乳清分離蛋白-阿拉伯膠復(fù)合體系制備的共軛亞油酸粉末油脂的理化特性及穩(wěn)定性

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(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430068; 2.福格森(武漢)生物科技股份有限公司,湖北武漢 430056; 3.華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院,湖北武漢 430030)

粉末油脂是將乳液油脂變?yōu)楦稍锓勰?不僅是形式的簡單變更,更重要的是通過將油脂粉末化,延緩食品中油脂的氧化,增強貯存穩(wěn)定性,減少食品品質(zhì)劣變[1]。粉末油脂作為食品配料,可提高其貯存和流通等環(huán)節(jié)的便利性,擴大其在食品中的應(yīng)用范圍,如嬰幼兒配方奶粉、方便食品、固體飲料等領(lǐng)域[2]。

粉末油脂制備通常采用噴霧干燥、粉碎或涂層等多種方法。目前最常用的是噴霧干燥法,主要包括四個階段:乳液配制、分散均質(zhì)、乳液霧化、霧化顆粒脫水[3]。噴霧干燥的干燥速度很快,且物料溫度不會超過氣流溫度,適用于熱敏材料的微囊化。與其它工藝相比,該法操作簡單,只需一道工序就可獲得良好的粉末或顆粒[4]。影響噴霧干燥的兩個主要因素是壁材選擇和工藝參數(shù)。選擇合適的壁材對噴霧干燥微膠囊化粉末油脂是十分必要的,其特性對乳液穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。壁材主要分為碳水化合物和蛋白質(zhì)兩大類[5]。Tonon等[6]采用阿拉伯膠制備乳液,并研究進氣溫度對噴霧干燥微囊化亞麻籽油的影響。結(jié)果表明,油含量較高和固形物含量較低時易形成較大顆粒,乳液粘度較小,包埋率較低,脂質(zhì)氧化速率較高。Carneiro等[7]將麥芽糖糊精(MD)與阿拉伯膠(GA)、乳清濃縮蛋白(WPC)、改性淀粉(Hi-Cap 100TM和Capsul TA)復(fù)配對亞麻籽油包埋,發(fā)現(xiàn)MD與Hi-Cap復(fù)配下亞麻籽油包埋率最高,MD與WPC復(fù)配下亞麻籽油氧化穩(wěn)定性最好。此外,研究表明在粉末油脂的制備工藝中,噴霧干燥表現(xiàn)出比冷凍干燥更高的包封率[8]。

共軛亞油酸(CLA)作為一種新型功能性油脂,具有減肥、抗癌、抗動脈粥樣硬化等諸多生理功效,在食品行業(yè)中的應(yīng)用已成為近年來國內(nèi)外研究熱點。但由于CLA不溶于水,且其分子中雙鍵含有流動性較大的π電子,易受氧化攻擊而發(fā)生斷裂,生成環(huán)氧化物、醛和酮等氧化產(chǎn)物,限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍[9]。目前針對CLA的穩(wěn)態(tài)化技術(shù)主要包括乳液[10]和粉末油脂[11]。油脂粉末化可在CLA表面形成一層薄膜，從而使其隔絕光、水和氧氣,可有效延長貨架期。Jimenez等[12]以濃縮乳清蛋白來包埋CLA,使其貯存穩(wěn)定性有所改善。石強等[13]以大豆分離蛋白、麥芽糊精、玉米糖漿為壁材,采用噴霧干燥法制備CLA粉末油脂,可較好地保持CLA的穩(wěn)定性,延緩油脂氧化。前期研究表明,WPI與GA在混合比例1∶2、pH4.4時可形成可溶性分子內(nèi)復(fù)合物,具有優(yōu)異的乳化活性[14]。本研究選用WPI-GA分子內(nèi)復(fù)合物為乳化劑制備穩(wěn)定的CLA乳液,采用噴霧干燥法制備CLA粉末油脂,考察CLA粉末油脂的理化性質(zhì)和穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

WPI(純度>95%) 美國戴維斯柯公司;GA(純度>94.5%) 日本San-Ei Gen食品公司;共軛亞油酸(CLA) 山東圣協(xié)科技有限公司;其余常規(guī)試劑 均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳液制備及穩(wěn)定性測定

