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常用低浓度食品胶溶液粘度的影响因素研究(2)
来源:欧凯米特研究中心   2009年10月28日

四川大学学报
 
    食品胶又称增稠剂.是一种能改善食品的物理性质、增加食品的粘稠性、赋予食品以柔
滑适口感、且具有稳定乳化状态和悬浊状态作用的亲水性高分子化合物。食品胶在食品工业中的应用主要取决于其粘度,而影响其水溶液粘度的因素很多。对单一食品胶来说,主要有胶的种类、来源、聚合度、分子量及胶溶液浓度、温度、pH值、盐及非盐物质等的影响;此外,加工过程中的搅拌、混合、均质、泵送等操作程序也会对胶体溶液的粘度产生影响。  
本文主要从饮料产品的特点出发,对低浓度黄原胶、琼脂、海藻酸钠和瓜尔胶等4种食品胶溶液的耐盐性作较深入的研究,其它影响因素另文讨论。
 
耐盐性试验溶液配制
    用40~50℃高纯水配制浓度分别为0.20%的黄原胶溶液、0.60%的海藻酸钠溶液、0.50%的瓜尔胶溶液;用100℃高纯水将琼脂充分溶解后配制成浓度为0. 20%的溶液。再用100 ml大肚吸管将各胶体溶液分注于若干直径80mm的烧杯,随机抽取相同溶液三份为一组,作为平行样。用高纯水常温配制系列浓度的各种盐溶液,各取100ml注入以上各试样,并用搅拌器搅拌均匀,使各试样中阴阳离子的浓度分别达到表1所示水平。
  
 注:*的浓度水平只对瓜尔胶溶液配制。
以上溶液配制时将溶液和水的密度视为lg/ml。研究阳离子对食品胶溶液粘度的影响时,各种阳离子的盐均采用盐酸盐,其阳离子浓度按表l配制,即在各个浓度水平下氯离子的浓度对不同的盐相等,溶液表观粘度的差异在其它条件相同时应主要由阳离子的差异造成。同样,考察阴离子对食品胶溶液粘度的影响时,各种盐均采用钠盐,则在各个浓度水平下的溶液表观粘度的差异主要是由阴离子的不同造成的。
 
溶液粘度测定
  采用NDJ-l型旋转粘度计零号转子测量所配各溶液粘度,转子转速12r/min,测量时用CS-501型超级恒温器保证试样温度恒温在15℃。
 
结果与讨论
黄原胶浓度为0.10%的胶体溶液的耐盐性
    以溶液中离子浓度为横座标,溶液粘度为纵座标,在半对数座标纸上作图(由于零取对数无意义,因而以5×10-6代替阴阳离子浓度为零的空白值)。
其结果见图1、图2。由图1可见,含Na+、K+、Ca2+、Mg2+的金属盐对低浓度黄原胶溶液的表观粘度影响规律类似,在10-5mol/L数量级浓度范围内,溶液粘度基本上保持不变,在10-4~10-2mol/L的数量级浓度范围内,随着盐添加量的增加,溶液的表观粘度急剧下降,到10-2 mol/L的数量级浓度范围后,随着盐浓度的增加,溶液表观粘度下降缓慢甚至基本上保持不变。在相同的摩尔浓度下,阳离子价数相同的盐,溶液表观粘度变化曲线基本上保持一
致。含二价金属盐的胶溶液表观粘度比含一价金属盐的低。含三价金属盐的胶溶液在10-4mol/L的浓度数量级下,也引起溶液粘度下降。在10-3mol/L的盐浓度数量级以上,黄原胶溶液迅速转变成一种絮凝状的不溶性沉淀。这种沉淀可能是由于黄原胶分子侧链的羧酸根与高价金属离子形成难溶性的盐而致,也可能是高价阳离子在不同分子间通过离子链产生架桥作用,使分子成束状凝聚所致。
    不同阴离子在不同浓度下对0.10%浓度的黄原胶溶液表观粘度的影响见图2。从图中可以看到4种离子Cl-、CO32-、SO32-、HPO42-的存在对0.10%浓度的黄原胶溶液粘度的影响差异很大。Cl-、SO32-的添加浓度在10-4mol/L的数量级以下时对溶液粘度影响不大,在10-4~10-2mol/L的数量级浓度范围内造成溶液表观粘度急剧下降,在10-2mol/L的浓度数量级以上,随着盐浓度的增加溶液表观粘度变化不大。HPO42-在10-3moL/L的浓度数量级以下对黄原胶溶液表观粘度的影响与Cl-、SO32-差异不大,而在2×10-3~3×10-2 mol/L的浓度区间,其对溶液表观粘度的降低效应明显低于SO32-和Cl-,在3.0×10-2 mol/L的浓度以上,黄原胶溶液的表观粘度又随HPO42-的浓度增加而迅速上升。CO32-浓度在10-3mol/L数量级的浓度以下,黄原胶溶液的表观粘度随着CO32-浓度的增加迅速上升,在2.0×10-3mol/L的浓度附近达到最高值,之后随着CO32-的浓度增加溶液粘度又迅速下降,在10-lmol/L的数量级浓度范围内渐趋平缓。实验中还发现黄原胶在纯水中是略呈乳白色的混浊溶液,当加入高浓度的盐后,胶体溶液透明度会略有增加。加入Na2CO3同加入其它盐相比效果更为显著,并且加入Na2CO3浓度在10-4 mol/L以上的黄原胶溶液,黄原胶的溶解性得到明显改善。
 
