均质对毛酸浆果汁稳定性的影响及其粒径形态表征

徐伟，王贵新
（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨 150076）

摘要：研究均质条件对毛酸浆果汁粒径分布及果汁稳定性的影响。在均质压力、温度、次数对果汁稳定系数、离心沉淀率影响的单因素试验基础上，采用正交试验对高压均质条件进行优化。结果表明：均质压力20 MPa、均质温度45 ℃、均质2 次时，毛酸浆果汁稳定系数为0.798，离心沉淀率为2.10%。在该工艺条件下，利用纳米粒度仪对毛酸浆果汁均质前后粒径大小分布进行比对，均质前果汁粒径分布在0.260 1～4.96 μm范围，含量为100%，平均粒径为4.561 μm；均质后粒径分布则为1.018～4.548 μm（含量为96.5%）和0.138 7～0.793 5 μm（含量为3.5%），平均粒径为1.963 μm。同时，对均质前后果汁颗粒形态进行扫描电镜观察，可见均质后果汁细胞碎片明显增多，呈分散状态。

毛酸浆俗称黄菇娘（Physalis pubescens L.），为茄科（Solanaceae）酸浆属（Physalis），我国产地分布在东北三省 [1-2]，易栽培，耐寒，适应性强。毛酸浆果实含有丰富的VC、类胡萝卜素和钙、铁、硒等20多种矿物质和微量元素，含有人体所需的氨基酸及多种生物活性物质 [3-4]。本实验采用的黑龙江省依安县地区产毛酸浆果，主要营养成分含量为：蛋白质1.04 g/100 g、脂肪0.65 g/100 g、果胶0.45 g/100 g、总糖11.25 g/100 g、VC 0.02 g/100 g、粗纤维1.60 g/100 g。毛酸浆为药食两用植物，具有清热解毒、利咽化痰等功效 [5-6]。

目前，毛酸浆这一特色资源备受食品研究人员的关注，以毛酸浆为原料加工生产出的果汁、罐头、果冻、果酱和果脯受到日、韩等国及国内消费者的青睐，市场发展前景广阔 [7]。国际上果汁产业发展迅速，据统计，我国果蔬类饮料2013年产量为2 418.69万 t，同比增长8.5% [8]。毛酸浆果实酸甜可口，开发毛酸浆果汁饮品具有一定的经济价值，但果汁饮料保存过程中易发生浑浊现象，严重影响产品质量。

果汁混浊主要由未破碎的植物细胞、果胶、脂肪球、纤维素、半纤维素及一些大分子蛋白颗粒混合而形成 [9]，还存在脂类物质形成的乳浊液悬浮物 [10-11]。毛酸浆果汁中含有脂肪，榨汁后会出现脂肪球上浮形成脂肪圈，加之果汁中纤维素、蛋白等大分子颗粒悬浮物絮凝下沉，极易出现分层现象，严重影响果汁感官以及产品货架期。毛酸浆果汁体系的及其不稳定性，成为困扰毛酸浆果汁加工、生产的难题。果汁生产中可采用高压均质的方法，来提高果汁的稳定性，傅亮等 [12]研究均质条件与大米饮料乳化稳定性关系，在均质压力40 MPa、均质温度60 ℃、均质2 次条件下，乳化体系稳定，大米饮料颗粒平均粒径为0.926 μm。Betoret等 [13]研究鲜橙汁在均质压力条件下粒度分布、色泽及类黄酮含量，发现均质压力影响粒度分布和色泽，而不影响类黄酮含量，均质压力为20 MPa时，鲜橙汁有较佳的货架期。本实验采用高压均质方法，使果肉颗粒破碎并均匀分散，减小颗粒直径，降低单颗粒的体积和质量 [14-15]；并研究均质条件对毛酸浆果汁粒径分布及果汁稳定性的影响，获得安全、绿色的果汁饮品，为毛酸浆果汁生产与研究提供技术参考。

1 材料与方法

毛酸浆果实，产地为黑龙江省依安地区，采摘时间8—9月份，选取成熟的明黄色、无青绿色及过度成熟果实。

BS224S电子天平赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；H-113ATC手持式糖度计北京测维光电仪器厂；UV-9100紫外-可见分光光度计北京瑞利分析仪器公司；NDJ-5S数字式黏度计上海尼润智能科技有限公司；LG10-2.4A型高速离心机北京京立离心机有限公司；水果打浆机山东曲阜市恒丰机械有限公司；JML100型胶体磨上海诺尼轻工机械有限公司；GYB60-6S型高压均质机上海东华高压均质机厂；Zetasizer Nano ZS型纳米粒度电位仪英国Malvern公司；Hitachi S-3400N扫描电子显微镜日本日立公司。

