楊 晨 ,韓雅倩,鄭凱文,胡海玥,楊雨曈,汪建明
(1. 天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300457;2. 優(yōu)滋福(天津)食品科技有限公司,天津 300457)
固體脂肪在改善食品質(zhì)地和風(fēng)味、提供理想的性狀和提供飽腹感等方面發(fā)揮著重要作用,是食品加工中不可或缺的成分[1]。然而,目前商業(yè)固體脂肪中含有大量飽和脂肪酸和反式脂肪酸,過量攝入極易引發(fā)肥胖、糖尿病、心血管疾病等慢性病,嚴(yán)重影響人體健康。
胡麻油作為一種營養(yǎng)價(jià)值高的食用植物油,含有多種不飽和脂肪酸,尤其富含人體必需多不飽和脂肪酸α-亞麻酸,具有預(yù)防心血管疾病、高血壓、高血脂以及抗衰老等重要功效[2]。胡麻油凝膠化可以拓寬其在食品中的應(yīng)用,提高食品的營養(yǎng)價(jià)值,為人體補(bǔ)充α-亞麻酸。加熱溫度的升高會(huì)降低胡麻油的不飽和脂肪酸含量[3]。因此,需要尋找一種可以保留胡麻油亞麻酸含量的油脂凝膠化方法。油脂凝膠化是一種利用凝膠劑將液體油轉(zhuǎn)化為類固體凝膠材料但不改變油的化學(xué)特性的有效方法[4]。與傳統(tǒng)固體脂肪相比,油凝膠的飽和度或反式脂肪酸含量較低,有益于人類飲食健康[5]。早期研究主要針對(duì)各種低分子凝膠劑,例如甘油單酯[6]、植物甾醇[7]、蠟[8]、神經(jīng)酰胺[9]和卵磷脂[10]。小分子凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成需要高溫和剪切,且所需濃度較高,可能會(huì)限制其商業(yè)化應(yīng)用。近年來,采用高分子物質(zhì)制備的油凝膠受到普遍關(guān)注,其中乳液模板法被認(rèn)為是一種很有前途的制備油凝膠的方法[11-12]。蛋白質(zhì)具有較高的營養(yǎng)價(jià)值和消費(fèi)者接受度,采用乳液模板法制備的蛋白質(zhì)基油凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。Yu 等[13]研究了原花青素和多糖對(duì)蛋白質(zhì)油凝膠形成的影響,發(fā)現(xiàn)多糖能有效吸附在單層乳液表面,提高了油凝膠的穩(wěn)定性,增強(qiáng)了氧化穩(wěn)定性。如何制備具有良好穩(wěn)定性的理想油凝膠仍值得探索。
大豆分離蛋白(soybean protein isolate,SPI)具備優(yōu)越的功能特性,具有兩親基團(tuán),是食品體系中重要的加工配料,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分散在油水界面時(shí),界面張力降低形成乳液[14]。Zou 等[15]使用SPI 和單月桂酸甘油酯(GML)用乳液模板法制備了油凝膠;與直接分散法相比,采用乳液模板法制備的油凝膠的物理穩(wěn)定性強(qiáng),形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有較高的觸變回收率和防失油能力;但蛋白質(zhì)微粒單獨(dú)穩(wěn)定的乳液容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。黃原膠(xanthan gum,XG)是一種陰離子多糖,其水溶液具有顯著的增稠性和弱凝膠結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可以明顯提高乳液的物理穩(wěn)定性[16]。
因此,本研究以胡麻油為油相,大豆分離蛋白為結(jié)構(gòu)劑,黃原膠為乳液穩(wěn)定劑,采用乳液模板法制備胡麻油基油凝膠,通過液滴粒徑分布、Zeta 電位、流變學(xué)分析、乳化性質(zhì)、油損失率和傅里葉變換紅外光譜等方法對(duì)乳液和油凝膠進(jìn)行評(píng)價(jià),分析大豆分離蛋白與黃原膠添加比例對(duì)胡麻油乳液及凝膠物理性質(zhì)的影響,旨在為蛋白質(zhì)油凝膠替代傳統(tǒng)的塑性脂肪以及促進(jìn)固體脂肪的綠色加工提供參考。
大豆分離蛋白,蛋白質(zhì)含量為(87.72±0.62)%,山東天博食品配料有限公司;黃原膠,食品級(jí),阿拉丁試劑(上海)有限公司;胡麻油,寧夏索米亞生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司。
AB204-N 型電子分析天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;HJ-6A 型數(shù)顯恒溫多頭磁力攪拌器,上海易友儀器有限公司;DK-8D 型三溫三控水槽,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;FD-1A-50 型真空冷凍干燥機(jī),博醫(yī)康(北京)儀器有限公司;D-500 型高剪切均質(zhì)乳化機(jī),德國Wiggens 公司;Zetasizer Advance 型納米粒度及Zeta 電位分析儀,英國馬爾文帕納科公司;U120 Pro 型紫外-可見分光光度計(jì),翱藝儀器(上海)有限公司;NICOLET IS50 型傅里葉變換紅外光譜儀,德國Thermo Scientific 公司;Bettersize 2600 型激光粒度分析儀,丹東百特儀器有限公司;MARS 60 型動(dòng)態(tài)流變儀,德國哈克公司。
