聚丙烯酰胺澄清蘋果汁工藝及其機(jī)理分析

闕小峰+繆建芹+司文會(huì)+徐良+黃超群

摘要：研究用聚丙烯酰胺澄清蘋果汁的工藝因素，初步探討了聚丙烯酰胺澄清作用的機(jī)理，并對(duì)澄清過程中果汁成分的變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：聚丙烯酰胺澄清果汁的機(jī)理是利用極性基團(tuán)破壞果汁中微粒的ζ電位，對(duì)其吸附并利用長鏈結(jié)構(gòu)“橋聯(lián)”形成絮凝共聚物；聚丙烯酰胺澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL果汁，溫度40～50℃，pH值4.0，澄清后果汁還原糖和總酸保留率在95%以上。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酰胺；果汁澄清；機(jī)理；影響因素

中圖分類號(hào)：TS275.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）11-0310-02

果汁澄清是果汁加工中的重要工序，當(dāng)果汁從水果中壓榨出來后，常常帶有懸浮的細(xì)胞碎塊，和果膠、淀粉等親水性膠體懸浮物的保護(hù)因子，以及蛋白質(zhì)、多酚類形成的不溶性混濁或沉淀等三類成分[1]。在果汁加工或貯藏期間，它們與其他成分作用，會(huì)引起果汁的混濁現(xiàn)象，果汁的澄清處理就是要將上述三類混濁因子盡可能完全除去，以保障果汁在貯藏期間的質(zhì)量穩(wěn)定。

在蘋果汁生產(chǎn)過程中，澄清工序是決定蘋果汁外觀的關(guān)鍵工序，不僅影響產(chǎn)品外觀，而且直接對(duì)果汁的品質(zhì)和穩(wěn)定性起決定作用[2]。常見的蘋果汁澄清方法有自然澄清、熱處理、超濾法、酶法和添加澄清劑等，本試驗(yàn)主要利用一種高分子表面活性物質(zhì)——聚丙烯酰胺[3]來澄清蘋果汁，并研究影響聚丙烯酰胺澄清果汁的因素，分析聚丙烯酰胺澄清果汁的最佳工藝條件及聚丙烯酰胺澄清作用對(duì)果汁成分的影響，從而初步探討聚丙烯酰胺澄清果汁的機(jī)理。

1材料與方法

1.1材料與試劑

試驗(yàn)材料為富士蘋果，市售，于試驗(yàn)前貯藏在4℃冰柜中。

聚丙烯酰胺，購自上?；瘜W(xué)藥品制劑公司。

1.2果汁制備

取富士蘋果，經(jīng)清洗、去皮去核、切塊后用家用榨汁機(jī)（上海海菱電器有限公司）榨汁。

1.3澄清劑的制備

將聚丙烯酰胺用蒸餾水浸泡至透明狀后加水溶解，用純凈水將其稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的聚丙烯酰胺溶液。

1.4成分的測(cè)定

可溶性固形物的測(cè)定采用阿貝折光儀折光法；還原糖的測(cè)定采用Lane-Eynon法；總酸的測(cè)定采用滴定法，以蘋果酸計(jì)；維生素C的測(cè)定采用2，6-二氯靛酚滴定法；透光率T625nm采用722型分光光度計(jì)測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1聚丙烯酰胺用量對(duì)澄清效果的影響

在250mL蘋果汁中添加不同量的聚丙烯酰胺進(jìn)行澄清試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時(shí)，澄清效果最好，透光率達(dá)到98.67%；當(dāng)用量超過30μg/mL時(shí)，透光率逐漸下降[4]。因此采用20μg/mL聚丙烯酰胺澄清果汁效果最佳。

2.2pH值對(duì)聚丙烯酰胺澄清效果的影響

在不同pH值條件下進(jìn)行果汁澄清（聚丙烯酰胺用量20μg/mL），澄清后果汁的透光率見圖2。

從圖2可以看出，pH值在3～5之間時(shí)，聚丙烯酰胺澄清果汁的透光率均在95%以上；當(dāng)pH值<3或pH值>5時(shí)，澄清效果變差?？梢妏H值對(duì)蘋果汁的澄清效果與殼聚糖相似[5-6]?？紤]到果汁溶液的酸堿性和澄清效果，采用pH值為4.0的聚丙烯酰溶液澄清果汁。