筛选毛酸浆果去发霉腐烂、去宿萼、去青果，挑选果实饱满、明黄色或金黄色成熟果实，用流动的水进行清洗，放置于水果打浆机中进行果实破碎打浆，得到毛酸浆原果汁，加1 倍于原果汁的水将皮、籽残渣清洗，除去皮、籽残渣，收集洗液，与果汁混合，得到实验用毛酸浆果汁，再经过乳化细度2～50 μm胶体磨处理1 次，待均质备用。

分别取30 mL离心后的毛酸浆果汁上清液和毛酸浆果汁；在420 nm波长处测定吸光度 [16]。

取30 mL毛酸浆果汁置于离心管中，离心转速5 000 r/min、离心时间15 min，准确称量沉淀物的质量，沉淀率计算如公式（2）所示 [17]，悬浮沉降物越多，毛酸浆果汁越不稳定。

Zetasizer Nano ZS型纳米粒度仪，采用动态光散射法测定将毛酸浆果汁加入到以水为介质的准备池中，样品稀释后用激光束照射，测定范围为0.3 nm～10.0 μm。

分别将毛酸浆原果汁与均质后果汁样品经处理后冷冻干燥，离子溅射仪真空抽干、铂金镀膜后，置于工作电压为5 kV的扫描电子显微镜中观察。

毛酸浆果汁（5 L）在均质温度为45 ℃，均质压力分别为0、10、20、30、40 MPa条件下进行1次均质，均质后立即测定毛酸浆果汁稳定系数、离心沉淀率。

毛酸浆果汁（5 L）在均质压力为20 MPa，均质温度分别为25、35、45、55、65 ℃条件下进行1 次均质，均质后立即测定毛酸浆果汁稳定系数、离心沉淀率。

毛酸浆果汁（5 L）在均质压力20 MPa、均质温度45 ℃条件下，分别进行0、1、2、3 次均质，每次均质之间间隔一段时间，确保每次均质温度为45 ℃，均质后立即测定毛酸浆果汁稳定系数、离心沉淀率。

为确定最优均质条件，在单因素试验基础上，以均质压力（A）、均质温度（B）、均质次数（C）3 个因素进行正交试验，以稳定系数和离心沉淀率为指标，进行差异显著性分析，通过分析正交试验结果，确定毛酸浆果汁最优均质工艺条件。

2 结果与分析

均质是一种使果汁中的固体颗粒或液滴微细化、均匀化的处理过程，可以降低乳液的粒径和提高乳液分散性 [18-19]，毛酸浆果汁的稳定系数和离心沉淀率能直接反映出果汁悬浮稳定性，稳定系数越接近于1、离心沉淀率越小，果汁体系越稳定 [20]。

图1 均质压力对果汁稳定系数和离心沉淀率的影响
Fig.1 Effect of homogenization pressure on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of juice

如图1所示，果汁稳定系数随着均质压力增加而增大，离心沉淀率则随着均质压力的增加而减小，均质压力为20 MPa时，稳定系数为0.729，离心沉淀率为2.13%。由于均质压力增加，会使果汁受到剪切和撞击的作用，果肉颗粒变得越来越小，从而提高了果汁的悬浮稳定性 [21]；但是，均质压力超过20 MPa时，果汁稳定系数随着均质压力增加而减小，离心沉淀率则随均质压力的增加而增大，这可能由于随均质压力进一步增加，果汁温度会升高5～10 ℃左右，果汁黏度随温度升高从9.52 mPa•s下降至8.91 mPa•s，从而降低了果汁的悬浮稳定性 [22]。

如图2所示，毛酸浆果汁稳定系数随均质温度的升高而增大，离心沉淀率随均质温度的升高而减小，均质温度为45 ℃时，稳定系数为0.778，沉淀离心率为2.50%；这是因为温度升高后，脂肪球和果汁颗粒产热聚集，避免颗粒间的絮凝或凝结 [23]，从而提高了果汁的悬浮稳定性；但均质温度超过45 ℃时，稳定系数随均质温度的升高而减小，离心沉淀率随均质温度的升高而增大；可能由于温度的进一步增加导致脂肪球颗粒做布朗运动加剧，增大了脂肪球相互聚集上浮至液面的可能性 [24]，还因为温度过高，果汁体系黏度下降，使果汁稳定系数减小，离心沉淀率增大。

