高蛋白營養(yǎng)棒儲藏期硬化機理及抗硬化措施的研究進展

王明禮,趙 旭,姜 瑞,宋超男,李奕莛,陳 君,姜瞻梅,侯俊財

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué),乳品科學(xué)教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030)

高蛋白營養(yǎng)棒是一類經(jīng)過原料混合、冷法擠壓和切塊包裝等步驟制作的營養(yǎng)均衡的方便食品,外形類似于牛軋?zhí)?還伴隨有一些巧克力涂層等。營養(yǎng)棒可以在短時間內(nèi)有效的補充機體所需要的能量,因此被廣泛的應(yīng)用于運動食品和軍事食品中[1]。目前,高蛋白營養(yǎng)棒的產(chǎn)業(yè)發(fā)展已逐具規(guī)模,并且可以根據(jù)消費者的飲食愛好定制性添加一些輔料,市場逐漸擴大,有取代傳統(tǒng)零食的趨勢[2-3]。高蛋白營養(yǎng)棒的水分活度一般在0.5～0.6之間,常溫儲藏至少有6～12個月的貨架期[4]。食品的質(zhì)地會影響消費者的感官體驗而對消費者的接受程度產(chǎn)生重大的影響[5]。在儲藏期間,營養(yǎng)棒的風(fēng)味、質(zhì)地、顏色等都會發(fā)生變化,其中以硬度變化尤為突出,極大地限制了其貨架期[6-8]。

營養(yǎng)棒的硬化機理非常復(fù)雜,組分的不同以及外部因素等對其硬化都會產(chǎn)生影響。近年來,為了抑制儲藏期內(nèi)營養(yǎng)棒的硬化,國內(nèi)外學(xué)者對營養(yǎng)棒的硬化機理進行了大量的研究,也提出了一些有效的延緩硬化方法。目前對于營養(yǎng)棒的研究大部分聚焦在通過控制體系組分內(nèi)反應(yīng)和采用不同原料等方面抑制硬度的變化。

因此,本文重點從高蛋白營養(yǎng)棒硬化機理、抑制硬化方法等方面進行綜述,并提出今后研究方向,為生產(chǎn)中的實際應(yīng)用提供有效的參考。

1 高蛋白營養(yǎng)棒

營養(yǎng)棒的組分通常包括蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物以及一些保濕劑等。其中,高蛋白營養(yǎng)棒的蛋白質(zhì)含量通常在15%～50%之間,商業(yè)用的營養(yǎng)棒包含動物以及植物來源的多種蛋白質(zhì),主要有乳清蛋白、酪蛋白和大豆蛋白等,它們通常采取分離蛋白(蛋白質(zhì)含量高于90%)或濃縮蛋白(蛋白質(zhì)含量低于90%)的形式添加到產(chǎn)品中,保持蛋白質(zhì)在營養(yǎng)需求與成本之間有良好的平衡[9]。高蛋白營養(yǎng)棒中還含有約10%～50%的碳水化合物,主要以葡萄糖漿、果葡糖漿和麥芽糖糖漿等形式存在,這些糖漿可以提供面團形成時所需的水并且起到粘結(jié)的作用,還有一些碳水化合物以蔗糖、葡萄糖等結(jié)晶糖的形式添加[10-11]。甘油等小分子多羥基化合物(polyhydroxy compounds,PHCs)常作為保濕劑和增塑劑添加到營養(yǎng)棒體系中[12-14],山梨糖醇和麥芽糖醇等也作為甜味劑以及保濕劑。另外,一些花生油、大豆油或可可脂經(jīng)常添加到配方中補充脂肪的含量,還可以根據(jù)消費者的口味選擇性的添加堅果、維生素和膳食纖維等以提高營養(yǎng)價值和新穎的口感。高蛋白營養(yǎng)棒中僅添加少量的水分,因為大部分未經(jīng)熱處理的食品需要較低的水分活度抑制微生物的生長,這些水可以在體系中充當增塑劑保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性[15]。

