第一章緒論

1.1引言

近年來，隨著我國人民生活水平的不斷提高、健康意識的不斷増強，乳制品市場日益壯 大。改革開放以來，我國的奶類產(chǎn)量由1985年的289萬噸増長到2008年的3781.5萬噸， 増長了 13倍。我國乳品工業(yè)的長足進步，不僅體現(xiàn)在乳制品產(chǎn)量上的快速増長，還體現(xiàn)在 對乳制品的消費理念及消費結(jié)構(gòu)上的改變。過去由于對乳制品的認識不足、消費習(xí)慣以及收 入較低等原因，乳制品僅被視為一種營養(yǎng)品，供一些特殊人群使用，如嬰兒、病人、體弱者 等，近年來這種消費群體結(jié)構(gòu)己經(jīng)發(fā)生變化。乳制品的消費呈現(xiàn)出全家共同消費的趨勢，成 為許多家庭日常生活中經(jīng)常消費的一種重要營養(yǎng)食品。過去我國居民對乳品的消費一直以乳 粉為主，近年來這種消費狀況也發(fā)生了改變。從乳制品的消費結(jié)構(gòu)看，液態(tài)乳的消費量上升 較快，所占的比重逐年増大。

液態(tài)乳的種類復(fù)雜，花樣繁多，按其pH值可分為中性乳和酸性乳。酸性乳飲料酸甜適 中，爽滑可口，不僅保留了酸奶的特殊風(fēng)味，還具備了酸奶的大部分營養(yǎng)和功能，且價格適 中，因而在我國深受廣大消費者的青睞，特別是少年兒童。酸性乳飲料在我國液態(tài)乳市場上 迅速占據(jù)了相當(dāng)?shù)姆蓊~，并且每年保持20%左右的増長速率。酸性乳飲料(acidified milk drink，簡稱AMD)是一種以鮮奶、復(fù)原奶和豆奶為主要原料，添加其他甜味劑、穩(wěn)定劑、乳 化劑和色素等輔助原料，利用活性菌進行乳酸發(fā)酵或者直接添加果汁、食品酸（乳酸、蘋果 酸和檸檬酸等）輔助原料調(diào)配獲得的pH介于3.8到4.2 (低于酪蛋白的等電點4.6)，蛋白含 量大于1%的含乳飲料 。為了滿足消費者對酸性乳飲料日益増長的需求，乳制品企業(yè)致力 于生產(chǎn)和開發(fā)形式多樣的酸性乳飲料產(chǎn)品，但脂肪上浮和蛋白質(zhì)沉淀卻一直制約著酸性乳飲 料產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)，而在產(chǎn)品中添加穩(wěn)定劑可以有效解決產(chǎn)品的穩(wěn)定性問題。因此，近年 來對多糖類親水膠體與乳蛋白的相互作用，以及對最終產(chǎn)品穩(wěn)定性的研究成為食品科學(xué)研究 的熱點。

1.2牛乳的組成

牛乳是一種非常復(fù)雜的膠體分散體系，牛乳中主要成份是：水、乳脂肪、乳蛋白質(zhì)、乳 糖和礦物質(zhì)（無機鹽類)，牛乳還含有其它微量成份，例如：色素、酶類、維生素和磷脂（具 有與脂肪相似性質(zhì)的物質(zhì)），以及氣體。牛乳中除去水和氣體之外的物質(zhì)稱為干物質(zhì)（DS) 或乳的總固體含量。牛乳體系中水是主要成分占87%，總固體占13%，固體或懸浮或溶解 于水中，取決于這些物質(zhì)在水相中的不同分散系統(tǒng)。在牛乳中，無機鹽在水中以溶解狀態(tài)存 在，蛋白質(zhì)以膠體狀態(tài)懸浮在溶液中，脂肪形成乳濁液分散于乳中。牛乳中各物質(zhì)含量和分 布狀態(tài)如表1所示。

表1-1、乳的理化狀態(tài) Table 1-1 Physical and chemical state of milk

物質(zhì)平均值（％)乳狀液膠體溶液真溶液

水87.0

脂肪4.0x

蛋白質(zhì)3.5x

乳糖4.7x

礦物質(zhì)0.8x

1.2.1乳脂肪

乳脂肪是牛乳中含量最多的固體，它以小球或小液滴狀分散在乳漿中。其球徑在0.1? 20um(1um=10-6m)之間，平均球徑3?4um，每毫升牛乳中，大約有150億個脂肪球。每 一個乳脂肪球外包一層薄膜，厚度約5-10nm(1nm=10-9m)。脂肪球被膜完整包住。膜的構(gòu)成 相當(dāng)復(fù)雜。乳脂肪組成包括：三酸甘油酯（主要組份）、甘油酸二酯、單酸甘油酯、脂肪酸、 固醇、胡羅卜素（脂肪中的黃色物質(zhì)）、維生素（A、D、E、K)和其余一些痕量物質(zhì)。球 膜組成包括：磷脂、脂蛋白、腦苷類、蛋白質(zhì)、核酸、酶、痕量元素（金屬）和結(jié)合水。應(yīng) 注意的是脂肪球膜的組成和厚度都不是不變的，因為球膜的成份總是與周圍乳漿物質(zhì)不斷進 行交換。

由于乳脂肪球不僅是乳中最大的粒子，而且是最輕的粒子（15.5°C時比重0.93g/cm )， 所以當(dāng)乳在奶桶中靜置一段時間，乳脂肪傾向于浮在乳的表層。脂肪球上浮速度遵循斯托克 斯(Stokes)定律，其中小的脂肪球形成稀奶油層較慢。在一種叫做凝聚素的蛋白質(zhì)作用下，  

乳脂肪因凝聚作用而加快了上浮，這種狀態(tài)下的上浮速度要比單個脂肪球上浮得快，這種 凝聚作用很容易因加熱，機械作用而破壞，在65°C/10min或75°C/2min加熱條件下，該凝 聚素即失活。

1.2.2蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是食物中的基礎(chǔ)組份，我們食入的蛋白質(zhì)經(jīng)肝臟和消化系統(tǒng)的作用，被分解為較 簡單的化合物，這些化合物再被送到身體的細胞，成為構(gòu)成細胞蛋白質(zhì)的物質(zhì)。蛋白質(zhì)也是 牛乳中的一個關(guān)鍵成分，在乳品工業(yè)中非常關(guān)心的一個問題是乳蛋白質(zhì)在乳中的存在狀態(tài)， 蛋白質(zhì)膠粒的穩(wěn)定性(分散、乳化)、不穩(wěn)定性(凝聚、沉淀）等現(xiàn)象，都直接與乳蛋白質(zhì)的 性質(zhì)有關(guān)。牛乳中大約含0.5%的氮，其中95%為乳蛋白質(zhì)，5%為非蛋白態(tài)氮。蛋白質(zhì) 在牛乳中的含量為3.3%-3.5%。按氮的分布測定法，乳中所含蛋白質(zhì)如圖1-1所示。

 

圖1-1類牛乳蛋白質(zhì)分 Figure 1-1 Classification of milk protein

幾百種蛋白質(zhì)，多數(shù)含量較少，根據(jù)蛋白質(zhì)的化學(xué)或物理性質(zhì)和其生理功效可有各種不 同的分類方式。古老的方式是將其分為：酪蛋白、乳白蛋白和乳球蛋白。表2所示為按現(xiàn)代 分類系統(tǒng)分類的蛋白質(zhì)的節(jié)略名單。為簡便起見，不包括那些微量蛋白質(zhì)。

一、乳清蛋白

乳清蛋白這一名稱常用于代表乳漿蛋白質(zhì)，但這一名稱應(yīng)專用于干酪加工過程中產(chǎn)生 的乳清中的乳蛋白質(zhì)。除了乳漿蛋白，乳清蛋白還包括酪蛋白碎片。在乳清中，一些乳漿蛋 白的濃度低于其在乳中的濃度。這是因為在干酪制做過程中，巴氏殺菌處理導(dǎo)致蛋白質(zhì)熱變 3 性的結(jié)果。在乳中的蛋白質(zhì)可因其特性上和存在形式的最大差別分為三大類，酪蛋白在乳漿 蛋白仍形成溶液時，易于以許多形式從乳中沉淀出來；而脂肪球膜蛋白正如其名，是附著于 脂肪球表面的蛋白質(zhì)。只有一些機械處理，如攪打稀奶油制做奶油時才會被剝離下來。

乳白蛋白一一乳清在中性狀態(tài)下，加飽和硫酸銨或飽和硫酸鎂鹽析時.呈溶解狀態(tài)而不 析出的蛋白質(zhì)屬于乳白蛋白。約占乳清蛋白質(zhì)的68%。乳白蛋白又分為，

I、a-乳白蛋白：約占牛乳中蛋白質(zhì)總量的3.7%，等電點pH值為5.1。

II、 P-乳球蛋白：約占牛乳中蛋白質(zhì)總量的9.8%，等電點pH值為5.2。

III、血清白蛋白：牛乳中蛋白質(zhì)總量的1.2%，等電點pH值為4.9。

表1-2乳中蛋白質(zhì)的濃度 Table 1-1 The concentration of protein in milk

蛋白種類乳中蛋白質(zhì)濃度（g/Kg)占蛋白質(zhì)總量的百分數(shù)（W/W )

酪蛋白

a si-酪蛋白10.030.6

酪蛋白2.68.0

e-酪蛋白10.130.8

K-酪蛋白3.310.1

酪蛋白總量26.079.5

乳清蛋白質(zhì)

a-乳白蛋白1.23.7

e-乳球蛋白3.29.8

血清白蛋白0.41.2

免疫蛋白0.72.1

其他0.82.4

乳清蛋白總量6.319.3

脂肪球膜蛋白0.41.2

蛋白總量32.7

a-乳白蛋白相當(dāng)穩(wěn)定，70°C時僅有6%變性，而e-乳球蛋白32%變性。a-乳白蛋白含

有4條二硫鍵，通過二硫健與e-乳球蛋白結(jié)合，在乳制品加工過程中經(jīng)常發(fā)生分子內(nèi)或分

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子間的二硫健交換反應(yīng)。乳球蛋白在加熱過程中，60°C時引起Cysll9與芳香族氨基酸反 應(yīng)，使天然的乳球蛋白二聚體解離。乳球蛋白與a si蛋白的二硫鏈空換反應(yīng)使乳球 蛋白與酪蛋白結(jié)合。乳球蛋白還可以與K-酪蛋白結(jié)合，這些分子之問的相互作用能夠増 加熱穩(wěn)定性，阻止0 -乳球蛋白的聚集。

乳球蛋自一一乳清在中性狀態(tài)下，加飽和硫酸銨或飽和硫酸鎂鹽析時，能析出而不呈溶 解狀態(tài)的乳清蛋自質(zhì)。乳球蛋白又分為：

a.真球蛋白：約占乳清蛋白的5.2%，等電點pH值為6.0。

b.假球蛋白：約占乳清蛋白的4.8%，等電點pH值為5.6。

乳球蛋白己分離為兩個非常純的組分，即真球蛋白和假球蛋白，這兩種蛋白質(zhì)與乳的免 疫性有關(guān)，也就是具有抗原作用，所以常常稱為免疫球蛋白。其特征為含有己碳糖和己碳糖 胺，從血液移行到乳中，初乳比常乳中含量顯著増加。中國科學(xué)院上海生理研究所的科研人 員通過大量實驗和臨床測試，利用初乳經(jīng)巴氏殺菌冷凍升華干燥（-30 C、10KPa )制成乳珍。 它不僅有很高的營養(yǎng)價值，對耍幼兒有増強機體抗病能力的作用，促進其生長發(fā)育，對老年 人還具有一定的抗衰老作用。甚至在治療某些要幼兒疾病方面都有良好作用，在輔助治療成 年人胃炎及糖尿病等方面也有明顯效果[2]。

二、酪蛋白

酪蛋白占牛乳蛋白質(zhì)總量的80-82%，是牛乳蛋白質(zhì)的主要成分。當(dāng)脫脂乳在20° C下， pH調(diào)整到4.6時，沉淀下來的蛋白質(zhì)就是酪蛋白。乳中含有4種不同類型的酪蛋白，即a,1、 如、P和K酪蛋白，它們的比例一般是4 : 1 : 4 : 1。由于乳牛遺傳類型不同，乳中酪蛋白類 型的比例是變化的。同時如和a,2酪蛋白分子中的某些氨基酸也常有不同程度的改變。在pH 值為8.6的Tns甘氨酸緩沖液條件下，不同類型的酪蛋白組分可用電泳方法進行分離。知酪 蛋白分子中存在多個疏水性殘基的區(qū)域和〇絲氨酰磷酸化形成的負電荷基團的簇狀結(jié)構(gòu)， 每摩爾分子中含有8-9個磷酸化的殘基。a,2酪蛋白是4種不同蛋白質(zhì)的混合物，它們的分子 中含有的磷酸化殘基數(shù)不同，每摩爾蛋白質(zhì)分別含有10, 11，12或13個磷酸化的殘基。心- 酪蛋白對鈣敏感。由于磷酸基團的存在，在pH值為7-10時，Ca2+可以將ax-酪蛋白沉淀出來。 另外，由于8.5%的脯氨酸分子分布在整個肽鏈中，使其中螺旋含量降低。a,2酪蛋白的電荷 區(qū)域位于8-12，56-61位殘基處。p-酪蛋白分子中的大多數(shù)疏水基團形成大區(qū)域(48-209位)， 多肽鏈的#末端區(qū)含有親水的氨基酸殘基和5個磷酸化的殘基[3]。B-酪蛋白的荷電區(qū)域位于 14-20位殘基處。這種蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是緊密排列的折疊結(jié)構(gòu)，其中氨基酸極性基團位于 外層表面，且被水化，內(nèi)部的疏水區(qū)域由非極性氨基酸構(gòu)成。因此0酪蛋白以疏水內(nèi)核的疏

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水相互作用形成聚集體，而#末端的親水部暴露于溶劑中[4_5]。K-酪蛋白與其他類型的酪蛋白 不同，含有一個磷酸化殘基，同時存在寡糖基成分和一個二硫鍵結(jié)構(gòu)。凝乳酶敏感鍵位于分 子的表面[6_8]

 

Figure 1-2 Schematic diagram showing the polymerization pathways followed in casein micelle assembly according to the dual binding model

酪蛋白是典型的含磷蛋白質(zhì)，4種酪蛋白的區(qū)別就在于它們含磷量的多寡。酪蛋白是由 心1 -酪蛋白（含有8-9個磷酸化基團）、a,2-酪蛋白（含有10-13個磷酸化基團）、灸酪蛋白（含 有5個磷酸化基團）和&酪蛋白（含有1個磷酸化基團）組成。不同類型酪蛋白的結(jié)構(gòu)具 有相似性，能夠自行組合成聚集體，并進一步形成膠束。ay酪蛋白、a#酪蛋白、灸酪蛋白 靠疏水鍵的相互作用構(gòu)成了亞膠束的核，并進一步結(jié)合磷酸鈣形成膠束[10]。&酪蛋白具有比 較特殊的結(jié)構(gòu)，它的2/3N-末端（副心酪蛋白部分）具有疏水性，而1/3的C-端（大肽端） 部分具有親水性。因此在亞膠束中的心酪蛋白具有雙重作用，它可以與知-酪蛋白形成疏水 交互作用，同時可以在膠束粒子的表面提供親水表層。&酪蛋白的C-端突伸出膠束粒子的 表面，像“柔軟彎曲”的“毛發(fā)”，構(gòu)成膠束粒子的“發(fā)層”結(jié)構(gòu)[11-14](如圖1-2)。

酪蛋白膠束在乳中呈現(xiàn)為含鈣、磷酸鹽的絡(luò)合物狀態(tài)[14-17]。牛乳在正常狀態(tài)下(38C)， 所有的酪蛋白成分均以分散的膠粒狀態(tài)存在，膠粒的直徑為20-600nm (平均120nm)，平均分 子量為108,以海綿狀結(jié)構(gòu)存在，這有利于蛋白水解酶進入分子的內(nèi)部。酪蛋白膠束由亞基(次 單元體)組成，這些亞基(直徑8-20nm)通過磷酸鈣[Ca3(PO4)2]相互連接在一起。心酪蛋白位 于膠束的表面，亞基之間以疏水鍵和膠體磷酸鈣相互作用的方式連接在一起。由于酪蛋白膠 束的存在取決于4種不同類型酪蛋白與磷酸鈣之間的相互作用，因此酪蛋白膠束的組成和結(jié) 構(gòu)受pH值、溫度和加工條件等因素的影響。

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1.3牛乳的穩(wěn)定性

1.3.1牛乳穩(wěn)定原理

 

圖1-3酪蛋白膠束間的相互作用[18]

Figure 1-3 Two interacting casein micelles.

