雷愛玲,范盛玉,王亞楠,陳厚榮,張甫生

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)

超重和肥胖已成為我國乃至全球嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題[1],消費者對健康低脂產(chǎn)品具有很高的需求,消費低脂類產(chǎn)品已成為一種生活方式[2]。如何在降低脂肪攝入量的同時不影響食品的風(fēng)味和口感成為食品領(lǐng)域的研究熱點,基于此脂肪模擬物應(yīng)運而生。大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)是應(yīng)用最廣泛的植物蛋白,其蛋白質(zhì)含量在90%以上,具有膠凝、乳化、溶解、起泡、成膜等多種優(yōu)良特性,還能加快脂肪與能量的新陳代謝,與多糖混合可提供一種類似于脂肪的味道[3],現(xiàn)已有SPI在低脂食品方面的研究。PAGLARINI等[4]利用SPI制備乳液凝膠替代豬背脂肪,發(fā)現(xiàn)替代物不影響法蘭克香腸的質(zhì)地、流變和感官性能。SUN等[3]發(fā)現(xiàn)SPI和納米纖維素比例為7∶1時,作為脂肪替代物加入冰淇淋中,取代10%的奶油,其接受度最高。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是從魔芋塊莖中提取的一種天然高分子中性雜多糖[5],由D-甘露糖和D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵聚合而成,其在C-6位置有一個低程度的乙?；?在C-3位置有一些分支,這決定了它在水中的溶解度。其吸水性強、膨脹率高、黏度大且成膜性能極強,已被證實對人體健康有顯著的益處,能有效抑制脂肪酸的合成,具有一定的減肥效果。此外,KGM還具有抗高血糖和高膽固醇血癥、抗炎癥、益生元活性、預(yù)防癌癥等[6]功能。正是這些特性使KGM有潛力作為脂肪模擬物應(yīng)用到食品中。DAI等[7]用KGM作為脂肪替代品應(yīng)用于馬蘇里拉奶酪中,發(fā)現(xiàn)KGM能提升馬蘇里拉奶酪的一些理化特性。LI等[8]將微粒化魔芋凝膠作為蛋黃醬中的脂肪模擬物,制得的低脂蛋黃醬具有更低的熱量和更高的貯藏穩(wěn)定性,然而脂肪模擬物的添加對蛋黃醬的外觀和顏色有不利影響,替代水平低于30%時,可被接受。

目前,菊糖[9]、KGM[7]、乳清蛋白[10]、改性淀粉[11]等單一碳水化合物或蛋白質(zhì)已作為脂肪模擬物應(yīng)用于食品中,但由于單一脂肪模擬物沒有較好的貯藏穩(wěn)定性,限制了其在食品中的應(yīng)用。植物蛋白和多糖是2種重要的天然高分子生物聚合物,也是影響食品風(fēng)味和質(zhì)地的主要成分,二者相互作用會改變體系的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地甚至產(chǎn)生新的功能特性,研究表明蛋白多糖復(fù)合體系可改善產(chǎn)品的表面活性[12]、乳化性、質(zhì)地特性[13]并增強其凝膠性[14]。而目前蛋白-多糖復(fù)合物作為脂肪模擬物還有待進(jìn)一步的研究?；诖?本研究以SPI和KGM為研究對象,通過濕熱處理制備復(fù)合脂肪模擬物,并探究總固形物含量、KGM添加量、加熱溫度、加熱時間對其性能的影響,通過響應(yīng)面試驗優(yōu)化復(fù)合脂肪模擬物的制備工藝,最后觀察復(fù)合脂肪模擬物制備工藝過程中粒徑顆粒分布及微觀結(jié)構(gòu)的變化,從而得到潤滑、細(xì)膩的脂肪模擬物,以期為復(fù)合脂肪模擬物的深入研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大豆分離蛋白(食品級),蛋白質(zhì)含量>90%,上海源葉生物科技有限公司；魔芋膠(食品級),葡甘聚糖含量≥92%,上海北連生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、HH-ZK8型數(shù)顯恒溫水浴鍋,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；MCR302型模塊化旋轉(zhuǎn)與界面流變儀,奧地利安東帕有限公司；78-1型磁力加熱攪拌器,常州溴華儀器有限公司；XHF-D型高速分散器、SCIENTZ-10 ND型真空冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司；METTLER TOLEDO型高精數(shù)顯電子天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；Mastersizer 3000激光粒度儀,英國馬爾文儀器有限公司；Phenom Pro型掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 SPI/KGM復(fù)合脂肪模擬物的制備