市場上銷售的營養(yǎng)棒大多采用擠壓法加工生產(chǎn),原料及輔料混合在一起形成面團,混合容器需要有夾層控制溫度使面團保持柔軟便于擠壓,面團經(jīng)過擠壓機被擠壓形成長條狀,最后切割成型,有些營養(yǎng)棒在包裝前還要進行干燥和涂層工序使其貨架期可長達1年之久[11]。由于各組分混合在一起時會形成一個未達到動態(tài)平衡的體系,在生產(chǎn)完成和食用之間通常存在相當長的時間間隔,在此期間,多個化學(xué)、物理反應(yīng)會依次或同時發(fā)生,組分之間的相互作用都有可能對體系的品質(zhì)產(chǎn)生影響。

2 高蛋白營養(yǎng)棒硬化機理

大量的試驗研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致高蛋白營養(yǎng)棒硬化的機制主要是糖結(jié)晶[16]、相分離[17]、水分遷移[9,17]、蛋白自聚集[17-18]、美拉德反應(yīng)[17,19]等。營養(yǎng)棒的硬化過程一般分為前期和中后期兩個階段[20],前期階段通常是營養(yǎng)棒制作完成后的幾周或一個月內(nèi),不同組分之間的物理變化對硬度的增加起主要作用[21]。中后期階段主要是儲藏幾個月之后,由于儲藏條件的影響和美拉德反應(yīng)引起的蛋白質(zhì)聚集導(dǎo)致硬度的大幅度增加[22]。

2.1 糖結(jié)晶

高蛋白營養(yǎng)棒生產(chǎn)中常用的糖類主要有葡萄糖、蔗糖、葡萄糖漿、果葡糖漿和麥芽糖糖漿等,由于不同糖成分在水溶液中的溶解度不同,例如蔗糖與葡萄糖在水中的溶解度較低,因此如果在加工過程添加的蔗糖或葡萄糖過多就可能儲藏過程中析出結(jié)晶。結(jié)晶體會在水分和PHCs體系之間占據(jù)一定的體積,結(jié)晶現(xiàn)象導(dǎo)致充當體系增塑劑的糖類的比例下降,結(jié)晶體在隨后的儲藏期中體積逐漸變大,使營養(yǎng)棒硬度增加[21]。

Loveday等[19]通過核磁共振發(fā)現(xiàn)水分、脂質(zhì)和PHCs之間存在很強的相互作用,并指出在貯藏50 d內(nèi)其分子遷移率不斷變化,水分和PHC的遷移率大大降低,證實了葡萄糖的結(jié)晶是營養(yǎng)棒的硬化的一個原因。共焦顯微圖像也證明了糖結(jié)晶現(xiàn)象(圖1)?，F(xiàn)階段高蛋白營養(yǎng)棒的生產(chǎn)工藝中可以使用溶解性能較好的糖漿來代替蔗糖和葡萄糖,例如果葡糖漿、麥芽糖漿等,從而有效避免糖結(jié)晶導(dǎo)致的營養(yǎng)棒儲藏期硬度增加。

圖1 乳清分離蛋白營養(yǎng)棒共焦顯微照片[17]Fig.1 Whey protein isolate nutrition bar confocal micrograph[17]注:A為WPI營養(yǎng)棒制作后1 h;B為儲藏1 d; C為儲藏4 d;D為儲藏18 d;d為葡萄糖晶體。

2.2 相分離

相分離通常是決定食品質(zhì)地、機械穩(wěn)定性以及外觀形象的主要因素[23]。溶液中存在多種組分,由于性質(zhì)的不同會分離成不同的相,降低了系統(tǒng)的自由能,導(dǎo)致系統(tǒng)的熵增加[24]。

