结冷胶对紫马铃薯饮料特性的影响

孟岳成 陆 冉 白维新 陈 杰* 李延华 房 升 徐雪姣

（1 浙江工商大学食品与生物工程学院 杭州310018 2 内蒙古马铃薯技术研究院 内蒙古乌兰察布012000）

马铃薯，又名土豆，属茄科一年生草本植物，富含淀粉、蛋白质、多种维生素及矿物元素。 紫马铃薯除了具备普通马铃薯的营养成分外， 还富含具有保健功能的花色苷[1]。目前紫马铃薯深加工产品主要有主食类和休闲类，如紫马铃薯全粉[2]、薯片、薯条[3]等。除此之外，还有马铃薯酸奶[4]、紫马铃薯清汁饮料[5]等。 马铃薯饮料因口味独特，营养丰富而备受关注。

目前关于紫马铃薯饮料的研究主要集中在产品的开发方面， 如酶解条件的优化及稳定剂的确定，其中酶解条件的探索日趋成熟，而稳定剂的选择主要基于经验以及对贮藏期内饮料稳定性的单一观察， 较少系统性研究稳定剂对紫马铃薯饮料特性的影响。结冷胶作为一种新型微生物多糖，根据酰基含量的不同，可分为高酰基（HA）结冷胶和低酰基（LA）结冷胶。 近年来广泛应用于饮料[6]、果冻果酱、冰淇淋[7]及肉制品中[8]。 本文通过将高、低酰基结冷胶添加到紫马铃薯饮料中， 考察其添加对贮藏过程中饮料流变特性、 悬浮稳定性及色泽稳定性的影响， 结合感官评价确定合适的稳定剂及添加量，并分析了结冷胶对饮料稳定性的机理，为生产实践提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

紫马铃薯，由内蒙古马铃薯技术研究院提供；蔗糖，市售食品级；α-淀粉酶，江苏锐阳生物科技有限公司；糖化酶，山东苏柯汉生物工程股份有限公司；柠檬酸（食品级），西唐生物科技有限公司（山东）；高酰基结冷胶，CP Kelco 公司；低酰基结冷胶，浙江天伟生物科技有限公司；羧甲基纤维素钠（CMC），常熟威怡科技有限公司；黄原胶，鑫合物化有限公司；复配胶（SABN1012），嘉吉亚太食品系统有限公司（北京）；复配胶（ABN3398），嘉吉亚太食品系统有限公司（北京）。

1.2 仪器与设备

精密天平AL104，梅特勒-托利仪器（上海）有限公司；分析天平PL2002，梅特勒-托利仪器（上海）有限公司；紫外可见分光光度计（UV-2600），龙尼柯 （上海）仪器有限公司； 精密pH 计（DELTA320），瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；恒温水浴锅， 国华电器有限公司； 电磁炉（C21-RH2101），广东美的生活电器制造有限公司；恒温生化培养箱LRH-250A，广东省医疗器械厂；胶体磨，温州市龙心机械有限公司；数显恒温磁力搅拌器， 杭州仪器电机有限公司； 台式离心机（Ank TDL-608），安亭科学仪器有限公司（上海）；灭菌锅 （KG-SX-500），日本TOMY 数字生物公司；Mastersizer 2000 激光粒度仪，英国马尔文仪器公司；色差计（CR-400），柯尼卡美能达公司；Turbiscan Lab 稳定分析仪， 法国Formulaction 公司；流变仪（AR-G2），美国TA 仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 紫马铃薯饮料的制备工艺流程 紫马铃薯→清洗去皮→蒸汽漂烫5 min →破碎→蒸熟30 min→加3 倍水打浆→加淀粉酶酶解 （65 ℃，60 min）→加糖化酶酶解（pH 4.2，65 ℃，150 min）→灭酶→加入4%蔗糖， 稳定剂→95 ℃杀菌5 min

1.3.2 贮藏期的加速试验 为缩短试验时间，紫马铃薯饮料贮藏于温度为37 ℃，带有白炽灯的恒温生物培养箱中。 白炽灯的使用模拟当地超市饮料所处的环境。贮藏过程中，实时监测饮料所处温度，使其保持在恒温状态。

1.3.3 流变特性的测定 用流变仪测量紫马铃薯饮料的流变特性，测试前将样品置于25 ℃水浴锅中振荡30 min，停止振荡后在恒定的剪切速率（0，50，100，150，200 s-1）下测定其流变参数。

