1種果膠為基質(zhì)的脂肪替代物的制備

徐群英 趙錦妝

（1 武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 武漢430023 2 通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司廣州分公司 廣州510700）

脂肪替代物， 根據(jù)其原料來源組成可分為三大類，即：蛋白質(zhì)基脂肪替代物（包括牛乳、大豆和明膠等）、脂肪基脂肪替代物（大豆卵磷脂、脂肪酸酯等）和碳水化合物基脂肪替代物（淀粉、纖維素、燕麥、果膠等）[1]。其中碳水化合物在食品中用于替代部分脂肪已有多年的歷史， 特別是膠體類化合物可用于食品中作為增稠劑及膠凝劑[2]，產(chǎn)生類似脂肪的流變特性與口感[3]。果膠作為一種高分子質(zhì)量的碳水化合物，在食品中使用可以提高黏度，并且因其良好的潤滑度及口感，被廣泛應(yīng)用在甜品、烘焙制品、乳制品中[4-5]。 除脂質(zhì)替代功能外，果膠等膳食纖維還被證實(shí)可以抑制脂類物質(zhì)的吸收，起降低熱量、卡路里攝入量，穩(wěn)定體系等作用，因此果膠類脂肪替代物的研究已成為當(dāng)前食品研究的熱點(diǎn)[6-9]。

果膠，可根據(jù)DE 的高、低分為高甲氧基果膠（high methoxyl pectin，HMP）和低甲氧基果膠[10]（low methoxyl pectin，LMP），其中高酯果膠DE 值大于50%，低酯果膠DE 值小于50%。凝膠性是果膠最重要的性質(zhì)之一， 高酯果膠和低酯果膠的凝膠形成機(jī)理、 影響因素及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用都不同[11]。果膠的凝膠性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。在酸性條件下， 高酯果膠在高糖溶液中通過氫鍵和疏水作用力可形成凝膠。 高含量的糖會改變果膠分子間的距離，使分子間間距降低，使體系水分活度降低，果膠分子不斷聚集，形成疏松的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[12]。 而低酯果膠在鈣離子存在的條件下形成凝膠[13]。 鈣離子與低酯果膠分子鏈上電離的羧基的結(jié)合機(jī)理與海藻酸鹽的“蛋盒”模式類似。 凝膠形成過程中，果膠分子先形成二聚體，隨后這些二聚體之間再相互聚集[14]。

果膠凝膠的制備需要經(jīng)過高速剪切， 然而高速剪切形成的凝膠顆粒經(jīng)過一段時間的放置后，由于氫鍵、范德華力及靜電引力的作用，凝膠顆粒又重新聚集，并產(chǎn)生脫水現(xiàn)象，這制約了果膠凝膠在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用[15]。 有研究發(fā)現(xiàn)生物聚合物的混合體系若能形成凝膠， 則會出現(xiàn)兩個伴生現(xiàn)象并有助于該體系的構(gòu)建，其一是相分離，由于熱力學(xué)不相容性， 兩種具有相同凈電荷的聚合物的混合物會出現(xiàn)相分離的情況； 其二是每種聚合物的凝膠化，這取決于相互作用的類型[16]。 因此本文擬通過嘗試不同產(chǎn)物（黃原膠、瓜爾豆膠、羧甲基纖維素、 海藻酸鈉及乳清蛋白）與果膠復(fù)配的方式，摸索復(fù)配體系的相互作用機(jī)制，研究其凝膠的穩(wěn)定性，解決果膠在實(shí)際應(yīng)用中重聚集的問題。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

高酯果膠，Sigma 科技有限公司；蔗糖，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；黃原膠，上海源葉生物科技有限公司；瓜爾豆膠，上海源葉生物科技有限公司；羧甲基纖維素，上海麥克林生化科技有限公司；海藻酸鈉，上海源葉生物科技有限公司；乳清蛋白，上海源葉生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉，廣州賽國生物科技有限公司。

