巫雨婷
周 鵬1
李 娟1
劉昌樹2
王 賽2
(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;2. 佳格投資﹝中國﹞有限公司,上海 201103)
黃原膠對大豆蛋白營養(yǎng)棒體系質(zhì)地及微觀結(jié)構(gòu)的影響
巫雨婷1
周 鵬1
李 娟1
劉昌樹2
王 賽2
(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122;2. 佳格投資﹝中國﹞有限公司,上海 201103)
通過質(zhì)構(gòu)儀、激光共聚焦顯微鏡、電子掃描顯微鏡和低場核磁共振技術(shù)等手段,研究了添加1%黃原膠對含有大豆蛋白的營養(yǎng)棒模型體系質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、水分子及親水小分子的遷移等的影響。結(jié)果表明:黃原膠的添加改變了體系微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),同時(shí)影響了體系內(nèi)水及糖醇等小分子的分布,從而對大豆蛋白模型體系的質(zhì)構(gòu)有明顯的軟化效果,改善其質(zhì)構(gòu)和口感。
黃原膠;營養(yǎng)棒;大豆蛋白;質(zhì)地;微觀結(jié)構(gòu)
高蛋白營養(yǎng)棒(或蛋白棒)的蛋白含量可達(dá)15%~45%,其水分活度控制在0.5~0.6左右,在此條件下可有效防止微生物的生長繁殖,可在室溫下長期貯藏12個(gè)月以上[1]。由于高蛋白營養(yǎng)棒具有營養(yǎng)豐富、貨架期長、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),不僅用于軍用、航天和急救食品,還用于休閑和運(yùn)動(dòng)營養(yǎng)食品。在國內(nèi)外運(yùn)動(dòng)營養(yǎng)類食品市場上高速發(fā)展,每年以9.8%的速率增長[2],其中,大豆蛋白、乳清蛋白等是此類食品的主要蛋白質(zhì)來源。
目前市面上的高蛋白營養(yǎng)棒存在的最大問題是其質(zhì)地在貯藏初期(即前24 h)容易發(fā)生硬化,從而影響其口感甚至難以食用[3]?,F(xiàn)有研究表明,其硬化機(jī)理主要包括水分遷移[4]、相分離[5]、蛋白聚集[6-7]等。實(shí)際上,這類食品的硬化往往并不是由單一因素造成的,而是由多種不同因素共同導(dǎo)致。為了改善該類食品的質(zhì)地,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量相關(guān)研究,比如在體系中用蛋白水解產(chǎn)物來部分替代原有蛋白質(zhì),通過降低體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度來軟化體系質(zhì)地[7];通過添加半胱氨酸來防止二硫鍵誘導(dǎo)蛋白聚集[8];以及通過向體系中添加非還原糖(例如麥芽糖醇)作為增塑劑和濕潤劑來減輕美拉德反應(yīng)誘導(dǎo)的蛋白聚集[2],從而改善質(zhì)地等。
黃原膠是一種在食品領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的親水膠體,屬于生物大分子,能與蛋白質(zhì)、鹽和酸等多種食品生物分子兼容[9],常常作為增稠劑、乳化劑和成型劑等應(yīng)用于食品生產(chǎn)中。其分子的側(cè)鏈通過與主鏈之間的氫鍵形成雙螺旋結(jié)構(gòu),并且往往以多重螺旋聚合結(jié)構(gòu)存在于水溶液中,導(dǎo)致其水溶液即使在低濃度下也具有較高的黏度以及較好的黏彈性[10]。前期研究表明,添加黃原膠可以降低某些產(chǎn)品的硬度,例如可使面包在烘焙后更加柔軟,并具有更好的內(nèi)聚性[11]。本研究旨在利用添加黃原膠來改善基于大豆蛋白的高蛋白營養(yǎng)棒模型體系(簡稱大豆蛋白模型體系)質(zhì)地的初期硬化,從而達(dá)到改善其口感的目的,并采用激光共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscopy,CLSM)、電子掃描顯微鏡(scanning electronic microscopy,SEM)和低場核磁共振技術(shù)(low-field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)等手段研究添加黃原膠對該體系微觀結(jié)構(gòu)、水分子及親水小分子的遷移等的影響,為日后更深入地研究高蛋白營養(yǎng)棒質(zhì)地的改善方法打下良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。
1.1 材料與儀器
1.1.1 材料與試劑
大豆分離蛋白(Soy protein isolate,SPI):南通光合生物技術(shù)有限公司;
黃原膠(Xanthan gum,XG):美國CP Kelco公司;
Fluorescein isothiocyanate(FITC)熒光染料:美國Sigma公司;
甘油、山梨醇、羅丹明B:分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
1.1.2 主要儀器與設(shè)備
