结冷胶和卡拉胶在可可奶中的应用研究

薛玉清,朱丽娟,李焱鑫,杨伟,李文强,张妍,胡君荣,罗洁,李言郡,成官哲*

1(杭州娃哈哈集团有限公司,浙江 杭州,310018)2(浙江省食品生物工程重点实验室,浙江 杭州,310018) 3(杭州锋味派食品有限公司,浙江 杭州,310018)

结冷胶(gellan gum)是一种由少动鞘脂单胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)产生的微生物胞外多糖[1]。它于1987年由美国Kelco公司生产制造,1992年通过美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)认证,可应用于食品中。由于结冷胶具有良好的风味释放性、较宽的pH范围稳定性、且在冷热条件下均可形成热可逆凝胶等优良特性,因此作为一种新型的食品添加剂被广泛应用[2-3]。结冷胶有3种典型的基本类型,即天然结冷胶、低酰基结冷胶、低酰基纯化结冷胶[4-5]。由于高酰基结冷胶体比低酰基结冷胶凝胶柔软,且在高温下构象更有次序,所以高酰基结冷胶的结构本质更稳定,加之离子敏感性更弱且能够赋予食品一种令人愉悦的质地和口感,因此被广泛用于食品领域作增稠剂、稳定剂、凝结剂、悬浮剂和成膜剂[6-9]。卡拉胶是一种典型的阴离子多糖,反应活性主要由于半乳糖残基上带有半酯式硫酸基[10]。商品化卡拉胶的相对分子质量由于所用原料和生产工艺的不同而有显著性的差异,而相对分子质量对性能和用途有明显影响[11]。卡拉胶在较低浓度就可形成凝胶,且凝胶的透明度高,但存在凝胶脆性大、弹性小、易脱液收缩等问题,因此常常与其他食品胶复配使用[12]。

乳饮料在饮料市场中占据重要位置,其内容多样、口感顺滑、营养丰富,深受消费者青睐。随着饮料行业的飞速发展,各类乳饮料层出不穷,可可奶更是深受广大消费者喜爱的产品。但由于可可奶中存在一些不溶性或油溶性成分,以分散态存在于体系中提供相应的口感、营养或功能,如可可粉、脂肪等[13]。由于这些物质的密度不同于体系中分散介质的密度,或者在体系中难以均匀分散,因此在重力或机械外力的作用下,产品在加工过程或货架期中常会发生脂肪上浮、分层、絮凝或沉淀现象。为了解决上述稳定性问题,常需要在产品中添加一些稳定剂。前期多有报道通过使用微晶纤维素和卡拉胶来改善可可奶的品质,该方案虽能有效解决沉淀和脂肪上浮问题,却也带来了新的稳定性问题——弱凝胶[14]。结冷胶和卡拉胶作为食品常用稳定剂被广泛用于饮料产品中提高稳定性,因此为了保证可可奶均匀、稳定且不出现新的品质问题,本文就结冷胶和卡拉胶添加量对可可奶的稳定性影响展开了研究,旨在为中性颗粒类乳饮料研发、稳定体系构建提供理论支持和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

结冷胶,美国斯比凯可商贸有限公司;卡拉胶,美国国际香精香料公司;脱脂奶粉,新西兰恒天然集团;白砂糖,市售;可可粉,嘉吉投资中国有限公司。

1.2 仪器与设备

分析天平,上海梅特勒-托利多仪器有限公司;MBL25高速剪切机,上楚业生物科技(上海)有限公司;SH-160生化培养箱、TD5G离心机,金坛市盛蓝仪器制造有限公司;APV-1000型均质机,丹麦APV公司;小型UHT杀菌机,Armfield设备有限公司;Mastersizer3000激光粒度分析仪,英国马尔文仪器有限公司;黏度计,爱拓中国分公司;Lumisizer-651,罗姆(江苏)仪器有限公司;Turbiscan稳定性分析仪,法国Formulaction公司;流变仪,安东帕(上海)商贸有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

工艺流程如下:

脱脂粉10%(质量分数)→50 ℃溶解→加入可可粉1%(质量分数)→分散10 min→水化20 min→均质(20/5 Bar)→搅拌时加入溶解后冷却好的糖浆10%(质量分数)→搅拌时加入溶解后冷却好的结冷胶和卡拉胶混合液0.05%(质量分数)→定容→均质(20/5 Bar)→UHT杀菌(137 ℃/15 s)→冷却后室温贮藏