稱取一定量的SPI溶解于蒸餾水中,在室溫下磁力攪拌1 h,待SPI完全溶解形成SPI懸浮液,向其中慢慢加入已稱量好的KGM,使二者充分?jǐn)嚢杈鶆?。然后置于恒溫水浴鍋中進(jìn)行濕熱處理,使蛋白適度變性,將濕熱處理后的復(fù)合物冷卻至室溫,于4 ℃冰箱放置過夜,使其完全水化,以形成穩(wěn)定、柔軟的復(fù)合體系。最后使用高速剪切機作微?；幚砑纯傻肧PI/KGM復(fù)合脂肪模擬物。

1.3.2 單因素試驗設(shè)計

選取總固形物含量(4%、6%、8%、10%、12%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))、KGM添加量(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))、加熱溫度(55、65、75、85、95 ℃)、加熱時間(5、15、25、35、45 min)為試驗因素,探究其對SPI/KGM復(fù)合體系膨脹率及黏度的影響。

1.3.3 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken Design的設(shè)計原理進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。以KGM添加量、總固形物含量、加熱溫度作為響應(yīng)因素,SPI/KGM復(fù)合體系的膨脹率和剪切速率為0.1/s時的黏度為響應(yīng)值,設(shè)計3因素3水平的響應(yīng)面試驗,獲得SPI/KGM復(fù)合脂肪模擬物的最佳制備條件,所有試驗重復(fù)3次。響應(yīng)面試驗設(shè)計如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平

1.3.4 SPI/KGM復(fù)合脂肪模擬物的性能測定

1.3.4.1 膨脹率的測定

稱取一定量的SPI/KGM復(fù)合體系于燒杯中,并記錄空燒杯的質(zhì)量m1,用打蛋器打發(fā)2 min后記錄混合物的質(zhì)量m2,然后在另一空燒杯m3中加入與打發(fā)后的混合物同樣體積的水,并記錄其質(zhì)量為m4,SPI/KGM復(fù)合體系的膨脹率按公式(1)計算[15]。

(1)

1.3.4.2 黏度的測定

使用流變儀對樣品進(jìn)行靜態(tài)剪切流變測試[16],測試條件：50 mm平行板夾具,測試間距1 mm,測試溫度25 ℃,穩(wěn)態(tài)模式,加樣后平衡2 min,剪切速率為0.1～100/s,取點模式為對數(shù)取點,取點數(shù)30個,測定各樣品黏度隨剪切速率變化的情況。

1.3.5 粒徑的測定

采用激光粒度儀測定樣品的顆粒大小,向裝有水的燒杯中緩慢加入樣品,待遮光度顯示8%～20%時進(jìn)行測定[17]。參數(shù)設(shè)置：SPI折射率1.589,吸收率0.001,水折射率1.333,攪拌速度2 400 r/min,遮光度為8%～20%。重復(fù)測定6次,記錄結(jié)果的D10、D50、D90和D[4,3]。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)的測定

將制備好的樣品倒入90 mm培養(yǎng)皿中,使樣品均勻地涂膜在培養(yǎng)皿內(nèi),隨后置于冰箱預(yù)冷凍24 h,使樣品完全結(jié)成冰,放入真空冷凍干燥機中48 h,使樣品完全干燥,待用。用固定膠將樣品黏于雙面導(dǎo)電的樣品銅臺上,噴金[18]。之后在300和1 000放大倍數(shù)下使用掃描電鏡觀察,并選取有代表性的視野進(jìn)行拍攝。鍍金法：真空度10-2～10-3Torr(1 Torr=133.322 Pa),濺射電壓1.1～1.2 kV,鍍膜時間2～3 min。鍍膜后樣品放置10 min。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)均用Origin 2019、SPSS Statistics 25和Design-Expert 8.0.6進(jìn)行處理與分析,每次試驗3次平行,試驗結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,顯著性分析以Duncan’tests進(jìn)行方差分析(ANOVA),P<0.05被認(rèn)為存在顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 KGM添加量對SPI/KGM復(fù)合體系性能的影響