1.2.1.1 乳液制備 先稱取一定量的WPI-GA(WPI∶GA=0.5)粉末溶于去離子水,使其終濃度分別為0.5%、1%、2%、3%、5%,再將不同濃度的WPI-GA(WPI∶GA=0.5)溶液置于滾軸式混合器上,在室溫下?lián)u勻12 h使其充分混合,調(diào)節(jié)pH至4.4,后加入質(zhì)量濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%的(w/w)CLA。使用高速剪切機在26000 r/min下預(yù)乳化3 min,隨后利用高壓納米均質(zhì)機均質(zhì),75 MPa下循環(huán)一次得到新鮮乳液,得到以CLA為油相的o/w型乳液。整個過程在冰浴下進行,以減少油脂氧化。

1.2.1.2 乳液粒徑測定 采用激光粒度儀測定乳液粒徑分布及平均粒徑,以800 mL純水為分散介質(zhì)。測定前先將CLA濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%的乳液輕微振蕩搖勻,再逐滴加至分散介質(zhì)中,直到信號滿足測試要求。參數(shù)設(shè)置:分散相和連續(xù)相的折光指數(shù)分別為1.52、1.33,遮光度為10%～20%,顆粒吸收率為0.001,泵轉(zhuǎn)速2000 r/min。每個樣品平行測量三次,取平均值。乳液的平均粒徑用D[3,2]表示。

D[3,2]=(Σnidi3/Σnidi2)

式(1)

式中:ni表示粒徑大小為di的顆粒數(shù)目;D[3,2]為樣品的表面積加權(quán)平均值。

1.2.1.3 乳液穩(wěn)定性測定 將CLA濃度為10%、15%、20%、25%、30%、40%的乳液分別置于25、40 ℃下儲存7 d,并以25 ℃下不同CLA濃度的新鮮乳液為對照,儲存結(jié)束后測定其平均粒徑。乳液粒徑是乳液穩(wěn)定性的直觀體現(xiàn),粒徑越小,預(yù)示著乳液越穩(wěn)定。

LDH是臨床上常見病、多發(fā)疾病,是導(dǎo)致腰腿疼痛的主要病因。同時,由于這一疾病病程長、易反復(fù)發(fā)作,嚴重影響到患者的生活質(zhì)量。近年來,隨著射頻熱凝術(shù)以及臭氧消融術(shù)作為微創(chuàng)介入治療方法,憑借其創(chuàng)傷小、術(shù)后恢復(fù)快,對患者脊柱穩(wěn)定性無影響等優(yōu)點,被應(yīng)用于LDH治療中。

1.2.2 CLA粉末油脂制備工藝優(yōu)化

1.2.2.1 噴霧干燥條件 將CLA濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%的乳液進行噴霧干燥,得到粉末油脂。上述各濃度的樣品分別在噴霧干燥進風(fēng)口溫度為100、110、120、130、140 ℃,進料速率12 mL/min,出口溫度90 ℃下各制備一組。

1.2.2.2 CLA粉末油脂包封率測定 包封率是衡量油脂被包埋程度的標準,據(jù)葛顏強等[15]給出的定義為:實際被包埋量與理論被包埋量的比值。其公式表示為:

包封率(%)=(1-表面含油率/總含油率)×100

式(2)

表面含油率的測定方法[16]:稱取質(zhì)量為2～3 g粉末油脂(m1),加入50 mL 30～60 ℃石油醚中,在輕微攪拌下浸提2 min,后用砂芯漏斗抽濾,取25 mL石油醚清洗濾渣,再次抽濾,立即將濾液轉(zhuǎn)移至恒重錐形瓶(m2)中,蒸出石油醚后,烘干至恒重稱重(m3),表面含油率的計算公式如下:

表面含油率(%)=(m3-m2)/m1×100

式(3)

總含油率的測定方法[17]:稱取2 g粉末樣品(w1)于干燥的三角瓶中,加20 mL熱水,使樣品充分溶解后,加入20 mL無水乙醇、無水乙醚和石油醚(體積比為2∶1∶1)混合物充分萃取后,將萃取液移入已稱重的三角瓶中(w2),重復(fù)萃取兩次,合并萃取液,在水浴上蒸干脫去溶劑,再放入50 ℃烘箱中烘至恒重(w3),總含油率的計算公式如下:

總含油率(%)=(w3-w2)/w1×100

式(4)