 
海藻酸钠浓度为0.30%的胶体溶液的耐盐性
    不同浓度的阳离子、阴离子对0. 30%浓度的海藻酸钠溶液表观粘度的影响见图3、图4。从图中可以发现,Na+、K+、Mg2+离子对0.30%浓度的海藻酸钠溶液表观粘度的影响与其对黄原胶溶液的影响类似,在10-4 mol/L的数量级浓度以下,对溶液表观粘度影响不大;在10-4~10-2 mol/L的数量级浓度范围内,海藻酸钠溶液表观粘度随盐浓度的增加而急剧下降;在10-1 mol/L的数量级浓度以上变化趋于平缓。阴离子对溶液粘度的影响曲线与阳离子类似,不再赘述。
    对于海藻酸钠浓度为0.30%的溶液体系,Ca2+、Fe3+、Al3+等金属离子对溶液的形态
影响非常大。Ca2+离子浓度3×10-3mol/L以上,溶液形成凝胶体系;Fe3+离子浓度2×10-3 mol/L以上,溶液形成不溶性块状沉淀;Al3+离子则使溶液产生一种乳白色的粘稠沉淀物。这是由于这些高价金属离子在溶液中形成了相应的不溶性海藻酸盐所致,通过调节溶液的pH值或加入磷酸盐缓冲剂或螯合剂还可以调节胶凝过程的时间。
 
 
瓜尔胶浓度0.25%的胶体溶液的耐盐性
不同阳离子、阴离子对0.25%瓜尔胶溶液表观粘度的影响如图5、图6所示。
从图中可以看出,同本实验的其它三种食品胶相比,0.25%浓度的瓜尔胶溶液对大多数阴阳离子的影响表现出了很强的耐受性。在离子浓度为l0-5~1.8mol/L范围内,除Fe3+外,其它五种阳离子使溶液粘度的下降都不超过20%。Fe3+对溶液粘度的影响非常特殊,在很低的浓度(6.0×10-5~2.0×10-4mol/L)引起溶液粘度的急剧下降,在2.0×10-4mol/L处达到极小值,随后溶液粘度随Fe3+浓度的增加而上升。阴离子对瓜尔胶溶液的影响差异较大,Cl-、HPO42- 浓度在10-5~10-1 mol/L范围内对溶液粘度的影响很小,只在高浓度区才引起粘度微弱下降。SO32-、CO32-对溶液粘度的影响较明显,尤其是SO32-的影响最为显著并表现出与Fe3+相类似的规律,其极小值点在SO32-浓度为3.0×10-2mol/L处。瓜尔胶是由α-l,4键相连的D-甘露糖构成主链、D-半乳糖构成支链的生物大分子多糖。从结构上看不含易解离基团,分子与阴阳离子通过较强的化学键相互作用的可能性较小,也不存在静电屏蔽效应。因而它对大多数阴阳离子表现出很强的耐受性容易解释,而Fe3+、SO32-对体系表观粘度的特殊影响效应有待于进一步研究。
 
琼脂浓度为0.10%的胶体溶液的耐盐性
图7、图8描述了阳离子、阴离子对0.10%浓度的琼脂溶液粘度的影响趋势。
从图中可以看出,阴阳离子对溶液表观粘度的影响类似,在10-5mol/L的数量级浓度范围内,溶液粘度基本上保持不变;在10-4~10-3 mol/L数量级浓度范围内,溶液粘度急剧下降;10-2mol/L的数量级浓度以上,体系粘度又趋稳定,外加盐的浓度再增加对体系粘度影响不大。琼脂是一种与海藻酸钠类似的直链大分子多糖,分子中没有支链,而主链上琼脂果胶部分含有硫酸酯、葡萄糖醛酸、丙酮酸。琼脂分子在水溶液中也呈双螺旋结构存在,体系比黄原胶更倾向于生成一种有序分子构成的空间三维网格结构,使体系表现出一种微弱的固态特性。
 
结论
    四种低浓度食品胶(0.l0%的黄原胶、0.30%的海藻酸钠、0.25%的瓜尔胶、0.10%的琼脂)中,瓜尔胶溶液对盐的耐受性最好,即大多数明阳离子都不会影响低浓度瓜尔胶溶液的粘度;
    常用的金属阳离子及Cl-,SO32-对低浓度黄原胶溶液粘度的影响与阴、阳离子对低浓度海藻酸钠溶液和低浓度琼脂溶液粘度的影响有类似规律,即外加盐浓度在一定范围内会使胶体溶液粘度下降。因此在实际生产中可调节盐浓度队避免溶液粘度下降。