高壓均質(zhì)處理對(duì)橙汁流變特性的影響

王子宇，王智穎,2，羅港,2，雷愛玲，陳厚榮，張甫生*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(西南大學(xué) 西塔學(xué)院，重慶，400715)

橙汁是世界上產(chǎn)量和銷量最大的果汁，截至2019年，我國橙汁的出口量為3 760 t，出口金額708.4萬美元。因此提升橙汁加工品質(zhì)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，擁有廣闊的應(yīng)用前景[1]。根據(jù)近年來關(guān)于消費(fèi)者對(duì)于果汁喜好度的研究，消費(fèi)者們近年來越發(fā)關(guān)注果汁的流變特性，如黏度、黏彈性、黏滑性、口腔摩擦特性等內(nèi)容[2-3]。果蔬汁的流變特性是評(píng)價(jià)口感的重要指標(biāo)，不同流變特性的果蔬汁在口感上存在明顯的差異[4]。然而目前對(duì)于橙汁口感方面的研究較少，因此越來越多的學(xué)者開始關(guān)注研究橙汁的口感問題。

高壓均質(zhì)(high pressure homogenization, HPH)是一種新興的非熱加工方式，常用于果蔬汁加工。在HPH處理過程中，果蔬汁通過均質(zhì)閥中狹窄的可調(diào)間隙而獲得高壓、高速，從而產(chǎn)生壓力梯度、剪切力、高速碰撞、空穴效應(yīng)等作用[5]，從而降低果蔬汁中果膠等可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)的分子質(zhì)量(molecular weight,Mw)，可用于改變果蔬汁的流變特性[6]。例如使用HPH處理冷凍濃縮橙汁，會(huì)導(dǎo)致其損耗模量(G″)、儲(chǔ)能模量(G′)和復(fù)合黏度(G*)降低，使得口感更加細(xì)膩[7]。測(cè)定HPH處理后番茄汁的蠕變和恢復(fù)性能，證明了HPH處理可以改變其黏性和彈性，口感大大改善[8]。此外，用Herschel Bulkley模型對(duì)胡蘿卜汁流動(dòng)特性的擬合結(jié)果證明，HPH處理能顯著降低黏度系數(shù)K值和提高流動(dòng)系數(shù)n值，使得表觀黏度更低，流動(dòng)性更強(qiáng)[9]。但是這些研究很少將流變特性與口感相結(jié)合，也未從溶質(zhì)等微觀顆粒入手進(jìn)一步分析流變特性改變的影響因素。

橙汁是一種主要由多糖形成的分散系，每100 mL的非濃縮還原橙汁中，含碳水化合物10.0 g，其中主要包括纖維素和SDF，另外約有蛋白質(zhì)0.5 g[10]，而在粗濾等加工流程中可除去大部分木質(zhì)素、纖維素等不溶性多糖。以果膠為主的SDF的結(jié)構(gòu)變化是造成非濃縮還原橙汁流變特性改變的主要原因，且比蛋白質(zhì)對(duì)橙汁流變特性造成的影響更大[11]。本研究選用工業(yè)上常用來榨汁的愛媛38號(hào)果凍橙作為研究對(duì)象，進(jìn)行0～100 MPa 的HPH處理，測(cè)定橙汁流動(dòng)指數(shù)、表觀黏度、黏彈性、摩擦學(xué)等流變特性的變化，并通過研究橙汁中SDF的結(jié)構(gòu)改變研究其相互關(guān)系。以期改善橙汁的產(chǎn)品特性，使得不同條件下生產(chǎn)的橙汁能在口感上適用于不同消費(fèi)者，為橙汁的加工生產(chǎn)和口感改善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

愛媛38號(hào)果凍橙，產(chǎn)自四川眉山；KBr(分析純)、丙酮，成都市科隆化學(xué)品有限公司；95%(體積分?jǐn)?shù))乙醇、三氯甲烷，重慶川東化工(集團(tuán))有限公司；甲醇(光譜純)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器試劑

