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    玻璃化轉(zhuǎn)變在食品貯藏中的應(yīng)用研究進展

    2013-08-15 00:49:26胡慶蘭闕婷婷任西營余海霞楊水兵胡亞芹
    中國釀造 2013年8期
    關(guān)鍵詞:玻璃化水分食品

    胡慶蘭,闕婷婷,任西營,余海霞,楊水兵,胡亞芹*

    (1.浙江大學(xué) 生物工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310000;2.浙江大學(xué) 舟山海洋研究中心,浙江 舟山 316000)

    玻璃化轉(zhuǎn)變是非晶態(tài)的高聚物從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)或從橡膠態(tài)到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變,玻璃化轉(zhuǎn)變前后,聚合物的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變對應(yīng)的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。在食品體系中,Tg即為最大凍結(jié)濃縮溶液發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時的溫度。對于低水分體系(即w≤20%),玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是Tg;當(dāng)水分含量w>20%時,冷卻速率因受到水分的影響而不會很高,因此形成的是不完全玻璃態(tài),用T’g表示[1]。

    20世紀(jì)80年代,SLADE L等[2]在前人的研究基礎(chǔ)之上,提出了著名的“食品聚合物科學(xué)”理論,揭示食品和聚合物分子之間有著最基本,最普遍相似的結(jié)構(gòu),明確了高分子結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。WHITE GW等[3]在1966年報道了含糖食品的玻璃態(tài)及玻璃化轉(zhuǎn)變研究。玻璃化轉(zhuǎn)變對食品品質(zhì)會產(chǎn)生重大影響,現(xiàn)已成為國內(nèi)外食品貯藏、加工中的研究領(lǐng)域的熱點。

    玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是預(yù)測食品貯藏穩(wěn)定性的臨界溫度。Tg結(jié)合水分含量與水分活度(AW)指標(biāo),可以預(yù)測食品的貨架壽命和保鮮期限,能夠有效的選擇食品貯藏加工的條件,使食品的獲得最長的保質(zhì)期。文章首先介紹了玻璃化轉(zhuǎn)變的基本理論,概括的論述了玻璃化轉(zhuǎn)變在果蔬類、淀粉類、水產(chǎn)品、乳制品、冷凍禽畜肉、糖果類及發(fā)酵等食品在貯藏中的應(yīng)用研究。

    1 玻璃態(tài)及玻璃化轉(zhuǎn)變

    食品聚合物科學(xué)認(rèn)為,可以根據(jù)非晶聚合物溫度區(qū)域不同,將聚合物分為3種力學(xué)狀態(tài),即玻璃態(tài)、橡膠態(tài)和黏流態(tài)。當(dāng)溫度較低時,聚合物分子熱運動能量很低,聚合物長鏈中的分子是以隨機的方式呈現(xiàn)為凍結(jié)的狀態(tài),具有外觀似固體、微觀結(jié)構(gòu)似液體的狀態(tài)。這種狀態(tài)被稱為玻璃態(tài)。但是當(dāng)溫度升高至一定溫度時,分子的鏈段運動受到激發(fā),聚合物變得粘且柔韌,這種狀態(tài)被稱為橡膠態(tài)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高,整個分子鏈段都可以運動,聚合物表現(xiàn)出粘性流動,這種狀態(tài)被稱為粘流態(tài)[4]。

    如果食品處于在玻璃態(tài)下,造成食品品質(zhì)變化的一切受擴散控制的反應(yīng)均變的十分緩慢,甚至不會發(fā)生。此時,食品的各方面性質(zhì)都很穩(wěn)定,對食品的貯藏和鮮度等品質(zhì)的維持非常有利。玻璃化轉(zhuǎn)變對食品的質(zhì)構(gòu)、紋理、微生物活動、酶活等化學(xué)物理變化具有重要的影響。玻璃化轉(zhuǎn)變結(jié)合水分含量、水分活度,可以用來預(yù)測食品的貯藏期,能有效的選擇食品貯藏加工的條件。

    2 玻璃化轉(zhuǎn)變在食品貯藏中的應(yīng)用研究

    2.1 玻璃化轉(zhuǎn)變在果蔬類保鮮中的應(yīng)用研究

    玻璃化轉(zhuǎn)變在果蔬類的研究主要涉及果蔬的保鮮。草莓、蘋果、獼猴桃、柚子、棗等水果及西蘭花、胡蘿卜等蔬菜的玻璃化轉(zhuǎn)變的研究均有報導(dǎo)。水分活度對其玻璃化轉(zhuǎn)變影響重大。玻璃化轉(zhuǎn)變?yōu)楣哳愂称返谋ur貯藏及其穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。

