羅勒籽膠的功能特性及其在食品中的應用研究進展

張佳美,彭秀文,邢珂,劉樹萍*,石長波,劉曉飛

1(哈爾濱商業(yè)大學 旅游烹飪學院,黑龍江 哈爾濱,150028)

2(哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院,黑龍江 哈爾濱,150028)

羅勒(Ocimumbasilicum)是唇形科草本植物,具有抑菌、防腐、抗氧化等功效,被廣泛用于食品、保健、醫(yī)藥、化妝品等領域[1]。羅勒葉具有獨特的香氣,通?？梢宰鳛橄懔鲜褂?羅勒的葉子或者花朵中提取的精油還可以作為食品和藥品的添加劑[2];羅勒籽是羅勒的種子,呈黑色橢圓形,有學者研究分析顯示羅勒籽含有8.90%的水分、9.40%的蛋白質、33.01%的脂肪、43.50%的碳水化合物和36.30%的總纖維,并且存在ω-脂肪酸,如α-亞麻酸(71.10%)、棕櫚酸(13.72%)等,同時植物化學分析也表明,羅勒籽中存在18.24 mg GAE/g酚類化合物、0.525 mg QE/g黃酮類化合物、15.64 mg/g生物堿等,具有抗氧化活性[3],不同的羅勒品種之間可能會存在一些差異。

羅勒籽膠(basil seed gel,BSG)是羅勒籽的主要衍生產物,是羅勒籽在吸水膨脹后形成的一種半透明狀的凝膠物質[6],主要由葡甘聚糖和木聚糖組成[7]。植物來源的天然產物被廣泛應用為生物活性化合物[8],由于羅勒籽在水中浸泡后能產生大量的膠狀物質并且生產成本低,或許可以成為天然水膠體的新來源[9]。羅勒籽膠具有多種特殊的功能性質,因此深受學者們的關注,在食品工業(yè)中也具有廣泛的應用[10]。針對近年來的研究,本文就羅勒籽膠的提取與純化干燥方法、羅勒籽膠主要的功能特性及其在食品領域中的應用進行歸納總結,為后續(xù)研究提供參考依據(jù)。

1 羅勒籽膠的制備

1.1 提取羅勒籽膠

常規(guī)的提取方法是目前提取羅勒籽膠在食品領域中應用最廣的方法。如圖1所示,首先用乙醇多次清洗羅勒籽以去除種子表面灰塵及雜質,然后將其浸泡在蒸餾水中并在加熱過程中充分攪拌,當羅勒籽充分吸水膨脹后,即可從膨脹的種子表面中分離出粗凝膠,經過過濾即可得濕基羅勒籽膠,最后可通過干燥技術將濕基凝膠變?yōu)楦赡z,并將干膠研磨、過篩、包裝并保持在涼爽干燥的條件下便于貯存[11]。

圖1 提取羅勒籽膠的流程圖[12]

為了提高羅勒籽膠的得率,研究者們對提取工藝進行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)通過改變水/籽比、提取溫度、pH和改變提取方式等方法可以有效提高羅勒籽膠的得率。通常在較高溫度下提取可降低凝膠黏度,使水溶性多糖從細胞壁更快更容易地傳質到提取物中,使得率更高[13]。NAZIR等[14]采用響應面法對常規(guī)方法提取羅勒籽膠的工藝進行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)溫度和水/籽比對得率有顯著的影響,而提取時間對得率影響較小,確定了提取凝膠的最佳條件,溫度為56.7 ℃、水/籽比為66.84∶1(g∶mL);KEISANDOKHT等[15]采取了微波輔助提取的方法,并與常規(guī)的加熱攪拌提取方法進行比較,發(fā)現(xiàn)微波輔助提取的羅勒籽膠平均得率更高,官能團強度也更高,此外,在2種提取方法中,低pH提取的羅勒籽膠的平均得率均高于高pH提取的凝膠,而且低pH提取物具有更高的表觀黏度;還有研究者發(fā)現(xiàn)常規(guī)方法提取的羅勒籽膠比超聲提取的羅勒籽膠更渾濁、更暗,可能是由于常規(guī)方法提取過程中需要用攪拌機對羅勒籽進行攪拌,導致了種子破裂因而凝膠渾濁,對比之下,超聲提取的羅勒籽膠中不含多余的種子顆?；螂s質,不過超聲處理條件對BSG的顏色參數(shù)有顯著影響,延長超聲時間和功率會降低羅勒籽膠的亮度[16]。