WF-B2000榨汁機(jī)，永康市天歌電器有限公司；超高壓均質(zhì)機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；JM-LB80-1D膠體磨，溫州小杰機(jī)械公司；MCR302990000安東帕流變儀，奧地利安東帕(中國)有限公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；Spectrum 100傅里葉紅外光譜儀，美國Perkin Elmer公司；Phenom Pro10102掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom World公司；Waters 2414凝膠色譜儀，沃特世科技(上海)有限公司；SHZ-D水循環(huán)式多用真空泵，河南省予華儀器有限公司；DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；HH-ZK8數(shù)顯恒溫水浴鍋，鞏義市予化儀器有限責(zé)任公司；FA1004A電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 橙汁的處理

新鮮橙子清洗去皮后，切分榨汁，粗濾后用膠體磨均化處理5 min，使橙汁的粒徑在10 μm以下。將均化好的橙汁進(jìn)行HPH處理，進(jìn)樣溫度控制25 ℃，均質(zhì)壓力選擇20、40、60、80、100 MPa。

1.3.2 流變特性的測(cè)定

使用安東帕流變儀測(cè)定橙汁的流變特性，選用CP 60-1錐板和BC 12.7探頭測(cè)定。設(shè)定參數(shù)如下[6-7, 12]：

設(shè)定剪切速率為對(duì)數(shù)變化規(guī)律，由0.1～100 rad/s，取點(diǎn)30個(gè)，每30 s取1次點(diǎn)，進(jìn)行橙汁流體性質(zhì)和表觀黏度的測(cè)定。

先在1 s-1的頻率下進(jìn)行振幅掃描，測(cè)得橙汁線性黏彈區(qū)在形變量γ為1%～7%。設(shè)定形變量γ為5%進(jìn)行頻率掃描，剪切速率以對(duì)數(shù)變化規(guī)律從0.1～10 rad/s，一共取點(diǎn)20個(gè)，測(cè)定橙汁的儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″。

設(shè)定預(yù)剪切速率為1 rad/s，測(cè)定速率3 rad/s，溫度在4～50 ℃線性變化，升溫速率1 ℃/min，0.25 min取1個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行橙汁溫度掃描測(cè)定。

設(shè)定預(yù)剪切速率1 rad/s，恒定剪切速率5 rad/s，剪切時(shí)間300 s，每10 s取點(diǎn)1次。進(jìn)行橙汁時(shí)間掃描測(cè)定。

設(shè)定測(cè)試恒定溫度T=25 ℃，恒定法向力FN=0.1 N，滑動(dòng)速率Vs以對(duì)數(shù)變化規(guī)律從0.002～0.2 m/s，取點(diǎn)30個(gè)，每20 s取1個(gè)點(diǎn)。進(jìn)行橙汁Striback曲線測(cè)定。

1.3.3 粒徑分布和Zeta電位的測(cè)定

使用Nano-激光納米粒度分析儀測(cè)定橙汁粒徑分布情況和Zeta電位。設(shè)定測(cè)定條件[13]：溶質(zhì)折射率為1.060，吸收率0.001，溶液折射率為1.33，溫度25 ℃，黏度0.887 2 mPa·s，介電常數(shù)為78.5，粒徑范圍為0.3 nm～10 μm。將橙汁稀釋100倍后，選擇PSD模式測(cè)定粒徑分布，選擇電位模式測(cè)定Zeta電位。

1.3.4 多糖溶質(zhì)的提取

量取50 mL的橙汁，加入95%(體積分?jǐn)?shù))乙醇150 mL，水浴煮沸20 min，冷卻后用G4沙芯漏斗(孔徑5～15 μm)過濾，不溶物用95%(體積分?jǐn)?shù))煮沸乙醇100 mL，及氯仿與甲醇混和液(體積比為1∶1)50 mL沖洗，再用丙酮沖洗，最后得到均一、白色粉末狀固體，于35 ℃烘箱中干燥至恒重，即得橙汁中大分子溶質(zhì)。其中大部分為果膠等膳食纖維[14]。

1.3.5 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析

采用KBr壓片法，取0.01 g干燥樣品，放入瑪瑙研缽中，加入1.00 g干燥的KBr，研磨混勻。取100 mg研磨后的粉末，抽氣加壓維持約3 min成片，之后放入紅外光譜儀中進(jìn)行FTIR測(cè)定。設(shè)定掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1，掃描范圍：400～4 000 cm-1[15]。

