復配乳化劑協同作用對攪打稀奶油穩定性及攪打品質的影響

宋志鑫,王文瓊,袁佩佩,瓦云超,顧瑞霞

(江蘇省乳品生物技術與安全控制重點實驗室,揚州大學 食品科學與工程學院,江蘇 揚州,225127)

攪打稀奶油是一類以無水奶油為主要原料制備的攪打充氣類食品,奶香濃郁、自然,乳液可用于生產酸奶、冰淇淋等乳制品,賦予產品良好的乳脂風味,攪打泡沫可用于烘焙食品的裱花、涂抹,深受消費者喜愛。我國攪打稀奶油行業起步較晚,如何保證產品有較高穩定性的同時兼具良好攪打品質是行業研究的熱點及難點[1]。

產品的穩定性和攪打品質很大程度上受到乳液脂肪球界面膜及結晶脂肪的影響。界面膜的機械強度較高時,其空間穩定性強,脂肪球不易聚集,乳液穩定性強,但攪打過程中結晶脂肪發生部分聚結的難度也更高[2],攪打品質變差;乳液結晶脂肪的性質包括熱力學性質、晶體尺寸和晶型,對產品的穩定性及攪打性能也有顯著影響[3-5],熱力學性質影響不同溫度下乳液中固體脂肪含量(solid fat content,SFC),攪打稀奶油乳液中SFC質量占全部脂肪的30%～45%時具有良好的促進部分聚結作用[1, 6],可以達到更高的打發率,SFC過低時產品難以攪打成型,過高則導致乳液失穩[7],這是因為脂肪球內過多的晶體可能在加工或低溫貯藏過程中刺破界面膜,導致液滴聚結,同樣,當晶體的尺寸過大時也可能會引發這樣的失穩現象,并且導致攪打泡沫結構粗糙、析水率高[8-9];結晶脂肪的晶型可分為α、β′、β 3種[10],乳液經快速冷卻后發生結晶,首先形成α型結晶體,隨后在低溫貯藏過程中逐漸轉變為穩定性更高的β′、β型[11],這種轉變主要受溫度、時間的影響。β′型晶體熔點適中,穩定性較好,晶體尺寸小,包裹空氣能力強,是攪打稀奶油產品理想的晶型。

攪打稀奶油的傳統工業生產中常通過高壓均質增大總脂肪球膜比表面積從而提高產品穩定性,但過小的脂肪球粒徑會導致產品難以打發[12],因此尋找均質處理中穩定性與攪打品質的平衡點非常重要;近年來有學者注意到通過調整均質壓力、老化時間等工藝參數可以使β′晶型變明顯,攪打泡沫品質更佳[9],然而結晶體尺寸也會變大,易引發乳液失穩,BOEKEL等[13]研究表明快速冷卻的工藝無法達到減小晶體尺寸的目的。除優化工藝外,優化產品配方也是一種提高產品品質的有效方法,乳化劑作為最有效的穩定乳液的添加劑早已被應用于攪打稀奶油的生產中,其穩定乳液的機理為乳化劑分子吸附在油水界面處,顯著降低界面張力,通過Gibbs-Marangoni效應增強乳液穩定性[14]。除此之外,有研究證明親油型乳化劑對O/W乳液結晶脂肪性質有顯著影響,典型的親油乳化劑如單、雙甘油脂肪酸酯(mono-and diglycerides,MAG),它可以作為脂肪結晶的異相成核位點改變結晶脂肪的性質,這為通過添加乳化劑在增強產品穩定性的同時提升攪打品質提供了理論依據。但目前相關文獻大多側重親油乳化劑對SFC及結晶脂肪熱力學性質的影響,鮮有多晶型變化研究,并且當親油乳化劑與親水乳化劑復配使用時脂肪結晶性質與產品品質變化間的關系不甚明確。

為研制兼具穩定性與攪打品質的高品質攪打稀奶油,本課題在前期實驗中探究乳化劑總質量分數在0.00～0.60%的最適用量,實驗結果發現當乳化劑總量為0.30%時產品打發率最高,脂肪球平均粒徑較小,說明產品具有較好的乳液穩定性(實驗結果未公開),但產品整體品質仍有較大提升空間。因此,本實驗固定乳化劑總質量分數為0.3%,選取具有顯著降低界面張力的親水乳化劑吐溫-80(TW-80)與MAG以一定比例復配制備攪打稀奶油,從乳液脂肪結晶性質、界面膜性質變化的角度揭示TW-80與MAG協同作用對產品品質的影響機理,為工業化生產高品質攪打稀奶油提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