1.2 純化干燥羅勒籽膠

羅勒籽膠的純化方式目前應用最廣的是乙醇沉淀法,通過3倍體積的乙醇過夜沉淀,純化后可顯著提高凝膠的稠度系數(shù),純化過程降低了膠的化學結構中存在的主要雜質的含量,如微量元素、單寧、天然色素和蛋白質等,同時也可提高凝膠的溶解度,并且與未經過乙醇沉淀的羅勒籽膠相比,經過乙醇的沉淀純化還可改善羅勒籽膠的流變學和功能特性[17]。

羅勒籽膠在濕基狀態(tài)下不方便貯存與應用,因此需要通過干燥技術使其在干膠狀態(tài)下保存,其主要應用的干燥方法是熱風干燥[18]和冷凍干燥[19],還有真空干燥[20]和紅外干燥[21]。凝膠的得率和理化性質可能取決于干燥條件和方法[21],但是目前并沒有學者在提取羅勒籽膠時對幾種干燥方法進行系統(tǒng)地比較,還需要進行深入的研究來更精準地確定干燥方式是否對羅勒籽膠的得率及理化性質有影響。

2 羅勒籽膠的主要功能特性

2.1 凝膠性

BSG具有較弱的網絡結構[22],可以通過一些手段來提高其凝膠強度,如添加化學交聯(lián)劑、二價鹽離子以及調節(jié)酸性pH等。流變試驗通常能表征凝膠的物理性質,動態(tài)剪切儲存模量可以作為凝膠網絡連通性的指標[23]。RAFE等[24]在BSG中添加了三偏磷酸鈉,通過動態(tài)流變的頻率掃描模式發(fā)現(xiàn)G′在整個頻率范圍都超過G″表現(xiàn)出典型的凝膠樣行為,并且三偏磷酸鈉能使BSG形成更強的凝膠,改善凝膠的彈性。二價鹽離子可以在BSG分子之間形成鍵并增加凝膠的彈性,pH對其形成凝膠的能力也有一定的影響[25]。MOUSAVI等[26]評估了羅勒籽膠/瓜爾膠二元復合凝膠在不同Ca2+水平下的結構-流變關系,當Ca2+含量為2%時,凝膠結構強度達到最高值,并且與pH 7.5相比,BSG在pH 4.5時可以更快地形成凝膠。因此,可以通過化學交聯(lián)劑、二價鹽離子以及調節(jié)酸性pH等方式改善BSG的凝膠性質,加快BSG凝膠的形成時間。

2.2 乳化穩(wěn)定性

BSG含有的少量蛋白質可以乳化并穩(wěn)定油水乳狀液,而且具有比黃原膠、魔芋膠和瓜爾豆膠更高的零剪切黏度和屈服應力、高假塑性和耐熱性,可使其成為一些食品配方中的良好穩(wěn)定劑[27-28]。OSANO等[29]研究發(fā)現(xiàn)BSG乳液在至少一個月內保持穩(wěn)定,不發(fā)生相分離,與其他多糖相比,BSG表現(xiàn)出優(yōu)異的乳化和穩(wěn)定性能,不含蛋白質也仍然能產生穩(wěn)定的乳液,這說明凝膠的乳化和穩(wěn)定機制可能不僅歸因于表面活性蛋白部分,還可能歸因于多糖本身的疏水性[29];HOSSEINI-PARVAR等[30]研究了BSG的乳化穩(wěn)定性與pH、離子強度和熱處理的關系,研究發(fā)現(xiàn)BSG乳液的液滴大小與pH值和離子強度的變化關系密切,在極端pH和離子強度下熱處理會導致BSG的乳化能力降低,另外,如圖2所示,堿性條件下的乳液具有較小的初始液滴尺寸,酸性條件下或加入鹽離子會改變乳液的粒徑分布?？偟膩砜?BSG是一種很有前景的凝膠,可以認為是一種新型的水膠體乳化劑。

