大麥飲料乳狀液的穩(wěn)定性*

馬曉軍，賈可華

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

大麥營養(yǎng)豐富［1］，產(chǎn)量很高。一般用于啤酒的釀造、飼料的加工以及對其中功能因子提取［2-3］。在大麥?zhǔn)称烽_發(fā)方面主要是大麥茶和麥片，如將大麥用高溫淀粉酶解來制作飲料，可以提高大麥的附加值。

目前谷物飲料的制作一般通過添加植脂末來增加穩(wěn)定性和改善風(fēng)味，但是植脂末中反式脂肪酸的含量較高，不利于人們的身體健康，而植物油中一般含有較高的不飽和脂肪酸，富有生理活性［4］。富含可食性植物油的重要油料有大豆、油菜籽、花生、棉籽、葵花籽、芝麻、橄欖、椰子、油棕、可可豆、油茶籽、米糠等。稻米油是從稻米的米糠中提取的，脂肪酸中80%以上均為不飽和脂肪酸，其中油酸、亞油酸、亞麻酸的含量較高，稻米油不僅能提高飲料的營養(yǎng)價值，而且風(fēng)味較好，是替代植脂末的很好的選擇。

飲料乳狀液是一種水包油型的乳狀液，在國外的研究中一般使用蒸餾水作為水相;油相一般是風(fēng)味植物油，如菜籽油、葵花籽油、哈密瓜籽油、橄欖油、橘子油等［5］。兩相并不相容，通過添加乳化劑、親水膠體來增加體系的穩(wěn)定性［6］。隨著現(xiàn)在液態(tài)快速消費品的需求急速增加［7］，這種新型的大麥稻米油飲料營養(yǎng)豐富，風(fēng)味獨特，是未來飲料的發(fā)展趨勢。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

大麥，江蘇丹綠米業(yè)有限公司;耐高溫 α-淀粉酶，無錫昌而盛貿(mào)易有限公司;分子蒸餾單甘脂、失水山梨醇單硬脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、檸檬酸單甘脂、酒石酸單雙甘油酯、聚甘油脂肪酸酯、瓜爾膠、微晶纖維素、高酯果膠、卡拉膠、CMC、海藻酸鈉、黃原膠，丹尼斯克公司;蔗糖酯SE-15柳州愛格富有限公司;阿拉伯樹膠粉，分析純;白砂糖，無錫市濱湖區(qū)華潤萬家;稻米油浙江得樂康食品股份有限公司;CFK-30G長帝調(diào)溫定時型電烤箱，佛山市偉仕達(dá)電器實業(yè)有限公司;粉碎機(jī)、電動篩，新鄉(xiāng)市金禾機(jī)械有限公司;DK-S12電熱恒溫水浴鍋，上海森信實驗儀器有限公司;RW20攪拌器，廣州儀科實驗室技術(shù)有限公司;GZX-GF-MBS-1電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;YXQ-LS-18SI立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海東亞壓力容器制造有限公司;APV-1000實驗型高壓均質(zhì)機(jī)，APV公司;DCAT21全自動表面張力儀，德國德菲公司;zetasizernano ZS納米粒度及ZETA電位儀，英國馬爾文公司;ND-5S數(shù)字粘度計，上海加內(nèi)特機(jī)電設(shè)備公司;RJ-LDL-50G離心機(jī)，無錫瑞江分析儀器有限公司;FA25弗魯克高速攪拌器，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大麥飲料工藝流程

大麥→烘焙→粉碎→去皮→過篩→酶解→分離→調(diào)配→均質(zhì)→灌裝→滅菌→成品

1.2.2 工藝要點

烘焙:將去雜后的大麥在180℃的烘箱中烘焙15 min，大麥烤成焦黃色并有大量的香氣溢出。

大麥酶解液的制備:將烘焙后的大麥?zhǔn)褂梅鬯闄C(jī)粉碎，過40目作為原材料。以料水比1∶14(g∶mL)、酶解溫度90℃、酶解時間70 min、加酶量為60 U/g的條件酶解［8］。酶解后以3 500 r/min離心20 min。

大麥乳狀液的制備:取大麥酶解液，加入白砂糖，乳化劑，親水膠體溶于酶解液中放置過夜，再加入稻米油。先使用高速攪拌器以16 000 r/min預(yù)乳化1 min，再使用高壓均質(zhì)機(jī)在60℃，30 MPa條件下均質(zhì)2 次［9］。