1.3.6 分子質(zhì)量(Mw)的測(cè)定

稱取溶質(zhì)混合物3 mg加入3 mL超純水中，靜置溶解3 h，過0.45 μm的水相濾膜，測(cè)樣。選取聚苯乙烯PS標(biāo)準(zhǔn)樣品，按照1 mg/mL配置成濃度梯度。設(shè)定流速為v=1 mL/min，單次進(jìn)樣1 mL[16]。經(jīng)擬合，標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：。

1.3.7 掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察

將干燥大分子溶質(zhì)磨成粉末狀，粘于銅臺(tái)上鍍金，送入電鏡觀察。SEM測(cè)試參數(shù)[17]：真空度10-2～10-3Torr，濺射電壓1.1～1.2 kV，鍍膜時(shí)間2～3 min。鍍膜后樣品放置10 min。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)整理采用Microsoft 365；顯著性分析采用SPSS 22.0；數(shù)學(xué)模型擬合采用Matlab R2016a；圖片繪制采用Origin 8.6；所有樣品平行實(shí)驗(yàn)3次，結(jié)果均采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 流變特性的測(cè)定

2.1.1 流體特性測(cè)定

橙汁的剪切應(yīng)力-剪切速率的關(guān)系可以反映其流體特性，采用Herschel Bulkley模型對(duì)不同壓力HPH處理后的橙汁流體特性進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1。從表1可以看出，在0～100 MPa內(nèi)，橙汁呈現(xiàn)典型的假塑性，且隨著均質(zhì)壓力的提高，橙汁的流動(dòng)系數(shù)n值逐漸升高，黏度系數(shù)K值呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，假塑性明顯增強(qiáng)。較低的K值和較高的n值表示橙汁流動(dòng)性更強(qiáng)，黏稠度更低，在口感上更有清汁的口感[18]。相比未處理組，20～60 MPa的HPH處理使得橙汁的n值有所升高，K值有所降低；n值升高率分別為：19.94%、41.01%、58.99%；K值降低率分別為：22.86%、34.29%、45.71%。而在80～100 MPa處理下，橙汁的n值的升高速率和K值的降低速率更快，n值分別升高63.48%、76.12%，K值分別降低68.57%、77.14%。這表明，80～100 MPa的HPH處理能更加顯著地改變橙汁的流變特性，使得橙汁更稀、黏度更小。屈服應(yīng)力σ0非常低，表明橙汁體系主要呈現(xiàn)為液體形態(tài)，施加較小的力就可使體系產(chǎn)生形變。R2較大，表明擬合效果好。綜上，HPH處理能有效降低橙汁的黏度，增強(qiáng)其假塑性，讓橙汁更稀。20～60 MPa的HPH處理可以降低橙汁的黏度，更適合青年人的口感；而80～100 MPa的處理下，橙汁黏度更低，相比更符合兒童和老年人的口感需求。橙汁在HPH過程中，流體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變是因?yàn)镾DF大分子物質(zhì)可在果汁中相互纏繞聯(lián)結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與水分子相互絡(luò)合，使得橙汁具有黏度[19]。而在HPH處理過程中，橙汁中的SDF大分子物質(zhì)被打碎越充分，平均分子質(zhì)量Mw逐漸降低，使得橙汁中舒展開的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變小或被破壞[20]，橙汁內(nèi)部構(gòu)造減弱，內(nèi)部分子結(jié)合而形成的阻力由于構(gòu)造破壞而減少，流動(dòng)特性逐漸增強(qiáng)[4]。

表1 高壓均質(zhì)橙汁流體的類型Table 1 Determination of fluid types in orange juice treated by high pressure homogenization

2.1.2 表觀黏度測(cè)定

從圖1看出，隨著剪切速率的提高，橙汁黏度明顯降低，橙汁呈現(xiàn)典型的假塑性。在0～100 MPa范圍內(nèi)，隨著均質(zhì)壓力的升高，橙汁的黏度逐漸降低。在0.1 s-1的剪切速率下，相比未處理組，20 MPa處理的橙汁黏度略微降低了5.4%。在40～60 MPa處理后，橙汁的黏度有較大幅度的下降，分別降低25.43% 和39.29%。加壓80～100 MPa后，橙汁黏度大幅降低，分別降低43.18%和74.06%。這是由于隨著均質(zhì)壓力的升高，橙汁中對(duì)黏度起決定性作用的SDF被打碎，平均分子質(zhì)量Mw降低，鏈長(zhǎng)變短[21]。分子鏈的變短，降低了膳食纖維分子發(fā)生碰撞的幾率，減少了其形成大分子質(zhì)量物質(zhì)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，降低了共價(jià)鍵、疏水相互作用、氫鍵等作用，使得橙汁中的內(nèi)聚力降低[22]，表現(xiàn)為橙汁的黏度降低。壓力越高，黏度降低越明顯。可以看出在20～60 MPa處理下的橙汁，相比未處理橙汁具有更低的黏度，飲用時(shí)更加順滑；而在80～100 MPa處理下，橙汁黏度進(jìn)一步降低，橙汁口感越稀。