質(zhì)構(gòu)儀:TA-XT plus型,英國Stable Micro System公司;
激光共聚焦顯微鏡:TCS SP5型,德國Leica公司;
臺式掃描電鏡:TM 3030型,日本Hitachi公司;
核磁共振分析儀:PQ001型,上海紐邁電子科技股份有限公司;
噴金儀:Model MSP-1S型,日本Vacuum Device公司;
生化培養(yǎng)箱:SHP-250型,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。
1.2 方法
1.2.1 大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的制備 具體制備步驟(配方見表1):將山梨醇、甘油和水按質(zhì)量比25∶17.5∶12.5進(jìn)行混合溶解至完全均勻。將此混合液與黃原膠粉末按質(zhì)量比55∶1混合溶解,制備成黃原膠液。取5.5 g山梨醇、甘油和水的混合液或5.6 g黃原膠液,分別與4.5 g大豆蛋白粉混合并揉捏2 min,分別制備成對照組(不含黃原膠的大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系)和黃原膠組(含1%黃原膠的大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系)。將樣品揉制成均勻的面團(tuán)后放入塑料小盒中。為防止水分蒸發(fā),塑料小盒用封口膜進(jìn)行雙層密封。將其置于室溫(25 ℃)下平衡0.5 h后,進(jìn)行第0天的取樣。取樣完畢后重新封口,并置于25 ℃培養(yǎng)箱貯藏,到第3天再進(jìn)行取樣。
表1 大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系配方Table 1 The formula of soy protein bar model system g
1.2.2 硬度的測定 利用模具將樣品分割成直徑1 cm,高1 cm的圓柱體。采用質(zhì)構(gòu)儀對樣品的應(yīng)力進(jìn)行測定。具體測試條件:選取直徑為36 mm 的圓柱探頭(P/36R)進(jìn)行TPA測試,以下壓過程中受到的最大應(yīng)力表征樣品的硬度。其中:測試速度 1.0 mm/s,測試后速度1.0 mm/s,觸發(fā)力5 g,形變量50%。每種樣品做3個(gè)平行樣。
1.2.3 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)觀測
(1) 雙染色:參照文獻(xiàn)[12]。黃原膠用FITC進(jìn)行共價(jià)標(biāo)記,大豆蛋白用羅丹明B進(jìn)行非共價(jià)標(biāo)記。制備樣品時(shí),將2滴0.02%羅丹明B的丙酮溶液滴于制樣容器中,待丙酮完全揮發(fā)后,將其與0.3 g大豆蛋白模型體系樣品混合均勻,其中黃原膠經(jīng)FITC共價(jià)標(biāo)記。最后,將混合均勻的樣品平鋪在玻底皿中,蓋上蓋玻片并封邊。
(2) 顯微鏡觀察:將盛有樣品的玻底皿置于載物臺上,選用20倍物鏡進(jìn)行觀測。為防止FITC和羅丹明B染料受光照射后導(dǎo)致熒光淬滅,樣品的制備、貯藏及觀測均在避光環(huán)境下進(jìn)行。
1.2.4 電子掃描顯微鏡(SEM)觀測 樣品的制備參照文獻(xiàn)[13]。取0.05~0.10 g樣品制成扁平狀,浸沒在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的戊二醛固定液中固定24 h。將固定后的樣品取出,用PBS緩沖液浸洗,乙醇水溶液梯度脫水后自然晾干。最后,將樣品掰裂并對截面噴金,置于樣品臺上觀測,放大倍數(shù)為500倍。
1.2.5 橫向弛豫時(shí)間(T2)的測定 利用低場核磁共振分析儀對大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系橫向弛豫時(shí)間(T2)的分布情況進(jìn)行分析檢測。儀器測試條件為:磁場強(qiáng)度0.54 T,質(zhì)子共振頻率18 MHz,測量溫度25 ℃。具體操作:首先將4 g左右待測樣品用聚四氟乙烯紙(無氫信號)包好,以防止樣品在測試過程中發(fā)生水分蒸發(fā)。隨后將樣品放入直徑25 mm的核磁管底部,將核磁管置于射頻線圈的中心位置。采用硬脈沖序列(Hard Pluse FID)調(diào)節(jié)中心頻率結(jié)合多脈沖回波序列(CPMG)對樣品進(jìn)行掃描。制備3個(gè)平行樣,每個(gè)樣品重復(fù)測定3遍,按順序輪流采樣[14]。CPMG序列的參數(shù)設(shè)定為:采樣點(diǎn)數(shù)TD=30 118,回波個(gè)數(shù)C0=2 000,弛豫衰減時(shí)間D0=1 s,90°脈寬5.4 μs,180°脈寬10.6 μs,重復(fù)掃描次數(shù)NS=8。將掃描所得到的回波衰減曲線利用自帶軟件Multi ExpInv Analysis進(jìn)行反演,即可得到每個(gè)樣品的橫向弛豫時(shí)間T2的連續(xù)分布圖。不同波峰代表水分的不同形態(tài),各峰所覆蓋范圍信號幅值的總值為對應(yīng)形態(tài)水分的數(shù)量,峰頂點(diǎn)和所對應(yīng)的峰面積分別代表了該狀態(tài)下小分子的T2常數(shù)和與之對應(yīng)的比例。按照T2值的大小,從小到大依次標(biāo)記為T21,T22,T23。
