栗俊廣，馬旭陽，姜茜，杜娟,3，張旭玥

1(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州，450001)2(河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量與安全控制 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州，450001)3(食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州，450001)

鷹嘴豆(CicerarietinumLinn.)是世界第三大豆類，具有耐熱、耐干旱、耐貧瘠等特征[1]，在非洲、地中海沿岸、美洲以及我國云南、新疆等地都有廣泛種植[2]。與其他豆類相比，鷹嘴豆不含膽固醇，是蛋白質(zhì)、膳食纖維和維生素的極佳營養(yǎng)來源。除了是珍貴的種植資源外，鷹嘴豆還具有極高的藥用價值，可以降低慢性病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，具有降糖降脂、抗氧化、抗腫瘤等功能[3]。

近年來，膳食纖維(dietary fiber，DF)因其豐富的營養(yǎng)價值和功能特性而備受關(guān)注[4]。作為第七大營養(yǎng)素，膳食纖維對某些疾病的治療具有重要意義，如抗腸癌、降低膽固醇和預(yù)防肥胖等[5]。膳食纖維結(jié)構(gòu)中含有較多的親水性基團(tuán)，可與水分子發(fā)生作用，使之具有較高的持水力和膨脹力[6]，攝入后能加快排便速度，使體內(nèi)毒物迅速排出體外。膳食纖維應(yīng)用于食品可以賦予食品特定的流變學(xué)特性，從而改善其品質(zhì)特性[7]。膳食纖維分子可以聚集在油滴表面形成界面層，阻止油滴的聚集，從而維持體系平衡，因此，可以作為乳化劑穩(wěn)定高脂肪食品和乳液，也可作為脂溶性物質(zhì)載體，提高食品風(fēng)味。從鷹嘴豆中提取出的鷹嘴豆膳食纖維(chickpea dietary fiber, CDF)具有良好的生物活性，如抗腫瘤、抗氧化、降低膽固醇等，具有很大的開發(fā)潛力[8]。然而，目前關(guān)于CDF乳化性的研究還少有報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)通過測定CDF持水性、持油性、膨脹性、微觀結(jié)構(gòu)、乳液粒徑、電位、總體穩(wěn)定指數(shù)(total stable index, TSI)、微觀穩(wěn)定性、界面張力、乳液流變性能等指標(biāo)，分析了CDF的理化特性和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液(0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%)的乳化特性，為鷹嘴豆膳食纖維在乳化食品中的開發(fā)利用提供理論依據(jù)[9]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鷹嘴豆購自云南省文州自治區(qū)丘北市天星鄉(xiāng)；金龍魚大豆油購自鄭州某超市；正己烷、氫氧化鈉、鹽酸、溴化鉀等均為分析純。

1.2 儀器設(shè)備

Aanti J-26 s XPI高速冷凍離心機(jī)，美國Beakman公司；LS13320/ULM2激光粒度儀，美國貝克曼庫爾特公司；ertex70傅里葉變換紅外光譜儀，美國Bruker光學(xué)公司；Regulus 8100高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；Ultraturrax T25高速分散器，德國IKA公司；Discoery旋轉(zhuǎn)流動儀、DSC Q20差示量熱掃描儀，美國TA儀器有限公司；Nano-ZS90納米激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；PH50光學(xué)顯微鏡，江西鳳凰光學(xué)有限公司；Turbiscan LabMeasurngExpert多重光散射儀，法國Formulaction儀器公司；K100自動界面張力儀，德國Krüss公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 CDF的提取

參考LAN等[10]的方法提取CDF。以鷹嘴豆脫脂粉為原料，與0.5 mol/L NaOH按料液比1∶15(g∶mL)混合均勻，在50 ℃水浴條件下攪拌2 h，3 000×g離心15 min后倒掉上清液，沉淀用0.5 mol/L NaOH洗滌并離心，與1.0 mol/L的HCl溶液按料液比1∶10(g∶mL)混合均勻，再次攪拌并離心除去可溶性組分，然后用0.5 mol/L NaCl溶液洗滌，加堿調(diào)至pH為7，離心取沉淀，蒸餾水洗滌2次后真空冷凍干燥16 h，超微粉碎后，過100目篩，得到CDF。

