懷山藥多糖/蛋白納米凝膠在冰淇淋中的應(yīng)用

朱瑩瑩，安雙雙，馬琦，董吉林*

鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（鄭州 450000）

懷山藥特指河南焦作一帶（古懷慶府）種植的山藥，也稱懷參。中醫(yī)學(xué)認(rèn)為懷山藥有健脾、補(bǔ)肺、固腎、益精等功效，久服可補(bǔ)中益氣、強(qiáng)筋壯胃、生津止渴、耳聰目明，是一種典型的藥食兼用作物[1]。懷山藥中含有豐富的蛋白質(zhì)和黏性多糖，其多糖具有降血糖、抑制腫瘤細(xì)胞增長(zhǎng)、抗氧化、調(diào)節(jié)免疫等多種保健作用[2-3]。懷山藥的淀粉質(zhì)原料豐富，近年來(lái)多用于發(fā)酵制品的開(kāi)發(fā)，其主要產(chǎn)品有山藥飲料、山藥酸奶、山藥米酒、山藥食醋等，但對(duì)懷山藥的高值化利用研究較少，懷山藥深加工產(chǎn)品有所欠缺。研究表明，多糖和蛋白質(zhì)可在一定條件下（溫度、pH、離子條件、濃度等）形成復(fù)合物凝膠[4]，該復(fù)合凝膠獨(dú)特的理化特性和功能特性受到越來(lái)越多關(guān)注，并試圖將其作為脂肪替代物用于低脂健康食品的生產(chǎn)。趙雯等[5]通過(guò)感官評(píng)分發(fā)現(xiàn)多糖、蛋白質(zhì)及多糖/蛋白質(zhì)復(fù)合物經(jīng)過(guò)微粒化處理并分別被作為脂肪替代物時(shí)，二者復(fù)合物微粒能產(chǎn)生更佳的類(lèi)脂肪口感。球蛋白和一系列多糖不同形式復(fù)合物均可被再加工成納米凝膠粒子，形成的凝膠粒子比單純蛋白質(zhì)或者多糖所形成的凝膠粒子具有更好的穩(wěn)定性和流變性能，且在對(duì)增加乳液體系穩(wěn)定性及作為脂肪替代物方面都有潛在的應(yīng)用[6]。Jones等[7]指出多糖/蛋白質(zhì)納米凝膠粒子具有獨(dú)特的流變性和乳化性，在對(duì)活性物質(zhì)的包埋和傳輸、作為脂肪代替物等方面有潛在應(yīng)用。許威等[8]綜述蛋白質(zhì)/多糖自組裝納米凝膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，指出其具有良好乳化性，形成的穩(wěn)定乳液體系可以替代傳統(tǒng)油水乳液體系，且能做到取材于食品應(yīng)用于食品，在低脂食品的生產(chǎn)中具有重要意義。

冰淇淋是一種以奶油、奶粉、白砂糖為主要原料的冷凍制品。其脂肪含量10~16 g/100 g料漿，每日食用100 g就會(huì)大概率造成消費(fèi)者日油脂總攝入量超過(guò)膳食指南推薦量，增加罹患慢性代謝疾病風(fēng)險(xiǎn)[9]。如何能在盡量少地影響冰淇淋風(fēng)味質(zhì)地的前提下，尋求低熱量、具有健康效益的脂肪替代物，成為健康飲食研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。Liu等[10]制備大豆蛋白/黃原膠復(fù)合物，通過(guò)酶解和熱剪切作用，得到復(fù)合物微粒，該產(chǎn)品可替代冰淇淋中50%的奶油，并展現(xiàn)出與全脂冰淇淋同樣的口感。Yan等[11]對(duì)大豆蛋白水解物及其黃原膠混合物進(jìn)行熱剪切處理，以得到的微粒子化復(fù)合物作為脂肪替代品，研究表明，該微粒子化復(fù)合物具有更好的融化性能和與全脂冰淇淋最接近的感官特征。基于蛋白/多糖復(fù)合物作為脂肪期替代物的一系列優(yōu)勢(shì)，該類(lèi)替代物必將成為該行業(yè)研究熱點(diǎn)。

