植物基咖啡起泡乳泡沫性質的研究

陳妍妍,張彩猛,孔祥珍,李興飛,陳業明,華欲飛

(江南大學 食品學院,江蘇 無錫,214122)

泡沫是很多常見食品和飲料的組成部分。氣泡賦予了食品飲料誘人的質構和色澤,使產品富有新意并刺激消費欲望。食品泡沫有不同的形式,除了人們熟知的液態泡沫(例如啤酒、起泡酒、碳酸飲料、咖啡飲料等),還有半固體泡沫(例如冰淇淋、摜奶油、充氣甜點等)和固體泡沫(例如面包、蛋糕、早餐谷物、充氣巧克力棒等)[1]。

咖啡是世界三大飲料之一,其全球消費量逐年增長,呈現出良好的發展前景。與此同時,拿鐵、卡布奇諾、摩卡等花式咖啡應運而生,吸引著更多消費者的關注[2]?？ú计嬷Z咖啡源自意大利,因在咖啡中加入了打發的牛奶泡沫而備受年輕消費者青睞。隨著人們對健康飲食的追求和對環境問題的日益重視,植物蛋白乳順應消費升級的需要,在消費量一直保持增長的同時,消費場景和消費方式也不斷創新[3]。其中,以植物基咖啡起泡乳的增長最受矚目。

咖啡專用起泡乳的起泡特性是制作卡布奇諾咖啡的關鍵環節之一。形成泡沫時,必要條件是存在蛋白質或其他表面活性劑以降低表面張力。此外,還需要以攪打的形式輸入能量以克服表面自由能[4]。理想的泡沫應該具有均勻的尺寸、綿密的形態并能在飲用期間保持穩定。NEBERGROV等[5]研究了起泡酒的泡沫性質,發現泡沫的強度、數量與表面張力有關,特別是受蛋白質種類及含量的影響。此外,pH值、離子強度、熱處理方式及發泡方法也對溶液的起泡性有較大影響[6]。泡沫屬于典型的熱力學不穩定體系,易發生排液、歧化和聚結等現象[7]。泡沫穩定性涉及3種不同的機制,分別是膜之間的分離壓力(尤其是靜電作用和空間排斥)、膜的彈性(馬蘭戈尼效應)和膜的流變特性[8]。雖然這些機制在物理方面有所不同,但在分子方面相互依存。陳玉峰等[9]基于氣-液界面特性,探究了小分子表面活性劑以及蛋白質、多糖等大分子成分對泡沫穩定性的影響,同時發現合適的發泡技術能夠得到尺寸形狀理想且分散性好的泡沫,更有利于食品中泡沫的穩定。ZAKIDOU等[10]研究了牛奶、豆奶等5種市售產品的泡沫性質,并對相應的卡布奇諾咖啡進行了感官分析。研究表明,相比于牛奶,植物基咖啡起泡乳更適合在較高溫度下飲用。

奶類咖啡起泡乳的研究已經有較多的報道,與此相比,對植物基咖啡起泡乳的研究則少得多,且主要集中在植物蛋白制品而不是植物基起泡乳本身的起泡性能[11]。從咖啡專用起泡乳的商品屬性來說,植物蛋白乳的熱穩定性以及與咖啡的風味相容性是需要首先考慮的因素。本研究通過預實驗,在一系列植物蛋白原料中發現大豆、鷹嘴豆、燕麥3種原料具備開發咖啡專用起泡乳的潛力。在此基礎上,制備了植物蛋白乳,考察了其泡沫性質及微觀結構,探究了蛋白質、脂肪成分和泡沫膜析出液體動力學與泡沫穩定性的關系,為起泡性植物蛋白乳的進一步研發利用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

東北大豆、脫皮鷹嘴豆和燕麥米,市售;BAN 480 Lα-淀粉酶、AMG 300 L糖化酶,北京伊諾凱科技有限公司;高純氮氣(99%),無錫鑫錫儀氣體有限公司;甲醇、正己烷、異丙醇為色譜純,ThermoFisher 公司;其他常規試劑均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BLST4090B-073磨漿機,東莞匯勛電器制品有限公司;HHS恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市醫療儀器廠;Mongdio電動起泡器,湖州啡憶電子商務有限公司;K9840半自動凱氏定氮儀、手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌鍋,濟南海能儀器股份有限公司;ChemiDoc XRS+凝膠成像儀,美國Bio-Rad公司;MODELBE-210型垂直電泳儀,日本BIO CRAFT公司;Zetasizer nano ZS納米粒度及Zeta電位儀,英國馬爾文公司;HimacCR-21G型冷凍離心機,日本Hitachi公司;1525高效液相色譜儀,美國沃特世公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 豆乳的制備

