乳清蛋白-黃油乳液凝膠對低脂酸奶理化特性及品質的影響

李紅娟,劉婷婷,鄒璇,趙樹靜,李丹,李媛,李洪波,于景華*

1(天津科技大學 食品科學與工程學院,天津,300000) 2(妙可藍多(天津)食品科技有限公司,天津, 300000)

為了預防因攝入脂肪過多而出現的肥胖及其他疾病,越來越多的消費者傾向于低脂酸奶產品。脂肪對酸奶口感及質構等具有重要的作用,在制作酸奶時減少脂肪含量,會出現許多缺陷,如組織粗糙、黏稠度降低、乳清析出等[1-2]。為解決這一問題,研究者通常添加脂肪替代物來改善酸奶的品質[3-4]。脂肪替代物的作用是在保證食品優良的感官品質和安全性的基礎上,部分或全部代替脂肪,從而降低食物總熱量,以滿足消費者對低脂、低熱量健康飲食的追求。目前市面上主要的脂肪替代物可以分為3大類：第1類是脂肪基質的替代物,如磷脂等;第2類是蛋白質基質的替代物,如微粒化乳清蛋白等；第3類是碳水化合物基質的替代物,如變性淀粉、菊粉等[5-6]。這3種類別的脂肪替代物研究較多,但其口感及風味同脂肪相比仍有待改進。

乳液凝膠是一種半固體材料,在食品工業中，可添加到低脂食品中以改善產品的感官和質構[7]。乳液凝膠體系中需要有足夠的蛋白質或蛋白質包覆的脂肪顆粒構成三維網絡結構。乳清蛋白乳液凝膠的形成主要有2種方式,一是加熱法,在有利于蛋白質聚集的溶液條件下,將蛋白質溶液加熱到球狀蛋白質的熱變性溫度以上,蛋白質分子展開暴露出巰基和疏水基團,此時二硫鍵和疏水作用促進蛋白質聚集,當蛋白質濃度很高時,就會形成蛋白質的三維結構并導致凝膠形成[8]。另一種是冷致法,在不利于蛋白質聚集的條件下,一般選擇pH和離子強度條件在蛋白質分子之間產生強烈的靜電排斥力,將蛋白質溶液加熱到球狀蛋白質的熱變性溫度以上,冷卻后蛋白質成為未折疊狀態。此時改變蛋白質溶液的條件如pH,蛋白質間的斥力會降低,未折疊的蛋白質分子間發生交聯,最終形成凝膠[9]。乳液凝膠的性質受多種因素的影響,研究表明添加鹽離子、乙醇等均可以增強凝膠強度[10-13]。目前雖然已有不少關于制備乳液凝膠方法的相關研究,但將乳清蛋白-黃油乳液凝膠顆粒(whey protein-butter emulsion gel particles,WPI-EG)作為脂肪替代物添加到乳制品中的研究很少。

本研究將不同蛋白質含量的乳清蛋白溶液經預熱、變性、冷卻調酸，分別加入不同含量的黃油,最后均質得到WPI-EG。將剪切后的凝膠顆粒制備低脂酸奶。通過測定酸奶的持水力、質構、流變、掃描電鏡和感官評價等指標,與全脂酸奶、脫脂酸奶及低脂酸奶等進行比較,進而評價WPI-EG作為脂肪替代物在低脂酸奶中的應用效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新西蘭脫脂奶粉(脂肪含量2%,蛋白含量35%)、全脂奶粉(脂肪含量27%,蛋白含量25.5%),新西蘭恒天然有限公司；乳清分離蛋白(WPI 9410,蛋白質含量89%),宏祥生物科技有限公司；黃油(脂肪含量99.8%),內蒙古華琳食品有限公司；x-11型發酵劑,丹麥科漢森公司。

1.2 儀器與設備

FJ200-SH數顯高速分散均質機,上海標本模型廠；Bettersize2600激光粒度分布儀,丹東百特儀器有限公司；TA-XT plus 質構儀,英國Stable Micro Systems；HAAKE MARS 60動態流變儀,德國哈克；Lab-1B-50E真空冷凍干燥機,北京博醫康實驗儀器有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡,日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 WPI-EG的制備

按表1所示配方,制備4種不同蛋白和脂肪質量分數的WPI-EG。將WPI粉末溶于蒸餾水中,在室溫下以8 000 r/min均質3 min使其完全溶解,得到的WPI溶液于55 ℃水浴鍋中水合1 h,然后90 ℃變性20 min。取出冷卻至室溫后用檸檬酸調pH至6.0,加入55 ℃的黃油后10 000 r/min均質3 min,最終配制成蛋白質質量分數為1.5%、3.5%、5.5%、7.5%,對應脂肪質量分數為2.2%、5.0%、7.9%、10.8%的4種WPI-EG[14]。