牛乳之所以能穩(wěn)定存在，主要是由于酪蛋白的穩(wěn)定。酪蛋白膠粒的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1-3。 酪蛋白膠粒之間存在著靜電排斥作用和空間位阻作用，酪蛋白膠粒之所以能夠在牛乳中穩(wěn)定 存在，是這兩種作用的共同作用結(jié)果。酪蛋白的表面帶有相同的電荷，因此膠粒間具有靜電 排斥作用，但這并不是使酪蛋白穩(wěn)定存在的主要因素。^-酪蛋白位于酪蛋白膠粒的表面， 它的C-端具有親水性，使膠粒表面帶有高度濃縮的水化層，當(dāng)膠粒相互碰撞時，有彈性的

水化層可以阻擋其靠近[19]。此外心酪蛋白的“發(fā)層”結(jié)構(gòu)（hairy layer)或稱之為“聚電解質(zhì) 刷”結(jié)構(gòu)(polyelectrolyte brush)所提供的空間位阻效應(yīng)（steric repulsion)是維持酪蛋白穩(wěn)定 存在的關(guān)鍵因素。即當(dāng)膠粒相互碰撞時，伸展于膠束表面的^-酪蛋白分子將損失構(gòu)型熵并 提供排斥力，防止酪蛋白膠粒發(fā)生聚集[20-21]

總之，酪蛋白膠粒間存在三種相互作用：第一是范德華相互吸引作用，另外兩種是相互 排斥作用，即靜電排斥作用和空間位阻排斥作用。通過計算看到，各種相互作用的組合將形 成不同的膠束間相互作用的能量-距離曲線，并由此決定牛乳的穩(wěn)定性。  

1.3.2酸性乳飲料穩(wěn)定性表征方法

酸性乳飲料在放置過程中易出現(xiàn)相分離（如顆粒沉淀或上?。w系發(fā)生失穩(wěn)。因此對 其穩(wěn)定性的評判對于如何保持飲料的品質(zhì)、獲得較長的貨架期尤為重要。但對乳飲料穩(wěn)定性 評價并沒有一個具體的指標，通常采用直接長期觀測或者間接測定體系的某些物化性質(zhì)來表 征其穩(wěn)定性。何時產(chǎn)生相分離或沉降量達一定水平常作為貨架期長短的標準。

一、直觀評價（目視）及和沉降量測定

最直接簡單的方法是直觀評價。將酸性乳飲料在一定的環(huán)境下靜置，在一定時間段（數(shù) 天至數(shù)月）直接觀察其相分離情況。這種方法無疑能準確判斷乳飲料穩(wěn)定性，甚至直接給出 樣品貨架期，但耗時長且只能定性是其明顯缺點，不能滿足產(chǎn)品開發(fā)和成品檢驗的快速檢測

需要。

將樣品離心加速沉淀，然后測定沉降量，這是一種對比不同樣品穩(wěn)定性較快捷的方法。 從Stokes定律可知，牛乳體系中粒子的沉降速率與粒子粒徑成正比，因此沉降量較低的樣 品較穩(wěn)定。知：^0[22]等通過測量沉降量研究了添加不同果膠量對酸性乳飲料穩(wěn)定性的影響。 該法己廣泛應(yīng)用于乳品穩(wěn)定性的研究，但是測量沉降量是一種較粗略的方法，每次需要多次 重復(fù)取平均值。

二、穩(wěn)定性分析儀

垂直掃描分析儀（Turbiscan)是目前常用的穩(wěn)定性測定儀，其原理是采用多重光散射技 術(shù)，通過在線監(jiān)測樣品透射光和背散射光強度隨時間的變化，進而獲得樣品的沉降速率及穩(wěn) 定性[23]。這一方法遠較目視評判靈敏、快捷，可通過樣品透過率變化的程度判斷穩(wěn)定性。 如Jensen等將樣品池頂部2mm之內(nèi)的透射率超過20%作為判定乳飲料不穩(wěn)定的準則。為滿 足產(chǎn)品開發(fā)的需要，通過離心法將樣品加速沉淀，然后計算沉降速率也是一種對比不同樣品 穩(wěn)定性的快捷方法（相關(guān)分析儀如LUMiSizer)。雖然上述方法己廣泛應(yīng)用于乳品穩(wěn)定性的 研究，但在實際工作中，還需針對具體產(chǎn)品建立沉降速率與實際貨架期之間的關(guān)系。

三、動態(tài)光散射（DLS)法

由Stokes定律可知，乳體系中粒子的粒徑與其穩(wěn)定性密切相關(guān)。動態(tài)光散射是測量粒 徑的最佳方法之一。通過粒徑隨時間及其它條件的變化不僅可以了解體系穩(wěn)定性，更可探知 體系穩(wěn)定/失穩(wěn)得機理。如Maroziene等[24]采用DLS探明了不同酯化度果膠對酸性乳中酪 蛋白膠束大小的影響。丁以@1?！旱萚25]利用DLS獲得了果膠在酪蛋白上的吸附情況及吸附層的 厚度。Du等利用DLS檢測了乳體系在調(diào)酸過程中酪蛋白膠束粒徑隨pH值的變化，探明了 CMC與酪蛋白發(fā)生相互作用的過程。

四、Zeta電位測定

乳飲料作為一個復(fù)雜的膠體體系，其zeta電位的大小對其穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。

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Sejersen等 通過測量zeta電位，分析了果膠含量對穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)果膠含量越大，zeta 電位越負，體系越穩(wěn)定。Du等[26-27]測量了含不同CMC的乳飲料中酪蛋白膠束的zeta電位 隨pH降低的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH降至5.2左右時，zeta電位開始降低；當(dāng)pH降低到4.8 時，zeta電位達到最小值。酪蛋白的zeta電位在pH 5.2-4.8的范圍內(nèi)顯著降低。這一結(jié)果表 明，帶有負電的CMC通過靜電作用吸附到到酪蛋白的表面，起到穩(wěn)定酪蛋白的作用。

五、顯微鏡法

通過顯微鏡可直接觀察顆粒在乳體系中的實際分散情況，從而預(yù)測酸性乳飲料的穩(wěn)定 性。最常用方法是使用激光共聚焦顯微鏡（CLSM)進行觀察，這需要對蛋白和脂肪分別染 色。該法能觀察全脂乳飲料中脂肪與蛋白的分散狀態(tài)進而對產(chǎn)品穩(wěn)定性進行評估[28]。Du等 [26]利用CLSM觀察了含不同CMC的酸性乳飲料的分散狀態(tài)及其穩(wěn)定性（圖1-4)。從圖中 可以看出，添加0.1°% CMC的酸性乳體系存在明顯的聚集現(xiàn)象，而含有0.2°%和0.4°% CMC 的體系則表現(xiàn)為均一分散，說明CMC濃度越大乳體系越穩(wěn)定。其它觀察方法還有透射電子 顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、冷凍掃描電子顯微鏡(Cryo SEM)法等。如McMahon 等[29]利用TEM觀察了脫脂乳體系在調(diào)酸過程中酪蛋白膠束的變化歷程，對進一步解決酸化 導(dǎo)致蛋白沉淀的問題起到了指導(dǎo)作用。Martin等[30]利用SEM觀察到乳體系中K-卡拉膠在酪 蛋白膠束間成絲狀，并將酪蛋白膠粒串起（圖2)，從而對乳體系起到穩(wěn)定作用。

 

圖1-4添加不同CMC濃度的酸性乳飲料的共聚焦顯微鏡照片。標尺：16叫 Figure 1-4 Confocal microscopy photos of acidified milk drinks with different CMC concentrations. Scale: 16^m

 

圖1-5乳體系的掃描電鏡照片（體系含10%脫脂奶粉，0.03% k-卡拉膠）。標尺：（A) 3000

nm; (B) 1200 nm

Figure 1-5 SEM of milk drinks systems. Scale: (A) 3000 nm; (B) 1200 nm

穩(wěn)定性的表征方法還有很多，如流變學(xué)方法等。不同方法各有其特點，在實際研究工作 中，需要多方法的結(jié)合才能全面了解和把握乳體系的穩(wěn)定/失穩(wěn)機理和產(chǎn)品的實際穩(wěn)定性。

1.3.3酸性乳飲料失穩(wěn)機理

由于乳脂肪球不僅是乳中最大的粒子，而且是最輕的粒子（15.5°C時比重0.93g/cm3), 所以當(dāng)乳在奶桶中靜置一段時間，乳脂肪傾向于浮在乳的表層。脂肪球上浮速度遵循斯托克 斯(Stokes)定律，其中小的脂肪球形成稀奶油層較慢。在一種叫做凝聚素的蛋白質(zhì)作用下， 乳脂肪因凝聚作用而加快了上浮，這種狀態(tài)下的上浮速度要比單個脂肪球上浮得快，這種 凝聚作用很容易因加熱，機械作用而破壞，在65C/10min或75C/2min加熱條件下， 該凝聚素即失活。

酪蛋白是以酪蛋白磷酸鈣絡(luò)合物形式以膠束狀態(tài)存在于乳中。在乳品工業(yè)中，很多工藝 過程都會導(dǎo)致這種酪蛋白體系的變化，特別是酸、受熱、鹽類、凝乳酶等作用，對粒子的凝 聚具有很大影響[31]。乳中的酪蛋白磷酸鹽粒子與乳漿之間保持一種不穩(wěn)定的平衡。酪蛋白 在溶液中主要以其表面K-酪蛋白提供的靜電排斥作用和空間位阻作用保持穩(wěn)定狀態(tài)。4種酪 蛋白通過鎂和鈣二價離子結(jié)合，因而對周圍的pH值、鹽類、離子濃度及溫度等環(huán)境的變 化非常敏感[32-33]。

牛乳酸化過程中酪蛋白理化性質(zhì)的變化： pH 5.8-5.5:Z-電位降低，酪蛋白膠束傾向于聚集[34-36];

pH5.5-5.0:酪蛋白膠束以一定的順序發(fā)生溶解（尤，);酪蛋白膠束中的 膠體磷酸鈣溶解[37]，使膠束的流體力學(xué)直徑過渡性減少；

pH小于5:膠體磷酸鈣完全溶解[38];膠體所帶電荷隨著pH值的降低而下降，酪蛋白膠 束間的靜電排斥作用減弱；同時心酪蛋白也隨著pH值的降低而塌陷，其空間位阻作用也 會降低[39]。由于兩種作用的消失，膠束粒子易于聚集，使乳體系失穩(wěn)。

1.3.4多糖穩(wěn)定酸性乳飲料研究 1.3.4.1多糖與蛋白質(zhì)之間的相互作用

酪蛋白之所以能穩(wěn)定存在于牛乳中，一般認為是膠粒之間的靜電排斥和空間位阻共同作

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用的結(jié)果[36]。在酸性條件下（低于酪蛋白等電點時），酪蛋白膠粒傾向于聚集使體系失穩(wěn)[40]。 因此在酸性乳飲料的生產(chǎn)過程中，常常需要加入穩(wěn)定劑以提高體系的穩(wěn)定性。在酸性乳飲料 中添加的穩(wěn)定劑多是多糖高分子。

蛋白質(zhì)與多糖在水溶液中的交互作用主要有如圖1-6所示的三種形式，即共容 (Cosolubility)、絡(luò)合(complex coacervation)及不相容(Incompatability)[41]。共容是指多糖和蛋

白質(zhì)的相互作用類似于相同聚合物間的相互作用而發(fā)生的實質(zhì)性的混合。鑒于蛋白質(zhì)與多糖 都是多聚體，實際能夠形成共容的聚合物混合體系是很少見的。絡(luò)合是指蛋白質(zhì)與多糖可在 水溶液中發(fā)生交互作用，即大分子間相互吸引，通過靜電相互作用、氫鍵或共價鍵進行連接， 形成絡(luò)合物。而不相容即兩種分子間以斥力為主，不發(fā)生相互作用，絡(luò)合物的形成受到抑制。

 

圖1-6多糖/蛋白質(zhì)/水三元聚合物溶液的狀態(tài)[56]

Figure 1-6 Classification of the mixing behaviour of ternary polymer solutions solvent +

polysaccharide + protein

對多糖和蛋白質(zhì)共存的體系，多糖是否容易吸附在蛋白質(zhì)上，多糖本身是否凝膠以及其 添加的濃度都對穩(wěn)定效果有很大的影響。多糖在蛋白質(zhì)膠體懸浮液中不同的作用狀態(tài)見圖 1-7、1-8、1-9 [42]。

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a■癱

脅：.•為-bl夢參

^-S(--^

纖m

 

圖1-7加入蛋白質(zhì)膠體體系中的多糖不與蛋白質(zhì)發(fā)生吸附，多糖自身不形成凝膠 Figure 1-7 Non-adsorbing, non-gelling polymer in colloidal dispersions.

圖1-7中，對于非吸附、非凝膠多糖，隨著多糖濃度的増加，系統(tǒng)發(fā)生如下變化[43]: (a) 穩(wěn)定、（b)耗散絮凝（depletion flocculation )、（c)穩(wěn)定。在多糖濃度低的情況下，體系 是穩(wěn)定的。隨多糖濃度升高，發(fā)生耗散絮凝，體系分為兩相，一相為富含多糖的水溶液，另 一相為酪蛋白的聚集體。這種不穩(wěn)定的狀態(tài)經(jīng)過一段時間后可能形成假穩(wěn)定狀態(tài)（b*)--重 組緊密堆積的膠粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)多糖濃度繼續(xù)升高，體系因粘度増加而穩(wěn)定，但高濃度在實 際體系中是不適用的。

圖1-8中，對于吸附、非凝膠多糖，隨著多糖濃度的増加，系統(tǒng)發(fā)生如下變化：（a)架 橋絮凝（bridge flocculation)、（b)穩(wěn)定、（c)耗散絮凝（depletion flocculation)。在多

糖濃度低的情況下，多糖分子同時與幾個酪蛋白膠粒作用，發(fā)生架橋絮凝，使酪蛋白聚集， 體系失穩(wěn)。如體系里存在過多的未發(fā)生吸附的多糖，會引起耗散絮凝，多糖從酪蛋白膠粒之 間排擠出來，導(dǎo)致周圍和膠粒之間的多糖存在濃度差，在滲透壓的作用下，使膠粒發(fā)生聚集

[41]

 

圖1-8加入蛋白質(zhì)膠體體系中的多糖能與蛋白質(zhì)發(fā)生吸附，多糖自身不形成凝膠

Figure 1-8 Adsorbing， non-gelling polymer in colloidal dispersions.

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圖1-9中，（a)非吸附、凝膠多糖在酪蛋白膠粒周圍產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；（b)吸附、凝膠 多糖將膠粒包裹在凝膠結(jié)構(gòu)里，這兩種情況都很穩(wěn)定。（c)對吸附、凝膠多糖來說，如果多 糖的濃度低于形成凝膠的臨界濃度，則發(fā)生架橋絮凝使體系失穩(wěn)[44]。

 

圖1-9加入蛋白質(zhì)膠體體系中的多糖能夠形成凝膠 Figure 1-9 Gelling polymer in colloidal dispersions.

