櫻桃番茄果脯加工糖煮液中果膠和微顆粒對(duì)其流變特性的影響

程 煥，姚舒婷，周聲怡，吳文艷，劉東紅，葉興乾*

（1 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院 智能食品加工技術(shù)與裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 馥莉食品研究院 杭州310058 2 浙江大學(xué)寧波研究院 浙江寧波315100）

櫻桃番茄果實(shí)酸甜可口，風(fēng)味獨(dú)特，富含番茄紅素和多酚類物質(zhì)，具有很高的抗氧化活性[1-2]。櫻桃番茄果脯是我國(guó)傳統(tǒng)食品，深受大眾喜歡。櫻桃番茄果脯糖煮液在多輪循環(huán)滲糖過(guò)程中，果實(shí)中膠體物質(zhì)、懸浮纖維微粒等物質(zhì)逐漸滲出到糖煮液中，使之變成黏稠、渾濁且難以過(guò)濾的深色糖液，因其黏度高，無(wú)法繼續(xù)用于滲糖工藝而被廢棄。以年產(chǎn)500 t 的果脯廠為例，每年至少產(chǎn)生50～150 t 高濃度滲糖廢水，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)[3]。對(duì)廢糖液降黏處理再利用成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前果脯加工廢糖液回用處理方法主要有酶處理、澄清劑處理和過(guò)濾等。肖春玲等[4]研究通過(guò)明膠單寧法處理櫻桃番茄果脯糖煮液。陳潔蘭等[5]通過(guò)果膠酶處理甘薯果脯廢糖液，用于循環(huán)滲糖。已有研究認(rèn)為糖煮液的黏度主要來(lái)源于果膠等膠體物質(zhì)、懸浮果肉屑及纖維顆粒等，然而尚未進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)研究表明，有果肉顆粒懸浮且含有可溶性果膠、多糖等物質(zhì)的果汁、果醬，其流變特性由懸浮顆粒的特性、濃度和液體的性質(zhì)決定[6-9]。番茄醬的黏稠度主要由果膠和干物質(zhì)含量決定[10]。目前尚缺乏對(duì)櫻桃番茄果脯糖煮液黏度成因的系統(tǒng)研究。本文對(duì)櫻桃番茄果脯糖煮液成分、流變特性及黏度成因進(jìn)行了研究，為果脯加工廢糖液的循環(huán)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮櫻桃番茄購(gòu)于云南元謀；白砂糖為市售1 級(jí)。櫻桃番茄果脯糖煮液，浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。無(wú)水乙醇、咔唑、磷酸、考馬斯亮藍(lán)G-250 等均為分析純?cè)噭?；濃硫酸為?yōu)級(jí)純?cè)噭还z酶（10 萬(wàn)U/g）為食品級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

阿貝折光儀，上海光學(xué)儀器工廠；1510 全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀，美國(guó)Thermo Fisher 公司；S210pH 計(jì)，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；MS105 DU電子天平，瑞士Mettler Toledo 公司；MCR302 旋轉(zhuǎn)流變儀，奧地利安東帕；Beckman Coulter LS13320 激光粒度儀，美國(guó)Beckman Coulter；磁力攪拌水浴鍋，常州金壇良友儀器有限公司；Hitachi（日立）高速低溫冷凍離心機(jī)，HITACHI日立集團(tuán)；RE52-AAA 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠。

圖1 櫻桃番茄果脯的加工流程Fig.1 The production process of preserved cherry tomato

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 櫻桃番茄果脯糖煮液原液和回用液的制備

按圖1所示櫻桃番茄果脯加工流程生產(chǎn)果脯，得到高糖度糖煮液（約60°Bx），腌漬3 輪新鮮的櫻桃番茄，每輪腌漬24 h，得到糖煮液原液（約27 °Bx），經(jīng)真空濃縮得到糖煮液回用液（約50°Bx）。加工關(guān)鍵點(diǎn)如下：

1）干糖腌漬 白砂糖與鮮果的質(zhì)量比為2：5，一層一層交錯(cuò)腌漬，浸糖時(shí)間24 h。

2）45°Bx 糖水腌漬 加入0.5%的檸檬酸和0.03%的焦亞硫酸鈉，將糖煮液加熱并調(diào)整至45°Bx 糖度，與鮮果的質(zhì)量比為1∶1，再把鮮果放入糖煮液中，浸糖24 h。

