熱誘導(dǎo)豬皮蛋白粉基乳液凝膠形成及性質(zhì)研究

夏夢思,張櫸,戴宏杰,2,3,陳海,2,3,張宇昊,2,3*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400715)3(發(fā)光分析和分子傳感教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400715)

我國是世界第一豬肉生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國,在生豬宰殺和豬肉加工過程中會產(chǎn)生大量的豬皮,目前絕大部分都用于制革工業(yè)中,在其他行業(yè)的應(yīng)用所占比重較小。此外,在制革業(yè)中,大量皮革邊角料都被丟棄,導(dǎo)致豬皮利用率較低,造成豬皮資源浪費(fèi)[1-2]。豬皮中蛋白質(zhì)含量高達(dá)33%,其中膠原蛋白含量最為豐富,約占總蛋白含量的88%[3],具有多種功能特性,如良好的凝膠性和乳化性[4],利用價(jià)值較高;且豬皮作為人們常見的一種食物,屬于天然的食品原料,具有作為食品級增稠劑和乳化劑的潛力[5]。

乳液凝膠兼具乳液結(jié)構(gòu)和凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),是乳化油滴填充在凝膠基質(zhì)中的一種軟固體材料[6-7]。乳液凝膠的制備過程基本可分為兩步:一是乳狀液的制備;二是誘導(dǎo)乳狀液的連續(xù)相形成凝膠。乳液凝膠的制備方式主要分為熱誘導(dǎo)、酸誘導(dǎo)、鹽誘導(dǎo)和酶誘導(dǎo)等,其中以熱誘導(dǎo)最為常見。加熱可以使蛋白質(zhì)分子充分展開發(fā)生變性,巰基和疏水基團(tuán)暴露,通過氫鍵和疏水作用等形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8-9]。在食品體系中,組成乳液凝膠的基質(zhì)主要分為3類,即蛋白質(zhì)、多糖以及蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物。乳化劑是乳液及乳液凝膠制備的關(guān)鍵成分。相對于人工合成的小分子表面活性劑,具有良好乳化性、凝膠性和營養(yǎng)價(jià)值的天然蛋白質(zhì)成為乳液及乳液凝膠領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10]。

目前,動(dòng)物蛋白中關(guān)于明膠、肌原纖維蛋白穩(wěn)定乳液凝膠研究較多。YUE等[11]研究發(fā)現(xiàn)在較高明膠濃度下,制備的乳液凝膠乳化活性和凝膠強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。SALA等[12]以明膠為乳液凝膠基質(zhì),發(fā)現(xiàn)隨著明膠濃度的增大,乳液凝膠的質(zhì)構(gòu)特性得到明顯改善。TAKTAK等[13]利用歐洲鰻魚皮明膠(European eel skin gelatin,ESG)制備乳液凝膠,結(jié)果表明隨著明膠濃度的增加,形成的乳液凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。但是,由于明膠、肌原纖維蛋白等的提取工藝步驟較為繁瑣[14],這對工業(yè)化生產(chǎn)造成了一定限制。因此,開發(fā)制備工藝簡單、新型的天然功能性成分對食品工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

本研究以豬皮為原料,通過簡易的超微粉碎法直接制備得到豬皮蛋白粉(pig skin protein powder,PSPP),以大豆油為油相,添加PSPP制備水包油型乳液,進(jìn)一步通過加熱、冷藏等處理后形成熱誘導(dǎo)豬皮蛋白粉基乳液凝膠,對其質(zhì)構(gòu)特性和持水力進(jìn)行測定,研究乳液凝膠的微觀結(jié)構(gòu),分析PSPP濃度及加熱處理對乳液穩(wěn)定性以及乳液凝膠特性的影響。本研究可為豬皮蛋白粉基乳液凝膠在食品領(lǐng)域的開發(fā)利用提供一定的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆油,重慶永輝超市,九三集團(tuán);功能性蛋白粉(來源于豬皮),自制。十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulphate,SDS),麥克林公司;尼羅紅,solarbio公司;尼羅藍(lán),damas-beta公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FA604B電子天平,上海精天電子儀器有限公司;SYFM-8Ⅱ微粉機(jī)器,濟(jì)南松岳機(jī)器有限責(zé)任公司;BX53熒光正置顯微鏡,日本OLYMPUS公司;LSM800激光共聚焦顯微鏡,卡爾蔡司;MCR302模塊化旋轉(zhuǎn)與界面流變儀,澳大利亞ANTON PAAR公司;HH-4數(shù)顯恒溫?cái)嚢杷″?上海新諾儀器設(shè)備有限公司;T18高速分散器,美國IKA公司;TA.TOUCH質(zhì)構(gòu)儀,上海保圣實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 豬皮蛋白粉的制備方法

