不同乳化劑對(duì)牛骨白湯穩(wěn)定性的影響

高浩源， 李苗云， 趙莉君， 趙改名， 朱瑤迪， 馬陽(yáng)陽(yáng)， 林菊， 張潔

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

中國(guó)是畜禽養(yǎng)殖大國(guó)，畜禽肉類生產(chǎn)與消費(fèi)的需求量十分龐大[1-2]。2019年中國(guó)全年肉類總產(chǎn)量7 758.78 萬(wàn)t，約產(chǎn)生2 000 萬(wàn)t的畜禽骨副產(chǎn)物[3]。畜禽骨副產(chǎn)物可以開發(fā)制成骨素、骨泥、骨蛋白、骨糖及骨油等骨源產(chǎn)品[4]。骨源產(chǎn)品又可以開發(fā)成以骨素為主要原料的牛骨白湯和肉味香精等深加工產(chǎn)品，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及市場(chǎng)前景[5-6]。但是，長(zhǎng)期以來(lái)骨副產(chǎn)物的精深加工和高值化在中國(guó)沒有得到重視，骨副產(chǎn)物的利用比例不足10%，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[7]。因此，將畜禽骨副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為深加工產(chǎn)品，提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，減少其對(duì)環(huán)境的危害，已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

以骨湯產(chǎn)品為例，目前市面上牛骨湯產(chǎn)品的形式主要有原味高湯、粉末高湯和牛骨白湯3大類，以及部分凍干后的骨湯加工產(chǎn)品[8-10]。牛骨白湯是通過(guò)破碎、熬煮、湯油分離、風(fēng)味調(diào)配以及均質(zhì)乳化或非均質(zhì)乳化等不同工藝方法制作出來(lái)[11]。以白湯產(chǎn)品為載體，將其應(yīng)用于肉類工業(yè)和調(diào)味料行業(yè)等領(lǐng)域，發(fā)展機(jī)遇廣闊[12-13]。然而，牛骨白湯存在乳化效果差和儲(chǔ)藏易分層等問(wèn)題[14]。在骨湯生產(chǎn)中加入乳化劑可以使油水混合相形成均勻的乳狀液，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前，白湯類產(chǎn)品的研究主要集中在原料配比、加工工藝、酶解條件和風(fēng)味物質(zhì)等方面[15-16]，關(guān)于使用乳化劑來(lái)提高骨湯乳化穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少。曾清清等[17]研究蔗糖酯和分子蒸餾單甘酯乳化劑對(duì)雞骨高湯乳化穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)乳化劑的添加可以提高雞骨高湯的乳化穩(wěn)定性。但是，尚未見有關(guān)乳化劑對(duì)牛骨白湯乳化穩(wěn)定性的研究報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以牛骨素和牛油為主要原料，研究不同乳化劑(單硬脂酸甘油酯、丙二醇脂肪酸酯、Span80和阿拉伯膠)對(duì)牛骨白湯穩(wěn)定性的影響，為牛骨白湯標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

牛骨素和牛油購(gòu)置于河南普樂泰生物有限公司；單硬脂酸甘油酯(單甘酯)、丙二醇脂肪酸酯(丙二醇)、Span80、阿拉伯膠購(gòu)置于北京優(yōu)嘉食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2600i 紫外分光光度計(jì)，北京瑞利分析儀器有限公司；Nanotrac wave Ⅱ納米粒度及Zeta電位儀，美國(guó)麥奇克儀器有限公司；Discovery HR-1旋轉(zhuǎn)流變儀，美國(guó)TA Instruments公司；JZ-Ⅱ型高速均質(zhì)器，天津鐵道部電化院四方電器設(shè)備廠。

2 試驗(yàn)方法

2.1 牛骨白湯的制備

工藝流程：牛骨素→真空濃縮→調(diào)配高速均質(zhì)(加入其他原料)→殺菌→牛骨白湯。

以表1為基礎(chǔ)配方，原料樣品放置于燒杯，并于水浴鍋中使樣品升溫至60 ℃，經(jīng)高速均質(zhì)器10 000 r·min-1均質(zhì)2 min制備牛骨白湯。