2.3溫度對(duì)聚丙烯酰胺澄清效果的影響

在果汁中添加20μg/mL聚丙烯酰胺，自然pH值條件，在不同溫度下進(jìn)行澄清，結(jié)果見圖3。

從圖3可見，溫度在30～70℃之間時(shí)，聚丙烯酰胺澄清果汁的透光率均在95%以上，其中以40～50℃溫度區(qū)域透光率最大，達(dá)到98%以上?？紤]到高溫下蘋果汁風(fēng)味物質(zhì)的變化，澄清溫度應(yīng)在40～45℃之間為最佳。

2.4果汁褐變對(duì)聚丙烯酰胺澄清效果的影響

在果汁中添加足量的抗壞血酸可以防止褐變的發(fā)生，用聚丙烯酰胺（20μg/mL）澄清時(shí)，絮凝物完全沉淀用時(shí)5.42h，而不添加抗褐變劑的果汁澄清時(shí)間為4.65h，比添加抗壞血酸時(shí)節(jié)約14.21%，這一點(diǎn)與Wakayama等的試驗(yàn)結(jié)果[7]一致。

2.5澄清前后果汁主要成分的變化

蘋果汁在澄清前后的總可溶性固形物、還原糖、維生素C和總酸含量的變化如表1所示。從表1可以看出，蘋果汁經(jīng)聚丙烯酰胺處理后，總可溶性固形物、還原糖、總酸的含量幾乎沒有變化，保留率均在95%以上，只有維生素C含量的保留率略低，為92.72%。研究中發(fā)現(xiàn)果膠物質(zhì)難以檢出，因而可以認(rèn)為聚丙烯酰胺對(duì)蘋果汁中的主要營養(yǎng)成分沒有影響[8-9]。

3討論與結(jié)論

3.1聚丙烯酰胺澄清果汁的機(jī)理分析

壓榨果汁是一種含果膠、蛋白質(zhì)、丹寧和微細(xì)果質(zhì)纖維素的懸濁液，其中大部分是膠體顆粒。這些膠體在果汁中之所以能保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)，有2種原因：一是可溶性大分子有機(jī)物質(zhì)受pH值的影響，某些基團(tuán)（如羥基、羰基、氨基）發(fā)生部分電離，致使膠粒表面存在極性基團(tuán)，且這些極性基團(tuán)相互排斥，不易聚集；二是膠粒表面的極性基團(tuán)對(duì)水分子具有親和力，這樣就在膠粒的表面形成了1層水膜，繼而產(chǎn)生膠體聚集的“位阻”。

聚丙烯酰胺是一種具有極性基團(tuán)及長鏈結(jié)構(gòu)的高分子物質(zhì)，其澄清果汁的過程是與結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的，其具體結(jié)構(gòu)式見圖4。

當(dāng)聚丙烯酰胺加入果汁中后，由于其分子中含有極性基團(tuán)及長鏈結(jié)構(gòu)，根據(jù)DLVO理論解釋，將對(duì)果汁體系的膠體穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響：（1）降低膠粒表面的ζ電位。ζ電位與膠粒之間的排斥能成正比，聚丙烯酰胺分子含有的極性基團(tuán)（—NH3+）與果汁中膠粒表面的基團(tuán)（—OH-、—COOH-）電荷相反，從而降低了膠粒的ζ電位，膠粒間排斥能下降。（2）降低界面張力。聚丙烯酰胺為高分子表面活性物質(zhì)，溶入果汁后，降低了膠粒-汁液界面的張力，而界面張力又與排斥能成正比。（3）絮凝“橋聯(lián)”作用。聚丙烯酰胺為長鏈結(jié)構(gòu)，果汁中存在的膠粒依據(jù)靜電引力和范德華力吸附在其上，形成了一種以聚丙烯酰胺為基本骨架的“螯體”絮凝物，從而增大了共聚物的厚度，易于沉降。endprint

綜上，聚丙烯酰胺澄清果汁的機(jī)理為：利用極性基團(tuán)降低果汁中膠粒表面的μ電位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的長鏈“橋聯(lián)”作用形成共聚體，從而加速沉降過程[10-11]。

3.2各因素對(duì)聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影響

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究結(jié)果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時(shí)效果最好。聚丙烯酰胺用量低時(shí)，對(duì)果汁中膠粒的作用程度不完全，不能完全消除所有膠粒的ζ電位，同時(shí)在膠粒之間也不能形成完整的共聚體；當(dāng)聚丙烯酰胺用量超過20μg/mL時(shí)，較多的聚丙烯酰胺會(huì)纏繞在膠粒的表面形成膠束狀態(tài)，從而對(duì)膠粒產(chǎn)生“屏蔽保護(hù)”作用，不易于與其他膠粒附聚。