1.3.2 CDF理化性質(zhì)的測定

1.3.2.1 持水力的測定

參考SOWBHAGYA等[11]的方法稍加修改。準(zhǔn)確稱取CDF樣品1.000 g，加入30 mL蒸餾水，振蕩均勻，在室溫下放置18 h，離心(4 000×g，20 min)倒掉上清液，在105 ℃下干燥至恒重。持水力(water holding capacity，WHC)計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：m1，干燥后樣品質(zhì)量，g；m2，干燥前樣品質(zhì)量，g。

1.3.2.2 持油力的測定

參考曾蓓蓓等[12]的方法稍加修改。準(zhǔn)確稱取CDF樣品1.000 g于50 mL干燥離心管中，加入20 mL大豆油，振蕩均勻，在室溫下放置18 h，離心(4 000×g，20 min)倒掉上清液，至離心管內(nèi)壁無油跡，稱量樣品和離心管的質(zhì)量。持油力(oil holding capacity,OHC)計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

式中：m0,樣品質(zhì)量，g；m1,離心管質(zhì)量，g；m2,樣品和離心管的質(zhì)量，g。

1.3.2.3 膨脹力的測定

參考SOWBHAGYA等[11]的方法稍加修改。準(zhǔn)確稱取CDF樣品1.000 g于干燥后的10 mL量筒中，加入8 mL蒸餾水，混合均勻后室溫靜置18 h，記錄膨脹后的膳食纖維體積，膨脹力按公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：m0,樣品質(zhì)量，g；0,樣品體積，mL；1,靜置18 h后樣品體積，mL。

1.3.3 CDF微觀結(jié)構(gòu)

將制備好的CDF樣品平鋪在貼好導(dǎo)電膠的樣品臺上，用洗耳球吹去多余的粉末，噴金120 s。置于掃描電子顯微鏡下觀察各樣品顆粒的形態(tài)，加速電壓為1.0 k。

1.3.4 CDF乳化性質(zhì)的測定

1.3.4.1 CDF乳液的制備

稱取一定質(zhì)量的CDF樣品，加入大豆油，用高速分散器在10 000 r/min條件下均質(zhì)3次，每次20 s，得到CDF乳液，且CDF的最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，大豆油含量為25%。

1.3.4.2 CDF乳液粒徑、電位的測定

采用LS13320/ULM2激光粒度儀分析不同濃度CDF乳液的粒徑，結(jié)果用D(4,3)表示，每個樣品重復(fù)3次。參考劉興麗等[13]的方法測定乳液Zeta電位并稍加修改。制備不同濃度CDF新鮮乳液加到電位樣品池中，使用Nano-ZS90納米激光粒度儀測定Zeta電位，測試溫度為25 ℃，平衡時間120 s，每個樣品測定3次。

1.3.4.3 CDF乳液微觀形貌

乳液微觀形貌使用光學(xué)顯微鏡觀察，取一滴稀釋后的乳液滴在載玻片中心，緩慢蓋上蓋玻片，防止產(chǎn)生氣泡，在10×物鏡下觀察圖像。

1.3.4.4 CDF分層指數(shù)

將制備好的新鮮CDF乳液裝到10 mL具塞比色管中，室溫條件下儲藏72 h，觀察乳液的分層情況。乳液分層指數(shù)以乳清層的高度占乳化液高度的百分比表示。

1.3.4.5 CDF乳液總體穩(wěn)定性指數(shù)的測定

使用多重光散射儀測定乳液的總體穩(wěn)定指數(shù)(total stable index, TSI)。取20 mL新鮮CDF乳液加入樣品瓶中進(jìn)行測定，掃描時間1 800 s，每60 s掃描1次。