1.2.3 乳化劑的選擇

(1)乳化劑對界面張力的影響。取大麥的酶解液，加入4%的白砂糖，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的不同乳化劑，以不添加乳化劑為對照，以稻米油為油相，使用全自動表面張力儀在25℃測定界面張力。

(2)乳化劑對乳狀液PDI及ESI的影響。取大麥的酶解液，加入4%的白砂糖，分別加入不同的乳化劑，然后加入1%的稻米油，制備乳液。測定PDI及ESI。

1.2.4 增稠劑的選擇

(1)增稠劑對ESI的影響。取大麥的酶解液，加入4%白砂糖、乳化劑，分別加入0.1%的不同膠體，放置12 h后，加入1%的稻米油，制備乳液。測定ESI。

(2)增稠劑對體系流變特性的影響。取大麥的酶液解加入4%的白砂糖、乳化劑，然后分別加入0.1%的不同膠體，放置12 h后，加入1%的稻米油，制備乳液后測定。

1.2.5 響應(yīng)面分析穩(wěn)定劑的復(fù)配

選擇合適的乳化劑、增稠劑、油、白砂糖，乳化均質(zhì)后，以電位、ESI、PDI為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面優(yōu)化方法(RSM)中的Box-Behnken Design(BBD)分析法建立模型。

表1 中心組合設(shè)計因素水平表Table 1 Variables and levels in central composite design

1.3 分析方法

1.3.1 界面張力的測定

使用全自動表面張力儀在25℃條件下測定。

1.3.2 多分散系數(shù)PDI及電位的測定

制備乳液稀釋100倍后使用納米粒度及ZETA電位儀測定［10］。

1.3.3 流變學(xué)性質(zhì)的測定

均質(zhì)后放置4 h后，25℃下使用流變儀測定，剪切速率范圍為0.1 ～25(s-1)［11］

1.3.4 乳化穩(wěn)定系數(shù)ESI的測定

吸取25mL大麥飲料乳狀液置于50 mL的離心管中，靜置2周后測定［12］

ESI%={［HE-(HS+HC)］/HE}×100

式中:HE，初始乳狀液高度;HS，沉淀層高度;HC，乳油層高度。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑的選擇

2.1.1 乳化劑對界面張力及ESI的影響

從圖1中可以看出，添加乳化劑后界面張力都明顯降低，分子蒸餾單甘脂、失水山梨醇單硬脂肪酸酯、SSL與檸檬酸單甘脂的界面張力較低，形成的乳狀液的穩(wěn)定性也比較好。乳狀液是高度分散的不穩(wěn)定體系，因為它有巨大的界面，所以體系的能量較高，是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，放置一段時間過后，出現(xiàn)上浮、下沉、聚集、聯(lián)結(jié)等現(xiàn)象，乳狀液的穩(wěn)定性取決于分子間的相互吸引和相互排斥，水包油型乳狀液一般是通過帶有相同電荷顆粒之間的相互排斥力來穩(wěn)定的，一般通過加入乳化劑來增加穩(wěn)定性。合適的乳化劑能夠顯著的降低兩相間的界面張力，在界面上形成界面膜阻止顆粒相互接近。界面張力較低時均質(zhì)后形成的粒徑也會較均一［13-14］。

圖1 不同乳化劑對界面張力及ESI的影響Fig.1 Effect of different emulsifiers on the interfacial tension and ESI of barley beverage emulsion

2.1.2 乳化劑PDI的影響

從圖2中可以看出，加入乳化劑后，體系的多分散系數(shù)PDI有所降低，體系內(nèi)顆粒大小分布比不添加乳化劑均一。自然界中大多數(shù)的乳狀液是多分散體系，體系中粒子的大小不是單一的，或者它們的形狀或電荷也不是相同的。體系的PDI越大，分布也就越不均一。所以要使體系的PDI小一些［15］。其中親水性的檸檬酸單甘脂、蔗糖酯SE-15、硬脂酰乳酸鈉SSL與親油性的失水山梨醇單硬脂肪酸酯形成的體系的PDI較低。

圖2 不同乳化劑對PDI的影響Fig.2 Effect of different emulsifiers on the PDI of barley beverage emulsion

2.1.3 乳化劑單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

從圖3中可以看出4種乳化劑的穩(wěn)定性隨著添加量的增加先上升后降低，說明乳化劑的添加量并不是越多越好，可以看到失水山梨醇單硬脂酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

圖3 四種不同乳化劑對ESI的影響Fig.3 Effect of four different emulsifiers on the ESI of barley beverage emulsion