參照劉洋[17]的方法并稍作修改,稱取一定質(zhì)量的大豆分離蛋白溶于去離子水中,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%SPI 溶液,磁力攪拌過夜,得到SPI 溶液。稱取一定質(zhì)量的黃原膠粉末溶解在去離子水中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%),磁力攪拌過夜,得到XG 溶液。將SPI 溶液和XG 溶液按體積比1∶1、2∶1、3∶1、5∶1、10∶1、1∶0 的比例混合,磁力攪拌1 h,隨后將SPI-XG 復(fù)合溶液95 ℃加熱30 min,然后在冷水浴中迅速冷卻。向SPI-XG 復(fù)合溶液中加入胡麻油(根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選定油相為40%),19 000 r/min 剪切2 min 制備乳液模板。將乳液模板-40 ℃預(yù)凍24 h,冷凍干燥。取出干燥產(chǎn)品,使用攪拌器剪切,得到油凝膠。
采用激光粒度分析儀測定乳液的粒徑。參數(shù)設(shè)置:顆粒吸收率0.001,顆粒折射率1.450,分散劑為水,折射率1.333。結(jié)果取3 次測定的平均值。乳液Zeta 電位用納米粒度及Zeta 電位分析儀測定。
參照Hou 等[18]的方法并稍作修改。從新鮮乳液的底部取 200 μL,用 1 mg/mL 十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液稀釋400 倍,在500 nm 處測定吸光度A0,以SDS 溶液為空白對(duì)照。靜置30 min 后,根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行操作,再次測定吸光度At。乳化活性和乳化穩(wěn)定性分別按照式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算。
乳化活性用乳化活性指數(shù)(EA)表示,為
式中:EA為乳化活性指數(shù),表示1 g 蛋白質(zhì)的乳化區(qū)域,m2/g;N為稀釋倍數(shù);θ為油相所占比例;ρ為蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度,g/mL;L為比色皿中光路長度,1 cm。
乳化穩(wěn)定性用乳化穩(wěn)定指數(shù)(ES)表示,為
式中:A0為0 min 時(shí)的吸光度;At為30 min 時(shí)的吸光度;Δt為時(shí)間差,30 min。
乳液流變學(xué)特征通過動(dòng)態(tài)流變儀進(jìn)行測定。參考Wang 等[19]的方法并進(jìn)行適當(dāng)修改。取一定體積的新鮮乳液置于平行板上,去除多余的樣品,在25 ℃條件下測定并記錄數(shù)據(jù)。
剪切黏度:平板與底盤間隙為1 mm,剪切速率為0.1~100 s-1,記錄表觀黏度隨剪切速率的變化。
小幅動(dòng)態(tài)振蕩測量:通過振蕩幅度掃描,對(duì)乳液進(jìn)行初步應(yīng)變掃描,確定乳液的線性黏彈性區(qū),再進(jìn)行頻率掃描,頻率為0.1~10 Hz。記錄儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)。
采用離心法測定油凝膠樣品的油損失率[1]。稱取適量的油凝膠樣品(m1),以轉(zhuǎn)速10 000 r/min 離心20 min。記錄除去游離油后的樣品質(zhì)量(m2)。根據(jù)式(3)計(jì)算油損失率(R)。
參照Wang 等[19]的方法并稍作修改。采用應(yīng)變掃描(應(yīng)變范圍0.01%~100%,頻率1 Hz)和頻率掃描(頻率范圍0.1~10 Hz,應(yīng)變0.01%)研究油凝膠的黏彈性性能。表觀黏度在剪切速率0.1~100 s-1范圍內(nèi)進(jìn)行測定。
1 mg SPI 或XG 粉末樣品與150 mg 充分烘干后的溴化鉀混合研磨,用壓片機(jī)將研磨好的混合粉末壓成透明的薄片,在 400~4 000 cm-1的范圍內(nèi),以4 cm-1的分辨率掃描16 次,以空氣為采集背景,測試環(huán)境溫度為25 ℃。
用衰減全反射(attenuated total reflection,ATR)法采集純油和油凝膠樣品的紅外光譜。在 400~4 000 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行32 次掃描。
所有實(shí)驗(yàn)均基于3 次獨(dú)立樣品測定,數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。所得數(shù)據(jù)用SPSS 20 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,不同字母表示組間差異顯著(P<0.05)。