1.3.4 粒度分布的测定 用配备激光散射分析器的粒径仪测定紫马铃薯饮料粒径的尺寸分布，式（1）、（2）给出了表面积平均粒径的计算方法：

其中d32是指拥有相同球体比表面积的球体直径。在第2 个方程式中，ni和di分别是颗粒的数量和直径。

1.3.5 浊度和沉淀率的测定 将紫马铃薯饮料置于25 ℃下，5 000 g 离心30 min，取稀释10 倍后的上清液于700 nm 下测其吸光光度值，以表征浊度的大小。 弃去上清液的离心管置于100 ℃的烘箱中烘干水分，用下式计算沉淀率：

其中：Wd——去除上清液后离心管和沉淀的质量；W0——离心管的质量；Wj——离心管和饮料离心前的总质量。

1.3.6 稳定性的测定 稳定性分析采用Turbiscan Lab 稳定分析仪。 准确加入42 mm 高的样品于样品瓶中，确保表面无气泡，将其置于稳定性分析仪样品池中，采用多次扫描模式进行测定。

扫描参数： 样品池温度25 ℃， 扫描高度55 cm，扫描时间间隔10 min，扫描3 h，采用Turbiscan Easysoft 软件进行数据分析。

1.3.7 色差测量 采用色差计测量饮料体系的色值。通过L*、a*、b*表征物料的色泽。L*表示物料的亮度，定义L*=0 为黑色，L*=100 为白色，L*值越大表明物料的亮度越大；a*值定义为物料的红绿度，正值表示物料为红色，负值表示绿色；b*值定义为物料的黄蓝度，正值表示黄色，负值表示蓝色；ΔE*为色差值，表示待测样品与对照样品的颜色差别，ΔE*值越大表示两者之间的颜色差别越大。

试验过程中， 先用白板矫正色差计， 之后取15 mL 饮料放入四面通透的玻璃器皿中， 盖上盖子混合均匀后读取色差值。

1.3.8 感官品评 将产品随机编码，邀请10 位具有感官品评经验的专业人员进行品尝， 参考感官评价标准[9]，对饮料的色泽风味，以及形态进行打分。 感官评价标准如下表所示。

表1 紫马铃薯饮料感官评价标准Table 1 Standards of sensory evaluation for purple potato beverage

2 结果与分析

2.1 紫马铃薯饮料稳定剂初筛

紫马铃薯饮料富含淀粉， 贮藏期内易出现沉淀，影响饮料的感官品质。稳定剂的添加可以增加其稳定性，提高饮料的感官接受度。本研究选择黄原胶，羧甲基纤维素钠（CMC），结冷胶及两种复配胶作为紫马铃薯饮料的稳定剂，将饮料置于37 ℃下加速试验15 d 后进行感官品评，对稳定剂进行初筛。 其中，黄原胶，CMC 的添加量参考相关文献[9]，而复配胶的添加量采用推荐使用量，结冷胶添加量则依据前期探索。 品评结果如表2 所示。

表2 感官试验结果分析Table 2 Analysis on results of sensory evaluation

由表2 可知稳定剂类型对紫马铃薯饮料的感官品质影响较大。其中添加少量HA 或LA 结冷胶的饮料在感官品评中得分较高， 因此选择结冷胶作为紫马铃薯饮料的稳定剂， 考察不同的添加量对饮料流变特性、浊度、沉淀率等的影响，并确定合适的添加量。

2.2 结冷胶对紫马铃薯饮料流变特性的影响

饮料的流变特性在感官品评中发挥着重要的作用。 具有相似流变学行为的流体会为品尝者提供相似的口感体验。 对流体流变学进行分析具有非常重要的意义， 实践过程常用到的流变学模型有：

式中：τ——剪应力（N）；η——黏度（mPa s-1）；K——黏度指数；n——流动指数；τ0——屈服应力（Pa）；——剪切速率（s-1）。

为了确定结冷胶添加量的范围， 在预试验中称取一定量的HA、LA 结冷胶添加到紫马铃薯汁中，使紫马铃薯饮料中HA 或LA 结冷胶的含量分别为0.10‰，0.15‰，0.20‰，0.25‰，0.30‰，0.35‰。 结果表明：HA 或LA 结冷胶的添加量小于0.15‰ 时， 贮藏3d 后饮料发生分层和沉淀现象，严重影响了饮料的感官品质；当结冷胶添加量为0.15‰～0.25‰时， 同样条件下保存10d 后，饮料稳定性良好； 当结冷胶添加量大于0.3‰时，饮料黏度过大，流动性变差。故后续试验选取添加量为0.15‰，0.20‰，0.25‰。