以豬皮為原料,用水對豬皮進(jìn)行初步清洗,刮去豬皮油脂層;再用沸水將豬皮進(jìn)行4～10 min的預(yù)煮處理,撈出后進(jìn)一步刮去油脂層,再用40～50 ℃的溫水進(jìn)行漂洗,撈出放入常溫水中冷卻,瀝干;將豬皮放入絞肉機(jī)中進(jìn)行絞碎得到尺寸為(2～5) mm×(2～5) mm的豬皮塊;將豬皮塊按料液比為1∶2.5(g∶mL)加入脫脂液(0.6 g/L蔗糖脂肪酸酯溶液),利用超聲輔助脫脂(時(shí)間為20 min,超聲溫度為60 ℃,超聲功率為120 W);脫脂10 min時(shí)更換1次脫脂液;脫脂完成后用水清洗豬皮塊并瀝干水分;將豬皮塊放入55 ℃烘箱干燥12 h;最后將干燥豬皮塊進(jìn)行超微粉碎,得到的PSPP。

1.3.2 乳液凝膠的制備

分別將6 mL質(zhì)量濃度為5、10、15、20和30 g/L的PSPP與9 mL大豆油混合,總體積為15 mL,通過高速分散處理(15 000 r/min,90 s)制備得到乳液。將新鮮的乳液放置于80 ℃水浴鍋中加熱20 min以形成乳液凝膠[15],加熱完成后將其迅速冷卻,放置于4 ℃下儲存過夜,并在室溫下平衡后再進(jìn)行測試。

1.3.3 熱穩(wěn)定性測定

將制備好的乳液放置于90 ℃的油浴鍋中進(jìn)行加熱處理,20 min后取出冷卻至室溫,對樣品外觀進(jìn)行拍照記錄,采用正置熒光光學(xué)顯微鏡觀察乳液加熱處理后的微觀結(jié)構(gòu),同時(shí)測定加熱后乳液的流變學(xué)特性。穩(wěn)態(tài)剪切:實(shí)驗(yàn)在25 ℃條件下進(jìn)行,從0.1～100 s-1對乳液進(jìn)行剪切掃描,獲得樣品黏度隨剪切速率的變化曲線。

1.3.4 乳液凝膠的質(zhì)構(gòu)特性

參考ZHUANG等[16]的方法并做適當(dāng)修改。測試前將凝膠放置于室溫環(huán)境30 min,測試參數(shù)為:測前速度1.0 mm/s,測定速度0.5 mm/s,測后速度1.0 mm/s,觸發(fā)力5 g,形變30%,探頭為P/0.5,對乳液凝膠的彈性、黏聚性、硬度和咀嚼性進(jìn)行測定。

1.3.5 乳液凝膠持水力測定

參考GENG等[17]和ALAVI等[18]的方法并進(jìn)行一些修改,稱取3 g(m1)乳液凝膠于10 mL離心管中,在25 ℃,8 000 r/min條件下離心15 min,用注射器將離心出的水吸出,并稱取吸出水的質(zhì)量(m2),乳液凝膠的持水力(water holding capacity,WHC)由公式(1)計(jì)算得出:

(1)

1.3.6 乳液凝膠激光共聚焦顯微鏡觀察

將10 g/L尼羅藍(lán)和尼羅紅混合熒光染色劑按照1∶25(mL∶mL)的比例加入制備好的乳液當(dāng)中,振蕩均勻。將乳液放置于80 ℃水浴鍋中加熱20 min,趁熱制片,取加熱后的乳液放置于載玻片上,輕輕蓋上蓋玻片,避免產(chǎn)生氣泡。將其放置于4 ℃下儲存過夜,以形成可用于激光共聚焦顯微鏡觀察的乳液凝膠。

1.3.7 不同加熱處理對乳液凝膠質(zhì)構(gòu)的影響

以30 g/L的PSPP制備乳液,將制備好的乳液進(jìn)行不同程度的加熱處理,加熱溫度均為80 ℃。處理A為加熱20 min,然后立即在冰水浴中冷卻直至凝固,以此記為加熱1次;處理B為加熱2次;處理C為加熱3次。處理D為連續(xù)加熱40 min;處理E為連續(xù)加熱60 min。所有樣品加熱完成后均放置于4 ℃儲存,并對乳液凝膠的質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測定。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析

每次試驗(yàn)至少重復(fù)3次,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式進(jìn)行表示,用SPSS 18.0和Origin 2019對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、作圖,采用LSD法對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳液熱穩(wěn)定性分析

