熱誘導豬皮蛋白粉基乳液凝膠形成及性質研究

夏夢思,張櫸,戴宏杰,2,3,陳海,2,3,張宇昊,2,3*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,重慶,400715)3(發光分析和分子傳感教育部重點實驗室,重慶,400715)

我國是世界第一豬肉生產大國和消費大國,在生豬宰殺和豬肉加工過程中會產生大量的豬皮,目前絕大部分都用于制革工業中,在其他行業的應用所占比重較小。此外,在制革業中,大量皮革邊角料都被丟棄,導致豬皮利用率較低,造成豬皮資源浪費[1-2]。豬皮中蛋白質含量高達33%,其中膠原蛋白含量最為豐富,約占總蛋白含量的88%[3],具有多種功能特性,如良好的凝膠性和乳化性[4],利用價值較高;且豬皮作為人們常見的一種食物,屬于天然的食品原料,具有作為食品級增稠劑和乳化劑的潛力[5]。

乳液凝膠兼具乳液結構和凝膠三維網絡結構,是乳化油滴填充在凝膠基質中的一種軟固體材料[6-7]。乳液凝膠的制備過程基本可分為兩步:一是乳狀液的制備;二是誘導乳狀液的連續相形成凝膠。乳液凝膠的制備方式主要分為熱誘導、酸誘導、鹽誘導和酶誘導等,其中以熱誘導最為常見。加熱可以使蛋白質分子充分展開發生變性,巰基和疏水基團暴露,通過氫鍵和疏水作用等形成凝膠網絡結構[8-9]。在食品體系中,組成乳液凝膠的基質主要分為3類,即蛋白質、多糖以及蛋白質-多糖復合物。乳化劑是乳液及乳液凝膠制備的關鍵成分。相對于人工合成的小分子表面活性劑,具有良好乳化性、凝膠性和營養價值的天然蛋白質成為乳液及乳液凝膠領域的研究熱點[10]。

目前,動物蛋白中關于明膠、肌原纖維蛋白穩定乳液凝膠研究較多。YUE等[11]研究發現在較高明膠濃度下,制備的乳液凝膠乳化活性和凝膠強度顯著增強。SALA等[12]以明膠為乳液凝膠基質,發現隨著明膠濃度的增大,乳液凝膠的質構特性得到明顯改善。TAKTAK等[13]利用歐洲鰻魚皮明膠(European eel skin gelatin,ESG)制備乳液凝膠,結果表明隨著明膠濃度的增加,形成的乳液凝膠強度增強。但是,由于明膠、肌原纖維蛋白等的提取工藝步驟較為繁瑣[14],這對工業化生產造成了一定限制。因此,開發制備工藝簡單、新型的天然功能性成分對食品工業的發展具有重要意義。

本研究以豬皮為原料,通過簡易的超微粉碎法直接制備得到豬皮蛋白粉(pig skin protein powder,PSPP),以大豆油為油相,添加PSPP制備水包油型乳液,進一步通過加熱、冷藏等處理后形成熱誘導豬皮蛋白粉基乳液凝膠,對其質構特性和持水力進行測定,研究乳液凝膠的微觀結構,分析PSPP濃度及加熱處理對乳液穩定性以及乳液凝膠特性的影響。本研究可為豬皮蛋白粉基乳液凝膠在食品領域的開發利用提供一定的理論基礎和應用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆油,重慶永輝超市,九三集團;功能性蛋白粉(來源于豬皮),自制。十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulphate,SDS),麥克林公司;尼羅紅,solarbio公司;尼羅藍,damas-beta公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FA604B電子天平,上海精天電子儀器有限公司;SYFM-8Ⅱ微粉機器,濟南松岳機器有限責任公司;BX53熒光正置顯微鏡,日本OLYMPUS公司;LSM800激光共聚焦顯微鏡,卡爾蔡司;MCR302模塊化旋轉與界面流變儀,澳大利亞ANTON PAAR公司;HH-4數顯恒溫攪拌水浴鍋,上海新諾儀器設備有限公司;T18高速分散器,美國IKA公司;TA.TOUCH質構儀,上海保圣實業發展有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 豬皮蛋白粉的制備方法