多糖高分子之所以能穩(wěn)定酸性乳飲料有三個方面的原因：首先，多糖高分子添加到酸性 乳體系中可以増加體系粘度，減少分散粒子的碰撞和聚集；其次，多糖高分子能夠吸附在酪 蛋白的表面，形成“毛發(fā)結(jié)構(gòu)”或者“聚電解質(zhì)刷結(jié)構(gòu)”，提供靜電排斥作用和空間位阻作 用；再次，多余的多糖高分子可以在酸性乳體系中相互交聯(lián)，纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免分散 粒子的相互接觸[41]。

1.3.4.2常用多糖穩(wěn)定劑簡介

現(xiàn)在對多糖穩(wěn)定劑研究較多的是果膠，可溶性大豆多糖，海藻酸丙二醇酯等。他們都是 陰離子多糖，被認為是目前穩(wěn)定效果較好的多糖穩(wěn)定劑。

一、果膠

果膠是從蘋果果渣、柑橘皮及甜菜塊莖等植物的細胞壁提取出來的多糖，果膠類多糖通 常為雜多糖，其包括三大類：半乳糖酸酸聚糖（homogalacturonans HGA)、鼠李半乳糖酸酸 聚糖 I (Rhamnogalacturonans RG I )和鼠李半乳糖酸酸聚糖 II (Rhamnogalacturonans RG

II)。HGA是由a -D-半乳糖醛酸殘基通過1，4糖苷鍵連接而成的線性聚糖，由100?500個 GalA殘基組成。若在a -(1—4)連接的多聚半乳糖醛酸主鏈中間插入一些吡喃型鼠李糖(Rhap) 即為鼠李半乳糖醛酸聚糖I。它由半乳糖醛酸和鼠李糖交替組成的重復(fù)單位：4)-a -D-GalpA-(1，2)-a -L-Rhap-(1。在鼠李糖殘基的G4位結(jié)合有不同種類的中性或酸性寡聚糖： 阿拉伯半乳聚糖（ara-binogalactans)以P -(1—4)連接的多聚半乳糖為主鏈并帶有a -(1—5)L-

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阿拉伯呋喃糖殘基(Araf)側(cè)鏈。RG2II的結(jié)構(gòu)與RG2 I完全不同。因為它的主鏈并非在4- a -D-GalpA-(l，2)-a-L2Rhap-l 毛發(fā)區(qū)，而是 1，4-a-D-GalpA 光滑區(qū)，主鏈上的 GalpA 至

〇Gal

LM6

RG-I

HGA

RG-II

methyl-ea

acelyl-«8t

stenfication of HG backbone?

ienfcaton of HG backbone7

datnbution m pectin chains

cMorM of xylose substitution

Xylogalacturonan

degree and pattern of scetyl-estenfcaton

degree and pattern of methyl-«sJenficati〇n

distribution of »ide chains in RG backbone

linkages and branching of side chams

lencth of side chains

nature of sugars in side chains

■ degree GalAr

and pattern of methyl-esterfication of

residues

length of xylose side chains

distnbuOon of sjbstituents over backbone

少為8個，己確認四種支鏈結(jié)構(gòu)。兩種雙糖殘基側(cè)鏈結(jié)合于GalpA的G3位，另外兩種寡糖 殘基側(cè)鏈結(jié)合于GA的G2位。RG2II為低分子量(5210Kd)果膠類多糖，包含11中不同的糖 殘基，因而結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。其結(jié)構(gòu)如圖1-10所示[45]。

GalA residues

Apiogalacturo

degree of apiose subsl

nan

：Kution

degree and pattern of meihyt^sterification

length of apiose side chains aismbubon of sjbstrtuents over ba degree and pattern of methyl-este

圖1-10果膠結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 1-10 Schematic diagram of pectin

凝膠化作用是果膠的一大特點。在一定條件下，果膠分子間可以交聯(lián)成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 水和可溶性固體被封入其網(wǎng)絡(luò)之中，從而完成凝膠化。果膠的化學(xué)構(gòu)造、溫度、pH值、鈣 離子、糖等因素，影響著果膠的凝膠作用與凝膠強度。其中半乳糖醛酸的羧基有不同程度的 甲酯化，根據(jù)酯化度的不同，果膠有高酯果膠（HM)與低酯果膠(LM)之分。甲酯化程度是影 響果膠流變學(xué)性質(zhì)和其他性質(zhì)的重要因素，同時也決定了果膠的應(yīng)用途徑。増黏與穩(wěn)定化作 用是果膠重要的食品學(xué)性質(zhì)。其中作為酸性乳飲料的穩(wěn)定劑是果膠在食品工業(yè)中的主要用途 之一。

在中性條件下，酪蛋白表面的K酪蛋白伸出酪蛋白表面，可以提供靜電排斥作用和空間 位阻作用，這是酪蛋白在中性條件下穩(wěn)定的原因。當(dāng)加入果膠后，隨著pH值的降低，由于 果膠與酪蛋白間的靜電作用，果膠會吸附在酪蛋白膠粒表面，提供K酪蛋白之前提供的靜電 排斥作用和空間位阻作用從而穩(wěn)定酪蛋白@]。其作用機理如圖1-11所示。

Parker[47]等通過實驗證明酪蛋白/果膠復(fù)合物的zeta電位很小，其靜電排斥作用不足以

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提供復(fù)合膠粒間的穩(wěn)定性，據(jù)此推測吸附在酪蛋白膠束上的果膠所提供的靜電排斥作用不是 酪蛋白在酸性條件下穩(wěn)定的主要原因，而其提供的空間位阻作用是主要原因。即在低pH值 下，吸附于酪蛋白膠束表面的果膠分子鏈向外伸展，相當(dāng)于在中性條件下酪蛋白表面的K- 酪蛋白的‘‘毛發(fā)結(jié)構(gòu)”或者‘‘聚電解質(zhì)刷結(jié)構(gòu)”（如圖1-12所示)。Tmmer等[25]利用動態(tài)光 散射方法研究了果膠在酪蛋白膠束上的吸附及吸附層的厚度。結(jié)果表明，當(dāng)酪蛋白/果膠復(fù) 合體系的pH值小于5時，由于果膠與酪蛋白間的靜電作用，果膠在酪蛋白膠束上發(fā)生了多 層吸附。

 

Figure 1- 11 Schematic picture of the ^replacement5 of K-casein by pectin on lowering pH， and casein micelles „coated’with adsorbed pectin molecules.

Tromp等[48]研究了非吸附果膠在酸性乳體系中的存在狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)在他們的研究體系 中，添加果膠中的90%都不與酪蛋白發(fā)生吸附，而是存在于酸性乳體系中，非吸附果膠之 間可以形成弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而増加酸性乳飲料的穩(wěn)定性?？墒钱?dāng)把非吸附果膠從酸性乳體系 中分離出來時，并不會導(dǎo)致酸性乳體系的不穩(wěn)定。所以，非吸附果膠可以形成弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)増 加酸性乳飲料的穩(wěn)定性，但不是穩(wěn)定酪蛋白的最主要因素。

所以，目前對果膠穩(wěn)定酸性乳飲料機理的共識是：（1)在酸性條件下，果膠吸附在酪 蛋白表面提供一定的靜電排斥作用和空間位阻作用使酪蛋白膠粒體系穩(wěn)定；（2)對于酸性乳 體系中的非吸附果膠，他們之間或與吸附有果膠的酪蛋白粒子形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而也起 到一定的穩(wěn)定作用。其穩(wěn)定機理如圖1-12所示。

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圖1-12酸性乳飲料中非吸附果膠與帶有果膠吸附層的乳蛋白形成弱復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的示意圖 Figure 1-12 Schematic drawing of the distribution of protein gel particles (round) and pectin (randomly winding lines) in acidified milk drinks of pH 4. There are voids filled with serum pectin among clusters of pectin-coated protein particles.

二、可溶性大豆多糖

可溶性大豆多糖(Soluble Soybean Polvsaccharides, SSPS)是一種來源于大豆的水溶性多

糖類，屬酸性多糖，最早在1993年由日本不二制油公司開始商業(yè)化生產(chǎn)?？扇苄源蠖苟嗵?結(jié)構(gòu)類似果膠，由半乳糖(Ga1)、阿拉伯糖(Ara)、半乳糖醛酸(GalA)、鼠李糖(Rha)、巖藻糖 (Fue)、木糖(Xy1)和葡萄糖(G1e)等組成[49]。其主要的構(gòu)造是聚鼠李糖半乳糖醛酸和聚半乳糖 醛酸的主鏈上結(jié)合著半乳聚糖和阿拉伯糖聚糖，側(cè)鏈近似球狀結(jié)構(gòu)；另外還有一些蛋白質(zhì)成 分結(jié)合在糖鏈上，相對分子質(zhì)量約為30?100萬。

可溶性大豆多糖的結(jié)構(gòu)使其在水溶液中具有相對較低的粘度和較高的穩(wěn)定性;優(yōu)良的溶 解性能，無論在較高的溫度或是較低的溫度下都可以溶解，且溶解冷卻后不會形成絮凝和凝 膠現(xiàn)象；溶液的粘度受酸、熱及鹽的影響很小。

可溶性大豆多糖的這些優(yōu)良特性使其具有很多獨特的功能，如酸性條件下對蛋白顆粒的 穩(wěn)定作用、乳化和乳化穩(wěn)定性、抗粘結(jié)性、發(fā)泡穩(wěn)定性及成膜性能等，作為穩(wěn)定劑、乳化劑、 抗結(jié)劑和分散劑等廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，且可溶性大豆多糖本身即是膳食纖維，因此可適于 添加到各種食品中。1994年開始被應(yīng)用到酸性乳體系中作為穩(wěn)定劑?？扇苄源蠖苟嗵侨芤?的粘度低于果膠，用于穩(wěn)定酸性乳飲料時具有更清爽的口感，并且其用量少于果膠時就可以

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達到相同的穩(wěn)定效果。

Nakamura等[50]用酶解法對比研究了可溶性大豆多糖和果膠對酸性乳體系的穩(wěn)定作用。 當(dāng)酶解掉可溶性大豆多糖的阿拉伯多糖(Arabinan)或半乳聚糖(galactan)的中性支鏈后，其穩(wěn) 定作用消失，而酶解開主鏈的半乳聚糖或鼠李二半乳糖酸酸聚糖(rhamnog-alacturonan)時，

其對酸性乳體系仍有較好的穩(wěn)定效果。相反的是，當(dāng)果膠主鏈被酶解后其穩(wěn)定作用明顯減弱， 而中性支鏈被酶解后穩(wěn)定效果沒有顯著變化。根據(jù)以上實驗結(jié)果，Nakamura認為可溶性大 豆多糖和果膠穩(wěn)定酸性乳系的機理不同。由阿拉伯多糖或半乳聚糖構(gòu)成的中性支鏈多糖是可 溶性大豆多糖穩(wěn)定酸性乳體系的關(guān)鍵因素。當(dāng)可溶性大豆多糖吸附到酪蛋白表面后，較長的 中性支鏈提供很好的空間穩(wěn)定作用以穩(wěn)定酸性乳體系。而果膠相對于可溶性大豆多糖來說， 主要是由于吸附有果膠的酪蛋白復(fù)合膠粒間的靜電排斥作用。這一實驗結(jié)果與前述的結(jié)論是 不一致的，對于果膠穩(wěn)定酸性乳體系的機理還有待于進一步的探討。

Nakamura等[51]還對可溶性大豆多糖和果膠對酸性乳體系穩(wěn)定作用的差異進行了對比研 究。果膠所帶的電荷較多，在果膠/酪蛋白復(fù)合體系剛開始酸化時，在pH為5.8?5.0的范 圍內(nèi)，就可以吸附到酪蛋白膠束上，某種程度上影響了酪蛋白膠束的重排。而可溶性大豆多 糖在pH大于4.6時，不能與酪蛋白發(fā)生相互作用，當(dāng)體系pH小于4.2時，可溶性大豆多糖 的穩(wěn)定效果要優(yōu)于果膠。這些差別是由于兩者分子結(jié)構(gòu)的不同，可溶性大豆多糖帶有少量的 電荷和較長的中性支鏈，與酪蛋白發(fā)生吸附后，其中性支鏈會提供較強的相互作用。

蛋白質(zhì)分子是由含有酸性羧基和堿性氨基的肽鏈組成。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液中加入可溶性大豆 多糖時，可溶性大豆多糖的酸性主鏈與蛋白質(zhì)的堿性氨基結(jié)合，使整個結(jié)合體帶負電荷而相 互排斥，防止蛋白粒子因相互接觸而沉淀，與其它酸性多糖穩(wěn)定劑相比，大豆多糖還有較長 的中性支鏈，能維持蛋白粒子更大的空間結(jié)構(gòu)，使蛋白顆粒即使在等電點也不能相互接觸而 沉淀，這就是大豆多糖優(yōu)于其它穩(wěn)定劑并在酸性條件下穩(wěn)定蛋白的原因。

三、海藻酸丙二醇酯

海藻膠是英國化學(xué)家E.C.C.Stanford在l880年首先發(fā)現(xiàn)的[52]。約50年后Kelco公司開 始將海藻酸鹽作為商品大量生產(chǎn)，并于1934年采用乳溶性海藻膠首次作為冰淇淋的穩(wěn)定劑 使用。1949年，又研究出海藻酸的有機衍生物一海藻酸丙二醇酯(簡稱PGA)。PGA由天然 海藻中提取的海藻酸經(jīng)深加工制成，外觀為白色或淡黃色粉末，水溶液呈粘稠狀膠體，粘度 高，透明度大。海藻膠或海藻酸鹽主要由兩種單體(甘露糖醛酸和古洛糖醛酸)或三種不同的 結(jié)構(gòu)鏈段(-M-M-M-M-，-G-G-G-G-和-M-G-M-G-)所組成，單體和鏈段各不相同。海藻酸的 單體取決于海藻膠原料，所以每一種海藻均會含有不同結(jié)構(gòu)的海藻膠。它的特殊結(jié)構(gòu)也對其

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性質(zhì)有很大的影響，尤其是對有鈣離子存在時的膠凝作用。海藻膠可以作為食品添加劑用于 食品工業(yè)中是由于它具有獨特的膠體特性如穩(wěn)定性、増稠性、乳化性、成膜性、懸浮性以及 能形成凝膠的能力。而其衍生物PGA與海藻酸相比，有很多優(yōu)勢。由于海藻酸的一部分羧 基被丙二醇酯化，一部分被適當(dāng)?shù)膲A中和，所以PGA可以溶于水形成粘稠膠體，并能溶于 有機酸溶液。PGA在pH為3?4的酸性溶液中能形成凝膠，但不會產(chǎn)生沉淀，其抗鹽性強， 即使在濃電解質(zhì)溶液中也不鹽析，因此PGA能改善酸在食品中的穩(wěn)定性，也能阻止在食品 飲料中因鈣和其他高價金屬離子所引起的沉淀作用。

在一定條件下，蛋白質(zhì)可以與PGA反應(yīng)，但由于PGA分子中反應(yīng)活性點較少，所以其 反應(yīng)活性比未酯化的海藻酸鹽弱。在弱堿條件下，PGA也可以與蛋白質(zhì)或其他聚合物分子 如淀粉進行交聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)體系pH升到8?9并保持較低溫度時，可以觀察到其流變性質(zhì)的 變化，如粘度増大。在40-50°C下，PGA可以與明膠反應(yīng)，能得到快速凝固的凝膠，這種凝 膠在沸點下是熱不可逆的。

PGA除具有膠體性質(zhì)外，其分子中還含有丙二醇基，所以其親油性強，乳化穩(wěn)定性好。 因此，PGA更能有效應(yīng)用于酸性乳飲料、果汁飲料等低pH值的食品和飲料中。PGA溶液 的親脂性使其可有效地用作飲料、糖漿、奶油、色拉油及啤酒的穩(wěn)定劑。當(dāng)利用PGA的親 脂性時，應(yīng)選用高酯化度的PGA。因為酯化度越高，PGA溶液的親脂性與表面活性越強。 此外，要盡量使用低粘度的PGA。

目前國內(nèi)食品工業(yè)中對PGA的應(yīng)用還不是很廣泛，但近年來我國的低pH范圍的飲料 和食品發(fā)展非常迅速，而PGA很適合在它們中應(yīng)用?？梢灶A(yù)計在今后一段時期內(nèi)，PGA在 我國食品工業(yè)中的應(yīng)用比例將會明顯提高。

1.4本文使用多糖簡介

一、羧甲基纖維素鈉

羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose，CMC),是由D-卩比喃葡萄糖通過

P-(1—4)-糖苷鍵鏈接而成的陰離子型線性高分子，是纖維素的羧甲基化衍生物，也是最主要 的離子型纖維素膠。CMC于1918年由德國首先制得，并于1921年獲得專利而見諸于世， 此后便在歐洲實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。1947年，美國FDA根據(jù)毒物學(xué)研究證明：CMC對生理無 毒害作用，允許將其用于食品加工業(yè)中作添加劑。