表3 为紫马铃薯饮料于37 ℃下贮藏25d 后的Hersch-Bulkeley 模型分析，较高的相关性系数（R2＞0.911）表明，含有HA 和LA 结冷胶的紫马铃薯饮料流变学行为分别符合式（5）及式（7），且添加HA 结冷胶的紫马铃薯饮料其流变学特性更接近对照组。表3 同样说明，对照组接近于牛顿型流体（n≈1，τ0=0），其主要特征是黏度不会随剪切速率的改变而改变； 而添加结冷胶后紫马铃薯饮料出现切稀化现象（n＜1），该现象的产生可能是由于剪切力作用下颗粒之间纠缠减少后定向分散到体系[10]，也可能是因为随着剪切力的增加，紧密连接的生物大分子数目将会减少， 导致体系的黏度下降[11]造成。 研究同样发现，溶胶温度会影响紫马铃薯饮料的流动指数及黏度系数， 这与Vandresen等[12]研究发现的热处理会影响胡萝卜汁流变特性相一致，因此研究过程中溶胶温度规定为80 ℃。

为进一步探究结冷胶添加量及贮藏时间对紫马铃薯饮料流变学性质的影响，分别以HA、LA 结冷胶添加量为0.2‰为例，对表3 中相关数据进行整理得到表4 与表5。由表4、表5 可知，紫马铃薯饮料于37 ℃下贮藏25 d 的过程中，结冷胶添加量对紫马铃薯饮料的流变参数影响显著 （P＜0.05），而贮藏时间对紫马铃薯饮料的流变参数影响较小（P＞0.05）。 此结果同Liang 等[13]在胡萝卜汁中添加HA、LA 结冷胶作为稳定剂，得到结冷胶的添加改变了胡萝卜汁的流变特性， 但受贮藏时间影响较小的结果一致。

表3 紫马铃薯饮料流变模型分析Table 3 Rheological model analysis of purple potato beverage

表5 LA 结冷胶使用量与贮藏时间对紫马铃薯饮料流变性质的影响Table 5 Effects of LA gellan gum dosage and storage time on rheological parameters （mean values）of purple potato beverage

结合表3、表4、表5 可知，结冷胶的添加使紫马铃薯汁从牛顿型流体转变为非牛顿型流体并表现出切稀化现象。 随着HA 结冷胶使用量的增加，黏度系数η 增大， 流动指数n 降低， 屈服应力τ0始终为0；随着LA 结冷胶使用量的增加，黏度系数η 增大， 流动系数n 减小， 屈服应力τ0增大。HA、LA 结冷胶对紫马铃薯汁的流变参数产生不同影响，可能是因为酰基含量不同，结冷胶在体系中形成的结构不同[14]，从而表现出不同的流变特性。

2.3 结冷胶对紫马铃薯饮料粒度分布的影响

图1、图2 显示了HA、LA 结冷胶添加量不同时，紫马铃薯饮料于37 ℃下贮藏25 d 后粒度分布的变化（按照体积分数）。分析可知，紫马铃薯饮料体系的粒径随着LA 结冷胶浓度的增加而增大，HA 结冷胶的添加则对紫马铃薯饮料粒度分布无明显影响。 由斯托克斯沉降公式（8）可知，粒径增大，体系中颗粒的沉降速率加快，稳定性降低。 因此和LA 结冷胶相比，HA 结冷胶更有利于贮藏期内紫马铃薯饮料的稳定。

式中：ν——颗粒沉降速度（m s-1）；ρ——球形粒子的密度（g cm-3）；ρs——介质的密度（g mL-1）；η——体系的黏度（mPa s-1）；g——重力加速度（m s-2）。

图1 LA 结冷胶使用量对紫马铃薯饮料粒度分布的影响Fig.1 Effects of LA gellan gum dosage on particle size distrbution of purple potato beverage

图2 HA 结冷胶使用量对紫马铃薯饮料粒度分布的影响Fig.2 Effects of HA gellan gum dosage on particle size distrbution of purple potato beverage

