豬皮蛋白粉乳化特性及其乳液穩定性研究

王昱圭,張櫸,戴宏杰,2,3,馮鑫,馬良,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)

豬皮是豬肉加工副產物,約占豬胴體質量的10%,豬皮含水分46%,蛋白質26.4%,脂肪22.7%,灰分0.6%,其中膠原蛋白質量占蛋白質總質量的87.8%[1]。在食品行業中,豬皮被廣泛應用于肉制品加工中,如香腸、肉糜等,以提高產品的持水性和嫩度,改善產品切片性等[2]。這是因為在乳化肉制品中,具有兩親性的大分子物質的添加能夠改善體系穩定性,從而改善產品的持水性和質構特性[3]。膠原蛋白由于含有豐富的羥脯氨酸和脯氨酸而具有良好的乳化性和乳化穩定性,因此被應用于腸類肉制品、乳制品和焙烤類食品中[4]。WANG等[5]發現將膠原蛋白超細粉加入哈爾濱紅腸中,紅腸的彈性模量增加,肉糊穩定性增強,烹飪損失降低。明膠是膠原的部分水解產物,也具有一定的乳化性和乳液穩定性[6]。PARK等[7]將豬皮明膠加入香腸中,提高了香腸的持水力、黏度及蒸煮產量。但無論是膠原蛋白還是明膠均需經過較為繁瑣的提取程序,限制了其在肉制品品質改善中的應用。相較而言,豬皮蛋白粉(porcine skin protein powder,PSPP)提取工藝較為簡單,且成本低廉,這可能為其在乳化肉制品體系中的應用提供新思路。黃正芬等[8]研究表明PSPP比豬皮明膠具有更多的三螺旋結構,顯示出更高的持水性和持油性。此外,本課題組前期研究發現[9],膠原基物質經過微凝膠化等適度處理后具有更好的乳化性。因此,以豬皮為原料制備乳化型PSPP,替代食品加工中使用的乳化劑,為清潔標簽產品提供乳化解決方案具有理論可行性。結合目前已有報道,以PSPP作為乳化劑直接穩定乳液的研究仍相對較少。

因此,本研究以豬皮為原料,通過預煮、脫脂、干燥、超微粉碎等工藝得到PSPP,以大豆油為油相,研究了不同PSPP添加量對乳液性質的影響,主要包括乳液的外觀、液滴尺寸大小、流變學特性、儲存穩定性、離心穩定性和凍融穩定性進行研究,以評估PSPP的乳化特性,進而為豬皮的高附加值加工利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豬皮,市售;蔗糖脂肪酸酯,上海源葉生物科技有限公司;大豆油,九三糧油工業集團有限公司。

1.2 設備與儀器

FA604B電子天平,上海精天電子儀器有限公司;MULTIFUGE X3高速冷凍離心機,賽默飛世爾科技中國有限公司;KQ3200DV超聲波清洗儀,昆山市超聲儀器有限公司;JZM-JR351絞肉機,中山市金正生活電器有限公司;SYFM-8Ⅱ超微粉碎機,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;Mastersizer3000激光粒度儀,馬爾文帕納科公司;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。

1.3 實驗方法

1.3.1 PSPP的制備

將新鮮豬皮洗凈后刮去油脂層,沸水預煮10 min后進一步刮去油脂層。用45 ℃的溫水進行漂洗后,放入常溫水中冷卻,撈出瀝干后用絞肉機進行絞碎。將豬皮塊按料液比為1∶2.5(g∶mL)加入質量分數為0.06%蔗糖脂肪酸酯溶液中超聲波脫脂(20 min、60 ℃、120 W),每10 min更換1次脫脂液;脫脂完成后用水清洗并瀝干水分。將豬皮塊放入烘箱干燥(12 h、55 ℃);將干燥豬皮塊放入超微粉碎機中進行粉碎,得到的粉末即PSPP。

