葛根粉-牛奶共混體系的相行為及穩(wěn)定性研究

康慧婷,安 凱,管連雄,田大聽,b

(湖北民族大學a化學與環(huán)境工程學院,b生物資源保護與利用湖北省重點實驗室，湖北 恩施445000)

隨著人們健康意識的提高，功能性復合飲料已經(jīng)逐漸受到人們的青睞。這些功能性復合飲料對人體健康具有促進作用，可以預防多種疾病，如降血壓、降血糖、降血脂、減肥、防癌、防感染及抗過敏等。乳制品是一種被大部分消費者認可的天然且健康的飲料，具有豐富的營養(yǎng)，是世界上消費最多的飲料之一。長期以來，乳制品一直是添加營養(yǎng)成分的理想載體，如Kiani等[1]將結(jié)冷膠(gellan)與酸奶復合配制了一種復合飲料；Li等[2]則將杏鮑菇多糖(Pleurotuseryngii)與酸奶復合配制了一種復合酸奶；Konuklar等[3]將β-葡聚糖(β-glucan)作為添加物配制了一種低脂奶酪。但是，將多糖類物質(zhì)加入蛋白質(zhì)飲品中可引起相分離從而影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性，因此對于多糖-蛋白質(zhì)之間相互作用的研究尤為重要。

目前，人們已對一些功能性多糖和蛋白質(zhì)混合體系的相行為進行了研究。例如，Dai等[4]研究了魔芋葡甘聚糖和牛奶共混體系的穩(wěn)定性和相行為，發(fā)現(xiàn)魔芋葡甘聚糖-牛奶混合物的穩(wěn)定性與魔芋葡甘聚糖溶液的質(zhì)量濃度和牛奶的體積分數(shù)有關；Ni等[5]研究了魔芋葡甘聚糖和玉米蛋白混合體系在不同混合比下的穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)和流變性能；Xiong等[6]研究了卵清蛋白-殼聚糖復合物凝聚后的相行為、熱力學和流變學性質(zhì)。這些研究有助于人們認識復合飲料中生物大分子之間的相互作用，因此生物大分子如多糖-蛋白質(zhì)等的相互作用已經(jīng)成為食品科學研究中的一個熱點領域。

葛根粉來源于豆科類植物野葛和甘葛藤的塊根，其主要成分為淀粉，還含有葛根粉素、異黃酮、大豆甙以及多種微量元素[7-9]，在傳統(tǒng)醫(yī)學領域中可用作生育控制劑、強心劑和利尿劑，具有降血糖、降血脂及保肝等功效。葛根粉也是一種藥食同源的物質(zhì)[10-11]，長期食用對高血壓、高血脂、高血糖及心腦血管疾病具有一定的預防作用,其中的膳食纖維則具有促消化、改善便秘的效果[12]。此外，葛根粉中的大豆甙還具有解酒的作用。很顯然，將葛根粉多糖作為功能組分添加到乳制品中，可以有效地提高乳制品的營養(yǎng)價值及產(chǎn)品附加值[13]，但目前關于葛根粉-牛奶混合體系的研究尚未見系統(tǒng)報道。由于生物大分子之間的不相容性，在特定條件下葛根粉與牛奶的混合物可能會出現(xiàn)不均勻沉降，從而會出現(xiàn)不良的外觀，因此對葛根粉與牛奶共混體系的相關性質(zhì)開展研究，探明其相行為和穩(wěn)定性的規(guī)律，有助于人們科學調(diào)控該功能性復合飲料的配方。

為此，本研究將天然多糖葛根粉與傳統(tǒng)飲料牛奶通過共混法配制一種復合飲料，并通過濁度儀、粒徑分析儀、Zeta電位儀、差示掃描量熱儀(DSC)、正置熒光顯微鏡等多種儀器對混合體系予以分析表征,研究不同工藝條件下該共混體系的穩(wěn)定性及相行為，以期為該復合飲料的開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

