红景天作为一种天然植物,含有多种对人体有利的有效成分,营养价值极高[1-2]。红枣[3]和胡萝卜[4]均种植广泛,价格低廉,且营养价值较高。随着现代社会的发展,人们的压力和工作强度也在逐渐加大,为了能够缓解疲劳,增强体质,可考虑选用红景天、红枣、胡萝卜为原料制作一款色香味俱佳且富含营养成分的饮料。
由于复合饮料的本身特点以及物理特性会产生部分沉淀,需采取一定的方法对其进行处理。针对饮料沉淀问题,仅依靠加入稳定剂对改善一些饮料的稳定性效果并不是十分理想。高压均质(high pressure homogenization,HPH)技术可通过剪切力、撞击力和空穴爆炸力等综合力,使溶液颗粒细微化进而使溶液形成均匀稳定的体系[5],这一技术应用十分广泛,包括食品[6-9]和医药[10]等领域。崔燕等[11]、徐伟等[12]、刘孝平等[13]研究了高压均质对饮料稳定性的影响,发现适当的高压均质处理方式可有效提高饮料的稳定性。王子宇等[14]和BETORET等[15]分别研究了高压均质处理方式对橙汁流变特性以及功能特性的影响,发现高压均质处理能降低橙汁的黏稠度,提高饮用舒适度,但同时会影响产品的色泽;高速剪切均质可以使分散相颗粒分散化、细小化和均匀化,进而使产品的稳定性和性能有所改善[16]。这一技术已广泛应用于食品[17-18]、制药[19]等,RAVICHANDRAN等[20]和齐凤敏[21]研究了高速剪切均质对食品以及乳液的物理化学特征的影响,发现高速剪切均质可减小粒度,增强稳定性。目前,学术界对食品均质方面的研究仍主要集中在改变单一高压均质条件或单一高速剪切均质条件对产品特性的影响上,但关于2种均质方式对于饮料的稳定性、色泽和感官评价等方面的影响及对比鲜有研究。
由于高压均质和高速剪切均质均能用于饮料的产品均质,但不同的均质方式会对产品本身产生不同的影响。因此,为了探究红景天复合饮料最优的均质方法,故分别在不同参数下采用高速剪切均质和高压均质处理方式,以粒径、沉淀率、稳定系数、色差值、L*和感官评分为指标,根据试验结果选取合适的均质处理方式。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
红景天和红枣,网上购买;胡萝卜,市场上购买;果胶酶,山东隆科特酶制剂有限公司;柠檬酸、木糖醇,山东福田药业有限公司;卡拉胶,肇庆海星生物科技有限公司;羧甲基纤维素钠,上海申光食用化学品有限公司。
1.2 仪器与设备
数控超声清洗机,昆山市超声仪器有限公司;AD500 S均质机,上海昂尼仪器仪表有限公司;高压均质机,上海台驰轻工装备有限公司;恒温水浴锅,北京科伟永兴仪器有限公司;纳米粒度及Zeta电位分析仪,丹东百特仪器有限公司;TDZ5-WS离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;TG16-WS台式高速离心机,上海医用分析仪器厂;全自动色差仪,北京康光光学仪器有限公司;752 G紫外可见分光光度计;上海仪电分析仪器有限公司制造。
1.3 实验方法
1.3.1 复合饮料制备
红景天经粉碎、超声浸提、过滤得到红景天水提液。红枣经原料处理、粉碎、浸提,得到红枣汁,胡萝卜经原料处理、榨汁,得到胡萝卜汁。将制备好的红景天水提液、红枣汁、胡萝卜汁与木糖醇、柠檬酸按比例混合,加入适量稳定剂后,均质、进行灭菌处理、冷却,得到成品。
1.3.2 高压均质作用的探究
利用高压均质机对复合饮料进行均质,分别在均质压力0、5、10、15、20、25 MPa的条件下进行均质,每次均质1 min。高压均质后灭菌,测定成品粒径、离心沉淀率、稳定系数、色差、L*和感官评分,每组均测3次,取其平均值。
1.3.3 高速剪切均质作用的探究
1.3.3.1 均质转速对红景天复合饮料的影响
分别设置均质转速为0、5 000、7 500、10 000、12 500、15 000 r/min进行均质,每次均质1 min,对成品测定其粒径、离心沉淀率、稳定系数、色差、L*和感官评分。每组均测3次,取其平均值。