A-pH (1～12);B-離子強度(0.01～0.24 mol/L NaCl);C-熱處理(80℃,30 min)

2.3 界面張力

BSG在油水界面的吸附作用可以通過界面張力測定,界面張力越小,乳液的穩(wěn)定性越小,這一般與其含有的蛋白質有關[31]。MIRABOLHASSANI等[7]發(fā)現(xiàn)去除凝膠中的蛋白質后,BSG降低界面張力的能力略有降低,可能是因為蛋白質在降低油水界面張力方面起關鍵作用,當然也不能排除多糖的本身在純化過程改變了疏水性或構象結構,因而改變了吸附特性,另外,隨著膠濃度的增加,降低界面張力的能力也越強。除此以外,也可以通過改性的方式降低BSG的界面張力。GAHRUIE等[32]通過辛烯基丁二酸酐改性羅勒籽膠的界面性質,未改性BSG的表面活性是由于存在與多糖結構相關的蛋白質,隨著修飾程度的增加,BSG的界面張力降低程度越大,可能是因為BSG中存在大量的烷基鏈?？偨Y來看,主要是蛋白質對界面張力影響較大,其次是凝膠本身的構象結構,也可以通過改性的方式降低BSG的界面張力[13]。

2.4 起泡性

起泡性在一定程度上與空氣和水界面之間的界面張力相關,可以通過添加不同的鹽或調整濃度提高BSG的起泡性[33]。FARAHMANDFAR等[34]研究了不同鹽類對羅勒籽膠的影響,CaCl2和KCl的存在能增加BSG的發(fā)泡能力,鹽的濃度對起泡性沒有顯著影響,但是NaCl的加入會降低BSG的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性,這可能是因為NaCl對BSG的蛋白部分有一定影響,降低了界面活性;NAJI-TABASI等[17]研究了BSG-卵清蛋白的起泡性,發(fā)現(xiàn)低濃度的BSG可以將卵清蛋白的泡沫容量從23%提高到28%,然而,發(fā)泡能力會隨著濃度的增加而降低,可能是因為在低濃度下的表面活性基團可降低界面張力并在氣泡表面形成膜,卵清蛋白溶液的泡沫穩(wěn)定性也隨著BSG濃度的增加而增加,可能是通過濃度的增加而提高體相黏度,黏度較高的情況下,網絡的形成可以減少氣泡的聚結,從而提高泡沫的穩(wěn)定性[35]。

3 羅勒籽膠在食品中的應用

3.1 在食品保鮮領域的應用

塑料包裝經常造成嚴重的環(huán)境污染問題,BSG具有生物降解性、生產成本低、親水性等特性,因此可以作為成膜基質[36]。然而,單一的羅勒籽膠薄膜性能不夠理想,如表1所示,學者們對其復合膜有較多的研究,圖3為制備基于羅勒籽膠涂膜的基本流程圖。HASHEMI等[37]制備了含有牛至精油的羅勒籽膠膜并對其進行了表征,研究發(fā)現(xiàn)添加牛至油直接影響薄膜的含水率、透明度、膨脹指數(shù)、接觸角和水蒸氣滲透性,所制備的薄膜具有抗菌和抗氧化性。然而,直接將精油加入羅勒籽膠膜中可能會導致不溶或生物活性損失,HASHEMI等[38]提出可以通過制備納米乳劑的方式將精油固定于羅勒籽膠膜的網絡中,亦能延緩活性成分的釋放來延長食品保質期,研究發(fā)現(xiàn)增加BSG基質中納米乳劑的濃度會提高薄膜的力學性能,納米乳劑的增加會使薄膜的微觀結構發(fā)生顯著變化。除此之外,還可以通過調整增塑劑來改變薄膜的性質,KHAZAEI等[39]研究了基于BSG和3種不同濃度的甘油的可食用薄膜,使用25%的甘油可以獲得最佳的BSG膜性能,甘油在制備均勻的柔性BSG膜中起著至關重要的作用,能顯著增加水蒸氣滲透性和溶解度,甘油濃度的增加也會增加延伸性。

表1 羅勒籽膠在可食性膜中的應用

圖3 制備基于羅勒籽膠膜的流程圖[12]