圖1 表觀黏度測(cè)定Fig.1 Measurement of apparent viscosity

2.1.3 頻率掃描測(cè)定

由于在平行板1 μm的測(cè)定間隙內(nèi)，部分SDF分子直徑大于此間隙，大分子物質(zhì)會(huì)在此區(qū)域內(nèi)伸展開，并結(jié)合成為一種“弱凝膠”的結(jié)構(gòu)[23]。由圖2可見，均質(zhì)壓力從0 MPa增至100 MPa，橙汁的G′和G″均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，tanδ=1的臨界膠凝點(diǎn)逐漸趨于低剪切速率。G′和G″所呈現(xiàn)的趨勢(shì)均為：未處理組>20 MPa>40 MPa>60 MPa>80 MPa>100 MPa，在低頻率剪切時(shí)，體系主要發(fā)生彈性形變，G′

圖2 頻率掃描測(cè)定Fig.2 Measurement of frequency scanning

2.1.4 溫度掃描測(cè)定

從圖3可以看出，隨著HPH壓力的升高，橙汁的表觀黏度逐漸降低，同溫度下的黏度大小與表觀黏度、頻率掃描結(jié)果保持一致。同時(shí)可見，隨著溫度的升高，各組橙汁的表觀黏度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在4～25 ℃，表觀黏度降低較快，25 ℃之后溫度降低較慢。這一方面與橙汁的密度有關(guān)，低溫時(shí)橙汁密度ρ較大，隨著溫度升高，ρ逐漸降低，造成表觀黏度降低[25]；另一方面，低溫時(shí)橙汁中SDF大分子物質(zhì)互相交纏連接，形成的體系較為穩(wěn)定，但隨著溫度升高，其結(jié)構(gòu)逐漸變化，分子舒展開來，且分子動(dòng)能增加，使得橙汁流動(dòng)性增強(qiáng)，黏度降低[26]。橙汁最佳入口溫度為8～12 ℃，測(cè)得10 ℃下橙汁的表觀黏度，在20～60 MPa的處理下分別降低29.4%、35.1%、44.9%，而在80～100 MPa處理后分別降低54.2%、61.3%，降低幅度明顯高于20～60 MPa處理組。這表明在10 ℃下飲用橙汁時(shí)，20～60 MPa處理的橙汁黏度有所降低，而在80～100 MPa的處理下橙汁更稀，更具清汁的口感。

圖3 溫度掃描測(cè)定Fig.3 Measurement of temperature scanning

2.1.5 時(shí)間掃描測(cè)定

圖4表明，在20～100 MPa內(nèi)，隨著均質(zhì)壓力的升高，橙汁的黏度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。在5 rad/s的恒定剪切速率下，橙汁黏度隨時(shí)間呈現(xiàn)先下降后上升最后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。橙汁黏度在大約160 s的剪切后達(dá)到穩(wěn)定，此穩(wěn)定黏度在20～60 MPa的HPH處理后有所降低，分別降低48.6%、53.3%、55.9%；而在80～100 MPa的處理后降低速率更快，分別降低64.0%、73.9%。這與橙汁的表觀黏度部分的的分析結(jié)果相同。

圖4 時(shí)間掃描測(cè)定Fig.4 Measurement of time scanning

在0～50 s，橙汁黏度略微下降，這是由于其中的SDF大分子物質(zhì)在平板間隙中形成的“弱凝膠”結(jié)構(gòu)被破壞，橙汁體系的黏度減小。但是在50～150 s，由于剪切速率恒定，膳食纖維分子又相互纏繞連結(jié)，在1 mm 的平板上形成了一種弱凝膠的結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的增加，恒定的剪切使得其發(fā)生碰撞的幾率上升，纏繞連結(jié)的分子變多，“弱凝膠”的強(qiáng)度增大，表現(xiàn)為表觀黏度上升。而150 s之后，表觀黏度趨穩(wěn)，這可能是發(fā)生纏繞連結(jié)的分子與剪切破壞的分子達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。

