抗氧化劑篩選復配及在咖啡飲料中的應用研究

常旋,徐春明,陳佳,張佳靚,葛麗霞,陽麗紅,王根女,王旭捷,張鑫,陳雄*

1(恒楓食品科技有限公司,浙江 杭州,311200)2(宏勝飲料集團有限公司,浙江 杭州,311200)

食品工業中,常用添加抗氧化劑的方式來減緩氧化降解。抗氧化劑能夠通過抑制氧化鏈式反應的發生或傳播來延遲或抑制油脂等物質的氧化,提高食品保質期[1]。目前,常用的抗氧化劑主要有合成抗氧化劑和天然抗氧化劑。合成抗氧化劑包括丁基羥基茴香醚(butylated hydroxyanisole,BHA)、二丁基羥基對甲酚(butylated hydroxytoluene, BHT)、特丁基對苯二酚(tert-butylhydroquinone, TBHQ)、沒食子酸丙酯(propyl gallate, PG)等[2-3]。天然的抗氧化劑有維生素C、茶多酚(epigallocatechin gallate, EGCG)、維生素E[4]和多種植物提取物如甘草提取物等[5]。

油脂和含脂肪類飲料如植物基奶、咖啡等在高溫、光照等不良貯存環境下會出現脂肪氧化,產生不良風味,影響消費者的感官體驗,常見的解決方案為添加抗氧化劑[6]。王娜等[7]為延緩花生乳中油脂的氧化變質,在花生乳中添加蘋果多酚,明顯提高了花生乳飲料的油脂穩定性。楊春芳等[8]研究發現迷迭香提取物、茶多酚、TBHQ、維生素E等抗氧化劑的加入,明顯改善了米酒奶的風味穩定性。然而,隨著食品工業中產品品類的不斷豐富,單一抗氧化劑逐漸不能滿足食品行業的發展需求,因此不同抗氧化劑之間的復配逐漸成為抗氧化劑發展的必然趨勢[9]。ROMANO等[10]研究發現,迷迭香提取物和BHT等量混合后具有協同抗氧化作用。現有研究表明,抗氧化劑在油脂和O/W乳液中作用效果并不相同。在O/W乳液中,抗氧化劑的能力會因親水相和疏水相之間的分配、乳化劑的性質、油-水界面處的復雜界面效應等發生變化[11],而且對于含脂肪類飲料,脂肪以O/W乳液形式存在。因此探究不同抗氧化劑在O/W乳液中的抗氧化能力很有必要。本研究以椰子油乳液為基礎,探究了多種水溶性和脂溶性抗氧化劑的抗氧化效果,并依此研究成果開發一支含水溶性和脂溶性抗氧化劑的復配抗氧化劑,應用于咖啡飲料研究其對于風味穩定性的影響。研究結果將為開發風味特性更穩定的含脂肪類飲料提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

椰子油,上海捷聰貿易有限公司;變性淀粉,宜瑞安食品配料有限公司;TBHQ,江西凱泰食品科技有限公司;PG,張家界久瑞生物科技有限公司;BHT,江蘇邁達新材料股份有限公司;BHA,Camlin fine化工有限公司;維生素E,浙江伊寶馨生物科技股份有限公司;維生素C,黑龍江新和成生物科技有限公司;綠咖啡豆提取物、EGCG,浙江天草生物科技股份有限公司;甘草提取物、竹葉黃酮、余甘子提取物,浙江圣氏生物科技有限公司;咖啡粉,麥隆咖啡股份有限公司。

磁力攪拌器,艾卡(廣州)儀器設備有限公司;移液槍,艾本德中國有限公司;SPX-250B-Z生化培養箱,上海博訊醫療生物儀器股份有限公司;UV-1800紫外-可見分光光度計,日本島津有限公司;IKA T25高速分散機,德國IKA公司;APV1000均質機,斯必克流體技術有限公司;數顯恒溫水浴鍋,國華(常州)儀器制造有限公司;激光粒度儀3000,馬爾文帕納科公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 DPPH自由基清除率

根據MISHRA等[12]的方法并稍作調整。稱取0.011 0 g DPPH,用無水乙醇稀釋并定容至250 mL,得到0.11 mmol/L的DPPH溶液。準確吸取0.2 mL待測樣與2.8 mL DPPH溶液,混勻后避光放置30 min,517 nm處測定吸光值A。按公式(1)計算DPPH自由基清除率:

(1)

式中:A,0.2 mL待測樣稀釋溶劑和2.8 mL DPPH溶液的吸光值;Ai,0.2 mL待測樣與2.8 mL DPPH的吸光值;Aj,0.2 mL待測樣和2.8 mL無水乙醇的吸光值。

