延边黄牛液态牛油分提及其微胶囊化研究

范梓悦, 万明鑫, 张 华*, 马 静,2*

(1.延边大学 农学院,吉林 延吉 133002;2.锡林郭勒职业学院,内蒙古 锡林浩特 026000)

延边黄牛是中国5大地方良种牛之一,地域特色鲜明[1]。其肉质软嫩适口,味道鲜美,可媲美日本和牛和韩国韩牛,在国内外市场享有较高的声誉。延边黄牛脂中含脂肪酸、维生素、矿物质、胆固醇等多种成分,其中,脂肪酸是牛脂的主要营养成分,且含量较高[2]。牛脂中主要的脂肪酸为软脂酸、硬脂酸和油酸,占90%左右,其特性是含奇数碳原子脂肪酸较多[3]。牛脂中富含的维生素A、维生素E和其他脂溶性维生素不仅促进新陈代谢且便于吸收利用[4]。牛脂中胆固醇维持人体最基本的生命活动[5-6]。此外,牛脂中还含有磷脂、甾醇、生育酚等脂质伴随物,这些物质与生长发育、维持正常生理功能有密切关系[7]。食用牛脂口感细腻、风味独特,具有不可替代的特殊香味[8-9],常被广泛应用于食品行业,如牛肉味调味料、牛油火锅底料、牛油基起酥油等[10-11]。

近年来,动物油脂的分提成为人们研究的热点。延边黄牛脂常温下为固态,其熔点比猪油高35 ℃～50 ℃,可塑性差,起酥性不好。饱和脂肪酸含量高,容易引起高血压、动脉硬化、冠心病等健康问题,不适合作为直接食用油脂。液态牛油的分提是根据油脂中的各种甘油三酯不同的熔点,控制其冷却速率,把牛脂分成固、液2部分,实现降低分离后液态牛油的熔点及饱和脂肪酸的相对含量。拓宽牛脂的应用范围,有利于开发新的牛油产品。目前,油脂分提工艺主要包括干法分提、表面活性剂分提和溶剂分提。其中,表面活性剂可以满足快速分提并减小液态牛油催化剂的污染。

微胶囊技术是将固、液或气体物质包覆在微型胶囊中并尽可能保持其原来的色、香、味、性能、生理活性及营养的一种新型技术。简单来说,微胶囊技术就是对于不同的芯材,根据其特有的用途,选择合适的单一或者复合的壁材进行包裹[12-13]。一些物质经微胶囊化后,能够以微细状态的芯材形式被储存并且在需要时释放出来,其颜色、外形、耐热性、溶解性、体积、质量等都不会发生改变[14]。这些性质使得微胶囊技术能够在食品工业中发挥重要作用。目前,微胶囊技术是一种已获得世界最高组织认可的新型技术,其可以广泛地应用于医药、食品、化工等领域,使功能性物质得到有效利用,具有较高的经济价值,但相关牛油的微胶囊化研究甚少。

液态牛油不饱和脂肪酸含量高,容易氧化。液态牛油微胶囊化后与外部环境隔绝,延缓氧化速率,稳定性强,利于保存。该研究以延边黄牛脂为原料,利用气相色谱仪和核磁共振仪分析牛油的脂肪酸组成。以0.1%和0.5%不同浓度的Crystalizer209、ps 66和ps 68等3种表面活性剂,分提不同饱和度的液态牛油。利用最优条件分提液态牛油并进行微胶囊化,以期牛油微胶囊为食用油脂生产加工及保存等方面的广泛应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛油(实验室自制),海藻酸钠,明胶B型,转谷氨酰胺酶(均为食品级),氘代氯仿-d(纯度99.8%)+0.03%(v/v)TMS(均购置上海阿拉丁试剂有限公司)。三氯甲烷,碘化钾,可溶性淀粉,氢氧化钾;酚酞指示剂;邻苯二甲酸氢钾;无水碳酸钠;浓硫酸;苯;石油醚;十七烷酸甲酯;重铬酸钾,表面活性剂Crystalizer209,表面活性剂ps66,表面活性剂ps68,以上均为分析纯。

1.2 仪器与设备

高速分散均质机(FK-FSH-2A,常州万科仪器有限公司),真空冷冻干燥机(FD-1C-50,北京博医康仪器有限公司),恒温水浴氮吹仪(DCY-12S,上海旌派仪器有限公司),恒温恒湿箱(HWS-50 B,上海和呈仪器制造有限公司),索氏抽提器(SZF-06C,上海邦西仪器科技有限公司),气相色谱仪(GC-2010plus,中国岛津仪器有限公司),核磁共振波谱仪(AVANCE NEO 600 M,北京布鲁克科技有限公司),油脂氧化分析仪(OXITEXT型,北京盈盛恒泰科技有限责任公司)。