2.1.6 Striback曲線測(cè)定

Striback曲線是關(guān)于流體的摩擦系數(shù)μ隨滑動(dòng)速度變化的圖象，以0.002～0.2 m/s的滑動(dòng)速度可以用來模擬橙汁在人體口腔中的摩擦變化情況，進(jìn)一步反映其口腔摩擦學(xué)特性[8]。從圖5可以看出， 經(jīng)過20 MPa的HPH處理后，橙汁的摩擦系數(shù)μ值大幅降低，0.2 m/s時(shí)的摩擦系數(shù)μ值從0.74降低至0.11以下，且均質(zhì)壓力越大，μ值越低。相比未處理組， 20～60 MPa的HPH處理使得μ值降低且逐漸趨于平穩(wěn)，分別降低85.1%、87.2%、88.1%；當(dāng)壓力達(dá)到80 MPa時(shí)，橙汁的μ值又大幅降低90.1%；而當(dāng)壓力達(dá)到100 MPa時(shí)，μ值降低幅度更大，達(dá)到了92.2%。由于橙汁的摩擦系數(shù)與黏度有密切的相關(guān)性，黏度越小的橙汁μ值越小，隨滑動(dòng)速度增加的變化量也越小。這說明越高的壓力能更好地打碎橙汁中的溶質(zhì)顆粒，均質(zhì)越充分，橙汁溶質(zhì)顆粒越小，體系越穩(wěn)定，摩擦系數(shù)也越小。在飲用橙汁時(shí)，20～60 MPa的橙汁具有較低的摩擦系數(shù)μ值，與口腔的摩擦感大大降低，而80～100 MPa處理下的橙汁，μ值降低更多，口感更加細(xì)膩潤滑。

圖5 Striback曲線測(cè)定Fig.5 Measurement of Strriback curve of orange juice

同時(shí)可以看出，未經(jīng)HPH處理的橙汁，隨著滑動(dòng)速度的提高，μ值呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，而在0.04 m/s以后μ值逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于在未經(jīng)過HPH處理時(shí)，橙汁中的顆粒較大，SDF使得橙汁的黏度較大，在滑動(dòng)時(shí)形成的摩擦力較大，且顆粒與壓力面碰撞的幾率高，使得μ值較高。而在高于0.04 m/s的剪切速率后，顆粒碰撞對(duì)正壓力所起的貢獻(xiàn)較小，μ值趨于平穩(wěn)。而經(jīng)過HPH處理后的橙汁，由于顆粒較小，滑動(dòng)速率對(duì)橙汁的μ值影響減小，μ值曲線一直較為平穩(wěn)。

2.2 溶質(zhì)顆粒分析

2.2.1 橙汁粒徑分布與Zeta電位分析

HPH處理后的橙汁體系中SDF顆粒直徑，橙汁粒徑分布見圖6，所帶電荷和分子質(zhì)量的測(cè)定結(jié)果如表2所示。在0～100 MPa內(nèi)，隨著均質(zhì)壓力的升高，橙汁的粒徑越來越小，且分布范圍越來越窄。未經(jīng)HPH處理時(shí)，橙汁的粒徑分布集中在3 000～9 000 nm，平均粒徑為5 275 nm。經(jīng)過20 MPa的HPH處理后，橙汁的粒徑分布范圍降低至500～4 000 nm，平均粒徑降低至1 223.33 nm。這是由于在HPH處理過程中，橙汁由于均質(zhì)機(jī)產(chǎn)生的剪切力、空穴效應(yīng)等作用，使得其中的膳食纖維大分子物質(zhì)基本單元的糖苷鍵、酯鍵等共價(jià)鍵斷裂，碳鏈變短[21]，分子鏈長(zhǎng)度降低，粒徑更小。同時(shí)，在40～60 MPa時(shí),隨著均質(zhì)壓力的逐漸升高，橙汁的粒徑分布范圍逐漸偏窄，粒徑逐漸變低，這表明較高壓力處理后的橙汁更加均一穩(wěn)定。當(dāng)壓力在80～100 MPa時(shí)，粒徑降低的效果更為明顯。其中在100 MPa時(shí)，橙汁的粒徑范圍主要集中在200～900 nm，平均分子直徑為427.5 nm，相比未處理組降低91.9%，相比20 MPa處理降低65.1%。橙汁中SDF粒徑的降低，進(jìn)一步說明了橙汁流動(dòng)系數(shù)n值的升高以及黏度系數(shù)K值的降低，從而導(dǎo)致表觀黏度和模量的降低。

