檸檬黃素在淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散特性研究

趙學(xué)偉，李國(guó)愉

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州450002）

檸檬黃素在淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散特性研究

趙學(xué)偉，李國(guó)愉

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州450002）

測(cè)定了在4℃和35℃條件下檸檬黃素在3種濃度的小麥﹑小米淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，在相同條件下，與小麥淀粉凝膠相比，檸檬黃在小米淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散較慢。擴(kuò)散系數(shù)隨著凝膠濃度的減小而增大，隨著溫度升高而升高。與改變濃度相比，降低溫度更能有效地降低檸檬黃在淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散速度。

淀粉凝膠，檸檬黃，擴(kuò)散系數(shù)

對(duì)于一個(gè)液態(tài)食品體系，添加淀粉的濃度較低時(shí)起到增稠作用，濃度高時(shí)因受熱成膠而起膠凝作用。所以，淀粉常用作增稠劑和膠凝劑。淀粉也是構(gòu)成很多食品的基質(zhì)材料。與其它常用的膠凝劑相比，淀粉價(jià)格低廉，來源廣泛。為增強(qiáng)某些食品（如果凍）的感官吸引力，有時(shí)要求其一定部位有顏色，而周圍保持無色。如果有色部位的色素進(jìn)入無色區(qū)域，就會(huì)降低產(chǎn)品品質(zhì)。這時(shí)，了解色素在凝膠基質(zhì)中的擴(kuò)散特性就十分重要。溫度和凝膠濃度是影響擴(kuò)散速度的兩個(gè)主要因素[1]，了解它們對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響有利于選定合理的凝膠濃度和存放溫度。測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)的方法包括：吸附動(dòng)力學(xué)法、擴(kuò)散室法、濃度-距離法、干燥速率法[1]。其中擴(kuò)散室法[2]和濃度-距離法[3]在測(cè)定凝膠內(nèi)的物質(zhì)擴(kuò)散方面較為常用。采用濃度-距離法，只進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)就可求出擴(kuò)散系數(shù)，已用于研究nisin[3]、色素[4]、水分[5-6]在食品凝膠內(nèi)的擴(kuò)散。本研究采用該方法。在求解擴(kuò)散系數(shù)時(shí)需要知道擴(kuò)散物質(zhì)的濃度，可以直接測(cè)定擴(kuò)散物質(zhì)的含量，也可以采用間接物理量來反映擴(kuò)散物質(zhì)的含量。對(duì)于色素?cái)U(kuò)散，可以根據(jù)色澤參數(shù)來測(cè)定擴(kuò)散物質(zhì)的含量，但要先建立色澤參數(shù)與擴(kuò)散物質(zhì)濃度的關(guān)系[7]。檸檬黃是最為常用的食用色素，本文擬研究其在4℃和35℃條件下在不同濃度的2種谷物淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥淀粉 購(gòu)于超市；小米淀粉 自制，采用0.2% NaOH溶液去蛋白，淀粉中剩余蛋白的含量為0.52%；檸檬黃 天津市凱通化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。小麥淀粉是較為常用的商業(yè)淀粉，淀粉粒較大；小米淀粉為小粒淀粉。選擇淀粉粒大小明顯不同的兩種淀粉有助于了解淀粉粒在決定擴(kuò)散特性方面所起的作用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 淀粉凝膠的制備 采用濃度-距離法測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)時(shí)需要兩種凝膠，一種含有檸檬黃，另一種不含。本研究選定凝膠中淀粉的濃度為14%、19%、25%。含檸檬黃凝膠中檸檬黃的濃度選定為0.02%。

精確稱量所需淀粉，加入經(jīng)煮沸并冷卻至60℃左右的水中。前期實(shí)驗(yàn)表明，采用煮沸的水可以避免在加熱淀粉成膠的過程中出現(xiàn)氣泡。在充分?jǐn)噭虻那闆r下將淀粉懸浮液吸入25mL塑料注射器（已拔去金屬針頭），用面筋密封注射器的吸入口。將裝有淀粉懸浮液的注射器放入90℃水浴鍋中加熱20min。加熱過程中要不停攪動(dòng)注射器（尤其是前5min）以防淀粉沉淀導(dǎo)致凝膠不均勻。然后取出注射器室溫靜置冷卻24h。制作含有檸檬黃的凝膠時(shí)，在懸浮液中加入所要量的檸檬黃即可。

1.2.2 擴(kuò)散實(shí)驗(yàn) 取含檸檬黃和不含檸檬黃淀粉凝膠的注射器各一支，用單面刀片切去帶針頭一端的塑料底，并盡量保證切口平整。將含檸檬黃的凝膠推出一半，切去推出部分。兩針筒的切口端對(duì)接，將不含檸檬黃的淀粉凝膠小心推入另一針筒，注意保證推的過程中兩段凝膠柱界面緊密接觸。推不動(dòng)時(shí)用刀片沿兩針筒的界面將多余凝膠切去。用塑料薄膜包裹針筒的開口端并用膠帶纏繞，保證密封。用記號(hào)筆在注射器外表面標(biāo)注兩凝膠的界面位置。