維持食品新鮮和延長食品保質期是應用可食用薄膜的主要目的,羅勒籽膠膜具有天然、無毒的特性,在水果與肉及肉制品得保鮮中有廣泛的應用。HASHEMI等[33]研究了將含有牛至精油的羅勒籽膠膜應用于鮮杏保鮮,在冷藏期間精油從薄膜中釋放,能夠有效地減少水果的腐敗,并且整體可接受性有很大改善,能夠有效保證鮮杏的質量;ANSARIAN等[40]研究了含白藜蘆醇和丁香精油納米乳化劑的羅勒籽膠可食用膜的體外抗氧化特性及其對冷藏駱駝肉氧化穩(wěn)定性和感官特性的影響,研究發(fā)現(xiàn)薄膜包裹的駱駝肉糜經過20 d的貯藏,氧化穩(wěn)定性和感官性能均優(yōu)于對照組;MAJDINASAB等[41]研究了包含百里香精油的羅勒籽膠涂膜對雞柳冷藏保質期的影響,研究發(fā)現(xiàn)BSG具有抗氧化的屏障性能,添加了植物精油的涂膜能夠有效延緩不良化學反應和微生物生長,涂膜樣品有良好的整體可接受性,保質期達12 d。綜上所述,BSG在食品保鮮領域具有良好的潛力,可用于生產各種食品所需的食用薄膜。

3.2 在納米體系中的應用

在功能性食品成分輸送系統(tǒng)領域,抗氧化和抗菌活性在內的生物活性化合物的功能特性可以通過封裝和控制其釋放來改善[45],如表2所示,BSG納米體系具有較為廣泛的應用。AZARASHKAN等[46]研究了包埋在羅勒籽膠中的西蘭花芽提取物納米脂質體的抗氧化和抗菌活性,確定了BSG納米封裝工藝能提高酚類、黃酮類等活性化合物的穩(wěn)定性和保質期,抗菌性也得到提高,結果表明其在奶酪貯藏期間能更好地保存生物活性化合物;KURD等[47]采用靜電紡絲法將橙皮素摻入羅勒籽膠/聚乙烯醇納米纖維中,結果表明橙皮素在密封劑中的結合良好,熱重分析能夠觀察到橙皮素的熱阻增加;KOMIJANI等[48]也研究了玉米醇溶蛋白/羅勒籽膠/聚乙烯醇納米纖維對番茄紅素的包封率,研究發(fā)現(xiàn)可以通過增加BSG體積的方式使納米纖維直徑減小,進而提高番茄紅素包封率,可以說明羅勒籽膠/聚乙烯醇納米纖維可以作為食品工業(yè)中生物活性成分包封的載體,具有較高的包封效率和物理穩(wěn)定性;DELFANIAN等[45]研究了BSG分別與大豆分離蛋白和乳清分離蛋白的納米乳劑包封多酚,此研究通過納米包埋多酚,提高了多酚的溶解度并且能控制釋放,可獲得較高的抗氧化潛力,其中BSG/大豆分離蛋白納米體系表現(xiàn)出更好的漸進釋放和更高的抗氧化效果。綜上所述,BSG作為天然抗氧化劑和食品防腐劑在納米體系中具有潛在的應用前景。