1.2.2.3 CLA粉末油脂外觀觀察 稱取CLA濃度10%、15%、20%、25%、30%、40%的粉末油脂各2 g置于黑紙板上拍照。

1.2.3 CLA粉末油脂的理化性能及穩(wěn)定性測定

1.2.3.1 CLA粉末油脂復(fù)溶特性及微觀形貌 稱取25 g粉末油脂樣品于250 mL燒杯中,加入200 mL蒸餾水,充分攪拌使之分散均勻,放置在25 ℃下靜置30 min后觀察乳液外觀并拍照。采用BT-1600圖像顆粒分布系統(tǒng)觀察復(fù)溶乳液的微觀形貌,放大倍數(shù)為400倍。

1.2.3.2 CLA粉末油脂機械性能測定 CLA粉末機械特性的測定方法參考Cai等[18]的實驗方法,在Haake旋轉(zhuǎn)流變儀上,采用壓迫模式進行測定,試驗條件為平行板轉(zhuǎn)子(型號:P35 TiL,直徑35 mm),Gap值初始間距設(shè)為1.0 mm,實驗溫度為25 ℃。將噴干后的粉末均勻地平鋪于平行板上,達到Gap值后,以0.005 mm/s速度下壓,手動設(shè)定結(jié)束法相應(yīng)力50 N。多次重復(fù)實驗,保證數(shù)據(jù)重現(xiàn)性。

1.2.3.3 CLA粉末油脂氧化穩(wěn)定性測定 采用液相氧電極測定復(fù)溶粉末油脂CLA濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%乳液的耗氧速率,在25 ℃無光照條件下測定CLA乳液中氧氣消耗過程。取2 mL復(fù)溶后的乳液,在25 ℃下通空氣6 min至飽和狀態(tài)后加入反應(yīng)槽內(nèi)開始測量,根據(jù)計算機軟件自動計算出氧氣消耗速率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 CLA乳液粒徑和穩(wěn)定性

2.1.1 乳化劑濃度對CLA乳液粒徑的影響 采用濃度分別為0.5%、1%、2%、3%、5%的WPI-GA分子內(nèi)復(fù)合物制備乳液,考察乳化劑濃度對質(zhì)量濃度為40%的CLA乳液穩(wěn)定性的影響。乳液粒徑是乳液穩(wěn)定性的直觀體現(xiàn),粒徑越小預(yù)示著乳液越穩(wěn)定。乳液粒徑較大，易導(dǎo)致乳液間發(fā)生絮凝使乳液穩(wěn)定性降低。如圖1所示,隨著乳化劑濃度增大,乳液粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在乳化劑濃度為2%時,乳液粒徑最小,且分布均一。證明WPI-GA含量為2%時,界面乳化活性最強。當(dāng)乳化劑濃度較低,界面吸附?jīng)]有達到飽和狀態(tài)，使乳滴表面覆蓋率不足,乳滴間可相互靠近并發(fā)生聚結(jié),導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性下降。當(dāng)乳化劑濃度適量時,乳化劑快速吸附到界面上，繼而展開重排而完全覆蓋油滴表面,緊密排列的界面層的黏彈性、厚度增加,所以乳液穩(wěn)定性較好[19]。當(dāng)乳化劑濃度高時,過量的未吸附在界面上的乳化劑增加了水相的粘度,使乳滴之間存在較大的排空力，導(dǎo)致乳液絮凝,從而導(dǎo)致其粒徑變大,穩(wěn)定性降低[20]。經(jīng)優(yōu)化得出2%的乳化劑濃度下乳液粒徑最小,后面探究該乳化劑濃度下不同CLA濃度對乳液儲存穩(wěn)定性的影響。

圖1 不同GA-WPI濃度下CLA乳液粒徑(A)和粒徑分布(B)Fig.1 Mean diameter D[3,2](A)and the particle size distribution of CLA emulsions with different concentrations of GA-WPI intramolecular complexes(B)

2.1.2 CLA濃度對乳液穩(wěn)定性的影響 由圖2可知,2%的WPI-GA分子內(nèi)復(fù)合物制備的乳液在25、40 ℃條下貯存7 d其粒徑變化較小,呈現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,與對照相比未呈現(xiàn)出顯著性差異(p>0.05),可能是因為WPI與GA通過靜電相互作用形成了分子內(nèi)復(fù)合物,GA多支鏈結(jié)構(gòu)提供了有效的空間位阻,使吸附在油滴表面的WPI得到保護,防止其發(fā)生架橋絮凝,提高了乳液穩(wěn)定性[21]。