2.4 结冷胶对紫马铃薯饮料浊度及沉淀率的影响

图3、图4 显示了HA、LA 结冷胶添加量不同时，紫马铃薯饮料于37 ℃下贮藏25 d 后浊度的变化。 由图可知，HA、LA 结冷胶的添加对紫马铃薯饮料上清液浊度产生了不同影响： 随着HA 结冷胶浓度的增加，紫马铃薯饮料上清液的浊度升高；随着LA 结冷胶浓度的增加，紫马铃薯饮料上清液的浊度降低； 当HA 结冷胶添加量为0.2‰时，上清液的浊度达到最大，当LA 结冷胶含量为0.20‰时，上清液浊度达到最小；进一步分析可知，胶体类型及浓度对紫马铃薯饮料上清液浊度影响显著，而贮藏时间对浊度影响不显著（P＞0.05）。

鉴于饮料的浑浊主要是因为固体颗粒的悬浮[15]，所以沉淀率和浊度之间具有相反的关系， 即沉淀率较高的饮料，上清液的浊度较低。 由图3、图4可知，添加HA、LA 结冷胶对紫马铃薯饮料浊度产生不同影响，这可能是因为LA 结冷胶形成的网络结构较为紧密， 而HA 结冷形成的网状结构较为松散，故添加LA 结冷胶的紫马铃薯饮料，胶粒被牢牢锁在三维网状结构中，水分被排出网络，经过离心之后，上清液中固体颗粒较少，和对照相比，浊度降低，沉淀率上升；而HA 结冷胶形成的网络结构可以将水在内的一些成分笼络其中， 即使受到离心力的作用，水分也不会溢出，由此紫马铃薯饮料上清液浊度上升[13]。

图3 HA 结冷胶使用量与贮藏时间对紫马铃薯饮料浊度的影响Fig.3 Effects of HA gellan gum dosage and storage time on turbidity of purple potato beverage

图5显示了HA、LA 结冷胶添加量不同时，紫马铃薯饮料于37 ℃下贮藏25 d 的过程中沉淀率的变化。 由图可知，当结冷胶浓度小于0.20‰时，随着HA 结冷胶使用量的增加， 紫马铃薯饮料沉淀率由3.2%降低至2.5%；随着LA 结冷胶使用量的增加， 紫马铃薯饮料沉淀率由3.0%增加至5.0%。 当结冷胶使用量大于0.20‰时，紫马铃薯饮料沉淀率趋于稳定。

出现上述现象的原因可能是： 当HA 结冷胶添加量小于0.15‰时， 紫马铃薯饮料中起到稳定性作用的主要是三维网状结构， 此时随着胶体使用量的增大，网状结构逐步完善，但不足以形成可以维持整个体系稳定的结构， 故HA 结凝胶使用量增加，体系沉淀率上升，浊度下降；当HA 结冷胶使用量达到0.15‰后， 饮料已形成了稳定的三维网状结构， 此时体系的稳定性主要受黏度及静电排斥作用的影响，因此继续加大结冷胶的用量，体系的沉淀率上升，浊度下降，而整体的粒度分布以及沉淀率变化影响不大； 当HA 结冷胶使用量达到0.20‰之后继续加大胶体用量， 胶体之间过分拥挤，饮料稳定性下降。 同理，当LA 结冷胶使用量低于0.20‰时， 起稳定作用的主要是三维网状结构，而当LA 结冷胶使用量高于0.20‰时，起稳定作用的主要是黏度及静电排斥作用[16]。

2.5 结冷胶对紫马铃薯饮料悬浮稳定性的影响

图4 LA 结冷胶添加量与贮藏时间对紫马铃薯饮料浊度的影响Fig.4 Effects of LA gellan gum dosage and storage time on turbidity of purple potato beverage

图5 结冷胶使用量对紫马铃薯饮料沉淀率的影响Fig.5 Effects of gellan gum dosage on sediment rate of purple potato beverage

图6、图7、图8 分别给出紫马铃薯饮料于37℃下贮藏25 d 后稳定性的变化。 由图6 可知不含结冷胶的紫马铃薯汁稳定性较差， 这是因为紫马铃薯饮料富含淀粉，贮藏期内易出现沉淀；含有0.2‰ LA 结冷胶的紫马铃薯饮料略不稳定，这可能是因为LA 结冷胶一旦形成凝胶， 连接区域的长度会因为分子间相互排斥而被延长， 这就为致密网状结构的形成提供了良好的条件[17]，致密网络的形成将水分排除在外， 结果造成体系的不稳定；而含有0.2‰ HA 结冷胶紫的马铃薯饮料稳定性良好，说明0.2‰ HA 结冷胶是紫马铃薯饮料较为合适的稳定剂。