3）55°Bx 糖水腌漬 將櫻桃番茄與糖煮液分離，將糖煮液加熱并調(diào)整至55°Bx 糖度，將鮮果放入糖煮液中，浸糖24 h。

4）65°Bx 糖水腌漬 將櫻桃番茄與糖煮液分離，將糖煮液加熱并調(diào)整至65°Bx 糖度，把鮮果放入糖煮液中，浸糖24 h。

5）循環(huán)浸3 輪新鮮果實(shí)24 h 將新鮮櫻桃番茄經(jīng)刺孔熱燙和硬化漂洗后與高糖度糖煮液以質(zhì)量比1∶1 混合，浸糖24 h，重復(fù)3 次。

6）真空濃縮 糖煮液原液在70 ℃下真空濃縮去除約50%體積的水分。

1.3.2 櫻桃番茄果脯糖煮液上清液和沉淀的制備

將糖煮液在4 ℃，8 000×g 轉(zhuǎn)速下離心15 min，分離得到上清液和微顆粒物質(zhì)。

1.3.3 果膠酶溶液的制備及酶處理 準(zhǔn)確稱取1.8 g 果膠酶，加入30 mL 40～50 ℃蒸餾水溶解，配成6%的果膠酶溶液。取4 份40 mL 櫻桃番茄果脯糖煮液，分別加入0.05‰，0.20‰，0.60‰和0.80‰果膠酶在45 ℃下酶反應(yīng)10 h。

1.3.4 糖煮液理化指標(biāo)測(cè)定 可溶固形物含量：采用阿貝折光儀測(cè)定；pH 值：采用pH 計(jì)測(cè)定；濁度：采用濁度儀進(jìn)行測(cè)定；水溶性蛋白質(zhì)含量：采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[11]；果膠：采用咔唑分光光度法測(cè)定[12]；沉淀干重含量：先將糖煮液離心得到微顆粒，后采用重量法；粗纖維：根據(jù)GB/T5009.10-2003《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》測(cè)定。

1.3.5 糖煮液的流變分析 流變學(xué)測(cè)定采用德國(guó)HAAKE 公司RS6000 旋轉(zhuǎn)流變儀。

頻率掃描：在溫度25 ℃，掃描應(yīng)力1%，頻率掃描范圍0.1～100 Hz 條件下檢測(cè)糖煮液的G′和G″。

流變曲線：在25 ℃下，剪切速率2～300 s-1范圍，用同軸圓筒系統(tǒng)測(cè)定糖煮液黏度隨剪切速率的變化[13]，根據(jù)冪律公式和Ostwald's 模型擬合流變曲線并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

式中：η——黏度，Pa·s；K——稠度系數(shù)，Pa·sn；γ——剪切速率，s-1；n——流變指數(shù)，表征偏離牛頓流體程度的指數(shù)。

1.3.6 粒徑測(cè)定 在25 ℃下，用激光粒度儀測(cè)定糖煮液的粒徑分布情況，粒徑范圍0.04～2000 μm，分散介質(zhì)的折光率為1.333，吸收率為0。吸取稀釋一定倍數(shù)的糖煮液樣品，將其置于樣品池中，采用動(dòng)態(tài)光散射法測(cè)定糖煮液的粒徑[14]。

1.3.7 光學(xué)顯微分析 采用具有拍攝功能的光學(xué)顯微鏡觀察糖煮液的微觀結(jié)構(gòu)，選擇100 倍目鏡。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理 每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。使用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用OriginPro 7.5 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 理化指標(biāo)分析

在生產(chǎn)上，一般將糖煮液原液在70 ℃條件下真空濃縮，去除約50%體積的水分，得到糖煮液回用液用于回腌果脯，其理化特性如表1所示。糖煮液原液經(jīng)離心得到的原-上清液和糖煮液原液在可溶性固形物和pH 值方面沒有顯著差異，而在濁度上存在顯著差異（P＜0.05），微顆粒使糖煮液的濁度從7.72 增至966.67。糖煮液原液和糖煮液回用液的濁度存在顯著差異（P＜0.05），而糖煮液原液-上清液和糖煮液回用液-上清液的濁度沒有顯著差異，說(shuō)明微顆粒是糖煮液濁度產(chǎn)生差異的主要原因。糖煮液原液經(jīng)真空濃縮1 倍成糖煮液回用液后，糖煮液的可溶性固形物含量、濁度、蛋白質(zhì)含量、果膠含量和沉淀干重都顯著增加，pH值下降。真空濃縮處理對(duì)可溶性果膠的影響并不大，結(jié)果與Anthon 等[15]對(duì)番茄醬的相關(guān)研究一致。根據(jù)葉小平[16]的報(bào)道，櫻桃番茄中的可溶性果膠為0.08%～0.18%，而糖煮液上清液中的果膠含量為0.005‰～0.009‰，顯著低于櫻桃番茄中果膠含量。

