的分布范围在190～2700 nm之间,随着压力的增加,粒径呈减小趋势,200 MPa下处理的粒径分布范围在58～1500 nm之间。粒径减小,可能是山药汁进入反应器时,在很小的空间内被强烈撞击,撞击过程中瞬间产生巨大能量,产生了压力降,大颗粒物质高度破碎[15]。这与 Sentandreu[16]等对橙汁处理以及Silva[17]等对菠萝汁处理的结论类似。

图2　山药汁经HPM不同压力处理后粒径大小的分布Fig.2　Effect of HPM treatment on the particle size distribution of yam juice after different pressure

图3为在40、80、120、160、200 MPa 分别进行1、2、3、4次处理后样品的平均粒径。由图3中可得,不同压力下,处理的山药汁粒径大小与对照组相比显著下降;40～160 MPa之间,随着压力的增加,平均粒径呈减小趋势,200 MPa下平均粒径又有增大趋势,160 MPa和200 MPa处理的山药汁粒径大小之间没有显著差异(p>0.05),可能因为处理后得到的粒子更小,体系的表面能增大,稳定性降低,颗粒为了降低体系的自由能而自动聚集,形成较大颗粒,因此,平均粒径增大。在同一压力下,不同处理次数的样品与对照组相比,粒径大小也显著降低。这与KaracamH[18]等研究的奥斯曼草莓结果一致。根据Stockes定律,颗粒的沉降的速率和颗粒的大小成正比,超高压微射流处理可以降低山药汁悬浮颗粒粒径的大小,从而提高了山药汁的稳定性。

图3　HPM对山药汁不同次数处理下平均粒径的影响Fig.3　Effect of HPM treatment on the average particle size of yam juice after different times processing

2.3HPM处理对山药汁Zeta电位的影响

Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标。从图4中可以看出,电位在-32.2至-23.7 mV之内变化。经HPM处理的山药汁电位绝对值有减小趋势,对照组与处理样品之间,电位值之间有显著性差异(p<0.05),在160 MPa下,不同处理次数对电位影响较大,并且1、2、3、4次处理电位绝对值与对照组相比,分别减少了22.9%、23.3%、27.3%、10.6%。除160 MPa处理1、2、3次的Zeta电位绝对值小于25 mV以外,其余均大于25 mV。电位绝对值减小,可能是由于在此压力处理下小颗粒数目增多,比表面积增大,形成凝结,导致电位变化。一般Zeta电位绝对值大于50 mV的体系非常稳定,Zeta电位绝对值在25～50 mV之间的体系比较稳定,而Zeta电位绝对值小于25 mV的体系不太稳定[19]。超高压微射流处理对山药汁Zeta电位有一定影响,但山药汁仍处于较稳定状态。

图4　HPM流处理对山药汁Zeta电位的影响Fig.4　Effect of HPM treatment on the Z-potential of yam juice

2.4HPM处理对山药汁色泽的影响

色泽是果蔬汁感官品质的重要指标。从图5中可以看出随着压力的增加,亮度值呈增大趋势。与对照组相比,压力对亮度值大小的影响具有显著性差异(p<0.05),在相同次数处理下,经不同压力处理的部分样品间差异性显著(p<0.05),在1次处理下,40、80、120、160、200 MPa 的亮度值分别增加了0.2%、21.4%、30.5%、52.4%、53.9%。图6表示HPM处理后a*值的变化,随压力增大，a*呈减小趋势,但40 MPa时a*值比对照组高,说明40 MPa处理使山药汁红色有增加趋势。图7表示超高压微射流处理后b*值的变化,b*值的变化趋势逐渐降低,与对照组相比,160 MPa下出现减小现象,并且处理1、2、3、4次之间差异显著(p<0.05)。亮度值是小颗粒吸收散射光得到的数值,亮度值增大,是由于小颗粒数量增多,这与前文粒径得到的数据一致。Calligaris[11]等对香蕉汁的研究也得到相同结果。从以上可以看出超高压微射流对山药汁的亮度有影响。

