以檸檬果膠凝膠為基質的脂肪替代物的制備及其對黃油流變性的影響

何雨婕,張巧,李賢,雷激*

1(西華大學 食品與生物工程學院,四川 成都,610039)2(川渝共建特色食品重慶市重點實驗室,四川 成都,610039)3(食品微生物四川省重點實驗室,四川 成都,610039)

黃油是指將稀奶油進一步進行分離后獲得的脂肪含量在80%以上的產物[1],是最常見的烘焙油脂,常大量用于曲奇(黃油用量30%～40%)等高脂類焙烤食品中,發揮改善面團結構、提高風味及口感等作用[2],但其含有較高的飽和脂肪酸及膽固醇,進而可能導致肥胖、高血壓等疾病。近年來,為了改變高脂飲食可能對健康帶來的不利影響,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,仍然保持食物原有的特殊感官、風味和質地特性[3]。其中碳水化合物基脂肪替代物已經有多年的應用歷史,它包括麥芽糊精、纖維素衍生物、菊粉、果膠、改性淀粉等[4]。其中果膠是一種應用較為廣泛的脂肪替代物[5],它作為一種高分子質量的碳水化合物,可以替代水包油溶液,產生類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狀結構能將一部分水截留住,改善水相的結構特征,使整個體系具有較好的流動性[7]。而且果膠等膳食纖維已經被證實可以抑制脂類物質的吸收,從而起到降低卡路里攝入量的作用[8]?，F已有關于果膠作為脂肪替代物替代黃油的研究報道,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特性。但果膠作為脂肪替代物時通常以微?；z凝膠的形式進行添加,高酯果膠凝膠作為脂肪替代物時會出現以下問題:凝膠微?；幚砗髸霈F聚集脫水的現象,從而影響其作為脂肪替代物的質量及口感。為解決凝膠顆粒聚集及脫水的問題,需要復配一些相對整個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]。但目前針對高酯果膠凝膠微?；竺撍@一問題的研究報道較少,而在解決該問題的同時又探討復配凝膠作為黃油的脂肪替代物對黃油性質的影響尚未見報道。

針對檸檬果膠酯化度高、膠凝性強的特點,本試驗以自制檸檬果膠凝膠為原料,高速剪切微?；幚砗?復配其他惰性外相,以制得適宜的脂肪替代物,并將其應用于黃油中,探究脂肪替代物對黃油流變性的影響,為檸檬果膠凝膠基脂肪替代物在食品中的應用提供理論依據。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

檸檬果膠:自制,具體方法見1.3.1節;95%乙醇(體積分數,下同;分析純),成都市科隆化學品有限公司;蔗糖,安琪酵母股份有限公司;無水檸檬酸,濰坊英軒實業有限公司;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任公司;羧甲基纖維素鈉(sodium carboxyme thyl cellulose, CMC),上海長光企業發展有限公司;NaHCO3,天津渤化永利化工股份有限公司;二甲基硅油,天津市恒興化學試劑制造有限公司。

1.2 儀器與設備

HH-4水浴鍋,常州普天儀器制造有限公司;顯數式pH計,成都世紀方舟科技有限公司;TA-XT Plus質構儀,英國Stable Micro System有限公司;MCR302流變儀,奧地利安東帕(中國)有限公司;T 18 digital自動勻漿機,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 實驗方法

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,對檸檬皮渣進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。稱取一定質量的檸檬皮渣,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,后續步驟參考辛明等[12]的實驗方法采用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《食品安全國家標準 食品添加劑 果膠》附錄A.2對果膠進行了鑒別試驗,所提果膠符合要求。通過滴定法[11]測得果膠酯化度為68.11%,屬高酯果膠,通過比色法[12]測得果膠中半乳糖醛酸含量為83.32%,純度滿足GB 25533—2010《食品安全國家標準 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,通過預實驗篩選出最佳的果膠凝膠條件為:蔗糖濃度68%、果膠濃度1.8%(均為質量分數)、pH 2.7。