    MORAGA G等[5]研究發(fā)現(xiàn),玻璃化轉(zhuǎn)變能阻止蘋果機械組織結(jié)構(gòu)的改變,并且能有效抑制水果中的褐變反應(yīng)。FABRA MJ等[6]研究了葡萄柚的等吸附溫線和狀態(tài)圖,并對提高其穩(wěn)定性做了研究。在樣品水分含量為19%,冷凍至-31.2℃時,葡萄柚品質(zhì)和穩(wěn)定性最好。SYAMLADEVI RM等[7-8]研究發(fā)現(xiàn),隨著樹莓水分含量的逐漸升高,其最初玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低(從-17.5℃降低至-65.5℃)。由此可見,玻璃化轉(zhuǎn)變與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與食品體系的水分含量和水分活度密切相關(guān)。對于果蔬類水分含量大的果蔬食品,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低。

    因此提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度具有重要的意義。JAKUBCZYKE等[9]研究結(jié)果表明,麥芽糖糊精能夠顯著減少蘋果泥粉的吸濕性,提高其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。MAITY T等[10]報道用羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)、果膠、海藻酸鈉、黃原膠預(yù)處理胡蘿卜切片,不僅提高了胡蘿卜質(zhì)構(gòu)特性,而且提高其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度至-0.28℃,其中0.4%CMC-Na的效果最好。GALMARINI MV等[11]證實海藻糖和麥芽糖糊精的加入提高了草莓泥的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。DELVALLE JM等[12]發(fā)現(xiàn)用50%蔗糖溶液滲透處理蘋果片,蘋果片組織結(jié)構(gòu)的坍陷能夠在后續(xù)的加工和貯藏減少。這說明添加一些高分子糖類能夠與食品中的水分相互作用,影響食品物料的性質(zhì)及其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。因此選擇合適的儲藏條件和加入一些高分子物質(zhì),能有效的控制果蔬所在的環(huán)境,對增加果蔬的貨架期及儲運期有重要的實際意義和廣泛的應(yīng)用前景。

    2.2 玻璃化轉(zhuǎn)變在淀粉類食品中的應(yīng)用研究

    玻璃化轉(zhuǎn)變對淀粉類食品的質(zhì)構(gòu)和穩(wěn)定性(淀粉類老化、結(jié)晶和重結(jié)晶)密切相關(guān)。早在1985年ZELEZNAK KJ等[13]就研究谷物類食品的玻璃化轉(zhuǎn)變,使其品質(zhì)得到更好的保證。王振宇[14]報道玻璃化轉(zhuǎn)變對面包的老化、休閑食品的松脆性、微膠囊的包埋具有很大的影響作用。支鏈淀粉的結(jié)晶化是面包老化的主要原因,隨著結(jié)晶的形成,可溶性淀粉的減少,面包質(zhì)構(gòu)逐漸變硬。當(dāng)面包貯藏溫度低于Tg時,淀粉不再結(jié)晶,能有效防止面包的老化,這對保持面包的風(fēng)味及延長其貨架壽命具有重要意義[15-16]。近年來,有學(xué)者分析了淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及含水量的關(guān)系。詹世平等[17]探討不同含水量條件下淀粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg),認(rèn)為水是一種增塑劑,會降低淀粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。SABLANI SS[18]等得到了香米的最佳儲藏條件。淀粉結(jié)晶度、平均分子量、支鏈分子鏈等對淀粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均有影響。因此通過調(diào)控淀粉類食品的水分含量、水分活度和貯藏溫度從而影響食品的Tg,減少淀粉的結(jié)晶與重結(jié)晶度,對提高面包等淀粉類食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,保持其品質(zhì),對延長貨架期已經(jīng)成為玻璃化轉(zhuǎn)變在淀粉類食品儲藏具有重要的意義。此外,食品添加劑對淀粉類食品(如面團)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度具有顯著的影響。抗壞血酸、海藻糖及明膠的加入均能不同程度提高其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[19]。