1.3.3.2 均质次数对红景天复合饮料稳定性的影响
分别设置均质次数为0、1、2、3、4进行均质,均质转速为12 500 r/min,均质1 min,均质后测定其粒径、离心沉淀率、稳定系数、色差、L*和感官评分,每组均测3次,取其平均值。
1.3.4 各指标的测定方法
1.3.4.1 离心沉淀率的测定
参考文献[22]以及预实验结果显示,在离心转速为4 000 r/min时,复合饮料的沉淀物分离效果最好,因此选用4 000 r/min的离心转速。具体方法如下:将离心管用水洗净烘干后,取30 mL饮料原液置于离心管中。离心转速为4 000 r/min、离心时间20 min,离心结束后,精确称量沉淀质量,并算出离心沉淀率,沉淀率计算如公式(1)所示,若离心沉淀率越小,也就说明饮料稳定性越好。每个样品进行3 次平行测定,离心沉淀率取其平均值。
离心沉淀率
(1)
1.3.4.2 粒径的测定[23]
取复合饮料1 mL于样品池,用1 mL蒸馏水调零后,用激光粒度仪及Zeta电位分析系统测定其粒径。
1.3.4.3 稳定系数的测定
饮料的稳定性可用其离心作用后的吸光光度值来衡量。稳定系数越大,饮料的稳定性越好。参考相关文献[24-25]方法并修改如下:于10 mL离心管中添加复合饮料后,离心10 min(4 500 r/min),取出后静置。然后再用移液管吸取稀释10倍体积的上清液到比色皿,在570 nm波长处测定吸光光度值。按照公式(2)计算得到稳定系数。每个样品平行测定3 次,取其平均值。
稳定系数
(2)
1.3.4.4 色差和L*的测定[26-27]
色差用全自动色差仪进行测定。研究表明,色差值越小,产品的颜色差异越小。饮料颜色可以从视觉上影响人们的心理,在饮料的实际生产中,保证产品颜色的一致性以及饮料的稳定性,尽可能小的色差将会对产品的品质有更好的保障。L*用全自动色差仪进行测定,将原液倒进比色皿后放入色差仪中自动读数。每组均测3次,取其平均值。色差值的计算如公式(3)所示:
(3)
[:ΔE,色差值;L0、a0和b0,未处理饮料的颜色值;L*、a*、b*,处理后样品的颜色值。其中L*代表亮度;a*代表红绿色程度,正值表示红色程度,负值表示绿色程度;b*代表黄蓝色度,正值表示黄色程度,负值表示蓝色程度。其中L*代表亮度,L*值越大,颜色越亮,L*值越小,颜色越暗。
1.3.4.5 感官评分的测定
参考相关文献[28]方法并修改如下:感官评分小组共15人,试评复合饮料前进行漱口。基于感官评分标准(表1),品评人员对饮料的色泽、组织状态、气味和口感进行评分。计算品评人员的感官评分均值,并将其作为结果。品评饮料的时间为上午9∶30～11∶00。
表1 复合饮料感官评分标准
Table 1 Sensory scoring standard for compound beverage
项目(权重)参考标准评分/分色泽(30分)颜色均匀,靓丽鲜艳,呈鲜艳暖橙色16～20颜色较均匀,呈浅黄色11～15颜色失衡,太浅或太重 <10组织状态(20分)汁液均匀一致、稳定17～20汁液均匀一致,较稳定,允许有少许颗粒物13～16汁液较均匀一致,有较多颗粒物 9～12汁液不均匀,有大量颗粒物悬浮或沉淀 <9气味(20分)混合香味柔和,比较协调20-30混合香味不柔和,无异味,能接受11～19混合香味不柔和,产生怪味,难以接受 <10口感(30分)滋味协调,清甜爽口26～30滋味协调,微甜不涩20～25略微过甜或者略微过涩,但能接受11～20味道明显失调,过涩或过甜,不能接受 <10
2 结果与分析
2.1 高压均质对红景天复合饮料的影响
由于复合饮料中的大分子颗粒在贮藏过程中易因重力作用而沉淀,而颗粒越大,越易发生沉淀,进而影响产品的稳定性,而稳定系数越大,则表明饮料的稳定性越好。因此将粒径、沉淀率和稳定系数作为衡量产品稳定性的重要指标。图1为均质压力对复合饮料粒径、沉淀率和稳定系数的影响试验结果,对复合饮料进行高压均质后,饮料的沉淀率和粒径明显降低,同时稳定系数增加。且随着均质压力的增加,饮料的沉淀率和粒径都在逐渐减小,稳定系数在逐渐上升,可能是由于复合饮料在不断增强的压力,撞击力等综合力的作用下,导致大分子颗粒物被不断细化,进而使其颗粒物的粒径越来越小,其沉降速度也会越小,体系的稳定性增强。不断下降的沉淀率和不断升高的稳定系数皆表明复合饮料的稳定性有明显的提升。表明高压均质可明显提升饮料的稳定性。这与其他学者的研究结果相似[26]。