表1 櫻桃番茄果脯糖煮液的理化指標(biāo)Table 1 General physical/ chemical properties of sugar cooking liquid from preserved cherry tomato

2.2 糖煮液流變特性分析

如圖2所示，在頻率0.01～100 Hz 范圍，糖煮液原液和糖煮液回用液的彈性模量G′均大于黏性模量G″，糖煮液原液和糖煮液回用液均呈現(xiàn)類固體狀態(tài)，表明溶液中存在類凝膠結(jié)構(gòu)[17]。糖煮液回用液的彈性模量和黏性模量均大于糖煮液原液，說(shuō)明濃縮使糖煮液的類固體性質(zhì)加強(qiáng)，這可能與糖煮液回用液?jiǎn)挝惑w積內(nèi)微顆粒的數(shù)量、形狀和分布等發(fā)生變化有關(guān)[18]。

將糖煮液原液和回用液分別離心得到相應(yīng)的上清液，在25 ℃，剪切速率2～300 s-1范圍測(cè)定相應(yīng)的流變曲線（圖3）。在整個(gè)剪切速率范圍，糖煮液黏度隨剪切速率的增大而變小，表現(xiàn)為一種剪切變稀行為，為非牛頓流體，且剪切變稀行為隨著濃度的增大變得更加顯著。這主要由糖煮液中的可溶性糖、果膠、懸浮物顆粒等之間的相互作用導(dǎo)致的[19]。然而，在剪切速率大于25 s-1后，上清液黏度不再發(fā)生變化，表現(xiàn)出牛頓流體特性。

利用OriginPro 7.5 軟件對(duì)糖煮液原液和回用液曲線進(jìn)行Ostwald's 模型擬合，得到相關(guān)流變參數(shù)見表2。其中n 為流變指數(shù)，K 為稠度系數(shù)。從表2 可以看出，糖煮液原液的K=0.0049，糖煮液回用液的K=0.067，由此可知稠度系數(shù)K 隨糖煮液濃度的增加而顯著上升，表觀黏度也隨之增大。這可能是由于濃縮使糖煮液中的水分減少，加強(qiáng)了果膠、蛋白等可溶物和固體微顆粒等之間的相互作用，形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加表觀黏度[20]。糖煮液原液的非牛頓指數(shù)n=0.938，糖煮液回用液的非牛頓指數(shù)n=0.785，兩者的n 值均小于1，表明在試驗(yàn)的剪切速率范圍（2～300 s-1）內(nèi)，糖煮液屬于假塑性流體[21]。糖煮液原液的流動(dòng)行為更接近于理想狀態(tài)的牛頓流體，而糖煮液回用液的表觀黏度更大，剪切變稀行為更為明顯。

2.3 糖煮液中果膠對(duì)流變特性的影響

櫻桃番茄果脯加工時(shí)，糖煮液在多次循環(huán)利用過(guò)程中，櫻桃番茄的可溶性果膠及果膠酸等膠體物質(zhì)逐漸滲出至糖煮液中。以上果膠等物質(zhì)的聚集可能是造成糖煮液的高黏度，導(dǎo)致其不能再次滲糖的主要原因。而本試驗(yàn)中經(jīng)多輪滲糖工藝加工得到的糖煮液原液和回用液上清液中的果膠含量分別為0.005‰和0.009‰，低于櫻桃番茄中果膠含量的百分之一。糖煮液原液經(jīng)不同濃度的果膠酶酶解后的流變變化如圖4所示，在剪切速率100 s-1時(shí)，糖煮液原液、原-上清液、0.05‰果膠酶處理、0.20‰果膠酶處理、0.60‰果膠酶處理和0.80‰果膠酶處理的表觀黏度分別為3.43，2.42，3.49，3.42，3.35 mPa·s 和3.39 mPa·s。通過(guò)果膠酶處理，糖煮液原液黏度最多可降低2%，說(shuō)明糖煮液中的可溶性果膠并不是造成糖煮液高黏度的主要原因。

圖2 糖煮液的黏彈性頻率掃描曲線Fig.2 Frequency scanning curves of viscoelasticity of sugar cooking liquid

圖3 糖煮液原液和回用液及其上清液的流變變化Fig.3 The rheological changes of original and reusable sugar cooking liquid and their serum

表2 糖煮液原液和回用液的Ostwald's 模型及參數(shù)Table 2 The Ostwald's model-parameters of original and usable sugar cooking liquid