2.1 大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的質(zhì)構(gòu)變化
研究首先觀測了添加黃原膠對大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系質(zhì)構(gòu)的影響。圖1為模型體系的TPA全質(zhì)構(gòu)變化曲線圖,表2為與之對應(yīng)的TPA全質(zhì)構(gòu)各參數(shù)值。由圖1和表2可知,對照組第0天的硬度值為1 791 g,經(jīng)過3 d的貯藏后硬度值增加到16 106 g,可見大豆蛋白模型體系在貯藏3 d之后硬度迅速上升。而黃原膠組,其在第0天的硬度值為256 g,并且貯藏3 d后增加到4 869 g,遠(yuǎn)小于對照組的硬度值??梢?,黃原膠對于大豆蛋白模型體系具有顯著的軟化效果。
表2 大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系在貯藏0 d和3 d的TPA質(zhì)構(gòu)變化Table 2 TPA texture profiles of soy protein bar model systems stored for 0 d and 3 d
圖1 貯藏0 d和3 d大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的 質(zhì)構(gòu)變化圖Figure 1 Changes in TPA profiles of soy protein bar model system storage for 0 and 3 d
由圖2可知,對照組在第0天受到外力下壓后破裂且完全變形,當(dāng)貯藏3 d后,其在受到外力下壓后出現(xiàn)了明顯的回復(fù)現(xiàn)象且保持完整的外形,說明對照組具有較強(qiáng)的彈性和回復(fù)性。而黃原膠組在第0天受到外力下壓后仍保持完整,并且在第3天受到外力下壓后外形回復(fù)性較差,仍保持扁平的形狀。結(jié)合圖2與表2的結(jié)果,對比對照組和黃原膠組的彈性和回復(fù)性,隨著時(shí)間的延長,對照組具有更高的彈性和回復(fù)性,而加入黃原膠后模型體系的彈性和回復(fù)性被明顯削弱;對比體系的黏附性可知(數(shù)值的絕對值越大,說明黏附性越強(qiáng)),添加了黃原膠的模型體系的黏附性明顯大于對照組,且隨著時(shí)間延長樣品的黏附性減小,可能是體系中蛋白顆粒逐漸吸收了膠液中的水分子以及其他小分子導(dǎo)致的。以上結(jié)果表明,黃原膠的添加不僅導(dǎo)致大豆蛋白模型體系的硬度減小,且體系的彈性減少、回復(fù)性變差及黏附性增加。因黃原膠是一種在低濃度下也具有高黏性的親水膠體,并且具有雙螺旋結(jié)構(gòu)很有可能使體系內(nèi)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致大豆蛋白模型體系的質(zhì)構(gòu)特性發(fā)生明顯的變化。
(a) 第0天對照組 (b) 第0天黃原膠組 (c) 第3天對照組 (d) 第3天黃原膠組圖2 貯藏0 d和3 d的大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的 TPA下壓圖Figure 2 TPA compression test of soy protein bar model system stored for 0 and 3 d
2.2 大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的微觀結(jié)構(gòu)
根據(jù)質(zhì)構(gòu)變化初步推測,黃原膠的加入可能參與了體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重新排布,導(dǎo)致體系微觀結(jié)構(gòu)改變,進(jìn)而影響了質(zhì)構(gòu)特性。為了驗(yàn)證這一推測,對模型體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了雙染色CLSM觀測和SEM觀測。由圖3可知,對照組為羅丹明B單染圖,黃原膠組為羅丹明B和FITC雙染圖,在雙染圖中,顏色較為明亮的區(qū)域?yàn)镕ITC染色部分,顏色較暗的區(qū)域?yàn)榱_丹明B染色部分,具體見圖3中的指示箭頭。第0天對照組中可以看到已吸水膨脹的大豆蛋白顆粒(a’)、未溶解的大豆蛋白顆粒(b’)以及大豆蛋白顆粒間的空隙(c’);貯藏3 d后,大豆蛋白干粉顆粒吸水膨脹,相互黏結(jié)并逐漸形成較為明顯的蛋白顆粒結(jié)構(gòu)。相對于對照組,黃原膠組在第0天與對照組具有相似的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且大量的蛋白質(zhì)顆粒散布在黃原膠膠液中,而在貯藏3 d后,黃原膠組卻有顯著不同,不僅大豆蛋白顆粒的溶脹程度明顯減小,而且大量的黃原膠液(d’)均勻地包裹于已吸水膨脹的大豆蛋白顆粒(a’)外部或存在于蛋白顆粒的間隙中,相互交錯(cuò)黏結(jié),形成新的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),說明黃原膠的加入對大豆蛋白模型體系的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響,同時(shí)由于黃原膠具有很高的黏著性,有助于其在體系內(nèi)形成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并部分主導(dǎo)體系的質(zhì)構(gòu)特性。
