琼脂低聚糖性质及在乳酸菌饮料中的应用研究

李文强,胡佳麒,赵越,蓝周昀,阮叶萍,罗洁,周运华,吴伟都,李言郡,2,薛玉清*

1(杭州娃哈哈集团有限公司,浙江 杭州,310018)2(浙江省食品生物工程重点实验室,浙江 杭州,310018)

普通琼脂作为一种海洋多糖,黏度高、水溶性低,不易被人体吸收,因此在应用方面受到很大限制[1]。普通琼脂降解后得到的琼脂低聚糖,又名“琼胶寡糖”,是琼脂经水解后聚合度为2～20的新型海洋功能性低聚糖,主要由琼二糖的重复单位连接而成,包括琼寡糖和新琼寡糖2个系列。琼寡糖以3,6-内醚- α-L-半乳糖残基为还原性末端,新琼寡糖以β-D-半乳糖残基为还原性末端[2-3]。它不仅具有其他功能性低聚糖的一般特性,还具有许多普通琼脂无法替代的功能特性,如水溶性更好,溶解温度更低,凝胶强度更低,保水性能更好,有利于人体吸收等特性;具有更均匀的分子链结构,产品性能稳定;在饮料应用中口感更爽滑、细腻,风味释放丰富,有类脂肪感和良好的堆积感;相比于其他功能低聚糖其凝胶强度和黏度受加工温度的影响很小,抗衰减能力稳定,可防止冷链不完善导致的产品黏度衰减等问题[4-6]。

乳酸菌饮料是以鲜乳或还原乳为主要原料,杀菌之后接种乳酸菌发酵后制成的含乳饮料。乳酸菌饮料不仅能够调节肠道菌群、改善便秘和腹泻,而且具有丰富的营养价值和独特的风味,因此倍受广大消费者的喜爱,近年来的销量也在持续上升[7]。但由于乳酸菌饮料pH值很接近牛乳酪蛋白的等电点,因此在加工、贮存过程中容易发生沉淀、絮凝、分层等体系稳定性问题,所以选择合适的稳定剂提高乳酸菌饮料体系的稳定性对提升产品品质至关重要[8-10]。

本文通过研究琼脂低聚糖的基本性质及在乳酸菌饮料中的应用,发现琼脂低聚糖QZ-C50低凝胶强度的特性很适合饮料体系使用,且琼脂低聚糖QZ-C50的性能对增加乳酸菌饮料悬浮性、提升乳酸菌饮料整体稳定性有非常重要的作用。因此,将琼脂低聚糖QZ-C50推广应用到具有悬浮需求、在加工、贮存过程中容易发生沉淀、絮凝、分层等体系稳定性问题的饮料产品中,用于提升饮料产品的整体稳定性和产品品质,有非常重要的价值,且具有广阔的市场前景。

1 材料与方法

1.1 材料

脱脂奶粉,新西兰恒天然集团;白砂糖,市售;嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)、保加利亚乳杆菌(Lactobacillusbulgaricus)、果胶,丹尼斯克(中国)有限公司;琼脂低聚糖QZ-C50,上海宏腾健康科技有限公司。

1.2 仪器与设备

pH计、分析天平,上海梅特勒-托利多仪器有限公司;MBL25高速剪切机,上楚业生物科技(上海)有限公司;SH-160生化培养箱、TD5G离心机,金坛市盛蓝仪器制造有限公司;APV-1000型均质机,丹麦APV公司;小型UHT杀菌机,Armfield设备有限公司;Mastersizer 3000激光粒度分析仪,英国马尔文仪器有限公司;黏度计,爱拓中国分公司;Lumisizer,罗姆(江苏)仪器有限公司;质构仪,英国SMS公司。