2.4 糖煮液中微顆粒對(duì)流變特性的影響

如圖3所示，糖煮液原液和原-上清液在100 s-1剪切速率下的表觀黏度分別為0.003 Pa·s和0.002 Pa·s，糖煮液原液去除微顆粒后黏度下降了33%。糖煮液回用液的表觀黏度為0.024 Pa·s，而回用-上清液的表觀黏度為0.01 Pa·s，說(shuō)明糖煮液回用液去除微顆粒后黏度下降了58%。由此可見，糖煮液中的微顆粒在低濃度時(shí)對(duì)糖煮液的黏度貢獻(xiàn)較小，而在高濃度時(shí)對(duì)糖煮液的黏度貢獻(xiàn)大。在類似于糖煮液的體系中，微顆粒的濃度是影響?zhàn)ざ鹊闹饕蛩兀瑵饪s可減小物質(zhì)間的間距，使微顆粒等發(fā)生形變，加強(qiáng)了物質(zhì)間的相互作用，使表觀黏度顯著增加[22]。

圖4 不同濃度果膠酶處理后的糖煮液流變特性變化Fig.4 The rheological changes of sugar cooking liquid treated with pectinase of different concentrations

將同等體積的糖煮液原液和回用液離心得到的微顆粒沉淀組分對(duì)換，測(cè)定糖煮液流變特性的變化。如圖5所示，糖煮液原液中的沉淀被換成回用液的沉淀后，在整個(gè)剪切速率范圍（2～300 s-1），糖煮液的表觀黏度隨著剪切速率的增大而變小，稠度系數(shù)K 從0.0049 增至0.0218，流變指數(shù)n 從0.938 減至0.718，剪切變稀行為變得更加顯著。在100 s-1剪切速率下，糖煮液的表觀黏度從0.003 Pa·s 增至0.005 Pa·s，增加約67%。而將糖煮液回用液中的沉淀?yè)Q成糖煮液原液的沉淀后，稠度系數(shù)K 從0.067 減至0.0263，流變指數(shù)n 從0.785 增至0.879，糖煮液回用液仍表現(xiàn)為剪切變稀，而回用液的表觀黏度從0.024 Pa·s 降至0.015 Pa·s，黏度降低了約38%。

由此可見，糖煮液經(jīng)濃縮，糖煮液中的微顆粒對(duì)流變的作用顯著增加，即回用液微顆粒沉淀物在回用液中的黏度貢獻(xiàn)高于原液微顆粒沉淀物在其體系中的黏度貢獻(xiàn)。雖然上清液和微顆粒對(duì)糖煮液的黏度都有影響[23-25]，但是微顆粒在高濃度條件下對(duì)糖煮液的黏度貢獻(xiàn)高于上清液。糖煮液中的微顆粒是糖煮液剪切變稀，成為假塑性流體的主要原因。本研究結(jié)果與Tanglertpaibul 等[26]對(duì)番茄濃縮汁上清液和微顆粒對(duì)流變影響的研究結(jié)果一致。

圖5 糖煮液原液和糖煮液回用液沉淀對(duì)換前、后的流變Fig.5 Viscosity measurement of original and reusable sugar cooking liquid with exchanged pulp

表3 糖煮液原液和糖煮液回用液沉淀對(duì)換前、后的Ostwald's 模型及參數(shù)Table 3 The Ostwald's model-parameters of original and reusable sugar cooking liquid with exchanged pulp

2.5 微顆粒成分及其水提物對(duì)糖煮液流變特性的影響

2.5.1 微顆粒成分分析 將糖煮液原液和糖煮液回用液分別離心得到相應(yīng)的微顆粒沉淀物。如表4所示，糖煮液原液中的微顆粒含量為0.21%，而糖煮液回用液中的微顆粒含量為0.65%，可能是濃縮處理增加了微顆粒與可溶性糖等的相互作用，導(dǎo)致離心后的微顆粒沉淀中含有部分可溶性糖。微顆粒主要由植物細(xì)胞、植物細(xì)胞碎片和植物細(xì)胞聚集物組成[27]。原液微顆粒中含有12.312%的蛋白質(zhì)，24.545%的粗纖維和0.269%的果膠，回用液微顆粒中含有6.389%的蛋白質(zhì)，17.142%的粗纖維和0.196%的果膠。

表4 糖煮液微顆粒的理化分析Table 4 General physical/ chemical properties of pulp of sugar cooking liquid