1.3.2 乳液的制備

取6 mL不同質量分數的PSPP分散液(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%),加入9 mL大豆油,通過高速分散處理(15 000 r/min、90 s)得到乳液。

1.3.3 乳液外觀及光學顯微鏡觀察

使用相機拍攝乳液外觀照片,從宏觀角度評價乳液的穩定性。用SDS(1%)將乳液按照1∶1體積比稀釋,然后采用正置熒光光學顯微鏡觀察其微觀形貌。

1.3.4 液滴尺寸測定

用激光粒度儀對乳液液滴的尺寸進行測定。設定樣品折射率為1.42,分散介質折射率為1.33,用d4,3表示液滴的平均直徑。

1.3.5 乳液的流變學測試

采用模塊化旋轉與界面流變儀進行測定。夾具選用直徑為25 mm的不銹鋼板,測試間隙為1 mm。為確定乳液樣品的線性黏彈區,將頻率設置為1 Hz,在0.05%～100%的范圍內進行應變掃描。

穩態剪切:25 ℃條件下,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。

頻率掃描:在固定應變0.1%,25 ℃條件下,從0.1～100 rad/s對樣品進行頻率掃描,獲得乳液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率的變化曲線。

溫度掃描:在溫度掃描時,將樣品放置于測試區域后,需在樣品表面涂一層硅油防止樣品中的水分蒸發從而影響測試。溫度掃描分2段測定,在固定應變0.1%和固定頻率1 Hz下進行,首先從25 ℃升至90 ℃,再從90 ℃降至25 ℃,速率均為5 ℃/min。

1.3.6 乳液穩定性測定

1.3.6.1 儲存穩定性測定

將新鮮乳液放置于4 ℃冰箱中,記錄并拍攝0 d和30 d的外觀照片及微觀結構圖像,以評估乳液的儲存穩定性。

1.3.6.2 離心穩定性測定

將新鮮乳液離心后(10 000 r/min、20 min、4 ℃),觀察并拍攝乳液在離心前后的外觀照片以評估乳液的離心穩定性。

1.3.6.3 凍融穩定性測定

將新鮮乳液-20 ℃儲存24 h后,室溫解凍;觀察并拍攝凍融前后的外觀照片以評估乳液的凍融穩定性。

1.3.7 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 PSPP濃度對乳液特性的影響

2.1.1 乳液的外觀圖及微觀形貌

由圖1-a乳液外觀及微觀圖像可知,所有濃度下的PSPP均可制備乳液。隨著PSPP添加量的增大,乳液析水量逐漸減少。當PSPP添加量達到2.0%～3.0%時,乳液不再析水。微觀結果表明,隨著PSPP添加量的增加,大液滴的數目逐漸減小,液滴呈現逐漸均勻且減小的狀態。當PSPP添加量達到3.0%時,液滴尺寸最小且分布均勻。這歸因于隨著PSPP的添加,更多的PSPP分子吸附在油水界面上,在一定程度上減少了乳液的聚集和絮凝,并形成了致密的網絡結構,從而降低乳液液滴之間的碰撞,保留較小的乳液液滴[10]。此外,乳液穩定性在很大程度上與液滴大小有關,尺寸越小的液滴穩定性相對越高,而尺寸較大的液滴容易在運輸或儲藏過程中發生分離和聚集,從而使乳液結構受到破壞[11]。

a-外觀、微觀圖;b-液滴尺寸分布圖圖1 不同質量分數PSPP制備的乳液外觀、微觀圖和液滴尺寸分布圖像Fig.1 The appearance and micromorphology of emulsions prepared with different PSPP concentrations, and images of particle size distribution in water

