基于藜麥蛋白Pickering乳液模擬牛油

馮 瀟，陳龍薇，狄 雨，王哄丹，封洋燁，湯曉智

（南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室，江蘇 南京 210023）

近年來，人們的飲食更傾向于向綠色、健康、營養等方向發展。牛油中的飽和脂肪酸含量為61.8%，過量攝入容易發生血膽固醇升高[1]、肥胖[2]、動脈粥樣硬化、冠心病和其他代謝性疾病[3-4]。因此，脂肪模擬物應運而生。脂肪模擬物具有與動物脂肪相似的感官和物理特性，可用于替代食品中部分或全部脂肪，且可以被人體消化吸收，但提供的能量較少或者不提供能量[5]。因此，脂肪模擬物的添加可以減少脂肪肝、肥胖癥、心腦血管等疾病發生。模擬脂肪多以蛋白質、多糖為基質[6-10]。以淀粉或蛋白質基質作為脂肪模擬物，可以用于模擬動物脂肪，以降低動物脂肪在食品中的應用。多糖基脂肪模擬物內部結構較為致密，可以保留大量水分，因此可以用來模擬脂肪的黏稠感[11]；且其具有一定的假塑性，能經受住烘焙等加熱處理，一般用于焙烤食品、肉制品或冷凍食品等需要熱加工處理的食品，也可以用于奶油中降低脂肪含量[12]。由于多糖中含有大量羥基，其脂肪模擬物具有較好的親水性，可以被用作凝膠劑、增稠劑或乳化劑。徐敬欣等[13]利用多糖基脂肪模擬物代替豬脂肪用于法蘭克福香腸的生產。蛋白質基脂肪模擬物的營養特性和彈性較好。蛋白質為天然的親水親油化合物，可以自發地擴散到水-油界面，而且蛋白質具有較好的生物相容性，因此是穩定乳液的理想物質。高內相乳液（high internal phase emulsions，HIPEs）的分散相體積分數超過74%，具有較高的穩定性，呈半固體狀，可用于模擬動物脂肪的質構特性。蛋白質基HIPEs因其較高的油脂比例和較好的流變學特性，多用于替代部分脂肪應用于肉制品、乳制品和焙烤食品等，以制備低脂產品，如人造黃油、沙拉醬、蛋黃醬[14]和果蔬醬[15]等，此外，還可以用于模擬脂肪組織[16]。Ataie等[17]發現，魚明膠可以有效提高乳液穩定性，且魚明膠融化后會產生豐富的口感，所以在乳液體系中添加魚明膠有潛力改善乳液感官特性。

前期研究表明，藜麥蛋白經超聲處理后，可以加工成具有良好黏彈特性及穩定性的藜麥蛋白Pickering乳液[18-20]。藜麥蛋白富含人體所必需的全部氨基酸，與肉類蛋白質和乳源蛋白質非常相似[21]，藜麥也被譽為最符合人類食用的“全營養食品”[22]。Pickering乳液是由固體顆粒代替乳化劑穩定連續相和分散相的乳液。但目前鮮有利用藜麥蛋白Pickering乳液模擬牛油的研究報道。玉米油中含有較高比例的多不飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸，多不飽和脂肪酸可減少低密度脂蛋白膽固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C），因此可以有效預防動脈粥樣硬化，此外，玉米油高度易消化，并提供能量和必需脂肪酸[23]，因此玉米油作為油相可以提高模擬油脂的營養價值。本研究提出利用藜麥蛋白顆粒制作Pickering乳液模擬牛油的設想，以藜麥蛋白為界面顆粒、玉米油為油相、牛骨湯或牛肉粉溶液為乳液水相，賦予乳液牛油風味；并通過加入魚明膠、土豆淀粉等改善乳液結構、黏度、黏彈特性等，賦予藜麥蛋白Pickering乳液類似于動物脂肪的口感。通過分析不同因素對藜麥蛋白Pickering乳液的流變學特性、熱力學性質、顏色及揮發性物質等的影響，充分模擬牛油的各項性質。旨在改善藜麥蛋白Pickering乳液的物理和感官特性，使其更接近牛油，為利用藜麥蛋白Pickering乳液模擬牛油以及在食品工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