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CMC為陰離子型線性高分子，結(jié)構(gòu)如圖1-13。羧甲基可以在葡萄糖單元的2、3、6位 上發(fā)生取代，所以CMC往往有不同取代度。CMC的實際取代度一般在0.4-1.5之間，食品 用CMC的取代度一般在0.6-0.95,近年來修改后的歐洲立法允許將取代度最大為1.5的CMC 用于食品中[53]。聚陰離子多糖穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究,CMC因具有許多特殊性質(zhì)，如増稠、乳化、粘結(jié)、持水、成膜、懸浮等，

 

R=H 或 CH2COOH 圖1-13羧甲基纖維素鈉的結(jié)構(gòu)（CMC)

Figure 1-13 Structure of caboxymethylcellulose(CMC)

在食品行業(yè)有廣泛應(yīng)用。國內(nèi)常將CMC用作酸性乳飲料的穩(wěn)定劑，因此，對CMC與酪蛋 白之間的相互作用以及CMC對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果的研究一直備受關(guān)注。

二、羧甲基可德膠

可德膠(Curdlan)是由糞產(chǎn)堿桿菌(Alcalige faecalis)發(fā)酵而產(chǎn)生的微生物多糖[54]。可德膠 首先在1964年被原田篤也教授發(fā)現(xiàn)，1989年日本武田公司才開始商業(yè)生產(chǎn)可德膠。1996 年可德膠獲美國食品和藥物管理局(FDA)認證，可在食品中用作添加劑[55]。可德膠無支鏈， 是一種全部由P-(1-3)糖苷鍵連接而成的D-葡聚糖多糖，其分子式為(C6HWO5)n，天然可德 膠分子量一般在數(shù)萬至上百萬之間。固體可德膠為白色粉末，無毒，不溶于水，可溶于堿溶 液和DMSO水溶液。可德膠凝膠性質(zhì)獨特，與其它多糖凝膠性質(zhì)完全不同，根據(jù)加熱溫度 的高低，其水懸浮液既能形成熱可逆凝膠，也能形成熱不可逆凝膠。

可德膠不溶于水，這限制了它的應(yīng)用。但可德膠分子中存在大量羥基，所以可以通過化 學(xué)改性引入不同的基團而増強其溶解性。羧甲基化改性是多糖常用的化學(xué)改性方法，可以應(yīng) 用于可德膠。經(jīng)羧甲基化改性后的可德膠，溶解性及生物活性明顯提高。羧甲基可德膠因具 有獨特的理化性質(zhì)使之在食品中具有潛在的應(yīng)用價值。

三、玉米纖維膠

玉米纖維膠是通過過氧化氫的堿性溶液從玉米纖維中提取得到的。玉米纖維是一種來源 非常豐富并且價格低廉的玉米仁濕磨副產(chǎn)物，玉米纖維包括玉米仁的果皮層和胚乳細胞壁等 纖維性部分。商業(yè)化的玉米干磨加工也是玉米纖維的來源之一。研究發(fā)現(xiàn)[56]玉米纖維膠具 有高度支化的結(jié)構(gòu)，p-(1-4)-吡喃木糖作為主鏈，a-L-阿拉伯呋喃糖作為側(cè)鏈，另外還有一些

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D-葡萄糖醛酸連接在主鏈木糖的O-2位置，還有一些半乳糖和木糖連接于作為側(cè)鏈的阿拉 伯呋喃糖上。玉米纖維膠具有水溶性好，溶液粘度低的特點，是食品行業(yè)潛在的乳化劑[57]

1.5本課題的研究內(nèi)容

酸性乳飲料(acidified milk drink,簡稱AMD)是一種以鮮奶、復(fù)原奶和豆奶為主要原料， 添加其他甜味劑、穩(wěn)定劑、香精和色素等輔助原料，利用活性菌進行乳酸發(fā)酵或者直接添加 果汁、食品酸（乳酸、蘋果酸和檸檬酸等）輔助原料調(diào)配獲得的pH介于3.8到4.2 (低于酪 蛋白的等電點4.6)，蛋白含量大于1%的含乳飲料。酸性乳飲料因其美味的口感和獨特的性 能而備受消費者歡迎，但脂肪上浮和蛋白質(zhì)沉淀卻一直制約著酸性乳飲料產(chǎn)品的生產(chǎn)和開 發(fā)，因此在酸性乳飲料生產(chǎn)過程中往往需要添加穩(wěn)定劑。雖然研究者對多糖穩(wěn)定劑與酪蛋白 的相互作用研究較多，但多集中在果膠、明膠、可溶性大豆多糖、海藻酸丙二醇酯等多糖高 分子，對羧甲基纖維素、羧甲基可德膠等在酸性乳飲料的研究較少。另外對于多糖與蛋白質(zhì) 的相互作用的研究也多采用脫脂酸性乳體系，對全脂酸性乳體系涉及也很少。本文采用全脂 酸性乳體系作為研究對象，研究了三種多糖對其的穩(wěn)定效果、其自身因素對穩(wěn)定效果的影響、 并對其穩(wěn)定機理進行了探究。本論文具體研究內(nèi)容包括：

(1)羧甲基纖維素鈉對酸性乳飲料體系的穩(wěn)定效果，其添加量、分子量與取代度對其 穩(wěn)定酸性乳飲料的影響，穩(wěn)定機理以及脫脂乳體系和全脂乳體系的對比；

(2)羧甲基可德膠的合成、表征，羧甲基可德膠對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果，羧甲基可 德膠的添加量、分子量對穩(wěn)定效果的影響，羧甲基纖維素鈉、羧甲基可德膠穩(wěn)定酸性乳飲料 對比；

(3)玉米纖維膠的表征及其對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果。

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第二章羧甲基纖維素鈉穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究

2.1引言

酸性乳飲料（acidified milk drinks, AMD)是以鮮奶、復(fù)原奶或豆奶為主要原料，添加 甜味劑、穩(wěn)定劑、香精和色素等輔助原料，利用活性菌進行乳酸發(fā)酵或直接添加果汁、食品 酸等（乳酸、蘋果酸和檸檬酸等）調(diào)配而制得的pH介于3.8到4.2之間，蛋白含量大于1% 的含乳飲料[58]。在酸性條件下（低于酪蛋白等電點時），酪蛋白膠粒傾向于聚集而使體系失 穩(wěn)。因此在酸性乳飲料的生產(chǎn)過程中，需要加入穩(wěn)定劑以提高體系的穩(wěn)定性。

羧甲基纖維素鈉（CMC)可作為酸性乳飲料的穩(wěn)定劑。CMC的添加量、分子量、取代 度等都會對CMC與酪蛋白的相互作用以及CMC對AMD的穩(wěn)定效果產(chǎn)生影響。本章將討 論這些參數(shù)對CMC與酪蛋白的相互作用以及CMC對AMD的穩(wěn)定效果的影響，并對CMC 穩(wěn)定脫脂酸性乳體系和全脂酸性乳體系進行了對比。

2.2材料與方法

2.2.1實驗試劑

表2-1 CMC的樣品信息 Table 2-1. Information for different CMC samples.

樣品來源簡稱分子量取代度（DS)

CMC⑴250,0000.7

美國Acros公司CMC(II)250,0000.9

CMC(III)250.0001.2

CMC(IV)700,0000.9

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表2-2模擬牛乳滲析液(SMUF)的配比 Table 2-2 The formulation of SMUF (simulated milk ultafiltration)

樣品名稱重量/ g樣品名稱重量 / g

磷酸二氫鉀1.58氯化鈣1.0

檸檬酸鉀1.2氯化鎂0.65

檸檬酸鈉1.79碳酸鉀0.3

硫酸鉀0.18氯化鉀0.6

檸檬酸及表2-2中試劑:分析純，中國國藥（集團）上海試劑公司；

全脂奶粉新西蘭恒天然合作集團；

疊氮化鈉上?？仆瘜W(xué)試劑有限公司。

2.2.2實驗儀器

高壓均質(zhì)機上海東華高壓均質(zhì)機廠；

85-1磁力攪拌器上?？送娖饔邢薰?；

PHS-3TC 數(shù)顯 pH i十上海天達儀器有限公司；

高速冷凍離心機無錫市瑞江分析儀器有限公司；

動態(tài)光散射儀馬爾文儀器有限公司；

AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀TA Instruments,美國；

穩(wěn)定度分析儀LUMIFuge德國L.U.M. GmbH公司。

2.3實驗方法

2.3.1樣品制備

在2L的燒杯中加入1L的超純水，按表2-2所示的樣品比例依次加入樣品，待之前加 入的樣品溶解以后再加入下一個樣品。攪拌，使充分溶解。將配好的模擬牛乳滲析液 (SMUF)[59]放在4°C的冰箱內(nèi)放置。

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用全脂奶粉和超純水配制成8%的復(fù)原乳，在4°C的冰箱內(nèi)放置隔夜，使其充分水合。 將CMC配制成0.5%的溶液，在4°C的冰箱內(nèi)放置隔夜，使其充分水合。以1:100的比例將 復(fù)原乳稀釋在模擬牛乳滲析液中，作為參比。在參比體系中加入不同比例的CMC溶液配成 一系列樣品。

2.3.2CMC的流變學(xué)測試

穩(wěn)態(tài)剪切粘度及動態(tài)粘彈性實驗在AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀上進行，夾具選用角度為2° ' 8〃、直徑為60 mm的錐板，錐板與平板間的間距為58叫。實驗溫度由循環(huán)水浴及帕爾貼 (peltier)系統(tǒng)控制在25 C,精度為±0.1 C。穩(wěn)態(tài)剪切速率范圍0.01?1000 s-1。動態(tài)頻 率掃描范圍0.01?100 rad/s，測試均在樣品的線性粘彈區(qū)內(nèi)進行。為了避免實驗過程中溶液 溶劑的揮發(fā)，采用一薄層輕質(zhì)硅油（聚二甲基硅氧烷，25 C時粘度為10 mPas)覆蓋其暴 露表面。

2.3.3粒徑及zeta電位的測定

用動態(tài)光散射粒徑分析儀(DLS, Zetasizer Nano ZS90 , Malvern)測量在調(diào)酸過程中，粒子

粒徑的變化。粒徑儀所用的光源為最大輸出功率10W的He-Ne激光，檢測波長為633nm。 盛有樣品的一次性聚苯乙烯樣品池在Joule-Peltier恒溫器上恒溫至測量溫度25C。在樣品中 滴加檸檬酸，跟蹤酪蛋白的粒徑隨體系pH值的變化以及CMC在酪蛋白上的吸附層厚度。

在上述參比體系及一系列含有不同濃度的CMC樣品中，滴加檸檬酸，蛋白質(zhì)膠體粒子 的電位隨pH值的變化用Malvern的Nano-ZS90 Zetasizer ZEN3690型分析儀測定，溫度 為 25°C。

2.3.4全脂酸性乳飲料的制備

分別在45C下配制8%的全脂奶粉、75C下配置0.8%的CMC水溶液，當(dāng)溶液冷卻至 室溫時，向全脂奶粉中加入不同含量、不同分子量和不同取代度的CMC溶液，混合攪拌， 再將混合后的溶液溫度降至20C以下，用檸檬酸將pH值調(diào)到4.00,再在200bar下均質(zhì)， 最后加入0.05%的疊氮化鈉，儲藏一夜后準備測試。

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2.3.5沉降量測試

稱量離心機專用試管的重量W1，在試管中加入10g酸性乳飲料樣品，放入離心機中在 5000r/min下離心20min，將試管中樣品倒出，試管倒立5min后稱其重量為W2，沉降量用 下式計算：

沉降量=(W2-W1) /10X100%

每個樣品進行三次平行實驗，取其平均值。

2.3.6穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性分析儀LUMIFuge的特點是能通過離心來増加分離速度從而減少測試時間，它 是通過測定發(fā)射光的透過率來分析樣品的粒子分布情況和穩(wěn)定性。在測試過程中，集成的光 電傳感系統(tǒng)不僅可以檢測到透過率隨時間的變化，還能檢測整個樣品池的透過率的變化，通 過分析這些數(shù)據(jù)得到樣品隨時間和空間變化的分離過程[60]。如圖2-1所示[61]，在6-2300個 重力加速度的離心力的作用下，粒子的遷移速度加快，從而引起局部粒子濃度的變化。局部 粒子濃度的變化會引起發(fā)射光透過率的變化。同時，粒子濃度和光的透過率也會隨著時間的 推移而變化，透過率曲線也會隨著時間變化由紅色逐漸變?yōu)榫G色。由此，LUMIFuge可以跟 蹤體系粒子隨時間和空間的遷移情況，從而得出體系的穩(wěn)定情況。

 

圖2-1 LUMIFuge的測試原理圖 Figure 2-1 Conformation of LUMIFuge.

24

 

 

圖2-2不同樣品的LUMIFuge測試結(jié)果 Figure 2-2 Results of different kinds of samples by LUMIFuge.

圖2-2顯示了不同樣品的測試結(jié)果：沉降過程與上浮過程。對于乳體系而言，在貯藏過 程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，如絮凝或凝聚，可在產(chǎn)品貯藏初期通過LUMIFuge進行動態(tài)分 析。一方面，LUMIFuge的精確度遠高于肉眼觀測，并可作出樣品的沉降速率曲線；而另 一方面，它能方便地比較較穩(wěn)定體系的相對穩(wěn)定性[62]。

將上述制備的一系列全脂酸性乳飲料按照不同濃度、不同分子量、不同取代度分為三組， 分別取每組中的樣品放入樣品池中進行測試。儀器離心速率為3000 r/min，測試時間間隔為 1 min，測試4小時。

2.4結(jié)果與分析

2.4.1CMC溶液的流變學(xué)性質(zhì)

CMC溶液的流變學(xué)性質(zhì)依賴于其濃度[63-64]，圖2-3給出了分子量為7X105、取代度為 0.9的CMC(IV)在不同濃度下的流變曲線。如圖2-3所示，CMC溶液呈現(xiàn)顯著的剪切變稀行 為，聚陰離子多糖穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究,其粘度隨剪切速率變大而降低，表現(xiàn)出非牛頓性流體的性質(zhì)，此范圍被稱為非牛頓區(qū)或 冪律范圍。CMC溶液粘度對濃度有很強的依賴性，濃度的升高使鏈段密度増加，分子量之 間的相互作用増強，使CMC溶液的剪切粘度升高。即使在高剪切速率區(qū)，不同濃度的CMC 溶液的粘度仍可區(qū)別開。

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-ed / 廠

— m

 

0.4 wt% 0.5 wt% 0.6 wt% 0.8 wt%

1.0wt% 1.5 wt%

2.0wt%

丨10

圖2-3 CMC (IV)在不同濃度下的流變曲線（T=22°C)

Figure 2-3 Viscosity as a function of the shear rate for CMC (IV) for various concentrations

in aqueous solution (T=22〇C)

 

-ed /v

0.01 0.1 1 10 Frequency / Hz

-■-2.0% G_

2.0% G"

一米一20%

1.5% G_ -〇- 1.5% G__

一米一15%

-A- 1.0% G_ -A- 1.0% G__

一米一1.00%

U.Kasner等[65]將CMC在溶液中的構(gòu)象分為四種狀態(tài)，對應(yīng)于四個臨界濃度。在低濃 度時，分子鏈間因靜電作用呈伸展狀態(tài)。C=C〇時，分子間的距離等于分子鏈的持續(xù)長度； C=Ci時，伸展的分子鏈開始發(fā)生交迭；C=C2時，卷曲的分子鏈開始發(fā)生交迭，濃度達到 C2后，聚電解質(zhì)行為類似于不帶電荷的高分子；C=C3時，分子鏈纏結(jié)開始形成凝膠。臨界 濃度的確定受分子量影響很大。本實驗中所用CMC濃度在C2?C3之間，溶液具有粘彈性。

圖2-4 CMC (V)在不同濃度下的動態(tài)測試結(jié)果（y=10%，T=25°C)

Figure 2-4 Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC (V) in aqueous solution at different concentrations (y=10%,T=25C)

圖2-4為不同濃度的CMC (V)的動態(tài)測試結(jié)果。如圖所示，溶液的復(fù)粘度隨濃度的 增加而升高。儲能模量G’與損耗模量G’’均表現(xiàn)出頻率依賴性，當(dāng)CMC的濃度升高時，鏈