無水奶油,新西蘭安佳集團;生牛乳,揚州市揚大康源乳業有限公司;單甘油酯(有效成分為單硬脂酸甘油酯,含量約95%),廣州佳力士添加劑公司;吐溫-80,廣東華納化工有限公司;復配增稠劑,江蘇省乳品生物技術與安全控制重點實驗室提供。

1.2 實驗儀器

APV-1000高壓均質機,德國APV公司;TMS-Pro食品質構儀,美國FTC公司;DSC 8500差示掃描量熱儀,美國PerkinElmer公司;Nano ZS90馬爾文粒子分析儀、Malvern Kinexus Pro旋轉流變儀,英國馬爾文儀器公司;UDK159全自動凱氏定氮儀,北京盈盛恒泰科技公司;H2500R-2高速冷凍離心機,長沙湘儀儀器有限公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 乳化劑復配方法及添加量

復配乳化劑總質量分數固定為0.3%,2種乳化劑的比例分別設置為TW-80∶MAG(T∶M)=1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6(g∶g),制備600.0 g攪打稀奶油產品所需TW-80和MAG用量見下表:

表1 制備600.0 g攪打稀奶油所需TW-80和MAG添加量

1.3.2 黃油基攪打稀奶油制備

無水奶油60 ℃熔化,生牛乳預熱至60 ℃,按實驗要求加入乳化劑,攪拌至完全溶解,將油相緩緩倒入水相,高速剪切10 min,使用高壓均質儀以18 MPa/4 MPa壓力進行二級均質,85 ℃/15 min殺菌處理,迅速冷卻至4 ℃左右,所有產品在4 ℃冰箱老化24 h后測定數據。

1.4 數據測定

1.4.1 產品穩定性測定

1.4.1.1 粒度分布測定

采用馬爾文粒子分析儀測定攪打稀奶油乳狀液粒度分布,準確稱量1.0 g乳狀液,使用去離子水以1∶1 000的比例稀釋,測試溫度25 ℃,每個產品測試3次。

1.4.1.2 Turbiscan穩定性指數測定

將5 mL乳狀液裝入玻璃管,提交至Turbiscan Lab Expert machine,用脈沖近紅外光源(波長880 nm)在30 ℃條件下掃描2 h,間隔10 min采點,平行測定2次。

1.4.2 產品攪打品質測定

1.4.2.1 攪打時間測定

準確稱取200.0 g乳狀液于攪打缸中,使用打蛋器在約160 r/min條件下攪打,記錄從開始攪打直至形成堅挺峰形所需的時間,單位s,每個樣品測試3次,結果取平均值。

1.4.2.2 打發率測定

分別將靜態乳液和攪打成型的泡沫輕輕填充入25 mL鋁盤,表面抹平,稱量質量,每個產品重復測試3次,結果取平均值。打發率計算見公式(1):

(1)

式中:m1,未攪打的稀奶油質量,g;m2,攪打后泡沫的質量,g。

1.4.2.3 泡沫析水率測定

準確稱取30.0 g攪打泡沫于銅絲網,下置一個已恒重的燒杯接取析水,放于35 ℃恒溫箱中,靜置2 h后取出稱量燒杯質量,每個產品重復測試3次,結果取平均值。計算見公式(2):

(2)

式中:m1,2 h后析出水相質量,g;m2,稱取的攪打泡沫的質量,g。

1.4.3 乳液界面膜性質測定

1.4.3.1 表觀黏度測定

使用Kinexus Pro型旋轉流變儀測定乳狀液流變特性,取適量乳狀液樣品平鋪于測試臺上,選擇轉子型號CP4/40,測試溫度4 ℃,剪切速率變化范圍為0.1～100 s-1,以線性取點方式采集數據。平行測定3次。

1.4.3.2 液相蛋白質濃度測定

稱取30.0 g乳狀液于50 mL離心管,使用高速冷凍離心機于4 ℃,10 000×g離心30 min,吸取中層清液,使用全自動凱氏定氮儀測定液相中蛋白質濃度,結果從儀器直接讀取,每個樣品測試3次。