1.2.2 乳液的制備

油相為椰子油,乳化劑為變性淀粉。添加脂溶性抗氧化劑時先將其溶于油相中,水溶性抗氧化劑先溶于水相。剪切條件下將油相添加至水相中,10 000 r/min剪切10 min,剪切后于280 bar均質2次。

1.2.3 油脂氧化

初級氧化產物的測定參考LI等[13]、DONG等[14]的方法,并做一定修改。0.3 mL乳狀液中加入1.5 mLV(異辛烷)∶V(異丙醇)=3∶1混合液,振蕩30 s,3 000 r/min 離心5 min后取0.2 mL有機相與2.8 mLV(甲醇)∶V(正丁醇)=2∶1混合液混合,再加入15 μL硫氰酸銨溶液(3.94 mol/L)和15 μL亞鐵離子溶液(由0.132 mol/L BaCl2溶液和0.144 mol/L FeSO4溶液按體積比為1∶1混合而成),避光反應20 min后,510 nm下測定吸光度。以異丙苯過氧化氫(cumene hydroperoxide, CHP)為標準物繪制標準曲線。

1.2.4 復配抗氧化劑制備

乳化劑為變性淀粉,油相為維生素E。脂溶性抗氧化劑加入時先將其溶于維生素E中,水溶性抗氧化劑先溶于水相。剪切條件下將油相添加至水相中,10 000 r/min剪切10 min,剪切后于280 bar均質2次。

1.2.5 乳液貯藏穩定性

乳液制備完成后,置于55 ℃恒溫培養箱中,貯藏期間定期取樣測定粒徑,結果以粒徑分布和體積平均粒徑D[4,3]呈現。

1.2.6 咖啡飲料的制備

咖啡飲料的工藝流程如下[15]:

原料溶解→混料→調節pH→定容→均質→殺菌→灌裝

原料溶解包括:咖啡粉攪拌溶解并調節pH至7.0;椰子油和穩定劑剪切溶解。原料溶解后混料,并調節pH值至7.0。隨后進行定容均質,均質后進行超高溫瞬時殺菌,最后灌裝得到成品。

1.2.7 咖啡飲料的油脂氧化

初級氧化產物的測定方法同1.2.3節。

1.2.8 感官評價

選擇10名專業感官分析人員成立感官鑒定小組,對咖啡飲料的香氣、滋味、組織狀態和總體接受度進行評價,評價標準見表1。

表1 咖啡感官評分標準Table 1 Sensory scoring criteria for coffee beverages

1.2.9 數據處理

每個樣品設置3組平行,采用SPSS 20.0軟件進行數據分析和DPPH自由基清除率的IC50值,數據結果進行ANOVA方差分析,并以平均值±標準偏差表示。采用Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同抗氧化劑的IC50值

評估抗氧化劑性能的常見方法有DPPH自由基清除法,可以通過半數清除率(IC50,即DPPH自由基清除率為50%時的溶液濃度[16])來評價抗氧化劑自由基的清除能力,IC50值越小,表示抗氧化能力越強[17]。由圖1可知,在一定質量濃度范圍內,抗氧化劑對DPPH自由基的清除效果與其濃度呈現正相關。表2為不同抗氧化劑的DPPH自由基的IC50值,其中TBHQ、PG、EGCG、維生素C和余甘子提取物的IC50值相對較小。

a-水溶性;b-脂溶性圖1 水溶性和脂溶性抗氧化劑的DPPH自由基清除率Fig.1 DPPH radical scavenging rates of water solubility and oil solubility antioxidants.

表2 不同抗氧化劑DPPH自由基的IC50值Table 1 IC50 values of DPPH free radicals of different antioxidants

2.2 椰子油乳液的穩定性

2.2.1 粒徑穩定性

本研究以椰子油乳液為模型,研究不同抗氧化劑的抗氧化效果。圖2為椰子油乳液初始和55 ℃貯藏8周后的粒徑分布圖。

由圖2可知,椰子油乳液在0.8 μm處呈單峰分布,55 ℃貯藏8周后粒徑分布基本沒有變化。初始和55 ℃貯藏8周后D[4,3]均為0.9 μm(結果未顯示)。結果表明該椰子油乳液體系穩定性較好,可以作為研究模型進行后續抗氧化效果的驗證。

圖2 椰子油乳液的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of coconut oil emulsion

2.2.2 組成和氧化穩定性

食品添加劑需滿足GB 2760—2014 《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》的要求。其中,要求BHT、BHA和TBHQ類抗氧化劑在油脂中的添加量≤0.2 g/kg。因此后續以BHT在油脂中的添加量0.02%為標準,根據DPPH自由基清除效果確定其他抗氧化劑的添加量。最終添加量如表3所示。

表3 不同抗氧化劑的添加量Table 3 The amount of different antioxidants.

