黄原胶对酸乳流变学特性的影响

黄原胶对酸乳流变学特性的影响

酸乳液作为一种健康的绿色植物，在中国非常受欢迎。其总产量由2001年的30.9万t,到2005年的161.9万t,5年增长了5.2倍,年均增长40%以上。目前,保障和提高酸乳质量成为许多研究的热点。人们通过研究酸乳发酵剂的特点及其使用方式来寻找改善酸乳质量的途径,并对酸乳的状态特性及其影响因素进行了研究。结果发现脂肪替代物对酸奶微观结构会产生显著的影响。乳酸菌发酵自身形成的胞外多糖会因其分子的空间位垒,动态地影响酪蛋白立体网状结构的构建。将菊粉加入脱脂乳中制备的酸乳,其凝胶结构和强度都有所改善。有关增稠剂对酸乳流变和结构特性的影响研究很少。目前,绝大部分生产厂商为适应市场需求,使产品粘稠、细腻,经常在配料中加入增稠剂,但其对增稠剂的选择及其加入量往往是随机和经验性的。本文拟从黄原胶入手,在原料乳中添加不同含量的增稠剂,再发酵制成酸乳,研究不同添加量的黄原胶对酸乳流变性和微观结构的影响,揭示其作用机理。1材料和方法1.1黄原胶的测定原料乳中加入不同含量(0.05%、0.1%、0.2%、0.3%)的黄原胶并作对照。65℃下均质,95℃下杀菌5min,冷却至43℃,接种(3%),分装,42℃发酵至80°T取出,4℃冰箱中后熟24h后检测。1.2主要设备流变仪(美国BROOKFIELDDV-Ⅲ+)、电热恒温培养箱、高剪切混合乳化机、扫描电镜(日立S-570)等。1.3测试方法1.3.1转速随时间变化的特性恒温(20℃)、恒速(16rmin)条件下,检测样品的剪切应力和表观黏度随时间的变化情况,测定时间5min。在20℃下进行触变特性检测,转子转速变化范围0~240r/min,先升速后降速。取时间间隔8s,测定样品一次一换,每组数据平行测定3次,取平均值。1.3.2扫描电镜观察选黄原胶含量0.2%的酸乳和对照样品,用戊二醛溶液固定4h以上,再转入锇酸溶液固定4h以上,用磷酸缓冲液洗涤,乙醇梯度脱水,CO2临界点干燥,喷金,扫描电镜观察。2结果与分析2.1酸乳样品剪切试验当原料乳中黄原胶添加量0.05%时,形成的酸乳有大量乳清析出,而其它样品乳清析出较少。考虑结果的可比性,检测时去除黄原胶加量0.05%的样品(有关机理另文表述)。恒温、恒速条件下,4种酸乳样品的剪切应力和表观黏度检测结果见图1。图1结果显示,4种酸乳样品在恒温、恒速剪切作用下,表观黏度和剪切应力都逐渐减小,变化规律遵循对数曲线方程。在剪切速率(16r/min)、剪切时间(20s)相同的条件下,未加黄原胶的样品黏度最大,即2500.8mPa·s(见表1);加入黄原胶量0.1%、0.2%和0.3%的3个样品,随其加入量的增多,样品表观黏度和剪切应力逐渐降低。其中黄原胶加量0.1%和0.2%的2个样品受到剪切时表观黏度、剪切应力值呈波浪式起伏(图1B、图1C),初步认为这是其结构不均所致。2.2黄原胶对酸乳表观黏度的影响添加不同量黄原胶发酵而成的酸乳,在同一温度、不同剪切速率作用下的剪切应力见图2,表观黏度检测结果见图3。图2显示,4种酸乳样品在20℃、剪切速率0~240r/min作用下,剪切应力都形成了不规则的环状——触变环,说明它们均是触变性体系。分析图1和图2,4个酸乳样品无论是在恒速还是变速剪切作用下,都会变稀(剪切应力下降),因此判断它们都属于正触变性流体。这与作者前期对未添加增稠剂形成的酸乳的流变学特性的检测结果相同。加入增稠剂后触变环的形状发生了明显变异。触变环的面积能够反映触变性的大小。面积大,表示该体系经外力作用后黏度变化大,外力撤出后,恢复至未经作用的状态所需时间长。求得4个样品的触变环面积分别为1473.68、1585.89、950.10、1138.22,其面积之比为1∶1.08∶0.64∶0.77。这样仅从触变环本身的面积变化数值来看,加入0.1%黄原胶的样品B在被搅拌后黏度变化最大,而加入0.2%黄原胶的样品C在被搅拌后黏度变化最小。仅从样品黏度值本身看,加入0.2%黄原胶的样品黏度很小,搅拌时黏度变化的幅度也小;对照样品虽黏度很大,但搅拌后其变化幅度不如加入0.1%黄原胶的样品大,因此认为原料中加入0.1%黄原胶后酸乳样品结构变化的幅度非常大。图3显示,4种酸乳的黏度开始时都达到最大值,之后随着剪切速率的增加而逐渐降低。未添加黄原胶的对照样品的平均黏度最大,当加入黄原胶时,酸乳的表观黏度降低。在黄原胶添加量0.1%~0.3%范围内,黄原胶量越大,表观黏度越低。该结果与一般设想是相悖的。为解释这种现象,对典型样品的结构进行了电镜观察。