    2.3 玻璃化轉(zhuǎn)變在水產(chǎn)品中的應(yīng)用研究

    水產(chǎn)品的成分復(fù)雜,包括蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等大分子物質(zhì)和諸多低分子化合物等,其對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響均較大。水分含量對水產(chǎn)品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響尤其大,一般水分含量每增加1%,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會下降5℃~10℃[20]。玻璃化轉(zhuǎn)變在水產(chǎn)品中的研究集中在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、冰點、凍結(jié)終點、最大凍結(jié)濃度條件和等溫吸附線的研究上,以繪制相圖,從相圖判定最佳貯藏加工條件,以達(dá)到脫水防腐需要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Aw和Tg值,是預(yù)測水產(chǎn)品貨架期的有效方法。

    高水分含量的水產(chǎn)品一般玻璃化溫度極低。RAHMAN MS等[21]通過冷凍干燥使金槍魚肌肉濕含量從6.0%~73.3%不斷變化,發(fā)現(xiàn)其最大冷凍凍結(jié)濃度為61%時,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-54.2℃。而從金槍魚表皮中提取的膠體也比商業(yè)用的牛肉膠和豬肉膠有更低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[22]。

    添加劑對魚肉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫有一定的影響。AKTAS N等[23]對不同糖類物質(zhì)加入虹鱒魚魚肉對其玻璃化轉(zhuǎn)變和化學(xué)變化進行了研究。將蔗糖、山梨醇、甘露醇、阿拉伯膠加入虹鱒魚魚肉中,研究發(fā)現(xiàn),貯藏溫度和貯藏時間對揮發(fā)性鹽基氮(TVB-N)和硫代巴比妥酸反應(yīng)物(TBARS)值有顯著的影響,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度貯藏能夠有效提高魚肉的品質(zhì),延長其貨架期。蔗糖和明膠的添加使得魚肉具有較高的Tg值[24]。VIVANCO MM等[25]研究發(fā)現(xiàn),食鹽對低水分的羅非魚片的Tg影響顯著。這對水產(chǎn)品的貯藏保鮮提供了可靠的理論依據(jù)。

    2.4 玻璃化轉(zhuǎn)變在乳制品的應(yīng)用研究

    玻璃化轉(zhuǎn)變在乳制品方面的研究集中在奶粉和冷凍乳制食品中。乳制品中存在無定型的乳糖。奶粉的結(jié)晶、粘連和結(jié)塊均與乳糖的玻璃化轉(zhuǎn)變有關(guān)。當(dāng)奶粉貯藏溫度高于Tg時,奶粉的很多物理性質(zhì)都會發(fā)生變化,進而表現(xiàn)出奶粉感官品質(zhì)的改變,具體表現(xiàn)為奶粉粘連、結(jié)塊問題。杜凌[26]探討了影響奶粉品質(zhì)的玻璃化轉(zhuǎn)變的因素,其中乳糖的的玻璃化轉(zhuǎn)變對奶粉的品質(zhì)影響很大。當(dāng)貯藏溫度(T)與脫脂乳粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的差值減少時,脫脂乳粉的非酶褐變指降低,但是隨著(T-Tg)差值的增大,非酶褐變指數(shù)迅速增加,奶粉的褐變加速[27]。

    為解決乳粉結(jié)塊問題,科學(xué)家們做了很多研究。詹世平等[28]發(fā)現(xiàn)黃原膠是很好的防結(jié)塊劑,而β-環(huán)糊精對粉體的結(jié)塊抑制效果并不明顯。黃原膠和β-環(huán)糊精復(fù)配型添加劑的防結(jié)塊效果最好,是理想的復(fù)合防結(jié)塊劑。芽糖糊精含量的增加會顯著提高干燥菊粉玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[29]。

    羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)、卡拉膠、糊精、麥芽糊精、瓜爾豆膠等多糖物質(zhì)的加入能抑制冰淇淋類等乳制食品的冰晶生長。WHELAN AP等[30]研究發(fā)現(xiàn),加入海藻糖比加入蔗糖使冰淇淋具有更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。通過加入多糖類甜味劑,不僅可以降低冰淇淋的甜度,而且可以提高冰淇淋的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,增加冰淇淋的穩(wěn)定性,抑制冰淇淋冰晶的生長,從而使冰淇淋獲得細(xì)滑的口感。

