乳清蛋白甜橙油包合物的制備

楊曉飛,梅 林,薛秀恒,王志耕,*

(1.安徽農業大學茶與食品科技學院,安徽省農產品加工工程實驗室,安徽合肥 230036;2.安慶市食品藥品稽查支隊,安徽安慶 246001)

風味是食品的重要特征之一,是消費者評價食品品質的一個重要指標,隨著食品工業的發展,消費者對食品風味的要求不斷提高,例如要求食品風味圓潤、柔和、可持續釋放等[1]。香精香料是現代食品工業不可或缺的材料,尤其是天然香精香料越來越受到廣大消費者的青睞[2-4]。為此,新型風味劑的開發是食品新材料創新研究的重要領域之一。

甜橙油風味特征鮮明,口感柔和,在食品工業中被廣泛應用。但甜橙油存在不溶于水、易揮發、持續釋放性能較差等缺陷[1,3-4]。目前技術多采用β-環糊精、麥芽糊精或阿拉伯膠等作為甜橙油的添加載體,將甜橙油制成微膠囊或包合物,以擴展甜橙油在食品工業中的應用范圍[1-5]。研究表明,蛋白質分子帶有許多雙親基團,在水溶液中,蛋白質的疏水基團能夠通過疏水相互作用吸附在油溶性的液滴表面,形成一層蛋白質膜,將油滴包裹形成包合物,或者將油性液滴吸附固定在蛋白質疏水空穴內,而親水基團通過氫鍵與水分子相互作用,從而形成穩定的包合物乳液并使包合物具有良好的水溶性[4,6-10],并且熱處理和靜高壓處理可以使蛋白質的結構發生伸展、折疊或者卷曲,使包裹于蛋白質內部的基團暴露出來,進而影響蛋白質結合風味物質的能力[7,11-12]。乳清蛋白來源于牛乳,同時又具有大量的雙親基團以及疏水空穴[9,11-12],為此,探討乳清蛋白為載體,構建乳清蛋白-甜橙油體系的制備方法,為新型甜橙油材料的開發和乳清蛋白的利用提供方法具有技術創新和實踐意義。

本研究以乳清蛋白為載體,采用高壓均質處理和熱激處理兩種方法協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物,優化制備工藝,以期為甜橙油在風味乳飲料中的應用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

WPC-80乳清蛋白粉(食品級) 美國Glanbia公司;甜橙油 食品級,密度為0.84 mg/mL 廣州日化化工有限公司;石油醚(60～90 ℃,分析純)、無水乙醇(分析純) 國藥集團化學試劑有限公司。

Lambda 35紫外分光光度計 美國Perkin Elmer公司;APV-2000型超高壓納米均質機 北京同和友德科技有限公司;Christ L-1真空冷凍干燥機 德國Martin-Christ公司;KQ3200DE型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;CP224C電子天平 奧豪斯儀有限公司;HH數顯恒溫水浴鍋 江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 乳清蛋白-甜橙油包合物的制備

1.2.1.1 高壓均質處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物 配制10%的乳清蛋白溶液,邊攪拌邊向其中加入一定量的甜橙油,再邊攪拌邊經一定壓力的超高壓納米均質機均質一定次數,得到納米包合物乳液。將50 mL包合物乳液置于培養皿中,于-30 ℃條件下預冷凍4 h,再經真空冷凍干燥30 h得到包合物固體,粉碎,經80目篩過濾,得包合物粉末。

1.2.1.2 熱激處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物 配制10%的乳清蛋白溶液,經恒溫水浴熱激處理一定時間,然后冷水浴冷卻至室溫,在30 ℃、800 r/min條件下邊攪拌邊向其中加入一定量的甜橙油,在該條件下繼續攪拌一定時間使溶液乳化形成包合物乳液,反應結束后將乳化液在室溫下靜置1 h使游離的甜橙油相互聚集并上浮,棄去液面甜橙油,取下層包合物乳液50 mL置于培養皿中,于-30 ℃條件下預冷凍4 h,再經真空冷凍干燥30 h得到包合物固體,粉碎,經80目篩過濾,得包合物粉末。

1.2.2 高壓均質處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物工藝優化

1.2.2.1 單因素試驗 在均質壓力20 MPa、乳清蛋白:甜橙油為1∶1 g/mL的條件下,考察均質次數(0、1、2、3、4、5次)對包合率的影響;在均質次數4次、乳清蛋白:甜橙油為1∶1 g/mL的條件下,考察均質壓力(20、40、60、80、100 MPa)對包合率的影響;在均質次數4次、均質壓力40 MPa的條件下,考察乳清蛋白:甜橙油(1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5 g/mL)對包合率的影響。