乳液液滴的大小會(huì)影響乳液的穩(wěn)定性,通常乳液的粒徑越小穩(wěn)定性越好[20]。不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板粒徑分布的影響如圖1 所示。
圖1 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板粒徑分布的影響Fig. 1 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on particle size distribution of emulsion
不同比例的SPI-XG 復(fù)合物制備的乳液具有不同的液滴大小。隨著黃原膠的不斷添加,乳液越來越穩(wěn)定,小油滴不易聚集,平均粒徑較小,且當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠的體積比為1∶1、2∶1、3∶1、5∶1時(shí)呈單峰分布。在大豆分離蛋白與黃原膠的體積比為2∶1 時(shí),乳液的粒徑達(dá)到最小,為(2.99±0.29)μm。這是因?yàn)殡S著黃原膠添加比例的增大,乳液黏度持續(xù)增加從而形成了較大的界面厚度,在液滴周圍形成保護(hù)層,延緩了脂肪球的碰撞,粒徑逐漸減小[21]。此時(shí),復(fù)合溶液呈中性,蛋白質(zhì)分子帶凈負(fù)電荷,但由于蛋白質(zhì)分子上的某些基團(tuán)帶有正電荷,加熱處理后蛋白質(zhì)分子展開,正電荷基團(tuán)可能暴露在外面[22]。當(dāng)加入黃原膠這一陰離子多糖時(shí),蛋白質(zhì)分子的正電荷區(qū)域會(huì)和黃原膠分子的陰離子基團(tuán)發(fā)生靜電相互作用[22],因此使得液滴吸附層的負(fù)電荷增加,乳滴之間的靜電排斥力增強(qiáng),乳液穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)。
乳液Zeta 電位的絕對(duì)值越大,乳化體系越穩(wěn)定[23]。不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板Zeta 電位的影響如圖2 所示。所有乳液的Zeta 電位均為負(fù)值,這是因?yàn)榇蠖狗蛛x蛋白的等電點(diǎn)為4.5,乳液的pH 高于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn),乳液電位呈負(fù)值[24]。隨著黃原膠添加比例的不斷增加,SPI-XG 復(fù)合乳液Zeta 電位絕對(duì)值呈現(xiàn)增大趨勢。當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠的體積比為2∶1 時(shí),Zeta 電位絕對(duì)值增加至(50.82±1.80)mV,表明乳液體系穩(wěn)定性增加。這可能是因?yàn)辄S原膠是一種陰離子多糖,當(dāng)黃原膠添加比例逐漸增大時(shí),體系內(nèi)分布大量的負(fù)電基團(tuán),這導(dǎo)致乳液中的靜電斥力增大,顯著減緩顆粒之間的碰撞,增強(qiáng)了乳液的穩(wěn)定性[25]。
圖2 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板Zeta電位的影響Fig. 2 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on Zeta potential of emulsion
蛋白質(zhì)顆粒具有兩親性質(zhì),其覆蓋包裹在油滴表面形成乳狀液,降低了油滴的界面張力,阻止油滴之間的聚集。乳化性能包括乳化活性和乳化穩(wěn)定性,乳化活性指的是蛋白質(zhì)形成油-水界面的能力,乳化穩(wěn)定性是指乳化液形成小液滴的抗應(yīng)變能力[26]。不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板乳化活性和乳化穩(wěn)定性的影響分別如圖3和圖4 所示。
圖3 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板乳化活性的影響Fig. 3 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on emulsification activity of emulsion
圖4 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板乳化穩(wěn)定性的影響Fig. 4 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on emulsification stability of emulsion
