何雨婕,張巧,李賢,雷激*
1(西華大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,四川 成都,610039)2(川渝共建特色食品重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都,610039)3(食品微生物四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都,610039)
黃油是指將稀奶油進(jìn)一步進(jìn)行分離后獲得的脂肪含量在80%以上的產(chǎn)物[1],是最常見(jiàn)的烘焙油脂,常大量用于曲奇(黃油用量30%~40%)等高脂類(lèi)焙烤食品中,發(fā)揮改善面團(tuán)結(jié)構(gòu)、提高風(fēng)味及口感等作用[2],但其含有較高的飽和脂肪酸及膽固醇,進(jìn)而可能導(dǎo)致肥胖、高血壓等疾病。近年來(lái),為了改變高脂飲食可能對(duì)健康帶來(lái)的不利影響,引入了脂肪替代物,希望其在減少食物中的脂肪和能量的同時(shí),仍然保持食物原有的特殊感官、風(fēng)味和質(zhì)地特性[3]。其中碳水化合物基脂肪替代物已經(jīng)有多年的應(yīng)用歷史,它包括麥芽糊精、纖維素衍生物、菊粉、果膠、改性淀粉等[4]。其中果膠是一種應(yīng)用較為廣泛的脂肪替代物[5],它作為一種高分子質(zhì)量的碳水化合物,可以替代水包油溶液,產(chǎn)生類(lèi)似脂肪的流變特性與口感[6],在食品中使用可以提高黏度,被廣泛應(yīng)用在甜品、烘焙制品及乳制品中。它所制備的脂肪替代物所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能將一部分水截留住,改善水相的結(jié)構(gòu)特征,使整個(gè)體系具有較好的流動(dòng)性[7]。而且果膠等膳食纖維已經(jīng)被證實(shí)可以抑制脂類(lèi)物質(zhì)的吸收,從而起到降低卡路里攝入量的作用[8]。現(xiàn)已有關(guān)于果膠作為脂肪替代物替代黃油的研究報(bào)道,如SHARMA等[9]將柑橘果膠制備的脂肪替代物用于替代餅干中的黃油而不改變其感官和物理化學(xué)特性。但果膠作為脂肪替代物時(shí)通常以微粒化果膠凝膠的形式進(jìn)行添加,高酯果膠凝膠作為脂肪替代物時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題:凝膠微粒化處理后會(huì)出現(xiàn)聚集脫水的現(xiàn)象,從而影響其作為脂肪替代物的質(zhì)量及口感。為解決凝膠顆粒聚集及脫水的問(wèn)題,需要復(fù)配一些相對(duì)整個(gè)凝膠體系比較惰性的外相作為果膠鏈之間作用的阻隔體以及水分保持劑[10]。但目前針對(duì)高酯果膠凝膠微粒化后脫水這一問(wèn)題的研究報(bào)道較少,而在解決該問(wèn)題的同時(shí)又探討復(fù)配凝膠作為黃油的脂肪替代物對(duì)黃油性質(zhì)的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。
針對(duì)檸檬果膠酯化度高、膠凝性強(qiáng)的特點(diǎn),本試驗(yàn)以自制檸檬果膠凝膠為原料,高速剪切微粒化處理后,復(fù)配其他惰性外相,以制得適宜的脂肪替代物,并將其應(yīng)用于黃油中,探究脂肪替代物對(duì)黃油流變性的影響,為檸檬果膠凝膠基脂肪替代物在食品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
檸檬果膠:自制,具體方法見(jiàn)1.3.1節(jié);95%乙醇(體積分?jǐn)?shù),下同;分析純),成都市科隆化學(xué)品有限公司;蔗糖,安琪酵母股份有限公司;無(wú)水檸檬酸,濰坊英軒實(shí)業(yè)有限公司;海藻酸鈉,上海鑫泰食品配料商城;瓜爾豆膠,上海鑫泰食品配料商城;乳清蛋白,上海源葉生物科技有限公司;黃原膠:新疆梅花氨基酸有限責(zé)任公司;羧甲基纖維素鈉(sodium carboxyme thyl cellulose, CMC),上海長(zhǎng)光企業(yè)發(fā)展有限公司;NaHCO3,天津渤化永利化工股份有限公司;二甲基硅油,天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。
HH-4水浴鍋,常州普天儀器制造有限公司;顯數(shù)式pH計(jì),成都世紀(jì)方舟科技有限公司;TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀,英國(guó)Stable Micro System有限公司;MCR302流變儀,奧地利安東帕(中國(guó))有限公司;T 18 digital自動(dòng)勻漿機(jī),上海凌儀生物科技有限公司;Bettersize2600激光粒度分布儀,丹東百特儀器有限公司。
1.3.1 檸檬皮渣及果膠的制備
參考劉江等[11]的方法稍作修改,對(duì)檸檬皮渣進(jìn)行干燥制備檸檬干渣,然后以檸檬干渣為原料提取果膠,采用超聲輔助檸檬酸提取法。稱(chēng)取一定質(zhì)量的檸檬皮渣,按照料液比1∶25(g∶mL)加入pH值為2.0的檸檬酸溶液,在70 ℃水浴中超聲提取20 min,并不斷攪拌,使果膠充分析出,后續(xù)步驟參考辛明等[12]的實(shí)驗(yàn)方法采用95%乙醇沉淀洗滌果膠,將沉淀洗滌后的濾渣在50 ℃烘箱中干燥至恒重,粉碎后即為果膠成品。按GB 25533—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 果膠》附錄A.2對(duì)果膠進(jìn)行了鑒別試驗(yàn),所提果膠符合要求。通過(guò)滴定法[11]測(cè)得果膠酯化度為68.11%,屬高酯果膠,通過(guò)比色法[12]測(cè)得果膠中半乳糖醛酸含量為83.32%,純度滿足GB 25533—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 果膠》中半乳糖醛酸含量≥65%的要求。
1.3.2 檸檬果膠凝膠制備
果膠凝膠制備參考張倩鈺等[13]的方法,通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選出最佳的果膠凝膠條件為:蔗糖濃度68%、果膠濃度1.8%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))、pH 2.7。
固定體系總質(zhì)量,計(jì)算出各添加物質(zhì)的質(zhì)量,將果膠溶于去離子水中后于80 ℃水浴保溫0.5 h,用12.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檸檬酸溶液調(diào)節(jié)體系pH值至2.7,最后加入蔗糖攪拌溶解,得到檸檬果膠凝膠。
1.3.3 復(fù)配惰性外相的選擇及復(fù)配凝膠的制備
在1.3.2節(jié)的方法基礎(chǔ)上制備復(fù)配凝膠,在用去離子水溶解果膠的過(guò)程中同時(shí)加入相應(yīng)濃度的惰性外相,其余步驟不變,制備復(fù)配凝膠,然后進(jìn)行高速剪切微粒化處理得到脂肪替代物。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定剪切速率為12 000 r/min,剪切時(shí)間為5 min。本實(shí)驗(yàn)選取的惰性外相分別為:黃原膠、乳清蛋白、海藻酸鈉、瓜爾豆膠、CMC[14],添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%、0.3%、0.5%,分別測(cè)定不同配方的復(fù)配凝膠微粒10 d內(nèi)的脫水率及聚集時(shí)間。