图5　HPM处理对山药汁L*值的影响Fig.5　Effect of HPM treatment on L* value of yam juice

图6　HPM处理对山药汁a*值的影响Fig.6　Effect of HPM treatment on a* value of yam juice

图7　HPM处理对山药汁b*值的影响Fig.7　Effect of HPM treatment on b* value of yam juice

2.5HPM处理对山药汁浊度的影响

浊度可以反映果蔬汁稳定性。从图8中可以看出随着压力的增加,吸光度呈减小趋势,对照组的浊度为0.613,HPM处理对山药汁的浊度有显著性影响(p<0.05),160 MPa与200 MPa下的第2、3、4次处理之间差异性不显著(p>0.05)。吸光度是悬浮粒子吸收辐射平行光而得到的数值[12],从粒径分布图上可以看出粒径减小,悬浮粒子吸收的光减少,所以浊度值也减小。这与Kubo等[12]研究的番茄汁以及Betoret[13]等研究的橘子汁结果相似。

图8　HPM处理对山药汁浊度的影响Fig.8　Effect of HPM treatment on the turbidity of yam juice

2.6HPM处理对山药汁非酶褐变度的影响

果蔬汁加工过程中,容易产生褐变现象,褐变又分为酶促褐变和非酶促褐变,由于山药汁加工过程中有加热处理,所以褐变主要以非酶褐变为主。图9是超高压处理后山药汁褐变度的变化情况,从图中可以看出随着压力和次数的增加,褐变度呈现降低趋势,相同次数处理下,40、80、120、160、200 MPa非酶褐变度显著性减小,非酶褐变度降低,可能是因为压力升高,抑制类黑精的游离自由基生成,从而抑制非酶褐变反应。这与Tamaoka[20]等研究压力对美拉德反应过程的结果相似,压力增大,非酶褐变度减小。因此处理压力越高,山药汁褐变程度越低,稳定性越好。

图9　HPM处理对山药汁非酶褐变度的影响Fig.9　Effect of HPM treatment on the non-enzymatic browning degree of yam juice

3　结论

山药汁经超高压微射流处理以后,可溶性固形物含量无显著变化;色泽中L*值的变化非常明显,呈现增大趋势,但是a*值、b*值有减小的趋势;山药汁中粒径大小显著减小,粒径的减小可以提高山药汁的稳定性;经HPM处理后,山药汁Zeta电位绝对值减小,但在山药汁的稳定范围之内;随着压力的增加,浊度与非酶褐变度有下降趋势。超高压微射流应用于山药汁中,可以改善山药汁的稳定性,可为HPM技术在果蔬汁应用中提供基础。

[1]侣丽莎.山药功能性食品工艺与储藏稳定性研究[D].郑州:河南工业大学,2012.

[2]周晓薇,王静,段浩,等. 铁棍山药蛋白质的分离纯化及体外抗氧化活性[J]. 食品科学,2011,32(9):31-35.

[3]周庆峰,姜书纳,马亢,等. 铁棍山药多糖抗疲劳及耐缺氧作用研究[J]. 时珍国医国药,2014,25(2):284-285.

[4]刘帅,杨小兰,张晓云. 长山药粗多糖对果蝇抗衰老作用的研究[J]. 食品工业科技,2013,34(14):339-341.

[5]吴祥庭,董新姣,杨海龙,等. 山药皂甙均匀设计法优化提取及其体外抗氧化活性研究[J]. 中国食品学报,2013,13(2):91-96.

[6]Sato S,Inahara H,Kurihara J,et al. High-Pressure Homogenization as a Process for Emulsion Formation[J]. Chemical Engineering & Technology,2004,27(4):361-368.

[8]Espejo G G A,Hernández-Herrero M M,Juan B,et al. Inactivation of Bacillus,spores inoculated in milk by Ultra High Pressure Homogenization[J]. Food Microbiology,2014,44(6):204-210.

[9]涂宗财,姜颖,陈钢,等. 动态超高压微射流对花生球蛋白结构和功能性质的影响[J]. 食品工业科技,2009(12):73-75.