Texture Analyser TAXT.plus 型物性測試儀，英國Stable Micro Systems 公司；Kinexus pro+多功能流變儀， 英國馬爾文公司； 激光力度分析儀Mastersizer3000，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 共溶質(zhì)的比例確定 通過前期試驗(yàn)已得出， 制備果膠凝膠的最佳條件為果膠質(zhì)量濃度1 g/100 mL，蔗糖質(zhì)量濃度70 g/100 mL，pH 2.8。由于脂肪替代物添加進(jìn)食品中起到降低脂肪， 從而降低熱量的作用，因此蔗糖濃度不宜過高。而就凝膠性質(zhì)而言， 麥芽糊精在酸性pH 下促進(jìn)高酯果膠的自締合的效果幾乎與蔗糖一樣[17]，且在過去的25年里，麥芽糊精作為食品添加劑是最流行的脂肪替代物[18]。 因此可選用麥芽糊精替代部分蔗糖，進(jìn)行凝膠體系的進(jìn)一步優(yōu)化制備。

根據(jù)前期試驗(yàn)， 果膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定在1%，pH 值固定在2.8， 且共溶質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)也保持在70%，選取5 組不同比例的麥芽糊精/蔗糖體系，分別為70%，60%，50%，35%，20%的蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即對應(yīng)的麥芽糊精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，10%，20%，35%，50%， 通過比較不同體系的質(zhì)構(gòu)特性來確定合適的麥芽糊精替代比。

1.2.2 脂肪替代物加工工藝流程 通過前期預(yù)試驗(yàn)[19]，確定了一個高酯果膠凝膠制備的最優(yōu)條件，即取不同質(zhì)量的果膠與復(fù)配產(chǎn)物加入到30 mL 去離子水中，配制成1.0%的果膠溶液，再添加不同比例的惰性外相， 于80 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min。 用12.5%檸檬酸調(diào)pH 值為2.8，并加入蔗糖21 g，靜置備用。 然后將所制備出的果膠凝膠通過高速剪切進(jìn)行微粒化處理，即為成品。

1.2.3 復(fù)配產(chǎn)物的選取 分別選取黃原膠、 瓜爾豆膠、羧甲基纖維素、海藻酸鈉及乳清蛋白作為復(fù)配產(chǎn)物與果膠進(jìn)行混合制備凝膠， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，0.2%，0.5%，制備出的凝膠進(jìn)行高速剪切之后對其脫水率與聚集時間進(jìn)行測定。

將制備出的脂肪替代物在4 ℃條件下保存3 d，用濾紙吸去表面水分，測定前后質(zhì)量差，計(jì)算得到脫水率。

1.2.4 復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)特性測定[20]采用TAXT.plus 物性測試儀對凝膠進(jìn)行Texture Profile Analysis （TPA）分析。 TAXT.plus 設(shè)置為：選項(xiàng)：TPA 模式；探頭為A∕BE；測定前探頭速度：5.0 mm/s；測定時探頭速度：1.0 mm/s； 測定結(jié)束探頭速度：5.0 mm/s；應(yīng)變：50%；觸發(fā)力：1 g。

1.2.5 復(fù)配體系的流變學(xué)性質(zhì)測定 靜態(tài)剪切流變的測定：在5 ℃條件下，測量剪切速率為0～100 s-1，測定其過程中剪切應(yīng)力和黏度的變化情況。 并根據(jù)下列冪律公式和奧斯特瓦爾德·德沃爾冪律關(guān)系對結(jié)果進(jìn)行分析[21]。

式中：K（Pa·sn）為黏度系數(shù)；n 為流動指數(shù)，表征偏離牛頓流體程度的指數(shù)。

動態(tài)黏彈性的測定：在溫度5 ℃條件下，掃描應(yīng)變值為0.5%，振蕩頻率設(shè)定從0.1 到100 Hz，測定樣品儲能模量G′、損耗模量G″以及損耗正切角tanδ 隨角頻率的變化。

1.2.6 粒徑分析方法 將通過不同剪切速率處理過后的果膠凝膠加入到150 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的SDS 中進(jìn)行稀釋， 混勻后加入到激光粒度分析儀中進(jìn)行測定，每個樣品測定3 次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Origin 分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同麥芽糊精添加比例對體系質(zhì)構(gòu)的影響