由于溫度和光線的影響,食用油的氧化自然會發生[18]。圖3為水溶性和脂溶性抗氧化劑對55 ℃和光照下貯藏8周期間椰子油乳液初級氧化產物的影響。不同測定體系的差異,如溶劑物理性質、體系微觀結構等對抗氧化劑在體系中的分散情況有較大影響,進而影響抗氧化劑的作用機制與效果。在O/W乳液中,抗氧化劑的性能不僅與其化學性質有關,還與其物理性質有關。抗氧化劑在水相、油相和油-水界面的分配對抗氧化效率有關鍵的影響。因此在DPPH自由基清除體系和椰子油乳液體系中的效果可能會有所差異。

貯藏期間,空白椰子油乳液在不同條件下的初級氧化產物均逐漸增多。55 ℃貯藏8周后初級氧化產物為4 mmol CHP/kg,水溶性和脂溶性抗氧化劑的加入均改善了油脂氧化的程度。光照條件下,油脂氧化的更迅速,8周后空白乳液的初級氧化產物累積至29.9 mmol CHP/kg油。除維生素C以外,水溶性抗氧化劑的加入均降低了脂肪氧化的程度。其中,效果最好的是甘草提取物和竹葉黃酮,光照下貯藏8周后的氧化產物分別為10.4、8.1 mmol CHP/kg,減少了65%和73%。脂溶性抗氧化劑中,光照條件下PG的抗氧化效果最差。光照貯藏4周期間,維生素E的抗氧化效果最好。根據上述結果可知,抗氧化劑在乳液中并沒有表現出原有的抗氧化性。WANG等[19]發現,迷迭香提取物與BHT的DPPH自由基清除效果相似,但在亞麻籽油中,迷迭香提取物的抗氧化效果優于BHT。這也與金清馨[17]的研究結果一致,可能與在乳液中的分布位置相關,也可能和自身所含有的功能性成分有關,抑制或增加了抗氧化能力。

根據初級氧化產物的結果可以看出,水溶性抗氧化劑中效果較好的是竹葉黃酮和甘草提取物,脂溶性抗氧化劑中相對效果較好的是BHA、BHT、TBHQ[20]和維生素E。多項研究表明,BHA、BHT、TBHQ這類合成抗氧化劑可能存在潛在毒性,且國標對添加量有所限制,油脂氧化結果雖然與維生素E有顯著性差異但差別并不大,因此后續選擇維生素E為脂溶性抗氧化劑[12,21]。

a-水溶性抗氧化劑55 ℃;b-水溶性抗氧化劑光照;c-脂溶性抗氧化劑55 ℃;d-脂溶性抗氧化劑光照圖3 不同抗氧化劑在55 ℃和光照下對椰子油乳液抗氧化效果的影響Fig.3 Effects of different antioxidants on the antioxidant effect of coconut oil emulsion at 55 ℃ and light注:圖中小寫字母表示存在顯著性差異(P<0.05)(下同)。

2.3 復配抗氧化劑組成及穩定性

研究表明,在O/W乳液中,脂溶性抗氧化劑和水溶性抗氧化劑分別傾向于在油相和油-水界面發揮抗氧化作用。DAI等[22]研究發現,α-生育酚作為脂溶性抗氧化劑在油相中清除自由基,茶多酚作為水溶性抗氧化劑在油-水界面清除自由基,從而達到協同增效的作用。因此,不同極性抗氧化劑的復配很有必要。

根據前期實驗結果,最終篩選出抗氧化效果較好的脂溶性抗氧化劑維生素E,水溶性抗氧化劑甘草提取物和竹葉黃酮。因此以脂溶性抗氧化劑維生素E為油相,并固定含量為15%(質量分數,下同)(根據前期實驗數據,維生素E含量為15%時抗氧化劑乳液仍可以保持穩定,超過15%后貨架期內不穩定)。根據甘草提取物和竹葉黃酮在水相的溶解度,確定水溶性抗氧化劑添加量為0.5%(質量分數),得到復配抗氧化劑。

復配抗氧化劑初始和55 ℃貯藏8周后的粒徑D[4,3]如表4所示,粒徑分布如圖4所示。維生素E和甘草提取物復配抗氧化劑呈現單峰分布,初始粒徑為0.32 μm,55 ℃貯藏8周期間粒徑和粒徑分布均沒有發生變化。維生素E和竹葉黃酮復配抗氧化劑為單峰分布,初始粒徑為0.42 μm,55 ℃貯藏8周期間,粒徑沒有發生變化。因此2種復配抗氧化劑均有較好的穩定性,可以實現后續在飲料體系中的應用。