由圖3 可知,黃原膠的添加能夠顯著改善大豆分離蛋白的乳化活性。蛋白質(zhì)經(jīng)多糖大分子修飾后,表面疏水性增加,同時(shí)黃原膠能顯著增加溶液體系的黏度,從而穩(wěn)定乳液,與未添加黃原膠的乳液相比,乳化活性得到顯著提高(P<0.05)。SPI-XG 復(fù)合物的乳化穩(wěn)定性(圖4)也得到了一定的改善,當(dāng)SPI 與XG的體積比為2∶1 時(shí),乳化穩(wěn)定性比對(duì)照組增加了1.5倍,這與粒徑及Zeta 電位的結(jié)果一致,表明黃原膠能明顯改善大豆分離蛋白的乳化性能。
不同大豆分離蛋白與黃原膠體積比對(duì)胡麻油乳液模板表觀黏度的影響如圖5 所示。從圖5 可以看出,乳液的表觀黏度隨著黃原膠添加比例的增加而增大,且所有樣品都表現(xiàn)出剪切變稀的情況,黏度隨著剪切速率的增加而降低。這些結(jié)果可能是由于乳液中油滴的網(wǎng)絡(luò)被破壞,油滴重新排列成一定的方向,導(dǎo)致流動(dòng)阻力減小[28]。
圖5 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板表觀黏度的影響Fig. 5 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on viscosity of emulsion
不同大豆分離蛋白與黃原膠體積比對(duì)胡麻油乳液模板儲(chǔ)能模量和損耗模量的影響如圖6 所示,其中實(shí)心表示G′值,空心表示G″值。隨著黃原膠添加比例的增加,其儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)顯著增加(P<0.05),說明較高添加比例的黃原膠增強(qiáng)了乳液的凝膠強(qiáng)度。在所有頻率范圍內(nèi),G′值均高于G″值,這表明所有樣品都表現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)。因此,較高添加比例的黃原膠比較低添加比例的黃原膠的乳液形成了更好的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在一些涉及聚合物的乳液中也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象[29]。
圖6 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)胡麻油乳液模板儲(chǔ)能模量和損耗模量的影響Fig. 6 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on storage modulus and loss modulus of emulsion
圖7 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)油凝膠油損失率的影響Fig. 7 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on oil loss rate of oleogels
用離心法測定了油凝膠樣品的油損失率,用以評(píng)估油凝膠的油結(jié)合能力,油損失率與油結(jié)合能力成反比[30]。隨著黃原膠添加比例的增加,油損失率顯著降低(P<0.05),當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠的體積比為1 ∶1 時(shí),油損失率較未添加黃原膠組減少了26.87%。這主要是因?yàn)橛偷蔚膹椥越缑鎸邮怯纱蠖狗蛛x蛋白顆粒和少量黃原膠形成的,黃原膠在連續(xù)相中形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抑制了油滴的聚集。因此,黃原膠添加比例越大,油凝膠的物理結(jié)構(gòu)越強(qiáng),越有利于油獲得更好的結(jié)合能力[31]。這與乳液粒徑及乳化性能結(jié)果一致,乳液模板的粒徑越小,乳液穩(wěn)定性越高,通過冷凍干燥、剪切后得到的油凝膠樣品的油結(jié)合能力越強(qiáng)。
不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)油凝膠表觀黏度的影響如圖8 所示。從圖8 的表觀黏度曲線可以看出,所有的油凝膠樣品都表現(xiàn)出明顯的剪切變稀行為,并且隨著黃原膠添加比例的增加,油凝膠的表觀黏度增大,這種現(xiàn)象可能是由于顆粒在剪切作用下向一定方向重新排列,流動(dòng)阻力減小所致,表明油凝膠在外力作用下沒有發(fā)生凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變,油滴被結(jié)構(gòu)良好的界面所覆蓋[29]。
圖8 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)油凝膠表觀黏度的影響Fig. 8 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on viscosity of oleogels