1.3.2 操作要点

a)还原奶制备:脱脂粉溶解温度要控制在(55±5) ℃,溶解时要伴随搅拌,但搅拌速度不可大于3 500 r/min,避免产生过多泡沫。加入可可粉彻底分散后保证彻底水化,室温静置至少20 min。

b)稳定剂胶体溶液的制备:剪切过程中将结冷胶缓慢加入到300 g 85 ℃的纯水中,匀速剪切10 min,缓慢加入卡拉胶,继续剪切10～15 min,保证胶体充分溶解,制成胶体溶液(1 L成品溶胶水量约300 g)。

1.3.3 可可奶实验方法

采用1.3.1节所示的工艺制备可可奶,选择适合中性乳饮料的高酰基结冷胶和iota-卡拉胶,添加量分别为0、0.01%、0.015%、0.02%、0.025%、0.03%、0.035%(质量分数,下同),室温贮藏1 d后进行感官、离心沉淀率、粒径、黏度、Zeta电位、黏弹性、Lumisizer、Turbiscan测定。

1.4 实验指标测定

1.4.1 可可奶感官评定

选定20人作为感官鉴定小组,对不同添加量结冷胶和卡拉胶的可可奶样品进行外观、口感、脂肪上浮及沉淀情况进行品评和综合评分,感官评分标准见表1。

表1 可可奶感官评分标准Table 1 Standards for sensory evaluation of cocoa milk

1.4.2 可可奶离心沉淀率测定

在离心管(50 mL,质量m1)中加入定量样品(质量m),4 000 r/min下离心10 min,将上清液弃去得m2,计算离心沉淀率如公式(1)所示:

(1)

1.4.3 可可奶粒径测定

用马尔文Mastersizer3000激光粒度分析仪,分别检测添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶的粒径[15]。测试条件为:25 ℃,1 800 r/min。

1.4.4 可可奶黏度测定

分别检测添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶的黏度,设置黏度计为25 ℃,60 r/min。

1.4.5 可可奶Zeta电位测定

基于经典动态光散射理论,用激光粒度仪Zeta potential模式测定添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶样品的电位,平衡时间为120 s,每个样品测定3次取平均值。

1.4.6 可可奶弹性模量测定

对添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶样品,用流变仪进行频率扫描[16]。测试条件为:同心圆筒,间距100 μm,上样后平衡5 min,应变2%,温度25 ℃,频率扫描范围0.1～10 Hz。

1.4.7 可可奶Lumisizer稳定性测定

用Lumisizer稳定性分析仪检测添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶样品的稳定性,测试条件:在25 ℃,4 000 r/min下5 s/条测试500条谱线[17-18]。

1.4.8 可可奶Turbiscan稳定性测定

用Turbiscan Lab稳定分析仪对添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶样品进行稳定性分析,仪器参数设置:温度为(25±0.5) ℃;连续性扫描程序:每1 h扫描1次,连续扫描24 h[19-20]。

1.5 统计分析

数据以均值±标准差表示,采用SPSS 21.0对均值进行单因素ANOVA分析和最小显著差数法(least significant difference,LSD)多重比较,P<0.05差异有统计学意义。采用Origin 8.5进行统计图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 可可奶感官评定

卡拉胶存在凝胶脆性大、弹性小、易脱液收缩等问题,因此常常与其他食品胶复配使用。高酰基结冷胶主链上较多的酰基限制了每个双螺旋束在很小的面积内结晶化,因此形成的橡胶状结构较多,由于橡胶结构具有高弹性,因此产生的凝胶比较柔软、富有弹性而且黏着力强,所以很适合用于中性乳饮料体系稳定颗粒物和水不溶物。但由于高温、碱性环境均会使高酰基结冷胶的酰基脱除、性能改变,因此在食品加工过程中单独使用高酰基结冷胶作为稳定剂风险较大。由于单一的稳定剂很难满足生产需要,因此本文在后续探讨中对于结冷胶和卡拉胶添加量为0的方案不再做讨论。通过探索实验发现:当结冷胶在可可奶中的添加量达到0.035%时,即便卡拉胶使用最低用量,产品中依然有明显的凝胶块,因此,为了高效科学的筛选最优的稳定方案,结冷胶的添加量最大到0.03%。添加不同质量分数结冷胶和卡拉胶的可可奶样品,放置1 d后,由感官鉴定小组进行外观、口感、脂肪上浮及沉淀情况评定,详细评价情况见表2。由表2可知,16#、17#、22#、23#、27#、28# 6个方案的可可奶评分高于90分,整体均匀、黏稠度适中、没有肉眼可见的脂肪上浮和沉淀,因此对其进行进一步的指标测定,加速评估货架期的稳定性情况。