本研究測(cè)定淀粉凝膠在4℃和35℃的擴(kuò)散系數(shù)，4℃是食品低溫存放的常用溫度，35℃是高溫存放時(shí)食品所經(jīng)受的較高溫度。將注射器分別放置在4℃冰箱或35℃的恒溫箱內(nèi)。4℃存放的樣品78h后取出，35℃存放的樣品120h后取出。將注射器與一鋼尺平行放置在桌面上，用照相機(jī)拍照。參見圖1。

圖1 14%小麥淀粉凝膠4℃下放置120h后的照片F(xiàn)ig.1 Photos of 14%wheat starch gel placement at 4℃after 120h

采用IJ1.24圖像處理軟件，根據(jù)圖中鋼尺的刻度以及注射器上的凝膠界面標(biāo)記，可以求出離界面不同距離處凝膠的灰度值。此前，先制作一組檸檬黃濃度（0.00001%～0.05%）已知的凝膠，并測(cè)出其灰度值，然后建立灰度值與濃度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。根據(jù)該經(jīng)驗(yàn)式即可求出離界面不同距離處凝膠內(nèi)的檸檬黃濃度。

1.2.3 擴(kuò)散系數(shù)求解 認(rèn)為檸檬黃在淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散過程遵循Fick第二擴(kuò)散定律，對(duì)于一維擴(kuò)散，則有[8]：

其中，D：擴(kuò)散系數(shù)（m2/s），t：擴(kuò)散時(shí)間（s），C：檸檬黃的濃度，x：距凝膠界面的距離。

假設(shè)凝膠段為半無限介質(zhì)（即滿足：Dt/L＜0.05，L為擴(kuò)散凝膠段的長(zhǎng)度），則存在如下初始和邊界條件：

在t=0且x≥0時(shí)，C=Cin=0

在t≥0且x=xmax時(shí)，C=0

在t≥0且x=0時(shí)，C=C0

其中，Cin：淀粉凝膠中檸檬黃的初始濃度，本研究中Cin=0；xmax：從界面到凝膠另一端的最大距離，本研究中xmax=40mm；C0：色素源凝膠段內(nèi)檸檬黃的濃度，本研究中C0=0.02%。如果D與凝膠檸檬黃的濃度無關(guān)，則式（1）在上述初始和邊界條件下存在如下解析解[9]：

其中，erf函數(shù)為誤差函數(shù)：

對(duì)于一個(gè)擴(kuò)散過程，在進(jìn)行t時(shí)間后，根據(jù)測(cè)得的多組C－x對(duì)應(yīng)值，就可根據(jù)式（2）回歸求出D值。由于式（2）是一個(gè)以積分上限為變量的方程，采用一般的方法難以回歸求解，我們編制程序后運(yùn)用Matlab軟件求得D的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 灰度值與色素濃度的關(guān)系

圖2 灰度值與檸檬黃濃度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between gray value and tartrazine

圖2為凝膠中的檸檬黃濃度與凝膠灰度值之間的關(guān)系，其中x=lnC。R2接近0.95，說明灰度值與lnC之間基本呈線性關(guān)系。在測(cè)得凝膠的灰度值后，我們根據(jù)回歸方程y=－11.631lnC+75.707計(jì)算其中檸檬黃的含量。

2.2 淀粉濃度和溫度對(duì)檸檬黃擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖3 采用式（2）擬合14%小麥淀粉凝膠4℃下的色素?cái)U(kuò)散數(shù)據(jù)Fig.3 Pigment diffusion data of 14%wheat starch gel at 4℃fitting by type（2）

圖3為14%小麥淀粉凝膠在4℃下存放120h后測(cè)得的距界面不同位置處檸檬黃的含量，其中的曲線為根據(jù)式（2）得到的擬合曲線?？梢钥闯銮€與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得很好。由于擴(kuò)散時(shí)間t已知，通過擬合可求出擴(kuò)散系數(shù)D的值。

圖4給出了在4℃條件下檸檬黃在兩種淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)?？梢钥闯?，隨凝膠中淀粉濃度提高，擴(kuò)散系數(shù)降低。濃度從14%增大到25%時(shí)，小麥、小米淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)分別從8.64×10－11、3.96×10－11m2/s接近線性降低到4.00×10－11、1.18×10－11m2/s。另外，在相同濃度時(shí)小米凝膠內(nèi)的擴(kuò)散速度比小麥淀粉凝膠內(nèi)的要低。這可能與小米淀粉粒較小，糊化后形成的凝膠較為“密實(shí)”有關(guān)。