在貯藏過程中,食品中水分與低分子量PHCs的羥基締合會產(chǎn)生較高的滲透壓,從而形成強大的驅(qū)動力,很可能導(dǎo)致水分從蛋白顆粒表面遷移,進而導(dǎo)致顆粒之間進一步締合,最終形成兩相或者三相基質(zhì)[19]。最近研究中發(fā)現(xiàn),在簡單的糖蛋白系統(tǒng)中,相分離通常與糖的結(jié)晶或玻璃化轉(zhuǎn)變有關(guān)[25-26]。但是在高蛋白營養(yǎng)棒中發(fā)現(xiàn)溶解的蛋白質(zhì)與糖漿形成的連續(xù)相與蛋白質(zhì)顆粒和脂肪球等小分子等極性物質(zhì)形成的分散相之間的組分重排是相分離的主要原因。首先,由于蛋白質(zhì)和碳水化合物均不溶于脂質(zhì),因此,在貯藏過程中,它們不會從脂肪球中排除,只有一些蛋白質(zhì)分子可以分布在脂質(zhì)和糖漿界面上。其次,隨著蛋白質(zhì)的逐漸水合,越來越多的水與蛋白質(zhì)結(jié)合,連續(xù)相中的水被拉入分散相中[26]。若糖和蛋白質(zhì)保留在單一相中,營養(yǎng)棒不會發(fā)生硬化。相分離現(xiàn)象會使得蛋白質(zhì)在有效體積空間內(nèi)發(fā)生濃縮效應(yīng),引發(fā)蛋白質(zhì)自聚集,導(dǎo)致營養(yǎng)棒的硬度增加[21]。根據(jù)微觀圖像顯示,相分離在營養(yǎng)棒制成的第一天內(nèi)就開始發(fā)生[19],并且在相分離階段中,部分水合的蛋白質(zhì)顆粒對營養(yǎng)棒的硬化起關(guān)鍵作用。因此,食品儲藏時間、蛋白質(zhì)以及糖的種類都對營養(yǎng)棒硬度變化有影響[24]。

2.3 水分遷移

水分含量和水分活度都對食品的品質(zhì)以及儲藏穩(wěn)定性有很大的影響[27]。在任何情況下,產(chǎn)品中“濕”和“干”這兩種組分的水合作用都趨于平衡,不是在水分含量上而是在水分活度(AW)上達到平衡。例如葡萄干和奶油面團這兩種成分在相同水分含量下界面處并不平衡,但在界面兩側(cè)水分活度相同時達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài),這充分證實水分的遷移不是濃度或體積的差異引起,而是水的化學(xué)勢的差異造成的[28],這種解釋在高蛋白營養(yǎng)棒體系中同樣也適用。

高蛋白營養(yǎng)棒系統(tǒng)在初期階段未達到動態(tài)平衡,各成分根據(jù)溶解以及水合的不同狀況形成了不均勻的分散體,組分之間存在水分活度梯度。由于勢能差的驅(qū)動,水分及其他小分子化合物會從高水分活度區(qū)遷移至低水分活度區(qū)(水分從蛋白質(zhì)向糖類和甘油的遷移),使得蛋白質(zhì)分子的水合作用改變,并引發(fā)一些不良反應(yīng),蛋白質(zhì)顆粒在分子層面或者宏觀層面上的后續(xù)變化都會導(dǎo)致營養(yǎng)棒整體的質(zhì)地變化[19]。同時糖漿由于水分的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致產(chǎn)品的增塑能力降低,導(dǎo)致貯藏初期產(chǎn)品硬化[29]。普遍認為,營養(yǎng)棒中存在結(jié)合水和游離水兩種狀態(tài)的水,游離水是指與蛋白質(zhì)表面的相互作用較弱,并且是緊鄰蛋白質(zhì)分子的溶液區(qū)域中的一部分[30],結(jié)合水指與蛋白質(zhì)和糖分子之間具有很強的水離子相互作用,并且可能具有氫離子和水偶極相互作用的水分子,不同的水分狀態(tài)之間的交換在蛋白質(zhì)顆粒表面周圍的水合層發(fā)生[31]。當AW值介于0.3～0.7之間時,蛋白質(zhì)可以吸收多層水和一些毛細管水[32],Zhou等[18]觀察到,蛋白質(zhì)緩沖溶液(含水量40%)在34 ℃儲存過程中變硬,產(chǎn)品中結(jié)合水含量由64%增加到68%,而游離水則由36%降低至30%。