表1 牛骨白湯基礎(chǔ)配方

2.2 乳化劑單因素試驗(yàn)

將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%)的4種乳化劑(單甘酯、丙二醇、Span80和阿拉伯膠)在均質(zhì)前分別加入牛骨白湯基礎(chǔ)配方中，以未添加乳化劑作為空白對(duì)照組。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在2.2的單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件設(shè)計(jì)3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平如表2所示。

表2 Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平表

2.4 乳化度測(cè)定

參照萬(wàn)勇斌等[7]的方法，根據(jù)白湯吸光度與白湯乳化度的線性關(guān)系，在虐待性試驗(yàn)后對(duì)牛骨白湯測(cè)量其吸光度。用紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)650 nm處測(cè)定乳化穩(wěn)定性，以吸光度值表示乳化穩(wěn)定性程度。

2.5 粒徑分布測(cè)定

參考李燕等[18]的方法，將樣品在25 ℃儲(chǔ)存24 h后使用納米粒度儀測(cè)量白湯的液滴尺寸和粒徑分布，該儀器的粒徑檢測(cè)范圍為0.3～10 000.0 nm。相關(guān)參數(shù)：散射角90°，分散體系折光系數(shù)為1.33。樣品用蒸餾水稀釋100倍后測(cè)量3次。

2.6 表觀黏度測(cè)定

參照Z(yǔ)HAO等[19]的方法，將樣品取適量放置于流變儀平臺(tái)上，設(shè)置剪切速率在300.0 s內(nèi)從0.1～300.0 s-1線性增加，測(cè)量7、22、37、52、67、82、97、112、127、142、157、172、187、202、217、232、247、262、277、292 s共20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.7 動(dòng)態(tài)流變性測(cè)定

參照Z(yǔ)HAO等[19]的方法，將白湯樣品置于流變儀樣品平臺(tái)上，加入樣品后加上蓋板，刮去多余的樣品，設(shè)置速率為0.5 ℃·min-1，固體應(yīng)變幅度為0.5%，記錄10.0 rad·s-1的彈性G′和損耗模量G″。振蕩測(cè)量從0.025～10.000 Hz在識(shí)別的線性黏彈性區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，測(cè)量0.025、0.040、0.063、0.100、0.158、0.250、0.396、0.628、0.995、1.577、2.500、3.962、6.280、9.953、10.000 Hz共15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.8 數(shù)據(jù)處理

所有測(cè)試重復(fù)3次，測(cè)試數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；方差分析采用SPSS 24.0軟件，顯著性檢驗(yàn)P<0.05；用Origin 2018軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯乳化度的影響

乳化度與乳化穩(wěn)定性成正比關(guān)系，乳化度越高，乳化穩(wěn)定性越強(qiáng)[7]。由圖1可知，不同乳化劑添加后牛骨白湯乳化度與空白對(duì)照組相比均顯著提高。其中，當(dāng)丙二醇的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，單甘酯的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，阿拉伯膠的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%和1.0%時(shí)，牛骨白湯的乳化度能夠達(dá)到0.90以上，表明此時(shí)牛骨白湯的乳化穩(wěn)定性較好；與其他3種乳化劑相比，Span80對(duì)牛骨白湯的乳化效果最差。

注：不同字母表示顯著差異(P<0.05)。

3.2 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯粒徑的影響

乳液的粒徑是評(píng)價(jià)乳液穩(wěn)定的重要因素，液滴粒徑分布越小，乳析速率越慢，乳液越穩(wěn)定[20-21]。如圖2所示，與空白對(duì)照組相比，丙二醇、單甘酯和Span80的添加均能使牛骨白湯的粒徑分布變小；而阿拉伯膠的添加，既沒有避免牛骨白湯液滴積聚，也沒有起到抑制大顆粒形成的作用。其中，當(dāng)丙二醇和單甘酯的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1.0%時(shí)，牛骨白湯的粒徑分布向左偏移，粒徑呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，并且丙二醇的效果優(yōu)于單甘酯。隨著Span80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，牛骨白湯的粒徑在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%時(shí)與空白組相比最小。因此，本研究選擇添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%丙二醇來(lái)降低牛骨白湯的粒徑分布。