3.2.2pH值結(jié)果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適pH值在3～5之間，該pH值范圍正是果汁的自然pH值范圍，這一結(jié)論與殼聚糖澄清果汁的結(jié)果相同。pH值的影響也許是對(duì)膠粒表面基團(tuán)及聚丙烯酰胺電離程度的影響。

3.2.3溫度結(jié)果還表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適溫度范圍為40～50℃，透光率達(dá)98%以上。在一定的溫度范圍內(nèi)（<60℃），增加了分子的熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度和頻率；因而促進(jìn)了膠粒與膠粒、膠粒與聚丙烯酰胺之間的結(jié)合；但當(dāng)溫度過大時(shí)（>60℃），熱力作用弱化了膠粒和聚丙烯酰胺之間的作用力，反而不利于澄清過程。

3.2.4褐變程度與添加足量抗壞血酸相比，未添加抗壞血酸的褐變果汁澄清時(shí)間減少了0.77h，減少了14.21%，這是因?yàn)楣l(fā)生褐變后，其中的酚類物質(zhì)氧化成醌。比較酚類中的羥基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可見，后者

的負(fù)電性更大，更容易與聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）結(jié)合；另外，醌類聚合后，分子量增大，因此與聚丙烯酰胺之間的范德華力也增大，有利于其與聚丙烯酰胺的結(jié)合。

綜上可見，利用聚丙烯酰胺來澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，溫度40～50℃，pH值4.0。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏文水.食品工藝學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007.

[2]祝戰(zhàn)斌，馬兆瑞.蘋果酒澄清工藝的研究[J].食品工業(yè)，2008（4）：35-37.

[3]張學(xué)佳，紀(jì)巍，康志軍，等.聚丙烯酰胺的特性及應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2008，29（5）：45-49.

[4]夏文水，王璋.殼聚糖澄清果汁作用的研究[J].無錫輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，12（2）：111-117.

[5]王鴻飛，李元瑞，師俊玲.殼聚糖在獼猴桃果汁澄清中的應(yīng)用研究[J].食品工業(yè)科技，1997，18（4）：20-22.

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[8]秦衛(wèi)東.表面活性劑法澄清果汁工藝的探討[J].食品科學(xué)，1992，13（11）：40-42.

[9]張建軍，蔡同一，生吉平.蘋果澄清汁加工過程主要營養(yǎng)素變化的研究[J].食品工業(yè)科技，1992，13（2）：20-25.

[10]秦衛(wèi)東，仝莉，孫向榮.聚丙烯酰胺澄清果汁工藝研究——澄清過程主要成分的變化[J].彭城職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，13（4）：104-105.

[11]張雪，王雪濤.用于蘋果汁吸附實(shí)驗(yàn)的不溶性殼聚糖制備工藝的研究[J].食品工業(yè)科技，2008，29（7）：110-113.endprint

綜上，聚丙烯酰胺澄清果汁的機(jī)理為：利用極性基團(tuán)降低果汁中膠粒表面的μ電位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的長鏈“橋聯(lián)”作用形成共聚體，從而加速沉降過程[10-11]。

3.2各因素對(duì)聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影響

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究結(jié)果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時(shí)效果最好。聚丙烯酰胺用量低時(shí)，對(duì)果汁中膠粒的作用程度不完全，不能完全消除所有膠粒的ζ電位，同時(shí)在膠粒之間也不能形成完整的共聚體；當(dāng)聚丙烯酰胺用量超過20μg/mL時(shí)，較多的聚丙烯酰胺會(huì)纏繞在膠粒的表面形成膠束狀態(tài)，從而對(duì)膠粒產(chǎn)生“屏蔽保護(hù)”作用，不易于與其他膠粒附聚。

3.2.2pH值結(jié)果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適pH值在3～5之間，該pH值范圍正是果汁的自然pH值范圍，這一結(jié)論與殼聚糖澄清果汁的結(jié)果相同。pH值的影響也許是對(duì)膠粒表面基團(tuán)及聚丙烯酰胺電離程度的影響。

3.2.3溫度結(jié)果還表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適溫度范圍為40～50℃，透光率達(dá)98%以上。在一定的溫度范圍內(nèi)（<60℃），增加了分子的熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度和頻率；因而促進(jìn)了膠粒與膠粒、膠粒與聚丙烯酰胺之間的結(jié)合；但當(dāng)溫度過大時(shí)（>60℃），熱力作用弱化了膠粒和聚丙烯酰胺之間的作用力，反而不利于澄清過程。

3.2.4褐變程度與添加足量抗壞血酸相比，未添加抗壞血酸的褐變果汁澄清時(shí)間減少了0.77h，減少了14.21%，這是因?yàn)楣l(fā)生褐變后，其中的酚類物質(zhì)氧化成醌。比較酚類中的羥基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可見，后者

