K?rka?a?甜瓜籽饮料布丁的流变学与热特性表征：亲水胶体结构化研究

《Gels》：Rheological and Thermal Characterization of K?rka?a? Melon Seed Beverage Puddings Structured with Hydrocolloids

　　

摘要
K?rka?a?甜瓜（Cucumis melo L.）的种子，在当地以K?rka?a? Kavunu名称销售，是一种未充分利用的副产物。本研究评估了以黄原胶、刺槐豆胶（LBG）、κ-卡拉胶或瓜尔胶在0.5%和1.0%（w/w）浓度下，且不添加淀粉的条件下，能否将从这些种子中获得的饮品结构化制成植物基布丁。以淀粉结构的甜瓜籽饮品布丁和牛乳布丁作为对照，并通过流变学、差示扫描量热法（DSC）和衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱对配方进行表征。胶体种类、浓度及其交互作用显著影响所有流变学终点指标（交互作用p ≤ 0.031），因此不同胶体在相同质量分数下不能作为可互换的结构化剂量。将LBG浓度加倍可增加损耗模量而不增加储能模量，从而逆转两者之间的平衡，而将黄原胶或瓜尔胶浓度加倍则分别使其网络强度增强约三倍和九倍。在1 rad s^?1下，储能模量从0.5%瓜尔胶的3.68 ± 0.39 Pa到1.0% κ-卡拉胶的475.40 ± 116.53 Pa不等，四种配方在测量的频率窗口内表现出储能模量（G′）与损耗模量（G″）之间的交点。DSC在0.5% κ-卡拉胶布丁中解析出一个可重现的转变，温度为68.2 ± 3.3 °C。在测试条件下，0.5% κ-卡拉胶在所检验的配方中提供了最均衡的流变响应，而1.0%凝胶在剪切作用下逐渐从测量间隙中被挤出。

K?rka?a?甜瓜籽饮料布丁的流变学与热特性研究：亲水胶体结构化实现与机制解析

一、研究背景与意义

半固态乳制品甜点是 multicomponent soft solids，其中蛋白质、脂质、淀粉和非淀粉多糖共同决定网络形成、粘弹性、水分固定和口腔质地。将牛乳替换为植物源液体并非简单的连续相替换：植物蛋白、分散脂质、矿物质和残留不溶性颗粒在加热和冷却过程中会构建不同的网络结构。已有研究表明，植物来源、液相组成和稳定剂选择均可显著改变储能模量、粘度、质构和感官接受度。

与此同时，水果和蔬菜加工产生大量副产物，包括果皮、果渣和种子，这些副产物尽管保留营养和技术价值却常被丢弃。甜瓜种子含有大量脂质、蛋白质、碳水化合物和矿物质成分，已被研究作为增值食品配料。K?rka?a? kavunu是与土耳其马尼萨省K?rka?a?区相关的地理标志甜瓜，以其独特香气和异常长的货架期而闻名，于2009年注册为原产地名称，随后于2025年进入欧盟保护原产地名称（PDO）注册。然而，该地位仅涉及该命名的果实及其产区，并不本身确立种子部分具有优越的营养或技术特性。

已有研究分别表征了甜瓜籽饮品和植物基布丁，但尚未有匹配的、无淀粉的四种胶体在新鲜K?rka?a?甜瓜籽饮品基质中的系统比较。本研究旨在解决两个问题：一是将该未充分利用的种子源饮品结构化为半固态食品基质的可行性；二是胶体种类与浓度的交互作用对其流变行为的依赖性影响。研究人员假设亲水胶体种类和浓度会产生交互作用，产生不同的凝胶强度、固液平衡和剪切变稀特征，因此不同胶体在相同质量分数下在此基质中不能作为可互换的结构化剂量。

二、主要技术方法

研究人员以当地市场采购的新鲜K?rka?a?甜瓜为原料，手工分离种子并清洗，在40 °C强制通风干燥24小时。种子经浸泡后与水按比例混合，经Waring搅拌机均质、纱布过滤和离心后取上清液作为植物基饮品。饮品的基本成分按AOAC标准方法分析，包括水分、粗蛋白、粗脂肪和灰分。共制备十种配方，包括两种淀粉对照组和八种胶体组，胶体组构成4×2因子设计。流变学测量使用Discovery HR-20流变仪，采用交叉纹板以减少壁滑移，进行振幅扫描、频率扫描和流动扫描。DSC使用DSC 250差示扫描量热仪，ATR-FTIR使用Shimadzu IRAffinity光谱仪。数据采用Welch方差分析、Games–Howell检验、双因子方差分析和多元统计分析进行处理。