藜麥分離蛋白（quinoa protein isolate，QPI，蛋白質量分數≥90%、脂肪質量分數≤3.4%、灰分質量分數≤1.6%）西安全奧生物科技有限公司；牛肋條、牛肉粉、土豆淀粉 蘇果超市有限公司；玉米油 益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；魚明膠 武漢鵬壘生物科技有限公司；商用牛油 重慶牧歌有限公司。

1.2 儀器與設備

CM-5色差儀 日本柯尼卡-美能達公司；DSC8000差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國PE公司；MCR302流變儀 澳大利亞Anton Par公司；7890A-5975C氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）儀 美國安捷倫公司；T18高速分散器 德國IKA公司。

1.3 方法

1.3.1 牛骨湯制備

稱取0.5 kg牛肋條，按照料液比1∶2添加去離子水，加熱至沸騰5 min，然后倒掉原湯。再加入1 L去離子水煮沸，2 h后撈出牛骨。牛骨湯用紗布過濾，冷卻至室溫，隨后在4 ℃、1 000 r/min條件下離心15 min，取上清液再次用紗布過濾，得到無牛油牛骨湯，置于4 ℃冰箱保存。

1.3.2 Pickering乳液制備

實驗設置1 個空白對照組與4 個實驗組。空白對照組制備方法為：稱取2 g QPI分散于100 mL超純水中。實驗組：A組：將2 g QPI與0.5 g牛肉粉混合后分散于100 mL超純水；B組：在100 mL牛骨湯中添加2 g QPI；C組：將2 g QPI與1 g魚明膠（需提前在60 ℃條件下加熱20 min至熔融狀態）和100 mL牛骨湯混合；D組：將2 g QPI與5 g土豆淀粉混合后加入100 mL牛骨湯中，并混合均勻。

參考文獻[18-20]方法制備Pickering乳液，并進行適當修改。將5 組調配好的溶液在室溫400 r/min條件下磁力攪拌4 h以溶解蛋白，隨后按照水油比1∶3（V/V）添加玉米油，使用高速分散器22 000 r/min均質2 min制成Pickering乳液。

1.3.3 乳液流變特性測定

將樣品置于2 個直徑5 0 m m 的圓形板轉子上（PP50），兩板之間的間隙固定在0.5 mm。測試前溫度為2 5 ℃。根據前期實驗確定應變掃描范圍（0.1%～10.0%，1 Hz）內的線性黏彈性區域[24]，記錄儲能模量（G′）和損耗模量（G″）的變化。在0.5～300.0 s-1剪切速率下，測定Pickering乳液表觀黏度[25]。

1.3.4 色澤測定

乳液和牛油的色澤由色度儀測量。白度值（W）按下式計算：

式中：L*為亮度值；a*為紅綠度值；b*為黃藍度值。

1.3.5 熱力學分析

藜麥蛋白Pickering乳液及牛油的熱力學性質分析參照Liu Chunhuan等[26]的方法，并稍作調整。稱取樣品30～40 mg至鋁坩堝中密封，同時以密封的空白鋁盤作為對照組。具體溫度變化程序為：常溫下以50 ℃/min快速冷卻至-5 ℃，維持10 min；然后以5 ℃/min升溫至60 ℃。記錄DSC熔化曲線，并利用儀器軟件進行計算處理，每組乳液樣品至少做3 次平行實驗。

1.3.6 GC-MS分析

參考文獻[27]設置固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）條件。樣品前處理：牛油和Pickering乳液各稱取5.0 g，分別置于25 mL萃取瓶中，快速密封。將已老化（60 ℃）的SPME萃取頭通過瓶蓋插入樣品頂空部分，距離液面1 cm、頂空萃取30 min、解吸4 min，待GC-MS分析。

GC條件：HS-SPME色譜柱（30.0 m×0.25 mm，0.25 μm）；色譜柱起始溫度40 ℃，保持3 min，以4 ℃/min升至180 ℃，保持2 min；以35 ℃/min升至250 ℃，保持2 min。氣化室溫度250 ℃，傳輸線溫度250 ℃，載氣He，載氣流量1.0 mL/min，不分流。

MS條件：電子電離源，碰撞能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，掃描模式為Scan，掃描質量33～550 u。