圖1為不同濃度PSPP乳液熱處理后的外觀圖和液滴微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過90 ℃,20 min的熱處理后,當(dāng)PSPP質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí),乳液樣品破乳較為嚴(yán)重,底部析水層最多,隨著PSPP濃度的增大,乳液結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,析出的水層體積顯著減小。當(dāng)PSPP質(zhì)量濃度為5～15 g/L時(shí),熱處理后乳液液滴尺寸顯著增大,而PSPP質(zhì)量濃度為20和30 g/L的乳液液滴尺寸變化較小。這可能是由于隨著PSPP濃度的增大,乳液黏度增大,乳液液滴間的懸浮速率降低,同時(shí)界面蛋白含量增多,導(dǎo)致形成的界面蛋白膜更加牢固,從而使乳液熱穩(wěn)定性增強(qiáng)[19]。

為了進(jìn)一步研究PSPP濃度對乳液加熱后的影響,對熱處理后PSPP質(zhì)量濃度10～30 g/L的乳液樣品進(jìn)行黏度測定,并以未進(jìn)行熱處理的乳液作為對照,結(jié)果如圖2所示。

a-加熱后乳液黏度曲線;b-乳液加熱處理前后黏度曲線的對比圖2 加熱后乳液黏度曲線及乳液加熱處理前后黏度曲線的對比Fig.2 The viscosity curves of the emulsion after heating and the comparison of the viscosity curves before and after heat treatment

根據(jù)結(jié)果表明,經(jīng)過20 min,90 ℃的熱處理后,所有乳液的黏度均升高,這可能是因?yàn)榧訜崞茐牧说鞍追肿娱g的作用力,分子間氫鍵斷裂,但在恢復(fù)室溫后,蛋白分子又重新形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使乳液形成乳液凝膠,從而導(dǎo)致乳液黏度升高。另外,隨著PSPP的濃度增大,乳液樣品的黏度逐漸升高,這與乳液熱處理后的外觀及微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果一致,表明乳液的穩(wěn)定性增強(qiáng),其原因可能是連續(xù)相中蛋白濃度增大,連續(xù)相黏度相應(yīng)增加,導(dǎo)致液滴間的相互作用增強(qiáng),形成了更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[20]。乳液熱穩(wěn)定性結(jié)果顯示,加熱后乳液黏度增大,并且在冷卻后形成乳液凝膠,這可能有利于產(chǎn)品在加工過程中抵抗熱處理帶來的破壞,因此,后文進(jìn)行加熱處理對乳液凝膠性質(zhì)影響的研究。

2.2 熱誘導(dǎo)乳液凝膠性質(zhì)研究

2.2.1 PSPP濃度對乳液凝膠的質(zhì)構(gòu)特性及持水力影響

由圖3可知,在PSPP質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí),加熱后乳液析出大量水分,出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象,不能形成完整的乳液凝膠,因此,后續(xù)關(guān)于乳液凝膠相關(guān)指標(biāo)的測定將該樣品舍去。

圖3 乳液加熱后形成乳液凝膠的外觀圖像Fig.3 The appearance image of the heat-induced emulsion gel

全質(zhì)構(gòu)分析(texture profile analysis,TPA)測試可以模擬舌頭和牙齒對凝膠的作用[18],因此該測試用于評估乳液凝膠在進(jìn)食過程中的差別。當(dāng)油滴填充在凝膠基質(zhì)中時(shí),乳液凝膠的質(zhì)地主要取決于凝膠基質(zhì),其蛋白質(zhì)含量會影響乳液凝膠的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能[21]。由圖4-a可知,隨著PSPP濃度的增大,乳液凝膠的硬度和黏聚性均顯著增大,這可能是由于隨著PSPP濃度的增大,凝膠基質(zhì)和液滴之間的相互作用增強(qiáng),從而使凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)[22]。在PSPP質(zhì)量濃度為15～30 g/L時(shí),隨著PSPP添加量增大,乳液凝膠的彈性和咀嚼性顯著升高,而在PSPP質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí),乳液凝膠的彈性顯著大于其他樣品,這可能與其形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的剛性更弱有關(guān)。持水力是乳液凝膠的主要屬性之一,離心時(shí),凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被壓縮,從而導(dǎo)致水層析出[23]。由圖4可知,所有乳液凝膠的持水力均高于80%,隨著PSPP濃度的增加,離心后乳液凝膠析出的水層體積明顯減小,持水力顯著增強(qiáng)。這可能是因?yàn)殡S著PSPP濃度的增加,乳液凝膠形成了更加緊湊且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而能夠保持更多水分。QAYUM等[24]的研究表明均勻豐富的微結(jié)構(gòu)可能有助于保持凝膠的水分。結(jié)合乳液的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果,隨著PSPP濃度的增大,乳液凝膠可以形成更加細(xì)微緊密、整齊均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致乳液凝膠的持水力增強(qiáng)。

a-質(zhì)構(gòu)特性;b-乳液凝膠離心后的外觀圖像;c-乳液凝膠的持水力圖4 乳液凝膠的質(zhì)構(gòu)特性、乳液凝膠離心后的外觀圖像及乳液凝膠的持水力Fig.4 Texture characteristics, appearance image of emulsion gel after centrifugation and water holding capacity of emulsion gel注:不同的小寫字母代表差異顯著(P<0.05),圖6同。