大豆蛋白、乳清蛋白、乳清分離蛋白或酪蛋白酸鈉制成的模型蛋白棒在儲藏前期硬度增加被認為是由水與小分子(如甘油和山梨糖醇)遷移導(dǎo)致的[17,33]。含酪蛋白酸鈉的高蛋白營養(yǎng)棒的硬化通常在制備后立即發(fā)生,而乳清蛋白體系最為穩(wěn)定[34],這主要是由于乳清蛋白分子的親水性最強,使體系中蛋白質(zhì)顆粒大部分被水合,所以產(chǎn)品在貯藏前期能夠保持較軟的硬度。已經(jīng)證明,水分遷移引起的乳清蛋白聚集形成的聚集體分為兩類:可溶性聚集體和不溶性聚集體,并且在35 ℃條件下儲藏下,不溶性聚集體在前3 d形成速度較快,隨后變得增加緩慢[18,31]。大豆蛋白具有較強的疏水性,大部分蛋白質(zhì)分子被水合,并且小分子的遷移率仍較高,顆粒之間以非共價相互作用松散的堆積在一起,導(dǎo)致系統(tǒng)的溶解度大大降低,硬化程度要高于乳清蛋白。對于酪蛋白酸鈉體系,酪蛋白顆粒在部分水合時會溶脹,并且這些蛋白質(zhì)顆粒通過非共價相互作用進一步融合并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因此會呈現(xiàn)出最高的硬度[35]。

2.4 二硫鍵引起的蛋白自聚集

水分等小分子遷移后發(fā)生的固態(tài)或半固態(tài)蛋白質(zhì)的自聚集主要是通過形成分子間二硫鍵或者是分子間非共價作用導(dǎo)致的(圖2)。分子間二硫鍵引發(fā)的蛋白聚集主要有兩種作用機制:一種是通過分子間硫醇-二硫鍵的交換,另一種是賴氨酸與天冬酰胺或谷氨酰胺的羰基反應(yīng)或與消除二硫鍵后形成的脫氫丙氨酸衍生物反應(yīng)而實現(xiàn)的[36-38]。Zhou等[18]通過乳清分離蛋白和磷酸鹽緩沖液配制的乳清蛋白/緩沖液模型系統(tǒng)也證實了這一點,通過對比分別加入十二烷基硫酸鈉、鹽酸胍、尿素后蛋白質(zhì)聚集體的溶解度證實分子間氫鍵以及疏水相互作用等與蛋白質(zhì)聚集沒有很大關(guān)系;通過對比加入二硫蘇糖醇(DL-Dithiothreitol,DTT)前后聚集體的溶解度證實分子間二硫鍵的形成與蛋白質(zhì)的聚集現(xiàn)象有很大關(guān)聯(lián)度。非共價相互作用可能首先形成非共價連接的聚集體,進一步引發(fā)了可溶性聚集體內(nèi)部和之間的二硫鍵的形成,從而形成了較大的不溶性聚集體[39]。

不同蛋白質(zhì)之間由于水分遷移導(dǎo)致的蛋白聚集的機制有所不同,如牛血清蛋白和乳球蛋白等蛋白質(zhì)主要通過分子間硫醇二硫鍵的作用,非共價作用較弱[17-18],而在卵清蛋白、葡萄糖氧化酶等其他蛋白中可能主要以非共價作用形成蛋白聚集體[36]。

圖2 模型系統(tǒng)中二硫鍵引起的蛋白質(zhì)聚集[31]Fig.2 Protein aggregation caused by disulfide bonds in model systems[31]注:A:新編制的模型系統(tǒng);B:形成單獨的蛋白質(zhì)聚集體; C:形成聚集體網(wǎng)絡(luò)。圖中的黑色球代表沒有聚集的 蛋白質(zhì)分子或顆粒,灰色球代表聚集的 蛋白質(zhì)分子或顆粒(主要是分子間二硫鍵)。

2.5 美拉德反應(yīng)引起蛋白聚集

美拉德反應(yīng)是指氨基化合物和羰基化合物之間的一類化學(xué)反應(yīng)[40]。高蛋白營養(yǎng)棒富含蛋白質(zhì),并且添加了糖類作為增塑劑,因此,產(chǎn)品在長期貯藏過程中,蛋白質(zhì)與還原糖之間可能發(fā)生美拉德反應(yīng),使得蛋白質(zhì)分子糖基化,產(chǎn)生不溶性聚集體,導(dǎo)致營養(yǎng)棒硬化[41]。由于高蛋白營養(yǎng)棒水分活度處在0.5～0.6之間,美拉德反應(yīng)在水分活度為0.6～0.8區(qū)間內(nèi)會快速進行[42],因此,營養(yǎng)棒在儲藏期間容易發(fā)生美拉德反應(yīng)。