2.5.2 粒徑和光學(xué)顯微分析 如圖6所示，糖煮液原液和回用液的粒徑分布圖主要由2 個(gè)主峰組成：第1 個(gè)峰大約位于0.1～80 μm 范圍，第2 個(gè)峰大約位于80～500 μm 范圍。糖煮液原液的粒徑分布中有2 個(gè)峰，80～500 μm 峰面積大于0.1～80 μm 峰面積，離心后得到的原-上清液粒徑分布在0.1～80 μm 范圍，說(shuō)明糖煮液中可溶性物質(zhì)粒徑分布在0.1～80 μm 范圍，微顆粒粒徑主要分布在80～500 μm 范圍。糖煮液經(jīng)濃縮得到糖煮液回用液，其粒徑分布于2 個(gè)峰中，與糖煮液原液的粒徑分布相比，糖煮液回用液的0.1～80 μm 峰面積減小，80～500 μm 峰面積增大，說(shuō)明濃縮使單位體積糖煮液中的微顆粒增多，且其中的可溶性糖、果膠、懸浮物顆粒等之間的相互作用加強(qiáng)，形成更加大粒徑的顆粒。如圖7所示，在100 倍光學(xué)顯微鏡下，糖煮液原液中的顆粒呈單個(gè)分散分布，而糖煮液回用液中的顆粒聚集成團(tuán)，與糖煮液原液相比，微顆粒粒徑變大，大粒徑顆粒物變多，與粒徑分析的結(jié)果相一致，可能是由于糖煮液回用液中的微顆粒、果膠、可溶性糖等物質(zhì)相互作用，聚集纏繞，形成了不可逆的致密網(wǎng)絡(luò)[28]。

2.5.3 微顆粒水提物對(duì)糖煮液流變特性的影響糖煮液原液微顆粒中含有12.312%的蛋白質(zhì)和0.269%的果膠，親水性的蛋白質(zhì)和果膠是微顆粒與糖煮液中水溶性物質(zhì)相互作用的中間介質(zhì)。將糖煮液原液微顆粒經(jīng)多次低溫水提去除果膠、蛋白等水提物后又復(fù)溶至原糖煮液上清液中，測(cè)定其流變特性，結(jié)果如圖8所示。復(fù)溶的糖煮液原液、糖煮液原液和原-上清液在100 s-1剪切速率下的表觀黏度分別為0.0029，0.0034 Pa·s 和0.0024 Pa·s，去除水提物使微顆粒對(duì)糖煮液原液的黏度貢獻(xiàn)降低了約50%，說(shuō)明果膠、蛋白等微顆粒水提物對(duì)糖煮液流變特性有重要作用，可通過(guò)影響微顆粒與水溶液中物質(zhì)的相互作用而影響糖煮液的流變特性。

3 結(jié)論

櫻桃番茄果脯加工過(guò)程中的糖煮液原液和糖煮液回用液均呈類固體狀態(tài)，表現(xiàn)出剪切變稀的非牛頓流體特性。在100 s-1剪切速率下，糖煮液回用液的表觀黏度是糖煮液原液的8 倍，這可能由于在糖煮液回用液中，單位體積的微顆粒數(shù)量更多且粒徑更大，物質(zhì)間距減小，易發(fā)生形變，果膠、蛋白等可溶物和微顆粒等之間的相互作用加強(qiáng)，聚集纏繞，形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此黏度顯著增大，不利于再次糖漬。糖煮液原液和回用液的上清液中的果膠含量極低，原液經(jīng)果膠酶處理后黏度僅降低2%，進(jìn)一步說(shuō)明糖煮液中的可溶性果膠并不是造成糖煮液黏度高的主要原因。而原液和回用液中的微顆粒對(duì)糖煮液黏度有顯著影響，去除微顆粒后，糖煮液原液和回用液的黏度分別降低了33%和58%，且表現(xiàn)出牛頓流體的特性，說(shuō)明糖煮液中的微顆粒是造成糖煮液黏度高的主要原因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，微顆粒中果膠、蛋白等水提物對(duì)糖煮液流變的影響很大。去除果膠、蛋白等水提物后，微顆粒對(duì)糖煮液的黏度貢獻(xiàn)降低了約50%，說(shuō)明果膠、蛋白等水提物可能在上清液水溶物與微顆粒相互作用形成致密網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

圖6 糖煮液原液和糖煮液回用液的粒徑分布Fig.6 The particle diameter distribution of original and usable sugar cooking liquid

圖7 糖煮液原液（a）和糖煮液回用液（b）的顯微鏡結(jié)構(gòu)圖（100×）Fig.7 Structure of optical microscope of original（a）and usable（b）sugar cooking liquid（100×）

圖8 微顆粒水提物對(duì)糖煮液流變的影響Fig.8 Effect of water extract of pulp on the flow behavior of sugar cooking liquid