大豆在25 ℃下浸泡12 h后磨漿,磨糊經過200目紗布過濾后,濾液在3 000×g離心10 min去除微渣,上清液在120 ℃加熱20 min殺菌。

1.3.2 燕麥乳的制備

燕麥清洗后,在160 ℃下烘烤20 min,按料液比1∶3(g∶mL)加入去離子水,按0.35 mL/100 g燕麥加入α-淀粉酶,打漿。膠體磨處理10 min后,在80 ℃保溫40 min。冷卻至60 ℃,按0.35 mL/100 g燕麥加入糖化酶,60 ℃保溫水解30 min。冷卻后調節pH值至7.0,95 ℃加熱15 min 滅酶。在3 000×g下離心10 min,上清液60 ℃、30 MPa 均質后,在120 ℃保溫20 min殺菌。

1.3.3 鷹嘴豆乳的制備

稱取脫皮鷹嘴豆,清洗后按料液比1∶5(g∶mL)加入去離子水,后續制備過程同燕麥乳。

1.3.4 起泡性與泡沫穩定性

準確量取一定體積調至pH 7.0的植物乳樣品,加熱至60 ℃,使用電動起泡器在12 000 r/min下攪打30 s,迅速將泡沫倒入500 mL量筒,記錄泡沫總體積。室溫下靜置5 min和30 min時分別記錄剩余泡沫總體積。起泡性和泡沫穩定性按照公式(1)～公式(3)計算:

起泡性/%=(V1-V0)/V0×100

(1)

泡沫穩定性5 min/%=V2/V1×100

(2)

泡沫穩定性30 min/%=V3/V1×100

(3)

式中:V0,液體體積,mL;V1,泡沫初始體積,mL;V2,靜置5 min時泡沫體積,mL;V3,靜置30 min時泡沫體積,mL。

1.3.5 流動性質

泡沫流動性是在參考ZOHEIDI等[12]實驗方法基礎上,根據實際情況設計的實驗裝置,包括漏斗、帶循環水夾套的玻璃管(長度30 cm、內徑1 cm)以及配備記錄儀的電子天平。實驗首先將玻璃管恒溫至60 ℃,隨后將等質量的植物蛋白乳按照1.3.4節的方法攪打起泡,通過漏斗倒入玻璃管,記錄30 min內流出質量。

1.3.6 顯微圖像采集

使用光學顯微鏡對不同植物蛋白乳攪打后的泡沫進行觀察。每個泡沫樣品在室溫下放置于載玻片上,在40×放大倍數下觀察不同時間的微觀結構,并使用IC capture 2.4軟件捕獲樣品的泡沫圖像。

1.3.7 圖像分析

使用Cellpose軟件對圖像進行處理[13],識別泡沫中的氣泡,將圖像分割成氣泡(空氣相)和膜層(液相)。隨后使用Image J中的“分析顆?！惫ぞ邔ε菽M行量化,得到泡沫平均直徑。此外,通過膜層網絡分析計算了泡沫液膜厚度(μm)。如圖1所示,將泡沫液膜厚度定義為總液膜面積(μm2)(圖1中的黑色面積)除以液膜網絡的總長度(μm)(圖1中的黃色線),以此量化泡沫液膜的平均厚度。

圖1 泡沫液膜厚度計算示意圖Fig.1 Schematic representation of mean lamella thickness calculation

1.3.8 基本成分測定

蛋白質含量測定:參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法。

脂肪含量測定:參考GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》中的酸水解法。

灰分含量測定:參考GB 5009.4—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》食品中總灰分的測定。

水分含量測定:參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》中的直接干燥法。

1.3.9 粒徑及ζ電位

樣品的粒徑及ζ電位采用納米粒度及電位分析儀測定,將樣品溶液稀釋至固形物質量分數為0.02%,裝入帶有電極的DTS1070型比色皿中,測試溫度為25 ℃,光散射角度為173°,每個樣品測試3次。