[10]杨诗斌,徐凯,张志森. 高剪切及高压均质机理研究及其在食品工业中的应用[J]. 粮油加工与食品机械,2002(4):33-35.

[11]Calligaris S,Foschia M,Bartolomeoli I,et al. Study on the applicability of high-pressure homogenization for the production of banana juices[J]. Lebensmittel-Wissenschaft und-Technologie,2012,45(1):117-121.

[12]Kubo M T K,Augusto P E D,Cristianini M. Effect of high pressure homogenization(HPH)on the physical stability of tomato juice[J]. Food Research International,2013,51(1):170-179.

[13]Betoret E,Betoret N,Carbonell J V,et al. Effects of pressure homogenization on particle size and the functional properties of citrus juices[J]. Journal of Food Engineering,2009,92(1):18-23.

[14]涂宗财,张雪春,刘成梅,等. 超高压微射流对花生蛋白结构的影响[J]. 农业工程学报,2008,24(9):306-308.

[15]Torres J A,Velazquez G. Commercial opportunities and research challenges in the high pressure processing of foods[J]. Journal of Food Engineering,2005,67(1):95-112.[16]Sentandreu E,M a del Carmen Gurrea,Betoret N,et al. Changes in orange juice characteristics due to homogenization and centrifugation[J]. Journal of Food Engineering,2011,105(2):241-245.

[17]Silva V M,Sato A C K,Barbosa G,et al. The effect of homogenisation on the stability of pineapple pulp[J].International Journal of Food Science & Technology,2010,45(10):2127-2133.

[18]Karacam C H,Sahin S,Oztop M H. Effect of high pressure homogenization(microfluidization)on the quality of Ottoman Strawberry(F. Ananassa)juice[J]. Food Science and Technology,2015,64(2):932-937.

[19]Genovese D B,Lozano J E. The effect of hydrocolloids on the stability and viscosity of cloudy apple juices[J]. Food Hydrocolloids,2001,15(1):1-7.

[20]Tamaoka T,Itoh N,Hayashi R. High Pressure Effect on Maillard Reaction(Food & Nutrition)[J]. Agricultural & Biological Chemistry,1991,55(8):2071-2074.

Effect of high pressure microfluidization(HPM) on the physical stability of yam juice

GUO Xiao-jun，ZONG Wei*，ZHAO Guang-yuan，ZHANG Li-hua，WANG Xiao-yuan，WU Shun-hong

(School of Food and Engineering,zhengzhou university of light industry,Zhengzhou 450002,China)

The fresh yam was processed in different condition by the high pressure microfluidization,the effect of different pressure(40～200 MPa)and passes(1、2、3and 4 passes)on the soluble solids content,average particle size,Z-potential,color,turbidity and non-enzymatic browning degree was evaluated,and the effect of high pressure microfluidization on the physical stability of yam juice was also analyzed. The result showed that yam juice exhibited no effect on the soluble solids content after high pressure microfluidization treatment. TTheL*value was increased,brightness was increased by 0.2%,21.4%,30.5%,52.4%,53.9% after first processed.a*value andb*value of the juice was decreased with the increasing of pressure used. The values of the Z-potential was decreased with the increasing of pressure used,and the values were from-32.2 to-23.7 mV.The average particle size was significantly reduced(p<0.05). Urbidity and non-enzymatic browning degree was decreased with the increasing of pressure. The results indicated that HPM could be used to improve the physical stability in the yam juice,such as increasing color,and affecting average particle size positively resulting in a desirable high quality juice for the consumer.

high-pressure microfluidization;yam juice;physical stability

2016-03-16

郭晓君(1990-),女，在读研究生，从事果蔬加工研究，E-mail:Guo xiao jun 1990@126.com。

纵伟(1965-)，男，博士，教授，从事果蔬加工研究，E-mail:zongwei1965@126.com。

河南省创新型科技团队(C20150024);河南省高校科技创新团队(16IRTSTHN010)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)17-0125-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.015