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黄原胶溶液的耐热性和酸性乳饮料产品稳定性的关系

发布日期:2015-07-06 21:11:37

黄原胶溶液的耐热性和酸性乳饮料产品稳定性的关系

黄原胶溶液经一定的热处理后,其溶液粘度下降的幅度决定了黄原胶溶液的耐热 性大小,而该溶液粘度是否发生下降和该热处理条件能否使黄原胶的分子构象从螺旋 结构转变成无规线团有关,如果经热处理后黄原胶的分子构象从螺旋结构转变成无规 线团,则其溶液的粘度下降。因而,黄原胶溶液的耐热性大小也决定了黄原胶在其溶 液经热处理后具有的分子构象,而黄原胶在溶液中具有的分子构象对其和酪蛋白的相 互作用有一定的影响,从而影响酸性乳饮料产品的稳定性。

黄原胶在溶液中具有的分子构象和黄原胶溶液的热处理温度是否高于其溶液的构 象转变温度(热转变温度,Tm)有关。黄原胶溶液!\„的大小和溶液中电解质的种类和 浓度有关n_3]。在给定的离子强度下,黄原胶至少需要15°C的温度使溶液的构象从螺旋 结构变成无规线团,增加溶液中盐离子的强度会增加黄原胶溶液的Tm[8(>]。高丙酮酸含 量的黄原胶水溶液的一般为42°C,而増加盐离子后溶液的Tm为65*^[82]。溶液中离子 强度每增加10倍,大约增加44°Clg。
无机盐对黄原胶溶液I™的影响因离子种类而异。通常,二价盐离子比一价盐离子 更容易引起黄原胶溶液Tm的升高,对黄原胶溶液的Tra*响的顺序从大到小为:Ca2+= Mg2+=Ba2+»K+>NH4+>Na+。无机盐引起黄原胶热转变温度升高的机理:通过从聚 合物-水表面吸附和排除离子,从而影响界面能。通常,非吸附(盐析)的离子趋向于 稳定有序的结构,而吸附(盐溶)的离子趋向于稳定无序的结构[1火
黄原胶在水溶液中的!^和黄原胶样品中残留离子的种类和浓度有关[87]。本实验中 不同来源黄原胶中钙离子含量有比较大的差异,CN和JV的比较高,约为FR的30倍,且 它们在溶液中使分子链发生缔合,因此,不同来源黄原胶溶液的T„■会有所不同。因为 在杀菌后钙离子的添加方式分为千法和湿法,干法添加使钙离子和产品混合不均匀, 从而钙离子和分子链缔合不紧密\而湿法添加使钙离子和产品混合比较均匀,从而使 钙离子和分子链缔合得比较紧密。
本实验首先利用流变仪的变温稳态剪切程序,考察黄原胶溶液的粘度随温度升高 的变化情况。并且为了考察黄原胶样品中的钙离子对黄原胶溶液Tm的影响及其添加方 式,在配制黄原胶水溶液时添加螯合钙离子能力最强的六偏磷酸钠(以下简称Na- HMP),同时选择具有代表性的四个黄原胶样品进行实验,它们分别为CN-03(代表CN 来源)、JV、FR-03(代表FR-01-04)和FR-05。
可以看出,在不添加任何螯合剂的情况下,CN-03直到测试的最高温度 (90°C)时仍未发生构象转变现象,而JV在68°C左右发生构象转变,FR-03在25DC左右就 发生构象转变,FR-05在实验温度范围内未发现明显的构象转变现象。
这四种不同来源黄原胶溶液的Tre的差异和它们具有的钙离子含量以及钙离子使分 子链缔合的紧密程度等因素有关。CN-03样品中含有比较高的钙离子,且其可能通过杀 菌后湿法添加使分子链缔合得非常紧密,所以需要很高的温度才能打开(一般需要 100°C以上):JV虽然與离子含量都比较高,但是其可能通过干法添加使分子链缔合的 不够紧密,所以它发生构象转变的温度比CN-03低;而FR-03因为钙离子含量比较少, 分子链不能得到有效缔合,因此其分子构象在较低的温度下(25°C左右)就发生转 变;FR-05同样因为钙离子含量比较低,分子链不能得到有效缔合,且可能其丙酮酸含 量又比较低,钙离子不能通过丙酮酸使分子链有效缔合,因此其可能在测试温度以下 已经呈无规线团状态,也所以在整个测试过程中未发现其构象发生转变。 
在添加0.15%Na-HMP时,CN-03、JV和FR-03都在41°C左右发生构象转变,而FR- 05在测试的温度范围内仍然未发现构象转变现象。该结果可能是CN-03、JV含有的钙 离子在加热过程中被Na-HMP螯合后溶液的性质和FR-03趋向于一致,所以它们具有比 较近似的Tm; FR-03在添加Na-HMP后,构象转变温度从25°C左右增大到41°C左右,可 能是因为Na-HMP的加入导致了溶液的离子强度增大的原因;FR-05仍然可能是在测试 温度前己经发生了构象转变的原因^