1.3.10 SDS-PAGE

液體樣品的SDS-PAGE分析采用LAEMMLI[14]的方法。分離膠質量分數為12.5%,濃縮膠質量分數為3%。將植物蛋白乳樣品稀釋至蛋白質質量濃度為2 mg/mL。取待測樣品0.5 mL,加入等體積的樣品溶解液,10 μL溴酚藍指示劑以及20 μL二硫蘇糖醇溶液,煮沸5 min。每個泳道上樣10 μL,電泳條件為電壓260 V,電流13 mA。電泳完成后,凝膠經固定、染色和脫色后,使用凝膠成像儀掃描圖片并保存,采用Image Lab軟件分析條帶。

1.3.11 脂質成分及含量

脂質提取:稱取20 g液體樣品,加入100 mLV(氯仿)∶V(甲醇)=2∶1混合液,加入0.01%(質量分數)2,6-二叔丁基-4甲基苯酚溶液以防止提取過程中脂質的氧化。將混合物振蕩后于4 ℃低溫下攪拌提取2 h,然后8 500×g、4 ℃下離心20 min,收集氯仿層。重復提取1次,合并2次氯仿相,加入過量無水Na2SO4,N2干燥濃縮,得到脂質樣品。

甘油三酯:參照晁紅娟等[15]方法,使用Si-60色譜柱(250 nm×4.6 nm×5 μm),流動相:V(正己烷)∶V(異丙醇)∶V(乙酸)=15∶1∶0.003;柱溫34 ℃;檢測器示差折光檢測器;流速1 mL/min;進樣量20 μL。

磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺:參照2020年版《中國藥典》中高效液相色譜測定方法,使用Si-60色譜柱,柱溫40 ℃,流速1.0 mL/min;檢測器為蒸發光檢測器(漂移管溫度72 ℃,載氣流速2 L/min);進樣量10 μL;流動相A為V(甲醇)∶V(水)∶V(冰醋酸)∶V(三乙胺)=85∶15∶0.45∶0.05,流動相B為V(正己烷)∶V(異丙醇)∶V(流動相A)=20∶48∶32。

1.3.12 數據處理

所有實驗重復3次,使用Origin對數據進行繪圖,通過SPSS 26軟件對數據結果進行分析,結果用平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 不同植物蛋白乳的泡沫性質

2.1.1 植物蛋白乳的制備及成分

3種植物原料的組成各不相同,大豆中含有35%～40%的蛋白質,15%～20%的脂肪和25%～30%的碳水化合物,而鷹嘴豆和燕麥中含有60%左右的淀粉,蛋白質和脂肪含量均顯著低于大豆。因此針對3種原料,采用不同的加工方式。大豆在磨漿、離心后進行加熱,鷹嘴豆及燕麥打漿后,先使用淀粉酶和糖化酶進行2次酶解,再加熱滅菌。料液比根據成品乳所需的2.5%(質量分數,下同)蛋白質含量確定,其余工藝條件通過預實驗確定。

2.1.2 起泡性和泡沫穩定性

將豆乳、鷹嘴豆乳、燕麥乳的蛋白質含量均調整為2.5%后攪打起泡,測定起泡性及泡沫穩定性。如圖2所示,豆乳具有最高的起泡性,鷹嘴豆乳次之,而燕麥乳起泡性明顯低于前兩者,三者分別為(245±2.88)%、(235±1.44)%和(215±2.88)%。泡沫穩定性的測定結果與起泡性規律正好相反,表現為燕麥乳泡沫穩定性最好,鷹嘴豆乳次之,豆乳泡沫穩定性最差。燕麥乳5 min時的泡沫穩定性高達99.0%,即打泡后在室溫下靜置5 min,燕麥乳泡沫幾乎無液體析出。

圖2 不同植物蛋白乳的起泡性及泡沫穩定性Fig.2 Foaming capacity and foaming stability of different plant protein milk