美拉德反應(yīng)會對營養(yǎng)棒的質(zhì)地、外觀、營養(yǎng)價值以及風(fēng)味等都產(chǎn)生一定的影響,甚至?xí)a(chǎn)生對人體有害的羧甲基賴氨酸[20]。美拉德反應(yīng)引起的蛋白聚集在儲藏前期影響不大,可能是由于參與反應(yīng)的一些賴氨酸殘基位于蛋白質(zhì)的內(nèi)部或者位于無法結(jié)合的位點上,因此,不能與葡萄糖或乳糖分子結(jié)合發(fā)生反應(yīng)[19]。而隨著儲藏期的延長,水分在整個體系中的遷移與蛋白質(zhì)水合,增加了蛋白質(zhì)的柔韌性以及小分子還原糖遷移到蛋白質(zhì)空間內(nèi)部與氨基結(jié)合的可能性,因此,有研究認為儲藏后期蛋白質(zhì)分子共價交聯(lián)產(chǎn)生的蛋白聚集體是使得營養(yǎng)棒硬度大幅增加的主要原因[43-44]。

3 抑制高蛋白營養(yǎng)棒儲藏期內(nèi)硬化的方法

3.1 添加蛋白質(zhì)水解物

高蛋白營養(yǎng)棒在所有的營養(yǎng)棒中蛋白質(zhì)含量是最高的,雖然能夠補充更高的能量,但事實上蛋白質(zhì)的濃度與體系的硬度有密切的關(guān)系。蛋白質(zhì)顆粒具有不同的臨界體積分數(shù)(φ),當體系添加的蛋白質(zhì)高于該臨界值,營養(yǎng)棒體系會保持顆粒狀或粉末狀;當?shù)陀谠撆R界值體系具有太高的流動性,所以添加量應(yīng)保證體系能有足夠保持應(yīng)力而不發(fā)生形變[9]。研究證實水解蛋白在不同的pH和溫度下都具有更高的溶解度,多蛋白混合使用比單一蛋白體系能更好的控制硬度的變化[45],可能是由于水解乳清蛋白會產(chǎn)生氨基酸和多肽段[24]。當完整蛋白與部分水解的乳清分離蛋白配合使用時,水解蛋白由于具有較高的吸濕性以及較低的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度,能夠在液相中吸收更多的水分,保持蛋白質(zhì)-水-PHCs系統(tǒng)的穩(wěn)定,減緩了不同相之間的分離,保持了柔軟的質(zhì)地,延長了產(chǎn)品的貨架期[26,46]。

Mcmahon等[24]分別使用不同水解程度的乳清蛋白分離物與乳清分離蛋白制成營養(yǎng)棒并進行儲藏加速試驗,研究發(fā)現(xiàn)當?shù)鞍踪|(zhì)水解物添加到配方中時,營養(yǎng)棒容易成型且變得更有柔韌性。在儲藏期間,蛋白質(zhì)水解物的添加量極顯著影響營養(yǎng)棒的硬度(P<0.001)。Rao等[47]探究了牛酪蛋白及其水解物對營養(yǎng)棒儲藏期硬度的影響,發(fā)現(xiàn)乳清分離蛋白營養(yǎng)棒儲藏28 d硬度超過12 N(超過12 N時消費者難以接受),而含有牛酪蛋白或酪蛋白水解物的營養(yǎng)棒儲藏35 d后未達到12 N。當用酪蛋白代替10%(w/w)的乳清分離蛋白儲藏35 d 后營養(yǎng)棒的硬度比乳清分離蛋白模型的硬度降低了約54%,產(chǎn)生的原因可能是水解物可抑制二硫鍵誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)聚集,從而對存儲過程中營養(yǎng)棒的硬度產(chǎn)生影響。同時有研究發(fā)現(xiàn)由更多親水性蛋白質(zhì)制成的營養(yǎng)棒硬度適中,在存儲過程中更穩(wěn)定[26]。因此,在營養(yǎng)棒制備過程中使用水解蛋白部分替代完整的蛋白質(zhì)能有效的降低儲藏期硬度的增大,但有一些水解產(chǎn)物由于自身的苦味會導(dǎo)致營養(yǎng)棒的口感下降,同樣影響高蛋白營養(yǎng)棒的口感。