2.1.2 液滴尺寸

由圖1-b液滴尺寸分布可得,隨著PSPP濃度地增加,乳液的液滴分布峰由300 μm向40 μm偏移,意味著更小液滴的形成。粒徑結果顯示,隨著PSPP添加量從0.5%增加至3.0%,乳液的d4,3由271.33 μm顯著下降到43.23 μm(P<0.05),這可能是因為隨著PSPP添加量的增加,更多的PSPP顆粒可以快速吸附在油界面并覆蓋油滴,導致液滴尺寸減小[12],這與微觀結構的結果一致。通常情況下,液滴尺寸越小,乳液穩定性相對越高[11]。TANG等[13]研究發現隨著大豆蛋白濃度的增加,形成乳液的d4,3由約24 μm逐漸降低到14 μm并具有更好的儲存穩定性。

2.1.3 乳液的流變學性質

為研究不同PSPP添加量對乳液流變學特性的影響,對乳液的黏度、頻率掃描和溫度掃描進行了相關測定。線性黏彈區測定結果顯示(圖2),PSPP添加量0.5%的乳液樣品不具有穩定的線性黏彈區,并且宏觀可觀察到放置一段時間后出現分層現象,說明該顆粒濃度下PSPP不足以穩定油水界面,形成的乳液不穩定。因此后續的流變研究舍去此樣品,應變設置為0.1%(線性黏彈區內)。

圖2 不同PSPP濃度的乳液的線性黏彈區測定曲線Fig.2 Linear viscoelastic zone determination curves of emulsions with different PSPP concentrations

從圖3-a可知,隨著剪切速率的升高(0.1～100 s-1),所有乳液的黏度逐漸降低,表現出剪切稀化的行為,屬于非牛頓流體中的假塑性流體[14]。同時,隨著PSPP添加量的增加,乳液的表觀黏度增加,說明乳液的穩定性增加,其原因可能是隨著PSPP濃度的增加,在乳液中形成了更致密的網絡結構[15]。

a-黏度;b-角頻率圖3 不同PSPP添加量乳液的黏度和角頻率的變化Fig.3 Changes in the viscosity and angular frequency of emulsions with different PSPP concentrations

如圖3-b所示,乳液的模量隨PSPP添加量的增大而增大,且各樣品的G′均大于G″,表現出典型的彈性凝膠行為[16]。當角頻率較低(0.1～10 rad/s)時,乳液的模量隨角頻率的增大而減小,而當角頻率繼續增大時,模量明顯上升,且始終保持G′>G″的彈性結構主導體系,表明乳液均具有較好的穩定性[14]。這是因為PSPP添加量的升高促進蛋白的界面吸附,增加了界面上顆粒的相互作用,形成穩定的網絡結構,從而提高了模量和乳液的穩定性[16]。

從溫度掃描曲線(圖4)可觀察到,在升溫階段,在低PSPP添加量下(1.0%),樣品的G′隨溫度的升高呈現持續降低的趨勢,并出現了G′和G″的交點,表明體系由凝膠轉為溶膠,乳液穩定的結構被破壞[17]。在高PSPP添加量下(1.5%～3.0%),樣品的G′隨著溫度升高而逐漸降低后趨于平緩,說明乳液的穩定性較強。這可能是因為在低PSPP添加量下(1.0%),溫度的升高破壞了液滴之間的相互作用和脆弱的三維網絡結構,增加了液滴的流動性,使液滴間更易發生碰撞,進而降低了G′。隨著PSPP添加量的增加(1.5%～3.0%),更多的蛋白可以覆蓋在油滴表面,增加了液滴的相互作用并形成了緊密的三維網絡結構,使乳液具有更高的G′值和更好的熱穩定性[18]。

圖4 不同PSPP添加量乳液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨溫度的變化Fig.4 Changes of energy storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of emulsions with temperature for different PSPP concentrations

降溫過程中,所有樣品的模量均發生不同程度的升高,但無法達到加熱前的模量,說明乳液的結構在高溫條件下受到了一定程度的破壞[10]。此外,高PSPP添加量(1.5%～3.0%)的乳液在溫度變化中始終保持G′大于G″,說明該溫度范圍內,乳液主要呈現彈性行為,結構較為穩定,這一現象也隨著PSPP添加量的升高更加明顯[19]。