圖2 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯粒徑的影響

3.3 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯表觀黏度的影響

黏度是液體流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的內(nèi)摩擦力，樣品的表觀黏度與其乳化穩(wěn)定性呈正相關(guān)[22]。不同乳化劑對(duì)牛骨白湯表觀黏度影響的結(jié)果見圖3。在低剪切速率下，隨著剪切速率的增加，牛骨白湯的表觀黏度急劇下降，最終趨于穩(wěn)定。與空白對(duì)照組相比，丙二醇添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.4%和1.0%時(shí)牛骨白湯的表觀黏度較高。單甘酯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%、0.6%、0.8%和1.0%時(shí)牛骨白湯表觀黏度高于空白對(duì)照組。與空白對(duì)照組相比，Span80的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、0.4%、0.8%和1.0%時(shí)牛骨白湯的表觀黏度較高。阿拉伯膠的添加使得乳液表觀黏度均低于原乳液。阿拉伯膠本身是含有多種陽(yáng)離子且具有高度分支結(jié)構(gòu)的球型高分子多糖，離子的存在影響了蛋白和水分子之間的相互作用，從而使牛骨素和牛油難以乳化完全，導(dǎo)致黏度降低[23]。綜上，添加適當(dāng)比例的丙二醇、單甘酯和Span80可以提高牛骨白湯的表觀黏度。

圖3 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯表觀黏度的影響

3.4 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯流變特性的影響

動(dòng)態(tài)流變性用來(lái)描述樣品的黏彈性，對(duì)產(chǎn)品的加工品質(zhì)判定提供參考[24]。G′是儲(chǔ)能模量(彈性模量)，表示材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力，為固體特性；G″是損耗模量(黏性模量)，表示物質(zhì)阻止流動(dòng)的能力，代表能量的散失，是不可逆的，為流體特性[25-26]。圖4為不同乳化劑對(duì)牛骨白湯流變特性的影響。丙二醇、Span80、阿拉伯膠添加后牛骨白湯的G′和G″均隨頻率的增加而增加，單甘酯的添加使牛骨白湯的G′和G″先增加后趨于穩(wěn)定。其中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%丙二醇、1.0%單甘酯及0.2%Span80均可使牛骨白湯體系的G′和G″達(dá)到最大值；添加阿拉伯膠后混合體系的G′變化不明顯，這與表觀黏度測(cè)定結(jié)果一致。綜上，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的丙二醇、1.0%的單甘酯及0.2%Span80制備牛骨白湯的G′和G″較高，效果較好。

圖4 不同乳化劑對(duì)牛骨白湯流變特性的影響

3.5 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.5.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及顯著性分析 根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[27]，在Design-Expert 8.0.6軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合二次多元回歸結(jié)果見表3。二次多項(xiàng)式回歸模擬方程為：

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 回歸模型的方差分析

3.5.2 響應(yīng)面試驗(yàn)圖形分析 丙二醇添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X1)、單甘酯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X2)和阿拉伯膠添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X3)3個(gè)因素之間交互作用對(duì)牛骨白湯的乳化度影響如圖5所示。響應(yīng)面結(jié)果顯示的斜率越陡，因子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)響應(yīng)值影響越大，變化越明顯，反之則表明該因素的改變對(duì)感官評(píng)分的影響越小[28]。阿拉伯膠添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)、單甘酯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的曲線比較陡峭，表明阿拉伯膠和單甘酯對(duì)乳化度的影響較為顯著。通過(guò)響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化得到不同乳化劑的最佳工藝為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%丙二醇、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%單甘酯和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%阿拉伯膠，此時(shí)牛骨白湯乳化度為0.92。使用上述條件進(jìn)行了3次驗(yàn)證試驗(yàn)，牛骨白湯的乳化度實(shí)測(cè)值為0.91，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為1.1%，表明本研究建立的原料配比回歸方程可靠，適用于提高牛骨白湯的穩(wěn)定性。

