不同品種茄肉勻漿物乳化特性 及流變特性的探究

衛(wèi)璐琦,張雅瑋,朱玉霞,劉彤彤,鮑英杰,彭增起,周光宏

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210095)

乳化劑在食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,而常用的食品乳化劑(如羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)和吐溫80(P80))可能會改變腸道微生物群組成和定植,誘導(dǎo)腸道炎癥和代謝綜合征[1]。Chassaing 等[2]研究表明,過去半個世紀以來,CMC-Na和P80消費的增長可能是導(dǎo)致炎癥性腸病(IBD)和代謝綜合征的發(fā)病率高的原因,較低濃度的CMC-Na和P80可以破壞上皮細胞粘液屏障,促進激活促炎基因的表達,促進上皮細胞的細菌易位,增加腸道菌在上皮細胞上的附著,引發(fā)低度炎癥和代謝綜合征,并可能引起小鼠的體重和血糖的增加。此外,小鼠腸微微生物群落還可從暴露于乳化劑的母代小鼠轉(zhuǎn)移到未暴露于乳化劑的胚胎,造成部分傳遞代謝綜合征。因此,對于安全的天然來源的食源性乳化劑的研究和開發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。Winuprasith等[3]從山竹果皮提取微纖化纖維素(MFC),探究其濃度對O/W型乳液的穩(wěn)定性和乳液性質(zhì)的影響,研究表明乳狀液的平均粒徑的大小、色澤、彈性及穩(wěn)定性隨著MFC濃度(0.05%～0.70%)的增加而增加,MFC顆粒主要吸附在乳液液滴的油-水界面處,過量非吸附MFC顆粒主要存在于連續(xù)水相中,且其含量隨著MFC濃度的增加而增加。Zhuang等[4]研究了甘蔗渣(甘蔗不溶性膳食纖維SIDF)對肌原纖維蛋白凝膠的保水性、凝膠強度、微觀結(jié)構(gòu)和肌原纖維蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)SIDF被固定于凝膠結(jié)構(gòu)中,改變水分分布情況,使凝膠的保水性和凝膠強度提高,有利于形成緊密牢固的蛋白凝膠。然而,山竹果皮、甘蔗渣等雖來源天然,卻屬于不可食用的部分。目前對于食源的乳化穩(wěn)定物尚未見報道。

茄子(SolanummelongenaL.)是我國廣泛種植的蔬菜之一,其果實中含有豐富的蛋白質(zhì)、碳水化合物、維生素、鈣、磷等營養(yǎng)成分及多種生物堿。Akanitapichat等[5]發(fā)現(xiàn)茄子中總酚和黃酮含量較高,具有較強的抗氧化活性以及護肝活性,此外,茄提取物還具有降低膽固醇[6]、抑制腫瘤生長和轉(zhuǎn)移所需血管的形成[7]和抑制炎癥、鎮(zhèn)痛[8]等作用。張開暢等[9]對5種不同顏色的茄子果皮和果肉進行了營養(yǎng)品質(zhì)分析。結(jié)果表明,茄子中蛋白質(zhì)含量與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān),且紫色茄子的可溶性糖含量和蛋白含量最高,而黑紫色茄子果肉的花青素和類黃酮、總酚含量均最高。本課題組成員李順等[10]初步證明茄肉勻漿物具有穩(wěn)定乳狀液的能力,可形成穩(wěn)定的O/W型乳狀液。不同地區(qū)茄子品種差異非常大[11-12]。這不僅與不同地域具有的不同消費習(xí)慣有關(guān),也與不同品種栽培的生態(tài)適應(yīng)性有關(guān)[11]。

本文以市場常見的三個品種茄子為原料,探究不同品種茄肉之間營養(yǎng)物質(zhì)成分差異,以及各品種茄肉勻漿物穩(wěn)定乳狀液能力和流變特性的差異,以篩選出乳化能力最佳的茄子品種,為開發(fā)以茄子為原料的食源乳化穩(wěn)定劑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

快圓茄(A茄)(紫色,橫徑約10 cm,單果重約500 g,成熟度一致) 采自南京眾彩物流蔬菜市場;大龍茄(簡稱B茄)(紫色,橫徑約4 cm,果長約26 cm,成熟度一致) 采自南京眾彩物流蔬菜市場;杭茄(C茄)(紫紅色,橫徑約2.1 cm,果長約35 cm,成熟度一致) 采自南京市麥德龍超市;大豆油 采自南京蘇果超市金龍魚品牌;疊氮化鈉(NaN3) 分析純,Sigma公司。