1.3 实验方法

1.3.1 琼脂低聚糖基础性能

1.3.1.1 凝胶强度测定

按照国标方法,将试样制成质量分数为1.5%的凝胶,用质构仪测定凝胶在15～20 s内的抗破砝码质量,根据温度换算系数,计算样品凝胶强度。

1.3.1.2 耐酸性考察

配制质量分数为1%的胶液,分别装在5个100 mL蓝盖瓶中,将pH分别调整到起始pH值、4.5、4.2、4.0、3.8,然后拧紧瓶盖在121 ℃杀菌10 min,冷却到室温,设置黏度计为25 ℃,60 r/min下进行黏度测定。

1.3.1.3 耐热性考察

配制质量分数为1%的胶液,分别装在5个100 mL耐高压瓶中,置于130 ℃油浴中,分别杀菌0、5、10、20、30 min,冷却到室温,设置黏度计为25 ℃,60 r/min 下进行黏度测定。

1.3.1.4 假塑性测定

配制质量分数为1%的胶液,设置黏度计为25 ℃,分别测试10、60 r/min下的黏度。

1.3.2 灭菌型乳酸菌饮料的工艺流程

发酵乳的制备流程如下:

脱脂粉10%(质量分数)→50 ℃溶解→杀菌(95 ℃,5 min)→冷却到43 ℃ →接种(嗜热链球菌∶保加利亚乳杆菌=2∶1,质量比)→43 ℃恒温静置发酵5 h→冷藏(2～6 ℃)。

乳酸菌饮料的调配流程如下:

发酵乳搅拌破乳→均质(20/5 MPa)→搅拌时加入溶解后冷却好的糖浆10%(质量分数)→搅拌时加入溶解后冷却好的果胶和琼脂低聚糖溶液1%(质量分数)→调酸(pH至4.2)→定容→均质→超高温瞬时杀菌→室温贮藏

1.3.3 琼脂低聚糖在乳酸菌饮料中的应用

1.3.3.1 琼脂低聚糖对乳酸菌饮料粒径的影响

用马尔文Mastersizer 3000激光粒度分析仪,分别检测不添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料和添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料的粒径。测试条件为25 ℃,1 800 r/min。

1.3.3.2 琼脂低聚糖对乳酸菌饮料黏度的影响

分别检测不添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料和添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料的黏度,设置黏度计为25 ℃,60 r/min。

1.3.3.3 琼脂低聚糖对乳酸菌饮料离心沉淀率的影响

在50 mL离心管(质量m1)中加入定量样品(质量m),1 500 r/min下离心10 min,将上清液弃去称重得m2。离心沉淀率的计算如公式(1)所示:

(1)

1.3.3.4 乳酸菌饮料Lumisizer测定

Lumisizer稳定性分析仪,是通过离心力的作用使饮料中的各组分在重力或离心力的作用下发生上浮或者沉淀,再利用光源照射,得到一个实时监测的透光率图谱,从而加速评估样品在货架期的沉降情况而推导出体系是否稳定。乳酸菌饮料的稳定性可由Lumisizer图谱透光率变化、整体不稳定系数以及体系透光率变化斜率来反映,斜率越大、不稳定系数越大、透光率变化越快,说明饮料的稳定性越差;反之亦然。测试条件:在25 ℃,1 500 r/min下5 s/条测试500条谱线。

1.3.3.5 乳酸菌饮料货架期放置观察

跟踪观察不添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料和添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料在货架期静态放置的底部沉淀、整体状态的外观情况。

2 结果与分析

2.1 琼脂低聚糖基础性能

2.1.1 凝胶强度

收集了市售可用于食品饮料中的多个普通琼脂型号进行测试结果如图1所示。

图1 不同型号琼脂凝胶强度Fig.1 The gel strength of different types of agar

由图1可知,可用于食品饮料中的普通琼脂OS10 Z、QS10 ZW、YOGAR MGS、G300、S-200、LB05,凝胶强度相比用于肉制品、豆类制品、果冻制品中的琼脂凝胶强度低很多,但是依旧是在30 g以上,只有琼脂低聚糖QZ-C50的凝胶强度为26 g且凝胶软弹不易破裂[11]。琼脂低聚糖QZ-C50的这种特性可以极大的降低在饮料中应用时由于温差等导致网络收缩引起的析水、分层、絮凝等风险。