表4 復配抗氧化劑的粒徑Table 4 Particle size of compound antioxidants

a-維生素E+甘草;b-維生素E+竹葉黃酮圖4 貯藏期間不同復配抗氧化劑的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of different compound antioxidants during storage

2.4 咖啡飲料中的應用

2.4.1 油脂氧化

多項研究表明,不同抗氧化劑以合適的比例復配后的抗氧化能力高于單獨抗氧化能力之和[23-25]。水溶性和脂溶性抗氧化劑復配后,以乳液的形式添加至咖啡飲料中。圖5為抗氧化劑的添加與否對咖啡飲料在55 ℃和光照條件下貯藏8周期間油脂氧化程度的影響。由圖5可知,貯藏期間,咖啡飲料的初級氧化產物均呈現逐漸增加的現象,前期增加迅速,后期略有減緩。咖啡飲料的初始氧化產物值相似。未添加抗氧化劑的空白咖啡飲料在55 ℃貯藏8周后,初級氧化產物增加至14.5 mmol CHP/kg。由圖可知,添加單一抗氧化劑后,咖啡飲料的氧化現象有所改善。而與單一抗氧化劑相比,添加復配抗氧化劑的咖啡飲料,氧化程度更低,與空白咖啡飲料相比降低了38%左右。光照條件下,空白咖啡飲料貯藏8周后,初級氧化產物增加至24.6 mmol CHP/kg。復配抗氧化劑的加入比單一抗氧化劑效果更佳,初級氧化產物較空白飲料降低了53%左右。高錦鴻等[26]研究發現花生油在不同溫度下均呈現前期氧化迅速,后續減緩的現象。王娜等[7]發現花生乳飲料在貯藏期間,過氧化值也呈現逐步增加的現象,而蘋果多酚等抗氧化劑的加入則減緩了花生乳的氧化進程。綜上所述,抗氧化劑的加入對咖啡飲料的氧化穩定性有積極作用,復配抗氧化劑效果優于單一抗氧化劑。

a-55 ℃;b-光照圖5 55 ℃和光照貯藏期間咖啡的初級氧化產物Fig.5 Primary oxidation products of coffee during storage at 55 ℃ and sunlight

2.4.2 感官評分

考慮到咖啡飲料體系在55 ℃放置8周后會出現質量問題,因此圖6為咖啡飲料在55 ℃下貯藏2周,光照條件下貯藏8周后的感官評分。由圖可知,貯藏后空白咖啡飲料出現了油脂氧化的異味,導致香氣減弱,風味不協調。由于55 ℃和光照貯藏期間,油脂氧化產物的積累,導致總體接受程度僅有3～5分。主要是因為體系中含有的油脂發生了油脂氧化產生異味,導致整體香氣的變化。單獨抗氧化劑加入后,一定程度上改善了咖啡飲料的風味變化。異味程度低,香氣和滋味較空白咖啡更協調,總體接受度提升至6～7分。2種復配抗氧化劑的加入均使得咖啡飲料中異味減少,改善了貯藏后的香氣和滋味,總體接受度均提高至8分。 結果表明,復配抗氧化劑比單獨抗氧化劑的效果更好,更明顯地改善了咖啡飲料中油脂的氧化情況,提高了消費者對該款咖啡飲料的總體接受度。

a-55 ℃;b-光照圖6 55 ℃和光照貯藏后咖啡飲料的感官評價Fig.6 Sensory evaluation of coffee beverages after storage at 55 ℃ and sunlight

3 結論

通過不同水溶性和脂溶性抗氧化劑的DPPH自由基清除率的結果發現,TBHQ、PG、維生素C、EGCG和余甘子提取物的抗氧化效果較好。研究不同抗氧化劑對椰子油乳液中油脂氧化穩定性的影響,結果發現抗氧化劑的DPPH自由基清除率能力和油脂氧化穩定性并沒有呈現正相關。固定DPPH自由基清除能力一致時,對椰子油乳液而言,效果較好的是水溶性抗氧化劑竹葉黃酮和甘草提取物,脂溶性抗氧化劑BHT、TBHQ和維生素E。根據油脂氧化的結果,篩選并制備了維生素E和甘草提取物、維生素E和竹葉黃酮兩支復配抗氧化劑。在55 ℃和光照條件下貯藏8周后,D[4,3]和粒徑分布均沒有明顯變化。而且兩支復配抗氧化劑乳液的加入明顯減少了咖啡飲料中油脂氧化產物的堆積,抑制了異味的產生,使得香氣更加協調,提高了總體接受度。該研究制備的復配抗氧化劑在提高飲料風味穩定性的同時,還可以減少研發人員在抗氧化劑篩選和配方調整方面的工作,加快產品研發進程,在飲料行業有一定市場需求。