由試驗(yàn)可得， 不同比例的樣品配比均可形成凝膠，且不同比例的體系在質(zhì)構(gòu)測定上差別不大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著麥芽糊精的濃度的增大，相應(yīng)的蔗糖的濃度在減小， 麥芽糊精與蔗糖比例為1 ∶6 時，體系的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)均略有下降，這可能是由蔗糖濃度降低引起的， 隨著麥芽糊精濃度的增加，質(zhì)構(gòu)性質(zhì)反而略有加強(qiáng)，但總體而言差別不大。這說明麥芽糊精在酸性條件下的高酯果膠下，與果膠有幾乎同效的作用， 這是因?yàn)辂溠亢泻写罅恐ф湹矸叟c溶解的直鏈淀粉[22]，促進(jìn)了與果膠的交聯(lián)，可形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際操作過程中， 隨著麥芽糊精的添加量的增加，溶解也越困難。綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果與試劑操作，最終將麥芽糊與蔗糖的比例定為1∶1，即35 g 的麥芽糊精與35 g 的蔗糖。

表1 不同麥芽糊精/蔗糖比例對體系質(zhì)構(gòu)的影響Table 1 Effect of different maltodextrin/sucrose ratio on the texture of the system

2.2 不同復(fù)配產(chǎn)物對脂肪替代物穩(wěn)定性的影響

通過前期預(yù)試驗(yàn)顯示， 單獨(dú)的果膠凝膠在進(jìn)行高速剪切處理之后會重新聚集， 并產(chǎn)生脫水的現(xiàn)象， 這充分說明了單獨(dú)的果膠凝膠制備出的脂肪替代物穩(wěn)定性較差，不適宜后續(xù)的產(chǎn)品應(yīng)用。為解決脂肪替代物重聚集的現(xiàn)象， 選擇不同的惰性外相作為復(fù)配產(chǎn)物與果膠進(jìn)行混合制備脂肪替代物。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料與預(yù)試驗(yàn)，選擇了羧甲基纖維素、黃原膠、瓜爾豆膠、海藻酸鈉與乳清蛋白作為復(fù)配產(chǎn)物，選擇的添加量為0.1%，0.2%，0.5%， 制備出的凝膠進(jìn)行高速剪切之后測定其脫水率與聚集時間。

表2 不同復(fù)配產(chǎn)物對脂肪替代物脫水率及穩(wěn)定性的影響Table 2 Effects of different compound product on the water loss and stability of the pectic fat mimetics

制備出的果膠凝膠經(jīng)過高速剪切之后形成果膠凝膠顆粒，但是在放置一段時間后，由于氫鍵、范德華力及靜電引力的作用， 凝膠顆粒又重新聚集，并產(chǎn)生脫水現(xiàn)象[15]，由表1 可得，隨著各惰性外相濃度的增加，聚集越來越慢，同時脫水率也越來越低。其中高濃度的黃原膠與CMC 可以防止凝膠顆粒的重聚集，并緩解脫水現(xiàn)象的發(fā)生，可以很好地保證脂肪替代物的凝膠顆粒狀態(tài)。

黃原膠在較低濃度時也能具有較高的黏度，同時具有優(yōu)良的懸浮性、 乳化性、 溫度穩(wěn)定性和pH 值穩(wěn)定性等特性[23]。 CMC 是一種纖維素衍生物，也是最主要的離子型纖維素膠，具有獨(dú)特的增稠、懸浮、粘合及持水等特性[24]。 試驗(yàn)結(jié)果表明，高濃度的黃原膠與CMC 都適合做果膠為基質(zhì)的脂肪替代物的惰性外相，考慮到成本，選用0.2%的CMC 作為惰性外相與果膠進(jìn)行復(fù)配，制備脂肪替代物。

2.3 復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)分析

通過不同濃度CMC 對脂肪替代物的穩(wěn)定性影響結(jié)果，選取0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%一系列不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC 與果膠進(jìn)行復(fù)配，測定其凝膠質(zhì)構(gòu)特性。