定量分析：面積歸一化法定量。

1.4 數據處理

實驗所得數據采用平均值±標準差表示。使用SPSS 18.0統計軟件和Origin 8.0軟件對數據進行方差分析和統計分析。

2 結果與分析

2.1 藜麥蛋白Pickering乳液外觀

將牛油與5 組乳液塑造成圓柱體，觀察其形成后的外觀變化。由圖1可知，在乳液的水相中添加不同物質會明顯影響Pickering乳液的顏色及質地。根據外觀判斷，5 組樣品均為HIPEs。其中C組、D組的乳液質地較為黏稠，由于乳液內部三維結構的存在，使乳液具有內部支撐力，在常溫下可保持一定形狀。B組乳液質地較稀，表面張力對其影響較大，所以宏觀上乳液的外觀呈半球形。5 組乳液中C組乳液顏色較淺，呈乳白色，而A組由于添加牛肉粉呈淡黃色。

圖1 不同水相Pickering乳液及牛油的外觀Fig.1 Appearance of beef tallow and Pickering emulsions with different aqueous phases

2.2 藜麥蛋白Pickering乳液的黏度分析

由于MCR302流變儀不能測定常溫下牛油的表觀黏度，故只測定了5 組乳液的黏度。由圖2可知，剪切速率由0.5 s-1增加至300.0 s-1時，所有乳液均表現出較明顯的假塑性流體剪切稀化行為，與Zhang Cen等[28]得到的結果相似。樣品表觀黏度均隨剪切速率的增加而迅速降低并趨于穩定，此時乳液呈弱關聯交互作用，表明乳液形成了弱液滴網狀結構[29]。在剪切力作用下，流體動力破壞了體系的網絡結構，從而減小了液滴的定向排布阻力。當剪切速率逐漸增加到一定值時，體系分子間的排列完成，乳液黏度趨于穩定，不再變化[17]。

圖2 不同剪切速率下乳液黏度Fig.2 Viscosities of emulsions at different shear rates

在相同剪切速率下，A組乳液黏度最低，而C組黏度最高，說明在水相中添加魚明膠會提高乳液黏度，而在水相中添加牛肉粉則會降低乳液黏度。可能是因為水相中未完全溶解的牛肉粉顆粒會影響乳液網絡結構的連續性及穩定性，導致其黏度降低。而B組、D組及空白對照組的黏度隨剪切速率的增加呈下降趨勢，該結果表明以牛骨湯為水相或在牛骨湯中添加土豆淀粉并不能提高藜麥蛋白Pickering乳液黏度，說明牛骨湯中的多肽不能增強乳液的微觀結構。與此同時，土豆淀粉的添加并沒有影響藜麥蛋白Pickering乳液黏度，即使土豆淀粉添加量高于魚明膠添加量，說明在水相中添加淀粉不足以改善乳液的抗剪切能力[30-31]。

當乳液表觀黏度較大時，其體系中液滴上浮速率會減緩，有利于乳液保持穩定[32]。這是因為明膠的添加有助于乳液體系中大分子鏈形成，使乳液的三維結構更加緊密、穩定[17]。Yang Mengyang等[33]的研究結果也表明，在乳液的水相中添加魚明膠可以提高Pickering乳液黏度，而且隨蛋白質量濃度或分子質量的增加而增加[34]。因此，在水相中添加魚明膠可在一定程度上賦予乳液體系黏稠的口感。本研究采用多糖（土豆淀粉）和蛋白質（魚明膠）改善乳液流變學特性，但實驗結果表明淀粉對乳液的黏度影響較小，證明在乳液體系中添加魚明膠更適合制備脂肪模擬物。

2.3 藜麥蛋白Pickering乳液流變特性

乳液的流變學特性與乳液內部體系緊密相關，因此其流變學行為可以反映乳液貯藏穩定性。由振幅掃描和頻率掃描綜合分析5 組乳液及牛油的流變學特性。

2.3.1 振幅掃描分析結果

利用振幅掃描分析5 組Pickering乳液及牛油。由圖3可知，在應變小于10%時，所有組的G′始終大于G″，表現出一定的彈性行為。牛油組的G′和G″隨著應力的增加而不斷減少，且G′下降速率超過G″。而A組的G″隨著應力的增加而增加，但G′卻呈下降趨勢。牛油組與A組乳液的G′和G′受應變力變化的影響較大，而其他4 組乳液則較為穩定，可能是因為藜麥蛋白Pickering乳液具有較穩定的凝膠網絡結構，乳液彈性行為占主導（G′＞G″）。A組乳液的G″隨著應力增加而增加，但G′卻呈下降趨勢。可能是水相中未完全溶解的牛肉粉顆粒影響了乳液網絡結構的穩定性，隨著應力增大加速了油滴聚集，導致乳液彈性降低，表現為G′逐漸下降。C組乳液受應力變化的影響顯著小于其他4 組，且在同一應變振幅下，G′和G″大于其他組乳液，可能是明膠大分子相互纏結，進一步提高了乳液結構的穩定性。