1.3.2 酸奶制作

原料混合→攪拌→預熱→均質→殺菌→降溫→接種→發酵→冷卻→后熟

(1)原料混合：稱取奶粉、蔗糖于食用燒杯中,加入WPI-EG、蒸餾水,充分攪拌。

(2)預熱、均質、殺菌、降溫：60 ℃預熱5 min,8 000 r/min均質3 min,85 ℃殺菌15 min,降溫至43 ℃。

(3)接種、發酵：加入發酵劑(0.04 g/L),于42 ℃恒溫培養箱中發酵,酸奶 pH約4.5時取出。

(4)冷卻、后熟：酸奶冷卻至室溫后放入4 ℃冰箱中后熟12～24 h,即得成品。

不同蛋白質、脂肪質量分數WPI-EG添加量如表1所示。

表1 酸奶配方明細(均為質量分數)Table 1 Formula of different yoghurt samples

1.3.3 持水力的測定[15]

酸奶后熟后取約20 g到50 mL 離心管中。以4 000 r/min,4 ℃下離心20 min,棄上清液后將離心管倒置約5 min。持水力按公式(1)計算：

(1)

式中：m1, 離心后樣品和離心管總質量,g；m2,離心管質量；m,樣品質量,g。

1.3.4 質構測定

用質構儀測定酸奶的硬度、稠度、黏聚性和膠著度。探頭型號為 A/BE,觸發類型：自動-10 g,測前速度1.0 mm/s,測試速度1.0 mm/s,測后速度10.0 mm/s,測定距離為酸奶高度的80%,數據采集率為400 pps。

1.3.5 流變測定

酸奶的流變特性參照先前測定頻率掃描和剪切掃描的研究方法[16]。選擇直徑為35 mm 的平板探頭,平板與底面的距離為1 mm,測試溫度設置為25 ℃,先將酸奶順時針攪拌15次,再逆時針攪拌15次,取0.2 mL于平板上進行測定。首先,頻率固定在1 Hz,應變為0.5%。然后進行樣品測試：剪切掃描,剪切速率從0/s增大到500/s,掃描時間為180 s；頻率掃描,應變固定在0.5%,頻率從0.1～10 Hz進行掃描。

1.3.6 掃描電鏡

取酸奶表層約1 cm以下的凝塊,放入盛有體積分數為2.5%戊二醛溶液的小燒杯中固定4 h,然后用pH 7.2的磷酸鹽緩沖液沖洗3次,每次約15 min,再分別用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇梯度洗脫,每次約15 min,將酸奶凝塊放入平板,封膜后扎孔,放進-40 ℃冰箱中冷凍12 h,取出后進行真空冷凍干燥12 h,樣品鍍金后用掃描電子顯微鏡觀察[17]。

1.3.7 感官測評

由10位與乳品研究相關人員對酸奶進行感官評分,評分指標有色澤、組織狀態、黏稠度、潤滑感、酸甜感、香氣。感官描述及評分標準見表2,實驗結果以雷達圖展示。

表2 酸奶感官評定標準Table 2 Standard of sensory evaluation of yoghurt

1.3.8 統計分析

所有試驗重復測定3次。數據處理和顯著性分析使用SPSS 23.0,實驗結果用平均值±標準差表示,采用單因素方差分析分析組間差異,以P<0.05表示差異顯著。使用Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 WPI-EG對酸奶持水力的影響

持水力的大小與凝膠網絡的相互作用、微觀結構和施加外力的大小有關[18]。由圖1可知,SMP和LFM酸奶的持水力顯著低于WMP酸奶(P<0.05)。WPI-EG中蛋白和脂肪含量較低時,實驗組酸奶樣品(1.5%PR、3.5%PR)持水力同SMP酸奶相比無顯著差異,且低于LFM酸奶,而5.5%PR組持水力同其他實驗組相比顯著提高,為49.07%。研究表明，酸奶持水力大小主要同酸奶凝膠網絡結構緊密程度及網絡間孔隙大小相關[19-20]。WPI-EG對持水力的改善可能是由于乳清蛋白經過熱處理后,變性程度增加,暴露出更多的疏水基團和反應位點,因此WPI-EG顆粒本身及其同酪蛋白之間更易發生交聯[21],同對照相比形成更加緊密的網絡結構,從而增強酸奶持水力。