1.3.4 復(fù)配凝膠微粒脫水率和聚集時(shí)間測(cè)定
復(fù)配凝膠微粒裝于燒杯中,并用保鮮膜遮蓋后在4 ℃冰箱中放置10 d后,用濾紙吸去凝膠表面水分,測(cè)定其脫水率,其計(jì)算如公式(1)所示:
(1)
式中:W,脫水率,%;m1,貯存前質(zhì)量,g;m2,貯存吸水后質(zhì)量,g。
凝膠聚集時(shí)間是通過(guò)肉眼觀察表面脫水程度進(jìn)行判斷,第1天每隔1 h觀察1次,之后每24 h觀察1次。
1.3.5 復(fù)配凝膠體系質(zhì)構(gòu)的測(cè)定
通過(guò)1.3.3節(jié)篩選出最佳的惰性外相,用不同濃度的惰性外相制備復(fù)配凝膠后測(cè)定其質(zhì)構(gòu)。采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)復(fù)配凝膠進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)掃描,測(cè)試條件設(shè)置如下:探頭P 0.5,測(cè)前速率1.0 mm/s,測(cè)中速度0.5 mm/s,測(cè)后速度10.0 mm/s,壓縮程度50%,觸發(fā)力5 g。每組樣品平行測(cè)量6次,得到復(fù)配凝膠的硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性,取均值作為測(cè)定結(jié)果,其中彈性為反向力,故取絕對(duì)值作為最終結(jié)果。
1.3.6 復(fù)配凝膠體系流變性的測(cè)定
復(fù)配凝膠制備參考1.3.5節(jié),探究不同濃度的惰性外相對(duì)復(fù)配凝膠流變性的影響。測(cè)試時(shí)采用平板-平板測(cè)量系統(tǒng),平板直徑25 mm,設(shè)置測(cè)試間距1 mm,用藥匙取樣,置于流變儀平板中心位置,并用刮板刮去平板外多余樣品,二甲基硅油涂抹于試樣周?chē)?防止水分揮發(fā)。
參考趙錦妝[14]的方法進(jìn)行測(cè)定,具體測(cè)定方法如下:
動(dòng)態(tài)剪切流變性測(cè)定:溫度5 ℃,應(yīng)變?cè)O(shè)置0.5%,測(cè)定果膠凝膠在振蕩頻率0.1~100 Hz下儲(chǔ)能模量G′及損耗模量G″的變化情況。
動(dòng)態(tài)溫度掃描測(cè)定:應(yīng)變?cè)O(shè)置0.5%,頻率1 Hz,分別測(cè)定果膠凝膠在5~80 ℃,升溫速率5 ℃/min下G′及G″的變化情況。
1.3.7 復(fù)配凝膠粒徑測(cè)定
參考呂春月[15]的方法稍作修改,將通過(guò)剪切的復(fù)配凝膠微粒加入到150 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate, SDS)溶液中進(jìn)行稀釋,樣品粒徑通過(guò)攪拌轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的激光粒度分布儀進(jìn)行檢測(cè),每組樣品測(cè)定3次。
1.3.8 復(fù)配黃油制備方法
參考李紅娟等[16]的方法稍作修改,全脂黃油加熱融化后,分別加入黃油質(zhì)量的0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的脂肪替代物(在篩選出最佳復(fù)配惰性外相濃度的基礎(chǔ)上按1.3.3節(jié)制備),用勻漿機(jī)20 000 r/min分別均質(zhì)乳化至完全融合,然后在4 ℃冰箱中平衡24 h得到成品。
1.3.9 復(fù)配黃油流變性測(cè)定
參考蔣將等[17]的方法稍作修改,溫度10 ℃,應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.5%,用流變儀測(cè)定0.1~10 Hz剪切頻率下G′、G″及損耗正切值tanδ的變化。
采用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析及多重比較(P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,Origin 2018用于圖形的繪制。
為滿足脂肪替代物較好的口感和穩(wěn)定性要求,通常需要對(duì)果膠凝膠進(jìn)行微粒化處理,但高酯果膠凝膠作為脂肪替代物進(jìn)行微粒化處理后凝膠微粒會(huì)由于氫鍵、范德華力及靜電引力聚集在一起[18],并脫去部分水分,導(dǎo)致粒徑變大,影響脂肪替代物質(zhì)量。為了解決微粒化處理后的果膠凝膠脫水聚集的問(wèn)題,本實(shí)驗(yàn)選擇添加惰性外相作為阻隔劑。果膠為陰離子多糖,添加的惰性外相應(yīng)當(dāng)滿足以下2個(gè)條件:一是本身在無(wú)外界影響下不易凝膠,二是與果膠不會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用[10]。表1結(jié)果顯示CMC和黃原膠可以較好地保證微粒化后的果膠凝膠不再聚集脫水。CMC是一種陰離子型線型高分子物質(zhì)[19],是由β-1,4-吡喃葡萄糖殘基組成的直鏈分子[20],是一種由天然纖維素經(jīng)過(guò)化學(xué)改性得到的水溶性纖維素鈉鹽[21],在水中溶脹時(shí)可以形成透明的黏稠膠液,其水溶液具有增稠特性、乳化能力、持水能力及懸浮能力[22],但其本身不具備凝膠特性。黃原膠是一種高分子質(zhì)量物質(zhì)[23],是由黃單胞菌屬經(jīng)有氧發(fā)酵產(chǎn)生的陰離子多糖,對(duì)熱、酸和堿都具有非常好的穩(wěn)定性[24],并且還具有許多優(yōu)良的特性,如乳化、分散性能,廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。CMC和黃原膠分子中均含有部分的陰離子,其有效防止果膠凝膠聚集脫水的原因可能是因?yàn)樗鼈兣c果膠分子之間通過(guò)靜電排斥而避免了果膠分子相互靠攏,同時(shí)二者又是良好的水分保持劑,所以在本研究中起到了很好的作用[10]。考慮到成本問(wèn)題,選擇低濃度CMC進(jìn)行復(fù)配就能達(dá)到目的,這與趙錦妝[14]的研究結(jié)果一致。
由于黃油等固體脂肪具有良好的強(qiáng)度、彈性以及幾何形狀穩(wěn)定性,因此要想制備一款脂肪替代物,凝膠質(zhì)構(gòu)特性是重要的衡量指標(biāo)[25]。通過(guò)研究不同濃度的CMC對(duì)復(fù)配凝膠質(zhì)構(gòu)的影響,可以探究其對(duì)脂肪替代物的穩(wěn)定性影響。如表2所示,隨著CMC添加量的增加,復(fù)配凝膠的硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在CMC添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%(下同)時(shí)達(dá)到最大值,說(shuō)明添加適當(dāng)?shù)腃MC可以使復(fù)配凝膠體系的結(jié)構(gòu)更加緊密。CMC與果膠之間相互作用,形成錯(cuò)綜復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu),從而使得質(zhì)構(gòu)指標(biāo)均顯示出增大的趨勢(shì)[26]。但CMC的比例持續(xù)增大時(shí),過(guò)多的CMC導(dǎo)致分子間產(chǎn)生劇烈碰撞,可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的孔隙增大,即結(jié)構(gòu)變得相對(duì)松散[14],質(zhì)構(gòu)指標(biāo)減小。根據(jù)質(zhì)構(gòu)結(jié)果,選擇CMC的添加量為0.4%。