2.2 可可奶离心沉淀率测定

分别测定可可奶的离心沉淀率,由图1可知:当结冷胶用量从0.02%增加到0.025%时,可可奶离心沉淀率大幅度下降,说明结冷胶对整个悬浮体系贡献主要力量;当结冷胶浓度达到0.03%,同时卡拉胶用量也不小于0.03%时,可可奶体系出现明显的凝胶块,说明在可可奶产品中,结冷胶的适用添加量为0.02%～0.025%;当结冷胶添加量较低时,随着卡拉胶用量的增加,可可奶离心沉淀率呈现下降趋势,而当结冷胶用量足够形成稳定网络时,随着卡拉胶用量的增加,可可奶的离心沉淀率反而增加。结合卡拉胶性能可知,有如下原因:当结冷胶没有形成足够网络时,卡拉胶上电负性极强的硫酸酯基和乳蛋白上正电区域结合,形成类似网络协同结冷胶共同稳定可可奶;而当结冷胶自身形成网络足够稳定可可奶时,卡拉胶随着用量增加和蛋白质作用力也增强,较强的作用力在离心力作用下反而拉着乳蛋白一起沉淀,因此沉淀反而增加。综上可知,当结冷胶和卡拉胶添加量均为0.025%时,可可奶离心沉淀率最少、稳定性最好。

2.3 可可奶粒径测定

产品的粒径分布是影响颗粒物沉降的主要因素,正常情况下,颗粒物沉降速度与其粒子尺寸成正比,粒径越小、分布越均匀,其沉降速度就越慢,产品稳定性就相对越好[21]。由图2粒径分布图和表3粒径数据可知,6个方案可可奶粒径分布均非标准正态分布,主要由于以下原因:可可粉本身不可溶,且颗粒尺寸不均匀单一,本身较宽的粒径直接影响可可奶的粒径分布;结冷胶和卡拉胶属于大分子多糖,加入到可可奶中,除了自身形成双螺旋结构之外,还会跟体系中的蛋白、可可纤维等作用、缠绕,形成尺寸不一的聚集体,因此可可奶粒径很难做到尺寸均一的正态分布。由结合粒径图和数据可以看出:当结冷胶用量一致,增加卡拉胶的用量可可奶粒径大幅度增加,主要由于卡拉胶除了与自身双螺旋之外,还会与乳蛋白上的正电区域结合形成复合体,从而增加可可奶的粒径;卡拉胶用量相同时,增加结冷胶用量,粒径也会有略微的增加,但由于结冷胶成胶性强、可浮动范围有限,在没形成明显凝胶块的情况下,结冷胶对可可奶粒径没有明显的影响;22#方案粒径相对拖尾少,整体粒径小,稳定性相对优于其他方案。

表3 可可奶粒径检测数据 单位:μm

2.4 可可奶黏度测定

分别测定可可奶的黏度,结果如图3所示。随着结冷胶和卡拉胶用量的增加,体系黏度呈增加趋势;结冷胶对产品黏度的影响较卡拉胶大,主要由于结冷胶分子质量远远大于卡拉胶分子质量,而多糖的黏度跟分子质量正相关。由于该稳定体系属于网络结构稳定性体系,并非黏度体系,因此离心沉淀率、产品稳定性跟黏度没有正相关性。所以,检测黏度主要是评估黏度对产品口感的影响。

2.5 可可奶Zeta电位测定

Zeta电位是指带电微粒表面剪切层的电位,由微粒表面电荷和周围溶液环境条件共同决定,广泛用于描述溶液微粒之间的静电相互作用,是表征胶体分散系稳定性的重要指标。Zeta电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力强度的度量,分散粒子越小、Zeta电位绝对值越大,体系越稳定。如表4所示,22#方案可可奶的Zeta电位绝对值最大;27#方案由于凝胶,Zeta电位显著下降。在稳定剂种类、体系主要原辅料均相同的情况下,22#方案粒径最小,Zeta电位绝对值最大,说明22#方案可可奶的稳定性最佳。