3.2 改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)

使用含量為80% 的濃縮乳蛋白(milk protein concentrate powder with 80% protein,MPC80)配制成的高蛋白營養(yǎng)棒在儲藏過程中會快速的變硬[48-49]。濃縮乳蛋白(milk protein concentrate,MPC)中酪蛋白含量在80%以上,且酪蛋白大多以酪蛋白膠束的形式存在,在儲藏過程中相鄰的酪蛋白膠束之間交聯(lián),提高了粉末表面的疏水性,表面疏水性的增加和酪蛋白膠束相互作用導(dǎo)致粉末的表面形成了一層由熔融酪蛋白膠束的薄層組成的皮層,水分較難滲透,使得酪蛋白復(fù)水性能較差,影響體系中的水分子等小分子遷移,導(dǎo)致制作形成的營養(yǎng)棒硬度較大,口感粗糙[45,50]。

蛋白質(zhì)的粒徑會影響顆粒比表面積,酪蛋白膠束中的一些慢溶解成分限制了復(fù)水性的速率,提高顆粒的親水性會提升MPC的復(fù)水性[50-51]。在余韻[50]的實驗中,通過噴霧干燥時霧化小液滴獲得小的MPC顆粒粒徑,結(jié)果發(fā)現(xiàn),小粒徑蛋白粉末的溶解度高于大粒徑的溶解度,并且陳化后的小粒徑蛋白粉末的溶解度下降值明顯小于大粒徑的溶解度下降值,在后期的儲藏期間內(nèi)粒徑越小的體系形成均一穩(wěn)定相的速率要快于大粒徑的樣品,陳化后也是如此;通過離子交換脫鈣處理調(diào)控酪蛋白膠束的狀態(tài),發(fā)現(xiàn)脫鈣率與膠束解離程度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢,在脫鈣率達到28.3%時,體系穩(wěn)定且硬度適中;通過添加磷脂囊泡調(diào)節(jié)蛋白顆粒的親水性,發(fā)現(xiàn)添加的磷脂量越多,體系中水分子等小分子的遷移速率越快,當添加量為10%時,營養(yǎng)棒體系的硬度得到極大改善。Banach等[51]將含量為85%蛋白質(zhì)(milk protein concentrate powder with 85% protein,MPC85)的濃縮乳蛋白進行氣流粉碎和冷凍干燥,通過研磨可以暴露出蛋白顆粒掩蓋的疏水性殘基而增加MPC85的表面疏水性,除去內(nèi)部堵塞的空氣,使營養(yǎng)棒體系中有更多的顆粒堆積,提升顆粒的再水化能力而改善了體系成分之間的內(nèi)聚力。實驗結(jié)果證實細磨的MPC85比未處理的MPC85配制的營養(yǎng)棒更有內(nèi)聚力不易斷裂,且儲藏期間也不易發(fā)生質(zhì)地硬度的變化。Banach等[52]通過擠壓和烘烤對MPC80進行了改性,通過擠壓和烘烤改變了MPC80中游離巰基含量,減少了內(nèi)部聚集并降低了儲存期間的蛋白質(zhì)的溶解度,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在42 d的存儲期內(nèi),使用改性的MPC80配制的營養(yǎng)棒只觀察到有限的微觀結(jié)構(gòu)變化,溶解度降低同時組分之間的相變輕微,因此可能是通過減緩組分之間的相分離減緩了營養(yǎng)棒的硬化。與未經(jīng)處理的MPC80相比,在75或110 ℃烘烤4 h的MPC80產(chǎn)生的營養(yǎng)棒分別具有最小的紋理變化和增加的斷裂力[7,53],經(jīng)擠壓得到的MPC80與噴霧干燥的MPC80相比,MPC80粉末具有較寬的粒徑分布,質(zhì)地更柔軟,儲藏期較穩(wěn)定且粘結(jié)性能好[48]。通過擠壓作用,MPC80中相鄰蛋白質(zhì)之間的二硫鍵以及蛋白質(zhì)糖基化作用增強,顯著降低了蛋白質(zhì)的游離巰基(P<0.05)和游離胺(P<0.05)的濃度,使得反應(yīng)性能降低,同時通過提升蛋白濕潤性,擠壓得到的MPC80更容易發(fā)生水合,但是在儲藏期間由美拉德反應(yīng)形成的聚集體更加普遍[54]。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(Transglutaminase,TGase)通過將谷氨酰胺殘基與蛋白內(nèi)或蛋白間的賴氨酸殘基交聯(lián)來進行蛋白修飾,使其具有更高的持水能力。交聯(lián)的蛋白質(zhì)成分具有較少的胺基團可用于參與美拉德反應(yīng),很有可能限制儲藏階段硬度的增加[55]。Banach等[56]通過轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶制備出低交聯(lián)和高交聯(lián)的MPC營養(yǎng)棒,在儲藏階段發(fā)現(xiàn)Tgase交聯(lián)蛋白降低了營養(yǎng)棒的硬度,并降低了易碎性,但隨著時間的延長硬度的增加與未修飾的相比差距不大,長期儲存中沒有優(yōu)勢。