檸檬酸單甘脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時穩(wěn)定性較好。檸檬酸單甘脂是陰離子水包油型乳化劑，在熱水中可溶解，酯化時失去的自由羥基由酯化檸檬酸分子的羥基取代，甘油單酸酯與檸檬酸進(jìn)行部分酯化反應(yīng)時，保留下的甘油單酸酯的羥基與由檸檬酸基團(tuán)帶入的羥基以及自由羥基構(gòu)成親水部分，檸檬酸酯的HLB值比原料甘油酯的高，能夠使油水界面張力大大降低。失水山梨醇單硬脂肪酸酯是以脂肪酸基團(tuán)為疏水部分和以失水山梨醇為親水部分的非離子親油性乳化劑［14］。親水性與親油性，離子型與非離子型的混合乳化劑可以形成特別穩(wěn)定的界面膜，具有較高的強(qiáng)度，從而能夠很好地防止聚結(jié)，對增加乳狀液的穩(wěn)定性有很大的作用。因此選擇的單體乳化劑及用量為0.1%的失水山梨醇單硬脂酸酯SMS，0.3%的檸檬酸單甘脂。

2.2 增稠劑的選擇

2.2.1 增稠劑對ESI及流變性質(zhì)的影響

對放置4 h的乳狀液進(jìn)行流變學(xué)的測定，從圖4中可以看出，不同增稠劑對體系的穩(wěn)定作用是不一樣的，其中黃原膠的穩(wěn)定性最好，其次是卡拉膠。在圖5、圖6中，在剪切速率為0.1～25(s-1)內(nèi)，不同膠體均表現(xiàn)為溶液黏度隨剪切速率變小的典型非牛頓流體的假塑性流動行為。實際的非牛頓流體，當(dāng)施加壓力時，就會產(chǎn)生流動，它們要在大于某一個固定值時，才開始流動，大部分液態(tài)食品0＜n＜1，n值越小，液體內(nèi)部的構(gòu)造越弱，隨著剪切速率的增大，其內(nèi)部分子結(jié)合而形成的阻力由于構(gòu)造破壞而減小的緣故［16］。經(jīng)擬合后黃原膠的屈服應(yīng)力較大，穩(wěn)定性較好。這也與圖4中ESI相對應(yīng)。單獨使用黃原膠會使體系的粘度較大，因此選用黃原膠與卡拉膠復(fù)配。

圖4 不同膠體對大麥飲料乳狀液ESI的影響Fig.4 Effect of different colloids on ESI of barley beverage emulsion

圖5 不同膠體對大麥飲料乳狀液的流變行為影響Fig.5 Effect of different colloids on the rheological behavior of barley beverage emulsion

2.2.2 卡拉膠與黃原膠單體添加量的確定

圖7～圖9分別為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黃原膠與卡拉膠對ESI，PDI以及黏度的影響?？ɡz在中性和堿性介質(zhì)中很穩(wěn)定，即使加熱也不易水解，且能形成高黏度的溶液，這是由它們無分支的直鏈型大分子結(jié)構(gòu)和聚電解質(zhì)的性質(zhì)造成的。黃原膠具有獨特的流變特性、良好的水溶性、低濃度時的高黏性、對高溫、酸和堿的穩(wěn)定性，以及與各種鹽類有良好的相容性等優(yōu)點，應(yīng)用面很廣［17］。而從圖6中也可以看出，卡拉膠添加量在0.2%以上時，ESI變化不大，且PDI與黏度開始顯著增加;黃原膠的含量達(dá)到0.1%時，穩(wěn)定性基本不變，且含量增加會導(dǎo)致黏度與PDI的顯著增加，因此黃原膠與卡拉膠的單體用量分別為0.1%，0.2%。

圖7 卡拉膠與黃原膠對ESI的影響Fig.7 Effect of xanthan gum and carrageen on the ESI of barley beverage emulsion

圖8 卡拉膠與黃原膠對PDI的影響Fig.8 Effect of xanthan gum and carrageen on the PDI of barley beverage emulsion

2.3 響應(yīng)面分析確定穩(wěn)定劑的復(fù)配比例

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以電位、ESI與PDI為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面優(yōu)化方法［18-19］(RSM)中的Box-Benhnken分析方法建立模型進(jìn)行優(yōu)化。每組實驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果用響應(yīng)面因素水平和分析結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Process variables and levels in response surface central composite design and experimental results