2.2.2 乳液凝膠的激光共聚焦顯微鏡結(jié)果分析

激光共聚焦顯微鏡(laser scanning confocal microscope,CLSM)可以觀察乳液的微觀結(jié)構(gòu),如乳液液滴大小、界面蛋白框架以及乳滴聚集現(xiàn)象等[25]。采用尼羅藍(lán)和尼羅紅染液對蛋白質(zhì)和油進(jìn)行特異性染色,乳液凝膠的CLSM結(jié)果如圖5所示,綠色球形區(qū)域代表油相,紅色區(qū)域?yàn)樗嘀械腜SPP。蛋白相圍繞在油滴周圍,呈現(xiàn)出水包油乳液的典型形態(tài)。由圖5可知,隨著PSPP濃度的增大,液滴直徑顯著減小,這可能是由于隨著PSPP濃度的增加,油水界面的蛋白覆蓋率增大,從而導(dǎo)致液滴尺寸減小,凝膠結(jié)構(gòu)排列更整齊均勻,形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定。同時(shí),隨著PSPP濃度的增加,連續(xù)相中蛋白含量增多,體系中出現(xiàn)了少量蛋白顆粒聚集的現(xiàn)象。

圖5 乳液凝膠的激光共聚焦圖像Fig.5 Laser confocal image of emulsion gel

2.2.3 長時(shí)間和反復(fù)加熱對乳液凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

在肉制品加工過程可能會出現(xiàn)反復(fù)加熱的情況,因此對乳液進(jìn)行長時(shí)間和反復(fù)加熱處理,以探索加熱處理對乳液凝膠性能的影響。由前述PSPP濃度對乳液凝膠特性的影響結(jié)果可知,當(dāng)PSPP質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),乳液凝膠的性能最好,因此選擇PSPP質(zhì)量濃度為30 g/L的樣品進(jìn)行加熱處理研究。結(jié)果表明,當(dāng)PSPP質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),長時(shí)間(60 min)和反復(fù)3次加熱均不會使乳液破乳,并且在冷卻后可以形成乳液凝膠,這表明在PSPP質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),高溫不會破壞乳液的外觀結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步研究加熱處理對乳液凝膠結(jié)構(gòu)的影響,對不同加熱處理的乳液凝膠進(jìn)行TPA測定,結(jié)果如圖6所示。加熱處理對乳液凝膠的黏聚性影響較小,但隨著反復(fù)加熱次數(shù)和加熱時(shí)間的增加,乳液凝膠的硬度、咀嚼性以及彈性均發(fā)生了較小程度的降低,這表明反復(fù)加熱和加熱時(shí)間延長會對乳液凝膠性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。但是,由于PSPP具有良好的熱性能,加熱處理對乳液凝膠結(jié)構(gòu)的破壞程度較小,因此,PSPP能夠適用于肉制品加工中反復(fù)加熱的過程。

a-硬度;b-彈性;c-黏聚性;d-咀嚼性圖6 經(jīng)過不同加熱處理形成的乳液凝膠的TPAFig.6 TPA of emulsion gel formed by different heating treatments

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)PSPP可以有效改善乳液凝膠的性能。經(jīng)過20 min,90 ℃的熱處理后,在PSPP質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí),乳液底部析出大量水分,但隨著PSPP濃度的增大,乳液結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,析出的水層體積減少,質(zhì)量濃度為20～30 g/L PSPP穩(wěn)定的乳液具有更好的熱穩(wěn)定性。流變結(jié)果顯示,隨著PSPP濃度的增加,加熱后乳液樣品黏度增大。此外,隨著PSPP濃度的增大,凝膠基質(zhì)和液滴之間的相互作用增強(qiáng),乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密,導(dǎo)致乳液凝膠的硬度和黏聚性顯著增加,持水力顯著增強(qiáng)。并且,在PSPP質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),乳液凝膠能夠抵抗長時(shí)間和反復(fù)加熱處理。本研究為PSPP乳液凝膠在食品領(lǐng)域中的開發(fā)利用提供了新思路,有利于提高豬皮資源的利用價(jià)值。