以實(shí)驗(yàn)室提取的懷山藥多糖/蛋白混合物為原料，并復(fù)配一定量SPI制備復(fù)合納米凝膠體系，研究其在低脂冰淇淋生產(chǎn)中的應(yīng)用。探討不同復(fù)配比例SPI添加量對(duì)懷山藥多糖/蛋白復(fù)配體系納米凝膠的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響；研究該產(chǎn)品作為脂肪替代物對(duì)冰淇淋品質(zhì)的影響，并確定其最佳替代比例。試驗(yàn)為低脂食品的生產(chǎn)應(yīng)用提供理論和方法指導(dǎo)，可為懷山藥作物的高值化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮懷山藥（溫縣三和堂懷藥有限公司）；大豆分離蛋白（不二富吉科技有限公司）；脫脂奶粉（新西蘭進(jìn)口分裝）；淡奶油（青島雀巢有限公司）；乳化穩(wěn)定劑（廉江泰興生物科技有限公司）；白砂糖（湖北億龍食品有限公司）。

1.2 懷山藥多糖/蛋白復(fù)配體系納米凝膠的制備及性質(zhì)檢測(cè)

1.2.1 納米凝膠制備[12]

將懷山藥加熱水打漿后，于60 ℃攪拌提取4 h，離心取上清液，上清液經(jīng)減壓濃縮至原體積1/5，加4倍95%乙醇沉淀過(guò)夜，離心取沉淀，冷凍干燥，即得到懷山藥多糖和蛋白混合提取物（CPP），將CPP和SPI按質(zhì)量比10∶0，9.5∶0.5，9∶1，8.5∶1.5和8∶2混合溶于去離子水中，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，5組分別使用TGL-16M型離心機(jī)（上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司）按3 000 r/min離心20 min取上清。磁力攪拌離心后所得懷山藥多糖和蛋白混合物溶液，緩慢加入離心后等體積的SPI溶液。在溶液中加入CaCl2使其終濃度為30 mmol/L。攪拌均勻后，將溶液置于40 ℃水浴保持30 min，并同時(shí)使用90-2型磁力攪拌器（上海瀘西分析儀器廠有限公司）從350 r/min逐漸升高至1 000 r/min轉(zhuǎn)速以使大分子在溶液中均勻充分分散。然后，將分散液置于90 ℃水浴中加熱45 min，冷卻至室溫后放入4 ℃冰箱過(guò)夜，即得到懷山藥多糖/蛋白復(fù)配體系凝膠。

將制得的凝膠置于25 ℃水浴30 min，然后取適量凝膠以6.25%比例與去離子水混合攪拌，同時(shí)補(bǔ)充CaCl2溶液，使終濃度為15 mmol/L。使用AF-B1均質(zhì)機(jī)（上海艾楓機(jī)電設(shè)備有限公司）室溫下處理該混合液2 min，隨后使用MS-3000高速磁力攪拌器（拉脫維亞BIOSAN公司）按2 000 r/min室溫?cái)嚢?0 min，使用FS-200T超聲均質(zhì)機(jī)（上海生析超聲儀器有限公司）室溫下處理該混合液5 min，使用GYB40-10S型高壓均質(zhì)機(jī)（上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠）室溫下處理該混合物2 min，即得到山藥多糖/大豆蛋白共價(jià)結(jié)合物納米凝膠。

1.2.2 粒徑測(cè)定

采用MICROTRAC S3500型激光粒度儀（美國(guó)電子公司）測(cè)定濕態(tài)納米凝膠懸浮液粒徑，根據(jù)Chanamai R等[13]的方法，略有改動(dòng)。吸取10 μL濕態(tài)納米凝膠懸浮液樣品，以蒸餾水將懸浮液稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%，以乳液粒度分布和平均粒徑為指標(biāo)記錄試驗(yàn)結(jié)果，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次，取平均值。