图1 均质压力对复合饮料粒径、沉淀率和稳定系数的影响
Fig.1 Effect of homogenizing pressure on particle size,sedimentation rate,and stability factor of composite beverages
由图2可知,当对复合饮料进行高压均质时,饮料的色泽发生了明显的变化,色差变大的同时,L*降低,且随着均质压力的增大,色差在不断增大。L*值逐渐降低,表明饮料色泽明显变暗。根据试验数据以及感官分析结果显示,随着均质压力的增大,复合饮料的组织形态虽然由于颗粒物细碎化而变得更加均匀一致,气味和口感上与均质前相差不大,但其色泽因为明显变得暗沉,在视觉上极其影响食欲感,导致对复合饮料的整体感官评分明显下降,如图3所示,与品评人员测定的感官评分相一致。在对复合饮料高压均质后,饮料的组织状态虽然更均匀,但因色泽过于暗沉而导致整体感官评分下降明显,且随着均质压力的增强,复合饮料的感官评分在不断下降,可能与复合饮料的色泽逐渐暗沉,极其影响食欲感有关。
图2 均质压力对复合饮料色差和L*的影响
Fig.2 Effect of homogenizing pressure on color difference and L* of composite beverages
图3 均质压力对复合饮料感官评分的影响
Fig.3 Effect of homogeneous pressure on the sensory score of composite beverages
2.2 高速剪切均质对红景天复合饮料的影响
2.2.1 高速剪切均质转速的作用探究
如图4所示,对复合饮料进行高速剪切均质后,粒径、沉淀率和稳定系数都会受到影响。当转速<12 500 r/min时,随着均质转速的升高,复合饮料受到剪切、摩擦、撞击以及物料间的相互碰撞和摩擦作用而使复合饮料内部的大颗粒物变得细小化、分散化和均匀化,进而使粒径在不断减小,沉淀率降低,体系的稳定性增强。下降的沉淀率和升高的稳定系数皆量化表明出复合饮料的稳定性在不断提升。当转速为12 500 r/min时,复合饮料的粒径最小,沉淀率最低,稳定系数此时为最高。当均质转速>12 500 r/min时,复合饮料的粒径和沉淀率却开始上升,稳定系数下降。可能由于转速过快,导致温度升高,使复合饮料中的果胶等物质分解,造成饮料中颗粒沉淀。
图4 均质转速对复合饮料沉淀率、稳定系数和粒径的影响
Fig.4 Effect of homogenization speed on sedimentation rate,stability coefficient,and particle size of composite beverages
如图5和图6所示,均质转速对复合饮料的色差,L*和感官评分都有一定的影响。当均质转速<12 500 r/min时,试验数据以及感官分析结果显示,随着均质转速的增加,复合饮料的组织形态更加均匀一致,气味柔和协调,口感也更加酸甜爽口,同时色差虽然在开始增大,但是L*值和感官评分也在逐渐增大,饮料的颜色开始变得逐渐明亮鲜艳,可在视觉上增强食欲感。当均质转速为12 500 r/min时,复合饮料的L*值最大,此时复合饮料的色泽最明亮鲜艳,气味柔和协调,口感酸甜爽口,感官评分也是最高。当继续提高均质转速时,复合饮料的色差继续增大,但L*值和感官评分开始下降,因此,确定高速剪切均质的转速为12 500 r/min。
图5 均质转速对复合饮料色差和L*的影响
Fig.5 Effect of homogenization speed on color difference and L*of composite beverages