(a) 第0天對照組 (b) 第0天黃原膠組 (c) 第3天對照組 (d) 第3天黃原膠組
a’. 溶脹的蛋白顆粒 b’. 未溶解的蛋白顆粒 c’. 空隙 d’. 黃原膠液
圖3 貯藏0 d和3 d的大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的CLSM圖
Figure 3 CLSM of soy protein bar model system stored for 0 and 3 d
由圖4可知,第0天對照組的內(nèi)部存在大量輕微溶脹的蛋白質(zhì)顆粒,而貯藏3 d后蛋白顆粒吸水膨脹,形成更加致密的蛋白質(zhì)交互結(jié)構(gòu)。而黃原膠組在第0天其內(nèi)部不僅存在大量輕微溶脹的蛋白質(zhì)顆粒,還有明顯的白色絲狀物質(zhì)黏附在蛋白質(zhì)顆粒表面,以及紗絲狀的物質(zhì)分布在蛋白質(zhì)顆粒間隙中,表明蛋白顆粒間存在較多的黃原膠液。而貯藏3 d后,黃原膠組模型體系的蛋白質(zhì)顆粒吸水膨脹,形成比第0天更大的顆粒,但是仍然可以明顯看見溶脹的蛋白質(zhì)顆粒之間的絲狀物質(zhì)。對比第3天對照組和黃原膠組的蛋白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn),黃原膠組的微觀結(jié)構(gòu)中具有更多的空隙,蛋白質(zhì)顆粒溶脹程度明顯低于對照組,且蛋白質(zhì)顆粒皺縮程度也明顯高于對照組。SEM與CLSM結(jié)果說明,在大豆蛋白模型體系中黃原膠處于大豆蛋白顆粒表面和溶脹的蛋白顆粒間隙中,極強(qiáng)的親水性和持水性[5,15]有利于抑制大豆蛋白顆粒的吸水溶脹程度,減少了蛋白顆粒體積分?jǐn)?shù),進(jìn)一步改變了大豆蛋白模型體系的質(zhì)構(gòu)特性,起到軟化效果。
(a) 第0 天對照組 (b) 第3天黃原膠組 (c) 第3天對照組 (d) 第3天黃原膠組圖4 貯藏0 d和3 d的大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系 的SEM圖Figure 4 SEM of soy protein bar model system stored for 0 and 3 d
2.3 大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系中小分子遷移
黃原膠的強(qiáng)親水性和強(qiáng)持水性[5,15]可能會(huì)影響體系內(nèi)親水小分子的遷移。LF-NMR利用氫質(zhì)子在磁場中的自旋—弛豫特性,通過橫向弛豫時(shí)間T2的變化來分析樣品中氫質(zhì)子的化學(xué)環(huán)境。T2越小,說明樣品中的氫質(zhì)子與非水組分結(jié)合越緊密,其自由度越小,反之,樣品中的氫質(zhì)子與非水組分結(jié)合越疏松,其自由度越強(qiáng)[14]。
由圖5(a)可知,第0天小分子物質(zhì)存在3種狀態(tài):T21(0.28~1.00 ms)表示與蛋白顆粒水合程度最高、自由度最差的深層結(jié)合小分子;T22(1.32~4.64 ms)表示與蛋白顆粒水合程度較高、不易流動(dòng)性的弱結(jié)合小分子;T23(4.64~49.77 ms)表示存在于蛋白顆??障堕g、自由度最強(qiáng)的自由小分子。其中,T23峰為主峰,說明體系內(nèi)小分子的自由程度很高,是因?yàn)楦叩鞍啄P腕w系是一個(gè)非熱力學(xué)平衡體系[16],新鮮樣品中蛋白質(zhì)顆粒還未完全水合,體系內(nèi)小分子的自由程度較高。而黃原膠組的T23峰信號更強(qiáng),表明添加1%黃原膠的模型體系內(nèi),存在于大豆蛋白質(zhì)顆粒間隙的小分子更多。
由圖5(b)可知,當(dāng)模型體系樣品貯藏3 d后,T2分布發(fā)生顯著改變。體系中各組分仍呈3種狀態(tài):T21(0.19~0.50 ms),T22(0.50~4.64 ms)以及T23(4.64~14.17 ms)。經(jīng)過3 d的貯藏,體系內(nèi)的小分子自由度明顯降低,即體系內(nèi)發(fā)生了明顯的小分子遷移現(xiàn)象。其中T22峰為主峰,說明此時(shí)體系內(nèi)主要以流動(dòng)性較差的弱結(jié)合小分子為主。而這正好與CLSM結(jié)果相符,表明大豆蛋白顆粒在貯藏期間吸水膨脹,形成蛋白質(zhì)顆粒交互結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了體系的硬度。而黃原膠組的T21峰信號明顯減弱,T22和T23峰位置略微左移,但T23峰信號更強(qiáng),說明黃原膠組模型體系內(nèi)的小分子整體上具有更強(qiáng)的自由度和流動(dòng)性。由于黃原膠與蛋白質(zhì)共同競爭水分,改變了蛋白質(zhì)吸水溶脹程度以及蛋白質(zhì)顆粒間隙中的小分子含量,從而改變體系內(nèi)的小分子遷移狀態(tài),進(jìn)而間接影響大豆蛋白模型體系的硬度。