1.2.2.2 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎上,以均質次數、均質壓力和乳清蛋白:甜橙油(g/mL)為考察因素,以包合率為指標,設計3因素3水平的正交試驗優化制備工藝,因素水平編碼表如表1所示。

表1 高壓均質法正交設計試驗因素水平編碼表

1.2.3 熱激處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物工藝優化

1.2.3.1 單因素試驗 在蛋白熱激時間10 min、包合反應時間10 min、乳清蛋白∶甜橙油2∶1 g/mL的條件下,考察蛋白熱激溫度(35、50、65、80、95 ℃)對包合率的影響;在蛋白熱激溫度80 ℃、包合反應10 min、乳清蛋白∶甜橙油2∶1 g/mL的條件下,考察蛋白熱激時間(10、20、30、40、50 min)對包合率的影響;在蛋白熱激溫度80 ℃、蛋白熱激時間30 min、乳清蛋白∶甜橙油2∶1 g/mL的條件下,考察包合反應時間(10、20、30、40、50 min)對包合效果的影響;在蛋白熱激溫度80 ℃、蛋白熱激時間30 min、包合反應時間30 min的條件下,考察乳清蛋白∶甜橙油(2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1 g/mL)對包合效果的影響。

1.2.3.2 正交試驗設計 在單因素試驗的基礎上,以包合率為指標,以蛋白熱激溫度、蛋白熱激時間、包合反應時間和乳清蛋白:甜橙油(g/mL)為考察因素,設計4因素3水平的正交試驗優化包合物的制備工藝,因素水平編碼表如表2所示。

表2 熱激處理法正交設計試驗因素水平編碼表

1.2.4 甜橙油包合率的測定

1.2.4.1 標準曲線的繪制 分別取1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1、0.05、0 mL甜橙油于100 mL的容量瓶中,用石油醚定容,混勻,制備質量濃度為8.40、6.72、5.04、3.36、1.68、0.84、0.42、0 mg/mL的甜橙油石油醚標準溶液,在307 nm波長處測定其吸光度。甜橙油的石油醚溶液濃度在0～8.40 mg/mL范圍內時,濃度(X1)和吸光度(Y1)呈線性關系,線性方程為:Y1=0.2062X1+0.0180(R2=0.9994)。以同樣的方法配制甜橙油無水乙醇標準溶液,測定其在317 nm波長處的吸光度,當甜橙油的無水乙醇溶液濃度在0～8.40 mg/mL范圍內時,濃度(X2)和吸光度(Y2)之間呈線性關系,線性方程為Y2=0.1987X2-0.0041(R2=0.9993)。

1.2.4.2 包合物表面甜橙油的測定 根據文獻[13-14]中的方法并略作改進,稱取0.5 g包合物于50 mL離心管中,加入10 mL石油醚,輕微振蕩1 min,洗脫包合物表面的甜橙油,然后3000 r/min下離心1 min,傾出石油醚相,再向沉淀中加入10 mL石油醚,重復上述操作2次,合并石油醚相,經0.22 μm有機濾膜過濾后在307 nm處測定吸光度;計算包合物表面甜橙油含量。

1.2.4.3 包合物含有甜橙油總量的測定 根據文獻[15-16]中的方法并略作改進,稱取0.5 g樣品于50 mL離心管中,加入10 mL無水乙醇,30 ℃、90 W超聲提取10 min,3000 r/min下離心1 min,傾出無水乙醇相,再向沉淀中加入10 mL無水乙醇,重復上述操作3次,合并無水乙醇相,經0.22 μm的有機濾膜過濾后在317 nm處測其吸光度;計算包合物中甜橙油總量。

1.2.4.4 包合率的計算 包合率是指反應體系中實際被有效包合的甜橙油的質量與加入的甜橙油的總質量之比。

式(1)

M2=M1×M

式(2)

式(3)

式(4)

式中:m1:質量為m的包合物表面甜橙油含量,g;m2:質量為m的包合物含有甜橙油總量,g;m:包合物質量,g;M1:單位質量蛋白包合的甜橙油含量,g/g;M2:反應體系中蛋白包合的甜橙油的總量,g;M:反應體系中蛋白的總質量,g;V:反應體系中加入的甜橙油的體積,mL;ρ:甜橙油密度,0.84 g/mL;λ:包合物中甜橙油的有效含量,mg/g。

1.3 數據處理

所有試驗均設3次重復,將得到的試驗結果利用Microsoft Excel和正交設計助手Ⅱ專業版進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 高壓均質處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物