1.4.4 乳液結晶脂肪性質測定

1.4.4.1 熱力學性質測定

稱取10.0 mg樣品于坩堝內,加蓋密封,用N2控制溫度,流速為45 mL/min,程序設置如下:(1)加熱至80 ℃維持3 min至完全融化;(2)以5 ℃/min速率降溫至-30 ℃;(3)-30 ℃維持3 min;(4)以5 ℃/min速率升溫至40 ℃;得到乳液結晶脂肪的結晶、熔化曲線。平行測定2次。

1.4.4.2 脂肪晶型測定

準確移取200 μL待測乳狀液,將待測乳狀液樣品鋪滿檢測片上的方孔,水平放置于多晶X-射線衍射儀測量臺上,測定同質多晶,掃描角度:3°<2θ<30°;掃描速度:2°/min;步長:0.02°。平行測定2次。

1.5 數據分析

各個測試指標的平行實驗數據使用SPSS 22軟件進行差異分析,結果使用(平均值±標準差)的形式表示,P<0.05,差異顯著。數據使用Origin 2018軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 TW-80與MAG比例對攪打稀奶油穩定性的影響

通過測定攪打稀奶油的平均粒徑、Turbiscan穩定性指數(turbiscan stability index,TSI)評價體系的穩定性。由斯托克斯定律可知,脂肪球平均粒徑越小,沉降速率越小,產品穩定性更好[15];TSI是描述產品靜置時體系內脂肪球運動劇烈程度的指標,由Turbiscan多重光散射儀檢測,TSI數值越小,穩定性越好。

由圖1-a可知,隨著復配乳化劑中MAG比例增大,產品脂肪球粒度分布曲線逐漸右移,峰值降低,粒度分布范圍變寬,當T∶M=1∶1時,脂肪球平均粒徑最大僅有(1.06±0.19) μm,當T∶M=1∶6時脂肪球粒徑最大可達(1.95±0.63) μm,即隨著TW-80占比減小,產品平均粒徑增大,與WU等[16]研究結果相符。這樣的變化可歸因于TW-80和MAG對脂肪球界面性質的影響不同,MAG屬于親油型乳化劑,傾向于形成W/O型乳液,而TW-80屬于親水型表面活性劑,能顯著降低分散相界面張力,脂肪球最終粒徑由乳化過程中脂肪球液滴破裂和重新聚結之間形成的平衡決定[17],TW-80分子降低界面張力,減小界面自由能,促進液滴破裂,形成的脂肪球粒徑更小[18],因此當復配乳化劑中TW-80占比下降時,產品脂肪球粒徑會增大。

a-粒度分布;b-TSI

由圖1-b可知,測試2 h后,產品復配乳化劑中MAG占比越大,TSI數值越大,即乳液物理穩定性顯著降低。這樣的現象可以通過脂肪球粒徑變化來解釋,乳液穩定性與脂肪球的粒徑密切相關,大粒徑的脂肪球沉降速率更高,乳液顆粒遷移率和尺寸大小發生明顯變化,乳液穩定性下降。從提高產品穩定性角度,攪打稀奶油復配乳化劑中TW-80與MAG的比例不應超過1∶4。

2.2 TW-80與MAG比例對攪打稀奶油攪打品質的影響

高品質攪打稀奶油應具備打發時間短、打發率高、泡沫穩定性良好等特點[19]。脂肪球界面膜處吸附著大量蛋白質,形成一層黏彈性的蛋白質膜,增強界面膜機械強度[20],攪打充氣過程中結晶脂肪需要刺破界面膜完成部分聚結以形成完整泡沫結構,當更多的界面吸附蛋白質被乳化劑取代后,界面處吸附的蛋白質層變薄弱,液相中蛋白質濃度上升,攪打充氣過程中形成部分聚結的難度下降,攪打時間變長;液相中游離的蛋白質具有良好的起泡能力[1],使得產品打發率上升;泡沫的析水率除與界面蛋白質膜有關外,還受體系表觀黏度影響[21],體系表觀黏度升高,攪打泡沫持水力上升。