三、研究结果

研究人员对各配方进行了系统的流变学、热分析和光谱表征，主要结果如下。

频率依赖性粘弹性行为方面，十种配方占据明显不同的粘弹性区间。在1 rad s^?1下储能模量跨越两个数量级，从G1的3.68 ± 0.39 Pa到C2的475.40 ± 116.53 Pa。Welch单因素方差分析检测到配方对log₁₀ G′、log₁₀ G″和tan δ均有高度显著效应。淀粉对照组表现为典型的糊化淀粉基质，两种对照均呈坚固的类固体行为。四种配方在测量频率窗口内表现出G′–G″交点，表明仅以单一参考频率分类不足以完整描述其频率依赖行为。κ-卡拉胶配方在胶体中产生最坚硬的弹性主导网络：C1达到G′ = 359.79 ± 27.37 Pa并与牛乳对照共享一个统计同质组，而C2给出研究中最高平均模量。储能模量的频率依赖性指数n′对配方进行了排序，三个独立描述符收敛于同一排序结果。

稳态剪切流动行为方面，所有配方均呈显著剪切变稀。流动曲线由Ostwald–de Waele模型和Herschel–Bulkley模型描述，模型选择标准为拟合屈服应力超过其自身标准偏差。八种配方适合幂律模型，流动行为指数范围0.133至0.550。两种κ-卡拉胶配方需要单独处理：C1的剪切应力几乎与剪切速率无关，单一幂律描述不佳，无流动模型能提供有意义的参数化；C2在剪切下样品逐渐从测量间隙被挤出，仅在受限区间内解析出屈服应力6.76 ± 1.73 Pa。

胶体种类与浓度的交互作用方面，双因子方差分析表明胶体种类、浓度及二者交互作用对每项结果均显著，交互作用项效应量非常大。将黄原胶浓度加倍使G′增加约三倍，瓜尔胶约增加九倍。相反，LBG的G′无显著变化但G″和tan δ显著增加，最清楚地说明了浓度可以改变系统的固液平衡而不增强其强度。κ-卡拉胶的G′在0.5%和1.0%之间差异不显著，但G″增加，表明额外胶体主要贡献于粘性耗散而非弹性结构。

热行为方面，由于所有布丁在加工过程中已加热至85 °C，首次DSC加热扫描未解析出残余淀粉糊化吸热峰。淀粉对照及所有黄原胶、LBG和瓜尔胶配方的首轮加热曲线在检测标准内无特征。κ-卡拉胶配方是唯一显示可分辨、配方相关转变的配方。C1表现出宽的首轮加热吸热峰，起点65.1 ± 2.6 °C，峰值68.2 ± 3.3 °C，信噪比为23。单个可评估的C2热谱图显示转变温度约高9 °C，但由于仅基于一条曲线，报告为观察结果而非浓度依赖性位移的证据。

ATR-FTIR光谱表征方面，所有光谱均以O–H伸缩包络和H–O–H弯曲带为主，符合含水量超过80%体系的预期。定量比较限于800–1300 cm^?1多糖区域。将胶体浓度加倍引起的归一化光谱变化为瓜尔胶的0.2倍、LBG的1.0倍、黄原胶的3.1倍和κ-卡拉胶的4.4倍于重复分散度。唯一明显超过重复分散度的差异是牛乳对照与植物基配方之间的差异，这与两种液体基质的蛋白质和脂肪组成不同一致，而非与胶体种类相关。未解析出可归因于胶体添加的独特新吸收带或可重现的谱带位移。

四、讨论与结论

多元分析中，tan δ与n′相关性最强（r = 0.987），log₁₀ G′与两者呈负相关。前两个主成分解释92.7%总方差。层次聚类中L2和G1形成独立分支，K1和C1在更具持续性的网络组内紧密关联。将结果转化为配方建议需区分最坚硬的凝胶与最易操作的凝胶。C2虽然具有高模量和可解析的屈服应力，但存在显著缺点：极为坚硬难以装载、在低频下转变为粘性主导、剪切下被挤出测量间隙。C1则在整个测量频率窗口保持弹性主导，保持可装载和可测量性。研究人员将C1确定为所测配方中最均衡的流变候选者，而C2代表最坚硬但可操作性较差的系统。

研究结论指出，从K?rka?a? Kavunu（K?rka?a?甜瓜）种子制备的饮品可用作半固态布丁基质的连续相，但胶体种类和浓度产生了根本不同的流变状态而非相同结构的梯度版本。0.5% κ-卡拉胶达到359.79 ± 27.37 Pa的储能模量，与牛乳参考在Games–Howell比较中无显著差异，并在整个测量频率窗口保持弹性主导，associated with a reproducible DSC transition at 68.2 ± 3.3 °C。胶体种类、浓度及其交互作用对每项流变学终点均显著，黄原胶和瓜尔胶浓度加倍分别增强网络约三倍和九倍，而LBG浓度加倍仅提高损耗模量并转化为粘性主导行为。相同质量分数的不同胶体在此基质中不可互换为结构化剂量。ATR-FTIR未解析出胶体添加后的明显新吸收带或可重现位移，由于水主导光谱，此结果不能确定或排除特定分子相互作用的存在，仅作为支持性比较证据。未来工作应解决仪器质构、定量脱水收缩和冷藏储存稳定性问题，二元胶体系统特别是κ-卡拉胶/半乳甘露聚糖组合代表配方开发的合理下一步。在这些边界内，0.5% κ-卡拉胶是所测试配方中最有前景的流变起始配方，但产品优化前仍需仪器质构、脱水收缩、储存和感官验证。

论文发表于《Gels》。