7.5% PR組酸奶持水力為39.87%,低于5.5%PR組。7.5%PR組中添加的WPI-EG蛋白質和脂肪質量分數雖然高于5.5%PR組,但7.5%PR組的WPI-EG在酸奶中的添加量(8.0%)低于5.5%PR組(10.9%)；另外,當WPI-EG中蛋白質和脂肪質量分數分別達到5.5%和7.9%時,WPI-EG顆粒在酸奶中可能已經結合蛋白形成了具有足夠強度的凝膠網絡,在此基礎上WPI-EG中蛋白質和脂肪含量的輕微增加對酸奶凝膠結構無明顯影響。因此,持水力實驗結果表明5.5%PR組酸奶可顯著提高酸奶的持水力,提升酸奶品質。

圖1 WPI-EG對酸奶持水力的影響Fig.1 Effect of WPI-EG on water holding capacity of yoghurt

2.2 WPI-EG對酸奶質構的影響

不同酸奶的硬度值如表3所示。1.5% PR和3.5% PR組無顯著差異,實驗組中5.5% PR酸奶硬度最高(58.89 g)。在制備WPI-EG的過程中,對WPI進行了熱改性處理,因此體系中蛋白存在許多交聯位點,使得變性乳清蛋白與酪蛋白的交聯增多。較高含量的變性乳清蛋白可改善與脂肪的相互作用,使網絡結構更致密,從而增加凝膠的硬度[22]。研究表明WPI-EG中脂肪含量的增加也可以增強酸奶的三維網絡結構[12]。7.5% PR酸奶的硬度(48.18 g)低于5.5% PR酸奶。此結果表明,當WPI-EG中蛋白質和脂肪含量達到一定濃度(蛋白質≥5.5%,脂肪≥7.9%)時,WPI-EG的添加量對改善酸奶質構特性起到了更為重要的作用。

表3 WPI-EG對酸奶質構特性的影響Table 3 Effect of WPI-EG on texture properties of yoghurt

稠度是酸奶內部摩擦力大小的體現。如表3所示,WMP酸奶的稠度值最高(1 777.81 g·s)。1.5% PR(904.32 g·s)、3.5% PR(938.47 g·s)的稠度值與LFM酸奶無顯著差異。實驗組中5.5% PR酸奶的稠度最高(1 600.82 g·s)。樣品稠度增大可能與熱變性乳清蛋白與黃油結合形成結構類似脂肪球的乳清蛋白-黃油凝膠顆粒有關,顆粒的增多使樣品內部摩擦的幾率增大。

黏聚性能夠體現酸奶內部分子間作用力的強度。1.5% PR(40.34 g)、SMP(37.15 g)和LFM(40.67 g)酸奶的黏聚性無顯著性差異。添加WPI-EG的樣品中5.5%PR酸奶的黏聚性最高(74.95 g)。此結果表明,特定蛋白和脂肪含量的乳清蛋白-黃油乳液凝膠顆粒能結合更多的水分和脂肪,限制體系中自由的脂肪和水分在酸奶中的運動,從而提高酸奶的凝聚力,即黏聚性增大。

膠著度值表示將樣品破裂成能夠被吞咽狀態而需要的力。除1.5% PR酸奶外,3.5% PR、5.5% PR和7.5% PR酸奶的膠著度均高于SMP和LFM酸奶。TAMIME等[23]認為,當微粒化乳清蛋白用作脂肪替代物時,其功能是模擬脂肪球。

此結果表明,添加WPI-EG的酸奶與LFM酸奶相比雖然脂肪和蛋白質含量相同,但由于乳液凝膠形成類似脂肪球的結構,具有一定彈性,因此其膠著度高于LFM酸奶。

2.3 WPI-EG對酸奶流變特性的影響

如圖2所示,所有樣品都呈現出假塑性流體的特征,即表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低。剪切速率在0～50 s-1時所有樣品的表觀黏度均明顯下降,而在50～500 s-1階段下降緩慢。WMP酸奶的表觀黏度在50～500 s-1階段較其他樣品下降緩慢,添加WPI-EG實驗組酸奶除1.5%PR樣品外,其余樣品表觀黏度下降程度較SMP和LFM酸奶緩慢,并且隨著添加WPI-EG中蛋白質質量分數的增大,表觀黏度隨剪切速率下降減緩,隨著剪切速率增大,蛋白之間的作用力被減弱,減小了分子間的摩擦力,表觀黏度下降,但隨著WPI-EG中蛋白質、脂肪含量增加,增強了酸奶網絡結構中分子間的摩擦,提高了分子之間的成膠性,因此酸奶的表觀黏度下降減緩[24]。