圖5為兩種淀粉凝膠在35℃條件下的水分?jǐn)U散系數(shù)。凝膠濃度和淀粉種類對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響趨勢(shì)與4℃條件下的基本一致。比較圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，升高溫度可以導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)快速增大。例如：19%的小麥淀粉凝膠在4℃時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)為6.19×10-11m2/s，35℃時(shí)擴(kuò)散系數(shù)增大到2.581×10-10m2/s，擴(kuò)散速度增大為原來的4倍多。

圖4 4℃下檸檬素在2種淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)Fig.4 Diffusion coefficient of tartrazine in 2 kinds of starch gel at 4℃

圖5 35℃下檸檬黃在2種淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)Fig.5 Diffusion coefficient of tartrazine in 2 kinds of starch gel at 35℃

所以，為了控制檸檬黃在淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散，首先要選擇合理的淀粉種類，另外，降低溫度比提高凝膠濃度更為有效。

關(guān)于檸檬黃在淀粉凝膠中的擴(kuò)散系數(shù)，尚未見相關(guān)報(bào)道。檸檬黃在7℃條件下在2%低酯果膠+40%蔗糖所形成的凝膠中的擴(kuò)散系數(shù)為6.0×10-11m2/s[4]，與本研究中5℃條件下的測(cè)定結(jié)果在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。水在25%濃度的糯玉米淀粉膠中的擴(kuò)散系數(shù)在10-10m2/s數(shù)量級(jí)上[9]，比本研究中檸檬黃素高很多。估計(jì)由于水分子較小，容易擴(kuò)散；另外，該研究采用的是糯玉米淀粉，糊化后很少有直鏈淀粉析出，使得凝膠基質(zhì)中淀粉濃度較低，水分子擴(kuò)散變得容易。

最后，對(duì)于4℃下的擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間為78h，最大擴(kuò)散系數(shù)為8.64×10-11m2/s，可以算出Dt/L=0.0233；對(duì)于35℃下的擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間為120h，最大擴(kuò)散系數(shù)為2.738×10-10m2/s，則Dt/L=0.0481。都小于0.05，說明前面關(guān)于半無限介質(zhì)擴(kuò)散的假設(shè)是可以接受的。

3 結(jié)論

在相同條件下，檸檬黃在小米淀粉凝膠內(nèi)的擴(kuò)散速度比在小麥淀粉凝膠內(nèi)的要低。提高淀粉凝膠的濃度或降低溫度都使得擴(kuò)散速度降低，但降低溫度對(duì)擴(kuò)散速度的影響更為明顯。

[1]Saravacos G D.Chapter 8 Mass Transfer Properties of Foods. In：Rao M A，Rizvi S S H，and Datta A K.Engineering Properties of Foods[M].CRC Press，2005.

[2]Axelsson A，Persson B.Determination of effective diffusion coefficients in calcium alginate gel plates with varying yeast cell content[J].Appl Biochem Biotechnol，1988，18：231-250.

[3]Ripoche A C，Chollet E，Peyrol E，et al.Evaluation of nisin diffusion in a polysaccharide gel：Influence of agarose and fatty content[J].Innov Food Sci Emerg Technol，2006（7）：107-111.

[4]Nongonierma A B，Cayot P，Springett M，et al.Transfers of small analytes in a multiphasic stirred fruit yoghurt model[J]. Food Hydrocolloids，2007（21）：287-296.

[5]Boudhrioua N，Bonazzi C，Daudin J D.Estimation of moisture diffusivity in gelatin-starch gels using time-dependent concentration-distance curves at constant temperature[J].Food Chem，2003，82：139-149.

[6]Boudhrioual N，Broyart B，Bonazzi C，et al.Validation of a method of determination of apparent diffusivity versus composition in solids[J].Drying Technol，2005（23）：2313-2335.

[7]Kemp M R，F(xiàn)ryer P J.Enhancement of diffusion through foods using alternating electric fields[J].Innov Food Sci Emerg Technol，2007（8）：143-153.

[8]Cranck J.The Mathematics of diffusion[M].London W：Oxford University Press，1975.

[9]Karathanos V T，Vagenas G K，Saravaco G D.Water diffusivity in starches at high temperatures and pressures[J].Biotechnol Prog，1991（7）：178-184.

Study on diffusion of tartrazine in starch gels

ZHAO Xue-wei，LI Guo-yu
（School of Food and Biological Engineering，Zhengzhou Institute of Light Industry，Zhengzhou 450002，China）

The diffusivity of tartrazine in wheat and millet starch gels of three starch concentrations was determined in 4℃ and 35℃.The results showed that with same temperature and starch concentration the diffusion of tartrazine in millet starch gel was slower than that in wheat starch gel.The diffusivity increased with decreasing starch concentrations or increasing temperature.Compared with decreasing starch concentration，increasing temperature was more effective in decreasing the diffusivity.

starch gel；tartrazine；diffusivity

TS201.7

A

1002-0306（2012）05-0303-03

2011－03－18

趙學(xué)偉（1969-），男，副教授，研究方向：谷物食品加工。

鄭州輕工業(yè)學(xué)院博士基金項(xiàng)目（000100）。