1種果膠為基質(zhì)的脂肪替代物的制備

徐群英 趙錦妝

（1 武漢輕工大學食品科學與工程學院 武漢430023 2 通標標準技術服務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前食品研究的熱點[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理、 影響因素及其在生產(chǎn)中的應用都不同[11]。果膠的凝膠性質(zhì)與其結構有密切關系。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)狀結構[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合機理與海藻酸鹽的“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建，其一是相分離，由于熱力學不相容性， 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）與果膠復配的方式，摸索復配體系的相互作用機制，研究其凝膠的穩(wěn)定性，解決果膠在實際應用中重聚集的問題。

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，國藥集團化學試劑有限公司；檸檬酸，國藥集團化學試劑有限公司；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 試驗方法

1.2.1 共溶質(zhì)的比例確定 通過前期試驗已得出， 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，進行凝膠體系的進一步優(yōu)化制備。

根據(jù)前期試驗， 果膠的質(zhì)量分數(shù)固定在1%，pH 值固定在2.8， 且共溶質(zhì)總質(zhì)量分數(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)量分數(shù)，即對應的麥芽糊精的質(zhì)量分數(shù)為0%，10%，20%，35%，50%， 通過比較不同體系的質(zhì)構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 通過前期預試驗[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行微粒化處理，即為成品。

1.2.3 復配產(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配產(chǎn)物與果膠進行混合制備凝膠， 質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%，0.2%，0.5%，制備出的凝膠進行高速剪切之后對其脫水率與聚集時間進行測定。

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，計算得到脫水率。

1.2.4 復配體系的質(zhì)構特性測定[20]采用TAXT.plus 物性測試儀對凝膠進行Texture Profile Analysis （TPA）分析。 TAXT.plus 設置為：選項：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； 測定結束探頭速度：5.0 mm/s；應變：50%；觸發(fā)力：1 g。

1.2.5 復配體系的流變學性質(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·德沃爾冪律關系對結果進行分析[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，掃描應變值為0.5%，振蕩頻率設定從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)量分數(shù)為0.1%的SDS 中進行稀釋， 混勻后加入到激光粒度分析儀中進行測定，每個樣品測定3 次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Origin 分析軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結果與分析

2.1 不同麥芽糊精添加比例對體系質(zhì)構的影響

由試驗可得， 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)構測定上差別不大。

試驗結果表明，隨著麥芽糊精的濃度的增大，相應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)構性質(zhì)反而略有加強，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， 這是因為麥芽糊精中含有大量支鏈淀粉與溶解的直鏈淀粉[22]，促進了與果膠的交聯(lián)，可形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構。

在實際操作過程中， 隨著麥芽糊精的添加量的增加，溶解也越困難。綜合考慮試驗結果與試劑操作，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)構的影響Table 1 Effect of different maltodextrin/sucrose ratio on the texture of the system

2.2 不同復配產(chǎn)物對脂肪替代物穩(wěn)定性的影響

通過前期預試驗顯示， 單獨的果膠凝膠在進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配產(chǎn)物與果膠進行混合制備脂肪替代物。通過查閱相關文獻資料與預試驗，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配產(chǎn)物，選擇的添加量為0.1%，0.2%，0.5%， 制備出的凝膠進行高速剪切之后測定其脫水率與聚集時間。

表2 不同復配產(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，具有獨特的增稠、懸浮、粘合及持水等特性[24]。 試驗結果表明，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行復配，制備脂肪替代物。

2.3 復配體系的質(zhì)構分析

通過不同濃度CMC 對脂肪替代物的穩(wěn)定性影響結果，選取0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%一系列不同質(zhì)量分數(shù)的CMC 與果膠進行復配，測定其凝膠質(zhì)構特性。

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

試驗結果表明， 復配體系呈現(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。 這可能是因為適當比例的復配體系中大分子之間形成了非常緊密的結構， 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 導致分子間產(chǎn)生劇烈碰撞，從而導致整個結構的空隙增大，即結構變得相對松散。

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， 同時考慮到復配體系的穩(wěn)定性及最終產(chǎn)品的成本，因此應用中選擇的CMC 添加比例為0.3%較為適宜。

2.4 復配體系的流變學性質(zhì)測定

圖1 為不同濃度的CMC 與果膠進行復配的產(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CMC 的質(zhì)量分數(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行Ostwald-de Waele 方程的擬合，得到相應的流體冪律方程及相關參數(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)量分數(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， 這是因為適當比例的復配體系，在分子間作用力的作用下，分子間交聯(lián)逐漸緊密，分子間彼此纏結達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。而在比例再增大時，復配體系凝膠性質(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， 從而影響復配體系的流變特性。

2.5 復配體系的頻率掃描

從復配體系的動態(tài)黏彈性測定也可以看出同樣的結果，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構，這與靜態(tài)剪切流變的結果一致。

凝膠體系的動態(tài)黏彈性與其實際應用息息相關，當CMC 添加比例為0.3%時，凝膠的網(wǎng)絡結構最為穩(wěn)定，同時擁有最高的彈性模量與黏性模量，當比例再提高時， 復配體系的彈性與黏性都有所下降，而彈性、黏性增強這一特性可改善體系的加工性能，更好地運用在產(chǎn)品當中。

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 復配體系粒徑分析結果

好的脂肪替代物需要能模擬脂肪滑潤細膩的口感， 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 結論

試驗結果表明， 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。 將制備出的凝膠進行高速剪切之后進行微?；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)物與果膠進行復配制備凝膠，其中考慮到生產(chǎn)成本與試驗結果，0.2%的羧甲基纖維素與果膠進行復配的結果較為理想。確定了復配產(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配， 測定其質(zhì)構、 流變特性。 結果可知，CMC 質(zhì)量分數(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)絡結構最為穩(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膩的口感， 因此要保證復配體系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配體系粒徑的影響。 試驗結果表明， 當剪切速率在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人造奶油中， 確定最佳的替代比例。