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段密度増加，松馳也變得困難，儲能模量G’與損耗模量G"的交點向低頻移動。此外，由于 鏈段密度升高，纏結(jié)點増多，使得模量上升，因此儲能模量G’和損耗模量G”的交點也升高。

2.4.2CMC的添加量對酸性乳飲料穩(wěn)定性的影響

2.4.2.1CMC的添加量對酸化過程中粒子粒徑的影響

將具有相同分子量和相同取代度的CMC(lV)(Mw=250000，DS=0.9)加入到酸性乳 體系中，配置成具有不同CMC (IV)濃度的全脂酸性乳體系，將酸性乳體系按1:100的比 例稀釋在牛乳滲析液中，用動態(tài)光散射粒徑分析儀(DLS, Zetasizer Nano ZS90 , Malvem)測量

在調(diào)酸過程中，粒子粒徑的變化。結(jié)果如圖2-5所示，全脂乳體系在酸化過程中，隨著pH 值的降低，在pH 5.8-5.2之間，所測粒子粒徑減小。這是因為酪蛋白膠束中有部分a-酪蛋白 和P-酪蛋白的溶出，使得酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷，導(dǎo)致粒徑值減小[25]。在pH降低到 4.7,接近酪蛋白的等電點時，粒子粒徑值發(fā)生突増，超過1^m;用肉眼可以觀察到明顯的 聚集現(xiàn)象，體系失穩(wěn)。

 

圖2-5加入不同濃度CMC (V)的全脂乳體系酸化過程中粒子粒徑變化圖 Figure 2-5 Changes of the particle size and zeta potential during the acidification process of whole milk systems with different concentrations of CMC (V)

當(dāng)加入CMC (V)時，在相同的pH范圍內(nèi)(pH 5.8-5.2)，粒子的粒徑減小，這是由于 CMC的存在并不影響a-和p-酪蛋白的溶出[27]。當(dāng)pH降低到5.2左右時，粒子粒徑開始増 大。此時，CMC與酪蛋白膠束發(fā)生靜電作用，吸附于粒子表面[66]。pH降低，在5.2-4.0之

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間，酪蛋白膠束中K-酪蛋白的塌陷速率和CMC往膠束上的吸附速率基本平衡，粒徑變化不 大。pH繼續(xù)降低，當(dāng)加入的CMC濃度不足時，不能和膠束發(fā)生飽和吸附，膠束間的空間 位阻效應(yīng)減弱，體系失穩(wěn)，粒徑突然増大[67]。隨著CMC添加量的増加，更多的CMC吸附 到酪蛋白膠束上，所以所測的粒子的粒徑也増加。當(dāng)加入0.003%的CMC時，可以使體系 穩(wěn)定到pH 3.9,當(dāng)加入0.0045%的CMC時，可以使體系穩(wěn)定到pH 3.7左右，當(dāng)加入0.008% 和0.04%的CMC時，酪蛋白膠束在pH=3.0時也沒有發(fā)生聚集。所以，加入的CMC的濃度 越大，酪蛋白膠束的穩(wěn)定性也越好，0.008%的CMC足夠可以穩(wěn)定酪蛋白膠束。

2.4.2.2CMC的添加量對酸化過程中粒子zeta電位的影響

將具有相同分子量和相同取代度的CMC(lV)(Mw=250000，DS=0.9)加入到酸性乳 體系中，配置成具有不同濃度CMC的酸性乳體系，將酸性乳體系按1:100的比例稀釋在牛 乳滲析液中，用Malvem的Zetasizer Nano ZS90型分析儀測定在調(diào)酸過程中，粒子zeta電

G-5-10-15-20-25

i/ lelod-t

—□—whole milk

-0-0.003% CMC(Mw=250000,DS=0.9) -t^i-0.0045% CMC(Mw=250000,DS=0.9) -^-0.008% CMC(Mw=250CMX),DS=0.9) -<0-0.04% CMC(Mw=250000.DS=0.9)

 

 

位的變化。如圖2-6所示，全脂乳體系中粒子的zeta電位一直隨pH的降低而増加，這是由 于酪蛋白膠束表面負電荷逐漸被中和。在接近等電點時，膠束間靜電排斥作用逐漸消失，同 時由于隨著pH的降低，酪蛋白表面的K-酪蛋白發(fā)生塌陷，使得維持酪蛋白穩(wěn)定的空間位阻 作用大幅度減小。提供酪蛋白膠束間斥力的主要是空間位阻作用，當(dāng)其小于膠束間的范德華 吸引力時，酪蛋白發(fā)生聚集，造成體系失穩(wěn)。另外，全脂乳體系在酸化過程中，膠束的zeta 電位并不隨pH值的降低而單調(diào)變化，這可能與酪蛋白膠束在體系隨pH值降低過程中，會 有部分磷酸鈣及部分a -和P -酪蛋白的溶出有關(guān)，這一點同Schmidt的研究一致[68]。

圖2-6加入不同濃度CMC的全脂乳體系酸化過程中粒子zeta電位變化圖 Figure 2-6 Changes of the zeta potential during the acidification process of whole milk systems with different concentrations of CMC

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當(dāng)體系加入CMC時，由于帶負電的CMC吸附到酪蛋白的表面[69]，酪蛋白的zeta電位 在5.2左右開始降低，與前面粒徑増大所述的結(jié)果一致。隨著pH降低，酪蛋白表面帶的正 電荷越來越多，越來越多的帶負電荷的CMC吸附到酪蛋白表面，使其zeta電位繼續(xù)降低。 繼續(xù)降低體系的pH,氫離子濃度的増加，會屏蔽CMC吸附層上的有效負電荷，使CMC分 子鏈卷曲，吸附層塌陷，zeta電位増加。相同pH下，加入的CMC濃度越高，體系的zeta 電位越低?？傊?，隨著CMC添加量的増加，體系維持穩(wěn)定的pH值趨于更低，粒子粒徑愈 大，zeta電位愈負，這是由于更多的CMC吸附到膠束上，且所吸附的CMC大分子鏈能形 成loop狀負電層，既提供了空間位阻，也提供了靜電排斥的作用，因此體系得以穩(wěn)定。

2.4.2.3 CMC的添加量對酸性乳體系沉降率的影響

 

圖2-7 CMC的添加量對酸性乳飲料穩(wěn)定性的影響 (1為0天，2為7天，3為30天，4為60天，5為160天；圖片從左到右CMC的濃 度依次為 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%)

Figure 2-7 Effect of CMC5s concentration on the stability of acidified milk drinks.

(1, 0 day; 2, 7 days; 3, 30 days; 4, 60 days; 5, 160 days; CMC concetration in each picture from left to right: 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%)

配制含有不同含量CMC(IV)的酸性乳溶液，用檸檬酸將pH值調(diào)到4.00,在200bar下 均質(zhì)，最后加入0.05%的疊氮化鈉，放入100ml量筒中靜止觀察。圖2-7顯示了含不同含量 CMC的酸性乳體系隨時間的變化情況。剛剛放置時，各體系均勻分布，是穩(wěn)定均勻的體系。

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靜置7天后，不加CMC和加入0.1%CMC的酸性乳體系開始出現(xiàn)沉降，體系失穩(wěn)。靜置60 天后，CMC含量為0.2%的酸性乳體系也開始失穩(wěn)。靜置160天，CMC含量為0.3%，0.4%， 0.5%的酸性乳體系未見明顯分層。

靜置樣品對于CMC濃度較低的樣品，可以觀察到樣品分層進而比較其相對穩(wěn)定性，而 對于CMC濃度較高的體系，靜置往往不能觀察到體系的沉降。為了更好地比較CMC添加 量對酸性乳體系沉降率的影響，我們采用離心分離的方法。稱量離心機專用試管的重量W1， 在試管中加入10g酸性乳飲料樣品，放入離心機中在5000r/min下離心20min，將試管中樣 品倒出，試管倒立5mm后稱其重量為W2,沉降量用下式計算：

沉降率=(W2-W1) /10X100%

每個樣品進行三次平行實驗，取其平均值。以CMC (IV)為穩(wěn)定劑，以不同的添加量 用于全脂酸性乳飲料中，濃度在0-0.5%范圍內(nèi)，所測得的樣品的沉降量列于表2-3中。當(dāng)加 入的CMC濃度較低時，沉降率很大，隨著CMC含量的増高，乳體系的沉降率也逐漸降低。 當(dāng)CMC含量為0.2%時，與0.1%的體系相比變化很大；而當(dāng)CMC含量提高到0.4%時，隨 濃度的増加，沉降量沒有太大改變，可以推測CMC在酪蛋白上的吸附存在一個臨界吸附量， 當(dāng)達到這個濃度后體系趨于穩(wěn)定。沉降率的測定與靜置觀察的結(jié)果吻合。

表2-3 CMC添加量對酸性乳體系沉降率的影響 Table 2-3 Effect of CMC5s concentration on the sedimentation rate of acidified milk drinks

CMC添加量沉降率

No CMC (Mw=250000，DS=0.9)10.8%

0.1% CMC(Mw=250000，DS=0.9)9.6%

0.2% CMC(Mw=250000,DS=0.9)4.9%

0.3% CMC(Mw=250000,DS=0.9)4.7%

0.4% CMC(Mw=250000,DS=0.9)2.7%

0.5% CMC(Mw=250000,DS=0.9)2.6%

2.4.2.4 CMC的添加量對酸性乳體系LUMIFuge測定的影響

圖2-8是含有不同濃度CMC (V)的全脂酸性乳體系的LUMIFuge分析結(jié)果，橫坐標

尺度代表整個測試器皿，右端代表管底，橫坐標越大越接近底部，縱坐標表示透過率，隨著

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時間的推移，測試線由紅色變?yōu)榫G色。當(dāng)不加入CMC時，測試溶液的界面頂部和底部透過 率較低，中間較高。這說明樣品很不穩(wěn)定，樣品池底部有蛋白沉淀，頂部有上浮的脂肪。加 入0.1%的CMC，樣品測試結(jié)果和全脂乳飲料的相似，對樣品的穩(wěn)定性影響不大。當(dāng)加入 0.2%的CMC時，測試結(jié)果清晰顯示了樣品的蛋白沉淀和脂肪上浮過程。CMC濃度繼續(xù)増 大，加入0.3%CMC的體系測試過程中透過率變化不大，穩(wěn)定性有很大的改善，當(dāng)CMC濃 度増大到0.5%時，體系透過率幾乎不變，穩(wěn)定性很好。綜上所述，加入CMC的濃度越大， 酸性乳飲料的穩(wěn)定性越好，當(dāng)濃度達到0.4%時，體系趨于穩(wěn)定，與上面沉降量的結(jié)果吻合。

 

 

圖2-8加入不同濃度CMC的全脂酸性乳體系的LUMIFuge分析圖 (a、b、c、d、e、f 的 CMC 濃度分別為 0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%) Figure 2-8 LUMIFuge analysis diagram of acidified whole milk with different concentrations

of CMC

(a, b, c, d, e, f, CMC concentrations were 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%)

2.4.3CMC分子量、取代度對酸性乳體系穩(wěn)定性的影響

2.4. 3.1 CMC的分子量、取代度對酸化過程中粒子粒徑的影響

將具有不同分子量和不同取代度的CMC加入到酸性乳體系中，聚陰離子多糖穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究,配置成具有相同濃度、

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不同分子量和不同取代度的CMC的酸性乳體系，將酸性乳體系按1:100的比例稀釋在牛乳 滲析液中，用動態(tài)光散射粒徑分析儀(DLS, Zetasizer Nano ZS90 , Malvem)測量在調(diào)酸過程

中，粒子粒徑的變化。測定結(jié)果如圖2-9所示。相同取代度下（DS=0.9)，含高分子量CMC (Mw=700000)的穩(wěn)定體系的粒子粒徑較低分子量CMC (Mw=250000)的大。這可能是由 于高分子量的CMC具有更長的分子鏈，長鏈的CMC分子能夠在酪蛋白膠束表面形成較大 的loop圈，從而使吸附層的厚度増大，造成粒徑増大。相對分子量而言，CMC取代度的影 響較小。相同濃度、相同分子量下，取代度由0.7到1.2,粒子粒徑逐漸減小，高取代度的 CMC對乳體系的穩(wěn)定作用更明顯。但在低pH值下，含高取代度CMC的穩(wěn)定體系中粒子粒 徑較小，這可能有兩點原因：首先，分子量相同而取代度高的CMC所帶的電荷較多，使 CMC與膠束的靜電作用力較強，吸附層比較緊密；其次，取代度高，帶有CMC吸附層的 膠束zeta電位較高，對要繼續(xù)吸附的CMC有一定的排斥作用[70]，使CMC的吸附量減少。 兩者的共同結(jié)果均使酪蛋白的粒徑值減少。所以高分子量，高取代度的CMC的穩(wěn)定效果更 好。

 

圖2-9加入不同種類CMC的全脂乳體系酸化過程中的粒徑變化圖 Figure 2-9 Changes of the particle size during the acidification process of whole milk systems with different kinds of CMC

2.4.3.2CMC的分子量、取代度對酸化過程中粒子zeta電位的影響

將具有不同分子量和不同取代度的CMC加入到酸性乳體系中，配置成具有相同濃度、 不同分子量和不同取代度的CMC的酸性乳體系，將酸性乳體系按1:100的比例稀釋在牛乳

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滲析液中，用Malvem的Zetasizer Nano ZS90型分析儀測定在調(diào)酸過程中，粒子zeta電位

的變化。測試結(jié)果圖2-10顯示含高分子量CMC的乳體系的粒子zeta電位更負，膠束的穩(wěn) 定性更好。CMC的分子量越高，乳體系越穩(wěn)定。相對分子量而言，CMC取代度的影響較小。 相同濃度、相同分子量下，取代度由0.7到1.2, zeta電位越來越負，膠束的穩(wěn)定性更好。 綜上所述，高分子量，高取代度的CMC的穩(wěn)定效果更好，與粒徑測試結(jié)果吻合。 

 

0-005 >ul/ Ifljucallod-'r'

 

 

圖2-10加入不同種類CMC的全脂乳體系酸化過程中zeta電位變化圖 Figure 2-10 Changes of the zeta potential during the acidification process of whole milk systems with different kinds of CMC

2.4.3.3CMC的分子量、取代度對酸性乳體系沉降率的影響

在研究CMC的分子量、取代度對酸性乳體系沉降率的影響時，我們加入CMC的濃度 為0.4%，如果采用靜置觀察的方法，往往不能觀察到明顯的沉降現(xiàn)象，為了更好地比較CMC 添加量對酸性乳體系沉降率的影響，我們采用離心分離的方法。稱量離心機專用試管的重量 W1，在試管中加入10g酸性乳飲料樣品，放入離心機中在5000r/min下離心20min，將試管 中樣品倒出，試管倒立5mm后稱其重量為W2,沉降量用下式計算：

沉降率=(W2-W1) A0X100%。

每個樣品進行三次平行實驗，取其平均值。

選用具有不同分子量、不同取代度的CMC作為穩(wěn)定劑，保持0.4%的CMC濃度，體系 沉降量如表2-4所示。比較CMC (II)和CMC (IV)發(fā)現(xiàn)：含有CMC (IV)的體系沉淀 率較低，穩(wěn)定性較好，說明具有高分子量的CMC穩(wěn)定效果更好。比較CMC (I)、CMC (II)、CMC (III)發(fā)現(xiàn)：CMC取代度越高，體系的沉降量就小，穩(wěn)定性越好，表明將取 代度高的CMC用于全脂酸性乳中穩(wěn)定性稍好。

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表2-4 CMC分子量、取代度對酸性乳體系沉降率的影響 Table 2-4 Effect of CMC5s Molecular weight and degree of substitution on the sedimentation

rate of acidified milk drinks

0.4%CMC 樣品沉降量

CMC (I) (Mw=250000, DS=0.7)2.8%

CMC (II) (Mw=250000, DS=0.9)2.7%

CMC (III) (Mw=250000, DS=1.2)2.0%

CMC (IV) (Mw=700000, DS=0.9)2.0%

2.4.3.4CMC的添加量對酸性乳體系LUMIFuge測定的影響

 

 

圖2-11加入不同CMC的全脂酸性乳體系的LUMIFuge分析圖 (a、CMC 1(Mw=250000.DS=0.7);b、CMC 2(Mw=250000.DS=0.9);c、CMC 3(Mw=250000.DS=1.2);d、CMC 4(Mw=700000.DS=0.9))