固定體系總質量,計算出各添加物質的質量,將果膠溶于去離子水中后于80 ℃水浴保溫0.5 h,用12.5%(質量分數)檸檬酸溶液調節體系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 復配惰性外相的選擇及復配凝膠的制備

在1.3.2節的方法基礎上制備復配凝膠,在用去離子水溶解果膠的過程中同時加入相應濃度的惰性外相,其余步驟不變,制備復配凝膠,然后進行高速剪切微?；幚淼玫街咎娲?。經預實驗確定剪切速率為12 000 r/min,剪切時間為5 min。本實驗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],添加質量分數均為0.1%、0.3%、0.5%,分別測定不同配方的復配凝膠微粒10 d內的脫水率及聚集時間。

1.3.4 復配凝膠微粒脫水率和聚集時間測定

復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,測定其脫水率,其計算如公式(1)所示:

(1)

式中:W,脫水率,%;m1,貯存前質量,g;m2,貯存吸水后質量,g。

凝膠聚集時間是通過肉眼觀察表面脫水程度進行判斷,第1天每隔1 h觀察1次,之后每24 h觀察1次。

1.3.5 復配凝膠體系質構的測定

通過1.3.3節篩選出最佳的惰性外相,用不同濃度的惰性外相制備復配凝膠后測定其質構。采用質構儀對復配凝膠進行全質構掃描,測試條件設置如下:探頭P 0.5,測前速率1.0 mm/s,測中速度0.5 mm/s,測后速度10.0 mm/s,壓縮程度50%,觸發力5 g。每組樣品平行測量6次,得到復配凝膠的硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性,取均值作為測定結果,其中彈性為反向力,故取絕對值作為最終結果。

1.3.6 復配凝膠體系流變性的測定

復配凝膠制備參考1.3.5節,探究不同濃度的惰性外相對復配凝膠流變性的影響。測試時采用平板-平板測量系統,平板直徑25 mm,設置測試間距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圍,防止水分揮發。

參考趙錦妝[14]的方法進行測定,具體測定方法如下:

動態剪切流變性測定:溫度5 ℃,應變設置0.5%,測定果膠凝膠在振蕩頻率0.1～100 Hz下儲能模量G′及損耗模量G″的變化情況。

動態溫度掃描測定:應變設置0.5%,頻率1 Hz,分別測定果膠凝膠在5～80 ℃,升溫速率5 ℃/min下G′及G″的變化情況。

1.3.7 復配凝膠粒徑測定

參考呂春月[15]的方法稍作修改,將通過剪切的復配凝膠微粒加入到150 mL質量分數為0.1%的十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate, SDS)溶液中進行稀釋,樣品粒徑通過攪拌轉速為1 200 r/min的激光粒度分布儀進行檢測,每組樣品測定3次。

1.3.8 復配黃油制備方法

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(在篩選出最佳復配惰性外相濃度的基礎上按1.3.3節制備),用勻漿機20 000 r/min分別均質乳化至完全融合,然后在4 ℃冰箱中平衡24 h得到成品。

1.3.9 復配黃油流變性測定

參考蔣將等[17]的方法稍作修改,溫度10 ℃,應變設置為0.5%,用流變儀測定0.1～10 Hz剪切頻率下G′、G″及損耗正切值tanδ的變化。

1.4 數據分析

采用SPSS 25.0進行單因素方差分析及多重比較(P<0.05為差異有統計學意義),實驗數據用均值±標準差表示,Origin 2018用于圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 復配惰性外相對脂肪替代物穩定性的影響