表2 羅勒籽膠在納米體系中的應用

3.3 在蛋白凝膠中的應用

蛋白質和多糖是食品工業(yè)中使用的主要生物聚合物,它們相互作用對蛋白質的功能性質有很大影響,從而改變相應食品的結構和性質。其相互作用取決于如生物聚合物類型、多糖類型、蛋白質和多聚糖的濃度等,這可能形成復合物或熱力學不相容性[54]。羅勒籽膠會影響食品蛋白質的凝膠化和其他功能特性,對蛋白質和聚合物的凝膠性質具有一定影響。如表3所示,BSG在蛋白凝膠中具有較為廣泛的應用。MIRARAB等[55]研究發(fā)現(xiàn),添加不同濃度的BSG可顯著影響卵清蛋白凝膠的流變學和理化性質,即使添加少量的羅勒籽膠,也會對卵蛋白凝膠的結構特征產生影響,獲得更硬的熱誘導卵清蛋白凝膠,能夠用于不同的食品應用或功能食品中活性化合物的輸送;RAFE等[56]對BSG和β-乳球蛋白之間的凝膠特性和相互作用進行了表征,研究發(fā)現(xiàn)增加BSG與β-乳球蛋白的比例會導致更精細的微觀結構。如圖4所示,共聚焦顯微圖可以看出添加少量BSG的復合凝膠的網絡結構并不致密,隨著BSG的進一步增加,蛋白質聚集物在整個樣品中分布均勻,但是加入過多的BSG就會導致球形蛋白結構域聚集,導致復合凝膠結構崩潰;LARKI等[52]研究發(fā)現(xiàn)BSG能有效增強乳清分離蛋白,提高其靜電紡絲能力和纖維形成能力,可以通過改變聚合物的混合比例,控制靜電紡絲納米纖維的物理化學性質,BSG的加入使納米纖維具有良好的熱穩(wěn)定性和良好的疏水性。

表3 羅勒籽膠在蛋白凝膠中的應用

A-10%(質量分數(shù))β-乳球蛋白凝膠(β-lactoglobulin gel,BLG);B-10%(質量分數(shù))BLG-1%(質量分數(shù))BSG;C-10%(質量分數(shù))BLG-2%(質量分數(shù))BSG;D-2%(質量分數(shù))BLG-1%(質量分數(shù))BSG

除了通過改變BSG與蛋白質的不同比例外,還可以通過調節(jié)pH、升溫速率或添加鹽等方式提高復合凝膠的理化性質。BEHROUZAIN等[58]研究發(fā)現(xiàn)利用不同的pH可以獲得具有不同相互作用機制的生物聚合物混合物,即可溶性復合物形成和熱力學不相容相互作用,在pH為5、6、7時沒有觀察到沉淀,因此BSG/乳清分離蛋白混合物可以在這些pH下用于乳化穩(wěn)定性和功能性;RAFE等[57]研究了加熱速率對BSG/β-乳球蛋白凝膠流變學和微觀結構的影響,通過在不同的加熱速率下混合不同比例的水膠體,可以獲得不同的結構;YANG等[59]考察了不同濃度的CaCl2和NaCl對羅勒籽膠/花生球蛋白復合凝膠性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)Ca2+和Na+在低濃度時增強了復合凝膠的G′、G″和凝膠強度,高濃度時降低了凝膠強度并且阻礙常規(guī)凝膠網絡的形成。由此可知BSG可能在開發(fā)新型凝膠方面有很大潛力,還需要進一步的研究來探索在食品工業(yè)中的實際應用。

3.4 在乳制品中的應用

在乳制品中加入天然植物提取物是一種新興的乳制品優(yōu)化方法,將羅勒籽膠添加至乳制品中在一定程度上能改善食品的品質。FARAHMANDFAR等[60]研究了BSG作為增稠劑,可以顯著影響奶油的物理結構和流變特性,表現(xiàn)出假塑性和觸變行為,BSG在鮮奶油配方中具有良好的應用潛力;HOSSEINI-PARVAR等[9]發(fā)現(xiàn)BSG能使奶酪結構的彈性增加,可能在奶酪的蛋白質基質中形成網狀網絡,并加強由酪蛋白鏈形成的網絡,使奶酪具有更高的硬度。GHASEMPOUR等[6]研究羅勒籽膠和紅甜菜提取物在益生菌酸奶配方中同時使用的情況,在21 d的貯存時間內,含有0.4%BSG的樣品益生菌活力最高,并且隨著BSG的使用,酸奶樣品的黏度增加?？梢钥闯?將羅勒籽膠應用于新型乳制品配方,能夠改善了乳制品中的益生菌活力、抗氧化活性和質地特性。