Figure 2-11 LUMIFuge analysis diagram of acidified whole milk with different kinds of

CMC

34

將加入不同CMC的全脂酸性乳體系進行LUMIFuge穩(wěn)定性分析，測試結(jié)果如圖2-11 所示。比較圖2-11-a，2-11-b，2-11-c，CMC取代度為0.7時，在測試時間內(nèi)，測試曲線由

紅色向綠色變化明顯，體系光透過率變化較大，體系存在沉降；當(dāng)CMC取代度為0.9時， 體系透過率變化較小，體系較穩(wěn)定；當(dāng)CMC取代度為1.2時，體系光透過率幾乎沒有變化， 體系穩(wěn)定。所以加入的CMC取代度越高，體系越穩(wěn)定。圖2-11-b與2-11-d的比較說明CMC 分子量越高，光透過率越低，體系穩(wěn)定性越好。所以高分子量、高取代度的CMC的穩(wěn)定效 果更好，與上面沉降量的規(guī)律吻合。

o o o o o

180604020 Eu/Ja®ui.2p aoccod

 

 

2.4.4全脂乳與脫脂乳在酸化過程中的比較

圖2-12脫脂、全脂乳體系酸化過程中的粒徑和zeta電位變化圖（a為粒徑變化，b為

zeta電位變化）

Figure 2-12 Changes of the particle size and zeta potential during the acidification process of whole milk systems and skim milk systems (a:change of particle size, b:change of zeta potential)

圖2-12中比較了全脂、脫脂乳體系在調(diào)酸過程中的異同，由圖可得全脂乳體系的粒子 粒徑均比脫脂乳體系的粒徑大，這正是由于全脂乳中脂肪的存在使測得的粒徑變大。研究報 道，乳脂肪表面存在一層蛋白膜，易于蛋白發(fā)生融合[71]。Pereira[72_研究了全脂乳中脂肪 的存在狀態(tài)，他們通過觀察全脂乳的共聚焦顯微鏡圖像發(fā)現(xiàn)，脂肪球包埋于蛋白膠束中，形 成新的包覆結(jié)構(gòu)（cluster)，正是這個原因?qū)е挛覀兯鶞y粒徑増大。含有相同濃度CMC的 脫脂、全脂乳體系的粒徑變化趨勢基本一致，同時酪蛋白發(fā)生聚集的pH也相同。這說明脂 肪的存在并不影響酪蛋白在酸化過程中的溶出和塌陷，也不影響CMC與酪蛋白的相互作用。

加入不同含量CMC的全脂、脫脂乳體系在酸化過程中的粒子zeta電位變化趨勢相同，

35

進一步說明脂肪的存在并不影響乳飲料酸化過程中酪蛋白的自身變化、也不影響CMC與酪 蛋白的相互作用。

2.5本章小結(jié)

(1)CMC溶液表現(xiàn)出顯著的非牛頓流體性質(zhì)，即穩(wěn)態(tài)剪切粘度呈現(xiàn)顯著的剪切變稀行 為；儲能模量G’與損耗模量G”均表現(xiàn)出頻率依賴性，當(dāng)CMC的濃度升高時，鏈段密度増 加，松馳也變得困難，儲能模量G'與損耗模量G"的交點向低頻移動。

(2)CMC可以很好地穩(wěn)定全脂酸性乳飲料，CMC可以在pH=5.2左右吸附在酪蛋白膠 束上，提供靜電排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)，同時沒有吸附在酪蛋白上的CMC還可以増加體 系粘度，從而能穩(wěn)定酸性乳飲料。

(3)CMC的添加量是影響CMC穩(wěn)定酸性乳飲料的關(guān)鍵因素，加入的CMC的濃度越 高，酸性乳體系的粒徑越大、zeta電位越負、沉降率越低。所以CMC的添加量越多，其穩(wěn) 定效果越好。

(4)CMC的分子量和取代度也是影響CMC穩(wěn)定酸性乳飲料的重要因素，分子量與取 代度對穩(wěn)定效果的影響雖不像濃度那樣顯著，但是高分子量、高取代度的CMC其對酸性乳 飲料的穩(wěn)定效果好于低分子量、低取代度的CMC。

(5)CMC穩(wěn)定脫脂酸性乳飲料與其穩(wěn)定全脂酸性乳飲料相比，由于全脂酸性乳中存在乳 脂肪，其在調(diào)酸過程中，表面的脂肪蛋白膜組分類似于酪蛋白，因此埋藏于酪蛋白膠束內(nèi)部， 導(dǎo)致全脂酸性乳體系中的粒徑比脫脂酸性乳體系的粒徑大。但是在酸化過程中，其粒徑變化 和zeta電位的變化基本一致，說明脂肪的存在并不影響酪蛋白在酸化過程中的溶出和塌陷， 也不影響CMC與酪蛋白的相互作用。

36

第三章羧甲基可德膠穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究

3.1引言

可德膠不溶于水，這限制了其在生物活性方面的應(yīng)用，水不溶性通常認為是由于分子內(nèi) 部以及分子間存在的大量氫鍵形成的結(jié)晶區(qū)域，與纖維素的情形相類似[73]。羧甲基化改性 是多糖常用的化學(xué)改性方法，被認為是另一種體現(xiàn)多糖功能性特性的途徑[74-75]。對于可德膠 而言，羧甲基化改性的衍生物在能夠帶來很好的水溶性同時具有很好的生物活性，并且這一 結(jié)果己經(jīng)取得了很好的實際應(yīng)用：由于其本身具有的較強的免疫特性，國外己經(jīng)將羧甲基化 改性的可德膠作為免疫化妝品中最重要的添加劑之一。它是一種生物反應(yīng)修飾因子，能提高 人體自身的防御機制[76-77]。羧甲基可德膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)與羧甲基纖維素鈉的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相 似，前一章己經(jīng)證明羧甲基纖維素鈉可以很好的穩(wěn)定酸性乳飲料，那羧甲基可德膠也可能是 一種潛在的穩(wěn)定劑。

本章在前一章研究的基礎(chǔ)上，合成和表征了羧甲基可德膠，探究了其在酸性乳飲料體系 中的應(yīng)用，并將其穩(wěn)定效果與羧甲基纖維素鈉的穩(wěn)定效果進行了對比。

3.2實驗試劑與儀器

3.2.1實驗試劑

日本武田-麒麟食品公司；

上海國藥有限公司；

上海國藥有限公司；

上海科旺化學(xué)試劑儀器有限公司; 新西蘭恒天然合作集團；

上海化學(xué)試劑有限公司。

可德膠 氫氧化鈉 異丙醇 氯乙酸 全脂奶粉 梓檬酸（分析純）

37

85-1磁力攪拌器

3.2.2實驗儀器

無錫市瑞江分析儀器有限公司;

上海天達儀器有限公司;

PHS-3TC 數(shù)顯 pH i十

高速冷凍離心機

CQ-250超聲儀

弘興超聲電子儀器有限公司;

動態(tài)光散射儀

馬爾文儀器有限公司;

TA Instruments,美國

AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀

上?？送娖饔邢薰?

紅外測試儀

上海第二分析儀器廠;

DDS-11A型電導(dǎo)儀

Perkin Elmer 公司，美國;

Viscotek TDA305型體積排阻色譜聯(lián)用光散射馬爾文儀器有限公司。

3.3實驗方法

3.3.1羧甲基可德膠的制備

室溫下將3.0 g的可德膠懸浮于80 ml異丙醇中攪拌30 min,然后緩緩地加入(每隔10min 加1ml) 10g 30 wt%的氫氧化鈉溶液（3g+7g水)，滴完后整個體系劇烈地攪拌90 min，升 溫至55 °C。接著將3.6g氯乙酸溶于6ml異丙醇中，將混合液以10min的間隔分三次加入， 保持反應(yīng)在55 °C下進行4 h。將最終得到的產(chǎn)物過濾，然后以乙醇、丙酮連續(xù)淋洗。最后 將沉淀物溶于蒸餾水中，用鹽酸或乙酸調(diào)成中性。在4 C下用蒸餾水透析5天，再經(jīng)過冷 凍干燥得到白色棉絮狀的羧甲基化可德膠。

3.3.2羧甲基可德膠的紅外表征和分子量測定

紅外光譜實驗在Paragon 1000型紅外光譜儀（Perkin Elmer公司，美國）上進行，波長 范圍為500 cm-1到4000 cm-1，樣品采用KBr壓片法制得。

羧甲基可德膠的分子量及分子量分布通過馬爾文公司的Viscotek凝膠色譜系統(tǒng)來測

38

定，溶劑為0.05M NaN〇3，色譜柱流速為0.7 mL/分鐘，柱溫為30°C。

3.3.3羧甲基可德膠取代度的測定

稱取0.2-0.3g的羧甲基可德膠放入250ml燒杯中，加入200ml去離子水，再加入3ml 0.5N 的NaOH溶液，攪拌1h—2h。用0.33N的鹽酸溶液滴定，每次滴入0.3-0.4ml，充分攪拌后，

2 o

1L TA

XS.AIPnpuoo

 

 

圖3-1羧曱基可德膠電導(dǎo)率滴定法 Figure 3-1 Conductometric titration of carboxymethyl curdlan

根據(jù)下面公式計算羧甲基可德膠的取代度[78]:

(V 2 - V1) N

Grams of samples

=Value A

(Ml. of NaOH x N) - (V1 x N) Grams of samples

Value B

A x 0.162

(1 + 0.022B - 0.08A)

DS

3.3.4羧甲基可德膠的超聲分解

39

用上海第二分析儀器廠的DDS-11A型電導(dǎo)儀及鉑黑電極測定測定溶液電導(dǎo)率，攪拌1分鐘 后記錄電導(dǎo)率值。當(dāng)?shù)味ǖ诫妼?dǎo)率發(fā)生明顯増長后，停止滴定[78]。將電導(dǎo)率與加入的 鹽酸體積作圖，如圖3-1所示。

用羧甲基可德膠配制1wt%的羧甲基可德膠水溶液，將溶液分成三份，用CQ-250超聲 儀超聲。在25°C、105Hz條件下，將樣品分別超聲1小時，2小時和3小時以得到不同分子 量的羧甲基可德膠。將超聲后的羧甲基可德膠冷凍干燥，然后用Viscotek凝膠色譜系統(tǒng)測 定分子量及分子量分布。表征所用的Viscotek TDA305系統(tǒng)集成了 3種檢測器，包括光散射 (7°小角光散射（LALS)和90。直角光散射（RALS))、折光指數(shù)儀（RI)和在線粘度檢測 器（VIS)。色譜柱選用兩根Viscotek A6000M色譜柱。流動相為0.05M NaN〇3，流速為0.7 ml/min，進樣體積為100 W，溫度為30C。利用OmniSEC軟件進行數(shù)據(jù)的采集和分析。

3.3.5流變學(xué)實驗

穩(wěn)態(tài)剪切粘度及動態(tài)粘彈性實驗在AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀上進行，夾具選用角度為2° ' 8〃、直徑為60 mm的錐板，錐板與平板間的間距為58叫。實驗溫度由循環(huán)水浴及帕爾貼 (peltier)系統(tǒng)控制在25 C，精度為±0.1 C。穩(wěn)態(tài)剪切速率范圍0.01?1000 s-1。動態(tài)頻 率掃描范圍0.01?100 rad/s，測試均在樣品的線性粘彈區(qū)內(nèi)進行。為了避免實驗過程中溶液 溶劑的揮發(fā)，采用一薄層輕質(zhì)硅油（聚二甲基硅氧烷，25 C時粘度為10 mPas)覆蓋其暴 露表面。

3.3.6酸性乳樣品制備

在2L的燒杯中加入1L的超純水，按表2-2所示的樣品比例依次加入樣品，待之前加 入的樣品溶解以后再加入下一個樣品。攪拌，使充分溶解。將配好的模擬牛乳滲析液 (SMUF)[59]放在4C的冰箱內(nèi)放置。

用全脂奶粉和超純水配制成8%的復(fù)原乳，在4C的冰箱內(nèi)放置隔夜，使其充分水合。 將CMC配制成0.5%的溶液，在4C的冰箱內(nèi)放置隔夜，使其充分水合。以1:100的比例將 復(fù)原乳稀釋在模擬牛乳滲析液中，作為參比。在參比體系中加入不同比例的CMC溶液配成 一系列樣品。

3.3.7粒徑及zeta電位的測定

用動態(tài)光散射粒徑分析儀(DLS, Nano ZS90 Zetasizer ZEN3690, Malvern)測量在調(diào)酸過

40

程中，粒子粒徑的變化。粒徑儀所用的光源為最大輸出功率10W的He-Ne激光，檢測波長 為633nm。盛有樣品的一次性聚苯乙烯樣品池在Joule-Peltier恒溫器上恒溫至測量溫度25°C。 在樣品中滴加檸檬酸，跟蹤酪蛋白的粒徑隨體系pH值的變化以及CMC在酪蛋白上的吸附

層厚度。

在上述參比體系及一系列含有不同濃度的CMC樣品中，滴加檸檬酸，蛋白質(zhì)膠體粒子 的電位隨pH值的變化用Malvern的Nano-ZS90 Zetasizer ZEN3690型分析儀測定，溫度 為 25〇C。

3.4結(jié)果與討論

~'°/-90 匚n5l-Ew匚roJi

 

4000300020001000

Wavenumber (cm-1)

3.4.1羧甲基可德膠的紅外表征

圖3-2可德膠以及羧甲基可德膠的紅外光譜譜圖 Figure 3-2 FT-IR spectra of native Curdlan and carboxymethyl Curdlan

圖3-2給出的是可德膠及其羧甲基化改性產(chǎn)物的紅外譜圖。由圖中我們可以看出在3370 cm-1附近有一很寬的吸收峰對應(yīng)于-OH的伸縮振動，比較兩個譜圖可以發(fā)現(xiàn)改性后該基團的 吸收峰明顯向高波方向移動，我們認為這是由于氫鍵作用降低的緣故。另外可德膠曲線上 1644 cm-1處的吸收對應(yīng)于水分子的吸收峰，不能完全消除掉，幾乎大多數(shù)的多糖均是有此 現(xiàn)象[79-80]。對于羧甲基化可德膠的紅外譜圖，1370 cm-1以及891 cm-1附近處的特征吸收峰 表明改性產(chǎn)物仍為P -D-葡萄吡喃糖苷鍵構(gòu)型，在1607 cm-1處的吸收峰對應(yīng)于COO-的不對

41

稱伸縮振動；而1432 cm-1處的吸收峰則對應(yīng)于COO-的對稱伸縮振動，表明了羧甲基化反 應(yīng)的發(fā)生。兩者譜圖的比較更為詳細的信息參見表3-1。

表3-1可德膠以及羧曱基化改性產(chǎn)物的紅外吸收對應(yīng)的基團（*號表示產(chǎn)物的特征吸收峰） Table 3-1 Infrared absorption regions and assignments for Curdlan and CMc (the symbol *

refers to the characteristic peaks of the CMc molecule)

Wavenumber (cm-1)Fragment

3370OH

2917CH CH2

1644H-O-H

1373CH

1317CH2

1261C-OH

1234C-O

1160C1-O-C3

1080C- O

1607*C=O

1432*C=O

AJIAIPnpuo0

 

24

 

ml of 0.33N HCl

8 10

3.4.2羧甲基可德膠的取代度測定

圖3-3羧曱基可德膠電導(dǎo)率滴定法測取代度 Figure 3-3 Determine of carboxymethyl curdlan5s DS by Conductometric titration

42

稱取0.234g的羧甲基可德膠放入250ml燒杯中，加入200ml去離子水，再加入3ml 0.5N 的NaOH溶液，攪拌1h-2h。用0.33N的鹽酸溶液滴定，每次滴入0.3-0.4ml，充分攪拌后，

(V2 —V1)N=ValueA(7.12 _ 4.吵 0 33=3.82

Grams of samples

0.234

(Ml. of NaOH x N)-(V1x N)(2.90 x 0.5)-(4.14x0.3)_A 〇n

=Value B=0.89

Grams of samples

0.234

A x 0.162

(1 + 0.022B — 0.08 A)

DS

3.82 x 0.162

(1 + 0.022 x 0.89 — 0.08 x 3.82)

0.87

用上海第二分析儀器廠的DDS-11A型電導(dǎo)儀及鉑黑電極測定測定溶液電導(dǎo)率，攪拌1分鐘 后記錄電導(dǎo)率值。將電導(dǎo)率與加入的鹽酸體積作圖，如圖3-3所示。聚陰離子多糖穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究,由圖可得Vi=4.14ml， V2=7.12ml，m=0.234g。

經(jīng)過計算，合成的羧甲基可德膠的取代度為0.87。

3.4.3不同超聲時間的羧甲基可德膠的分子量測定

我們用CQ-250超聲儀將制備的羧甲基可德膠超聲降解不同時間，以得到一系列具有不 同分子量的CMC。

超聲降解是通過施加超聲波，使溶液起伏產(chǎn)生壓力。在不同的壓力作用下，溶液中有氣 泡生成，直徑可達100 um。這些氣泡達到一定尺寸后，在不到一微秒的時間內(nèi)破裂，釋放 出高能量（氣穴現(xiàn)象)，使高分子在兩個破裂氣泡間的拉長區(qū)域內(nèi)斷裂（圖3-4)。鏈的斷裂 一般發(fā)生在重心附近。大分子比小分子降解得快，這是由于后者有較大的流動阻力，即當(dāng)分 子量増加時降解速率也増加。當(dāng)高分子的分子量下降到一個臨界值后，即在一定鏈長以下， 力不足以破壞化學(xué)鍵，使分子鏈繼續(xù)斷裂。支鏈高分子比直鏈高分子難降解[81]。

43

 

圖3-4超聲降解示意圖[82]

Figure 3-4. Schematic representation of the polymer degradation in an elongational flow field caused by cavitation[82].