黏度一般指施加于流體的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的變形速率以一定的關(guān)系聯(lián)系起來的流體宏觀屬性,表現(xiàn)為流體的內(nèi)摩擦。膨脹率是蛋白質(zhì)起泡能力的表現(xiàn)。KGM添加量對SPI/KGM復(fù)合體系性能的影響如圖1所示,KGM添加量在0.2%～1.0%時,SPI/KGM復(fù)合體系黏度一直增加,并且隨著剪切速率的增加,復(fù)合體系的黏度均呈下降趨勢,表現(xiàn)出典型的剪切變稀的非牛頓流體特征[19]。KGM添加量為0.2%～0.8%時,其膨脹率逐漸增強,并在KGM添加量為0.8%時,膨脹率最大,為49.29%。當(dāng)KGM添加量為1.0%時,其膨脹率降低8.56%。隨著KGM添加量的增加,SPI和KGM表現(xiàn)出較好的兼容性,使得二者的相互作用增強,分子間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,膨脹率增強,黏度增加[20]。

a-黏度;b-膨脹率

當(dāng)KGM添加量>0.8%時,形成的復(fù)合體系硬度較大,二者的協(xié)同作用達(dá)到極點,故膨脹率降低。因此,選擇KGM添加量0.8%為最佳參數(shù)。

2.1.2 總固形物含量對SPI/KGM復(fù)合體系性能的影響

如圖2所示，總固形物含量在4%～12%時,隨著總固形物含量增加,復(fù)合體系的黏度呈上升趨勢;在4%～8%時,膨脹率隨著總固形物含量的增加而增加,并在8%時達(dá)到最大值,相較于4%,其膨脹率增加了12.92%;而在10%和12%,其膨脹率較最大值分別降低了2.68%、29.67%。SPI成凝膠的臨界濃度是8%,當(dāng)總固形物含量為4%和6%時,二者未形成凝膠,故其黏度變化不大,表現(xiàn)為牛頓流體特征。而在高濃度(>6%)下,表現(xiàn)為牛頓流體,與田少君等[21]的研究結(jié)果一致。隨著總固形物含量增加,分子間形成了更緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使體系的黏度增大。此外,蛋白質(zhì)在受熱過程中,暴露出更多的疏水基團(tuán),增大了物質(zhì)分子間相互作用力的位點[22],在高速攪打的情況下,復(fù)合體系吸收和保持空氣數(shù)量的能力增強,故而膨脹率增強。當(dāng)總固形物含量>10%時,所形成的復(fù)合體系黏度過高,攪打困難,故膨脹率降低。因此,選擇總固形物含量為8%進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化試驗。

a-黏度;b-膨脹率

2.1.3 加熱溫度對SPI/KGM復(fù)合體系性能的影響

如圖3所示,隨加熱溫度的增加,復(fù)合體系的黏度和膨脹率呈先增加后降低的趨勢。在55～85 ℃時,復(fù)合體系的黏度和膨脹率隨加熱溫度的增加而增加,且在85 ℃時達(dá)到極大值358.3 Pa·s;當(dāng)加熱溫度為95 ℃,與85 ℃相比黏度降低了39.44%,膨脹率降低了7.56%。與此同時,在不同加熱溫度下,復(fù)合體系的黏度均隨剪切速率的增大而減小。究其原因可能是溫度的增加,蛋白質(zhì)分子呈舒展?fàn)顟B(tài),原來包埋在卷曲結(jié)構(gòu)內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露在外面,與多糖發(fā)生相互作用,分子間發(fā)生聚集[23],導(dǎo)致復(fù)合體系黏度增加。但較高的溫度會破壞蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使得體系內(nèi)分子間的相互作用減弱,從而黏度下降。當(dāng)溫度為55 ℃時,蛋白質(zhì)開始變性,兩分子間還未出現(xiàn)交聯(lián),聚集現(xiàn)象尚未表露,結(jié)合較弱[24]。因此,攪打下吸入空氣的能力較弱,膨脹率較弱。隨著溫度的升高,分子間的作用力增強,內(nèi)部結(jié)合更緊密,故膨脹率增強。而當(dāng)溫度繼續(xù)升高至95 ℃時,蛋白質(zhì)分子中氫鍵、疏水作用等非共價鍵被破壞,使得分子間結(jié)合能力減弱,膨脹率降低。綜合考慮,選擇加熱溫度為85 ℃作為下一步試驗的最優(yōu)參數(shù)。

a-黏度;b-膨脹率

2.1.4 加熱時間對SPI/KGM復(fù)合體系性能的影響

如圖4所示，隨加熱時間的延長,復(fù)合體系的黏度呈現(xiàn)先增加后減小的變化。在5～25 min時,隨加熱時間的延長,復(fù)合凝膠的黏度一直處于增大趨勢,并在25 min達(dá)到黏度最大值337.8 Pa·s,可能是在加熱過程中,分子結(jié)構(gòu)被逐漸打開,結(jié)合了更多的水分[25]。但加熱時間>25 min時,其黏度下降,到45 min時,降至254.8 Pa·s,這可能是由于長時間加熱會破壞蛋白-多糖分子間的相互作用以及與水分子間的結(jié)合[26],使復(fù)合體系變得松散,導(dǎo)致其黏度下降。復(fù)合體系的膨脹率隨加熱時間的延長先增加后基本趨于穩(wěn)定。在5～35 min時,其膨脹率增加了55.56%,其原因在于加熱時間延長,蛋白質(zhì)表面疏水基團(tuán)逐漸暴露,與多糖結(jié)合形成了更穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu),從而膨脹率增加。綜合考慮,固定加熱時間為25 min。