葛根粉，食品級，湖北鄉(xiāng)野農(nóng)業(yè)食品有限公司；伊利高蛋白脫脂高鈣奶粉，食品級，內(nèi)蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司；尼羅紅染色劑，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；異硫氰酸熒光素，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 樣品配制

首先取適量葛根粉，加蒸餾水，于75 ℃下機械攪拌2 h，分別配制成不同初始質(zhì)量濃度(1，5，10，15，20，25 g/L)的溶液；然后將奶粉加適量蒸餾水于55 ℃機械攪拌2 h，配成初始質(zhì)量濃度為60 g/L的溶液；最后再將牛奶與葛根粉溶液分別按照不同體積比配制成10 mL的葛根粉-牛奶混合物，備用。

1.3 穩(wěn)定性及相分離圖繪制

將60 g/L牛奶與初始質(zhì)量濃度分別為1，5，10，15，20，25 g/L的葛根粉溶液按照不同體積比配制成葛根粉-牛奶混合物，使混合物中牛奶的體積分數(shù)分別為 10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%和100%，將配制的葛根粉-牛奶混合物倒入玻璃離心管中，室溫靜置12 h，觀察混合體系的相分離現(xiàn)象。

1.4 濁度測量

將60 g/L牛奶與初始質(zhì)量濃度分別為1，5，10，15，20，25 g/L的葛根粉溶液按照不同體積比配制成葛根粉-牛奶混合物，使混合物中牛奶的體積分數(shù)分別為0%，20%，40%，60%，80%和100%。室溫條件下，取1 mL配制好的葛根粉-牛奶混合物，并用蒸餾水稀釋500倍，緩慢注射到比色杯中2/3處，確保比色杯中無氣泡產(chǎn)生，使用光電濁度計(WGZ-200,上海精密儀器儀表有限公司)測定其濁度。

1.5 Zeta電位測量

將60 g/L牛奶與初始質(zhì)量濃度分別為1，5，10，15，20，25 g/L的葛根粉溶液按照不同體積比配制成葛根粉-牛奶混合物，使混合物中牛奶的體積分數(shù)分別為0%，20%，40%，60%，80%和100%。室溫條件下，取1 mL配制好的葛根粉-牛奶混合物，用蒸餾水稀釋500倍，將稀釋后的樣品緩慢注射到Zeta電位樣品池中，確保樣品池中無氣泡產(chǎn)生，用Zetasizer激光粒度儀(Nano-ZS,馬爾文儀器公司,英國)測定其Zeta電位。

1.6 粒徑分布分析

將60 g/L牛奶與初始質(zhì)量濃度分別為1，5，10，15，20，25 g/L的葛根粉溶液按照不同體積比配制成葛根粉-牛奶混合物，使混合物中牛奶的體積分數(shù)分別為0%，20%，40%，60%，80%和100%。室溫條件下，取1 mL配制好的葛根粉-牛奶混合物，用蒸餾水稀釋500倍，注入聚苯乙烯比色皿中，在確保無氣泡的情況下，使用Zetasizer激光粒度儀(Nano-ZS,馬爾文儀器公司，英國)測量其粒度。每個樣品測量3次，取平均值，然后用Mastersizer 2000軟件進行粒徑分析。

1.7 差示掃描量熱測試

將60 g/L牛奶與初始質(zhì)量濃度為10 g/L的葛根粉按照不同體積比配制成葛根粉-牛奶混合物，使混合物中牛奶的體積分數(shù)分別為0%，20%，40%，80%和100%，準確稱取3～5 mg配制好的葛根粉-牛奶混合物放入鋁坩堝中，密封，并用相同空坩堝作參比，利用差示掃描量熱儀(DSC404F3,耐馳科學儀器公司,德國)對樣品的熱學性質(zhì)進行研究。設定升溫速率為5 ℃/min，將樣品從25 ℃加熱到180 ℃，氮氣吹掃氣速率為40 mL/min，保護氣速率為20 mL/min。