已有研究表明，在超聲降解的過程中結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)保持不變。如果樣品是多分散 的，隨降解時間的增長，多分散性略有下降。與化學(xué)降解及熱降解相比，超聲降解是一個相對 確定的過程，降解產(chǎn)物的取代度不會改變，多分散性也在一定范圍內(nèi)。因此我們采用超聲降解 的方法，將羧甲基可德膠水溶液（lwt%)分別降解1小時、2小時、3小時，8小時，得到共 計五種不同分子量的羧甲基可德膠樣品。用馬爾文公司的Viscotek凝膠色譜測定四種樣品的 分子量及分子量分布情況，其結(jié)果如表3-2所示。由表3-2可以看出，隨著超聲時間的增長， 羧甲基可德膠的重均分子量降低，雖然羧甲基可德膠的分子量與超聲時間不是線性關(guān)系，但是 通過超聲降解的方法可以得到一系列具有不同分子量的羧甲基可德膠樣品。

表3-2羧甲基可德膠分子量隨超聲時間的變化

Table 3-2 Change of carboxymethyl curdlan's molecular weight with ultrasound time

Sample

IdMwMnMzIVRh/nmRadius of Gyration/nm

CMc901,860761,1251,167,0005.86542.67760.709

超聲1h824,050627,9711,141,0005.379440.16951.104

超聲2h757,176605,6931,025,0005.249438.81148.04

超聲 3h630,214495,662843,8984.5434.76739.725

超聲 8h533,418321,714814,0752.837327.60837.567

44

3.4.4羧甲基可德膠水溶液的流變學(xué)性質(zhì)

1000

sed>l!soos!>

0.01 ■

口 2%

〇 3%

+ 6% ☆ 10%

 

0.1

10

100

100 ■：

shear rate /s'

圖3-5羧甲基可德膠水溶液在30°C的穩(wěn)態(tài)剪切粘度對剪切速率作圖

Figute 3-5 Steady shear viscosity as a function of shear rate for carboxymethyl curdlan

solutions at 30 C

圖3-5給出的是羧甲基可德膠水溶液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度隨剪切速率的變化情況。對于2% 以及3%的羧甲基改性可德膠的水溶液而言，僅僅顯現(xiàn)出輕微的剪切變稀現(xiàn)象；對于6%以 及10%的溶液，穩(wěn)態(tài)剪切粘度在低剪切速率下緩慢降低，而在高剪切速率下下降顯著，并 且隨著聚合物濃度的増加，剪切變稀行為開始的剪切速率值會向低剪切速率方向變化，這 一點與大多數(shù)的聚合物溶液相類似[83]。

對于羧甲基可德膠水溶液的粘彈性譜圖，如圖3-6所示，表現(xiàn)出溶液的特性G〃>G'。隨 著頻率的増加，G'由于具有更高的頻率依賴性，因而顯著的増大。兩個模量均表現(xiàn)出明顯的 頻率依賴性，對于2%溶液，G'<xra2, G〃xra，隨著聚合物濃度的増大，兩個指數(shù)分別背離2 和1,與通常的高分子溶液性質(zhì)能夠很好地吻合[84]。

45

1E-4'

1E-3'

o o 1 1 1

101 o§

rad/:9-9

 

〇

〇

〇

〇

〇

〇

參

 

•10% G

•6% G_

•3% G_

•2% G_

,G ,G,G ,G

0%% % % 16 3 2

o o o o

0.1

10

100

〇/rad s'

圖3-6羧甲基可德膠水溶液模量的頻率依賴性測試

Figure 3-6 Frequency dependence of G' and of carboxymethyl curdlan solutions

(2%~10%) at 30 〇C

EU/JalaEelpalolted

 

3.4.5羧甲基可德膠的濃度對其粒徑和zeta電位的影響

圖3-7加入不同濃度CMc的全脂乳體系酸化過程中粒子粒徑變化圖 Figure 3-7 Changes of the particle size and zeta potential during the acidification process of whole milk systems with different concentrations of CMc

將具有相同分子量和相同取代度的羧甲基可德膠（Mw=757176, DS=0.87)加入到酸性 乳體系中，配置成具有不同濃度羧甲基可德膠的酸性乳體系，將酸性乳體系按1:100的比例 稀釋在牛乳滲析液中，用動態(tài)光散射粒徑分析儀(DLS, Nano ZS90 Zetasizer ZEN3690,

46

Malvern)測量在調(diào)酸過程中，粒子粒徑的變化。結(jié)果如圖3-7所示，全脂乳體系在酸化過程 中，隨著pH值的降低，在pH 5.8-5.2之間，所測粒子粒徑減小。這是因為酪蛋白膠束中有 部分a-酪蛋白和p-酪蛋白的溶出，使得酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷，導(dǎo)致粒徑值減小。在 pH降低到4.7,接近酪蛋白的等電點時，粒子粒徑值發(fā)生突増，超過1叫；用肉眼可以觀察 到明顯的聚集現(xiàn)象，體系失穩(wěn)。

當(dāng)加入羧甲基可德膠時，在相同的pH范圍內(nèi)(pH 5.8-5.2)，粒子的粒徑減小，這是由于 羧甲基可德膠的存在并不影響a-酪蛋白和p-酪蛋白的溶出。當(dāng)pH降低到5.2左右時，粒子 粒徑開始増大。此時，羧甲基可德膠與酪蛋白膠束發(fā)生靜電作用，吸附于粒子表面。pH降 低，在5.2-4.0之間，酪蛋白膠束中K-酪蛋白的塌陷速率和羧甲基可德膠往膠束上的吸附速 率基本平衡，粒徑變化不大。pH繼續(xù)降低，當(dāng)加入的羧甲基可德膠濃度不足時，不能和膠 束發(fā)生飽和吸附，膠束間的空間位阻效應(yīng)減弱，體系失穩(wěn)，粒徑突然増大。隨著羧甲基可德 膠添加量的増加，更多的羧甲基可德膠吸附到酪蛋白膠束上，所以所測的粒子的粒徑也増加。 當(dāng)加入0.003%的羧甲基可德膠時，可以使體系穩(wěn)定到pH 4.2，當(dāng)加入0.0045%的羧甲基可 德膠時，可以使體系穩(wěn)定到pH 4.0左右，當(dāng)加入0.008%的羧甲基可德膠時，可以將酸性乳 體系穩(wěn)定到pH=3.8左右，繼續(xù)増大添加CMc的濃度，當(dāng)羧甲基可德膠的濃度達到0.04%時， 酪蛋白膠束在pH=3.0時也沒有發(fā)生聚集。所以，加入的羧甲基可德膠的濃度越大，酪蛋白 膠束的穩(wěn)定性也越好，0.008%的羧甲基可德膠不足夠可以穩(wěn)定全脂酸性乳飲料，0.04%的羧 甲基可德膠方可以穩(wěn)定酸性乳體系。

 

圖3-8加入不同濃度羧甲基可德膠的全脂乳體系酸化過程中粒子zeta電位變化圖 Figure 3-8 Changes of the zeta potential during the acidification process of whole milk systems with different concentrations of carboxymethyl curdlan

47

將具有相同分子量和相同取代度的羧甲基可德膠（Mw=757176, DS=0.87)加入到酸性 乳體系中，配置成具有不同濃度羧甲基可德膠的酸性乳體系，將酸性乳體系按1:100的比例 稀釋在牛乳滲析液中，用Malvem的Nano-ZS90 Zetasizer ZEN3690型分析儀測定在調(diào)酸過

程中，粒子zeta電位的變化。如圖3-8所示，全脂乳體系在調(diào)酸過程中，由于酪蛋白膠束表 面負電荷逐漸被中和，所以粒子的zeta電位一直隨pH的降低而増加。在接近等電點時，膠 束間靜電排斥作用逐漸消失，同時由于隨著pH的降低，酪蛋白表面的K-酪蛋白發(fā)生塌陷， 使得維持酪蛋白穩(wěn)定的空間位阻作用大幅度減小。提供酪蛋白膠束間斥力的主要是空間位阻 作用，當(dāng)其小于膠束間的范德華吸引力時，酪蛋白發(fā)生聚集，造成體系失穩(wěn)。另外，全脂乳 體系在酸化過程中，膠束的zeta電位并不隨pH值的降低而單調(diào)變化，這可能與酪蛋白膠束 在體系隨pH值降低過程中，會有部分磷酸鈣及部分a -和0 -酪蛋白的溶出有關(guān)。

當(dāng)體系加入羧甲基可德膠時，由于帶負電的羧甲基可德膠吸附到酪蛋白的表面，酪蛋白 的zeta電位在5.2左右開始降低，與前面粒徑増大所述的結(jié)果一致。隨著pH降低，酪蛋白 表面帶的正電荷越來越多，越來越多的帶負電荷的羧甲基可德膠吸附到酪蛋白表面，使其 zeta電位繼續(xù)降低。繼續(xù)降低酸性乳體系的pH值，氫離子濃度的増加，會屏蔽羧甲基可德 膠吸附層上的有效負電荷，使羧甲基可德膠分子鏈卷曲，吸附層塌陷，zeta電位増加。相同 pH下，加入的羧甲基可德膠濃度越高，體系的zeta電位越低。總之，隨著羧甲基可德膠添 加量的増加，體系維持穩(wěn)定的pH值趨于更低，粒子粒徑愈大，zeta電位愈負，這是由于更 多的羧甲基可德膠吸附到膠束上，且所吸附的羧甲基可德膠大分子鏈能形成loop狀負電層， 既提供了空間位阻，也提供了靜電排斥的作用，因此體系得以穩(wěn)定。

3.4.6羧甲基可德膠的分子量對其粒徑和zeta電位的影響

將具有不同分子量的羧甲基可德膠加入到酸性乳體系中，配置成具有相同濃度 (0.008wt°%)、相同取代度（DS=0.87)，不同分子量的CMC的酸性乳體系，將酸性乳體 系按1:100的比例稀釋在牛乳滲析液中，用動態(tài)光散射粒徑分析儀(DLS, Nano ZS90 Zetasizer ZEN3690, Malvern)測量在調(diào)酸過程中，粒子粒徑的變化。我們選取未超聲的羧甲基可德膠 (Mw=901,860)和超聲8小時的羧甲基可德膠（Mw=533,418)進行對比，結(jié)果如圖3-9所 示。和羧甲基纖維素鈉的結(jié)果相似，由于高分子量的羧甲基可德膠具有更長的分子鏈，長鏈 的羧甲基可德膠分子能夠在酪蛋白膠束表面形成較大的loop圈，從而使吸附層的厚度増大， 造成粒徑増大，所以高分子量的羧甲基可德膠的穩(wěn)定效果更好。雖然羧甲基可德膠的分子量

48

 

對其酸化過程中粒子的粒徑變化有一定的影響，分子量的影響也和添加量的影響類似，但是 和羧甲基纖維素的添加量相比，其作用效果明顯弱于添加量的影響。

-5-

i/ lellu-os

 

圖3-9加入不同分子量羧曱基可德膠的全脂乳體系酸化過程中的粒徑變化圖 Figure 3-9 Changes of the particle size during the acidification process of whole milk systems with different carboxymethyl curdlan molecular weights

圖3-10加入不同分子量羧曱基可德膠的全脂乳體系酸化過程中的zeta電位變化圖 Figure 3-10 Changes of the particle size during the acidification process of whole milk systems with different carboxymethyl curdlan zeta potentials

將具有不同分子量的羧甲基可德膠加入到酸性乳體系中，配置成具有相同濃度

49

(0.008wt%)、相同取代度（DS=0.87)，不同分子量的CMC的酸性乳體系，將酸性乳體 系按1:100的比例稀釋在牛乳滲析液中，用Malvem的Nano-ZS90 Zetasizer ZEN3690型分

析儀測定在調(diào)酸過程中，粒子zeta電位的變化。我們選取未超聲的羧甲基可德膠 (Mw=901,860)和超聲8小時的羧甲基可德膠（Mw=533,418)進行對比，結(jié)果如圖3-10 所示。測試結(jié)果顯示，加入未超聲羧甲基可德膠的酸性乳體系的zeta電位比加入超聲8小 時的羧甲基可德膠的酸性乳體系的更低，說明加入高分子量羧甲基可德膠的酸性乳體系的 zeta電位更低，高分子量更有利于羧甲基可德膠穩(wěn)定酸性乳飲料，這與上面討論的結(jié)果一致。 但是與加入不同添加量羧甲基可德膠的酸性乳體系相比，加入不同分子量羧甲基可德膠的酸 性乳體系的zeta電位差異更小，所以雖然分子量對羧甲基可德膠的穩(wěn)定效果有一定的影響， 但其影響效果不如添加量的影響明顯。

3.4.7羧甲基可德膠，羧甲基纖維素鈉穩(wěn)定酸性乳飲料對比

 

0¬7.06.56.05.55.04.54.03.53.0

pH

2000 - 1800 - 1600 - 1400 - 1200 -

c 1000 -

§

歷 800 - 600 - 400 - 200 -

 

10¬5¬0¬-5¬-10¬-15¬-20¬-25¬-30¬7.06.56.05.55.04.54.03.53.0

PH

圖3-11羧甲基纖維素鈉與羧甲基可德膠穩(wěn)定酸性乳飲料對比（a為粒徑變化，b為zeta

電位變化）

Figure 3-11 Comparison of stabilization of acidified milk with Sodium carboxymethyl cellulose and carboxymethyl Curdlan (a: Changes of particle size;b: Changes of zeta potantial)

羧甲基纖維素鈉和羧甲基可德膠有相似的結(jié)構(gòu)[85]，聚陰離子多糖穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究,羧甲基纖維素鈉和羧甲基可德膠都 證明對酸性乳飲料體系有一定的穩(wěn)定作用，那兩者之間有什么異同。我們對兩者穩(wěn)定酸性乳 飲料進行了對比，結(jié)果如圖3-11所示。加入兩種不同多糖的酸性乳體系在酸化過程中，其 粒徑和zeta電位變化趨勢相似，說明其穩(wěn)定機理相似，均是因為多糖能提供靜電排斥作用 和空間位阻效應(yīng)，同時多余的多糖可以増加體系的粘度。但是在酸化過程中，加入相同濃度

50

羧甲基可德膠的酸性乳體系的粒徑比加入羧甲基纖維素鈉的酸性乳體系的粒徑小，zeta電位 也更小。同時，含0.0045%羧甲基纖維素鈉的酸性乳體系可以在pH=3.25的條件下穩(wěn)定存在， 0.0045%的羧甲基可德膠只能將酸性乳穩(wěn)定在pH=4.1；含0.008%羧甲基纖維素鈉的酸性乳 體系可以在pH=3的條件下仍穩(wěn)定存在，0.008%的羧甲基可德膠只能將酸性乳穩(wěn)定在 pH=3.6。所以，羧甲基纖維素鈉與羧甲基可德膠相比，其對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果更好。