為滿足脂肪替代物較好的口感和穩定性要求,通常需要對果膠凝膠進行微?；幚?但高酯果膠凝膠作為脂肪替代物進行微?；幚砗竽z微粒會由于氫鍵、范德華力及靜電引力聚集在一起[18],并脫去部分水分,導致粒徑變大,影響脂肪替代物質量。為了解決微?；幚砗蟮墓z凝膠脫水聚集的問題,本實驗選擇添加惰性外相作為阻隔劑。果膠為陰離子多糖,添加的惰性外相應當滿足以下2個條件:一是本身在無外界影響下不易凝膠,二是與果膠不會產生協同作用[10]。表1結果顯示CMC和黃原膠可以較好地保證微?；蟮墓z凝膠不再聚集脫水。CMC是一種陰離子型線型高分子物質[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過化學改性得到的水溶性纖維素鈉鹽[21],在水中溶脹時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量物質[23],是由黃單胞菌屬經有氧發酵產生的陰離子多糖,對熱、酸和堿都具有非常好的穩定性[24],并且還具有許多優良的特性,如乳化、分散性能,廣泛用于各個領域。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為它們與果膠分子之間通過靜電排斥而避免了果膠分子相互靠攏,同時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]?？紤]到成本問題,選擇低濃度CMC進行復配就能達到目的,這與趙錦妝[14]的研究結果一致。

2.2 CMC對復配凝膠質構的影響

由于黃油等固體脂肪具有良好的強度、彈性以及幾何形狀穩定性,因此要想制備一款脂肪替代物,凝膠質構特性是重要的衡量指標[25]。通過研究不同濃度的CMC對復配凝膠質構的影響,可以探究其對脂肪替代物的穩定性影響。如表2所示,隨著CMC添加量的增加,復配凝膠的硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性均呈現先增大后減小的趨勢,在CMC添加質量分數為0.4%(下同)時達到最大值,說明添加適當的CMC可以使復配凝膠體系的結構更加緊密。CMC與果膠之間相互作用,形成錯綜復雜的分子結構,從而使得質構指標均顯示出增大的趨勢[26]。但CMC的比例持續增大時,過多的CMC導致分子間產生劇烈碰撞,可能導致整個結構的孔隙增大,即結構變得相對松散[14],質構指標減小。根據質構結果,選擇CMC的添加量為0.4%。

表2 CMC濃度對復配凝膠質構的影響Table 2 Effect of CMC concentration on the texture of compounded gels

2.3 CMC對復配凝膠流變性的影響

2.3.1 CMC濃度對復配凝膠動態黏彈性的影響

儲能模量G′可以用來反應樣品的彈性,損耗模量G″反應樣品的黏性,它是測定物體黏彈性的方法之一[27]。與靜態剪切測定不同的是動態黏彈性測定可以體現出復配凝膠隨著剪切頻率變化下凝膠狀態的變化,考察不同剪切頻率下復配凝膠的穩定性。復配凝膠的動態黏彈性測定結果如圖1、圖2所示,當振蕩頻率>60 Hz時,G′的變化不再具有規律性,可能是因為凝膠體系三維網狀結構不夠緊密,高振蕩頻率下被破壞,故對0.1～60 Hz的部分進行分析,隨著振蕩頻率的增加,復配凝膠的G′均呈現逐漸增大的趨勢,當CMC的添加比例0.4%時為最大值。振蕩頻率對于G″的影響,在振蕩頻率90 Hz以上不再具有規律性,故對0.1～90 Hz的部分進行分析,隨著振蕩頻率的增加,所有濃度的復配凝膠體系的G″逐漸增大。在同一振蕩頻率下,隨著CMC濃度的增加,復配凝膠體系的G″先增大后減小,在添加量為0.4%時達到最大值。說明復配凝膠體系在CMC添加量為0.4%時凝膠網絡體系最為穩定,同時擁有最大的G′和G″,即產品的黏彈性最好。

圖1 振蕩頻率對復配凝膠G′的影響Fig.1 Effect of oscillation frequency on the G′ of compounded gels

圖2 振蕩頻率對復配凝膠G″的影響Fig.2 Effect of oscillation frequency on the G″ of compounded gels