圖2 WPI-EG對酸奶表觀黏度的影響Fig.2 Effect of WPI-EG on apparent viscosity of yoghurt

酸奶具有黏性和彈性特征。當G′>G″時,表明樣品的彈性形變優于黏性形變,即樣品體現出一定的剛性[25]。由圖3可知,所有酸奶的G′和G″值都隨著剪切速率的增加而增加,WMP酸奶的G′和G″值均高于其他樣品,1.5%PR酸奶G′和G″值低于SMP和LFM酸奶。G′和G″值描述酸奶的凝膠強度,除1.5%PR樣品外,其他實驗組酸奶樣品G′和G″值均高于SMP和LFM酸奶,且7.5%PR酸奶的黏彈性最高,WPI-EG以蛋白包裹脂肪的小顆粒形式存在,使凝膠網絡結構更為均勻細膩,增大了酸奶的凝膠強度。而5.5%PR酸奶的G′值較高,這一結果與持水力和質構結果相符,酪蛋白與熱處理的乳清蛋白相互作用,使得樣品呈現出具有較好彈性的固體凝膠狀態。

圖3 WPI-EG對酸奶黏彈性的影響Fig.3 Effect of WPI-EG on viscoelasticity of yoghurt

2.4 WPI-EG對酸奶微觀結構的影響

酸奶的微觀結構是蛋白質聚集形成的三維網狀結構,由圖4可看出SMP和LFM酸奶的網絡結構較松散,網狀結構間孔隙較多,而WMP酸奶的網絡結構比較緊密。表明在WMP樣品中蛋白分子與脂肪球相互結合,形成較大的聚集體且致密的網絡結構[26-27]。此結果同TORRES等[6]的研究一致,脂肪球能增強蛋白質分子間相互作用,酸奶中脂肪含量增加使網絡結構更加緊密。添加WPI-EG酸奶的微觀結構比SMP和LFM酸奶的微觀結構更致密、更規則,可能是變性乳清蛋白與酪蛋白之間的交聯增多。

圖4 WPI-EG對酸奶微觀結構的影響Fig.4 Effect of WPI-EG on microstructure of yoghurt

蛋白質質量分數從1.5%增加到7.5%的WPI-EG的酸奶,網絡結構變得更緊密和牢固,7.5%PR組三維網狀結構更為粗壯,而5.5%PR組酸奶的網狀結構緊密、平整、規則,這種結構有效提高了樣品的硬度、黏度和持水力。

2.5 WPI-EG對酸奶感官的影響

如圖5所示,SMP和LFM酸奶的整體評分較低,組織狀態、黏稠度和潤滑感較差,可能是由于脂肪含量低導致乳清析出,WMP酸奶的得分高于兩者。添加WPI-EG酸奶的整體評分隨著WPI-EG中蛋白質、脂肪質量分數的增大而升高,5.5%PR酸奶和7.5%PR酸奶樣品感官評分都較高,兩者樣品組織均勻細膩,無乳清析出,黏度適中,口感潤滑。有研究發現,變性乳清蛋白能夠有效改善酸奶中風味物質的結合和釋放[28]。本研究中,WPI-EG通過熱變性乳清蛋白將黃油包裹,形成穩定的乳液凝膠顆粒,能夠更有效的保留脂肪中的脂溶性的風味物質,提升酸奶風味,增加了酸奶的香氣等感官評價指標。

圖5 酸奶感官評分雷達圖Fig.5 Radar map of sensory evaluation of yoghurt

3 結論

本研究發現WPI-EG是低脂酸奶中一種有效的脂肪替代物和穩定劑。添加WPI-EG生產的酸奶，各項指標隨著WPI-EG中蛋白質和脂肪質量分數的不同而發生相應的變化。實驗組中添加含5.5%蛋白、7.9%脂肪的WPI-EG時酸奶的持水力、硬度、稠度、黏聚性和膠著度最高,與低脂對照相比差異顯著；5.5%PR酸奶感官評分較高,尤其是香氣和潤滑性的評價顯著高于其他樣品。因此,在生產低脂酸奶過程中加入特定蛋白、脂肪含量的WPI-EG能夠顯著提升低脂酸奶品質,在酸奶生產中具有較好的實際意義和應用價值。