大多數(shù)風味成分是脂溶性,因此減少脂肪含量可能會降低產品的風味,BSG具有穩(wěn)定性、高保水能力和增黏能力,可以作為脂肪替代品使低脂或脫脂乳制品具有較高的乳脂性。JAVIDI等[27]研究發(fā)現(xiàn)在低脂冰淇淋中加入BSG后其乳香度高于對照組,可能是因為BSG能模仿低脂冰淇淋中的全脂混合物的乳香度,其更強的剪切敏感觸變性導致產生更多的奶油感,也表明BSG的存在使脫脂冰淇淋具有較高的乳脂性,能夠抑制低脂肪混合物的粗糙感[27];KIM等[62]也研究了羅勒籽膠作為脂肪替代品對酸奶理化性質的影響,隨著BSG濃度的增加,酸奶風味逐漸得到改善,此外,苯酚和黃酮的總含量也略有增加,提高了酸奶的抗氧化性。因此將BSG作為脂肪替代品,應用于低脂或脫脂產品的生產可以提高產品的理化性質、抗氧化活性和感官特性。

3.5 在冷凍食品中的應用

凝膠可以通過將游離水固定在凝膠結構內并控制水分遷移的方式來減少游離水的量,從而保持冷凍食品結構的均勻性,并在冷凍過程中控制冰晶生長,減少冷凍的負面影響,提高食品的持水能力[64]。近年來,冷凍食品消費量的增加導致了對具有特殊性質的凝膠的需求增加。BSG的溶解性、持水能力、流變特性以及在冷凍貯存期間與其他成分的協(xié)同反應,對食品具有各種低溫保護作用,因此可以將羅勒籽膠應用于冷凍食品中。ZRYNALI等[64]研究了冷凍處理對不同濃度羅勒籽膠的流動特性、黏彈性、結構、乳化和發(fā)泡特性的影響,由于BSG具有控制冰晶生長的能力,因此冷凍處理后的黏彈性變化最小,解凍后BSG的織構性質穩(wěn)定,未觀察到斷裂和破壞,可以表明BSG可以提高冷凍食品的質量。

冰淇淋作為典型的冷凍食品,在貯存過程中的結構變化會導致質量下降,主要原因是冰重結晶和乳糖結晶。羅勒籽膠除了能提高在冷凍條件下的穩(wěn)定性外,還有助于冰淇淋質地的形成,可以提高冰淇淋及相關產品的質量和多樣性。BAHRAMPARVAR等[65]研究發(fā)現(xiàn)與對照組相比,BSG作為冰淇淋穩(wěn)定劑能大大減少冰的再結晶,冰晶的生長速率降低了30%～40%。由于每種穩(wěn)定劑的特殊特性以及凝膠之間的協(xié)同作用,可以應用復合凝膠,這些聚合物的協(xié)同作用也有助于降低成本[65]。HEJRANI等[66]發(fā)現(xiàn)在面包配方中添加羅勒籽膠可以改善冷凍貯存期間產品的整體質量,改善效果與瓜爾豆膠相似,甚至在改善比體積、孔隙率和感官特性方面比瓜爾豆更有效。綜上所述,羅勒籽膠可以更多地應用于冰淇淋、冷凍甜點等冷凍食品中。

4 結論與展望

隨著人民生活水平的不斷提高,人們對具有特殊功能特性的凝膠的需求不斷增長,因此不斷探索新的水膠體來源也逐漸成為熱點。本文綜述了羅勒籽膠作為一種新型天然水膠體的提取及純化干燥方法、功能特性及其在食品中的應用,BSG具有良好的凝膠性、乳化穩(wěn)定性、界面張力、起泡性等性質,還具有獨特的流變性能,因而被廣泛應用于食品加工領域,如食品保鮮、納米體系、乳制品、蛋白凝膠、冷凍食品等,開發(fā)利用羅勒籽膠能夠拓寬天然凝膠材料的應用范圍。

然而羅勒籽膠的最佳提取方法和純化干燥方式還尚未有定論,以及提取方法和純化干燥方式對羅勒籽膠的理化性質是否有影響,還需未來進一步的探索以期獲得更高的得率和性質更好的羅勒籽膠。另外,羅勒籽膠的功能性質及在食品中的應用也有待進一步挖掘,比如單一的凝膠無法滿足現(xiàn)有的需求,還需要探索羅勒籽膠與其他蛋白質或凝膠相互作用的機理,得到性能更佳的凝膠體系等。因此,今后需要繼續(xù)研究探索羅勒籽膠的功能特性和理化性質等,對于擴展其在食品領域的應用具有重大意義。