1.2.3 持水性測(cè)定

根據(jù)Boutin等[14]方法適當(dāng)修改。離心管稱重，稱取一定量納米凝膠干樣品置于離心管中，配制1%的水溶液置于離心管中，在85 ℃水浴條件下保溫10 min，在18~20 MPa下均質(zhì)，老化3 h，高速離心（5 000 r/min），棄去上清液，倒置10 min，準(zhǔn)確稱取含有沉淀的離心管質(zhì)量。根據(jù)式（1）計(jì)算持水率A。

式中：W0為干樣品的質(zhì)量，g；W1為離心管加干樣品的質(zhì)量，g；W2為離心管加沉淀的質(zhì)量，g。

1.2.4 質(zhì)構(gòu)測(cè)定

稱取一定質(zhì)量濕態(tài)納米凝膠，使用TA. XT質(zhì)構(gòu)儀（英國(guó)SMS公司）對(duì)其質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測(cè)定，評(píng)價(jià)納米凝膠質(zhì)構(gòu)特性。參數(shù)設(shè)定：選用直徑50 mm的圓柱形探頭（P/50）；測(cè)前速率、測(cè)試中速率、測(cè)后速率均為1 mm/s；觸發(fā)力為5 g；壓縮變形量設(shè)置為30%；間隔時(shí)間5 s；數(shù)據(jù)采集率為200 pps。

1.3 懷山藥多糖/蛋白復(fù)配體系納米凝膠替代乳脂對(duì)冰淇淋品質(zhì)的影響

1.3.1 冰淇淋的制備

采用CPP和SPI按9∶1混合制得的濕態(tài)納米凝膠YG替代0（對(duì)照組），25%，50%，75%和100%淡奶油，制作冰淇淋漿。每百克冰淇淋漿料對(duì)照組及試驗(yàn)組配方見(jiàn)表1。

表1 冰淇淋用料及配比 單位：g/100 g

冰淇淋漿制備步驟：參考鄭環(huán)宇等[15]的方法，將上述原料混合，并在70 ℃下攪拌20 min，巴氏殺菌（85 ℃，25 s）后使用均質(zhì)機(jī)均質(zhì)，將得到的冰淇淋漿于4 ℃老化6 h，再轉(zhuǎn)移至-20 ℃凝凍3 h，得到冰淇淋產(chǎn)品。

1.3.2 膨脹率測(cè)定

取適當(dāng)大小容器，分別裝入凝凍前冰淇淋漿料和凝凍后冰淇淋漿料，根據(jù)式（2）計(jì)算冰淇淋膨脹率。

式中：X為膨脹率，%；M1為冰淇淋料漿質(zhì)量，g；M2為冰淇淋質(zhì)量，g。

1.3.3 抗融性測(cè)定

在恒溫（25 ℃）恒濕條件下，取50±1 g形狀和大小相同的不同冰淇淋樣品置于網(wǎng)篩上，下方放一培養(yǎng)皿用以收集融化的樣品，每間隔15 min拍照1次并記錄融化的冰淇淋的質(zhì)量，共記錄60 min。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，融化的冰淇淋的質(zhì)量為縱坐標(biāo)作圖，所得曲線的斜率即為樣品的融化速率。

1.3.4 感官評(píng)定

根據(jù)賀紅軍等[16]的方法適當(dāng)修改。在25 ℃條件下，選擇20位具有正常感官分辨能力、身體健康的人員在室內(nèi)白熾燈下進(jìn)行感官評(píng)定，評(píng)定指標(biāo)主要包括咀嚼時(shí)感到的口味、軟硬、黏稠、爽滑以及總體可接受程度等。隨機(jī)分配樣品，逐項(xiàng)打分，選取評(píng)定人員總分并計(jì)算平均分為最終評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 多糖/蛋白復(fù)配體系納米凝膠結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析