1.3.4.6 CDF乳液流變學(xué)特性的測定

參考ZHUANG等[14]和LI等[15]的方法，使用旋轉(zhuǎn)流動儀對乳液進(jìn)行靜態(tài)流變和動態(tài)流變測定，選用直徑為40 mm的平板夾具，樣品加載在平行板之間，平板間隙為0.4 mm。

對于靜態(tài)流變，測定不同CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液表觀黏度隨剪切速率的變化，剪切速率從0.1～1 000 s-1增加，測試溫度設(shè)為25 ℃，每個樣品測試4次。對于動態(tài)流變，測定乳液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率的變化，角頻率從0.1～100 rad/s增加，應(yīng)變?yōu)?.6%。

1.3.4.7 CDF-大豆油界面張力的測定

參考O’SULLIAN等[16]的方法測定界面張力。采用鉑金平板法測定油相與CDF溶液之間的界面張力。將CDF溶液(20 g)裝在自動界面張力儀配帶的玻璃皿中，緩慢下降鉑金板，使之浸入溶液3 mm的深度。再加入約50 g的大豆油，注意加入過程應(yīng)緩慢以防氣泡產(chǎn)生，測試溫度25 ℃，時間3 600 s。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。采用SPSS Statistics 19.0分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用單因素方差分析(ANOA)、Duncan’s多重比較檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)；采用Origin 9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CDF理化性質(zhì)分析

DF的持水力、持油力和膨脹力的大小是衡量其性能的重要指標(biāo)。CDF的理化性質(zhì)如表1所示，其持水力為1.22 g/g，高于已有報(bào)道的鷹嘴豆皮多糖(0.37 g/g)[8]。膨脹力為16.34 mL/g，高于糯米DF(2.73 g/g)[12]。持油力為3.17 g/g，高于米糠DF(0.99 g/g)[17]、花生殼DF(2.03 g/g)[18]、大豆DF(3.06 g/g)[7]。膳食纖維的結(jié)構(gòu)影響其理化性質(zhì)，疏松的孔狀結(jié)構(gòu)可形成親水性骨架截留水分子，從而填充多糖準(zhǔn)晶態(tài)的孔隙引起較強(qiáng)的溶脹作用。此外，海綿狀的親水基質(zhì)可提高腸道中糞便體積和稠度從而預(yù)防便秘[19]。

表1 CDF理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of chickpea dietary fiber(CDF)

2.2 CDF掃描電鏡結(jié)果

從圖1-a中可以看出，脫脂鷹嘴豆粉在500 倍數(shù)下多為橢圓球狀，可能是殘存的淀粉和蛋白質(zhì)，另含有不規(guī)則塊狀的緊密結(jié)構(gòu)，其表面有很多凸起堆積，且大小不均一，形態(tài)各異。圖1-b和圖1-c是CDF在不同放大倍數(shù)下呈現(xiàn)出來的微觀結(jié)構(gòu)，可看出結(jié)構(gòu)疏松多孔，表面凹凸不平，空隙深而寬，呈現(xiàn)出蜂窩塊狀。由于凹陷和褶皺的存在，使蜂窩狀結(jié)構(gòu)突出，膳食纖維的表面積增加，同時還會暴露多糖類內(nèi)部更多的活性基團(tuán)，從而增強(qiáng)其理化特性(持水性、持油性、膨脹性)。因此，CDF的微觀結(jié)構(gòu)為其物理特性提供了形態(tài)學(xué)方面的依據(jù)。

a-脫脂鷹嘴豆粉(500×)；b-鷹嘴豆膳食纖維(500×)； c-鷹嘴豆膳食纖維(1 000×)圖1 CDF的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of CDF

2.3 CDF乳液粒徑和顯微結(jié)構(gòu)

CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%～2.0%所制備的乳液粒徑大小見表2。可以看出，當(dāng)CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.4%增加到0.8%時，乳液粒徑從101.66 μm增至111.55 μm；CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.0%時，乳液粒徑又顯著減小為71.81 μm。乳液粒徑變化趨勢與曾偉奇[20]研究相似，隨著濃度的增加，柑橘膳食纖維乳液粒徑呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF對其乳液粒徑大小的影響Table 2 Particle size of emulsions under different concentrations of CDF