表2 CMC濃度對(duì)復(fù)配凝膠質(zhì)構(gòu)的影響Table 2 Effect of CMC concentration on the texture of compounded gels
2.3.1 CMC濃度對(duì)復(fù)配凝膠動(dòng)態(tài)黏彈性的影響
儲(chǔ)能模量G′可以用來(lái)反應(yīng)樣品的彈性,損耗模量G″反應(yīng)樣品的黏性,它是測(cè)定物體黏彈性的方法之一[27]。與靜態(tài)剪切測(cè)定不同的是動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定可以體現(xiàn)出復(fù)配凝膠隨著剪切頻率變化下凝膠狀態(tài)的變化,考察不同剪切頻率下復(fù)配凝膠的穩(wěn)定性。復(fù)配凝膠的動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定結(jié)果如圖1、圖2所示,當(dāng)振蕩頻率>60 Hz時(shí),G′的變化不再具有規(guī)律性,可能是因?yàn)槟z體系三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不夠緊密,高振蕩頻率下被破壞,故對(duì)0.1~60 Hz的部分進(jìn)行分析,隨著振蕩頻率的增加,復(fù)配凝膠的G′均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),當(dāng)CMC的添加比例0.4%時(shí)為最大值。振蕩頻率對(duì)于G″的影響,在振蕩頻率90 Hz以上不再具有規(guī)律性,故對(duì)0.1~90 Hz的部分進(jìn)行分析,隨著振蕩頻率的增加,所有濃度的復(fù)配凝膠體系的G″逐漸增大。在同一振蕩頻率下,隨著CMC濃度的增加,復(fù)配凝膠體系的G″先增大后減小,在添加量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值。說(shuō)明復(fù)配凝膠體系在CMC添加量為0.4%時(shí)凝膠網(wǎng)絡(luò)體系最為穩(wěn)定,同時(shí)擁有最大的G′和G″,即產(chǎn)品的黏彈性最好。