    2.5 玻璃化轉(zhuǎn)變在冷凍禽畜肉類中的應(yīng)用研究

    玻璃化轉(zhuǎn)變在冷凍禽畜肉貯藏中的研究較多[31]。結(jié)晶與重結(jié)晶會對冷凍食品中的細(xì)胞產(chǎn)生破壞性的作用,導(dǎo)致冷凍食品的品質(zhì)的惡化,影響冷凍肉類食品的品質(zhì)。冷凍食品的結(jié)晶與重結(jié)晶過程受到玻璃化轉(zhuǎn)變的影響。冷凍肉類食品在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下儲藏,結(jié)晶速率迅速增大,刺破食品體系細(xì)胞,導(dǎo)致液汁的流失和品質(zhì)的惡化;冷凍食品在玻璃態(tài)下,物質(zhì)分子活動受到抑制,食品的結(jié)晶與重結(jié)晶速率顯著下降,肉類的品質(zhì)劣化反應(yīng)速率十分緩慢,因此可以最大限度的保持食品的色、香、味、形及多種營養(yǎng)成分。

    近年來,研究發(fā)現(xiàn)阿拉伯膠和k-卡拉膠能提高冰凍牛肉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[32]。在雞肉中添加麥芽糖糊精和阿拉伯膠,能夠提高冷凍雞肉水解蛋白粉末的玻璃化轉(zhuǎn)變值Tg,促進其穩(wěn)定性[33]。KUROZAWA LE等[34-35]證實了麥芽糖糊精和阿拉伯膠對噴霧干燥的雞肉水解蛋白質(zhì)粉的Tg具有提高作用。但有學(xué)者報導(dǎo)這些添加劑物質(zhì)對食品體系的Tg無顯著影響。李云飛等[36]報道加入的明膠、海藻酸鈉和羧甲基纖維素鈉對牛肉糜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度無顯著影響。此外用氯化鈉和亞硝酸鈉對冰凍牛肉進行解吸等溫研究,發(fā)現(xiàn)其曲線符合S型曲線,亞硝酸鈉溶液對牛肉Tg無顯著的影響[37]。盡管如此,但這些添加物如何作用食品從而影響食品體系玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的機理還有待深入研究。

    2.6 玻璃化轉(zhuǎn)變在糖果中的應(yīng)用研究

    玻璃化轉(zhuǎn)變在糖果的保存上也有研究。LABUZA TP等[38]報道了棉花糖中蔗糖在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度貯藏時性質(zhì)穩(wěn)定。當(dāng)溫度超過蔗糖玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,棉花糖的纖維玻璃結(jié)構(gòu)就會發(fā)生崩潰,蔗糖的結(jié)晶就會在鑲嵌在玻璃化的的結(jié)構(gòu)中形成,導(dǎo)致糖果的返砂,縮短食品的貨架期。

    2.7 玻璃化轉(zhuǎn)變在微生物和釀造食品的保存的應(yīng)用研究

    玻璃化轉(zhuǎn)變影響微生物的生長繁殖。主要體現(xiàn)在玻璃化轉(zhuǎn)變導(dǎo)致微生物的周圍水分、溫度、pH值、酶濃度及鹽濃度等理化環(huán)境的改變,因而能抑制腐敗微生物的生長,延長食品的保質(zhì)期。Aw與微生物的致死率對可食食品的保存具有一定的意義[39]。

    此外對有益微生物,張英華等[40]研究了海藻糖對乳酸菌的的保護機理,證實了玻璃化轉(zhuǎn)變對保護乳酸菌的重要作用。王錫海等[41]探討了Aw和玻璃化轉(zhuǎn)變對雙孢蘑菇貯藏穩(wěn)定性的影響,為雙孢蘑菇的速凍、凍干等保藏方法提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

    對釀造發(fā)酵食品,李炫辰等[42]研究發(fā)現(xiàn),蜂蜜的水分含量對其玻璃轉(zhuǎn)變溫度有顯著影響(水分含量低于43.5%時,其Tg為-55.45℃),擬合出Tg線性方程。

    3 玻璃化轉(zhuǎn)變研究的展望

    食品體系的玻璃化轉(zhuǎn)變對食品的加工、貯藏和食品的品質(zhì)產(chǎn)生重要的影響,目前玻璃化轉(zhuǎn)變在很多食品加工中得到廣泛的研究和應(yīng)用,但大部分局限與單成分的食品上的研究。對于復(fù)雜食品體系的Tg及其對食品品質(zhì)和貨架期的影響研究還不充分,是今后研究的重點和難點。

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    [42]李炫辰,周國燕,藍(lán) 浩,等.差示掃描量熱法測定椴樹蜂蜜水分含量與完全玻璃化的關(guān)系[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(5):303-305.

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