2.1.2 耐酸性

由图2可知,琼脂低聚糖QZ-C50在酸性条件下热处理后黏度下降幅度比大多数植物类、海藻类多糖小很多[12]。但是当pH<4.2时,黏度下降幅度较大,因此在pH<4.2的产品中使用,要实时跟踪关注稳定性变化情况。

图2 琼脂低聚糖QZ-C50在不同pH值下杀菌后的黏度Fig.2 The viscosity of agar oligosaccharide QZ-C50 at different pH values

2.1.3 耐热性

由图3可知,在经过高温短时热处理,琼脂低聚糖QZ-C50的黏度上升,分析可知此现象是由于在一定程度的热处理下分子链完全舒展所致[11]。另外由整体变化趋势可以看出琼脂低聚糖QZ-C50在经过高温处理后,黏度下降幅度可控且下降幅度远远小于其他植物类、海藻类多糖,也就是说该琼脂对杀菌热处理的耐受性较好,能够满足生产需求[13]。

图3 琼脂低聚糖QZ-C50经过不同时间热处理后的黏度Fig.3 The viscosity of agar oligosaccharide QZ-C50 after heat treatment at different times

2.1.4 假塑性

用黏度计测试25 ℃时,10、60 r/min下琼脂低聚糖QZ-C50的黏度,由表1可知,该琼脂低聚糖剪切性能值为3.364,相比结冷胶、黄原胶假塑性差很多(黄原胶热剪切性能值在6.5～8),所以在使用时要注意它对产品口感的影响[14]。

表1 脂低聚糖QZ-C50的假塑性Table 1 The pseudoplastic of agar oligosaccharide QZ-C50

2.2 琼脂低聚糖在乳酸菌饮料中的应用

2.2.1 琼脂低聚糖对乳酸菌饮料粒径的影响

从图4粒径分布图和表2粒径数据可知,添加了0.04%(质量分数)琼脂低聚糖QZ-C50的试验样粒径峰图分布集中无拖尾(通过前期琼脂低聚糖添加量实验可知,当琼脂低聚糖QZ-C50添加量≥0.04%时,琼脂低聚糖对乳酸菌饮料的稳定性有显著改善,结合成本角度考虑,最终确定乳酸菌饮料中琼脂低聚糖QZ-C50的添加量为0.04%),跟对照样相比不仅没有因为琼脂低聚糖的添加导致粒径上升,反而消除了对照样大颗粒所导致的拖尾现象,使产品整体粒径下降50%。由Stokes定律可知含乳饮料中微粒的上浮或沉淀速度与粒子的直径呈正相关作用,粒径越小就意味着颗粒的沉降和上浮速度越慢,产品体系就越稳定均匀[15]。因此可知,在乳酸菌饮料中使用了琼脂低聚糖QZ-C50后,对乳酸菌饮料稳定性的提高有很大作用。

图4 乳酸菌饮料的粒径分布图Fig.4 The particle size distribution of lactic acid bacteria beverage

表2 乳酸菌饮料粒径检测数据 单位:μm

2.2.2 琼脂低聚糖对乳酸菌饮料离心沉淀率的影响

分别测试对照样和试验样的黏度和离心沉淀率,结果如图5所示,可以看出,添加了0.04%琼脂低聚糖QZ-C50的试验样,黏度稍有上升,但是离心沉淀率却大幅度下降,对整体稳定性的提高有非常显著的效果。这么明显的稳定性改善所用,不仅仅是上升的黏度带来体系颗粒运动速度减慢,更重要的是琼脂低聚糖在温度低于43 ℃时会形成双螺旋结构的弱凝胶,对体系中的颗粒物的下沉和上浮有比较明显的控制作用,因此它的加入大大提高了乳酸菌饮料体系的稳定性[16-17]。