圖6 高壓均質(zhì)橙汁粒徑分布圖Fig.6 Figure of particle size distribution of HPH orange juice

Zeta電位表示顆粒表面所帶電荷量，決定了橙汁的穩(wěn)定性，可以影響其流變特性。由表2可見，橙汁中的顆粒均帶負(fù)電荷。未處理組和20 MPa的HPH處理的橙汁電荷數(shù)沒有顯著性差異，均低于-15 mV，體系為不穩(wěn)定狀態(tài)。40 MPa處理能將顆粒電荷值升高11.5%，超過-15 mV，使原本處于不穩(wěn)定狀態(tài)的橙汁變成亞穩(wěn)定狀態(tài)。60 MPa處理后，電荷值顯著升高，升高了58.0%。而80～100 MPa的處理后，電荷值升高更快，分別為：65.9%和70.2%。這是由于高壓均質(zhì)打碎了橙汁中的SDF等大分子物質(zhì)，使得分子數(shù)量增多，暴露出更多的帶電基團(tuán)，如羧酸基團(tuán)[27]，使得電荷值升高，體系更加穩(wěn)定。

表2 高壓均質(zhì)處理對(duì)橙汁中溶質(zhì)顆粒的影響Table 2 Effect of high pressure homogenization on the dietary fiber and pectin molecular particles in orange juice

2.2.2Mw的測(cè)定

根據(jù)凝膠色譜分析原理，分子質(zhì)量較大的化合物出峰時(shí)間短。根據(jù)橙汁各成分的分子質(zhì)量范圍可以推斷，色譜圖第一個(gè)峰為纖維素，第二個(gè)峰為果膠等SDF。從圖7可以看出，在0～60 MPa，橙汁中的纖維素出峰時(shí)間相差不大，分布范圍基本保持不變，分子質(zhì)量降低沒有顯著性，說明60 MPa以下的HPH處理對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)破壞作用不明顯。但是經(jīng)過80～100 MPa的處理后，纖維素的Mw相比未處理組降低有顯著性，分別降低1.45%和1.87%。但是粗濾后橙汁中纖維素含量較少，且Mw降低幅度非常低，因此可以認(rèn)為纖維素的變化對(duì)橙汁的流變特性影響不大。

圖7 高壓均質(zhì)橙汁溶質(zhì)分子質(zhì)量Mw分布圖Fig.7 Molecular weight distribution of the solute HPH orange juice

相比纖維素，HPH處理后果膠等可溶性膳食纖維的Mw降低非常明顯。隨著均質(zhì)壓力的升高，果膠等SDF出峰時(shí)間越來越長(zhǎng)，這說明了HPH處理會(huì)顯著降低其Mw，且壓力越高M(jìn)w越小。經(jīng)20～60 MPa處理后果膠等SDF分子質(zhì)量Mw下降率分別為9.14%、22.74%、36.46%，而在80～100 MPa下Mw下降率分別為：41.29%、59.97%，明顯高于20～60 MPa。這可以說明正是果膠等SDF分子質(zhì)量的降低，造成了橙汁黏度和模量的降低，改變了流變特性。這是由于在高速流動(dòng)、高壓剪切的HPH處理過程中，SDF分子被打碎，α-1,4-糖苷鍵斷裂，聚合度顯著降低，造成其Mw的下降[5]。越高的壓力處理后Mw越低。HPH處理對(duì)SDF分子原本形成的相互纏繞連結(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞，造成橙汁體系整體黏度和黏彈性的降低[11]。這也很好地解釋了橙汁表觀黏度和模量降低的趨勢(shì)。