3.3 半胱氨酸抑制二硫鍵生成

Zhou等[18]通過加入DTT證實了二硫鍵與硬度變化的關(guān)系,如果可以防止蛋白質(zhì)粉末中巰基-二硫鍵交換反應(yīng),則可以抑制營養(yǎng)棒的硬化,從而延長保質(zhì)期,但是目前通過抑制或破壞二硫鍵來抑制儲藏期營養(yǎng)棒硬化的研究并不多。

DTT是一種帶有毒性的二硫鍵分離劑,不允許加入到食品中。一些游離的巰基封閉劑,如N-乙基馬來酰亞胺(N-Ethylmaleimide,NEM)、2-碘乙酰胺或碘乙酸也同樣因為毒性而不能作為添加劑發(fā)揮有效的抑制作用[26]?？梢酝ㄟ^降低pH到6以下降低乳清分離蛋白溶液中的硫醇-二硫鍵交換反應(yīng),但是,由于營養(yǎng)棒體系的水分活度不高,若將pH降低至6以下時,可能導(dǎo)致pH接近乳清蛋白的等電點,使蛋白更容易析出產(chǎn)生聚集,因此這個方法也不一定有效。半胱氨酸(Cysteine,Cys)作為一種食品添加劑可以抑制美拉德反應(yīng),能夠增加食品的亮度,還可以通過硫醇-二硫鍵交換反應(yīng)裂解二硫鍵并增加蛋白質(zhì)凝膠強度[57]。Wang等[58]發(fā)現(xiàn)半胱氨酸能夠封閉二硫鍵,導(dǎo)致球形蛋白解折疊,從而降低了凝膠硬度。Zhu等[10]對半胱氨酸進行了試驗,發(fā)現(xiàn)在儲藏初期添加Cys和NEM后營養(yǎng)棒的硬度明顯的降低,在35 d的儲藏期后,添加Cys的營養(yǎng)棒硬度值變化比未添加Cys的變化幅度小,而添加過量的Cys卻加速了營養(yǎng)棒硬度的增加,這說明適量添加Cys對硬度的變化有控制作用。因此,在高蛋白營養(yǎng)棒的配制時,可以適量添加半胱氨酸延長貨架期。

3.4 抑制美拉德反應(yīng)