起泡性與泡沫穩定性產生差異的原因可能與3種植物乳的蛋白質種類、皂苷含量及固形物含量不同有關。大豆與鷹嘴豆均屬豆類植物,兩者的蛋白質主要為球蛋白,而燕麥中球蛋白含量僅有55%,還有20%左右的谷蛋白及其他蛋白。OSEMWOTA等[16]分離并比較了白蛋白、球蛋白和谷蛋白組分的結構及功能性質,發現中性pH值下球蛋白的起泡性顯著高于谷蛋白。此外,豆類植物種子中皂苷含量一般在0.62%～6.16%(質量分數),而燕麥中皂苷含量僅有0.08%。皂苷中的苷元具有親油性,而糖鏈具有親水性,故皂苷是一種表面活性劑。由此推測,皂苷對豆乳和鷹嘴豆乳的起泡性起了一定作用,因為皂苷在氣/液界面的吸附降低了表面張力,更容易產生氣泡[17]。燕麥的蛋白質含量較低,僅有11.73%,而鷹嘴豆和大豆的蛋白質含量分別達到22.58%和35.98%。因此在蛋白質含量相同的情況下,豆乳中固形物含量僅有5.82%,燕麥乳的固形物含量則高達23.80%,有利于形成較穩定的泡沫。燕麥乳中除了蛋白質,還有大量淀粉酶解后產生的糖,能夠提高層狀流體的黏度,不利于起泡,但能減少泡沫中液體的排出從而提高其泡沫穩定性。另一方面,豆乳的脂肪含量較高,而脂肪不利于泡沫性能,可能是豆乳的泡沫穩定性較低的原因之一。

2.1.3 泡沫的流動性質

泡沫的流動性質對咖啡專用起泡乳的應用有重要影響。用于卡布奇諾咖啡的植物蛋白乳打泡后需具備良好的流動性,同時黏度適中,不易黏壁。本研究設計了由玻璃管、電子秤和計時器組成的裝置以考察打泡后植物乳的流動性質。實驗結果如圖3所示。豆乳泡沫的初始流出速度最大,30%流出時間為0.13 min,鷹嘴豆乳泡沫次之,30%流出時間為0.37 min,而燕麥乳泡沫初始流出最慢,30%流出時間為0.61 min。另一方面,豆乳和鷹嘴豆乳泡沫的流速衰減較快,70%流出時間分別為1.92、1.88 min,而燕麥乳泡沫70%流出時間為1.22 min。實驗同時反映了不同植物蛋白乳泡沫的黏壁情況。豆乳、鷹嘴豆乳和燕麥乳泡沫的流出曲線分別在15、12、2 min后趨于平坦。在30 min時,3種植物蛋白乳泡沫的流出質量百分比分別為82.75%、87.88%和94.50%,說明豆乳泡沫的黏壁情況最嚴重,而燕麥乳泡沫的黏壁最少。實驗中可觀察到,開始流出豆乳中液體較多,泡沫較少,因此能表現為較大的流出初速度,而剩余豆乳泡沫中液體較少,泡沫較輕薄,容易黏附在玻璃管壁上;反之,燕麥乳中液體不是單獨流出,而是伴隨泡沫均勻流下管壁。因此,在初始階段燕麥乳泡沫流得相對較慢,但是由于泡沫較厚重,相對不容易黏附在玻璃管壁上,故達到平衡時的泡沫質量最大。

圖3 不同植物蛋白乳泡沫的流動性質Fig.3 Rheological properties of different plant protein milk foam

2.1.4 泡沫結構

圖4顯示通過光學顯微鏡觀察植物蛋白乳泡沫在5、15、30 min時的狀態?？傮w而言,植物蛋白乳泡沫在5 min時最為規則和均勻,隨著時間的推移,氣泡平均尺寸逐漸變大,外觀變得不規則。說明氣泡隨時間發生聚結和排液等不穩定現象,表現為氣泡尺寸的增加和氣泡數量的減少。具體來說,5 min時豆乳泡沫尺寸較為離散,而鷹嘴豆乳和燕麥乳的泡沫尺寸大小相對均勻。與此同時,豆乳泡沫尺寸從5 min到30 min的變化最為明顯,而鷹嘴豆乳和燕麥乳泡沫在此時間段內尺寸變化相對較小。有研究表明均勻的氣泡尺寸分布可以更好地穩定泡沫[18]。顯微鏡觀察到的結果對應了前文測定的泡沫穩定性,驗證了這一結論。

a-豆乳5 min泡沫;b-豆乳15 min泡沫;c-豆乳30 min泡沫;d-鷹嘴豆乳5 min泡沫;e-鷹嘴豆乳15 min泡沫;f-鷹嘴豆乳30 min泡沫;g-燕麥乳5 min泡沫;h-燕麥乳15 min泡沫;i-燕麥乳30 min泡沫圖4 不同植物蛋白乳泡沫在不同時間的顯微結構Fig.4 Microstructure of different plant protein milk foam at different times