Kjeltec8100型全自動凱氏定氮儀 丹麥FOSS公司;Waring Blender型組織搗碎機 美國Waring 公司;T25型高速均質(zhì)機 德國IKA公司;Mastersizer 2000型激光粒度儀 英國Malvern Instruments公司;Allegra 64R型高速冷凍離心機 美國Beckman Coulter公司;MCR301型高級旋轉(zhuǎn)流變儀 奧地利Anton Paar有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同品種茄子預(yù)處理及主要成分測定 快圓茄(A茄)、大龍茄(B茄)和杭茄(C茄),分別選用新鮮且成熟度一致的茄子作為實驗樣品,用果蔬削皮器對茄子去把去皮,得到茄肉部分。

茄肉中水分、干物質(zhì)含量的測定,參考《GB 5009.3-2016食品中水分的測定》[13];粗脂肪含量測定參考《GBT 14772-2008 食品中粗脂肪的測定》[14];灰分測定參考《GB 5009.4-2016 食品中灰分的測定》[15];蛋白質(zhì)含量采用全自動凱氏定氮儀進行測定;半纖維素含量、木質(zhì)素含量及纖維素含量等的測定參考王金主[16]的方法。除水分含量及干物質(zhì)含量外,各項含量結(jié)果表示干基含量,以平均值±標(biāo)準差的形式表述。

1.2.2 各品種茄子不同茄漿添加量的乳狀液制備 茄漿制備:將去把去皮的三個品種的茄子切成大小為0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的小塊后放入組織搗碎機中,加入鮮茄1/2質(zhì)量的去離子水,添加茄子與去離子水總質(zhì)量0.05%的疊氮化鈉以抑制微生物生長,在組織搗碎機中5000 r/min斬拌4 min,得淺褐色或青白色茄漿懸浮液,置于4 ℃冷藏備用,下次使用前重新攪拌懸浮均勻。

以大豆油作為油相,茄漿作為水相,采用油水比3∶7 (V/w)添加不同量的茄漿以制備干物質(zhì)濃度為1.00%、1.25%、1.50%、1.75%和2.00%的茄乳狀液。具體方法如下:分別稱取一定量的茄漿懸浮液,并依次加入去離子水至總質(zhì)量為10.5 g,使得乳狀液干物質(zhì)濃度分別為1.00%、1.25%、1.50%、1.75%和2.00%(干物質(zhì)濃度的計算方法見下),冰浴條件,用IKA的T25高速勻漿機12000 r/min均質(zhì)1 min后,沿管壁緩緩加入4.5 mL大豆油繼續(xù)均質(zhì)2 min(體系油水比3∶7),獲得不同茄漿添加量的新鮮乳狀液。

換算干物質(zhì)濃度的計算方法:

干物質(zhì)濃度(%,w/v)

式中:W-茄漿懸浮液添加量(g);V-乳狀液體系總體積(mL);2/3-稀釋倍數(shù)。

1.2.3 乳化穩(wěn)定性分析

1.2.3.1 粒徑檢測 使用激光粒度儀對各品種不同茄漿添加量的乳狀液的粒徑大小和粒徑分布進行測定分析(測定過程中使用粒度儀自帶循環(huán)攪拌系統(tǒng)保證乳狀液顆粒在雙蒸水中均勻分散)。參數(shù)設(shè)置參考李順等[10]和Kargar等[17]的方法并進行一定調(diào)整:攪拌速度1200 r/min,遮光度10%～15%,水、大豆油折射率分別為1.33、1.46,吸收率設(shè)定為0,顆粒平均粒徑用體積表面積等效平均值D[3,2]表示。每個濃度測定三次,每次測定獲得3組測量值。

1.2.3.2 分層指數(shù)CI 取新鮮制備的各組茄肉勻漿乳狀液6 mL加入10 mL塑料離心管后立即以4000×g離心5 min[17-19],每個濃度重復(fù)三組,用游標(biāo)卡尺測定底部水層高度(Hs)和總高度(He),計算分層指數(shù)CI(creaming index):