2.6 可可奶弹性模量测定

可可奶饮料属于流体,因此可以用流变学的黏弹性指标表征体系的稳定性。黏弹性不仅仅反映产品体系的整体稳定性,同时还能表征大分子多糖和产品中蛋白、纤维等成分的相互作用。弹性模量又称为损耗模量(G′),它表示产品内部化学键数目和键能大小,即可侧面反映产品稳定体系的网络结构密度和强度。图4是各方案可可奶的频率扫描图。由图4可知,随着结冷胶和卡拉胶添加量的增加,稳定体系网络结构的密度和强度均增加,可可奶的弹性模量呈现明显的上升趋势。但对于饮料产品,弹性模量也并非越大越好,结合其他指标可知当弹性模量过大,产品容易出现凝胶块,不仅失去了保证体系均匀稳定的效果,反而影响产品品质。22#方案具有合适的弹性模量,因此对可可奶体系稳定有比较好的帮助;同时弹性模量又远远低于已经出现凝胶块的28#方案,说明在货架期产品出现凝胶块的风险较低,属于较优方案。

图4 可可奶频率扫描图Fig.4 Scanning pictures of frequency for cocoa milk

2.7 可可奶Lumisizer稳定性测定

Lumisizer稳定性分析仪,是通过离心力的作用使饮料中的各组分在重力或离心力的作用下发生上浮或者沉淀,再利用光源照射,得到实时监测的透光率图谱,从而加速评估样品在货架期的沉降情况而推导出体系是否稳定[22]。图5是可可奶的Lumisizer测试结果。从Lumisizer稳定性分析仪检测图谱可以看出,随着时间延长,所有方案的顶部透光率均增加,说明可可奶在离心力作用下固形物有下沉趋势,顶部有轻微析水。相比而言,22#和27#顶部透光率变化较小,析水程度较轻,说明22#和27#方案稳定性较好。但27#方案图谱中中下部有明显锯齿状,说明27#方案体系中有大分子聚集的情况,倾倒样品,发现27#由于卡拉胶比例较高,与蛋白作用力较强,出现了凝胶块,因此排除;另外各方案底部透光率均没有明显的变化,说明各方案悬浮效果较好,没有明显的沉淀。从不稳定系数柱状图和体系稳定性变化斜率曲线分析,22#方案稳定性较好,因此可知添加0.025%结冷胶和0.025%卡拉胶对可可奶体系稳定有较好的效果。

2.8 可可奶Turbiscan稳定性测定

Turbiscan是基于多重光散射技术的稳定性分析仪,其根据反射物理模型和透射物理模型、背散射光的变化率反映体系的均一程度、颗粒大小和浓度,据此判断体系的稳定性,同一样品不同曲线之间光强值变化越大表示体系越不稳定[23-24]。Turbiscan图谱左边代表样品底部,右边代表样品顶部;左边曲线向上移动则说明背散射光增强样品有沉淀,向下移动则代表水析;右边顶部曲线向上则代表脂肪上浮;向下移动则代表水析;曲线中间波动较大则说明体系有团聚、凝胶现象。由图6可知;16#、17#、23#、28#方案背散射光随着时间延长整体下降,说明体系固形物整体下沉趋势明显;右侧部分的背散射光强度随着时间降低,说明顶部出现澄清;左侧部分的背散射光强度随着时间延长,说明底部出现沉淀。27#方案也是顶部出现上浮,并在下方有澄清及颗粒聚集现象,底部出现沉淀,中间部分背散射光强度变化较大,说明体系有明显的颗粒聚集、凝胶现象;只有22#方案背散射光强度变化较小,稳定性较好。

a-16#;b-17#c-22#;d-23#;e-27#;f-28#图6 可可奶稳定性扫描图Fig.6 Stability scanning diagram of cocoa milk

3 结论

本文就结冷胶和卡拉胶在可可奶中的应用展开研究,通过考察不同添加量、配比的结冷胶和卡拉胶对可可奶外观、口感、离心沉淀率、黏度、Zeta电位、弹性模量、Lumisize分析、Turbiscan检测等的影响可知,当结冷胶和卡拉胶添加量均为0.025%时,可可奶稳定性良好且在货架期出现脂肪上浮、沉淀、凝胶块的风险较低,是制备可可奶的较优稳定方案。通过该研究,将结冷胶复配卡拉胶的稳定方案推广应用到具有悬浮需求、在加工、贮存过程中容易发生沉淀、絮凝、分层等体系稳定性问题的饮料产品中,用于提升饮料产品的整体稳定性和产品品质,有非常重要的价值,且具有广阔的市场前景。