2.1.5 泡沫尺寸及液膜厚度

理想的咖啡專用起泡乳泡沫應該具有均勻的尺寸和綿密的形態。此外,泡沫尺寸還與泡沫的聚結和排液等失穩過程有關。較大的氣泡往往與較低的泡沫穩定性相關,泡沫尺寸越小,其穩定性越高。如圖5-a所示,在任何時間,泡沫平均尺寸都按照豆乳>鷹嘴豆乳>燕麥乳規律排序,與3種植物蛋白乳泡沫穩定性排序正好相反。另一方面,隨著時間的推移,所有植物蛋白乳泡沫的平均直徑逐漸增大,導致不同樣品間差距更大,不同植物蛋白乳泡沫尺寸隨時間變化規律不相同。對于豆乳泡沫在5～15 min區間變化較小,而在15～30 min時間段內增加幅度更大,從106.75 μm增加至128.34 μm。反之,燕麥乳泡沫平均尺寸在5～15 min區間變化較明顯而在15～30 min區間則基本保持恒定。鷹嘴豆乳泡沫尺寸則在整個時間段內大致以相同的速度變化。

a-泡沫平均直徑;b-泡沫液膜厚度圖5 不同植物蛋白乳泡沫的泡沫平均直徑及液膜厚度Fig.5 Average foam diameters and foam film thicknesses of different plant protein milk

如圖5-b所示,豆乳泡沫的液膜厚度最小,而鷹嘴豆乳和燕麥乳泡沫的液膜厚度依次增大。與此同時,豆乳泡沫的液膜厚度隨時間變薄最明顯,而鷹嘴豆乳和燕麥乳泡沫液膜厚度的變化相對較小。這一結果說明豆乳泡沫液膜的失水速率更大,導致其泡沫穩定性較低。燕麥乳具有較高的黏度和固形物含量,從而在攪打時產生液膜較厚的氣泡,并且能夠減緩液膜失水而變薄。

2.2 植物乳泡沫氣液界面吸附組分

2.2.1 蛋白質組分

植物乳打泡并靜置30 min,盡量排出液體后收集液膜。3種植物乳打泡前原液蛋白質含量均為2.50%,30 min后泡沫液膜上的蛋白質含量分別為(2.60±0.01)%、(2.67±0.02)%、(2.77±0.01)%,界面蛋白吸附率分別為104.00%、106.80%和110.80%,說明蛋白質在液膜上產生了富集。此外,鷹嘴豆和燕麥蛋白在液膜上的富集程度更大,這可能與這2種蛋白質的疏水性較高有關。通過電泳分析植物乳及其泡沫液膜的蛋白質成分,進一步了解不同蛋白質組分對起泡性的貢獻(圖6)。大豆蛋白的主要成分為分子質量為50～75 kDa 的7Sα′、α和β亞基以及分子質量為17～35 kDa的11S A肽鏈和B肽鏈。鷹嘴豆蛋白主要包括vicilin(30～50 kDa、～19 kDa)以及leguminα和β(20～35 kDa)。燕麥蛋白的主要成分包括分子質量為50～75 kDa的7S球蛋白以及分子質量為20～35 kDa的12S A肽鏈和B肽鏈。通過對比可以發現,植物乳原液和泡沫液膜上的蛋白質成分相似,說明不同蛋白質組分在起泡性方面不存在根本性的區別。進一步對比可以發現,豆乳原漿大分子質量蛋白質聚集體含量較高,而在泡沫液膜中,B肽鏈條帶含量則更高。在豆乳加熱過程中,大豆蛋白發生一系列亞基解離和聚集反應,其中11S大豆球蛋白將通過SH/S—S交換形成大分子聚集體和游離的A和B肽鏈[19]。YU等[20]報道大豆11S蛋白所形成的泡沫比7S泡沫有更好的流變性和保水性,并推測7S在氣-液界面的吸附量較低,而11S有利于在氣-液界面形成黏性多層蛋白質網絡。在本研究中植物乳經過加熱處理,而他們采用的是未加熱處理的蛋白質可能是結果不同的原因。事實上,包括大豆蛋白在內的植物蛋白在加熱過程中將發生劇烈的亞基解離-聚集(聚合)作用[21],生成產物包括游離的亞基或肽鏈以及高分子質量蛋白質聚集體。因此,加熱處理后不同蛋白質組分已經結合在一起而無法單獨參與起泡作用。進一步比較可以發現,豆乳泡沫中11S蛋白B肽鏈的含量高于豆乳原液。同樣地,鷹嘴豆乳泡沫中的legumin蛋白β亞基和燕麥乳泡沫中的12S蛋白β亞基都高于相應原液。由于這3種蛋白質亞基具有相似的分子結構和性質,即較小的分子質量和相對較高的疏水性,因而更容易吸附于氣-液界面。