2.6 结冷胶对紫马铃薯饮料色泽稳定性的影响

图9 显示了HA、LA 结冷胶添加量不同时，紫马铃薯饮料于37 ℃下贮藏10 d 的过程中色差ΔE*的变化。

图6 37 ℃下贮藏25 d 后紫马铃薯汁的稳定性Fig.6 The stability of blank beverage after 25 d storage at 37 ℃

图7 37 ℃下贮藏25 d 后HA 结冷胶含量为0.20‰的紫马铃薯饮料的稳定性Fig.7 The stability of purple potato beverage containing 0.2‰ HA gallen gum after 25 d storage at 37 ℃

图8 37 ℃下贮藏25d 后LA 结冷胶含量为0.20‰的紫马铃薯饮料的稳定性Fig.8 The stability of purple potato beverage containing 0.20‰ LA gallen gum after 25 d storage at 37 ℃

图9 结冷胶使用量及贮藏时间对紫马铃薯饮料总色差ΔE*的影响Fig.9 Effects of gellan gum dosage and storage time on ΔE* of purple potato beverage

由图9 可知，与对照组相比，结冷胶的添加增强了紫马铃薯饮料的色泽稳定性， 其中HA 结冷胶的作用尤为显著。 当HA 结冷胶使用量小于0.20‰时，随着结冷胶使用量的增加，色差ΔE*降低；当HA 结冷胶使用量超过0.20‰时，随着胶体使用量的增加，色差开始增大。这一现象产生的原因可能是，当HA 结冷胶添加量低于0.20‰时，紫马铃薯饮料中的花色苷不能充分地同HA 结冷胶结合， 部分花色苷暴露于环境中而加快了降解速度；而当HA 结冷胶使用量为0.20‰，紫马铃薯饮料中的花色苷能够与其较为充分的结合， 保护了饮料的颜色；当使用量超过0.2‰时，空间位阻增强，妨碍了紫马铃薯花色苷与结冷胶的结合，色差增大[18]。

2.7 紫马铃薯饮料稳定剂的确定

由表6 可知，HA、LA 结冷胶的添加会影响紫马铃薯饮料的稳定性。当HA、LA 结冷胶的添加量小于0.20‰时，随着结冷胶添加量的增加，饮料的沉淀率、浊度发生变化；当HA、LA 结冷胶添加量大于0.20‰时，继续增大用量，沉淀率、浊度不再变化。 当HA 结冷胶添加量为0.20‰时饮料色差ΔE*为4.89，与对照组的ΔE*8.96 相比，色差降低最为显著。 故确定HA 结冷胶为本研究中紫马铃薯饮料的稳定剂，添加比例0.20‰（w/v）。

表6 37 ℃下贮藏25 d 后紫马铃薯饮料的稳定性参数Table 6 The stability parameters of purple potato beverage storage at 37 ℃for 25 d

3 结论

通过不同类型稳定剂对紫马铃薯饮料感官指标的影响研究， 选择了结冷胶作为紫马铃薯饮料的稳定剂，研究了高、低酰基结冷胶对贮藏期内紫马铃薯饮料流变特性、粒径分布、浊度、沉淀率、相分离等特性的影响，结果表明：添加HA、LA 结冷胶后， 紫马铃薯饮料的初始黏度η 可从0.016 mPa s-1分别增加到0.457 mPa s-1和1.227 mPa s-1；贮藏时间对紫马铃薯饮料的流变特性影响不大；且添加HA 结冷胶的紫马铃薯饮料流变特性更接近紫马铃薯原汁；LA 结冷胶的添加增大了贮藏期内饮料的整体粒径，HA 结冷胶的添加则对粒径影响不大；HA 结冷胶的添加使紫马铃薯饮料上清液的浊度由0.48 上升到0.87；LA 结冷胶的添加使紫马铃薯饮料上清液的浊度由0.46 降低到0.26；HA 结冷胶的添加可减小贮藏期内紫马铃薯饮料的色差， 且添加量为0.20‰时， 色差减小较为明显；当结冷胶添加量大于0.20‰，继续增加胶体用量，饮料的浊度，沉淀率等不再改变；故确定HA结冷胶为紫马铃薯饮料的稳定剂， 添加量为0.20‰（w/v）。 进一步分析可知，结冷胶是通过引入静电排斥、提高黏度、以及形成三维网状结构提高饮料体系的稳定性。