式中:Hs表示底部水層高度(mm);He表示乳狀液體系總高度(mm)。

1.2.4 流變特性分析 使用高級旋轉(zhuǎn)流變儀對各組新鮮制備的乳狀液進行流變特性的測定分析。所有流變學(xué)測量使用平行板PP50(直徑50 mm),0.5 mm的固定間隙,25 ℃。應(yīng)變掃描:以固定頻率1 Hz進行應(yīng)變范圍為0.01～1000 s-1的應(yīng)變掃描,以確定線性粘彈性范圍。頻率掃描:確定線性粘彈性范圍后,在線性粘彈性范圍內(nèi)施加0.1%剪切應(yīng)變進行頻率范圍為0.1～100 Hz的動態(tài)頻率掃描,以測定貯能模量G′和損失模量G″。表觀粘度測定:以0.01～1000 s-1的剪切速率測定表觀粘度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

如無特殊說明,每個處理組設(shè)有3個重復(fù),結(jié)果以平均值±標(biāo)準差表示。使用統(tǒng)計分析系統(tǒng)SAS進行統(tǒng)計學(xué)分析(SAS Institute Inc.,Cary,NC,USA),采用單因素方差分析的鄧肯多重檢驗(顯著性水平0.05)進行多組樣本間差異顯著性分析。采用Origin 8.0軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各品種茄子主要成分

表1為A、B、C三種茄子茄肉部分的主要成分表。在不同品種茄子之間進行比較可以發(fā)現(xiàn),不同品種茄子茄肉的水分(鮮基)、干物質(zhì)(鮮基)存在明顯差異,其中C茄干物質(zhì)含量最高,為7.3%,因此以三種茄子茄肉制備乳狀液時,需要考慮干物質(zhì)含量之間差異性;鮮茄子的主要成分中含量最高的是水分(平均為93.78%),此外,在茄肉干基中,含量最高的四種成分分別為粗蛋白、纖維素、木質(zhì)素和半纖維素,主要為蛋白類物質(zhì)和不溶性多糖類。相比于A茄和B茄,C茄具有更高的粗蛋白、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,與姚元干[20]研究類似,圓茄粗纖維含量較低,條茄粗纖維含量大于圓茄。

表1 各品種茄子茄肉主要成分比重(%)Table 1 Main components of three varieties of eggplants(%)

由于蛋白和部分多糖都具有一定的乳化能力,結(jié)合表1成分分析,蛋白和多糖均占茄肉干基比重達三分之一以上,這為茄肉勻漿物所可能具有的乳化特性提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。該結(jié)果與李順的研究結(jié)論基本一致[10]。

2.2 各品種茄子制備乳狀液的穩(wěn)定性分析

2.2.1 粒徑檢測分析 圖1顯示了三種茄肉在不同濃度下制備的乳狀液的平均粒徑大小,圖2顯示了三種茄肉在不同濃度下制備的乳狀液粒徑分布圖。

從圖1來看,在乳狀液干物質(zhì)濃度較低時(1.00%和1.25%),乳狀液中油滴平均粒徑較大,多在50 μm 以上,其中A茄和C茄平均粒徑顯著低于B茄(p<0.05),但A、C茄兩者之間差異不顯著(p>0.05);當(dāng)干物質(zhì)濃度較高時(1.50%、1.75%和2.00%),三種茄子之間差異顯著(p<0.05),C茄對應(yīng)的平均粒徑下降幅度最大,最小值達25.26 μm。

從圖1及圖2中可以看出,隨著乳狀液干物質(zhì)濃度的升高,三種茄肉制備的乳狀液的平均粒徑均明顯降低(p<0.05),且粒徑分布整體向左偏移,說明茄肉干物質(zhì)濃度大小決定了茄肉制備的乳狀液的油滴粒徑大小;其中,C茄在較高干物質(zhì)濃度條件下平均粒徑最小(p<0.05),平均粒徑大小隨濃度增加而下降幅度最大,整體粒徑分布偏移也最明顯,粒徑分布的最大值和最小值均低于A、B兩種茄子,說明相比于另兩種茄子,C茄制備的乳狀液受濃度影響最大,且乳化穩(wěn)定性較好。