圖3 藜麥蛋白Pickering乳液及牛油的應變掃描曲線Fig.3 Strain scanning curves of quinoa protein-stabilized Pickering emulsions and beef tallow

2.3.2 頻率掃描分析結果

由圖4可知，各組的G′均隨掃描頻率的增加而增加，且C組的上升速率更快。隨著掃描頻率升高，C組的G′和G″增長最為明顯，其余各組變化不明顯。此外，在0.1～10.0 Hz頻率范圍內，牛油的G′與G″最高，而B組最低，因此B組乳液黏彈特性較低，不利于模擬牛油流變特性。除此之外，5 組Pickering乳液與牛油的G′均高于G″，說明常溫條件下，藜麥蛋白Pickering乳液和牛油的彈性行為占主導，具有類固體特性[35]。

圖4 藜麥蛋白Pickering乳液及牛油的頻率掃描曲線Fig.4 Frequency scanning curves of quinoa protein-stabilized Pickering emulsions and beef tallow

C組乳液比B組乳液具有更高的G′和G″，表明魚明膠可以提高乳液穩定性及流變特性。這是因為魚明膠可以形成一定的網絡結構，將分散的油滴鎖在網絡中，使其位移困難，不易聚集。而且水相中的魚明膠由于分子結構展開，可以將部分游離水轉化為結合水，增加乳液穩定性[17]。因此在水相中適量添加魚明膠可以提高乳液體系黏彈特性，更利于模擬牛油的流變特性。而乳液水相為牛骨湯時，添加淀粉并沒有改善藜麥蛋白Pickering乳液黏彈特性，此外，土豆淀粉的添加量是魚明膠的5 倍，進一步說明魚明膠對于乳液黏彈特性的改善作用。

2.4 藜麥蛋白Pickering乳液的色差分析

由表1可知，C組的L*和W最高，分別為75.92和73.46，顯著高于牛油的L*和W（P＜0.05）。A組乳液的L*和W較低，分別為70.89和68.33，但b*卻最高，顏色偏近淺黃色，可能受牛肉粉本身顏色的影響，藜麥蛋白Pickering乳液與牛油的顏色指標雖然有顯著差異（P＜0.05），但目測顏色較接近，從外觀上可以模擬牛油。C組乳液顏色最淺，呈乳白色，接近牛油的顏色，因此在水相中添加魚明膠可以改善乳液顏色。

表1 不同乳液及牛油的色差Table 1 Color parameters of different emulsions and beef tallow

2.5 藜麥蛋白Pickering乳液的熱力學特性

DSC可以反映油脂在升溫、降溫及恒溫條件下發生的物理變化，從而得出油脂熱力學性質[36]。乳液和牛油在吸收熱量發生相變時會形成吸收峰，根據峰高和峰面積可確定變性焓（ΔH），ΔH表示樣品在融化過程中吸收的凈熱量。由表2可知，牛油熔點最高，為40.72 ℃，與文獻報道的牛油熔點40.81 ℃接近[37]。C、D組的熔點顯著高于空白對照組和A、B組（P＜0.05），但C、D組之間無顯著差異。牛油組Pickering乳液的峰高、峰面積與ΔH均顯著低于其他組，而空白對照組的峰高和峰面積最高。

表2 不同乳液及牛油的熱力學特性Table 2 Thermodynamic properties of different emulsions and beef tallow