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液的粒徑分布和顯微鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，乳液粒徑分布呈現(xiàn)一個峰，表明形成均勻的乳液，而其余濃度下的乳液液滴粒徑都表現(xiàn)出相似的三峰分布。從顯微鏡結(jié)構(gòu)也可看出，CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.8%時，液滴較大且存在聚結(jié)，這是由于CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，連續(xù)相中存在的CDF不足以形成弱凝膠，使得纖維在低濃度的液滴之間形成更大的絮凝；CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%～1.6%時，少量液滴之間出現(xiàn)絮凝，油滴分布不均勻；CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.0%時，乳液液滴較小且分布更均勻，這更有利于乳液的穩(wěn)定。不同濃度的CDF對乳液穩(wěn)定性影響較大，這是因?yàn)镃DF通過高速分散器剪切后會吸附在乳液液滴表面，從而達(dá)到穩(wěn)定乳液的目的。CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.8%以內(nèi)時，液滴粒徑與其濃度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.8%以上時，CDF在油水界面的吸附密度提高，乳液液滴間的空間位阻效應(yīng)變強(qiáng)，液滴間的有效碰撞可能性降低，從而減少液滴聚結(jié)的發(fā)生，因此液滴粒徑減小[21-22]，乳液乳化性能增強(qiáng)。

a-0.4%;b-0.8%;c-1.2%;d-1.6%;e-2.0%圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液粒徑分布和顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Particle size distributions and microstructure of emulsions under different concentrations of CDF

2.4 CDF乳液電位

Zeta電位能夠反映油滴在分散體系中的穩(wěn)定情況。圖3為不同濃度CDF乳液Zeta電位。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF對其乳液電位大小的影響Fig.3 Zeta potential of emulsions under different concentrations of CDF

CDF乳液Zeta電位為負(fù)值，這主要因?yàn)镃DF帶有陰離子電荷—COO-。當(dāng)CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.4%增加到0.8%時，Zeta電位顯著減小；從0.8%增加到1.6%時，Zeta電位變化不顯著；質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到2%時，Zeta電位再次減小。產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象可能是因?yàn)楫?dāng)膳食纖維粒子包覆在油滴表面時，油滴會與疏水基團(tuán)結(jié)合，使親水基團(tuán)暴露，導(dǎo)致液滴之間的靜電排斥作用增加。隨著CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，包覆在乳液液滴表面的纖維粒子相互纏結(jié)，界面吸附的粒子與液相中粒子纏結(jié)，減少了暴露在外面的親水基團(tuán)的數(shù)量，液滴之間靜電排斥作用減弱，這有助于液滴周圍形成致密薄膜，進(jìn)而形成更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得乳液Zeta電位減小且穩(wěn)定性提高[23]。因此，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的CDF乳狀液穩(wěn)定性最好。

2.5 CDF乳液分層穩(wěn)定性

乳液分層指數(shù)可以反映油滴與水相乳化液的聚集和分離程度，圖4為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液在儲藏72 h內(nèi)的分層指數(shù)。隨著CDF濃度的增加，分層指數(shù)下降，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%時乳液的分層指數(shù)最低，穩(wěn)定系數(shù)最高。分層穩(wěn)定性的提高主要是因?yàn)橐旱晤w粒粒徑減小，增加了連續(xù)相的黏度，減小了連續(xù)相之間的密度差?？赡苁且?yàn)殡S著CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，連續(xù)相中的粒子通過高速分散器剪切后會形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加連續(xù)相的黏度，限制液滴的遷移，這與圖6-a中乳液黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大一致。此外，CDF包裹在油滴表面，通過增加油滴的密度使油滴和連續(xù)相的密度差減小，也有助于提高乳液的分層穩(wěn)定性[23]。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液分層指數(shù)Fig.4 Creaming index of emulsions under different concentrations of CDF