图2 均质温度对果汁稳定系数和离心沉淀率的影响
Fig.2 Effect of homogenization temperature on the stability coefficient and centrifugal precipitation rate of juice

图3 均质次数对果汁稳定系数和离心沉淀率的影响
Fig.3 Effect of homogenization times on the stability coefficient and centrifugal sedimentation rate of fruit juice

如图3所示，毛酸浆果汁稳定系数随均质次数的增加而增大，离心沉淀率随均质次数的增加而减小，均质2 次时，稳定系数为0.765，离心沉淀率为2.10%；均质次数的增加，使得果汁物料不断被细化，果汁稳定系数上升，离心沉淀率下降，但均质次数超过2 次时，稳定系数随均质次数的增加而减小，离心沉淀率随均质次数的增加而增大，均质次数的增加，果汁物料受到摩擦力和剪切力的作用增大，导致整体温度升高，果汁体系变得不稳定，稳定性系数下降，离心沉淀率升高 [25]。

根据单因素试验结果，以果汁的稳定系数和离心沉淀率作为评价指标，选取均质压力（A）、均质温度（B）、均质次数（C）3 个因素，采用L 9（3 4）正交试验对均质条件进行优化，结果见表1。

表1 正交试验设计与结果
Table 1 Orthogonal array design with experimental results

试验号A均质压力/MPa离心沉淀率/% 1 1035110.5762.99 21045220.7672.73 31055330.6042.98 4 2035230.7982.61 52045310.7182.68 6 2055120.7692.60 73035320.6333.03 8 3045130.7462.59 93055210.7852.62 B均质温度/℃C均质次数空列稳定系数K 11.9472.0072.091稳定系数K 22.2852.2312.350 K 32.1642.1581.955 k 10.64906690.697 k 20.7620.7440.783 k 30.7210.7190.652 R0.1130.0750.131最佳组合：A 2B 2C 2影响大小：C＞A＞B K 1’8.7008.6308.180离心沉淀率K 2’7.8908.0007.960 K 3’8.2408.2008.690 k 1’2.9002.8772.727 k 2 ’2.6302.6672.653 k 3’2.7472.7332.897 R’0.2700.2100.244最佳组合：A 2B 2C 2影响大小：A＞C＞B

表2 方差分析表
Table 2 Analysis of variancee

注： *. P＜0.05，差异显著； * *. P＜0.01，差异极显著。

来源稳定系数离心沉淀率偏差方差和自由度F值F 0.05（2,2）显著性偏差方差和自由度F值F 0.05（2,2）显著性A均质压力0.020220.00019.000 *0.110222.00019.000 *B均质温度0.00929.00019.0000.069213.80019.000 C均质次数0.027227.00019.000 *0.093218.60019.000误差0.0020.012

通过正交试验结果，确定高压均质的适宜组合为A 2B 2C 2。即均质压力20 MPa、均质温度45 ℃、均质次数2 次。此条件下进行验证实验，得到毛酸浆果汁稳定系数为0.798，离心沉淀率为2.10%。采用极差分析法和方差分析法对各因素进行比较分析。由表1和表2可知，从极差大小看，各因素影响稳定系数的主次顺序是：均质次数＞均质压力＞均质温度，影响离心沉淀率的主次顺序是：均质压力＞均质次数＞均质温度；此外，方差分析可以看出，均质压力和均质次数对稳定系数的影响显著，均质压力对离心沉淀率的影响显著。

采用马尔文纳米粒度仪，研究果汁粒径大小、分布与稳定性的关系，目前报道较少。对均质前后毛酸浆果汁粒径的大小与分布进行测定，如图4A所示，均质前果汁粒径分布在0.260 1～4.96 μm范围（含量100%），平均粒径4.561 μm；如图4B所示，当均质压力20 MPa、均质温度45 ℃、均质2 次时，果汁粒径分布则为1.018～4.548 μm（含量96.5%）和0.138 7～0.793 5 μm（含量3.5%），平均粒径1.963 μm，均质后颗粒平均粒径小于2 μm，结果与Buslig等 [26]研究的颗粒小于2 μm的橙汁稳定性最好结果一致。

图4 均质前（A）、后（B）毛酸浆果汁粒径分布
Fig.4 Particle size distribution of Physalis pubescens L. juice before (A) and after (B) homogenization

