羧甲基纖維素鈉(CMC)是一類重要的離子型纖維素衍生物，在食品工業(yè)中有廣泛應(yīng)用4CMC的水溶液具有假塑性，CMC分子結(jié)構(gòu)參數(shù)(分子量和取代度)和濃度的改變影響其流變行為。研究發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的 CMC用于穩(wěn)定酸性乳飲料的效果不同，分子量大、取代度髙的CMC有利于體系的穩(wěn)定，當(dāng)加入的CMC濃度過 低時(shí)，酪蛋白顆粒易發(fā)生架橋絮凝而使體系失穩(wěn)，較髙濃度的CMC才可使體系趨于穩(wěn)定。
纖維素鈉(sodium carboxymethyl cellulose, CMC>,是一種纖維素衍生物，也是最主要的離子型 纖維素膠，因具.有獨(dú)特的增稠、懸浮、黏合、持水 等特性，而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域中⑴。1974年， 聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)批準(zhǔn)可將 純CMC用于食品中，至此CMC得細(xì)了快速發(fā)展。食 品用CMC的取代度(DS)—般在0.6?0.95之間，近來 修改后的歐洲立法允許將DS最大為1.5的CMC用于食 品中m■■添加食用CMC能降低食品生產(chǎn)成本，同時(shí)提 高食品等級(jí)，改善口感，延長保質(zhì)期CMC作為 增稠劑、穩(wěn)定劑、持水劑、'乳化劑等，在我國被用 于冷飲、冷食〔方便面、酸奶、果汁、酸性乳飲料 等眾多食品中
酸性乳飲料因其口味獨(dú)特、營養(yǎng)豐富而得到消費(fèi)者 的f睞，在國外主要采用果膠作為穩(wěn)定劑，而國內(nèi)常 用的是CMC。一般CMC溶液具有假塑性，黏度隨剪 切速率的增加而減小，這有利于攪拌、均質(zhì)、泵輸送 等生產(chǎn)過程的進(jìn)行，而當(dāng)剪切力停止后黏度可恢復(fù)，能 使產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性，且剪切變稀也有利于產(chǎn)品風(fēng) k的釋放。,CMC的結(jié)構(gòu)參數(shù)(分子量和取代度)、CMC 的濃度會(huì)使其溶液的流變性質(zhì)發(fā)生變化，而這些參數(shù)的 改變也會(huì)對(duì)穩(wěn)定酸堆乳飲料的效果產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)主 要討論CMC的結(jié)構(gòu)參數(shù)和濃度對(duì)流變性質(zhì)以及對(duì)酸性乳 飲料穩(wěn)定性的影響。
將兩種CMC樣品(相同取代度不同分子量)通過超 聲降解，得到了一系列具有不同分子量的CMC。超聲 降解使CMC的分子量降低，但一般對(duì)分子量分布改變 很小，取代度和取代度分布也基本不變.
此黏度稱為零剪切黏度(n。)。隨著分子量 的增加，高分子鏈開始貫穿，不同分于鏈發(fā)生纏結(jié), 導(dǎo)致n»升高。在低剪切速率范圍內(nèi)，不同分子量的CMC溶液的黏度差別較大，但隨著剪切速率的升高， 差別逐漸減小。在高剪切速率范圍內(nèi).CMC大分子的 鏈段密度是決定黏度大小的唯一因素。當(dāng)達(dá)到—定的剪 切速率后，溶液的黏度隨剪切速率的增加而減小，這 種剪切變稀現(xiàn)象是由于高分子鏈在溶液中解纏結(jié)，以及 分子鏈在流動(dòng)方向上取向而引起的。
除分子量外.CMC分子鏈上取代形式的改變也會(huì)使 溶液的流變行為發(fā)生變化。CMC的溶解性隨取代度的增 加而提高，DS在0.3以下時(shí)，CMC不溶于水與濃 度和分子量相比，平均取代度(DS)對(duì)黏度的影響較小。
通過對(duì)CMC(U)、CMC(m>、CMC(IV)做流變實(shí)驗(yàn), 得到以下結(jié)果：隨取代度増加，溶液的黏度升高。黏 度隨取代度的升高要?dú)w因于溶液結(jié)構(gòu)的變化• CMC是陰 離于型高分子，取代度增加，分子鏈間的靜電斥力作用 增大，分子更趨向于伸展，同時(shí)與水分子作用增加，使 CMC的流體力學(xué)體積增大，導(dǎo)致溶液黏度增加。
CMC溶液的黏度同樣也依賴于濃度。圖2給出了 分子量為7 X 105、DS為0.9的CMC(I)的零剪切黏度隨 濃度的變化。濃度對(duì)溶液黏度的影響類似于分子量。濃 度的升高使鏈段密度增加，與分子量變化作用相同，通 過分子間作用力的增強(qiáng)使零剪切黏度升髙。通過動(dòng)態(tài)流 變實(shí)驗(yàn)，測得在此濃度范圍內(nèi)CMC溶液具有黏彈性。 但當(dāng)CMC濃度超過2%時(shí)，分子鏈之間發(fā)生交聯(lián)，形成了凝膠。