的負(fù)電性更大，更容易與聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）結(jié)合；另外，醌類聚合后，分子量增大，因此與聚丙烯酰胺之間的范德華力也增大，有利于其與聚丙烯酰胺的結(jié)合。

綜上可見，利用聚丙烯酰胺來澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，溫度40～50℃，pH值4.0。

參考文獻(xiàn)：

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[11]張雪，王雪濤.用于蘋果汁吸附實(shí)驗(yàn)的不溶性殼聚糖制備工藝的研究[J].食品工業(yè)科技，2008，29（7）：110-113.endprint

綜上，聚丙烯酰胺澄清果汁的機(jī)理為：利用極性基團(tuán)降低果汁中膠粒表面的μ電位，使之吸附于聚丙烯酰胺上或相互附聚，并借助聚丙烯酰胺的長鏈“橋聯(lián)”作用形成共聚體，從而加速沉降過程[10-11]。

3.2各因素對(duì)聚丙烯酰胺澄清果汁效果的影響

3.2.1聚丙烯酰胺用量研究結(jié)果表明，果汁中聚丙烯酰胺用量在20μg/mL時(shí)效果最好。聚丙烯酰胺用量低時(shí)，對(duì)果汁中膠粒的作用程度不完全，不能完全消除所有膠粒的ζ電位，同時(shí)在膠粒之間也不能形成完整的共聚體；當(dāng)聚丙烯酰胺用量超過20μg/mL時(shí)，較多的聚丙烯酰胺會(huì)纏繞在膠粒的表面形成膠束狀態(tài)，從而對(duì)膠粒產(chǎn)生“屏蔽保護(hù)”作用，不易于與其他膠粒附聚。

3.2.2pH值結(jié)果表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適pH值在3～5之間，該pH值范圍正是果汁的自然pH值范圍，這一結(jié)論與殼聚糖澄清果汁的結(jié)果相同。pH值的影響也許是對(duì)膠粒表面基團(tuán)及聚丙烯酰胺電離程度的影響。

3.2.3溫度結(jié)果還表明，聚丙烯酰胺澄清果汁的最適溫度范圍為40～50℃，透光率達(dá)98%以上。在一定的溫度范圍內(nèi)（<60℃），增加了分子的熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度和頻率；因而促進(jìn)了膠粒與膠粒、膠粒與聚丙烯酰胺之間的結(jié)合；但當(dāng)溫度過大時(shí)（>60℃），熱力作用弱化了膠粒和聚丙烯酰胺之間的作用力，反而不利于澄清過程。

3.2.4褐變程度與添加足量抗壞血酸相比，未添加抗壞血酸的褐變果汁澄清時(shí)間減少了0.77h，減少了14.21%，這是因?yàn)楣l(fā)生褐變后，其中的酚類物質(zhì)氧化成醌。比較酚類中的羥基（—OH-）和醌分子中的羰基（—C[FY=，1]O）可見，后者

的負(fù)電性更大，更容易與聚丙烯酰胺中的氨基（—NH+3）結(jié)合；另外，醌類聚合后，分子量增大，因此與聚丙烯酰胺之間的范德華力也增大，有利于其與聚丙烯酰胺的結(jié)合。

綜上可見，利用聚丙烯酰胺來澄清蘋果汁的最佳條件為：聚丙烯酰胺用量20μg/mL，溫度40～50℃，pH值4.0。

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[5]王鴻飛，李元瑞，師俊玲.殼聚糖在獼猴桃果汁澄清中的應(yīng)用研究[J].食品工業(yè)科技，1997，18（4）：20-22.

[6]RaoMA，AcreeTE，CooleyHJ，etal.Clarificationofapplejuicebyhollowfiberultrafiltration：fluxesandretentionofodor-activevolatiles[J].JournalofFoodScience，1987，52（2）：375-377.

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[8]秦衛(wèi)東.表面活性劑法澄清果汁工藝的探討[J].食品科學(xué)，1992，13（11）：40-42.

[9]張建軍，蔡同一，生吉平.蘋果澄清汁加工過程主要營養(yǎng)素變化的研究[J].食品工業(yè)科技，1992，13（2）：20-25.

[10]秦衛(wèi)東，仝莉，孫向榮.聚丙烯酰胺澄清果汁工藝研究——澄清過程主要成分的變化[J].彭城職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，13（4）：104-105.

[11]張雪，王雪濤.用于蘋果汁吸附實(shí)驗(yàn)的不溶性殼聚糖制備工藝的研究[J].食品工業(yè)科技，2008，29（7）：110-113.endprint