圖5 不同因素對(duì)牛骨白湯乳化作用的響應(yīng)面

4 結(jié)論與討論

提高產(chǎn)品穩(wěn)定性并改善產(chǎn)品品質(zhì)，是目前骨類高湯的發(fā)展趨勢(shì)之一。本研究以牛骨素、牛油為原料，添加不同種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化劑，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面優(yōu)化乳化劑的種類和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)。不同乳化劑的最佳工藝為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%丙二醇、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%單甘酯和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%阿拉伯膠，此時(shí)牛骨白湯乳化度為0.92，與空白組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

骨類高湯尤其是白湯的品質(zhì)穩(wěn)定性與其乳化度、粒徑和流變特性有著緊密聯(lián)系。在本研究中，使用了不同種類的乳化劑來(lái)提高乳液穩(wěn)定性。乳化劑分為人工合成乳化劑和天然乳化劑2大類。在食品乳液制作中，人工合成的乳化劑包括小分子表面活性劑等，天然乳化劑包括磷脂、蛋白質(zhì)和多糖等。丙二醇是小分子醇類，隨著丙二醇添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，牛骨白湯的乳化度顯著提高；當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時(shí)，牛骨白湯粒徑顯著減小，表觀黏度提高，這與賈果禧等[29]研究結(jié)果一致。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%丙二醇使全蛋液的乳化能力顯著提高，推測(cè)是由于丙二醇中的羥基通過(guò)氫鍵與蛋白質(zhì)進(jìn)行非共價(jià)結(jié)合，增強(qiáng)蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián)，且作為溶于水和緩沖液的有機(jī)試劑，可以提高蛋白質(zhì)在整個(gè)體系的溶解度，同時(shí)增加了體系的黏度[30-31]。單甘酯屬于多元醇系非離子型乳化劑，白湯的乳化度隨著單甘酯的添加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，推測(cè)是由于單甘酯在加熱后會(huì)降低乳液穩(wěn)定性[32]；當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)對(duì)乳液穩(wěn)定性的抑制作用較強(qiáng)，這與樓盛明等[33]研究結(jié)果不同。乳液表觀黏度增加，推測(cè)與其對(duì)蛋白質(zhì)肽鏈親水性的影響有關(guān)。骨素中蛋白質(zhì)含量較高，影響牛骨素的乳化效果。Span80是多元醇表面活性劑，即多元醇的部分脂肪酸酯。作為非離子表面活性劑，Span80乳化度隨著添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加無(wú)明顯變化，這與張志秋等[34]研究結(jié)果不同，推測(cè)是由于Span分子親水端存在環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在油水界面排列受空間位阻影響導(dǎo)致親水端基親水性變?nèi)酢ｋS著Span分子碳鏈長(zhǎng)度的增加，親油性增加，Span分子溶解于油中，作用效果減弱[34]。阿拉伯膠是含有多種陽(yáng)離子且具有高度分支結(jié)構(gòu)的球型高分子多糖，離子的存在影響了蛋白和水分子之間的相互作用，從而使牛骨素和牛油難以乳化完全，導(dǎo)致粒徑分布往右偏移、粒度增加、黏度降低且儲(chǔ)能模量無(wú)顯著變化，這與萬(wàn)劉靜等[35]的研究結(jié)果一致，阿拉伯膠的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.2%會(huì)導(dǎo)致乳液粒徑再次增大。通過(guò)研究乳化劑對(duì)牛骨白湯的乳化穩(wěn)定性的影響，確定了高穩(wěn)定性、品質(zhì)良好的牛骨白湯的制備工藝，為進(jìn)一步建立乳化穩(wěn)定體系、研究穩(wěn)定機(jī)理以及畜禽骨工業(yè)化的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。