由此可见,不同来源黄原胶溶液的构象转变温度存在差异,这决定了其溶液的耐 热性也存在一定的差异。
本实验进一步通过一定的热处理条件,根据不同来源黄原胶溶液的低剪切粘度发 生的变化来考察其耐热性。实验仍然通过在制备黄原胶溶液过程中添加不同浓度的Na- HMP, 考察钙离子对不同来源黄原胶溶液耐热性的影响及其添加方式。
可以看出,经过加热处理后的不同来源黄原胶溶液的低剪切粘度和未经 热处理溶液的低剪切粘度相比发生了不同的变化。CN的低剪切粘度基本和未加热的一 样;JV略有下降,而FR的降低幅度较明显。这和上述不同来源黄原胶溶液的Tm的结果 相一致的,也就是CN溶液的Tm高,而80°C, lOmin (加热后立即自来水流水冷却)的 加热强度不够使其发生构象转变,因而低剪切粘度保持不变;JV因为Tro大约为68°C左 右,其在加热处理后只有部分螺旋结构转变为无规线团,所以低剪切粘度略微降低; FR的很低,在该加热处理后低剪切粘度发生了明显的下降,特别是FR-05,其流变 曲线已经发生了抖动。
在不经热处理的情况下,添加/不添加Na-HMP的黄原胶溶液的流变曲线基本重 合。这说明,CN和JV中的钙离子和黄原胶分子链缔合得紧密程度在冷水溶解条件下不 易释放出来。
在经过热处理(加热到80°C,保持lOmin,再自来水流水冷却至室温)的情况下, 添加0.15%Na-HMP的黄原胶溶液的低剪切粘度除JV发生了显著的下降,其它都和受同 样热处理而未加Na-HMP的一样。这些现象也说明JV中的钙离子使分子链结合的不够紧 密,在热处理过程中分子链容易打开,从而使钙离子容易释放出来被Na-HMP进行螯 合,.因而导致溶液低剪切粘度发生下降;对CN来说,添加0.15%Na-HMP,经相同热处 理其低剪切粘度基本保持不变,但是在上述实验中CN-03添加相同量的Na-HMP,溶液 的分子构象从41°C左右开始就发生构象转变,这可能是因为前者受到的是静态热处 理,该热处理时黄原胶分子链不发生移动,所以钙离子不容易释放出来,而后者受到 的是动态热处理,即在加热过程中分子链因受到剪切而发生相对较大的移动,从而有 利于钙离子释放出来被Na-HMP进行螯合;对FR来源来说,因为其钙离子含量低,在 相同的热处理条件下其溶液中添加/不添加Na-HMP得到的流变曲线也应该一致。
当在溶液中添加0.3%Na-HMP并进行更大强度的热处理(加热到80°C,保持 lOmin,自然冷却至室温)时,所有来源黄原胶溶液的低剪切粘度都显著下降。由此可 见,CN中钙离子和分子链缔合得非常紧密,在非常大的加热强度下才能将其打开;在 该条件下其它黄原胶溶液的低剪切粘度则下降更多,特别是JV的流变曲线已经变得不 规则,这表明JV在去除钙离子后不耐热的特点。
由此可以看出,不同来源黄原胶水溶液的耐热性存在差异,CN比较耐热、JV次 之、FR-01-04不耐热、FR-05耐热性最差,该差异可能和黄原胶样品中钙离子含量以及 钙离子使分子链缔合的紧密程度等因素相关》.
酸性乳饮料生产过程中涉及到的加热处理包括75°C, 30min左右的溶胶,65°C, 0.25Mpa的均质和121°C, 4s的UHT杀菌。黄原胶在酸性乳饮料产品中应用时,虽然 牛奶中含有的电解质会影响其构象转变温度,但是在该热处理条件下,CN可能还没有 发生构象转变而处于有序的螺旋结构,而JV和FR则可能发生了构象转变从螺旋结构 转变成无规线团。如果它们处于这样不同的构象,再结合它们的电荷密度,这也许是 导致酸性乳饮料产品具有不同稳定性的原因,下面用该假设的结论说明不同酸性乳饮 料产品的稳定性。
对CMC单独稳定的酸性乳饮料,CMC吸附在酪蛋白的表面,形成了比较薄的表 面膜,从而对酪蛋白起到了稳定的作用,所以它的粒径分布和全脂奶的粒径分布基本 一致,虽然产品的粘度比较小,产品的稳定性仍然比较好。