2.2.3 乳酸菌饮料Lumisizer测定

Lumisizer稳定性分析仪,是通过离心力的作用使饮料中的各组分在重力或离心力的作用下发生上浮或者沉淀,再利用光源照射,得到一个实时监测的透光率图谱,从而加速评估样品在货架期的沉降情况而推导出体系是否稳定[18-20]。图6是未添加琼脂低聚糖乳酸菌饮料(QZ-1 H1 0808)和添加了0.04%琼脂低聚糖乳酸菌饮料(QZ-2 0808)的Lumisizer测试结果。从Lumisizer稳定性分析仪检测图谱可以看出,添加琼脂低聚糖QZ-C50的试验组,透光率变化率逐渐减小,沉淀与悬浮分离的速度逐渐变慢,Lumisizer斜率逐渐减小,稳定性明显优于对照组。不管是整个体系透光率的稳定性还是底部沉淀的降低幅度,都有非常明显的差异;从不稳定系数柱状图和体系稳定性变化斜率曲线也均可知,添加了琼脂低聚糖QZ-C50后,乳酸菌饮料的不稳定系数降低,稳定性有了显著提高,因此可以说明琼脂低聚糖QZ-C50对乳酸菌饮料体系稳定有非常显著的改善作用。

图5 乳酸菌饮料黏度和离心沉淀率Fig.5 The viscosity and centrifugal sedimentation rate of lactic acid bacteria beverage

a-QZ-1 H1 0808样品Lumisizer检测;b-QZ-2 0808样品Lumisizer检测;c-乳酸菌饮料澄清指数;d-乳酸菌饮料澄清指数趋势图图6 乳酸菌饮料Lumisizer检测Fig.6 The lumisizer scan of lactic acid bacteria beverage

2.2.4 乳酸菌饮料货架期放置观察

图7是对照样和试验样室温放置7个月的底部沉淀情况,由图7可知,对照组底部沉淀较厚,颜色呈黑色,且倒置后沉淀仍然贴壁,沉淀较为致密。添加了琼脂低聚糖QZ-C50的试验样沉淀量大幅减少,且沉淀较为松散,稍作晃动或倒置后沉淀马上消失,体系均匀无异样。因此可知,琼脂低聚糖QZ-C50对改善乳酸菌饮料沉淀问题、提高乳酸菌饮料整体稳定性,有很大的帮助。

a-乳酸菌饮料底部沉淀;b-强光手电筒观察乳酸菌饮料底部沉淀;c-乳酸菌饮料倒置后底部沉淀图7 乳酸菌饮料货架期静置状态Fig.7 The shelf life condition of lactic acid bacteria beverage

3 结论

本文研究了琼脂低聚糖QZ-C50的基本性能和它在乳酸菌饮料中应用后对产品稳定性的影响。琼脂低聚糖QZ-C50凝胶强度低、耐热性好、pH 4.2以上耐酸性能较好,添加0.04%就具有较好的悬浮性,且琼脂低聚糖QZ-C50较低凝胶强度的特性很适合饮料体系;通过琼脂低聚糖QZ-C50在乳酸菌饮料中的应用试验可知,在乳酸菌饮料中添加0.04%琼脂低聚糖QZ-C50,可以有效降低乳酸菌饮料的粒径、大幅度减少沉淀量,琼脂低聚糖QZ-C50对提高乳酸菌饮料产品稳定性有显著的效果。通过该研究,将琼脂低聚糖QZ-C50推广应用到具有悬浮需求、在加工、贮存过程中容易发生沉淀、絮凝、分层等体系稳定性问题的饮料产品中,用于提升饮料产品的整体稳定性和产品品质,有非常重要的价值,且具有广阔的市场前景。