圖1 振蕩頻率對(duì)復(fù)配凝膠G′的影響Fig.1 Effect of oscillation frequency on the G′ of compounded gels

圖2 振蕩頻率對(duì)復(fù)配凝膠G″的影響Fig.2 Effect of oscillation frequency on the G″ of compounded gels
2.3.2 CMC濃度對(duì)復(fù)配凝膠動(dòng)態(tài)溫度掃描的影響
用復(fù)配凝膠制備脂肪替代物,其穩(wěn)定性也十分重要,故通過(guò)動(dòng)態(tài)溫度掃描來(lái)考察凝膠在不同溫度下的黏彈性變化以探究其穩(wěn)定性,穩(wěn)定性越強(qiáng),越適合用于制備脂肪替代物。溫度對(duì)復(fù)配凝膠流變性的影響如圖3、圖4所示,隨著溫度的升高,各濃度復(fù)配凝膠的G′及G″均逐漸下降,說(shuō)明溫度破壞了復(fù)配凝膠體系的強(qiáng)度,使得復(fù)配凝膠的彈性及黏性性能發(fā)生改變。在同一溫度下,可以看到,復(fù)配凝膠的G′及G″均隨著CMC濃度的增加先增大后減小,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)達(dá)到最大值。可能是因?yàn)殡S著CMC添加量的增加,復(fù)配凝膠體系會(huì)變得更加緊密,對(duì)于溫度的抵御性更好,不易破裂[6],但濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致復(fù)配凝膠體系不夠穩(wěn)定,說(shuō)明CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%時(shí)復(fù)配凝膠體系最為穩(wěn)定緊密。