2.1.1 粒徑

從圖1可以看出，在不添加SPI情況下的納米凝膠平均粒徑為58.2 nm。隨著SPI復(fù)配比例增大，其混合體系的凝膠粒徑呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。SPI復(fù)配比例5%時(shí)粒徑最小，SPI復(fù)配比例高于5%時(shí)，其平均粒徑開(kāi)始逐漸增大，這可能與懷山藥多糖和SPI之間的相互作用有關(guān)，結(jié)果表明制得的納米凝膠粒徑與SPI添加量有一定相關(guān)性，加入SPI越多，凝膠粒徑越大。

圖1 不同SPI復(fù)配比例對(duì)凝膠體系平均粒徑的影響

2.1.2 持水率

圖2 為SPI濃度對(duì)所成凝膠持水率的影響。隨著SPI濃度增加，制得的多糖蛋白納米凝膠持水率先增大后減小，SPI復(fù)配比例從0升至10%時(shí)，凝膠持水率顯著提高，這是由于加入的SPI越多，蛋白質(zhì)含量越高，溶度越大，與水分子形成的氫鍵越多，能保留的水分也就越多[17]。但SPI復(fù)配比例達(dá)到一定的值后，凝膠持水率開(kāi)始下降，這可能與多糖-蛋白質(zhì)復(fù)合時(shí)所形成的凝膠呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，所形成的網(wǎng)狀空隙會(huì)截留一部分水，凝膠形成完全時(shí)，吸收的水分達(dá)到最大值，溶液中的溶質(zhì)會(huì)結(jié)合一定的水分，使得凝膠持水率有所下降[18]。

圖2 SPI濃度對(duì)納米凝膠持水率的影響

2.1.3 質(zhì)構(gòu)分析

由表3可知，由于SPI復(fù)配比例不同，所形成的納米凝膠表現(xiàn)出不同的質(zhì)地特性，表明加入的SPI比例對(duì)凝膠存在一定影響，SPI添加量增加，形成的納米凝膠黏度逐漸增大，SPI復(fù)配比例0~10%時(shí)，制備的納米凝膠硬度和彈性呈增加趨勢(shì)，SPI復(fù)配比例15%~20%時(shí)，其凝膠硬度和彈性開(kāi)始下降，這可能與懷山藥中的多糖與SPI之間存在相互排斥作用有關(guān)，由于體系內(nèi)的排阻作用使懷山藥多糖/蛋白質(zhì)及SPI混合凝膠增效，大豆蛋白濃度的提高促進(jìn)凝膠形成，提高凝膠強(qiáng)度[19]。但SPI復(fù)配量超過(guò)某一濃度，會(huì)因其間的排斥作用產(chǎn)生絮凝，導(dǎo)致凝膠硬度及彈性逐漸降低。José等[20]研究表明，在一定條件下，多糖的存在有利于改善大豆蛋白水解物的凝膠性，但與生物聚合物的濃度和分子量有關(guān)，利用大豆蛋白水解物和半乳甘露聚糖混合物、控制生物聚合物的濃度和分子量，可以改善生物聚合物的功能。

表3 不同SPI復(fù)配比例下納米凝膠質(zhì)構(gòu)分析

2.2 代脂冰淇淋品質(zhì)