2.2.3 FTIR分析

FTIR分析可用于對(duì)溶質(zhì)基團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和半定量分析。由圖8可知，未處理組和HPH處理組的紅外吸收峰形狀和位置無明顯變化，這說明HPH處理沒有產(chǎn)生新基團(tuán)；但是在不同位置的吸收強(qiáng)度有所變化，說明一些基團(tuán)的數(shù)量發(fā)生了改變。

圖8 高壓均質(zhì)橙汁溶質(zhì)FTIR分析Fig.8 Analysis of FTIR of solutes in orange juice treated by HPH

HPH處理組的FTIR吸收峰在2 926 cm-1處的甲基基團(tuán)的C—H不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰減弱，1 369.25～1 419.16 cm-1處C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收帶、536.23～537.17 cm-1碳骨架的吸收峰的吸收率均有降低，說明其碳鏈變短[28]；882 cm-1處β-糖苷鍵的特征吸收峰增強(qiáng)，說明破壞暴露了更多的糖苷鍵[29]。相比未處理組，20～60 MPa處理下，碳鏈變短，糖苷鍵變多，證明多糖分子鏈顯著變短；而在80～100 MPa處理下分子鏈變短更加明顯。

FTIR的測(cè)定結(jié)果證明了HPH處理能有效破壞SDF的結(jié)構(gòu)，使其分子鏈變短、DM降低，從而影響了橙汁的流變特性。

2.2.4 SEM觀察

圖9為不同均質(zhì)壓力下橙汁中提取的溶質(zhì)在掃描電鏡下的顯微圖，其主要成分為果膠等SDF，展現(xiàn)了它們的形態(tài)和顆粒大小。從圖9可以看出，烘干提取所得的溶質(zhì)主要呈現(xiàn)團(tuán)狀顆粒，且均質(zhì)壓力越大，顆粒越細(xì)。未處理組的團(tuán)狀顆粒平均直徑為300～400 μm；在20～40 MPa處理下大于100 μm；在60 MPa 處理后略低于100 μm；而當(dāng)壓力達(dá)到80～100 MPa時(shí)，顆粒的平均直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100 μm，其中在100 MPa下僅為20～50 μm，為未處理組的1/6～1/20。

這可能是由于HPH處理破壞了橙汁中SDF的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，破壞了其中的化學(xué)鍵，造成其Mw的降低，因而顆粒逐漸變小。橙汁中溶質(zhì)顆粒的SEM結(jié)構(gòu)圖，和Mw分析結(jié)果保持一致，這更加證明了均質(zhì)壓力的提高造成了溶質(zhì)粒徑的降低，從而影響了橙汁流變特性。

A-未處理 500×;B-20 MPa 500×;C-40 MPa 500×;D-60 MPa 500×;E-80 MPa 500×;F-100 MPa 500×圖9 不同均質(zhì)壓力下橙汁溶質(zhì)顆粒掃描電鏡觀察Fig.9 SEM micrographs on the solute of orange juice treated by different high pressure homogenization

3 結(jié)論

HPH處理能有效改變橙汁的流變特性，0～100 Pa內(nèi)隨著壓力的升高，橙汁的表觀黏度、模量以及摩擦系數(shù)等流變特性指標(biāo)有所降低。由橙汁粒徑、Zeta電位、分子質(zhì)量、FTIR以及SEM等指標(biāo)分析可知，由于HPH處理破壞了橙汁中SDF的結(jié)構(gòu)，使得糖苷鍵斷裂、碳鏈變短，DM降低，導(dǎo)致Mw降低，溶質(zhì)粒徑減小，從而改變了橙汁的流變特性。

綜上，在20～60 MPa的處理下，橙汁的流變指標(biāo)有所降低，可能比較適合年輕人引用或是開發(fā)成運(yùn)動(dòng)飲料；而在80～100 MPa的壓力處理下，流變指標(biāo)降低更快，口感更加細(xì)膩潤滑，可能適合老年人或是嬰幼兒引用?；诖?，今后隨著HPH設(shè)備的升級(jí)，可以探究更高的均質(zhì)壓力、進(jìn)樣溫度、循環(huán)次數(shù)等因素對(duì)于橙汁流變特性的影響，同時(shí)HPH處理可以和酶、超聲、超高壓等非熱加工處理協(xié)同作用，開發(fā)出具有更多流變特性的橙汁，以滿足消費(fèi)者需求。