表3 CMC/果膠凝膠復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)Table 3 Parameters of texture profile of CMC/pectin gel mixed systems

試驗(yàn)結(jié)果表明， 復(fù)配體系呈現(xiàn)較為規(guī)律的變化，隨著CMC 添加量的增加，硬度、稠度、黏性在0.1%～0.4%的范圍內(nèi)先增大后減小， 而在0.4%到0.5%的時候又呈上升的趨勢，但當(dāng)CMC 的添加量為0.5%時，總體的硬度、稠度及黏性均比0.4%的時候小。 這可能是因?yàn)檫m當(dāng)比例的復(fù)配體系中大分子之間形成了非常緊密的結(jié)構(gòu)， 從而提高了整個體系的硬度、稠度及黏性，而在CMC 的比例持續(xù)增大時， 過多的CMC 導(dǎo)致分子間產(chǎn)生劇烈碰撞，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的空隙增大，即結(jié)構(gòu)變得相對松散。

通過增加體系的硬度與稠度可以改善最終產(chǎn)品的咀嚼性， 同時考慮到復(fù)配體系的穩(wěn)定性及最終產(chǎn)品的成本，因此應(yīng)用中選擇的CMC 添加比例為0.3%較為適宜。

2.4 復(fù)配體系的流變學(xué)性質(zhì)測定

圖1 為不同濃度的CMC 與果膠進(jìn)行復(fù)配的產(chǎn)物在流動過程中其黏度隨剪切速率的變化曲線。 由圖可得，當(dāng)CMC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%增加至0.5%時， 體系的黏度隨濃度的增大呈先增大后減小的趨勢， 且不同濃度的復(fù)配體系均能表現(xiàn)出假塑性流體行為。 利用OriginPro 軟件對不同濃度凝膠體系的流變曲線進(jìn)行Ostwald-de Waele 方程的擬合，得到相應(yīng)的流體冪律方程及相關(guān)參數(shù)（見表3）。

圖1 CMC/果膠凝膠體系的流動曲線Fig.1 Flow curves of CMC/pectin gel systems

表4 不同濃度CMC/果膠凝膠體系的冪律方程Table 4 Power law equations of CMC/pectin gel with different concentrations

由表3 可得，CMC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時， 有最大的稠度系數(shù)與最小的流體指數(shù)， 其中稠度系數(shù)K 代表的是體系的表觀黏度， 而流體指數(shù)n 表示的是CMC 濃度對體系流體與牛頓流體偏離程度的影響。 隨著CMC 濃度的增大，復(fù)配體系的稠度系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 即表觀黏度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 這是因?yàn)檫m當(dāng)比例的復(fù)配體系，在分子間作用力的作用下，分子間交聯(lián)逐漸緊密，分子間彼此纏結(jié)達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。而在比例再增大時，復(fù)配體系凝膠性質(zhì)出現(xiàn)惡化，可能是由于纖維大分子在較大濃度時不能得到舒展，限制了果膠凝膠分子的伸展， 從而影響復(fù)配體系的流變特性。

2.5 復(fù)配體系的頻率掃描

從復(fù)配體系的動態(tài)黏彈性測定也可以看出同樣的結(jié)果，G′與G″隨頻率的增大而上升， 表現(xiàn)出了很明顯的弱凝膠動態(tài)流變學(xué)性質(zhì)。 而隨著CMC添加量的提高， 增長趨勢從快變慢。 高比例的CMC 添加量限制了凝膠體系的結(jié)構(gòu)，這與靜態(tài)剪切流變的結(jié)果一致。

凝膠體系的動態(tài)黏彈性與其實(shí)際應(yīng)用息息相關(guān)，當(dāng)CMC 添加比例為0.3%時，凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，同時擁有最高的彈性模量與黏性模量，當(dāng)比例再提高時， 復(fù)配體系的彈性與黏性都有所下降，而彈性、黏性增強(qiáng)這一特性可改善體系的加工性能，更好地運(yùn)用在產(chǎn)品當(dāng)中。

