肉桂醛添加方式对乳清浓缩蛋白凝胶特性的影响

崔欢欢 秦奉达 李 艳 李 斌

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

蛋白质是常见的食品组分，具有良好的凝胶性，蛋白质基质凝胶及其稳定性受到国内外学者的广泛关注[1-2]。采用中链甘油三酯或麦芽糊精部分取代油相[3]、超声处理[4]、使用交联剂[5]、多糖和蛋白共混[6]等方法均能改善蛋白凝胶的质构，提高其稳定性。课题组前期研究[7-8]发现，肉桂醛中的活性羰基可与蛋白质的氨基发生席夫碱反应生成亚胺键，促进蛋白质在油水界面上吸附，改善乳液特性。肉桂醛与蛋白质间的相互作用可增强乳清蛋白乳液凝胶的黏弹性[9]。研究[10]表明，利用微/纳米囊化的包封技术对植物精油进行包载，可改善精油的亲水性、理化稳定性，拓展其在食品领域中的应用。其中，纳米乳液和微胶囊粉末是两种常见的包封载体，前者是液体形态，后者为粉末状。而乳清浓缩蛋白具有良好的凝胶性、持水性和乳化性[11]，是制备凝胶最常用的一种蛋白基质。

试验拟先采用纳米乳液和微胶囊包封技术对肉桂醛进行包载，改善其亲水性，随后将其添加至乳清浓缩蛋白溶液中，再采用实际加工中常用的凝胶方式即热诱导制备蛋白凝胶，表征凝胶的持水力、质构特性、微观结构以及流变特性，探究肉桂醛乳液及微胶囊对乳清浓缩蛋白凝胶特性的影响，以期改善热处理过程中蛋白凝胶的聚集现象及凝胶的稳定性，旨在为实际加工中蛋白凝胶析水现象的改善和质构特性的提高提供新策略。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

乳清浓缩蛋白(WPC)：约为85%，Hilmar 8010，美国希尔玛配料公司；

中链甘油三酯(MCT)：武汉博星化工有限公司；

大豆油：益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；

肉桂醛(CA)：美国Aladdin公司；

尼罗红、异硫氢酸荧光素(FITC)：美国Sigma-Aldrich公司；

吐温80：国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

集热式恒温磁力搅拌器：DF-101S型，巩义市英峪予华仪器厂；

数显恒温水浴锅：HH-4型，常州国华电器有限公司；

质构仪：TA-XT plus型，北京超技仪器技术有限公司；

光学法微流变仪：Rheolaser MASTERTM型，法国Formulaction公司；

激光扫描共聚焦显微镜：FV3000型，日本OLYMPUS公司；

高速离心机：H185OR型，湖南湘仪离心机仪器有限公司；

激光粒度分析仪：Malvern 2000型，英国Malvern公司。

1.2 试验方法

1.2.1 乳液制备 CA和MCT为油相，质量分数固定为10%，其中CA含量分别为0.00%，0.10%，0.20%，0.50%，1.00%，2.00%，5.00%，加入7.5%吐温80混合均匀，逐滴加至超纯水中，700 r/min搅拌30 min后即得CA乳液，于4 ℃冰箱贮藏备用。根据肉桂醛含量，乳液分别命名为E0.00、E0.10、E0.20、E1.00、E5.00。

1.2.2 微胶囊制备 称取5% WPC粉末溶于超纯水中，4 ℃冰箱过夜以充分水合，得5% WPC溶液，作为水相。CA和大豆油作为油相，质量分数固定为10%，其中CA含量分别为0.00%，0.10%，0.25%，0.50%，1.00%。油水两相按质量比1∶9混合，依次经高速剪切(12 000 r/min，3 min)、高压均质(62 MPa，循环5次)得到乳液。乳液进行喷雾干燥，选用0.5 mm雾化喷嘴，进风温度180 ℃，出风温度90 ℃，流量6 mL/min，收集得到的粉末即为微胶囊，于干燥器中贮藏备用。根据肉桂醛含量，微胶囊分别命名为M0.00、M0.10、M0.25、M0.50、M1.00。

1.2.3 蛋白凝胶制备

(1) 添加CA乳液的蛋白凝胶：制备16% WPC溶液，与CA乳液按质量比1∶1混匀，最终体系中蛋白质含量为8%、油相含量为5%。90 ℃水浴1 h，再冰浴30 min，于4 ℃冰箱静置24 h，得热致凝胶。最终凝胶中CA含量分别为0.00%，0.05%，0.10%，0.50%，2.50%。

