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羧甲基纤维素钠(CMC)与酪蛋白的相互作用及其稳定酸性乳体系机理的研究

杜柏桥  
【摘要】: 近些年,乳品工业在我国得到了迅猛的发展。在所有农业产业中,乳业是增长量最大、增长持续时间最长的产业,其中液态乳生产与消费的大幅度增长已成为我国乳品工业新发展时期的总体特点之一。酸乳由于其独特的风味及保健功能而风靡全世界,近几年出现在国内市场上,发展也是非常迅猛。牛乳蛋白在酸性条件下的变性沉淀一直是影响酸乳及酸性乳饮料生产及开发的一个关键性问题。因此,近年来对亲水胶体与乳蛋白的相互作用,以及对最终产品稳定性的研究已成为世界各国乳品科学研究的热点。 CMC作为一种常用的酸性乳饮料体系的稳定剂,在亚洲尤其在中国有着广泛的应用。CMC的加入,可以有效的防止酪蛋白在酸性条件下的聚集、沉淀以及由此产生的乳清分离,使酸性乳饮料在一定时期内保持均一、稳定的分散体系。酸性乳饮料由于其独特的风味及口感,近几年在国内市场上发展非常迅猛,如何避免牛乳蛋白在酸性条件下的变性沉淀则是影响酸性乳饮料生产及开发的一个关键性问题。目前对CMC稳定酸性乳饮料的研究主要在稳定剂的复配与生产工艺过程的优化方面,对其稳定机理的探讨较少。 液态乳是一个多相多组分复杂体系,其物性在宏观上表现出复杂流体的流变学特征,在微观上则主要涉及蛋白质胶束的形成及其相互作用,以及多糖和酪蛋白的相互作用。乳蛋白在酸性条件下的变性沉淀一直是影响酸乳及酸性乳饮料生产及开发的一个关键性问题。这一问题的本质是胶体稳定性和结构流变学研究中的一个科学问题,其研究内容也是多学科的交叉。我国是一个乳制品大国,乳制品的加工制备方法和特性与国外有很大的差别。本文针对具体工业应用,根据中国酸性乳品的特点和技术需求,主要通过研究纤维素胶与乳蛋白之间的相互作用及其影响因素,从多糖吸附动力学,胶体微观结构演变和结构流变学性质演变的角度,来阐明酸性乳饮料体系的稳定/失稳机理,为高品质酸性乳的生产和工艺优化提供理论依据和指导,提高我国乳制品大国的地位,同时促进食品科学和高分子科学的交叉融合,进而建立高分子科学研究发展的新切入点,深化乳品物性学的研究。本论文的主要研究内容及结论如下: 由于CMC溶液的流变学性质是其应用的一个重要特性,我们首先研究了其溶液的流变学性质及在酸性乳饮料生产过程中诸多因素对其流变学性质的影响。CMC溶液是典型的假塑性流体,溶液的粘度随剪切速率的升高而降低。由于CMC分子链增长(即分子量增加)或溶液浓度的增加,使分子链间易缠结,溶液的零剪切粘度增高;CMC的取代度高,使其分子在溶液中以较伸展的状态存在,流体力学体积相对较大,溶液的零剪切粘度较高。 CMC溶液的粘度随pH下降而降低,当低于pKa后,粘度略有上升,最终形成游离酸而发生沉淀。CMC为聚阴离子型高分子,当加入一价盐离子Na+,K+后,因其电荷屏蔽作用粘度随之降低。二价阳离子Ca2+的加入使溶液的粘度先降低而后升高,当Ca2+的浓度高于化学计量点后,CMC分子与Ca2+作用,溶液中存在超结构;Mg2+对CMC溶液的作用与Ca2+相似,但因Mg2+的半径较小,使CMC溶液絮凝所需的Mg2+浓度增加。蔗糖是一种强需水剂,其加入等同与溶液中CMC浓度的提高,使CMC溶液的粘度升高。CMC是一种水溶性纤维,只要溶解充分,溶解方法(冷水溶/热水溶)并不影响其溶液的流变学性质。 当CMC/酪蛋白混合体系的pH小于5.2时,CMC因静电作用在酪蛋白胶粒表面发生吸附。CMC在酪蛋白表面的吸附层所提供的空间位阻作用而非静电排斥作用,是维持酪蛋白胶粒在酸性条件下稳定的主要因素。CMC的分子参数可以影响其在酪蛋白表面的吸附层厚度,当CMC的浓度足以使酪蛋白发生饱和吸附,在低pH值达到粒径平衡时,添加CMC的分子量越高,酪蛋白的粒径越大;CMC的取代度越低,酪蛋白的粒径越大。若CMC/酪蛋白混合体系的pH大于5.2,当CMC浓度较高时,体系因热力学不相容而发生相分离,上层为澄清的多糖溶液,下层为乳白色的酪蛋白沉淀。 酸性乳体系的稳定性与体系的pH值及CMC的浓度密切相关。本文研究了含有4%MSNF/0.4%CMC混合体系的稳定性。