a-黏度;b-膨脹率

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

響應(yīng)面分析是設(shè)計試驗的一種數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法,它能使試驗的次數(shù)最小化,以滿足特定數(shù)量的因素及其水平按試驗設(shè)計進(jìn)行試驗[27-28]。綜合單因素試驗結(jié)果,以總固形物含量、KGM添加量、加熱溫度為響應(yīng)因素,SPI/KGM復(fù)合體系膨脹率和黏度為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗。試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

2.2.2 響應(yīng)面方差分析結(jié)果

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2試驗結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合,回歸模型的方差分析結(jié)果見表3。模型P<0.01為極顯著,失擬項P>0.05為不顯著,說明建立的回歸方程擬合度較高。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

表3 回歸方程方差分析

對于膨脹率模型,其擬合回歸方程為：

Y1=0.55+0.073A+0.092B+0.028C+0.045AB-0.010AC+5.000E-003BC-0.071A2-0.16B2-0.12C2,R2=0.929 0

3種因素對SPI/KGM復(fù)合體系膨脹率影響程度的大小順序為：KGM添加量>總固形物含量>加熱溫度。一次項B與二次項B2、C2影響極顯著(P<0.01),一次項A與二次項A2影響顯著(P<0.05)。

對于黏度模型,擬合回歸方程為：

Y2=235.62+124.99A+120.79B-46.45C+24.62AB-11.95AC-3.80BC+38.68A2+27.13B2-14.6C2,R2=0.995 1

3種因素對SPI/KGM復(fù)合體系黏度大小的影響程度為：總固形物含量>KGM添加量>加熱溫度。一次項A、B、C和二次項A2、B2以及交互項AB影響極顯著(P<0.01)。

續(xù)表2

2.2.3 響應(yīng)面分析

由響應(yīng)面圖和等高線圖可直觀地反映兩因素間的交互作用,如圖5所示,在交互項對膨脹率大小的影響中,各因素間交互作用的響應(yīng)面圖坡度較平緩,等高線較為松散,交互作用不顯著,與方差分析結(jié)果一致。如圖6所示,總固形物含量和KGM添加量交互作用的等高線較為密集,響應(yīng)面圖坡度較為陡峭,說明兩者的交互作用顯著,與方差分析結(jié)果一致。而總固形物含量和加熱溫度,KGM添加量和加熱溫度間交互作用的等高線松散,響應(yīng)面圖坡度平緩,說明其交互作用對SPI/KGM復(fù)合體系的黏度影響較弱。

a-總固形物含量和KGM添加量;b-總固形物含量和加熱溫度;c-KGM添加量和加熱溫度

a-總固形物含量和KGM添加量;b-總固形物含量和加熱溫度;c-KGM添加量和加熱溫度

2.2.4 SPI/KGM復(fù)合體系最優(yōu)工藝的確定

通過Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計,得到的SPI/KGM復(fù)合體系的膨脹率和黏度的預(yù)測值分別為55%和237 Pa·s?？紤]實際方便,調(diào)整模型最優(yōu)制備工藝參數(shù)為：總固形物含量8%、KGM添加量0.8%、加熱溫度87 ℃。在此優(yōu)化條件下對SPI/KGM復(fù)合體系進(jìn)行3次平行試驗,測得SPI/KGM復(fù)合體系的膨脹率為53%,黏度為233.3 Pa·s。與預(yù)測值的相對誤差分別為3.64%、1.56%,均在可接受的范圍內(nèi)。說明利用響應(yīng)面優(yōu)化法得到的回歸模型制備工藝參數(shù)能較準(zhǔn)確地預(yù)測SPI/KGM復(fù)合體系膨脹率和黏度的大小,其結(jié)果真實可靠,具有重現(xiàn)性。