2.6 CDF乳液TSI結(jié)果

TSI是對乳液不穩(wěn)定過程的定量分析，用于表征樣品的穩(wěn)定性。TSI值越大，穩(wěn)定性越差[24]。如圖5所示，隨著時間的延長所有處理組TSI值增大，在1 800 s內(nèi)，CDF的添加提高了乳液體系的總體穩(wěn)定性，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時TSI值最小，說明此時乳液最穩(wěn)定，不易聚集、絮凝或相分離，該結(jié)果與乳液分層指數(shù)變化趨勢一致。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液TSI的變化Fig.5 Turbiscan stability index of emulsions under different concentrations of CDF

2.7 CDF乳液流變學(xué)特性

圖6-a顯示了CDF乳液在不同剪切速率下表觀黏度的變化。乳液黏度隨著CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加(0.4%～2.0%)而升高，可能是由于CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，未被吸附的粒子數(shù)增加，增強(qiáng)了分子間的相互作用和摩擦，使得連續(xù)相中的CDF黏連形成更加穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了乳液黏度。這與LAN等[10]的研究相一致，乳液的表觀黏度隨著玉竹膳食纖維濃度的增加而增加。

圖6-b顯示了CDF乳液在角頻率掃描模式下G′與G″的變化。在乳液分散體系中，除0.4%的添加量外，其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF乳液體系的G′均高于G″，說明在整個體系中彈性占據(jù)主導(dǎo)地位[25]。0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF在低頻率下主要表現(xiàn)出彈性響應(yīng)，高頻率下主要是黏性響應(yīng)，因此在中間頻率下存在交叉點(diǎn)。這種黏彈性現(xiàn)象顯示了濃縮溶液的特征，而非形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[26]。乳液體系的G′和G″隨著CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高，且呈現(xiàn)出較弱的頻率依賴性，這可能是CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，體系中纖維粒子濃度也增加，使得更多的纖維粒子參與構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系彈性和黏性提升，從而形成強(qiáng)度更大的凝膠網(wǎng)絡(luò)。

a-剪切速率掃描;b-角頻率掃圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF對其乳液流變學(xué)特性的影響Fig.6 Rheological properties of emulsions under different concentrations of CDF

2.8 CDF-大豆油界面張力

如圖7所示，所有乳液界面張力隨時間的延長而降低，說明CDF能夠吸附油滴表面，在油-水界面形成界面層，使體系趨于穩(wěn)定。在500 s內(nèi)，界面張力值下降迅速，表明DF粒子迅速吸附在油滴表面；隨著時間的延長，界面張力值下降緩慢，這可能是因?yàn)橛退缑嬷饾u達(dá)到飽和。界面張力的降低有助于DF粒子在界面上的吸附、拉伸和重排，從而改善其乳化性。與低質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF相比，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CDF與大豆油之間的界面張力明顯降低，且2.0%時達(dá)到最低。不同濃度CDF能明顯改變油-水的界面張力，主要是乳液體系中DF粒子吸附在油滴表面形成界面層的穩(wěn)定程度不同。

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CDF對其乳液界面張力的影響Fig.7 Interfacial tension of emulsions under different concentrations of CDF

3 結(jié)論與討論

鷹嘴豆膳食纖維表現(xiàn)出較高的持水、持油性，可能是CDF的疏松多孔結(jié)構(gòu)，存在的凹陷和褶皺使其表面積增加所致；隨著CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，乳液粒徑減小，液滴分布更加均勻；乳液分層指數(shù)、TSI及界面張力結(jié)果表明，CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加能顯著提高乳液穩(wěn)定性，且2%的CDF乳液穩(wěn)定性最好；乳液的表觀黏度隨著CDF濃度的增加而增大，使CDF在油水界面的吸附密度提高，減少了液滴間的聚集；角頻率掃描模式下乳液的儲能模量在CDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%時達(dá)到最大，這有利于形成有序的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，CDF的良好理化及乳化特性，在改善產(chǎn)品質(zhì)量、豐富膳食纖維含量方面具有良好的應(yīng)用前景。