研究證實晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)的形成與營養(yǎng)棒儲藏過程中褐變與硬化之間有直接的關(guān)系[19]。多酚類物質(zhì)能夠與蛋白質(zhì)通過特異性相互作用發(fā)生可逆性與不可逆性的結(jié)合,進而改變蛋白質(zhì)分子的表面性質(zhì)和影響蛋白分子的抗氧化性與糖基化程度[59-60]。一些多酚類物質(zhì)例如白藜蘆醇,表兒茶素,迷迭香酸和槲皮素等被認為在面包與餅干等食品中模型中作為AGEs抑制劑[61-62]。Khalifa等[63]探究了微囊化的桑果多酚(microencapsulated mulberry polyphenol,MMP)對乳清蛋白營養(yǎng)棒體系儲藏期硬度的變化,發(fā)現(xiàn)不同比例的MMP在儲藏期抑制了蛋白模型中熒光AGEs的生成,儲藏45 d后20%添加量的MMP降低了66.79%的AGEs形成,并有效減緩了營養(yǎng)棒硬度的增加。這是由于MMP能夠通過氫鍵和π-π相互作用與乳清蛋白亞基片段發(fā)生作用阻止了乳清蛋白的糖基化反應(yīng),減緩了高蛋白營養(yǎng)棒儲藏期的硬度變化。但谷滿屯[64]探究發(fā)現(xiàn),白藜蘆醇在營養(yǎng)棒體系儲藏后期對美拉德反應(yīng)的抑制效果開始顯現(xiàn),但是對硬度變化的影響較小。

3.5 降低分子遷移

分子遷移在高蛋白模型中前期硬化的一個主要原因,因此,最小化分子遷移是控制高蛋白營養(yǎng)棒硬化的一個方法,但是對這方面進行的相關(guān)研究也較少。為了避免食品中因水分遷移而造成的物理反應(yīng)和化學(xué)變化,解決方案之一在于限制成分之間存在的水分活度梯度,通常使用能夠與水發(fā)生相互作從而降低最高相對濕度相的水分活度的溶質(zhì)來實現(xiàn),如糖、鹽或多元醇等。濕潤劑的使用通常受到溶解度,反應(yīng)性,對質(zhì)地和味道等影響的限制[28,65]。

水膠體是食品工業(yè)中廣泛使用的水溶性多糖,可以改善食品的微觀結(jié)構(gòu)和物理特性[66]。Li等[35]探究不同水膠體對營養(yǎng)棒體系的硬度影響,發(fā)現(xiàn)黃原膠(xanthan gum,XG)能夠有效降低由酪蛋白酸鈉配制的營養(yǎng)棒的硬度變化,且效果與XG的濃度呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。這可能是由于XG等水膠體的存在會與酪蛋白酸鈉顆粒競爭水,并保留在蛋白質(zhì)顆粒的間隙中,而較少的水會遷移到蛋白顆粒中,降低了酪蛋白顆粒的水合作用,進而保持硬度的穩(wěn)定。Meng等[67]發(fā)現(xiàn)使用二氧化硅(SiO2)和磷酸鈣(Ca3(PO4)2)等抗結(jié)塊劑能夠降低濃縮乳蛋白制備的營養(yǎng)棒的硬度,可能是因為抗結(jié)塊劑會通過空間位阻在吸濕性顆粒表面形成了水分屏障或在蛋白顆粒之間形成了物理屏障[68],同時抗結(jié)塊劑會與蛋白顆粒競爭水,減少了蛋白顆粒的水合作用,抑制了水分等小分子在組分之間的轉(zhuǎn)移,控制了硬度的增加。

除此以外,現(xiàn)階段還有一些新型的保存中間水分食品的方法,例如創(chuàng)新的滲透脫水技術(shù),電滲透脫水,高壓處理和氣調(diào)包裝等[69],但是高蛋白營養(yǎng)棒體系與常規(guī)的中間水分食品還是有一定的區(qū)別,這些儲藏措施是否會對營養(yǎng)棒的硬度有所影響仍需進一步的試驗探究。

4 展望

綜上所述,高蛋白營養(yǎng)棒在儲藏期硬度的變化是一個復(fù)雜的變化過程,涉及到前期的物理變化以及中后期的化學(xué)反應(yīng),通過抑制分子遷移、控制二硫鍵生成、改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)以及抑制美拉德反應(yīng)等措施控制儲藏期硬化已初見成效,那么如何在保持營養(yǎng)棒的口感、營養(yǎng)和質(zhì)地的前提下,開發(fā)新型、能量高、抗硬化的高蛋白營養(yǎng)棒可能是未來研究的方向。