圖3 溫度對(duì)復(fù)配凝膠G′的影響Fig.3 Effect of temperature on the G′ of compounded gels

圖4 溫度對(duì)復(fù)配凝膠G″的影響Fig.4 Effect of temperature on the G″ of compounded gels

圖5 脂肪替代物外觀圖Fig.5 Appearance of fat substitutes
上述2種流變性試驗(yàn)均提示最佳的CMC添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。
復(fù)配凝膠本身的滑潤(rùn)度及口感較好,因此對(duì)于粒徑的要求沒(méi)有淀粉、糊精等脂肪替代物要求那么嚴(yán)格,但也要保證至少50%粒徑在100 μm以下[14]。將CMC添加量為0.4%條件下制備的復(fù)配凝膠進(jìn)行微粒化處理后,其粒徑范圍如表3所示。復(fù)配凝膠微粒的粒徑90%達(dá)到了93.39 μm以下,能夠達(dá)到脂肪替代物的要求。

表3 復(fù)配凝膠微粒粒徑Table 3 Particle size compounded gels
脂肪的黏彈性是其流變特性作用的結(jié)果[28],流變分析是考察油脂組分及加工方法對(duì)脂肪質(zhì)構(gòu)特性影響很重要的一種手段[29],振蕩頻率掃描能通過(guò)不同振蕩頻率下G′及G″的變化分別反映物料的黏性及彈性變化。復(fù)配黃油頻率掃描結(jié)果如圖6、圖7所示,在同一振蕩頻率下,隨著脂肪替代物替代比例的增加,G′、G″呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。對(duì)于脂肪替代物添加比例相同的黃油,隨著振蕩頻率的增加,其G′、G″均逐漸增大,且未添加脂肪替代物的黃油其G″及G″均介于脂肪替代比例為20%、30%的復(fù)配黃油之間。在動(dòng)態(tài)流變性測(cè)定中,通常將應(yīng)力與應(yīng)變的相位差角δ稱(chēng)為損耗角,tanδ為損耗正切值,又可稱(chēng)為衰減率,損耗正切可表示為G″與G′的比值,即tanδ=G″/G′[30]。在整個(gè)頻率掃描過(guò)程中,復(fù)配黃油的G′均遠(yuǎn)高于G″,這與全脂黃油的特性一致。當(dāng)脂肪替代物添加比例超過(guò)80%時(shí),復(fù)配黃油的tanδ隨著剪切速率的增加越來(lái)越大,添加比例<80%時(shí),tanδ隨著剪切速率的增加先減小,后平緩的上升(圖8),說(shuō)明當(dāng)黃油被替代比例過(guò)大時(shí),體系可能在高剪切頻率下穩(wěn)定性會(huì)變差。綜上,全脂黃油的G′、G″及tanδ與替代比例20%、30%的復(fù)配黃油最為接近且整個(gè)圖線介于2個(gè)濃度之間,說(shuō)明脂肪替代物最佳的替代比例應(yīng)介于20%~30%。

圖6 振蕩頻率對(duì)不同脂肪替代物添加量復(fù)配黃油G′的影響Fig.6 Effect of oscillation frequency on the G′ of compound butter with different fat substitution additions

圖7 振蕩頻率對(duì)不同脂肪替代物添加量復(fù)配黃油G″的影響Fig.7 Effect of oscillation frequency on the G″ of compound butter with different fat substitution additions

圖8 振蕩頻率對(duì)不同脂肪替代物添加量復(fù)配黃油tanδ的影響Fig.8 Effect of oscillation frequency on the tanδ of compound butter with different fat substitution additions
在檸檬果膠凝膠中選擇CMC為惰性外相,控制其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,復(fù)配凝膠體系最為穩(wěn)定,可以有效控制凝膠微粒化后的聚集脫水現(xiàn)象,且能滿足脂肪替代物的粒徑要求。
通過(guò)比較復(fù)配黃油與全脂黃油的儲(chǔ)能模量、損耗模量及損耗正切值等流變學(xué)指標(biāo),確定脂肪替代物在黃油中的最佳取代量為20%~30%,此時(shí)的復(fù)配黃油具有與全脂黃油相似的性質(zhì),這一結(jié)果可為檸檬果膠凝膠為基質(zhì)的脂肪替代物的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù),同時(shí)也為流變學(xué)特性指標(biāo)應(yīng)用于脂肪替代物取代率的研究提供了參考方法。