圖2 不同濃度CLA新鮮乳液及不同儲存條件下的粒徑變化Fig.2 Change of mean diameter D[3,2]of the CLA-stabilized flash emulsions at different storage conditions

2.2 CLA粉末油脂制備工藝優(yōu)化

2.2.1 進風(fēng)口溫度對CLA粉末油脂包封率的影響 噴霧干燥的進風(fēng)口溫度是影響粉末油脂包封率的重要因素之一,不同進風(fēng)口溫度對CLA粉末油脂包封率會有不同影響。由圖3可知,隨著進風(fēng)口溫度的增加,CLA粉末油脂的包封率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在進風(fēng)口溫度為130 ℃時,其包封率最大且顯著高于其他溫度下的包封率(p<0.05)?？赡苁怯捎跍囟冗^低,不利于乳化劑成膜,從而使其包封率下降。溫度過高,水分蒸發(fā)速度過快,易造成復(fù)合乳化劑解離,降低其乳化活性,從而造成壁材破裂,包封率下降[22-23]。因此130 ℃為最佳進風(fēng)口溫度。

圖3 不同進風(fēng)口溫度CLA粉末的包封率Fig.3 Encapsulation effiency of CLA powder by spray drying under different inlet air temperatures注:不同字母表示差異顯著(p<0.05),圖4、圖7同。

2.2.2 CLA濃度對CLA粉末油脂包封率的影響 由圖4可知,CLA濃度在10%～25%時,其包封率顯著高于CLA濃度為30%和40%的粉末油脂(p<0.05),且其包封率較大接近95%,同時粉末分散均勻?？赡苁怯捎赪PI和GA在CLA-水界面產(chǎn)生協(xié)同性吸附。一方面,WPI為GA提供了更多的界面結(jié)合位點,促進GA在界面的吸附。另一方面,GA通過提供更多的靜電結(jié)合位點來增加WPI的界面吸附。WPI和GA的協(xié)同性吸附可在油滴表面形成厚而致密的界面吸附層,提供空間位阻和優(yōu)越的乳化性能,防止乳液顆粒的絮凝和聚結(jié)[23]。研究表明,阿拉伯膠能結(jié)合游離脂肪酸,很大程度上歸因于阿拉伯膠中的AGP組分與游離脂肪酸的疏水相互作用[24-25]。當(dāng)CLA濃度超過30%,包封率呈下降趨勢,且粉末出現(xiàn)結(jié)塊并輕微出油,導(dǎo)致包封率下降,粉末顏色變黃且有結(jié)塊,并伴有CLA析出,說明粉末穩(wěn)定性變差。當(dāng)CLA濃度為10%～25%時,CLA粉末油脂的包封率較大。因此10%～25%為CLA的最優(yōu)濃度范圍。

圖4 不同CLA濃度粉末油脂包封率(A)及其外觀(B)Fig.4 Encapsulation effiency(A)and the images(B)of CLA powder by spary drying under different concentrations

2.3 不同CLA濃度下粉末油脂的理化穩(wěn)定性

2.3.1 不同CLA濃度下粉末油脂的復(fù)溶特性及微觀形貌 不同CLA濃度下粉末油脂的復(fù)溶穩(wěn)定性如圖5所示,乳液D[3,2]隨著CLA濃度增大而增大,可能是由于WPI-GA分子內(nèi)復(fù)合物對CLA的包埋在CLA濃度為10%時達到飽和,當(dāng)CLA濃度增大,使得其界面吸附量降低,乳滴發(fā)生聚集,導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性下降[26-27]。當(dāng)CLA濃度為10%和15%時,復(fù)溶較好,乳液均一穩(wěn)定。當(dāng)CLA濃度增大至20%以上,CLA油相析出,乳液中出現(xiàn)水油分層。

圖5 不同CLA濃度粉末油脂復(fù)溶平均粒徑及顯微鏡圖(A),靜置30 min外觀(B)Fig.5 Mean diameter D[3,2]of dissolved CLA powder by spary drying with different concentrations and the micrographs(A);its images after 30 min(B)