由圖2-a可知隨著復配乳化劑中MAG占比增大,產品攪打時間呈顯著增加(P<0.05),即完成部分聚結的難度上升,可預測隨著復配乳化劑中MAG占比增大,復配乳化劑取代界面吸附蛋白質的能力減弱,界面膜機械強度較高,導致產品攪打時間長,這與圖3-b中液相蛋白質濃度隨復配乳化劑中MAG占比上升而下降的實驗結果相符。由圖2-b可知產品打發率先上升、后下降,且變化顯著(P<0.05),當T∶M=1∶4時產品打發率最大達(158.9±1.23)%,產品攪打時間變長、液相蛋白質濃度上升都會提升產品打發率,當復配乳化劑中MAG占比較低時,雖然液相蛋白質濃度較高,但此時攪打時間過短,并且包裹空氣的蛋白質膜強度較弱,新形成的蛋白質氣泡易逸散,因此打發率較低;由圖2-c可知,泡沫析水率先下降、后上升,當T∶M=1∶4時最低僅有(1.55±0.47)%,而T∶M=1∶6時,產品泡沫析水率顯著上升至(9.56±0.64)% (P<0.05),此時產品泡沫持水力很差,結合圖3-a表觀黏度測定結果,可能的原因是體系表觀黏度過低,屈服應力弱,導致泡沫抗析水能力下降。綜上所述可知,若要使產品攪打時間短、打發率高、泡沫析水率低,應將TW-80與MAG比例控制為1∶3～1∶5。

a-攪打時間;b-打發率;c-泡沫析水率

a-表觀黏度;b-液相蛋白質濃度

2.3 TW-80與MAG比例對攪打稀奶油乳液中脂肪球界面膜性質的影響

通過測試剪切流變、液相蛋白質濃度評價產品脂肪球界面膜性質,脂肪球界面膜的性質主要受界面吸附的分子組成、排列影響。剪切流變對界面上生物大分子間的側向相互作用敏感[1],反應脂肪球間的相互作用的強弱,主要受脂肪球間距、界面膜組成影響;液相蛋白質濃度的變化可以反應界面吸附蛋白質被取代的程度,揭示界面膜機械強度的變化,并且游離的蛋白質具有良好的包裹空氣的能力,利于提升起泡率[22-23]。由圖3-a可知,除T∶M=1∶1產品外,其余產品的表觀黏度隨剪切速率增大而下降,即剪切稀化[24],這是因為脂肪球之間的相互作用被逐漸上升的剪切速率破壞。而T∶M=1∶1產品在剪切速率為0.01～0.02 s-1時表觀黏度卻呈現反常的上升趨勢,這可能是因為該產品中TW-80的添加量高,TW-80分子內親水性聚乙氧基脫水山梨糖醇酯尾部大量附著在液滴表面,脂肪球間相互作用變強,使乳液表觀黏度增大[25],對較低的剪切速率不敏感。除反常部分外,在相同剪切速率作用下產品的表觀黏度隨復配乳化劑中MAG比例增大而降低,結合圖1-a,當產品脂肪球粒徑越小,產品表觀黏度越高,這是因為乳液中脂肪球粒徑減小,數量增多,脂肪球間距縮短,脂肪球間相互作用增強,使產品表觀黏度升高[26]。

由圖3-b可知,隨著復配乳化劑中MAG占比增大,產品液相蛋白質濃度顯著下降(P<0.05)。親水乳化劑取代界面吸附蛋白質的能力比親油乳化劑更強[27],當復配乳化劑中TW-80比例減小,MAG占比升高,取代界面吸附蛋白質的能力也相應減弱,表現為液相中的蛋白質濃度顯著下降。當T∶M達到1∶4～1∶6時,產品中液相蛋白質濃度無顯著差異,這可能是由于MAG濃度較高,此時界面性質由小分子乳化劑主導,復配乳化劑與界面處吸附的蛋白質處于動態平衡。由上述實驗結果可知,當復配乳化劑中MAG占比變大,界面吸附蛋白質被取代的程度下降,界面膜的機械強度較高,產品穩定性增強;但與此同時脂肪球粒徑增大,使得產品表觀黏度下降,不利于乳液長期穩定性[1]。若要使產品兼具良好的攪打品質和乳液穩定性,應將復配乳化劑中TW-80與MAG的比例控制為1∶3～1∶4。