2.1.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1.1 均質次數對包合率的影響 由圖1可知,隨均質次數的增加,甜橙油的包合率逐漸增大,然后趨于穩定。均質1次比均質0次時甜橙油的包合率明顯增加,這可能是因為高壓均質打碎了甜橙油液滴,使其分散為納米液滴,大大增加了甜橙油液滴與蛋白疏水基團的相界面,蛋白的疏水基團能包裹更多的甜橙油液滴,只有部分的甜橙油液滴相互聚集或吸附在包合物表面,從而使包合率明顯增加[7],并且隨均質次數的增加,甜橙油在蛋白溶液中分散的均勻程度增加,甜橙油液滴能被蛋白均勻的包裹,減少了甜橙油液滴的相互聚集,從而使包合率逐漸增大[17],但當均質次數大于4次時,甜橙油的包合率趨于穩定。因此選擇均質4次進行后續試驗。

圖1 均質次數對包合率的影響

2.1.1.2 均質壓力對包合率的影響 由圖2可知,隨均質壓力的增大,甜橙油的包合率先增大后減小,當均質壓力為40 MPa時,甜橙油的包合率達到最大。這可能是因為當均質壓力小于40 MPa時,均質壓力越大,料液所受的剪切力越大,乳液液滴越細,料液被分散也越均勻,乳清蛋白的疏水基團能迅速的包裹在甜橙油液滴的表面,從而使更多的甜橙油被乳清蛋白包合,但是當均質壓力增大到一定值后,均質使甜橙油納米微滴的表面積過大,乳清蛋白的疏水基團不足以將甜橙油微滴的表面全部覆蓋,或者在微滴表面形成的蛋白膜強度較差,不能很好地保護被包裹的甜橙油[17-18]。并且,隨著均質壓力的增大,體系的內能增加,形成的乳狀液穩定性下降,從而使甜橙油的包合率降低[18]。因此,選擇40 MPa進行后續試驗。

圖2 均質壓力對包合率的影響

2.1.1.3 乳清蛋白:甜橙油對包合率的影響 由圖3可知,隨著乳清蛋白:甜橙油(g/mL)比值的增大,甜橙油的包合率也逐漸增大。當比值在1∶1.5～1∶1范圍內時,隨比值的增大,包合率明顯增加,當比值在1∶1～1∶0.5時,雖然隨比值的增加,包合率仍然增加,但是增加的幅度趨于平緩。如果乳清蛋白:甜橙油的比值過大,雖然包合率較高,但是形成的包合物中甜橙油含量較少,在食品中使用時需加入較多的包合物才能達到良好的風味,這可能會因為加入過多的乳清蛋白而影響食品的品質。綜合考慮,乳清蛋白∶甜橙油在1∶1左右較為合適。

圖3 乳清蛋白∶甜橙油(g/mL)對包合率的影響

2.1.2 正交試驗結果分析 正交試驗結果、方差分析如表3、表4所示。由表3中各因素的極差大小可知,各因素對甜橙油包合率的影響大小順序為C(乳清蛋白:甜橙油,g/mL)>B(均質壓力)>A(均質次數)。由表4可知,均質壓力和乳清蛋白:甜橙油對甜橙油包合率的影響均顯著(p<0.05),由k值可知,這兩個因素應分別選擇40 MPa和1∶0.75作為最佳水平,而均質次數對包合率影響不顯著,為減少生產中的工作量和儀器的損耗,均質次數選擇3次最佳。綜上所述,乳清蛋白包合甜橙油條件為均質次數3次、均質壓力40 MPa、乳清蛋白∶甜橙油(g/mL)1∶0.75時較佳,在此條件下制備包合物,甜橙油包合率為84.11%±1.33%,包合物中甜橙油的有效含量為(346.36±5.47) mg/g。

表3 正交試驗結果

表4 正交試驗結果的方差分析

2.2 熱激處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物

2.2.1 單因素試驗結果與分析

2.2.1.1 蛋白熱激溫度對包合率的影響 由圖4可知,隨蛋白熱激溫度的升高,甜橙油的包合率逐漸增大。這是因為自然狀態下的乳清蛋白疏水基團主要存在于疏水空腔和表面疏水裂縫里,不能和甜橙油充分接觸,熱激處理能使蛋白的結構部分展開,進而使疏水基團暴露,增加其與甜橙油的接觸面積,使包合率提高[19]。但是由于乳清蛋白為熱敏蛋白,易受熱變性,當加熱溫度過高或者加熱時間過長,蛋白質分子發生凝聚,影響乳清蛋白的乳化活性和包合甜橙油的能力下降[20],因此當溫度升高到95 ℃時甜橙油的包合率又出現下降趨勢。因此,選取80 ℃進行后續試驗。