(2) 添加CA微胶囊的蛋白凝胶：制备8% WPC溶液，添加2%微胶囊并充分分散，热致凝胶制备方法同1.2.3(1)。根据微胶囊的出粉率和包埋率计算得最终凝胶中CA含量分别为0.00%，0.02%，0.04%，0.08%，0.14%。

(3) 空白蛋白凝胶：8% WPC溶液按1.2.3(1)凝胶形成方式制备空白凝胶，命名为WPC。

1.2.4 表征

(1) 粒径：分散相选择MCT(折射率1.440)和肉桂醛(折射率1.620)，连续相为水(折射率1.333)，转速1 300 r/min，遮光率4%，平行测定4次。

(2) 质构：探头型号为P/0.5，压缩模式，测前速度1.5 mm/s；测试速度1.00 mm/s；测后速度1.00 mm/s，测试距离15 mm，返回高度20 mm，感应力5 g，平行测定4次。

(3) 激光共聚焦显微镜(CLSM)：将染色剂尼罗红、FITC同时与样品混合，取20 μL制样，90 ℃水浴1 h，冷却后于4 ℃冰箱放置24 h，然后于40×显微镜下观察样品的微观结构。

(4) 微流变：样品体积20 mL，初始温度20 ℃，结束温度90 ℃，升温速率1 ℃/min，测量时间2 h。

1.2.5 持水力计算 称取8 g混合溶液于10 mL离心管中制备凝胶，3 070 r/min、4 ℃离心20 min，称量离心管和凝胶的总质量。按式(1) 计算凝胶持水力。

(1)

式中：

CWH——凝胶持水力，%；

m0——离心前凝胶质量，g；

m1——离心管质量，g；

m2——离心后离心管和凝胶总质量，g。

1.3 数据处理

采用Excel 2016、Origin 2018、SPSS 25.0软件进行数据分析处理，P<0.05有显著性差异。所有试验重复3次，结果以平均值±标准偏差表示。

2 结果与分析

2.1 CA添加对乳清浓缩蛋白凝胶形成的影响

试验表明，随着CA含量的增大，乳液的凝胶由乳白色逐渐变为淡黄色或黄色，说明CA与WPC发生了席夫碱反应。在WPC充足的情况下，CA含量增大使得席夫碱反应程度加深，反应产物增多，因此凝胶颜色加深[12]。而微胶囊中CA与蛋白质的接触减少，凝胶颜色相对较浅。WPC空白凝胶放置5 min后出现析水现象，而CA的添加可以有效改善凝胶的析水情况。这是因为CA与蛋白质发生共价作用，使凝胶网络更加致密，保水力增强。

2.2 CA添加对乳清浓缩蛋白凝胶黏弹性的影响

微流变是根据粒子无规则运动形成的均方根位移(MSD)随时间的变化关系得到样品的黏弹性特征。MSD随去相关时间线性增加，表明粒子在一定的去相关时间内不受黏度影响，无规则运动较快，样品以黏性为主[13]；MSD呈现平台区，表明粒子受到弹性影响不能自由移动，样品以弹性为主[14]。由图1可知，空白凝胶及低CA含量(0.0%～0.5%)的凝胶以黏性为主，样品E5.00以弹性为主。而添加少量的CA微胶囊后，凝胶即显示出良好的黏弹性。50 min后，弹性指数(EI)迅速上升，表明凝胶开始形成，液滴间相互作用增强[15]，其中样品WPC和E0.00黏弹性最弱，样品E5.00黏弹性最强。加热使蛋白质分子展开，巯基和疏水基团充分暴露，并通过氢键和疏水相互作用等形成网络将液滴固定在其中[11,16]。CA含量的增大增强了其与蛋白质的相互作用，粒子的无规则运动受到凝胶网络的阻碍[17]，从而提高蛋白凝胶的黏弹性。