由于均质对果肉中的脂肪、纤维、蛋白等大颗粒物质产生撞击、爆破和剪切力等作用 [27]，会使其颗粒直径减小，降低单颗粒的体积和质量，使颗粒分散，脂肪球被细化，解决了脂肪球悬浮和大颗粒物质絮凝下沉的问题，当毛酸浆果汁平均粒径为1.963 μm时，果汁的稳定性系数为0.798，离心沉淀率为2.10%，此时，稳定效果好。同时，毛酸浆果汁体系稳定还与果汁黏度、可溶性固形物含量有关，在一定均质压力和温度的作用下，更多的可溶性糖类物质被释放，使得果汁中可溶性固形物含量上升；均质时果汁体系温度升高，果汁颗粒能量增大，颗粒间聚合机会就减小，使有效容积率降低，果汁黏度网络结构受到破坏，使得颗粒与水结合的能力增强 [28]，毛酸浆果汁的黏度下降 [29-30]。均质后果汁呈金黄色接近于天然毛酸浆果的颜色，无色泽改变，状态均匀，口感润滑，保持了毛酸浆特有的果香味，均质后毛酸浆果汁稳定性与生物活性物质的关系有待进一步研究探讨。

图5 均质前（A）、后（B）毛酸浆果汁颗粒形态
Fig.5 Particle morphology of Physalis pubescens L. juice before (A) and after (B) homogenization

在扫描电子显微镜放大1 000 倍、标尺50 μm条件下，进行高压均质对毛酸浆果汁颗粒形态影响的观察。如图5A所示，未经高压均质的毛酸浆果汁中，有较大块状、片状的果肉、纤维碎片、蛋白颗粒。经均质压力20 MPa，均质温度45℃，均质2 次，在扫描电镜相同条件下观察，如图5B所示，清晰可见块状、片状及果汁颗粒等固形物呈明显的粉碎状态，大部分细胞组织被破坏，较大的果肉颗粒、植物纤维被破碎成细小的碎片，呈明显分散、疏松状态。

3 结论

均质作为一种物理加工手段，使果汁悬浮颗粒破碎细化，降低体系中颗粒的平均粒径，增强分散性，改善果汁的感官 [31]。本研究通过对均质压力、温度、次数影响毛酸浆果汁悬浮稳定性，得到优化的均质条件为均质压力20 MPa、均质温度45 ℃、均质2 次，在该工艺条件下，采用马尔文纳米粒度仪测定粒径分布，粒径分布为1.018～4.548 μm（含量96.5%）和0.138 7～0.793 5 μm（含量3.5%），平均粒径为1.963 μm。研究果汁粒径大小、分布与稳定性的关系，用果汁颗粒径大小、分布的数据来评价均质效果，便于毛酸浆果汁加工过程中参数控制，为提高毛酸浆果汁的稳定性，减少化学稳定剂的使用，最大限度保证果汁的天然特性提供可行性。

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Effect of Homogenization on the Stability of Physalis pubescens L. Juice and Characterization of Its Particle Size and Morphology

XU Wei, WANG Guixin
(College of Food Engineering, Harbin Commercial University, Harbin 150076, China)

Abstract：The effect of high pressure homogenization on particle size distribution and stability of Physalis pubescens L. juice was investigated. Based on juice stability coefficient and centrifugal sedimentation rate, the optimal homogenization conditions were determined by combined use of single factor experiments and orthogonal array d esign as follows: pressure, 20 MPa; temperature, 45 ℃; and number of homogenizations, 2. Under these conditions, the stability coefficient of Physalis pubescens L. juice was 0.798, and centrifugal sedimentation rate was 2.10%. The size distribution of all particles in the intact juice was in the range of 0.260 1–4.96 μm, with an average of 4.561 μm, whereas the homogenized juice exhibited two particle size ranges, 1.018–4.548 μm and 0.138 7–0.793 5 μm (accounting for 96.5% and 3.5% of total particles, respectively), with an average of 1.963 μm. The particle morphology of the juice was observed by scanning electron microscopy (SEM), and the cell debris was obviously increased and was found dispersed in the meantime.

Key words：Physalis pubescens L.; homogenization; Malvern nano-particle analyzer; scanning electron microscope (SEM)

徐伟, 王贵新. 均质对毛酸浆果汁稳定性的影响及其粒径形态表征[J]. 食品科学, 2016, 37(4): 68-72. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201604012. http://www.spkx.net.cn

XU Wei, WANG Guixin. Effect of homogenization on the stability of Physalis pubescens L. juice and characterization of its particle size and morphology[J]. Food Science, 2016, 37(4): 68-72. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201604012. http://www.spkx.net.cn

作者简介：徐伟（1963—），女，教授，博士，研究方向为微生物发酵工程。E-mail：xuw@hrbcu.edu.cn

均质对毛酸浆果汁稳定性的影响及其粒径形态表征

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论