2.3 SPI/KGM復(fù)合脂肪模擬物粒徑的變化

蛋白質(zhì)基脂肪模擬物的制備是基于蛋白質(zhì)在加熱的條件下變性,使得疏水基團(tuán)和區(qū)域暴露在分子表面,模擬油脂的疏水性狀,然后經(jīng)微粒化處理降低顆粒直徑[29]。人體口腔黏膜對一定大小和性狀的顆粒的感知程度有一定的閾值,當(dāng)粒徑<10 μm時已無法分辨出顆粒,從而能模擬出脂肪滑膩、柔軟的感覺[30-31]。脂肪模擬物制備過程的粒徑分布見表4和圖7所示,SPI/KGM復(fù)合體系在加熱前,其顆粒大小在83.4 μm左右；經(jīng)熱處理后,其粒徑顆粒增加至105 μm左右,原因在于樣品受熱膨脹,顆粒明顯變大；隨著破碎時間的延長,粒徑分布各項參數(shù)呈下降趨勢。當(dāng)微粒化處理20 min時,50%的樣品顆粒直徑在8.75 μm左右,符合以蛋白質(zhì)為基質(zhì)制備脂肪模擬物的顆粒要求(<10 μm)。此外,破碎時間越長,樣品的峰形越細(xì),顆粒分布越均勻[32]。因此選擇破碎20 min作為SPI/KGM復(fù)合體系的微粒化條件。

表4 脂肪模擬物制備過程粒徑分布

圖7 不同處理方式對SPI/KGM復(fù)合體系粒徑大小的影響

2.4 掃描電鏡結(jié)果分析

分別對加熱前、加熱后、微?；蟮臉悠纷鰭呙桦婄R觀察,得到其微觀結(jié)構(gòu)(300×和1 000×)見圖8。SPI/KGM混合物(圖8-a)呈球狀顆粒,混合物分散狀態(tài)較好,顆粒較小且均勻。經(jīng)加熱變性后(圖8-b),分子顆粒受熱膨脹,且SPI和KGM相互運動,使得顆粒之間發(fā)生交聯(lián),形成了較為致密的海綿狀三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[33],且連接處的支架結(jié)構(gòu)變厚,說明體系的強度和彈性增強。樣品經(jīng)真空冷凍干燥后存在小孔隙,與粗大孔隙結(jié)構(gòu)相比,具有小孔隙結(jié)構(gòu)的體系具有更好的吸水能力和保水能力[34]。這些孔隙被SPI/KGM復(fù)合體系緊緊的包圍,從而截留大量的水和營養(yǎng)物質(zhì)的損失[35],被截留的水具有一定的流動性,感覺類似脂肪。然而蛋白質(zhì)分子經(jīng)濕熱處理后,疏水基團(tuán)和區(qū)域暴露在外,分子的親水性降低,疏水性增強。

a-SPI/KGM復(fù)合物;b-加熱后SPI/KGM復(fù)合物;c-微粒化后SPI/KGM復(fù)合物

另一方面,濕熱處理過程中,物料之間發(fā)生復(fù)雜的締合作用,形成大分子絡(luò)合物,增強了脂肪模擬物的性質(zhì)穩(wěn)定性。但其樣品表面呈粗糙,砂樣質(zhì)構(gòu)的凝膠體,無法模擬脂肪細(xì)膩、潤滑的口感。經(jīng)微?；夹g(shù)處理后的SPI/KGM復(fù)合體系(圖8-c)片狀結(jié)構(gòu)明顯,表面細(xì)膩光滑,顆粒變小(<10 μm),主要是由于在高速剪切作用力下,樣品顆粒變小,從而減小了食品與舌頭感知的摩擦力,此時可作為脂肪模擬物。

3 結(jié)論

隨著現(xiàn)代人對健康低脂食品的追求,脂肪模擬物得到廣泛的關(guān)注。通過濕熱處理制備SPI/KGM復(fù)合體系,利用單因素和響應(yīng)面試驗研究了制備工藝參數(shù)對復(fù)合體系膨脹率及流變特性的影響,確定最佳總固形物含量為8%、KGM添加量為0.8%、加熱溫度為87 ℃,在此優(yōu)化條件下SPI/KGM復(fù)合體系的膨脹率可達(dá)53%,黏度可達(dá)233.3 Pa·s。試驗表明,SPI/KGM復(fù)合體系的膨脹率及流變特性表現(xiàn)出較理想的脂肪模擬物性狀,且都呈現(xiàn)假塑形流體特性。最后用微?；夹g(shù)處理得到的脂肪模擬物粒徑<10 μm,低于人體口腔黏膜的感覺閾值,樣品表面變得光滑細(xì)膩,具有良好的脂肪性狀,可拓展其在低脂低熱量食品的應(yīng)用。復(fù)合脂肪模擬物是脂肪替代品的發(fā)展趨勢,為達(dá)到更好的替代脂肪效果,在脂肪模擬物的保濕技術(shù)、香氣保持、抑菌技術(shù)等方面的研究還應(yīng)做進(jìn)一步探索。