2.4 TW-80與MAG比例對攪打稀奶油乳液中脂肪結晶性質的影響

通過測定產品脂肪結晶、熔融曲線及晶型來評價不同的TW-80、MAG比例對結晶脂肪熱力學性質及多晶型轉變的影響。結晶脂肪的含量及物理狀態極大地影響攪打稀奶油乳液穩定性和攪打性能,產品在一定溫度中含有30%～45%結晶脂肪表明產品可以在該溫度下有良好攪打品質,這要求結晶脂肪具有一定的耐熱性。由圖4-a、圖4-b及表2可知,當T∶M由1∶1逐漸變為1∶6時,產品開始結晶溫度TCon及結晶峰值溫度TC1整體呈現下降-上升-下降-上升的復雜變化,當T∶M=1∶5時達到最低,分別為(-20.3±1.3) ℃、(-20.5±1.3) ℃;結晶脂肪開始熔化的溫度TMon無明顯差異,而兩個熔化峰的峰值溫度TM1及TM2均呈先上升、后下降的趨勢,當T∶M=1∶5時產品TM1、TM2最高,分別為(2.6±0.3)、(15.4±0.4) ℃,熔化過程吸收總焓最高,達(187.5±6.8) J/g,由圖4-b實驗結果可知,當T∶M=1∶5時,產品結晶脂肪的耐熱性最好,一方面MAG是甘油三酯衍生物,可以與油相很好地互溶,作為結晶脂肪異相成核的位點[18],增加了結晶脂肪的含量,這可以通過表2中吸收總焓、釋放總焓的變化證明;另一方面MAG本身熔點較高[18],可以提高低熔點結晶脂肪的熔化溫度[28],增強結晶脂肪的耐熱性。

a-結晶曲線;b-熔化曲線;c-晶體形態;d-β′晶型含量

表2 TW-80與MAG的比例(T∶M)對攪打稀奶油脂肪結晶、熔化溫度的影響

圖4-c、圖4-d分別為產品XRD曲線及根據周緒霞等[9]的方法計算得到的β′晶型含量。由圖4-c可知,當T∶M=1∶1～1∶3時,產品的XRD曲線在4.20 ?、3.80 ?附近均有強吸收峰,對應β′晶型[10, 29],并且吸收峰很強,即該產品結晶脂肪中β′晶型晶體含量豐富;繼續提高復配乳化劑中MAG的比例,曲線變平緩,無明顯吸收峰,即晶體尺寸減小[30],且形態無顯著差異。這樣的差異可能是由于復配乳化劑中MAG的比例變化導致。MAG可以作為異相成核位點促進晶體形成,顯著影響晶體形成及生長、晶型轉變階段,改變晶體的尺寸和排列,但具體的機制仍未被掌握。由實驗結果可知,復配乳化劑中適量的MAG比例可以抑制β′型向β型轉化,但當MAG占比過高時,晶體尺寸顯著減小,結晶體變為無明顯差異的混合態,對產品攪打品質無貢獻。

3 總結

本課題組通過前期實驗確定了乳化劑總質量分數為0.3%時產品打發率較高,穩定性較好,在此條件下使用TW-80及MAG進行復配,改變TW-80與MAG的比例,通過考察界面膜性質變化及脂肪結晶性質變化探究復配乳化劑不同組成對產品穩定性及攪打品質的影響機理,實驗結果發現,隨著復配乳化劑中MAG占比增大,界面膜吸附蛋白質被取代的程度下降,界面膜黏彈性更強,產品穩定性上升,但更難攪打成型;當T∶M比例達到1∶3～1∶4時產品結晶脂肪β′晶型明顯,此時結晶脂肪晶體尺寸較小,包裹空氣能力強,產品攪打品質更佳。界面膜性質和結晶性質的變化共同決定了產品最終的穩定性及攪打品質,當T∶M達到1∶4時,產品打發率最高,達(158.9±1.23)%,泡沫析水率最低,僅有(1.55±0.47)%,并且擁有良好的乳液穩定性。綜上所述,TW-80與MAG復配使用協同影響產品的界面膜性質及脂肪結晶性質,當T∶M=1∶3～1∶4時產品兼具良好的穩定性及攪打品質,此可以作為工業化生產高品質攪打稀奶油的參考。