黃原膠對酸乳流變學特性的影響

酸乳液作為一種健康的綠色植物，在中國非常受歡迎。其總產量由2001年的30.9萬t,到2005年的161.9萬t,5年增長了5.2倍,年均增長40%以上。目前,保障和提高酸乳質量成為許多研究的熱點。人們通過研究酸乳發(fā)酵劑的特點及其使用方式來尋找改善酸乳質量的途徑,并對酸乳的狀態(tài)特性及其影響因素進行了研究。結果發(fā)現脂肪替代物對酸奶微觀結構會產生顯著的影響。乳酸菌發(fā)酵自身形成的胞外多糖會因其分子的空間位壘,動態(tài)地影響酪蛋白立體網狀結構的構建。將菊粉加入脫脂乳中制備的酸乳,其凝膠結構和強度都有所改善。有關增稠劑對酸乳流變和結構特性的影響研究很少。目前,絕大部分生產廠商為適應市場需求,使產品粘稠、細膩,經常在配料中加入增稠劑,但其對增稠劑的選擇及其加入量往往是隨機和經驗性的。本文擬從黃原膠入手,在原料乳中添加不同含量的增稠劑,再發(fā)酵制成酸乳,研究不同添加量的黃原膠對酸乳流變性和微觀結構的影響,揭示其作用機理。1材料和方法1.1黃原膠的測定原料乳中加入不同含量(0.05%、0.1%、0.2%、0.3%)的黃原膠并作對照。65℃下均質,95℃下殺菌5min,冷卻至43℃,接種(3%),分裝,42℃發(fā)酵至80°T取出,4℃冰箱中后熟24h后檢測。1.2主要設備流變儀(美國BROOKFIELDDV-Ⅲ+)、電熱恒溫培養(yǎng)箱、高剪切混合乳化機、掃描電鏡(日立S-570)等。1.3測試方法1.3.1轉速隨時間變化的特性恒溫(20℃)、恒速(16rmin)條件下,檢測樣品的剪切應力和表觀黏度隨時間的變化情況,測定時間5min。在20℃下進行觸變特性檢測,轉子轉速變化范圍0~240r/min,先升速后降速。取時間間隔8s,測定樣品一次一換,每組數據平行測定3次,取平均值。1.3.2掃描電鏡觀察選黃原膠含量0.2%的酸乳和對照樣品,用戊二醛溶液固定4h以上,再轉入鋨酸溶液固定4h以上,用磷酸緩沖液洗滌,乙醇梯度脫水,CO2臨界點干燥,噴金,掃描電鏡觀察。2結果與分析2.1酸乳樣品剪切試驗當原料乳中黃原膠添加量0.05%時,形成的酸乳有大量乳清析出,而其它樣品乳清析出較少。考慮結果的可比性,檢測時去除黃原膠加量0.05%的樣品(有關機理另文表述)。恒溫、恒速條件下,4種酸乳樣品的剪切應力和表觀黏度檢測結果見圖1。圖1結果顯示,4種酸乳樣品在恒溫、恒速剪切作用下,表觀黏度和剪切應力都逐漸減小,變化規(guī)律遵循對數曲線方程。在剪切速率(16r/min)、剪切時間(20s)相同的條件下,未加黃原膠的樣品黏度最大,即2500.8mPa·s(見表1);加入黃原膠量0.1%、0.2%和0.3%的3個樣品,隨其加入量的增多,樣品表觀黏度和剪切應力逐漸降低。其中黃原膠加量0.1%和0.2%的2個樣品受到剪切時表觀黏度、剪切應力值呈波浪式起伏(圖1B、圖1C),初步認為這是其結構不均所致。2.2黃原膠對酸乳表觀黏度的影響添加不同量黃原膠發(fā)酵而成的酸乳,在同一溫度、不同剪切速率作用下的剪切應力見圖2,表觀黏度檢測結果見圖3。