2.2.1 冰淇淋膨脹率檢測(cè)結(jié)果

膨脹率是確定空氣含量和評(píng)價(jià)冰淇淋品質(zhì)的主要指標(biāo)之一。如圖3所示，5種不同的YG替代奶油比例制得的冰淇淋樣品膨脹率在41.72%~68.16%之間，呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。其中YG替代量從0到75%時(shí)膨脹率提升最為顯著，膨脹率增加26.44%，而脂肪替代率繼續(xù)增大時(shí)，膨脹率從68.16%降低到57.42%。這是由于乳脂替代品被添加入冰淇淋中時(shí)，由于多糖和蛋白質(zhì)所形成的納米凝膠可以束縛冰淇淋中的水分[21]，水分子遷移受阻，冰淇淋的黏度因此增大，對(duì)氣泡的吸附和穩(wěn)定性增強(qiáng)，但冰淇淋內(nèi)部過(guò)于黏稠，會(huì)阻止劇烈的攪動(dòng)和空氣進(jìn)入，導(dǎo)致膨脹率降低。

圖3 不同YG替代奶油比例對(duì)冰激凌膨脹率的影響

2.2.2 冰淇淋抗融性檢測(cè)結(jié)果

抗融性是指冰淇淋對(duì)室溫的耐受程度，抗融性差的冰淇淋入口會(huì)影響口感。冰淇淋在室溫下的融化速率可以有效地反映冰淇淋的抗融性。如圖4所示，不同YG替代奶油比例表現(xiàn)出不同融化速率，YG替代奶油比例25%時(shí)冰淇淋融化速率最大，這是由于冰淇淋膨脹率和奶油的減少會(huì)增大冰淇淋的傳熱速率。替代奶油比例增大到75%時(shí)，冰淇淋融化速率降低，這可能與冰淇淋的膨脹率增大有關(guān)，熱傳導(dǎo)速率變慢，導(dǎo)致融化率降低[22]。進(jìn)一步增大冰淇淋奶油替代率時(shí)，其融化率有上升。這是由于乳脂大量減少會(huì)提高冰淇淋的傳熱速率，因此冰淇淋的融化率增加，說(shuō)明冰淇淋的融化率受奶油含量和膨脹率影響。

圖4 不同YG替代奶油比例對(duì)冰淇淋抗融性的影響

2.2.3 冰淇淋感官評(píng)價(jià)

從表4可以看出，不同的YG替代奶油比例對(duì)冰淇淋的感官品質(zhì)有一定影響，YG替代奶油量100%時(shí)，冰淇淋的黏稠感及顆粒感評(píng)分最高，其黏稠感及顆粒感均隨YG替代量增加而增大，與對(duì)照組相比，兩者皆在YG添加量達(dá)到一定值時(shí)逐漸表現(xiàn)出優(yōu)越性。冰淇淋的順滑感在YG替代奶油量75%時(shí)最佳，即感官評(píng)分最高，YG替代量50%時(shí)冰淇淋的口融性效果最好，YG替代量75%的冰淇淋口融性次之。冰淇淋的顆粒感與對(duì)照組相比有顯著差異，并隨YG替代量的增加其顆粒感越明顯，評(píng)分越高。因此，從冰淇淋的整體感官評(píng)分來(lái)看，YG替代量75%時(shí)，其感官評(píng)分最高，品質(zhì)最好。

表4 不同YG添加量對(duì)冰淇淋感官品質(zhì)的影響單位：分

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究分析不同SPI復(fù)配比例對(duì)懷山藥多糖/蛋白復(fù)配納米凝膠體系的粒徑、持水率及質(zhì)構(gòu)的影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合凝膠的SPI配比進(jìn)行優(yōu)化選擇。將制備所得多糖/蛋白復(fù)配體系納米凝膠作為脂肪替代物添加到冰淇淋中，分別以5種不同YG替代奶油比例進(jìn)行冰淇淋奶油最佳配比的選擇，并探討不同YG替代奶油比例對(duì)冰淇淋膨脹率、抗融性及感官品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在SPI復(fù)配比例10%時(shí)所制備的懷山藥多糖/蛋白復(fù)配納米凝膠體系品質(zhì)最好；在YG替代奶油比例75%時(shí)冰淇淋的膨脹率、抗融性及感官品質(zhì)明顯優(yōu)于對(duì)照組及其他YG替代量。