圖1 乳狀液平均粒徑(μm)Fig.1 Average of droplet diameter(μm)in emulsions

圖2 乳狀液粒徑分布圖Fig.2 Distributions of droplet diameter

2.2.2 分層指數(shù)CI分析 圖3為A茄、B茄和C茄在油水比相同、干物質(zhì)濃度不同的條件下制備的乳狀液離心后的情況。當(dāng)干物質(zhì)濃度較低時(1.00%和1.25%),離心后乳狀液上層有不同程度明顯出油,此時乳狀液穩(wěn)定性較差,乳化效果不佳;當(dāng)干物質(zhì)含量適中時(1.50%),不同品種茄肉制備的乳狀液呈現(xiàn)不同程度的分層出油現(xiàn)象,A、B茄制備的乳狀液離心后上層仍有較為明顯的出油現(xiàn)象,而C茄制備的乳狀液此時已無明顯的油層析出,說明C茄相對于A、B茄的乳狀液穩(wěn)定性相對較好;當(dāng)干物質(zhì)濃度較高時(1.75%和2.00%),離心后乳狀液上層已無油層析出,乳狀液整體乳化效果較好,其中C茄乳狀液下部水層析出量最少。因此從宏觀角度來看,C茄乳化性能相對最好。

分層指數(shù)CI直觀地體現(xiàn)了乳狀液離心后底部水層占整個體系的比例,該值越小,表示乳狀液的穩(wěn)定性越好。從圖3、圖4可看出,各品種茄子制備的乳狀液離心后的CI值大部分隨著干物質(zhì)濃度的增加而降低;此外,C茄整體分層指數(shù)較低,其中C茄在各個干物質(zhì)濃度下分層指數(shù)值均最低,說明在相同干物質(zhì)添加量時,C茄肉穩(wěn)定乳狀液的效果最好,乳化效果也最好,這與本研究中的平均粒徑大小的研究結(jié)果一致(圖1)。

圖3 乳狀液離心后數(shù)碼相機照片F(xiàn)ig.3 Photographs of emulsions after centrifugation

圖4 分層指數(shù)CIFig.4 CI values of emulsions

Kargar等[17]也發(fā)現(xiàn),增加水包油乳狀液中微晶纖維素和改性淀粉的添加濃度,會降低乳狀液中油滴的粒徑,同時在油滴周圍形成較厚的界面膜,從而提高乳液的穩(wěn)定性。影響乳液穩(wěn)定性的最重要因素之一是脂滴表面界面層的性質(zhì)[21-22]。研究表明,由于液滴表面覆蓋的界面層的厚度、電荷和包裹狀況的不同,由相對厚的多組分界面層穩(wěn)定的乳狀液比在特定條件下通過單組分膜穩(wěn)定的乳狀液能夠更好地防止液滴聚集凝結(jié),具有更好的環(huán)境抗逆性(例如熱處理、凍融循環(huán)、脂質(zhì)氧化和高離子強度)[22]。

2.3 流變學(xué)特性分析

圖5為不同品種茄子制備的不同濃度乳狀液的應(yīng)變掃描,用于確定不同乳狀液樣品的線性粘彈性范圍,從中可以看出,在0.01%～1%的剪切應(yīng)變范圍內(nèi)G′和G″值始終保持穩(wěn)定,G″/G′基本不受剪切應(yīng)變影響,乳狀液呈現(xiàn)線性響應(yīng),即相位角在該范圍內(nèi)基本保持不變,說明在該范圍內(nèi)樣品對剪切應(yīng)變的穩(wěn)定性較好,0.01%～1%這一剪切應(yīng)變范圍稱為以茄肉制備的乳狀液的線性粘彈性范圍。在線性粘彈性范圍內(nèi),G′值呈現(xiàn)C茄>A茄>B茄的顯著性差異(p<0.05),且各品種茄子制備的乳狀液在各濃度下G′值均大于相應(yīng)G″值,樣品主要發(fā)生彈性形變,呈現(xiàn)典型乳狀液特征[10]。在非線性粘彈性范圍內(nèi),G″逐漸顯著大于G′,外界施加于樣品體系的能量大部分將變?yōu)闊崃堪l(fā)生不可逆損耗[23]。

圖5 不同品種茄子制備各濃度乳狀液的應(yīng)變掃描Fig.5 Shear strain sweep of different emulsions注:實心點表示貯能模量(G′),空心點表示損耗模量(G″)。

在線性粘彈性范圍內(nèi)以0.1%的剪切應(yīng)變進行頻率掃描,結(jié)果見圖6。粘性模量(損耗模量)與貯能模量的比值G″/G′(即tanδ)反映了樣品體系的粘彈性,tanδ值越大,體系粘性越大,tanδ值越小,體系彈性越大。