圖2顯示,4種酸乳樣品在20℃、剪切速率0~240r/min作用下,剪切應力都形成了不規(guī)則的環(huán)狀——觸變環(huán),說明它們均是觸變性體系。分析圖1和圖2,4個酸乳樣品無論是在恒速還是變速剪切作用下,都會變稀(剪切應力下降),因此判斷它們都屬于正觸變性流體。這與作者前期對未添加增稠劑形成的酸乳的流變學特性的檢測結果相同。加入增稠劑后觸變環(huán)的形狀發(fā)生了明顯變異。觸變環(huán)的面積能夠反映觸變性的大小。面積大,表示該體系經外力作用后黏度變化大,外力撤出后,恢復至未經作用的狀態(tài)所需時間長。求得4個樣品的觸變環(huán)面積分別為1473.68、1585.89、950.10、1138.22,其面積之比為1∶1.08∶0.64∶0.77。這樣僅從觸變環(huán)本身的面積變化數值來看,加入0.1%黃原膠的樣品B在被攪拌后黏度變化最大,而加入0.2%黃原膠的樣品C在被攪拌后黏度變化最小。僅從樣品黏度值本身看,加入0.2%黃原膠的樣品黏度很小,攪拌時黏度變化的幅度也小;對照樣品雖黏度很大,但攪拌后其變化幅度不如加入0.1%黃原膠的樣品大,因此認為原料中加入0.1%黃原膠后酸乳樣品結構變化的幅度非常大。圖3顯示,4種酸乳的黏度開始時都達到最大值,之后隨著剪切速率的增加而逐漸降低。未添加黃原膠的對照樣品的平均黏度最大,當加入黃原膠時,酸乳的表觀黏度降低。在黃原膠添加量0.1%~0.3%范圍內,黃原膠量越大,表觀黏度越低。該結果與一般設想是相悖的。為解釋這種現象,對典型樣品的結構進行了電鏡觀察。2.3黃原膠添加量的影響未加黃原膠和添加0.2%黃原膠的酸乳樣品的電鏡觀察結果分別見圖4和圖5。酸乳的制作過程是在乳酸菌形成的酸性物質(主要是乳酸)作用下,原料乳中的酪蛋白緩慢地變性,酪蛋白分子間相互凝聚構成立體網狀結構的過程。沒有外源多糖加入時,形成的這種結構相對均勻、堅實(見圖4)。前期的研究發(fā)現,在酸乳凝膠形成過程中,由乳酸菌代謝產生的內源性胞外多糖被緩慢且均勻地分泌出來,多糖分子與酪蛋白分子之間會產生空間位壘效應,從而使酪蛋白形成的立體網狀結構更加細密、均勻,酸乳制品狀態(tài)得到改善,但本試驗中加入外源性多糖,其作用效果與之相反。黃原膠分子是由“五糖重復單元”構成的大分子多糖,每個單元由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸相互鏈接構成。它是水溶性生物高分子聚合物,其平均分子質量在2×106~5×107u之間。黃原膠微觀結構中側鏈與主鏈間通過氫鍵結合形成雙螺旋結構,并以多重螺旋聚合體狀態(tài)存在,側鏈葡萄糖醛酸基帶負電荷。因此,可以判斷原料乳中的酪蛋白開始時與額外添加的黃原膠相互排斥(都帶有負電荷)。水溶性的黃原膠大分子在乳清中擴散,相互間鏈接甚至締合成網絡。原料乳中添加0.05%黃原膠,發(fā)酵而成的酸乳中有大量乳清析出,因此推測,該添加量下帶負電荷的黃原膠大分子間形成的網絡空隙較大,將較大量的酪蛋白限制在相對孤立的較大單位空間中。當乳酸菌發(fā)酵產生乳酸導致介質酸度增加時,這些空間的酪蛋白就會相互締合、凝聚,形成較大的顆粒。