以豬皮為原料,用水對豬皮進行初步清洗,刮去豬皮油脂層;再用沸水將豬皮進行4～10 min的預煮處理,撈出后進一步刮去油脂層,再用40～50 ℃的溫水進行漂洗,撈出放入常溫水中冷卻,瀝干;將豬皮放入絞肉機中進行絞碎得到尺寸為(2～5) mm×(2～5) mm的豬皮塊;將豬皮塊按料液比為1∶2.5(g∶mL)加入脫脂液(0.6 g/L蔗糖脂肪酸酯溶液),利用超聲輔助脫脂(時間為20 min,超聲溫度為60 ℃,超聲功率為120 W);脫脂10 min時更換1次脫脂液;脫脂完成后用水清洗豬皮塊并瀝干水分;將豬皮塊放入55 ℃烘箱干燥12 h;最后將干燥豬皮塊進行超微粉碎,得到的PSPP。

1.3.2 乳液凝膠的制備

分別將6 mL質量濃度為5、10、15、20和30 g/L的PSPP與9 mL大豆油混合,總體積為15 mL,通過高速分散處理(15 000 r/min,90 s)制備得到乳液。將新鮮的乳液放置于80 ℃水浴鍋中加熱20 min以形成乳液凝膠[15],加熱完成后將其迅速冷卻,放置于4 ℃下儲存過夜,并在室溫下平衡后再進行測試。

1.3.3 熱穩定性測定

將制備好的乳液放置于90 ℃的油浴鍋中進行加熱處理,20 min后取出冷卻至室溫,對樣品外觀進行拍照記錄,采用正置熒光光學顯微鏡觀察乳液加熱處理后的微觀結構,同時測定加熱后乳液的流變學特性。穩態剪切:實驗在25 ℃條件下進行,從0.1～100 s-1對乳液進行剪切掃描,獲得樣品黏度隨剪切速率的變化曲線。

1.3.4 乳液凝膠的質構特性

參考ZHUANG等[16]的方法并做適當修改。測試前將凝膠放置于室溫環境30 min,測試參數為:測前速度1.0 mm/s,測定速度0.5 mm/s,測后速度1.0 mm/s,觸發力5 g,形變30%,探頭為P/0.5,對乳液凝膠的彈性、黏聚性、硬度和咀嚼性進行測定。

1.3.5 乳液凝膠持水力測定

參考GENG等[17]和ALAVI等[18]的方法并進行一些修改,稱取3 g(m1)乳液凝膠于10 mL離心管中,在25 ℃,8 000 r/min條件下離心15 min,用注射器將離心出的水吸出,并稱取吸出水的質量(m2),乳液凝膠的持水力(water holding capacity,WHC)由公式(1)計算得出:

(1)

1.3.6 乳液凝膠激光共聚焦顯微鏡觀察

將10 g/L尼羅藍和尼羅紅混合熒光染色劑按照1∶25(mL∶mL)的比例加入制備好的乳液當中,振蕩均勻。將乳液放置于80 ℃水浴鍋中加熱20 min,趁熱制片,取加熱后的乳液放置于載玻片上,輕輕蓋上蓋玻片,避免產生氣泡。將其放置于4 ℃下儲存過夜,以形成可用于激光共聚焦顯微鏡觀察的乳液凝膠。

1.3.7 不同加熱處理對乳液凝膠質構的影響

以30 g/L的PSPP制備乳液,將制備好的乳液進行不同程度的加熱處理,加熱溫度均為80 ℃。處理A為加熱20 min,然后立即在冰水浴中冷卻直至凝固,以此記為加熱1次;處理B為加熱2次;處理C為加熱3次。處理D為連續加熱40 min;處理E為連續加熱60 min。所有樣品加熱完成后均放置于4 ℃儲存,并對乳液凝膠的質構特性進行測定。

1.3.8 數據分析

每次試驗至少重復3次,數據以平均值±標準偏差的形式進行表示,用SPSS 18.0和Origin 2019對試驗數據進行分析、作圖,采用LSD法對數據進行顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 乳液熱穩定性分析