1.8 混合體系微觀結(jié)構(gòu)的正置熒光顯微觀察

首先將60 g/L牛奶與初始質(zhì)量濃度為10 g/L的葛根粉，按照不同體積比配制成葛根粉-牛奶混合物，使混合物中牛奶的體積分數(shù)分別為20%，40%，60%和80%；然后將10 mL的葛根粉-牛奶混合物和100 μL尼羅紅乙醇溶液(1 g/L)混合，再加入100 μL異硫氰酸熒光素乙醇溶液(1 g/L)，充分混勻后取少量(20 μL)混合溶液滴到載玻片上，蓋上蓋玻片，利用正置熒光顯微成像系統(tǒng)(Nikon DS-Ri1-U3，Nikon公司，日本)對樣品進行微觀結(jié)構(gòu)觀測。其中，尼羅紅在波長534 nm處激發(fā)，發(fā)射光設定在586～753 nm；而異硫氰酸熒光素在波長488 nm處激發(fā)，發(fā)射光設定在493～538 nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 葛根粉-牛奶混合物相行為及穩(wěn)定性分析

圖1是葛根粉-牛奶混合物(混合物中牛奶體積分數(shù)為20%)靜置前和靜置12 h后的外觀形態(tài)。從圖1可以看出，新配制的不同配比的葛根粉-牛奶混合體系分散均較為均勻。靜置12 h后觀察發(fā)現(xiàn)，當葛根粉初始質(zhì)量濃度為1 g/L時，葛根粉-牛奶混合物中未觀察到明顯的相分離，說明其處于相穩(wěn)定區(qū)域；當葛根粉初始質(zhì)量濃度為5 g/L時，葛根粉-牛奶混合物開始出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但分層不是很明顯，此時應該處于亞穩(wěn)定區(qū)域；當葛根粉初始質(zhì)量濃度為10～20 g/L時，隨著葛根粉初始質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，混合物分層現(xiàn)象變得更加明顯；當葛根粉初始質(zhì)量濃度為25 g/L時，混合物出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，上層為淺色乳濁液，下層為不透明絮狀物，此時混合體系應處于不穩(wěn)定區(qū)域。另外，對于發(fā)生相分離的葛根粉-牛奶混合物，經(jīng)過振蕩又會重新變得均勻。

A.靜置前；B.靜置12 h。1～6.牛奶體積分數(shù)20%，葛根粉初始質(zhì)量濃度分別為1，5，10，15，20，25 g/L

葛根粉-牛奶混合物在室溫下靜置12 h后的相圖見圖2。

圖2 葛根粉-牛奶混合物室溫靜置12 h后的相圖

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，葛根粉-牛奶混合體系分為3個區(qū)域：穩(wěn)定區(qū)域、亞穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域，圖中2條實線為3個區(qū)域的交界線。葛根粉-牛奶混合體系的穩(wěn)定性與葛根粉初始質(zhì)量濃度或混合物中牛奶的體積分數(shù)有關。一般地，隨著牛奶體積分數(shù)的增加或者葛根粉初始質(zhì)量濃度的降低，葛根粉-牛奶混合體系的穩(wěn)定性增強。Dai等[4]研究的魔芋葡甘聚糖-牛奶體系中有類似的結(jié)果。對于乳蛋白和中性多糖共混體系來說，產(chǎn)生相分離的特征就是形成兩個不同的相，每個相富含其中一種天然聚合物。一般認為，乳蛋白和許多中性多糖在熱力學意義上是不相容的[14]。由于絕大多數(shù)乳制品的主要成分是乳蛋白，因此向乳制品中添加某種中性多糖，都可能引起相分離，從而導致產(chǎn)品的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性質(zhì)受到影響。圖2中，當牛奶體積分數(shù)固定時，隨著葛根粉初始質(zhì)量濃度的增加，可逐漸觀察到聚集體的形成，最終徹底出現(xiàn)相分離。Ni等[5]的魔芋葡甘聚糖和玉米蛋白的穩(wěn)定性及相行為研究對此類現(xiàn)象進行了解釋，即蛋白質(zhì)和多糖在分子水平上的不相容性導致了相分離，此外重力作用和空間排斥也是造成蛋白質(zhì)和多糖之間發(fā)生相分離的原因之一。