若這些顆粒大到無法懸浮的程度就會下沉,導致乳清析出。當加入黃原膠的濃度增加時,黃原膠分子本身水合作用增強,外來膠在原料乳中溶解形成的交聯結構的網眼變小。當介質酸度增加時,酪蛋白凝聚形成的顆粒也會相應地減小。顆粒沉降的速度降低,下降到一定程度時難以沉淀,此時酸乳乳清析出不明顯,而酪蛋白則會凝聚成鏈接性不佳的串珠狀或者碎片狀,從而導致酸乳的表觀黏度和剪切應力下降,見圖1和圖2。由于變性后的酪蛋白周圍介質的pH可達到4.2,低于其等電點4.6,酪蛋白在此環(huán)境中帶正電荷,黃原膠分子與變性的酪蛋白凝聚體的電離常數不同,其表面攜帶的電荷不會同步變化,因此二者靠近時就會相互吸引并糾纏在一起,見圖5。綜上所述,在酸乳凝膠體系形成過程中,黃原膠分子通過靜電作用和自身的空間位壘作用影響酪蛋白分子的凝聚,破壞其連續(xù)性,從而降低酪蛋白立體網狀結構的牢固度。當黃原膠添加量較低時,黃原膠締合形成的網眼較大,酪蛋白凝聚顆粒大而下沉,導致酸乳乳清析出嚴重。隨著黃原膠濃度的升高,其吸收自由水分子的數量增加,黃原膠分子產生的空間位壘效應也不斷增強,導致酪蛋白凝聚物細小,減少了乳清析出。與對照樣品結構相比,額外加入的黃原膠大分子通過空間位壘效應使酸乳凝膠結構變得“支離破碎”,從而使酸乳的表觀黏度和剪切應力減小。3黃原膠對酸乳凝膠型結構的影響(1)原料牛乳中添加0.1%~0.3%的黃原膠并經乳酸菌發(fā)酵而成的酸乳膠凝體是一種正觸變性流體。這種凝膠的表觀黏度和剪切應力與未加增稠劑(黃原膠)的對照樣相比均減小。添加黃原膠并未增稠,反而導致產品黏度降低。(2)酸乳凝膠體系形成過程中,黃原膠分子通過靜電作用和自身的空間位壘作用影響酪蛋白分子相互交聯形成立體網狀結構,降低酸乳凝膠結構的牢固度,使其變得“支離破碎”,表現為酸乳表觀黏度和剪切應力下降。從黏度和剪切應力看,圖2A、圖2B、圖2C、圖2D顯示的最大剪切應力分別為41.5、23.0、12.1、17.8Pa,說明對照樣品A最“結實”,但是一旦被“破壞”,其應力快速下降,由41.5Pa下降到33.5Pa。降速剪切時,黏度恢復能力較差。加0.2%黃原膠的樣品最為“稀軟”,且其最大應力(21.6Pa)不是在開始受到外力剪切時產生,而是向后拖延至剪切速率為48r/min時產生。在黃原膠添加量分別為0.1%、0.2%、0.3%的3個樣品中,剪切應力最大時,相應的剪切速率分別為50、185、148r/min,它們對應的剪切時間分別是9、24、96、72s。分析4個觸變環(huán)的形狀,它們有很大差異。對照樣品(未加黃原膠)開始(20s)受到剪切時應力很大(圖1A),即40.1Pa。說明該樣品未受剪切時,具有相對“堅固”的結構。而添加黃原膠0.1%的樣品,這種結構被破壞了;加0.2%黃原膠時這種結構變得更“脆弱”;黃原膠添加到0.3%時,樣品的剪切應力與加入0.2%黃原膠的樣品相比增加了,這可能是黃原膠本身的黏度所致。從觸變環(huán)形狀看,與添加0.2%黃原膠時的形狀基本相似,因此認為加入黃原膠后破壞了酸乳凝膠的結構。圖4顯示,未加黃原膠的樣品,酪蛋白微球相互凝聚