圖5 貯藏0 d和3 d的大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系貯藏 過程中的T2變化圖
Figure 5 Changes inT2relaxation time of soy protein bar model system stored for 0 and 3 d
黃原膠對大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系具有顯著的軟化效果。黃原膠的加入使大豆蛋白模型體系由蛋白質(zhì)顆粒溶脹形成的緊密交互結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)辄S原膠包裹蛋白質(zhì)顆粒的結(jié)構(gòu)。此外,親水性極強(qiáng)的黃原膠與蛋白質(zhì)顆粒競爭水分,并使得更多的小分子保留在溶脹的蛋白質(zhì)顆粒間隙,使得蛋白溶脹率降低,因此蛋白顆粒體積分?jǐn)?shù)降低,從而達(dá)到軟化的效果。綜上所述,黃原膠通過改變大豆蛋白營養(yǎng)棒模型體系的微觀結(jié)構(gòu)和小分子分布實(shí)現(xiàn)其質(zhì)地的軟化。此外,營養(yǎng)棒食品是一類具有較長保質(zhì)期的食品,所以在今后的研究中可以適當(dāng)延長貯藏時(shí)間,從而更加有效地驗(yàn)證黃原膠對其質(zhì)地改善的最終應(yīng)用價(jià)值。
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Mechanism of texture influenced by xanthan gum on soy protein bar model system
WUYu-ting1
ZHOUPeng1
LIJuan1
LIUChang-shu2
WANGSai2
(1.StateKeyLaboratoryofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China;2.StandardInvestment〔China〕Co.,Ltd,Shanghai201103,China)
Soy protein bar model system was normally multicompo-nent and thermodynamically unstable and its hardness was increased significantly in the early stage of storage. Xanthan gum is a kind of hydrocolloid with high viscosity and water holding capacity, and it is widely used in food industry as quality improver. This study aimed to evaluate the influence of xanthan gam on texture of soy protein bar model system. The changes in texture, microstructure and T2relaxation time of soy protein bar model systems with or without xanthan gum were observed through texture analyzer, confocal laser scanning microscopy (CLSM), scanning electronic microscopy (SEM) and low-field nuclear magnetic resonance (LF-NMR) respectively. Comparing to the samples without xanthan gum, samples with xanthan gum had apparently lower hardness. Moreover, the microstructure was significantly changed by adding xanthan gum, and a higher ratio of small molecules such as water and polyols remained relatively high mobility.
Xanthan gum; Nutrition bar; Soy protein; Texture; Microstructure
國家自然科學(xué)基金(編號:31471697);教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號:113032A)
巫雨婷,女,江南大學(xué)在讀碩士研究生。
周鵬(1975—),男,江南大學(xué)教授,博士。 E-mail:zhoupeng@jiangnan.edu.cn
2017—03—13
10.13652/j.issn.1003-5788.2017.05.007