2.2 葛根粉-牛奶混合物濁度分析

濁度是由溶液中聚集體的質(zhì)量和大小變化引起的，是蛋白質(zhì)-多糖聚集或分解的結(jié)果[15]。葛根粉初始質(zhì)量濃度和牛奶體積分數(shù)的變化對葛根粉-牛奶混合物濁度的影響見圖3。

圖3 葛根粉初始質(zhì)量濃度和牛奶體積分數(shù)對葛根粉-牛奶混合物濁度的影響

從圖3可以看出，葛根粉-牛奶混合物的濁度與混合物中的牛奶體積分數(shù)具有一定的相關性。當葛根粉初始質(zhì)量濃度相同時，葛根粉-牛奶混合物的濁度均隨著牛奶體積分數(shù)的增加而增大，其中當牛奶體積分數(shù)為40%～80%時，濁度迅速增大，這可能是混合物中某一組分開始集聚所致[16]。另外，當葛根粉初始質(zhì)量濃度較大(15～25 g/L)且牛奶體積分數(shù)為80%時，混合物的濁度大都接近于純牛奶，這與混合物中形成了較大的聚集體有關，同時也表明當葛根粉初始質(zhì)量濃度較大時，需要體積分數(shù)更高的牛奶才能使混合體系更為穩(wěn)定。結(jié)合圖2也可以看出，當葛根粉初始質(zhì)量濃度為1 g/L時，任意體積分數(shù)的牛奶都可與之形成穩(wěn)定的共混體系；而當葛根粉初始質(zhì)量濃度增至15 g/L時，牛奶體積分數(shù)則要達到80%以上才可以達到穩(wěn)定。Nobuhara等[17]在研究牛奶-大豆蛋白混合物時也有類似結(jié)果。

2.3 葛根粉-牛奶混合物的Zeta電位分析

膠體顆粒之間存在的吸附力和排斥力決定了膠體混合物的穩(wěn)定性和其他物理化學性質(zhì)[18]。顆粒之間吸附力和排斥力的大小由顆粒表面電荷所決定，并且顆粒表面電荷對混合物中顆粒的聚集起著重要作用，Zeta電位是分散介質(zhì)和附著到分散液滴的固定液體層之間的電位差，是表征液體分散體系穩(wěn)定性的重要指標。因此可以通過測量Zeta電位來評估樣品表面的電荷，繼而評估樣品的穩(wěn)定性[19]。一般地，Zeta電位值越大的混合體系被認為是相對穩(wěn)定的體系[20]。分散粒子越小，Zeta電位的絕對值越高，體系越穩(wěn)定，即具有較高Zeta電位絕對值的乳液是靜電穩(wěn)定的；反之，具有低Zeta電位絕對值的乳液傾向于凝結(jié)或絮凝，即顆粒間的吸引力超過了排斥力，粒子分散受到破壞。圖4為葛根粉初始質(zhì)量濃度和混合物中牛奶體積分數(shù)對葛根粉-牛奶混合物Zeta電位的影響情況。由圖4可以看出，葛根粉-牛奶混合物的Zeta電位值均為負值且絕對值都小于30 mV。隨著混合物中牛奶體積分數(shù)的增大，混合物的Zeta電位絕對值逐漸增大，表明混合體系逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 葛根粉初始質(zhì)量濃度和牛奶體積分數(shù)對葛根粉-牛奶混合物Zeta電位的影響

結(jié)合圖2可知，葛根粉-牛奶混合物Zeta電位的測定結(jié)果與相圖分析結(jié)果相一致。當葛根粉初始質(zhì)量濃度相同時，混合物中牛奶體積分數(shù)越高，其Zeta電位絕對值越大，混合體系越穩(wěn)定。當混合物中牛奶體積分數(shù)相同時，隨著葛根粉初始質(zhì)量濃度的增大，Zeta電位絕對值總體減小，混合體系越不穩(wěn)定。當葛根粉初始質(zhì)量濃度為1 g/L、牛奶體積分數(shù)為20%～100%時，葛根粉-牛奶混合物的Zeta電位絕對值變化較小，且均接近25 mV，因此該初始質(zhì)量濃度下的混合物較為穩(wěn)定，適宜配制成復合飲料。