黏度的升高可降低微粒的沉降速率(由黏徑儀測得的 微粒粒徑相差不大)，由此定律可知，分子量大的CMC 可以使V。減小，從而使體系穩(wěn)定性提高。圖4為樣品 的沉降量和根據(jù)Turbiscan軟件分析得到的樣品在第20d 時(shí)的沉降百分比及上層澄清液百分比< 需指出的是，沉 降量是一種粗略的測試方法，Turbiscan的測定相對(duì)精 確，也可提供更多的信息。本研究中這兩種實(shí)驗(yàn)手段得 到的結(jié)果是一致的，也與上述分析結(jié)果相吻合，即分子 量高的CMC對(duì)酸性乳飲料的穩(wěn)定性好。在實(shí)際應(yīng)用中, 為了使產(chǎn)品具有爽滑的口感、不過于稠厚.需要將CMC 的分子量控制在一定范圍內(nèi)，并非越大越好。
CMC分子的取代度對(duì)其水溶液的黏度有影響，取 代度高的CMC的水溶液黏度相對(duì)較高。實(shí)驗(yàn)中以取代 度不同而分于量相同的CMC(CMC(II), CMC(III)、CMC (IV))為穩(wěn)定劑，得到的AMD黏度基本相同，無明顯差 別，這是因?yàn)镃MC的添加量僅為0.4%,取代度對(duì)黏度 的影響比較小。對(duì)這三種添加CMC的AMD進(jìn)行粒徑 測量，發(fā)現(xiàn)以取代度大的CMC為穩(wěn)定劑的AMD的微 粒粒徑相對(duì)較小，但差別不大(如圖5所示)。最終對(duì)樣 品進(jìn)行穩(wěn)定性分析.將用Turbiscan分析的20d時(shí)的沉 降及上清液量的百分比列于圖5中。可以看出隨CMC取 代度的增加，沉降量變化不大，但上清液量逐漸減小. 這表明，將取代度高的CMC用于AMD中體系的穩(wěn)定 性稍好^ AMD的pH值為4.0,其中的酪蛋白膠粒處于 等電點(diǎn)(pl=4.6)以下，故其表面所帶凈電荷為正，能與 加入的CMC發(fā)生靜電吸附。吸附的CMC在酪蛋白膠粒 表面可產(chǎn)生靜電排斥和空間位阻作用，從而使酪蛋白膠 體穩(wěn)定，不發(fā)生聚集當(dāng)CMC的取代度高時(shí)，所 帶電荷密度大.更易于與酩蛋白發(fā)生吸附，使得體系穩(wěn)定。
作為穩(wěn)定劑，以不同的添加量用于AMD 中，濃度在〇~〇.6%范圍內(nèi)，所測得的樣品的沉降量 列于圖6中。由圖6可以看到，當(dāng)AMD中不添加CMC 時(shí)，沉降量很高，酪蛋白發(fā)生聚集，體系完全失穩(wěn)。 而加入的CMC濃度很低，為0.05%時(shí)，沉降量反而 升高，這是因?yàn)榘l(fā)生了架橋絮凝所加入的CMC 不足以覆蓋酪蛋白膠粒表面。在這種情況下，一個(gè) CMC分子可能連接兩個(gè)或以上的酪蛋白顆粒，從而促 進(jìn)了聚集的發(fā)生，使沉降量升高》若提高CMC的添 加量，沉降量則不斷降低i當(dāng)CMC的含量達(dá)到0.3% 后，隨CMC濃度的增加，沉降量沒有顯著改變。由 此可以推測CMC在酪蛋白上的吸附存在一個(gè)臨界吸附 量，當(dāng)達(dá)到這個(gè)濃度后體系可趨于穩(wěn)定。圖7為AMD 的Brookfield黏度隨CMC濃度的變化在0.3%以下， 體系是不穩(wěn)定的，制得的樣品已經(jīng)發(fā)生了相分離的分 層現(xiàn)象；在CMC的濃度達(dá)到0.3%以上，隨濃度的升 高，AMD的黏度也隨之明顯增加《 WTurbiscan的分 析以及長時(shí)間放置后的宏觀觀察可以看出，含CMC濃度高的AMD穩(wěn)定性相對(duì)較髙。由此也可以看出，除 吸附的CMC提供了靜電排斥和空間位阻作用外，其余 CMC的增稠性，對(duì)體系的穩(wěn)定也有貢獻(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用 中，考慮到成本和口感等因素，CMC的濃度需要控制 在一定范圍內(nèi)。
CMC溶液一般具有假塑性，黏度隨剪切速率的增 加而降低。分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)對(duì)CMC溶液的流 變性質(zhì)產(chǎn)生影響：分子量增加使溶液的零剪切黏度升 髙；取代度高的CMC流體力學(xué)體積較大，黏度比取代 度低時(shí)相對(duì)升高CMC溶液的黏度隨濃度的增加而升 髙，當(dāng)濃度增加到一定值時(shí)，分子鏈相互貫穿纏結(jié)， 開始形成凝膠，此濃度與分子量相關(guān)。CMC用于酸性乳飲料中作為穩(wěn)定劑時(shí)，分子量 大、取代度高的CMC穩(wěn)定效果較好，其中分子量的影 響較大。酸性乳飲料的穩(wěn)定性隨加入的CMC的濃度而 變化，當(dāng)CMC的濃度過低時(shí)會(huì)產(chǎn)生架橋絮凝，加速蛋 白質(zhì)的凝聚，使體系分層失穩(wěn)，當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí)， 體系開始穩(wěn)定，CMC濃度髙時(shí)體系黏度大*穩(wěn)定作用 好。將CMC用于生產(chǎn)中時(shí)，需要同時(shí)考慮成本、產(chǎn) 品口味和穩(wěn)定效果來選用合適品質(zhì)的CMC。