不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)油凝膠儲(chǔ)能模量和損耗模量的影響如圖9 所示。所有油凝膠樣品在線性黏彈性范圍內(nèi)均表現(xiàn)為類似固體的性質(zhì)(G′>G″)。隨著黃原膠添加比例增加,油凝膠的凝膠強(qiáng)度顯著增加。當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠體積比為2∶1、3∶1 時(shí),G′>11 000 Pa;當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠體積比為1∶1 時(shí),G′達(dá)到16 000 Pa,明顯高于未添加黃原膠組(1 900 Pa)(P<0.05)。在0.1~10 Hz 范圍內(nèi),所有的G′值都大于對(duì)應(yīng)的G″值,G′和G″值表現(xiàn)出較低的頻率依賴性。沒有一條曲線顯示G′=G″的交叉點(diǎn),這表明即使在更高的頻率下,油凝膠也沒有從凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z。黃原膠添加比例越高,油凝膠的G′值越高,凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)。這可能是由于黃原膠在乳液中形成了牢固的凝膠網(wǎng)絡(luò),并在冷凍干燥和剪切后的油凝膠中保持良好,且黃原膠添加比例越高,形成的網(wǎng)絡(luò)越硬,油凝膠的凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)[29]。
圖9 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)油凝膠儲(chǔ)能模量和損耗模量的影響Fig. 9 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on storage modulus and loss modulus of oleogels
傅里葉變換紅外光譜用于確定油與聚合物之間相互作用的分子信息。大豆分離蛋白、黃原膠、油和油凝膠的傅里葉變換紅外光譜如圖10 所示。大豆分離蛋白和油凝膠的光譜在3 200~3 450 cm-1處有寬峰,而游離油的光譜沒有寬峰。寬峰對(duì)應(yīng)的—OH 拉伸振動(dòng)歸因于大豆分離蛋白分子內(nèi)或分子間氫鍵[19]。因此,聚合物鏈內(nèi)的氫鍵是聚合物油凝膠形成的重要驅(qū)動(dòng)力。3 010 cm-1峰值帶是油不飽和的標(biāo)志[32]。油凝膠在3 010 cm-1處的峰值強(qiáng)度始終低于液體油的峰值強(qiáng)度,這表明當(dāng)油滴被困在聚合物網(wǎng)絡(luò)中時(shí),雙鍵(=C—H 和C=O)受到限制[33]。油凝膠和油的光譜顯示了大多數(shù)食用油中所含甘油三酯的典型帶[34]。
圖10 不同大豆分離蛋白(SPI)與黃原膠(XG)體積比對(duì)油凝膠傅里葉變換紅外光譜的影響Fig. 10 Effect of different soy protein isolates and xanthan gum ratio on Fourier infrared spectroscopy of oleogels
本研究以大豆分離蛋白和黃原膠為原料,采用乳液模板法制備胡麻油基油凝膠。隨著黃原膠比例的增加,乳液液滴粒徑不斷減小,當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠體積比為2∶1 時(shí),乳液平均粒徑達(dá)到最小,為(2.99±0.29)μm,Zeta 電位絕對(duì)值增加至(50.82±1.80)mV,乳化穩(wěn)定性比對(duì)照組增加了1.5 倍,乳液呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。油損失率、流變學(xué)分析和紅外光譜分析結(jié)果表明,當(dāng)大豆分離蛋白與黃原膠體積比為1∶1 時(shí),油凝膠的穩(wěn)定性增加,油損失率較未添加黃原膠的油凝膠減少了26.87%,凝膠強(qiáng)度G′可達(dá)16 000 Pa,明顯大于未添加黃原膠的油凝膠(1 900 Pa),表現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)。將乳液進(jìn)行簡單冷凍干燥,再將干燥產(chǎn)物進(jìn)一步剪切而成的油凝膠具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu),凝膠強(qiáng)度高,油結(jié)合能力好。通過傅里葉變換紅外光譜分析可知,蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間氫鍵是聚合物油凝膠形成的重要作用力。胡麻油基油凝膠的營養(yǎng)價(jià)值、消化特性及其在食品(如餅干、肉制品、巧克力、冰淇淋)中的具體應(yīng)用值得進(jìn)一步研究。本研究為可食用聚合物開發(fā)胡麻油基油凝膠作為食品工業(yè)固體脂肪替代品提供理論支持。