本研究中，純牛奶的Zeta電位絕對值較所有葛根粉-牛奶混合體系大，說明葛根粉初始質(zhì)量濃度的進一步增加會降低混合物的穩(wěn)定性。Sun等[21]發(fā)現(xiàn)，多糖-蛋白質(zhì)混合體系的穩(wěn)定性是靜電排斥和空間位阻共同影響的結(jié)果。如果溶劑條件能使聚合物鏈向連續(xù)相中延伸，那么膠體顆粒上連接的聚合物可以提供抗聚集的空間位阻[22]。本研究中，葛根粉溶液與牛奶溶液的Zeta電位值均為負值。因此，葛根粉鏈無法連接在牛奶蛋白質(zhì)粒子表面，進而可能導致相分離。

2.4 葛根粉-牛奶混合物的粒徑分析

葛根粉初始質(zhì)量濃度和牛奶體積分數(shù)對葛根粉-牛奶混合物粒徑的影響見圖5。由圖5可以看出，葛根粉-牛奶混合物的粒徑范圍大致在10～500 nm?；旌衔镱w粒的大小主要受蛋白質(zhì)和多糖共同作用的影響[23]。當葛根粉初始質(zhì)量濃度為1 g/L、牛奶體積分數(shù)為20%～100%時(圖5-A)，葛根粉-牛奶混合物的粒徑分布幾乎相同，這說明用初始質(zhì)量濃度為1 g/L的葛根粉配制的混合物均比較穩(wěn)定，這與前面的相圖和Zeta電位分析結(jié)果相一致。隨著葛根粉初始質(zhì)量濃度的增大(從圖5-A至圖5-F)，混合物的粒徑分布范圍明顯增加，而且大粒徑顆粒比例也明顯增多。特別地，當葛根粉初始質(zhì)量濃度為25 g/L時(圖5-F)，葛根粉-牛奶混合物的粒徑分布最不均勻，而且大顆粒所占比例也達到最大。另外值得指出的是，當葛根粉初始質(zhì)量濃度較低時(圖5-A)，牛奶體積分數(shù)對混合物粒徑的影響不是十分明顯；但當葛根粉初始質(zhì)量濃度特別大時(圖5-F)，隨著牛奶體積分數(shù)的增大，混合物粒徑分布逐漸向純牛奶的粒徑分布靠近(該結(jié)果意味著葛根粉初始濃度對混合物粒徑影響更大)。上述結(jié)果均說明，隨著混合物中葛根粉初始濃度的增加，牛奶與葛根粉相互聚集的趨勢增加，因而體系易發(fā)生相分離，體系從穩(wěn)定狀態(tài)逐漸向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。上述結(jié)果與相圖的分析結(jié)果相對應。一般地，向牛奶中添加葛根粉不會明顯改變混合體系的粒徑，這表明乳蛋白與葛根粉之間未發(fā)生可以測量的吸附作用。Langendorff等[24]在多糖-酪蛋白體系的研究中也得到了類似的結(jié)果，認為多糖在其體系內(nèi)不會被酪蛋白膠束吸附。

圖5 葛根粉初始質(zhì)量濃度和牛奶體積分數(shù)對葛根粉-牛奶混合物粒徑的影響

2.5 葛根粉-牛奶混合物差示掃描量熱分析

圖6是葛根粉初始質(zhì)量濃度為10 g/L、混合物中牛奶體積分數(shù)分別為0%，20%，40%，80%和100%時葛根粉-牛奶混合物的差示掃描量熱曲線。比較圖6中曲線a和b可以看出，純葛根粉(0%牛奶)最高吸熱峰對應的溫度較純牛奶(100%牛奶)最高吸熱峰對應的溫度高，向牛奶中加入葛根粉溶液可以使牛奶的最高吸熱峰溫度升高。對比相穩(wěn)定區(qū)(圖6曲線e)、亞穩(wěn)定區(qū)(圖6曲線d)和相分離區(qū)(圖6曲線c)的混合物，處于相穩(wěn)定區(qū)的混合物對應的最高吸熱峰溫度最高，亞穩(wěn)定區(qū)次之，相分離區(qū)最小。由此說明，向牛奶中添加葛根粉，可以使牛奶的熱學性質(zhì)得到改變。當然，更系統(tǒng)的影響規(guī)律還有待于后續(xù)進一步探討。