圖1為不同濃度PSPP乳液熱處理后的外觀圖和液滴微觀結構。經過90 ℃,20 min的熱處理后,當PSPP質量濃度為5 g/L時,乳液樣品破乳較為嚴重,底部析水層最多,隨著PSPP濃度的增大,乳液結構更加穩定,析出的水層體積顯著減小。當PSPP質量濃度為5～15 g/L時,熱處理后乳液液滴尺寸顯著增大,而PSPP質量濃度為20和30 g/L的乳液液滴尺寸變化較小。這可能是由于隨著PSPP濃度的增大,乳液黏度增大,乳液液滴間的懸浮速率降低,同時界面蛋白含量增多,導致形成的界面蛋白膜更加牢固,從而使乳液熱穩定性增強[19]。

為了進一步研究PSPP濃度對乳液加熱后的影響,對熱處理后PSPP質量濃度10～30 g/L的乳液樣品進行黏度測定,并以未進行熱處理的乳液作為對照,結果如圖2所示。

a-加熱后乳液黏度曲線;b-乳液加熱處理前后黏度曲線的對比圖2 加熱后乳液黏度曲線及乳液加熱處理前后黏度曲線的對比Fig.2 The viscosity curves of the emulsion after heating and the comparison of the viscosity curves before and after heat treatment

根據結果表明,經過20 min,90 ℃的熱處理后,所有乳液的黏度均升高,這可能是因為加熱破壞了蛋白分子間的作用力,分子間氫鍵斷裂,但在恢復室溫后,蛋白分子又重新形成凝膠網絡結構,使乳液形成乳液凝膠,從而導致乳液黏度升高。另外,隨著PSPP的濃度增大,乳液樣品的黏度逐漸升高,這與乳液熱處理后的外觀及微觀結構的結果一致,表明乳液的穩定性增強,其原因可能是連續相中蛋白濃度增大,連續相黏度相應增加,導致液滴間的相互作用增強,形成了更加致密的網絡結構[20]。乳液熱穩定性結果顯示,加熱后乳液黏度增大,并且在冷卻后形成乳液凝膠,這可能有利于產品在加工過程中抵抗熱處理帶來的破壞,因此,后文進行加熱處理對乳液凝膠性質影響的研究。

2.2 熱誘導乳液凝膠性質研究

2.2.1 PSPP濃度對乳液凝膠的質構特性及持水力影響

由圖3可知,在PSPP質量濃度為5 g/L時,加熱后乳液析出大量水分,出現明顯分層現象,不能形成完整的乳液凝膠,因此,后續關于乳液凝膠相關指標的測定將該樣品舍去。

圖3 乳液加熱后形成乳液凝膠的外觀圖像Fig.3 The appearance image of the heat-induced emulsion gel

全質構分析(texture profile analysis,TPA)測試可以模擬舌頭和牙齒對凝膠的作用[18],因此該測試用于評估乳液凝膠在進食過程中的差別。當油滴填充在凝膠基質中時,乳液凝膠的質地主要取決于凝膠基質,其蛋白質含量會影響乳液凝膠的結構和機械性能[21]。由圖4-a可知,隨著PSPP濃度的增大,乳液凝膠的硬度和黏聚性均顯著增大,這可能是由于隨著PSPP濃度的增大,凝膠基質和液滴之間的相互作用增強,從而使凝膠強度增強[22]。在PSPP質量濃度為15～30 g/L時,隨著PSPP添加量增大,乳液凝膠的彈性和咀嚼性顯著升高,而在PSPP質量濃度為10 g/L時,乳液凝膠的彈性顯著大于其他樣品,這可能與其形成的凝膠網絡結構的剛性更弱有關。持水力是乳液凝膠的主要屬性之一,離心時,凝膠網絡結構被壓縮,從而導致水層析出[23]。由圖4可知,所有乳液凝膠的持水力均高于80%,隨著PSPP濃度的增加,離心后乳液凝膠析出的水層體積明顯減小,持水力顯著增強。這可能是因為隨著PSPP濃度的增加,乳液凝膠形成了更加緊湊且穩定的網絡結構,從而能夠保持更多水分。QAYUM等[24]的研究表明均勻豐富的微結構可能有助于保持凝膠的水分。結合乳液的微觀結構結果,隨著PSPP濃度的增大,乳液凝膠可以形成更加細微緊密、整齊均勻的網絡結構,從而導致乳液凝膠的持水力增強。

a-質構特性;b-乳液凝膠離心后的外觀圖像;c-乳液凝膠的持水力圖4 乳液凝膠的質構特性、乳液凝膠離心后的外觀圖像及乳液凝膠的持水力Fig.4 Texture characteristics, appearance image of emulsion gel after centrifugation and water holding capacity of emulsion gel注:不同的小寫字母代表差異顯著(P<0.05),圖6同。