图6 均质转速对复合饮料感官评分的影响
Fig.6 Effect of homogenization speed on sensory scores of compound beverages
2.2.2 高速剪切均质次数的作用探究
分别在12 500 r/min的转速下均质0、1、2、3、4次。如图7所示,均质次数对复合饮料的粒径、沉淀率和稳定系数都有一定的影响。次数低于2次时,随着均质次数的增加,复合饮料因受到反复的剪切、摩擦、撞击以及其他作用的影响,大分子颗粒物在不断的细碎化,进而使其粒径在不断减小,粒径越小,沉降速度就越小,进而使体系的稳定性增强,下降的沉淀率和升高的稳定系数皆表明复合饮料的稳定性在升高。在均质次数为2次时,复合饮料的沉淀率最小,粒径较小,稳定系数最高,表明此时复合饮料的稳定性最好。当均质次数再次增加时,复合饮料的粒径和沉淀率却在逐渐增大,同时稳定系数开始降低。这可能是由于均质次数过于频繁时,微粒受到的剪切力和撞击力增大的同时,温度也在逐渐升高,导致果胶等物质分解,溶液内颗粒物增加。同时布朗运动加剧,颗粒之间相互作用加强,使颗粒容易聚集,使饮料内体系变得不稳定,进而造成稳定系数下降,离心沉淀率升高。
图7 均质次数对复合饮料沉淀率、稳定系数和粒径的影响
Fig.7 Effect of homogenization times on sedimentation rate,stability coefficient,and particle size of composite beverages
如图8和图9所示,均质次数对复合饮料的色差、L*和感官评分有一定的影响。当均质次数少于2次时,随着均质次数的增加,复合饮料的色差虽然有所上升,但是L*值和感官评分却也在逐渐增大,表明饮料的颜色开始变得逐渐明亮鲜艳,与此同时,复合饮料的口感酸甜可口,组织状态更加均匀一致,气味也更加柔和协调,在很大程度上增强了食欲感。当均质次数为2次时,复合饮料的L*值最大,此时复合饮料的色泽最明亮鲜艳,组织状态均匀一致,气味柔和协调,口感酸甜爽口,感官评分达到最高。当继续增加均质次数时,复合饮料的色差虽相比较于均质2次的色差有所下降,但相较于未均质的产品仍有一定的色差,且L*值和感官评分不断下降,可表明复合饮料的色泽偏暗沉,食欲感降低。因此将均质次数定为2次。
图8 均质次数对复合饮料色差和L*的影响
Fig.8 Effect of homogenization times on color difference and L* of composite beverages
图9 均质次数对复合饮料感官评分的影响
Fig.9 Effect of homogenization times on sensory scores of compound beverages
3 结论与讨论
本研究以沉淀率、粒径、稳定系数、L*、色差ΔE和感官评分为指标,对比了不同条件下的高压均质和高速剪切均质对红景天复合饮料的影响。结果表明,由于大分子颗粒物被不断的细化后,其颗粒物的粒径会变得越来越小,沉降速度也会随之变小,沉淀率减少,稳定系数升高,进而使体系的稳定性增强,高压均质和高速剪切均质都显著降低了饮料的沉淀率和粒径,稳定系数增加,进而提高了产品的稳定性。但是尽管高压均质比高速剪切均质略有利于降低饮料的粒径和沉淀率,提高饮料的稳定性,但两者效果相差并不大。并且在高压均质条件下,饮料的色泽明显改变,颜色明显暗沉,在视觉上使人食欲感明显降低,进而导致感官评分降低。而经过高速剪切均质的饮料的稳定性不仅明显升高,而且色泽更加明亮,组织状态更加均匀一致,香味柔和协调,口感酸甜可口,使人食欲感增强,感官评分也较高。
综合比较下,用均质转速为12 500 r/min,均质次数为2次的高速剪切均质的方式对复合饮料的作用效果较好。因此选用高速剪切均质对复合饮料进行均质。本研究可为日后饮料的均质化提供一定的参考。
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