圖6 牛奶體積分數(shù)對葛根粉-牛奶混合物熱學性能的影響

2.6 葛根粉-牛奶混合物的正置熒光顯微鏡觀察

用尼羅紅和異硫氰酸熒光素分別對蛋白質(zhì)和多糖進行染色[25-26]。當混合物中葛根粉的初始質(zhì)量濃度為10 g/L，牛奶體積分數(shù)分別為20%，40%，60%，80%時，對葛根粉-牛奶混合物進行正置熒光顯微觀察，結(jié)果見圖7。圖7顯示，當牛奶體積分數(shù)較小(20%)時，葛根粉-牛奶混合物中有聚集體出現(xiàn)，這可能是因為低黏度的葛根粉形成的膠體網(wǎng)絡形結(jié)構(gòu)不足以將蛋白質(zhì)顆粒全部覆蓋，從而極易導致相分離發(fā)生；隨著混合物中牛奶體積分數(shù)的增大，蛋白質(zhì)相的比例逐漸增大，混合物微觀結(jié)構(gòu)從不均勻狀態(tài)到較均勻狀態(tài)再到均勻狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這與Li等[27]報道的大豆蛋白聚集體-葡聚糖混合物的結(jié)果類似。總之，對葛根粉-牛奶混合物而言，當葛根粉初始質(zhì)量濃度較高或混合物中牛奶體積分數(shù)較低時，混合物均為不穩(wěn)定體系。此外，隨著混合物中牛奶體積分數(shù)的增加，混合體系逐漸趨于均勻。

葛根粉初始質(zhì)量濃度固定為10 g/L；A.乳蛋白；B.葛根粉。A1與B1.牛奶體積分數(shù)20%；A2與 B2.牛奶體積分數(shù)40%；A3與 B3.牛奶體積分數(shù)60%；A4與B4.牛奶體積分數(shù)80%

3 結(jié) 論

葛根粉是一種藥食同源的天然產(chǎn)物，具有降血糖、降血脂、降血壓及保肝等功能，將葛根粉添加到牛奶中有望制備一種新型功能性復合飲料。本研究將不同初始質(zhì)量濃度葛根粉與不同體積分數(shù)的牛奶通過共混法配制了葛根粉-牛奶復合飲料，研究表明，所配制的葛根粉-牛奶混合物具有不同的穩(wěn)定性和相行為，葛根粉-牛奶混合物會表現(xiàn)出穩(wěn)定、亞穩(wěn)定、不穩(wěn)定3種狀態(tài)，且隨著葛根粉初始質(zhì)量濃度的降低或混合物中牛奶體積分數(shù)的增加，葛根粉-牛奶混合物的穩(wěn)定性會隨之增強，其中以初始質(zhì)量濃度為1 g/L的葛根粉配制的葛根粉-牛奶混合物最為穩(wěn)定，無聚集體產(chǎn)生。當葛根粉初始質(zhì)量濃度高于5 g/L時，葛根粉-牛奶混合物開始出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，此時要想得到穩(wěn)定體系，則要增加牛奶的體積分數(shù)。綜合考慮成本與性能，葛根粉-牛奶復合飲料的配方推薦為：葛根粉初始質(zhì)量濃度為1 g/L，混合物中牛奶體積分數(shù)為80%?？傊?，對葛根粉-牛奶混合物的穩(wěn)定性、相行為及其他相關性質(zhì)的研究有助于揭示復合飲料中生物大分子的相互作用，同時也為這類復合飲料的配制提供了基礎數(shù)據(jù)。