1-豆乳原液;2-豆乳泡沫膜;3-鷹嘴豆乳原液;4-鷹嘴豆乳泡沫膜;5-燕麥乳原液;6-燕麥乳泡沫膜圖6 還原SDS-PAGE圖Fig.6 Reducing SDS-PAGE patterns

2.2.2 脂質組分

由于鷹嘴豆乳和燕麥乳脂質含量較低,因此本文只考察了豆乳及其泡沫的脂質組分分布情況。豆乳中脂質含量為(1.71±0.03)%,泡沫液膜的脂質含量只有(1.54±0.02)%,低于體系的平均脂質含量。此外,豆乳、鷹嘴豆乳、燕麥乳的界面吸附蛋白/脂肪比率分別為115.78%、121.59%、136.05%,由此可見,脂質與蛋白質表現出不同的氣-液界面吸附特征。蛋白質在界面上的表面過剩量>0,為正吸附,而脂質在氣-液界面的表面過剩量<0,為負吸附。根據Gibbs吸附理論,正吸附降低界面張力,有利于起泡,而負吸附則升高界面張力,不利于起泡[22]。為了進一步考察液膜吸附脂質的特征,采用薄層色譜法(thin-layer chromatography,TLC)對豆乳總脂質進行分離并分別定量,結果如表1所示?？梢园l現甘油三酯(triglyceride,TG)是總脂質的主要成分,其余為磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine,PC)和磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)。在豆乳原液中,TG占總脂質的82.35%,PC、PE的占比分別為7.50%和5.17%,而泡沫液膜中,TG占比下降為80.56%,PC、PE的占比則分別上升至8.91%和6.59%。這一結果說明,豆乳打發起泡時,極性較大的磷脂優先于中性的甘油三酯吸附到氣-液界面上。從分子結構來看,磷脂具有一定的表面活性,因此比中性的TG具有更強的表面親和性,從而導致表面吸附脂質中磷脂的比例更大。另外,極性脂質更容易與蛋白質結合,因此有可能隨著蛋白質一同吸附到氣-液界面上[23]。

表1 豆乳原液及泡沫液膜上不同脂質成分含量 單位:%Table 1 Contents of different lipid components on soy milk and its foam film

2.2.3 液膜粒徑及ζ電位

比較原液和泡沫液膜的平均粒徑及電位,如表2所示。不同植物乳泡沫液膜的粒徑均小于原液,可能是因為液膜上小分子蛋白質含量相對較高,整體粒徑較小。另外,3種植物乳泡沫液膜的電位絕對值均高于原液的電位絕對值,猜測與液膜上吸附的磷脂比例較大有關,因此泡沫穩定后液膜所帶的凈電荷高于原液。

表2 不同植物乳原液及泡沫液膜的粒徑及ζ電位Table 2 Particle size and Zeta potential of different plant milk and foam liquid films

2.3 植物乳泡沫排液的動力學

2.3.1 泡沫液體排出曲線

液態泡沫是大量氣體被相對少量液膜所包裹的氣液分散體系,其失穩機理包括泡沫排液、泡沫歧化和泡沫聚結[7]。3種機制相互關聯,使得液態泡沫表現出隨時間不斷變化的不穩定特性。其中,由重力驅使的泡沫排液無法避免,是影響泡沫穩定性的主導機制。

圖7顯示植物乳泡沫液體排出質量隨時間變化?？梢园l現前期豆乳泡沫排液速率最快,燕麥乳泡沫排液速率最慢。豆乳泡沫排液集中在前5 min內,隨后排液速率降低,但是即使在30 min仍有液體排出。這說明初始泡沫液膜中水分含量較高,而保持水分的能力較差,在重力作用下快速流出。燕麥乳泡沫的排液速率低得多,但是在前10 min內流出速度基本不變,隨后排液速率緩慢降低,但后期燕麥乳泡沫排液速率高于豆乳排液速率。鷹嘴豆乳泡沫的排液特性介于豆乳和燕麥乳泡沫之間。泡沫排液初期重力作為主導因素,后期由于多個泡沫包圍的三角區域處壓力小于液膜壓力,液體會從液膜向三角區域流失,液膜逐漸變薄直至兩氣泡相觸破裂或歧化[24]。這種來自三角區域的吸力與氣泡的曲率半徑呈反比,燕麥乳泡沫平均尺寸最小,曲率半徑小,則三角區域吸力大,排液速度快。因此后期燕麥乳泡沫排液速率高于另兩者。