2.3 CA添加对乳清浓缩蛋白凝胶持水性的影响

由图2可知，CA乳液或微胶囊的添加均能改善乳清浓缩蛋白凝胶的持水性，与宏观观察中析水现象改善的结果一致。蛋白凝胶的持水力随CA含量的增大而显著升高，表明乳液和微胶囊中的CA均可与乳清浓缩蛋白发生相互作用，使凝胶网络结构更加致密，液滴更牢固地填充在网络中。CA乳液和微胶囊的添加对乳清浓缩蛋白凝胶持水力的提升效果相当，而微胶囊的添加同时可以增加蛋白质含量，有利于提高凝胶的持水性能。Sala等[18]指出，乳液凝胶在液滴尺寸较小的体系中具有较高的持水能力。

图1 蛋白凝胶的均方根位移及弹性指数随时间的变化Figure 1 MSD and elasticity index profile of protein gels as a function of time

小写字母不同表示差异显著(P<0.05)图2 蛋白凝胶的持水力Figure 2 Water holding capacity of different protein gels

2.4 CA添加对乳清浓缩蛋白凝胶质构特性的影响

由表1可知，样品E0.00的凝胶强度、硬度和黏附性分别是WPC凝胶的1.98，2.45，4.86倍。在蛋白质和非离子型表面活性剂混合体系中，未达到临界胶束浓度时，蛋白质和表面活性剂均吸附至界面上[19]，因此乳液存在时，蛋白质吸附至油水界面促进网络结构形成。随着CA含量的升高，蛋白凝胶的凝胶强度、硬度和黏附性整体呈上升趋势。当油水界面与凝胶基质存在相互作用时，活性填料可以加强凝胶网络，且增强作用取决于活性填料的体积分数[20]。

由表2可知，微胶囊的添加可显著提高蛋白凝胶的凝胶强度、硬度和黏附性。加入微胶囊后，凝胶体系中蛋白质含量增加，有利于形成更强的网络结构。CA以乳液形式添加能更有效地提升蛋白凝胶的质构指标，可能是因为纳米乳液中油滴尺寸较小(纳米级)，能更有效地增强凝胶的网络结构，且有利于CA与蛋白之间的相互作用[16]。

2.5 CA添加对乳清浓缩蛋白凝胶微观结构的影响

由图3可知，热处理后蛋白发生聚集，形成不连贯的网络结构。添加乳液后，液滴填充在网络结构中，凝胶网络结构连续。当CA含量低于1.00%时，乳液粒径较大，所以凝胶网络结构中的孔径较大。当CA含量为5.00%时，乳液粒径最小，更容易填充至凝胶基质中，所以网络结构最为致密[21]。添加微胶囊后，蛋白凝胶的结构明显比WPC凝胶致密，微胶囊均匀分布在凝胶网络中。相比乳液，CA以微胶囊形式添加时，其含量的升高并未显著影响凝胶结构。

3 结论

通过纳米乳液和微胶囊的方式改善香料组分肉桂醛的亲水性，研究了其添加对乳清浓缩蛋白凝胶特性的影响。结果表明，乳液中的肉桂醛更易于与乳清浓缩蛋白发生席夫碱反应，促使凝胶颜色由乳白色变为黄色，而添加微胶囊的凝胶颜色变化不明显。热致蛋白凝胶出现严重的析水现象，添加含有肉桂醛的乳液或者微胶囊均可提高蛋白凝胶的持水性，改善析水现象。肉桂醛以不同的形式添加后，凝胶的黏弹性均增加，其中添加乳液的蛋白凝胶的黏弹性低于添加微胶囊的蛋白凝胶。在乳液和微胶囊两种添加方式中，添加乳液的蛋白凝胶具有较强的凝胶强度、硬度和黏附性，而微胶囊液滴在蛋白凝胶中的稳定性较好。以上结果表明，通过改变脂溶性肉桂醛的添加方式可调控蛋白凝胶的稳定性及品质，有望改善蛋白质热加工过程中的不稳定性，并扩展香料肉桂醛在食品中的应用范围。后续将进一步分析探讨肉桂醛的添加对其他方法如酸诱导制备的蛋白凝胶的影响

表1 添加CA乳液的蛋白凝胶质构特性†Table 1 Texture characteristics of protein gels in the presence of CA emulsions

表2 添加CA微胶囊的蛋白凝胶的质构特性†Table 2 Texture characteristics of protein gels in the presence of CA microcapsules

A.FITC染色的蛋白质 B.尼罗红染色的油相 C.A和B的合成图像图3 蛋白凝胶的微观结构Figure 3 Microstructures of different protein gels