圖4 熱激溫度對包合率的影響

2.2.1.2 蛋白熱激時間對包合率的影響 由圖5可知,隨蛋白熱激處理時間增加,包合率先增大后減小,當處理時間為30 min時,包合率為12.69%。這是因為隨加熱時間的延長,蛋白的結構逐漸展開,疏水基團逐漸暴露出來,包合甜橙油液滴的能力增強,繼續加熱處理,隨著疏水基團的暴露,蛋白逐漸相互聚集,不能對甜橙油液滴進行包裹,并且隨著加熱時間的延長,蛋白聚集程度加重[21-22],甜橙油的包合率下降。因此,選擇蛋白熱激處理時間30 min進行后續試驗。

圖5 熱激處理時間對包合率的影響

2.2.1.3 包合反應時間對包合率的影響 由圖6可知,隨包合反應時間的增加,甜橙油的包合率先逐漸增大,當時間大于30 min后包合率趨于平緩。這是因為隨包合反應時間的增加,在攪拌作用下甜橙油液滴分散,在乳清蛋白溶液中乳化程度得到改善,甜橙油小液滴易被蛋白的疏水基團包裹或者進入蛋白的疏水空腔,包合率逐漸增大[3,7],但是當攪拌時間大于30 min后,持續攪拌對溶液的乳化程度影響不明顯,進而對包合率的影響越來越小。因此,選擇30 min進行后續試驗。

圖6 包合反應時間對包合率的影響

2.2.1.4 乳清蛋白:甜橙油對包合率的影響 由圖7可知,隨乳清蛋白:甜橙油(g/mL)的增加,甜橙油的包合率逐漸增大,但增加的幅度逐漸減小。如果乳清蛋白:甜橙油的過大,雖然包合率較高,但是形成的包合物中甜橙油含量較少,在食品中使用時需加入較多的包合物才能達到良好的風味,這可能會因為加入過多的乳清蛋白而影響食品的品質。綜合考慮,乳清蛋白∶甜橙油(g/mL)在6∶1左右較佳。

圖7 乳清蛋白:甜橙油(g/mL)對包合率的影響

2.2.2 正交試驗結果與分析 正交試驗結果、方差分析如表5、表6所示。由表5中各因素的極差大小可知,各因素對甜橙油包合率的影響大小順序為D(乳清蛋白:甜橙油)>A(熱激溫度)>B(熱激時間)>C(反應時間)。由表6可知,乳清蛋白:甜橙油和熱激溫度對甜橙油包合率的影響均顯著(p<0.05),由k值可知,這兩個因素應分別選擇70 ℃和8∶1作為最佳水平,而熱激時間和反應時間對包合率影響不顯著(p>0.05),為節約加工成本,熱激時間和反應時間均選取20 min。綜上所述,熱激處理協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物的條件為乳清蛋白:甜橙油(g/mL)8∶1、熱激溫度70 ℃、熱激時間20 min、反應時間20 min時較佳,在此條件下制備包合物,甜橙油包合率為39.95%±1.60%,包合物中甜橙油的有效含量為(7.56±1.90) mg/g。

表5 正交試驗結果

表6 正交試驗結果的方差分析

2.3 不同制備方法的對比

由圖8可知,采用高壓均質協助制備乳清蛋白-甜橙油包合物,甜橙油的包合率和包合物中甜橙油的有效含量均極顯著高于采用熱激處理乳清蛋白法(p<0.01),因此采用高壓均質協助制備包合物效果更佳。

圖8 不同制備方法的包合效果

3 結論

通過正交試驗優化出采用高壓均質處理協助制備包合物的條件為:40 MPa壓力下均質3次,乳清蛋白∶甜橙油1∶0.75 (g/mL),此條件下甜橙油的包合率可達84.11%±1.33%,包合物中甜橙油的有效含量為(346.36±5.47) mg/g。

通過正交試驗優化出采用熱激處理協助制備包合物的條件為:乳清蛋白:甜橙油8∶1 (g/mL)、熱激溫度70 ℃、熱激時間20 min、反應時間20 min,在此條件下甜橙油包合率為39.95%±1.60%,包合物中甜橙油的有效含量為(47.56±1.90) mg/g。

通過對比分析,采用高壓均質協助制備包合物,甜橙油的包合率和包合物中甜橙油的有效含量均極顯著高于采用熱激處理法(p<0.01),采用高壓均質協助制備包合物效果更佳。