羧甲基可德膠與羧甲基纖維素鈉結(jié)構(gòu)相似，但是其對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果卻不相同， 我們推測這與兩者的分子鏈柔順性不同相關(guān)，為此我們比較了兩者的分子柔順性的差異。持 久長度q是表示多糖高分子柔順性的一個重要參數(shù)。持久長度q定義為無限長鏈的末端在起 始端第一個鏈軸方向上的投影，代表鏈的支撐能力，即表征鏈的剛?cè)岢潭?，其值越大鏈的?性越強。一般柔性高分子呈現(xiàn)無規(guī)線團鏈構(gòu)象，其q值在0.5-1.0nm之間，而剛性高分子鏈 的q值一般在40-200nm之間[80]。

研究者對于羧甲基纖維素鈉的持續(xù)長度研究較多，只〇〇£0：^^[86]等研究證明羧甲基纖維 素鈉的持續(xù)長度q與其取代度相關(guān)，計算出在NaN〇3溶液中羧甲基纖維素鈉的持續(xù)長度 q=11-13nm。由于鮮有文獻對羧甲基可德膠的持續(xù)長度進行計算，我們利用Viscotek凝膠 色譜測出的分子參數(shù)，運用蠕蟲狀鏈圓筒模型對羧甲基可德膠的q進行了推算。對于該模型，

Bushin[87#P Bohdanecky[88%后獨立的證明 Yamakawa-Fujii-Yoshizaki 關(guān)于[n ]理論可以近似

地表示為：

 

An + BnMw1-

Ari=

(1 )

(2)

(3)

Bn = 〇D-1/SB0 (2q/ML)

其中

_單位長度摩爾質(zhì)量nm-1 q—持久長度nm

AD,B。-常數(shù)，B。近似為常數(shù)，取BQ = 1.065

23

+B-Floiy 常數(shù)，dr彡0.1 時，中。=2.86X10

分別將四個不同分子量的可德膠的Mv._和h]帶入⑴中，以%寸—條直

51

r」0-_ J、-) e、sl)

 

線，如圖3-12所示。根據(jù)直線的斜率和截距求得At) = 130.32,= 1.04

圖3-12羧甲基可德狡的(Up)與Mw1"的關(guān)系圖

Figure 3-12 The plot ofagainst Mw'- ; for the carboxymethyl curdlaii

將Ai】，Bri帶入式（4),

(4 )

—^(—jBn4

AQ 1.215TTKA KATJ 11

將（4)式得到的■J;：=2.98Xl〇-3 帶入（5)式，得到 dr=0.064,在。=1.37,再根據(jù)（2) (3)

公式可以得到q=5.94nm。比較羧甲基纖維素鈉和羧甲基可德膠的持續(xù)長度，發(fā)現(xiàn)羧甲基可 德膠的持續(xù)長度小于羧甲基纖維素鈉，所以羧甲基可德膠比羧甲基纖維素鈉更柔順。因為羧 甲基可德膠的分子鏈比羧甲基纖維素鈉更加柔順，所以更容易彎曲和更好地吸附在酪蛋白表 面。羧甲基纖維素鈉的分子鏈剛性更強，因此能提供更好的空間位阻作用，這是羧甲基纖維 素鈉能更好穩(wěn)定酸性乳飲料的原因。

52

3.5本章小結(jié)

(1)本文通過將可德膠羧甲基化得到羧甲基可德膠，紅外測試中1607 cm-1及1432 cm-1 處的吸收峰證明了羧甲基化的成功。

(2)通過測試，測出合成的羧甲基可德膠的取代度為0.87,與上一章中取代度為0.9 的CMC的取代度相似；通過超聲降解，得到了一系列相同取代度，不同分子量的羧甲基可 德膠，所以超聲降解是一種得到一系列分子量的有效方法。

(3)羧甲基可德膠的流變學(xué)性質(zhì)與大多數(shù)的聚合物相同，穩(wěn)態(tài)剪切粘度具有剪切變稀 的現(xiàn)象，儲能模量G’和損耗模量G”均表現(xiàn)出明顯的頻率依賴性；隨著聚合物濃度的増 加，剪切變稀行為開始的剪切速率值會向低剪切速率方向變化，這一點與大多數(shù)的聚合物 溶液相類似。

(4)羧甲基可德膠也可以有效穩(wěn)定酸性乳飲料，當(dāng)體系pH低于5.2時，羧甲基可德 膠可以吸附在酪蛋白膠束表面，提供靜電排斥作用和空間位阻作用從而穩(wěn)定酪蛋白，加入羧 甲基可德膠的酸性乳體系在酸化過程的粒徑與zeta電位變化趨勢與羧甲基纖維素相似；加 入的羧甲基可德膠濃度越高，其對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果越好。

(5)羧甲基可德膠與羧甲基纖維素鈉相比，羧甲基可德膠對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果不如 羧甲基纖維素鈉的穩(wěn)定效果好，這是由于羧甲基可德膠的持續(xù)長度比羧甲基纖維素的持續(xù)長 度短，其分子鏈柔順性更好，其分子鏈剛性不如羧甲基纖維素的分子鏈強，因此提供的空間 位阻效應(yīng)弱于羧甲基纖維素。

53

第四章玉米纖維膠穩(wěn)定全脂酸性乳飲料

4.1前言

玉米纖維膠是通過過氧化氫的堿性溶液從玉米纖維中提取得到的。玉米纖維是一種來源 非常豐富并且價格低廉的玉米仁濕磨副產(chǎn)物，玉米纖維包括玉米仁的果皮層和胚乳細胞壁等 纖維性部分。商業(yè)化的玉米干磨加工也是玉米纖維的來源之一。研究發(fā)現(xiàn)[56]玉米纖維膠具 有高度支化的結(jié)構(gòu)，p-(1-4)-吡喃木糖作為主鏈，a-L-阿拉伯呋喃糖作為側(cè)鏈，另外還有一些 D-葡萄糖醛酸連接在主鏈木糖的O-2位置，還有一些半乳糖和木糖連接于作為側(cè)鏈的阿拉 伯呋喃糖上。玉米纖維膠具有水溶性好，溶液粘度低的特點，是食品行業(yè)潛在的乳化劑[57]。 研究[89]也證明玉米纖維膠可以和乳蛋白相互作用，形成配合物，此配合物可以更好地穩(wěn)定 乳化液。本文研究了玉米纖維膠穩(wěn)定酸性乳飲料的情況。

4.2實驗試劑和儀器

4.2.1實驗試劑

表4-1模擬牛乳滲析液(SMUF)的配比

Table 4-1 The formulation of SMUF (simulated milk ultafiltration)

樣品名稱重量/ g樣品名稱重量 / g

磷酸二氫鉀1.58氯化鈣1.0

檸檬酸鉀1.2氯化鎂0.65

檸檬酸鈉1.79碳酸鉀0.3

硫酸鉀0.18氯化鉀0.6

檸檬酸及表4-1中試劑:分析純，中國國藥（集團）上海試劑公司；

全脂奶粉新西蘭恒天然合作集團；

玉米纖維膠美國農(nóng)業(yè)部東部研究中心的Yadav博士提供。

54

PHS-3TC 型 pH 計

4.2.2實驗儀器

TA Instruments,美國;

AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀

上海天達儀器有限公司;

動態(tài)光散射儀

85-1磁力攪拌器

上?？送娖饔邢薰?

馬爾文儀器有限公司。

4.3實驗方法

4.3.1CFG溶液的流變學(xué)測試

穩(wěn)態(tài)剪切粘度及動態(tài)粘彈性實驗在AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀上進行，夾具選用角度為1°0' 22〃、直徑為40 mm的錐板，錐板與平板間的間距為30叫；或者選用角度為2°' 8〃、 直徑為60 mm的錐板，錐板與平板間的間距為58叫。實驗溫度由循環(huán)水浴及帕爾貼(peltier) 系統(tǒng)控制在25 °C，精度為±0.1 °C。穩(wěn)態(tài)剪切速率范圍0.01?1000 s-1。動態(tài)頻率掃描范圍 0.01?100 rad/s，測試均在樣品的線性粘彈區(qū)內(nèi)進行。為了避免實驗過程中溶液溶劑的揮發(fā)， 采用一薄層輕質(zhì)硅油（聚二甲基硅氧烷，25 C時粘度為10mPas)覆蓋其暴露表面。

4.3.2CFG全脂酸性乳體系zeta電位測試

配制一系列乳溶液，向其加入不同量的玉米纖維膠，配制成喊不同含量CFG的酸性乳 飲料，將酸性乳飲料按1:100的比例稀釋在牛乳滲析液中。在上述樣品中，滴加檸檬酸，蛋 白質(zhì)膠體粒子的（-電位隨pH值的變化用Malvern的Nano-ZS90 Zetasizer ZEN3690型分析 儀測定，溫度為25°C。

4.4結(jié)果與討論

4.4.1 CFG的流變學(xué)

55

(s ed) Li

1E-3

 

0.01 0.1 1 10 100 1000

y (s-1)

圖4-1是玉米纖維膠溶液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度對剪切速率的依賴關(guān)系，從圖中可以看出，所 有濃度的玉米纖維膠溶液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度基本都不存在剪切速率依賴性，即使剪切速率達到 1000 s-1也沒有觀察到明顯的剪切變稀行為，這說明玉米纖維膠溶液具有類似于牛頓流體的 特性。此外，玉米纖維膠溶液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度隨著玉米纖維膠濃度的増大而増大，但是即使 玉米纖維膠濃度達到60 mg/ml，其穩(wěn)態(tài)剪切粘度也只有約0.3 Pa s,說明玉米纖維膠溶液具 有低粘特性。

圖4-1 25°C時玉米纖維膠溶液的穩(wěn)態(tài)剪切粘度對剪切速率的依賴關(guān)系 Fig. 4-1 Steady shear viscosities of CFG solutions at 25〇C.

4.4.2加入CFG的酸性乳體系酸化過程中zeta電位的變化

圖4-2是加入不同濃度玉米纖維膠的酸性乳飲料的酸化過程中的zeta電位變化。如圖 所示，加入玉米纖維膠的酸性乳體系與不加玉米纖維膠的酸性乳體系相比，其zeta電位的 變化幾乎一致，不同濃度CFG的酸性乳飲料的zeta電位也幾乎沒有差別。這說明加入CFG 對乳體系的zeta電位沒有影響，CFG沒有吸附在酪蛋白膠束上從而降低膠束的zeta電位。 加入CFG的酸性乳體系與前面加入CMC、CMc的酸性乳體系相比，在pH=5.2左右處（多 糖吸附在酪蛋白膠束上的pH點），其zeta電位沒有發(fā)生降低，進一步印證了 CFG沒有吸附 在酪蛋白膠束上，玉米纖維膠不能穩(wěn)定酸性乳飲料。這可能是由于玉米纖維膠是一種高度支

56

 

-20¬

-25-

20¬

15¬

10-

AUJ/IEIlu^lod-El^z

 

化的多糖高分子，其分子結(jié)構(gòu)為球狀，其與酪蛋白之間的空間位阻作用使其不能吸附在酪蛋 白的表面。

-30

1| I |■|1 I 1 I 1 I 1 I ^

7.06.56.05.55.04.54.03.53.0

pH

圖4-2加入不同濃度CFG的全脂乳體系酸化過程中粒子zeta電位變化圖 Figure 4-2 Changes of the zeta potential during the acidification process of whole milk systems

with different concentrations of CFG

4.5本章小結(jié)

(1)玉米纖維膠溶液具有低粘性，同時具有類牛頓流體特性。

(2)玉米纖維膠是一種高度支化的多糖高分子，所以它不能像羧甲基纖維素、羧甲基可 德膠一樣能吸附在酪蛋白上提供靜電排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)，其不能作為酸性乳飲料的穩(wěn) 定劑。

57

第五章全文總結(jié)

酸性乳飲料是廣受歡迎的飲料，本文采用全脂酸性乳飲料為研究對象，分別研究了羧甲 基纖維素鈉（CMC)、羧甲基可德膠（CMc)、玉米纖維膠（CFG)對其的穩(wěn)定效果、影 響因素及穩(wěn)定機理。

CMC是水溶性纖維素衍生物、最主要的離子型纖維素膠。CMC水溶液一般呈現(xiàn)剪切變 稀行為，粘度隨剪切速率的升高而降低。溶液的粘度隨濃度的増加而升高，溶液具有粘彈性， 隨濃度的増加G'與G''的交點向低頻移動，同時模量升高。當(dāng)pH降低到5.2左右時，CMC 與酪蛋白膠束發(fā)生靜電作用，吸附于粒子表面，提供靜電排斥作用和空間位阻效應(yīng)，這兩個 效應(yīng)是其穩(wěn)定酸性乳飲料的主要原因。此外，沒有吸附在酪蛋白上的CMC可以増加乳體系 的粘度，也可以起到穩(wěn)定酸性乳飲料的作用。CMC的添加量是影響其穩(wěn)定效果的關(guān)鍵因素， CMC的添加量越多，酸性乳體系的粒子粒徑越大、zeta電位越負、沉降率越低。所以CMC 的添加量越多，酸性乳體系越穩(wěn)定，0.4%的CMC足以穩(wěn)定4%全脂酸性乳飲料。CMC的分 子量與取代度也是影響其穩(wěn)定效果的關(guān)鍵因素，高分子量、高取代度的CMC對酸性乳飲料 的穩(wěn)定效果更好，分子量與取代度對穩(wěn)定效果的影響不如添加量的影響明顯。將脫脂乳體系 與全脂乳體系相比，由于脂肪的存在，全脂酸性乳體系的粒徑比脫脂酸性乳體系的粒徑大， 但在酸化過程中其粒徑變化和zeta電位的變化一致，說明脂肪的存在并不影響酪蛋白在酸 化過程中的溶出和塌陷，也不影響CMC與酪蛋白的相互作用。

CMc具有和CMC相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，本文用可德膠為原料，將可德膠羧甲基化得到CMc, 并用紅外測試證明CMc的形成。電導(dǎo)滴定法測得制備的CMc的取代度為0.87,與取代度為 0.9的CMC的取代度相似。CMc超聲降解可以得到一系列不同分子量的CMc。CMc水溶液 也呈現(xiàn)剪切變稀行為，聚陰離子多糖穩(wěn)定全脂酸性乳飲料研究,粘度隨剪切速率的升高而降低，溶液的粘度隨濃度的増加而升高，溶 液具有粘彈性。與CMC類似，當(dāng)pH降低到5.2左右時，CMc也可以與酪蛋白膠束發(fā)生靜 電作用，吸附于粒子表面從而穩(wěn)定酸性乳飲料。羧甲基可德膠的添加量對其穩(wěn)定效果影響較 大，羧甲基可德膠的添加量越多，酸性乳體系越穩(wěn)定。將超聲不同時間而得到的不同分子量 的羧甲基可德膠進行對比，高分子量的羧甲基可德膠的穩(wěn)定效果更佳。由于羧甲基可德膠的 分子鏈持續(xù)長度比羧甲基纖維素鈉的分子鏈持續(xù)長度小，所以羧甲基可德膠的分子剛性不如 羧甲基纖維素鈉的柔順性好，分子柔順性的差異導(dǎo)致羧甲基纖維素鈉能提供更強的空間位阻

58

效應(yīng)，所以羧甲基可德膠對酸性乳飲料的穩(wěn)定效果不如羧甲基纖維素鈉的穩(wěn)定效果好。

玉米纖維膠不同于羧甲基纖維素鈉或者羧甲基可德膠，其溶液穩(wěn)態(tài)剪切粘度基本都不存 在剪切速率依賴性，玉米纖維膠溶液具有類似于牛頓流體的特性。此外玉米纖維膠溶液具有 低粘特性。玉米纖維膠和羧甲基纖維素、羧甲基可德膠的分子結(jié)構(gòu)不同，它是一種高度支化 的多糖高分子，所以它不能像羧甲基纖維素、羧甲基可德膠一樣能吸附在酪蛋白上提供靜電 排斥效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)，其不能作為酸性乳飲料的穩(wěn)定劑。