2.3.2 CMC濃度對復配凝膠動態溫度掃描的影響

用復配凝膠制備脂肪替代物,其穩定性也十分重要,故通過動態溫度掃描來考察凝膠在不同溫度下的黏彈性變化以探究其穩定性,穩定性越強,越適合用于制備脂肪替代物。溫度對復配凝膠流變性的影響如圖3、圖4所示,隨著溫度的升高,各濃度復配凝膠的G′及G″均逐漸下降,說明溫度破壞了復配凝膠體系的強度,使得復配凝膠的彈性及黏性性能發生改變。在同一溫度下,可以看到,復配凝膠的G′及G″均隨著CMC濃度的增加先增大后減小,在質量分數為0.4%時達到最大值?？赡苁且驗殡S著CMC添加量的增加,復配凝膠體系會變得更加緊密,對于溫度的抵御性更好,不易破裂[6],但濃度過大會導致復配凝膠體系不夠穩定,說明CMC質量分數0.4%時復配凝膠體系最為穩定緊密。

圖3 溫度對復配凝膠G′的影響Fig.3 Effect of temperature on the G′ of compounded gels

圖4 溫度對復配凝膠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種流變性試驗均提示最佳的CMC添加質量分數為0.4%。

2.4 脂肪替代物粒徑分析

復配凝膠本身的滑潤度及口感較好,因此對于粒徑的要求沒有淀粉、糊精等脂肪替代物要求那么嚴格,但也要保證至少50%粒徑在100 μm以下[14]。將CMC添加量為0.4%條件下制備的復配凝膠進行微?；幚砗?其粒徑范圍如表3所示。復配凝膠微粒的粒徑90%達到了93.39 μm以下,能夠達到脂肪替代物的要求。

表3 復配凝膠微粒粒徑Table 3 Particle size compounded gels

2.5 脂肪替代物的添加對復配黃油流變性的影響

脂肪的黏彈性是其流變特性作用的結果[28],流變分析是考察油脂組分及加工方法對脂肪質構特性影響很重要的一種手段[29],振蕩頻率掃描能通過不同振蕩頻率下G′及G″的變化分別反映物料的黏性及彈性變化。復配黃油頻率掃描結果如圖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″呈現先增大后減小的趨勢。對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%的復配黃油之間。在動態流變性測定中,通常將應力與應變的相位差角δ稱為損耗角,tanδ為損耗正切值,又可稱為衰減率,損耗正切可表示為G″與G′的比值,即tanδ=G″/G′[30]。在整個頻率掃描過程中,復配黃油的G′均遠高于G″,這與全脂黃油的特性一致。當脂肪替代物添加比例超過80%時,復配黃油的tanδ隨著剪切速率的增加越來越大,添加比例<80%時,tanδ隨著剪切速率的增加先減小,后平緩的上升(圖8),說明當黃油被替代比例過大時,體系可能在高剪切頻率下穩定性會變差。綜上,全脂黃油的G′、G″及tanδ與替代比例20%、30%的復配黃油最為接近且整個圖線介于2個濃度之間,說明脂肪替代物最佳的替代比例應介于20%～30%。

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

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

圖8 振蕩頻率對不同脂肪替代物添加量復配黃油tanδ的影響Fig.8 Effect of oscillation frequency on the tanδ of compound butter with different fat substitution additions

3 結論

在檸檬果膠凝膠中選擇CMC為惰性外相,控制其添加質量分數為0.4%,復配凝膠體系最為穩定,可以有效控制凝膠微?；蟮木奂撍F象,且能滿足脂肪替代物的粒徑要求。

通過比較復配黃油與全脂黃油的儲能模量、損耗模量及損耗正切值等流變學指標,確定脂肪替代物在黃油中的最佳取代量為20%～30%,此時的復配黃油具有與全脂黃油相似的性質,這一結果可為檸檬果膠凝膠為基質的脂肪替代物的應用提供一定的理論依據,同時也為流變學特性指標應用于脂肪替代物取代率的研究提供了參考方法。