牛油熔點高，乳液熔點較低，是因為乳液中植物油占比較大，不飽和脂肪酸較多，沒有類似牛油的脂肪結晶。在乳液中添加魚明膠或土豆淀粉均可以提高藜麥蛋白Pickering乳液熔點，而添加牛肉粉反而會降低乳液的熔點。Wen Yaxin等[38]的研究表明，淀粉可以有效提高油包水乳液的熔點，因為淀粉缺乏熱塑性，所以乳液熔點可隨著乳液水相中淀粉含量的增加而增加。在水相中添加魚明膠，乳液熔點提高可能是因為明膠可以增加乳液中網絡結構的強度，導致乳液熔點提高。然而其熔點仍遠低于牛油，是因為植物蛋白基乳液中含有相對較低含量的飽和脂肪酸。B組乳液ΔH最高，表示其在熔融過程需要吸收更多的熱量，說明以牛骨湯為水相制備乳液可以提高乳液的熱穩定性。C組乳液水相中添加的魚明膠在加熱中融化，導致C組ΔH降低，但是其加熱融化/冷卻凝固的熱可逆性使C組乳液更適合模擬牛油的熱力學性質。杜杰[39]發現，可以利用明膠與谷氨酰胺轉氨酶（transglutaminase，TGase）交聯來改善乳液穩定性，明膠與TGase交聯之后，可以促進乳液中明膠分子間和分子內的靶向交聯，提高乳液的熱穩定性。后續研究會考慮利用TGase交聯或海藻酸鈉與明膠的協同作用[40]，進一步提高乳液的熔點，以更好地模擬牛油的熱力學性質。

2.6 藜麥蛋白Pickering乳液的揮發性成分

由表3可知，GC-MS檢測出揮發性風味物質共16 種。5 組Pickering乳液中的醛類物質主要為己醛和庚醛，牛油中醛類物質則較為復雜，除己醛、庚醛外還含有壬醛、苯甲醛、正辛醛，相對含量分別為7.76%、3.86%、2.80%、1.47%、1.72%。不同水相的乳液中庚醛的相對含量無顯著差異，但牛油組與B組乳液的己醛含量顯著低于其他組（P＜0.05）。

表3 不同乳液及牛油的揮發性物質相對含量Table 3 Relative contents of volatile substances in different emulsions and beef tallow %

除醛類物質外，牛油的特殊關鍵風味物質還有4-異丙基甲苯、鄰異丙基甲苯、十五烯等。僅牛油組和B組含有風味物質十五烯和鄰異丙基甲苯，相對含量分別為2.81%、25.40%和15.49%、28.48%。除空白對照組和B組外，其他4 組與牛油共有的風味物質是2-正戊基呋喃，且A、C、D組中的相對含量分別為3.71%、3.69%、4.41%。

牛脂原料中含有大量揮發性化合物，包括酮類、醛類、羧酸、醇類、烴類、酯類、內酯類等[41]。牛油風味物質的形成主要來自于油脂煉制過程中脂質氧化、美拉德反應和焦糖化反應[42]。醛類化合物是牛油樣品中較為重要的揮發性風味物質，由脂肪酸氧化降解形成[43]。己醛呈青草味、蘋果香味和生的油脂味，庚醛呈堅果氣味，壬醛呈玫瑰香、柑橘香，具有脂肪風味，正辛醛具有水果風味，苯甲醛具有苦杏仁、櫻桃及堅果味，呋喃具有肉類的風味[44]，其中己醛和庚醛是脂肪模擬物與牛油風味差異的主要物質。空白對照組Pickering乳液中含有較少的風味成分，說明在乳液的水相中適當添加牛肉粉或牛骨湯可以增添風味，添加牛骨湯的乳液中揮發性風味物質組成比添加牛肉粉的乳液更復雜，且更接近牛油的風味。因此乳液水相為牛骨湯的Pickering乳液用于模擬牛油效果更好。

3 結論

本研究利用藜麥蛋白Pickering HIPEs模擬牛油。結果表明：藜麥蛋白Pickering乳液以牛骨湯或牛肉粉溶液為水相可以使乳液獲得類似于牛油的關鍵風味物質，如己醛、十五烯等，可以模擬牛油的風味；水相為牛骨湯的乳液風味優于添加牛肉粉溶液的乳液，因而，以牛骨湯作為乳液的水相更適合于模擬牛油；但以純牛骨湯為水相的乳液流變學特性較差，在牛骨湯中添加魚明膠可提高藜麥蛋白Pickering乳液的黏度、顏色，并表現出更接近牛油的流變學性質及較高的熔點，因此，全植物基的藜麥蛋白Pickering HIPEs可以模擬牛油的一些特性。而且乳液中含有較豐富的人體必需的多不飽和脂肪酸，可以減少飽和脂肪攝入過多引起的健康問題。后續實驗會利用TGase交聯魚明膠或基于海藻酸鈉與明膠的協同作用進一步提高乳液熔點，以更好地模擬牛油的熱力學性質。本研究可為進一步開發利用藜麥蛋白Pickering乳液模擬動物油脂提供一定理論依據與支撐。