圖2 CMC/果膠凝膠體系的動態(tài)黏彈性曲線Fig.2 Dynamic viscoelastic curve of CMC/pectin gel system

2.6 復(fù)配體系粒徑分析結(jié)果

好的脂肪替代物需要能模擬脂肪滑潤細(xì)膩的口感， 這樣才能減少因脂肪降低而產(chǎn)生的口感變粗糙的問題， 因此對于體系的微粒大小即粒徑有要求。 對于碳水化合物基的脂肪替代物一般需要做微?；幚?，減小顆粒的大小。而對于以果膠為基質(zhì)的脂肪替代物而言， 由于果膠本身具有一定的黏稠性，因此其要求較低，但也要保證50%以下的粒徑在100 μm 以下。

圖3 不同剪切速率下體系粒徑的分布圖Fig.3 Distribution of system particle size at different shear rates

由圖表可得，當(dāng)剪切速率為1 000 r/min 時，其50%以下的粒徑為69.8 μm，滿足脂肪替代物的工藝要求，所以脂肪替代物的剪切速率定為1 000 r/min。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明， 麥芽糊精與蔗糖的效果幾乎一樣，都可以在酸性pH 下促進(jìn)高酯果膠凝膠的形成，因此為使脂肪替代物起到降低脂肪，降低熱量的效果， 凝膠的制備條件優(yōu)化為果膠質(zhì)量濃度1 g/100 mL、蔗糖質(zhì)量濃度35 g/100 mL、麥芽糊精質(zhì)量濃度35 g/100 mL，pH 2.8。 將制備出的凝膠進(jìn)行高速剪切之后進(jìn)行微?；幚?， 即得到以果膠為基質(zhì)的脂肪替代物， 但此時制備出的脂肪替代物在放置一段時間之后會發(fā)生重聚集及脫水的現(xiàn)象，對于后續(xù)在食品中的生產(chǎn)應(yīng)用不利，因此，在體系中添加惰性產(chǎn)物，阻礙其重聚集現(xiàn)象的產(chǎn)生。

表5 不同剪切速率對體系粒徑的影響Table 5 Effect of different shear rates on system particle size

分別選取黃原膠、瓜爾豆膠、羧甲基纖維素、海藻酸鈉及乳清蛋白作為惰性產(chǎn)物與果膠進(jìn)行復(fù)配制備凝膠，其中考慮到生產(chǎn)成本與試驗(yàn)結(jié)果，0.2%的羧甲基纖維素與果膠進(jìn)行復(fù)配的結(jié)果較為理想。確定了復(fù)配產(chǎn)物為羧甲基纖維素之后，將一系列濃度的羧甲基纖維素與果膠復(fù)配， 測定其質(zhì)構(gòu)、 流變特性。 結(jié)果可知，CMC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，有最大的稠度系數(shù)與最小的流體指數(shù)。即此時凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定， 同時擁有最高的彈性模量與黏性模量， 因此最終惰性產(chǎn)物選擇羧甲基纖維素，比例定為0.3%。

脂肪替代物需要能模擬脂肪滑潤細(xì)膩的口感， 因此要保證復(fù)配體系50%以下的粒徑在100 μm 以下。因此探究了不同剪切速率對于復(fù)配體系粒徑的影響。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 當(dāng)剪切速率在1 000 r/min 時，其50%以下的粒徑為69.8 μm，滿足脂肪替代物的工藝要求。 因此脂肪替代物的工藝流程在果膠質(zhì)量濃度1 g/100 mL、 羧甲基纖維素質(zhì)量濃度0.3 g/100 mL、蔗糖質(zhì)量濃度35 g/100 mL、麥芽糊精質(zhì)量濃度35 g/100 mL，pH 2.8 的條件下制備出的果膠凝膠在1 000 r/min 的情況下進(jìn)行剪切，所得的產(chǎn)品即為以果膠為基質(zhì)的脂肪替代物。接下來是將脂肪替代物添加進(jìn)人造奶油中， 確定最佳的替代比例。