2.3.2 不同CLA濃度下粉末油脂的機械性能 不同CLA濃度粉末油脂的機械特性曲線如圖6所示。由于40%CLA濃度粉末油脂油相析出嚴重,不適于此方法,故只測定濃度10%～30%。隨著轉(zhuǎn)子高度的降低,不同CLA濃度粉末油脂的法相應(yīng)力(Fn)變化趨勢不同。10%的CLA粉末油脂隨著高度的降低,Fn升高迅速,在高度為0.56 mm時,Fn值達到最大(47.63 N)。隨著CLA濃度增加,Fn值變化緩慢,15%、20%和25%的變化幅度趨于一致,30%CLA濃度粉末油脂F(xiàn)n隨高度變化最小。這可能是因為在CLA濃度較小時,包埋較完全,粉末顆粒穩(wěn)定性較好,噴干后粉末機械性能較強。而在CLA濃度較高時,粉末顆粒機械性能較差。這可能是由于高濃度的CLA不能被乳化劑包裹完全,粉末易結(jié)塊,物理性質(zhì)不穩(wěn)定。有研究發(fā)現(xiàn)乳清分離蛋白與阿拉伯膠復(fù)合物在油水界面上形成的吸附層比乳清分離蛋白具有更高的彈性,并且在噴霧干燥后,微膠囊化效率較高,粉末的機械性能也很穩(wěn)定[28]。

圖6 不同CLA濃度粉末油脂的機械強度Fig.6 Mechanical strength of spray dried CLA powder with different concentrations

2.3.3 不同CLA濃度下粉末油脂的氧化穩(wěn)定性 油脂的氧化穩(wěn)定性是油脂的重要性質(zhì)之一,以不含CLA溶液的耗氧速率作為對照。測定不同濃度下CLA粉末油脂的氧化穩(wěn)定性。由圖7(A)可以看出,對照組中不含CLA溶液的氧氣濃度隨著時間的延長并無明顯變化,氧耗可視為基本不變。隨著CLA濃度的增加,復(fù)溶乳液中的氧氣濃度在減小,說明乳液體系中不斷有氧氣消耗,可以推測乳液中的氧耗來自乳液油相CLA的氧化。耗氧曲線的斜率值可近似視為乳液中CLA的氧化速率。曲線的斜率值如圖7(B)。隨著CLA濃度的增大,乳液中CLA的氧化速率有增大趨勢。CLA濃度為15%、20%和25%時,耗氧速率近似。隨著CLA濃度的增大,整體的氧化速率在逐漸增大,40% CLA粉末油脂復(fù)溶后的耗氧速率最大，且顯著高于其他濃度下的(p<0.05),已超過0.01 μmoL/(mL·min)，表明該濃度下游離的CLA較多,促使氧化速率變大。有研究表明,乳化劑會在油滴表面形成較厚的界面膜,可以有效延緩油脂的氧化,但當(dāng)油脂濃度過高不能被完全包埋時,過量的油脂會加速粉末油脂的氧化[29-30]。

圖7 不同CLA濃度粉末油脂復(fù)溶后在25 ℃無光照條件條件下的氧氣消耗過程以及消耗速率Fig.7 Kinetics of oxygen consumption and oxygen consumption rate of CLA powder by sapray drying of different concentrations at 25 ℃ without exposure to light

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)在WPI-GA復(fù)合乳化劑濃度為2%時的復(fù)合乳液的粒徑最小,穩(wěn)定性最好。這可能是由于靜電相互作用使WPI和GA在CLA水界面上產(chǎn)生協(xié)同性吸附,提高了其界面荷載能力。采用噴霧干燥制備CLA粉末油脂,并對其理化性能和穩(wěn)定性進行了評價。結(jié)果表明,當(dāng)進風(fēng)口溫度為130 ℃,進料速率12 mL/min,CLA濃度為15%～25%時，包封率較大,粉末油脂分散均勻,復(fù)溶性好,且呈現(xiàn)出較好的機械性能和氧化穩(wěn)定性。推測是由于適量濃度的乳化劑可快速吸附至界面并展開重排,可將油滴完全覆蓋,厚而致密的界面層是乳液穩(wěn)定性的有力保證。本研究可為開發(fā)以粉末油脂為代表的新型食品配料及應(yīng)用提供理論支持。