当pH值大于5.2时,CMC与酪蛋白间无相互作用,体系因耗散絮凝发生明显的相分离;当pH值小于5.2时,CMC可以吸附在酪蛋白表面,提供空间位阻作用使体系维持稳定。CMC与酪蛋白发生相互作用时,如果体系中CMC的浓度较低,一个CMC分子链可以连接两个或两个以上的酪蛋白颗粒,体系发生架桥絮凝;如果体系中CMC的浓度足够高,可以在酪蛋白表面形成饱和吸附,则其吸附层提供的空间位阻作用可以使酪蛋白维持稳定。 在研究CMC与酪蛋白相互作用的基础上,阐明了CMC对调酸型酸性乳饮料的稳定机理。作为稳定剂加入的CMC,一部分与蛋白质颗粒发生静电相互作用,吸附在蛋白质颗粒的表面,提供空间位阻作用维持酪蛋白在酸性条件下的稳定性;另一部分未吸附的CMC并不能与酪蛋白形成弱的凝胶网络结构,未吸附的CMC通过增加体系的粘度,减缓酪蛋白颗粒的沉降速率,增加酸性乳体系的稳定性。 因调酸型和发酵型乳饮料中,酪蛋白的构象及聚集形态完全不同,CMC与其中蛋白质的相互作用及其稳定效果也有较大差异。在调酸型酸性乳体系中,当CMC在酪蛋白表面发生饱和吸附后,其吸附量不随CMC浓度的提高而增加。但是在发酵型酸性乳体系中,CMC在酪蛋白表面的吸附量会随着体系中CMC浓度的提高而增加。生产酸性乳饮料的巴氏杀菌过程,对调酸型乳饮料中CMC在酪蛋白上的吸附量没有显著影响。但是这一加热杀菌过程可以降低CMC在发酵型乳饮料中蛋白颗粒的吸附百分比及吸附量。 酸性乳饮料的稳定性受诸多因素的影响,如所用CMC的分子参数,生产过程中的均质压力及酪蛋白的不同聚集形态等。研究结果表明对调酸型酸性乳饮料,分子量大的CMC可使体系的粘度增加,产品中蛋白质颗粒的粒径也相对较小,以分子量大的CMC为稳定剂的酸性乳饮料稳定性较好;CMC的取代度对体系的稳定性也有一定的影响,CMC取代度高时,电荷密度大,有利于与酪蛋白发生吸附,从而使体系稳定。但取代度的变化对体系稳定性的贡献较小,分子量变化对体系稳定性的影响比取代度大。蔗糖的加入使体系的粘度升高,使其稳定性增强。提高均质压力,可以使蛋白质的颗粒明显降低,但同时也使CMC的分子链长度减小,导致酸性乳体系的粘度降低,使酸性乳体系的稳定性下降。调酸型和发酵型乳饮料的粘度均随着体系中CMC含量的增加而增加,体系pH值的降低而降低。但在相同的条件下,发酵型的粘度高于调酸型的粘度。对于稳定的体系来说,发酵型乳饮料的粒径(3-6μm)大于调酸型乳饮料的粒径(1μm),发酵型乳饮料的沉淀量(1-5%)也比调酸型(1%)的大。即当体系中CMC含量相同,且pH值相同时,调酸型乳饮料的稳定性要优于发酵型。 本论文的主要创新之处: (1)从分子水平上研究了CMC与酪蛋白的相互作用及CMC分子参数对相互作用的影响。结果表明当体系的pH值小于5.2时,CMC因静电相互作用与酪蛋白发生吸附。CMC吸附层所提供的空间位阻作用是酪蛋白在酸性条件下维持稳定的主要因素。CMC的分子参数可以影响其在酪蛋白表面的吸附层厚度,当CMC的浓度足以使酪蛋白发生饱和吸附,在低pH值达到粒径平衡时,添加CMC的分子量越高,酪蛋白的粒径越大;CMC的取代度越低,酪蛋白的粒径越大。 (2)首次系统研究CMC了对酸性乳饮料的稳定机理。作为稳定剂加入的CMC,一部分与蛋白质颗粒发生静电相互作用,吸附在蛋白质颗粒的表面,提供空间位阻作用维持酪蛋白在酸性条件下的稳定性;另一部分未吸附的CMC并不能与酪蛋白形成弱的凝胶网络结构,未吸附的CMC通过增加体系的粘度,减缓酪蛋白颗粒的沉降速率,增加酸性乳体系的稳定性。 (3)研究了CMC对调酸型及发酵型乳饮料稳定性的差异。在调酸型酸性乳体系中,当CMC在酪蛋白表面发生饱和吸附后,其吸附量不随CMC浓度的提高而增加。但是在发酵型酸性乳体系中,CMC在酪蛋白表面的吸附量会随着体系中CMC浓度的提高而增加。生产酸性乳饮料的巴氏杀菌过程,对调酸型乳饮料中CMC在酪蛋白上的吸附量没有显著影响,但是这一加热杀菌过程可以降低CMC在发酵型乳饮料中蛋白颗粒的吸附百分比及吸附量。当体系中乳固体、CMC含量相同,且pH值相同时,调酸型乳饮料的稳定性要优于发酵型。


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