續(xù)表2

結(jié)果表3顯示，對于響應(yīng)面是顯著的，回歸系數(shù)P＜0.05是顯著的，失擬項P＞0.05是不顯著的，符合響應(yīng)面的設(shè)計，R2從0.886～0.957并且86%以上的數(shù)據(jù)可以用這個模型來解釋，最優(yōu)的配方為檸檬酸單甘脂0.20%，失水山梨醇單硬脂肪酸酯0.1%，稻米油0.9%，黃原膠0.07%，卡拉膠0.30%，此時能得到較高的ESI，較低的PDI與電位。得到的乳狀液的電位為-43.5 mV，ESI為100%，PDI為0.419。驗證試驗的電位為(-42.7±0.9)mV，ESI為(100±0.0)，PDI為0.414±0.023。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for regression model

3 結(jié)論

本研究以大麥為原料，酶解離心后，通過添加白砂糖、乳化劑、增稠劑、稻米油制備大麥飲料乳狀液，在因素試驗的基礎(chǔ)上，以電位、ESI、PDI為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析得到的最優(yōu)配方為檸檬酸單甘脂0.20%，失水山梨醇單硬脂肪酸酯0.1%，稻米油0.9%，黃原膠0.07%，卡拉膠0.30%，目前通過添加稻米油來增加營養(yǎng)風(fēng)味的大麥飲料研究還很少，此類大麥飲料具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

［1］ Byung-KeeBaik，Steven E Ullrich.Barley for food:Characteristics，improvement，and renewed interest［J］.Journal of Cereal Science，2008，48:233-242.

［2］ 袁亞，周利亙，龔啟明，等.大麥麥綠素提取技術(shù)研究［J］. 食品工業(yè)科技，1999，20(2):22-29.

［3］ Benito-Román E，Alonso S Lucas.Optimization of β-glucan extraction conditions from different waxy barley cultivars［J］.Journal of Cereal Science，2011，53:271-276.

［4］ 王興國.油料科學(xué)原理［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2011，27-44.

［5］ Ail R Taherian，Patrick Fustier，Hosahalli S Ramaswamy.Effect of added oil and modified starch on rheological properties，droplet size distribution，opacity and stability of beverage cloud emulsion［J］.Journal of Food Engineering ，2006，77:687-696.

［6］ David Juliann McClements.Food EmulsionsPrinciples，Practices，and TechniquesSecond Edition［M］.NY:CRC press，2004:128-208.

［7］ 程朝陽，莫樹平，柏建玲，等.我國谷物飲料研究進(jìn)展與生產(chǎn)概況［J］. 飲料工業(yè)，2012，15(6):6-9.

［8］ 賈可華，馬曉軍.高溫淀粉酶法制備大麥飲料的工藝研究［J］. 食品工業(yè)科技，2013，34(22):183-187.

［9］ Hamed Mirhosseini，Chin Ping Tan，ArezouAghlara.Influence of pectin and CMC on physical stability，turbidity loss rate，cloudiness and flavor release of orange beverage emulsion during storage［J］.Carbohydrate Polymers，2008，73:83-91.

［10］ Hamed Mirhosseini，Chin Ping Tan，Nazaimah S.A，etal.Effect of Arabic gum，xanthan gum and orange oil contents on potential，conductivity，stability，size index，and pH of orange beverage emulsion［J］.Colloids and surfaces，2008，315:47-56.

［11］ 吳金鋆.復(fù)合全豆植物蛋白飲料的穩(wěn)定性及流變特性研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2010.

［12］ Bylaite E，Nylander T，Venskutonis R.Emulsification of carway essential oil in water by lecithin and β-lactoglobulin:Emulsion stability and properties of the formed oil aqueous interface［J］.Colloids Surf.B:Biointerf，2001，20:327-340.

［13］ 陳宗淇，王光信，徐桂英.膠體與界面化學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2003:79-295.

［14］ 張萬福.食品乳化劑［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，1993:47-54，157-164，254-262.

［15］ Hamed Oirhosseini，Chin Ping Tan，Nazimah S A Hamid，et al.Optimization of the contents of Arabic gum，xanthan gum and orange oil affecting turbidity，average partical size，polydispersity index and density in orange beverage emulsion［J］.Food Hydrocolloids，2008，22:1 212-1 223.

［16］ 李里特.食品物性學(xué)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2001:10-24.

［17］ 金征宇，顧正彪，童群義，等.碳水化合物化學(xué)-原理與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:258-280.

［18］ Gallagher，E O'Brien C M，Ssann A G M，et al.Use of response surface methodology to produce functional short dough biscuits［J］.Journal of Food Engineering ，2003，56:269-271.

［19］ Giovanni M.Response surface methodology and product optimization［J］.Food Technology，1983，37:41-45.