在CMC基础上添加CN的产品主要通过CMC稳定,CN经过酸性乳饮料生产过程 中的加热处理仍然处于螺旋结构状态,虽然其丙酮酸含量比较大,其值直的构象不容 易与酪蛋白发生络合作用而容易通过排阻絮凝作用使酪蛋白发生絮凝和聚集,从而容 易沉淀,也许正因为如此,该类产品在大粒径方向上具有粒径分布,同时因为产品的 粘度也比较低,所以产品不稳定。
在CMC基础上添加JV和FR的酸性乳饮料产品主要通过CMC稳定,同时这些黄 原胶品种因为不耐热,经过酸性乳饮料生产加工后在产品中呈无规线团,分子链比较 柔软,当其丙酮酸含量比较高时可以和酪蛋白发生相互静电作用,从而和CMC—起保 护酪蛋白,当其丙酮酸含量比较低时,不易与酪蛋白发生相互静电作用,它在产品中 通过增加粘度来提高产品的稳定性,因而产品比较稳定,这类产品的粒径分布可能因 为这些黄原胶在产品中具有不同的链长将酪蛋白带到不同的粒径方向上。
对CN和FR-01-04来说,在酸性乳饮料产品中它们具有的不同分子构象导致它们 和酪蛋白的相互作用不同。CN因为处于螺旋结构构象对酪蛋白产生排阻絮凝而使酷蛋 白聚沉,而FR-01-04因为处于无规线团和酪蛋白发生络合作用从而保护酪蛋白^ CN 因为对酪蛋白的排阻絮凝使产品在大粒径方向具有分布,而FR-01-04因为其在溶液中 较长的分子链将酪蛋白带到大粒径方向。所以,CN和FR-0MJ4和酪蛋白不同的相互 作用导致它们虽然粘度和粒径分别比较接近,但是产品稳定性却相差很大。
综上所述,黄原胶在酸性乳饮料产品中处于不同的构象对产品的稳定性具有一定 的影响,而黄原胶在产品中具有的构象又和其耐热性大小相关,这实际上受黄原胶自 身丙酮酸含量、钙离子含量以及分子量高低等因素的影响。
可以看出,经过热处理,黄原胶溶液的低剪切粘度随溶液中钙离子含量的增 大而增大,但是其增大到一定值以后会随着钙离子含量的增大而减小。因为CN样品中 己经含有比较高的钙离子,再增加钙离子导致其发生盐析,对酸性乳饮料产品来说, 这会导致产品更不稳定;JV中钙离子含量虽比较高,但可能因其通过干法添加,钙离 子和分子链结合不紧密,加热时容易被打开,冷却时钙离子可以使分子链有效缔合, 从而使溶液粘度增加,对酸性乳饮料产品来说,这使产品更加稳定;FR钙离子含量比
较少,经热处理后冷却时使分子链缔合更紧密,从而使溶液粘度增加,对酸性乳饮料 产品来说,这也使产品更加稳定。
对比本章实验得到的0.3%浓度的不同来源黄原胶水溶液的低剪切粘度与第二章在 CMC基础上添加不同来源黄原胶的酸性乳饮料产品的粘度可以发现,在黄原胶水溶液 中CN-01-03, JV和FR-04的低剪切粘度比较高,其余都比较低,其中FR-05最低, 而在酸性乳饮料产品中CN在水溶液中低剪切粘度髙的优势不复存在了,它具有较低 的粘度,JV和FR在产品中却具有比较高的粘度,特别是FR-05,其在酸性乳饮料产品 中具有最高的粘度。该现象和上述经过热处理后不同来源黄原胶对溶液中钙离子的耐 受性情况相一致。因此,黄原胶对钙离子的耐受性和酸性乳饮料产品的稳定性具有一 定的联系,但是该结论有待于进一步研究。
不同来源黄原胶样品的基本理化指标以及其溶液的功能性质与酸性 乳饮料产品稳定性之间的关系,结果表明:
1.不同来源黄原胶样品中的杂质(残留的菌体细胞、无机盐、微生物、有机溶剂、 Ca2+、Mg2+、K+、Na+等),黄原胶分子量和特殊基团(丙酮酸和乙酰基),黄原 胶水溶液的pH值、电导率、低剪切粘度、剪切性能以及耐酸性,黄原胶1.0%KC1 溶液的低剪切粘度以及水-1.0%KC1溶液平衡浓度和酸性乳饮料的稳定性都没有一
定的对应关系。
2.不同来源黄原胶溶液的耐热性差异(它们的构象转变温度分别为:CN大于90°C, JV大约为68°C, FR-01~04大约25°C, FR-05小于20°C)可能导致它们在产品中 处于的构象不一样,从而导致和酪蛋白的相互作用不一样,因而可能是导致酸性乳 饮料产品具有不同稳定性的原因,但是黄原胶在产品中是否处于上述构象以及是否 和酪蛋白发生上述作用有待于进一步验证。
3. 不同来源黄原胶对钙离子的耐受性差异(CN耐受性差,JV和FR耐受性好)也可 能是导致其在酸性乳饮料产品中应用导致产品具有不同的稳定性原因,但是导致不 同来源黄原胶对钙离子具有不同耐受性的原因有待于进一步的研究。
 
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