2.2.2 乳液凝膠的激光共聚焦顯微鏡結果分析

激光共聚焦顯微鏡(laser scanning confocal microscope,CLSM)可以觀察乳液的微觀結構,如乳液液滴大小、界面蛋白框架以及乳滴聚集現象等[25]。采用尼羅藍和尼羅紅染液對蛋白質和油進行特異性染色,乳液凝膠的CLSM結果如圖5所示,綠色球形區域代表油相,紅色區域為水相中的PSPP。蛋白相圍繞在油滴周圍,呈現出水包油乳液的典型形態。由圖5可知,隨著PSPP濃度的增大,液滴直徑顯著減小,這可能是由于隨著PSPP濃度的增加,油水界面的蛋白覆蓋率增大,從而導致液滴尺寸減小,凝膠結構排列更整齊均勻,形成的網絡結構也更加穩定。同時,隨著PSPP濃度的增加,連續相中蛋白含量增多,體系中出現了少量蛋白顆粒聚集的現象。

圖5 乳液凝膠的激光共聚焦圖像Fig.5 Laser confocal image of emulsion gel

2.2.3 長時間和反復加熱對乳液凝膠質構特性的影響

在肉制品加工過程可能會出現反復加熱的情況,因此對乳液進行長時間和反復加熱處理,以探索加熱處理對乳液凝膠性能的影響。由前述PSPP濃度對乳液凝膠特性的影響結果可知,當PSPP質量濃度為30 g/L時,乳液凝膠的性能最好,因此選擇PSPP質量濃度為30 g/L的樣品進行加熱處理研究。結果表明,當PSPP質量濃度為30 g/L時,長時間(60 min)和反復3次加熱均不會使乳液破乳,并且在冷卻后可以形成乳液凝膠,這表明在PSPP質量濃度為30 g/L時,高溫不會破壞乳液的外觀結構。為了進一步研究加熱處理對乳液凝膠結構的影響,對不同加熱處理的乳液凝膠進行TPA測定,結果如圖6所示。加熱處理對乳液凝膠的黏聚性影響較小,但隨著反復加熱次數和加熱時間的增加,乳液凝膠的硬度、咀嚼性以及彈性均發生了較小程度的降低,這表明反復加熱和加熱時間延長會對乳液凝膠性能產生一定的負面影響。但是,由于PSPP具有良好的熱性能,加熱處理對乳液凝膠結構的破壞程度較小,因此,PSPP能夠適用于肉制品加工中反復加熱的過程。

a-硬度;b-彈性;c-黏聚性;d-咀嚼性圖6 經過不同加熱處理形成的乳液凝膠的TPAFig.6 TPA of emulsion gel formed by different heating treatments

3 結論

本研究發現PSPP可以有效改善乳液凝膠的性能。經過20 min,90 ℃的熱處理后,在PSPP質量濃度為5 g/L時,乳液底部析出大量水分,但隨著PSPP濃度的增大,乳液結構越穩定,析出的水層體積減少,質量濃度為20～30 g/L PSPP穩定的乳液具有更好的熱穩定性。流變結果顯示,隨著PSPP濃度的增加,加熱后乳液樣品黏度增大。此外,隨著PSPP濃度的增大,凝膠基質和液滴之間的相互作用增強,乳液凝膠網絡結構更致密,導致乳液凝膠的硬度和黏聚性顯著增加,持水力顯著增強。并且,在PSPP質量濃度為30 g/L時,乳液凝膠能夠抵抗長時間和反復加熱處理。本研究為PSPP乳液凝膠在食品領域中的開發利用提供了新思路,有利于提高豬皮資源的利用價值。