圖7 不同植物乳泡沫液體排出曲線Fig.7 Foaming liquid discharge curves of different plant protein milk

2.3.2 固形物、蛋白質、脂質排出曲線

泡沫排液不僅導致液膜中水分的流失,其他成分也一同損失。由圖8-a可知,燕麥乳泡沫的固形物流失質量最大,豆乳最小。在最初5 min,不同植物乳泡沫的固形物流失速率相差不大,說明燕麥乳泡沫排出液體的固形物含量遠遠高于豆乳和鷹嘴豆乳泡沫,與3種植物乳原液的固形物含量相對應。在排液后期,隨著豆乳和鷹嘴豆乳泡沫排液速率明顯降低,兩者與燕麥乳泡沫在固形物排出質量方面的差距更加明顯。30 min時,3種植物乳泡沫的固形物析出質量占原液中總固形物質量的79.57%、77.58%和74.62%。表明雖然燕麥乳泡沫的固形物排出質量顯著多于豆乳和鷹嘴豆乳,但最終燕麥乳液膜依舊保留了較多的固形物,因此液膜厚度最大。

a-固形物;b-蛋白質;c-脂肪圖8 不同植物乳泡沫固形物、蛋白質、脂肪排出曲線Fig.8 Different plant protein milk foam solids, protein and fat excretion curves

由圖8-b可知,植物乳泡沫的蛋白質排出曲線與泡沫排液規律相似。豆乳泡沫的蛋白質流失質量最大,燕麥乳最小。不同植物乳原液蛋白質含量相同,初期豆乳泡沫的蛋白質流失速率最高,鷹嘴豆乳次之,燕麥乳最低,5 min內三者分別排出原液50.86%、36.69%和18.14%的蛋白質。這是因為初期豆乳泡沫排液速率高于鷹嘴豆乳和燕麥乳,蛋白質成分隨液體一同析出液膜。隨著植物乳泡沫排液速率的降低,蛋白質排出曲線趨于平緩。由于后期燕麥乳泡沫排液速率高于另兩者,故30 min時不同植物乳泡沫的蛋白質排出質量逐漸接近,均占原液蛋白質質量的75%左右。

豆乳原液中脂肪含量相對較高,為(1.71±0.03)%,鷹嘴豆乳和燕麥乳僅有0.60%左右,如圖8-c所示,豆乳脂肪排出質量顯著高于另兩者。初期豆乳脂肪流失速率較高,前5 min便已排出原液52.76%的脂肪。鷹嘴豆乳和燕麥乳泡沫的脂肪排出曲線相近,但相比燕麥乳,鷹嘴豆乳泡沫更早達到平衡。最終不同植物乳泡沫的脂肪排出質量占原液脂肪質量的差距不大,為75%～79%。

3 結論

研究發現不同植物乳的起泡性為豆乳>鷹嘴豆乳>燕麥乳;泡沫穩定性為燕麥乳>鷹嘴豆乳>豆乳;泡沫的初始流動速度及黏壁性為豆乳>鷹嘴豆乳>燕麥乳;泡沫平均直徑為豆乳>鷹嘴豆乳>燕麥乳;泡沫液膜厚度為燕麥乳>鷹嘴豆乳>豆乳。不同植物乳的蛋白質均在液膜上產生了富集,豆乳泡沫中11S蛋白B肽鏈、鷹嘴豆乳泡沫中的legumin蛋白β亞基和燕麥乳泡沫中的12S蛋白β亞基含量均高于相應原液。豆乳泡沫液膜的脂肪含量低于原液,磷脂比甘油三酯更易吸附到氣-液界面上。不同植物乳的液膜粒徑均低于原液,ζ電位絕對值均高于原液。泡沫初期排液速率為豆乳>鷹嘴豆乳>燕麥乳;泡沫的固形物排出質量為燕麥乳>鷹嘴豆乳>豆乳;蛋白質及脂肪排出質量為豆乳>鷹嘴豆乳>燕麥乳。這些發現為起泡性植物蛋白乳作為卡布奇諾咖啡專用起泡乳的進一步研發利用提供了理論依據。