圖6 不同品種茄子制備各濃度乳狀液的頻率掃描Fig.6 Frequency sweep of different emulsions

從圖中可以看出,大致在1～10 Hz的頻率范圍內(nèi),隨頻率增大,G′和G″值始終保持穩(wěn)定的略微上升趨勢,體系的彈性和粘性都呈現(xiàn)增加趨勢。tanδ與頻率基本呈良好的線性關(guān)系。不同品種茄肉制備的乳狀液對頻率變化呈穩(wěn)定趨勢的范圍略有不同,A茄的穩(wěn)定線性頻率范圍在1.12～12.6 Hz之間,B茄的穩(wěn)定線性頻率范圍在0.79～12.6 Hz之間,C茄的穩(wěn)定線性頻率范圍在0.56～25.1 Hz之間。在線性頻率范圍內(nèi),三種茄肉制備的乳狀液在相同濃度下,G′>G″,且tanδ均小于1,呈現(xiàn)典型的類彈性凝膠特征;G′值呈現(xiàn)C茄>A茄>B茄的顯著性差異(p<0.05),tanδ值呈現(xiàn)C茄

圖7為不同品種茄子制備各濃度乳狀液在不同剪切速率下的表觀粘度變化情況,在相同干物質(zhì)濃度的條件下,三種茄子制備的乳狀液的表觀粘度均呈現(xiàn)C茄>A茄>B茄的顯著性差異(p<0.05),是剪切稀化的典型的非牛頓流體。在剪切速率較低時,各品種各濃度乳狀液曲線均呈現(xiàn)較高粘度,隨著剪切速率不斷增大,乳狀液粘度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢,部分乳液的曲線斜率甚至有逐漸減小的趨勢,呈現(xiàn)類似于假塑形流體的特點。這可能是由于在乳狀液靜止或受到剪切速率較低時,乳狀液內(nèi)部纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)等鏈狀分子或大分子相互纏結(jié),形成一定程度的絮凝,并與水油通過分子間作用力或氫鍵或化學(xué)鍵及物理鑲嵌作用相互連結(jié),將油滴固定在復(fù)雜的乳狀液網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,使得乳狀液表觀粘度較大。當(dāng)剪切速率逐漸增大,乳狀液內(nèi)部的分子分布及存在狀態(tài)受到剪切力的影響,打亂鏈狀分子之間的鉤掛連接,卷曲勾結(jié)的分子被拉直,并朝著剪切力方向伸展,從而降低了乳狀液的表觀粘度,呈現(xiàn)剪切稀化的特點,但這種剪切稀化作用是可逆的,當(dāng)剪切速率減小或乳狀液靜置時,通過布朗運動,乳狀液內(nèi)部分子間再次恢復(fù)至能量最低的自然位置,分子間作用力、氫鍵等再次形成,乳狀液的表觀粘度會再次逐漸恢復(fù)至較高狀態(tài)[23-24]。

圖7 不同品種茄子制備各濃度乳狀液的表觀粘度Fig.7 The effect of shear rate on viscosity

3 結(jié)論

本文對三個市場常見的茄子品種(A茄:快圓茄;B茄:大龍茄;C茄:杭茄)為原料,進行茄肉主要成分的測定,并對不同茄漿添加量的乳狀液的乳化穩(wěn)定性和流變特性的分析。結(jié)果顯示,三個品種茄子干基含量最高的主要成分均為具有一定乳化能力的蛋白質(zhì)類和不溶性多糖類,其中C茄干基粗蛋白、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等主要成分的含量最高;C茄在各濃度下平均粒徑最小,且平均粒徑隨濃度增加而大幅下降,整體粒徑分布隨濃度增加偏移最明顯,粒徑分布范圍也小于另外兩種茄子;C茄在相同干物質(zhì)添加量時分層指數(shù)值均最低,C茄肉穩(wěn)定乳狀液的效果最好,乳化效果也最好;通過流變學(xué)特性測定,在線性粘彈性范圍內(nèi),G′值呈現(xiàn)C茄>A茄>B茄的顯著性差異(p<0.05),tanδ值呈現(xiàn)C茄A茄>B茄的顯著性差異(p<0.05)。綜合各項研究結(jié)果,選擇有效乳化干物質(zhì)含量最高、乳化能力相對最強的C茄,即杭茄作為后續(xù)探究茄子來源的乳化劑的開發(fā)與應(yīng)用的原材料。