2.3黄原胶添加量的影响未加黄原胶和添加0.2%黄原胶的酸乳样品的电镜观察结果分别见图4和图5。酸乳的制作过程是在乳酸菌形成的酸性物质(主要是乳酸)作用下,原料乳中的酪蛋白缓慢地变性,酪蛋白分子间相互凝聚构成立体网状结构的过程。没有外源多糖加入时,形成的这种结构相对均匀、坚实(见图4)。前期的研究发现,在酸乳凝胶形成过程中,由乳酸菌代谢产生的内源性胞外多糖被缓慢且均匀地分泌出来,多糖分子与酪蛋白分子之间会产生空间位垒效应,从而使酪蛋白形成的立体网状结构更加细密、均匀,酸乳制品状态得到改善,但本试验中加入外源性多糖,其作用效果与之相反。黄原胶分子是由“五糖重复单元”构成的大分子多糖,每个单元由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸相互链接构成。它是水溶性生物高分子聚合物,其平均分子质量在2×106~5×107u之间。黄原胶微观结构中侧链与主链间通过氢键结合形成双螺旋结构,并以多重螺旋聚合体状态存在,侧链葡萄糖醛酸基带负电荷。因此,可以判断原料乳中的酪蛋白开始时与额外添加的黄原胶相互排斥(都带有负电荷)。水溶性的黄原胶大分子在乳清中扩散,相互间链接甚至缔合成网络。原料乳中添加0.05%黄原胶,发酵而成的酸乳中有大量乳清析出,因此推测,该添加量下带负电荷的黄原胶大分子间形成的网络空隙较大,将较大量的酪蛋白限制在相对孤立的较大单位空间中。当乳酸菌发酵产生乳酸导致介质酸度增加时,这些空间的酪蛋白就会相互缔合、凝聚,形成较大的颗粒。若这些颗粒大到无法悬浮的程度就会下沉,导致乳清析出。当加入黄原胶的浓度增加时,黄原胶分子本身水合作用增强,外来胶在原料乳中溶解形成的交联结构的网眼变小。当介质酸度增加时,酪蛋白凝聚形成的颗粒也会相应地减小。颗粒沉降的速度降低,下降到一定程度时难以沉淀,此时酸乳乳清析出不明显,而酪蛋白则会凝聚成链接性不佳的串珠状或者碎片状,从而导致酸乳的表观黏度和剪切应力下降,见图1和图2。由于变性后的酪蛋白周围介质的pH可达到4.2,低于其等电点4.6,酪蛋白在此环境中带正电荷,黄原胶分子与变性的酪蛋白凝聚体的电离常数不同,其表面携带的电荷不会同步变化,因此二者靠近时就会相互吸引并纠缠在一起,见图5。综上所述,在酸乳凝胶体系形成过程中,黄原胶分子通过静电作用和自身的空间位垒作用影响酪蛋白分子的凝聚,破坏其连续性,从而降低酪蛋白立体网状结构的牢固度。当黄原胶添加量较低时,黄原胶缔合形成的网眼较大,酪蛋白凝聚颗粒大而下沉,导致酸乳乳清析出严重。随着黄原胶浓度的升高,其吸收自由水分子的数量增加,黄原胶分子产生的空间位垒效应也不断增强,导致酪蛋白凝聚物细小,减少了乳清析出。与对照样品结构相比,额外加入的黄原胶大分子通过空间位垒效应使酸乳凝胶结构变得“支离破碎”,从而使酸乳的表观黏度和剪切应力减小。3黄原胶对酸乳凝胶型结构的影响(1)原料牛乳中添加0.1%~0.3%的黄原胶并经乳酸菌发酵而成的酸乳胶凝体是一种正触变性流体。这种凝胶的表观黏度和剪切应力与未加增稠剂(黄原胶)的对照样相比均减小。添加黄原胶并未增稠,反而导致产品黏度降低。(2)酸乳凝胶体系形成过程中,黄原胶分子通过静电作用和自身的空间位垒作用影响酪蛋白分子相互交联形成立体网状结构,降低酸乳凝胶结构的牢固度,使其变得“支离破碎”,表现为酸乳表观黏度和剪切应力下降。从黏度和剪切应力看,图2A、图2B、图2C、图2D显示的最大剪切应力分别为41.5、23.0、12.1、17.8Pa,说明对照样品A最“结实”,但是一旦被“破坏”,其应力快速下降,由41.5Pa下降到33.5Pa。降速剪切时,黏度恢复能力较差。加0.2%黄原胶的样品最为“稀软”,且其最大应力(21.6Pa)不是在开始受到外力剪切时产生,而是向后拖延至剪切速率为48r/min时产生。在黄原胶添加量分别为0.1%、0.2%、0.3%的3个样品中,剪切应力最大时,相应的剪切速率分别为50、185、148r/min,它们对应的剪切时间分别是9、24、96、72s。分析4个触变环的形状,它们有很大差异。对照样品(未加黄原胶)开始(20s)受到剪切时应力很大(图1A),即40.1Pa。说明该样品未受剪切时,具有相对“坚固”的结构。而添加黄原胶0.1%的样品,这种结构被破坏了;加0.2%黄原胶时这种结构变得更“脆弱”;黄原胶添加到0.3%时,样品的剪切应力与加入0.2%黄原胶的样品相比增加了,这可能是黄原胶本身的黏度所致。从触变环形状看,与添加0.2%黄原胶时的形状基本相似,因此认为加入黄原胶后破坏了酸乳凝胶的结构。图4显示,未加黄原胶的样品,酪蛋白微球相互凝聚