[논문 리뷰] How does the presence of stevia glycosides impact surface bubbles stability?

Jonas Miguet, Fang Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 27.

Fluid Dynamics and Thin Films참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 탄산음료에서 스테비아 글루코시드가 표면 기포의 안정성에 미치는 영향을 제어된 실험을 통해 기포의 수명을 측정함으로써 조사한다. 스테비아로 단 음료는 농도가 훨씬 낮음에도 불구하고 성분이 당인 음료보다 훨씬 더 안정적인 기포를 생성하는 것으로 밝혀졌으며, 식품용 방거제 농도 0.1 ppm(10⁻⁴ wt%)가 당 기반 음료 수준과 유사한 기포 안정성을 효과적으로 복원함을 규명하였다.

ABSTRACT

The addition of sweeteners in fizzy beverages not only affects the sugar content but also the bubbles stability. In this article, we propose a model experiment, in which the lifetime of hundreds of single bubbles is measured, to assess the stability of bubbles in solutions containing either sucrose or sweeteners. We show that the bubbles are indeed more stable in presence of sweeteners, which are surface active molecules and adsorb at the interface. Additionally, we test an antifoam at different concentrations and show that our experiment allows to identify the best concentration to reproduce the stability obtained in sucrose when we replace this latter by a sweetener.

연구 동기 및 목표

• 탄산음료에서 스테비아 글루코시드가 표면 기포의 안정성에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 제어된 조건에서 당 기반과 스테비아 기반 용액 간의 기포 수명 분포를 비교하는 것.
• 거품 억제제가 스테비아로 단 음료에 의해 유도된 증가된 거품 안정성에 대해 얼마나 효과적인지 평가하는 것.
• 당 기반 음료에서 관찰된 기포 안정성을 재현할 수 있는 최적의 방거제 농도를 특정하는 것.
• 음료 제형에서 기포 역학을 연구하기 위한 재현 가능한 실험 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 고정된 액체 표면에 존재하는 수백 개의 개별 기포의 생애를 측정하기 위한 맞춤형 실험 장치를 개발하였다.
• 고속 영상 촬영 및 영상 분석을 통해 기포 수명을 자동으로 기록하고 통계적 분포를 추출하였다.
• 환경적 변동성을 최소화하기 위해 온도와 상대 습도를 제어된 조건(25°C, 50% 상대 습도)에서 실험을 수행하였다.
• 산업적 적용 농도를 기준으로 용액을 제조함: 10 wt% 당과 0.03 wt% 스테비아 글루코시드(리바우디오사이드 A, 스테비오사이드 및 혼합물).
• 용액의 순도와 안정성을 확인하기 위해 표면 장력 측정을 실시하였으며, 모든 용액은 불순물을 제거하기 위해 0.22 µm 여과를 실시하였다.
• 방거제를 0.01에서 100 ppm의 다양한 농도로 첨가하여 기포 수명 분포에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스테비아 글루코시드의 존재가 당에 비해 표면 기포의 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 스테비아 글루코시드(예: 리바우디오사이드 A, 스테비오사이드)는 기포 안정성에 서로 다른 영향을 미치는가?
• RQ3 거품 억제제가 스테비아로 단 용액의 기포 안정성을 당 기반 용액 수준으로 복원할 수 있는가?
• RQ4 어느 방거제 농도에서 스테비아로 단 용액의 기포 수명 분포가 당 기반 용액과 가장 유사한가?
• RQ5 습도 및 온도와 같은 환경 요인이 이 시스템에서 기포 안정성에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 0.03 wt%의 스테비아 글루코시드는 농도가 훨씬 낮음에도 불구하고 10 wt% 당에 비해 기포의 수명이 유의미하게 길다.
• 시험한 스테비아 글루코시드(리바우디오사이드 A, 스테비오사이드 및 혼합물) 간 기포 안정성에 유의미한 차이가 관찰되지 않았다.
• 0.1 ppm(10⁻⁴ wt%) 농도의 방거제가 당 기반 용액과 가장 유사한 기포 수명 분포를 생성하였다.
• 높은 농도(1 ppm 이상)에서는 방거제가 기포 안정성을 완전히 억제하여 초순수 물 수준으로 수명을 감소시켰다.
• 특히 방거제가 존재할 경우 기포 수명 분포는 Weibull 함수보다 극값 분포로 더 잘 기술될 수 있었다.
• 여과가 표면 장력의 안정성과 재현 가능한 결과 확보에 필수적이었으며, 여과하지 않은 당 용액에 불순물이 존재함을 확인하였다.