2.2 乳液穩定性評價

2.2.1 儲存穩定性測定

如圖5-a所示,隨著儲存時間的延長(0～30 d),乳液下層析水量逐漸增加;而隨著PSPP添加量的增加,乳液析水現象逐漸被抑制,這主要是由于更多的PSPP顆粒參與了界面以及緊密網絡結構的形成,增加乳液黏度,從而改善了乳液的儲藏穩定性和持水力[12]。微觀結果顯示(圖5-b),隨著儲藏時間的延長,乳液微觀結構的變化不明顯,這可能是因為在低溫儲藏條件下乳液的流動性降低,減少了液滴的相互碰撞和聚集增大[20]。綜上,增加PSPP濃度能夠抑制乳液儲藏析水現象,提高乳液的儲存穩定性。

2.2.2 離心穩定性測定

從圖6可知,在低PSPP添加量下(0.5%),乳液由于離心的破壞力發生嚴重的相分離,產生大量的油和水,較少的乳液被保留。隨著PSPP質量分數的增加(1.0%～3.0%),乳液相分離現象被抑制,更多的乳液被保留。原因可能是在低PSPP添加量下(0.5%),乳液形成的網絡結構比較脆弱,導致毛細血管力、持水以及持油性較差,在離心力的作用下,部分緊密堆積的液滴會發生斷裂和聚結,導致油水分離[21]。而隨著PSPP的添加,更多的PSPP參與界面以及緊密網絡結構的形成,這有助于乳液在離心過程中抵抗變形,并且通過增強毛細管力進一步增強保水和包油能力[21]。

圖6 不同PSPP濃度的乳液離心前后的外觀圖像Fig.6 The appearance of emulsions with different PSPP concentrations before and after centrifugation

2.2.3 凍融穩定性測定

冷凍是食品常用的保存方式之一,大部分乳液食品都需要經歷冷藏,或冷凍后再解凍的過程,因此,良好的凍融穩定性能夠拓展乳液的應用場景。如圖7所示,所有乳液凍融后均發生相分離現象,意味著乳液具有較差的凍融穩定性。這是因為冷凍過程中水相會比油相先形成晶體,迫使未結晶的乳液液滴進入尚未凍結的水中,造成乳液液滴堆積密集[22];同時,冷凍過程中冰晶可破壞乳液中蛋白質界面膜,從而在解凍時出現析油、破乳等現象[23]。隨著添加量的增加,乳液的相分離現象逐漸被抑制,意味著乳液凍融穩定性逐漸被改善,歸因于PSPP的增加使水相中的溶質增加,從而在一定程度上降低了水相凝固點,縮小了水相和油相凝固的溫度差,減少水形成的晶體數量,液滴聚集情況得到改善[24]。此外,隨著濃度的增加,促進了乳液緊密網絡結構的形成,這一定程度上抑制了冰晶的破壞,因此對乳液的破壞程度也有所減小,乳液析油和析水的程度減輕,表現出更好的凍融穩定性。

圖7 不同PSPP濃度的乳液凍融前后的外觀圖像Fig.7 The appearance of emulsion with different PSPP concentrations before and after freezing and thawing

3 結論

本文主要研究了不同PSPP質量分數(0.5%～3.0%)對乳液的理化性質的影響。隨著PSPP添加量的增加,更多的PSPP顆粒可以覆蓋油滴,進而降低了乳液液滴尺寸,提高乳液持水力,當PSPP質量分數達到2.0%～3.0%時,乳液不再析水,穩定性最高;同時,PSPP添加量的增加促進了顆粒在界面的吸附和乳液中緊密三維網絡結構的形成,增加了界面上PSPP的相互作用,從而提高了乳液的表觀黏度、模量和熱穩定性,進而改善了乳液的儲藏、離心、凍融穩定性。因此,本文可為PSPP作為乳化型功能性組分在肉制品加工中應用提供理論依據和指導意義。