1.3 牛油的气相色谱分析

称取30 mg样品,加入1.5 mL 0.5 mol/L甲醇钠,充分混合后在95 ℃以上温度反应 3 min,冷却,再加入2 mL体积分数14%的BF3甲醇溶液继续在95 ℃条件下反应2 min,冷却后加入1 mL饱和氯化钠和2 mL异辛烷,提取脂肪酸甲酯经过无水硫酸钠干燥后用于气相(GC)分析。

1.4 牛油的核磁共振氢谱分析

称取5～6 mg延边黄牛脂,将其溶解于氘代氯仿,之后吸取500 μL转移至直径为3 mm的玻璃核磁管中进行测试。测试条件:频率500.13 MHz;光谱宽度10 000 HZ;扫描次数16次;数据采集时间3.276 8 s;脉冲宽度10 ppm;弛豫时间1 s。在核磁共振氢谱分析下得出不饱和脂肪酸、饱和脂肪酸以及反式脂肪酸有无存在和组成比例。

1.5 表面活性剂分提牛油条件

称取10 g延边黄牛脂,分别加入0.1%和0.5% 2种不同浓度Crystalizer209、ps66和ps68等3种表面活性剂,并使用加热磁力搅拌器使牛油与表面活性剂混合均匀后置于在24 ℃的恒温恒湿箱中,静置24 h,且该过程均长于各条件结晶生成时间,根据牛油中构成牛油的甘油三酯的熔点差异及溶解度不同,试验得到固体脂肪得率和液体油得率。每一样品进行3次平行试验。

1.6 牛油微胶囊化

1.6.1 牛油微胶囊的制备

分别制备质量分数为2%的明胶和海藻酸钠溶液(明胶与海藻酸钠的质量比为4∶1),先取8 mL牛油加入海藻酸钠溶液,再加入0.04 mL乳化剂司班80,开始进行第1次均质乳化,然后加入明胶溶液进行第2次均质乳化得到水包油乳液,2次均质速度均为10 000 r/min。使用10%冰乙酸溶液调节乳液pH值为4.25时进行复凝聚反应,反应条件为45 ℃、600 r/min,9 min。复凝聚反应结束后将体系降温至10 ℃以下维持20 min进行凝胶,每5 min搅拌1次。凝胶结束后,去除上清液并加入去离子水洗涤,再用10%氢氧化钠溶液逐滴加入调节pH值为6,加入1.28 g转谷氨酰胺酶(TG酶)低温固化处理,固化温度15 ℃,固化时间2 h。固化结束后,经真空冷冻干燥得到微胶囊。

真空冷冻干燥:将所得的微胶囊液倒入冻干物料盘中,厚度不超过1 cm,放入-80 ℃冰箱中预冷12 h后经真空冷冻干燥机(-50 ℃、1 Pa)冷冻干燥得到牛油微胶囊产品。

1.6.2 牛油微胶囊的水分含量测定

准确称取3 g微胶囊样品,在105 ℃烘箱中干燥3 h,取出置于干燥器中冷却称重。重复上述干燥操作,直到最后2次所测的样品重量差小于1 mg,所得到称重前后微胶囊产品的质量差即为水分含量。每个样品进行3次平行试验。

1.6.3 牛油微胶囊的堆积密度测定

准确称取3 g微胶囊样品,缓慢地装入有刻度的量筒中,并将量筒水平匀速晃动使微胶囊粉末自然下沉,测定体积,并计算单位体积微胶囊的质量即微胶囊的堆积密度。每个样品进行3次平行试验。

1.6.4 牛油微胶囊的流动性测定

准确称取5 g微胶囊样品倒入漏斗,使微胶囊通过漏斗自然下落,在水平圆板上堆积。每个样品进行3次平行试验。测量粉堆高度H及粉堆覆盖半径,按公式求出休止角,休止角θ越大,散落性越好,休止角θ越小,散落性越差。休止角公式如下:

θ=tan-1(H/R),

式中,H为粉堆高度(mm);R为粉堆覆盖半径(mm)。

1.6.5 牛油微胶囊的溶解度测定

已知微胶囊的水分含量B,准确称量微胶囊质量为W。倒入50 mL的烧杯中,量取38 mL蒸馏水,水温控制在25～30 ℃,多次溶解后转入50 mL离心管中。将上述离心管置于离心机中,以4 000 r/min离心10 min,倾去上清液,重复此步骤至沉淀物不再溶解为止,用少量水将沉淀移入已知质量的蒸发皿中,置于105 ℃烘箱中烘至恒重。

式中,W为样品质量(g);W1为称量皿质量(g);W2为称量皿和不溶物质量(g);B为样品含水量。

1.6.6 牛油微胶囊的包埋率测定

包埋率是指微胶囊所包埋芯材的量与总芯材的量之比,是判断微胶囊包埋芯材效果的关键指标。

1.6.7 牛油微胶囊的表面含油量测定

精确称取0.5 g微胶囊样品(m0)于干燥的装有滤纸的漏斗中,将100 mL石油醚分5次加入过滤至干燥的旋蒸瓶(m1)。在50 ℃水浴中用旋转蒸发仪蒸干溶剂,65 ℃烘箱中烘干至恒重,冷却称重(m2)。每个样品进行3次平行试验。微胶囊表面油含量的计算公式为:

1.6.8 牛油微胶囊的样品总油含量测定

索氏抽提法[16]:按照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》的第1法执行,并进行适当的修改。

精确称取0.5 g微胶囊样品(M0),充分研磨10 min,全部移入滤纸筒内(M1)。以无水乙醚作溶剂开始进行索氏抽提。抽提结束以后,将滤纸包取出,65 ℃烘箱中烘干至恒重,称重(M2)。每个样品进行3次平行试验。微胶囊样品总油含量的计算公式为:

1.7 氧化稳定性和货架期测定

采用OXITEST法对油脂及其凝胶(准确称取10 g)进行分析,纯氧压力0.6 Mpa,90 ℃恒温,使用2个不同的反应室做重复试验。氧化稳定性通过诱导期(IP)值反映。对油脂及其凝胶在3种不同温度(70,80,90 ℃)下进行加速货架期试验。使用仪器自带的OXIoftTM程序,通过图解法自动计算氧化曲线的IP值及其货架期。

1.8 数据分析

所有试验进行3次重复试验,主要基于Microsoft Excel进行绘制图表,采用SPSS 25.0软件中的Duncan检验法进行多重比较,当概率值≤0.05时,判定为统计学显著。

2 结果与分析

2.1 延边黄牛脂的脂肪酸组成

延边黄牛脂的脂肪酸组成如表1所示,对比气相色谱仪及核磁共振氢谱分析2种检测方法,分析结果表明:延边黄牛脂中含有45.14%～47.76%的不饱和脂肪酸和51.01%～52.24%的饱和脂肪酸。且利用气相色谱仪检测结果中含3.85%的反式脂肪酸,而在核磁共振氢谱分析中并未体现。表明脂肪酸组成分析更适合利用气相色谱鉴定结果。

表1 牛脂脂肪酸组成

2.2 液态牛油的分提——表面活性剂对牛油的分提作用

延边黄牛脂中添加0.1%和0.5%的3种表面活性剂,在24 ℃条件下,分提24 h,观察结晶开始时间,并测定液态牛油的得率和饱和度。由表1可知,在添加0.1%表面活性剂的条件下,3种表面活性剂结晶开始时间均在38′10″～40′00″,无显著性差异。添加0.1%Crystalizer209表面活性剂分提液态牛油得率为(5.9±0.8) g,添加0.1%ps66表面活性剂分提液态牛油得率为(5.8±0.2)g,添加0.1%ps68表面活性剂分提液态牛油得率为(5.6±1.3) g,添加0.1%ps68分提的液态牛油得率显著低于添加0.1%Crystalizer209和0.1%ps66。在添加0.5%表面活性剂的条件下,结晶时间排序依次为ps68

表2 不同添加量的表面活性剂对结晶时间及液体油得率的影响

进一步对添加不同浓度表面活性剂的液态牛油饱和度进行测定(图1)。结果所示添加0.1%ps66表面活性剂分提的液体牛油饱和度显著高于其他组。通过试验结果汇总和分析可以得出,牛油分提过程中,添加不同浓度的不同表面活性剂对牛油的提取有不同的促进或抑制作用,通过该试验分析也可以明确找出更符合实际,利用效果更高效的表面活性剂。

2.3 牛油微胶囊基本理化指标

牛油微胶囊制作后的各项理化指标如表3所示,微胶囊后的牛油水分含量较低,意味着牛油微胶囊受水分影响小,水分扩散蒸发对品质影响不大;堆积密度0.34 g/mL,休止角47.13°,说明制备的牛油微胶囊流动性较好;溶解度为0.4 g/100 g;含油率相对较低,稳定性好,不仅加大了其本身的利用率还有效的延长贮藏时间、节约贮藏成本。但存在总含油率、包埋率相对较低的问题,可以通过改变包埋方式以及其他有效措施提高其含油率和包埋率,在此基础上会加大其自身附加值。

注:图中A-F组分别代表添加0.1%的Crystalizer209、0.1%ps66、0.1%ps68、0.5%Crystalizer209、0.5%ps66、0.5%ps68。

表3 牛油微胶囊基本理化指标

2.4 液态牛油货架期

液态牛油在70、80和90 ℃的IP值曲线如图2所示,在该温度下牛油的IP值可达16.3 h,进一步对牛油在70、80和90 ℃的IP值进行测定并进行线性拟合(图3),拟合方程为lnIP=-0.102 9 x+11.959, R2=0.999 9,表明该方程具有良好的预测能力,因此,可用该方程预测牛油在20 ℃液态牛油的货架期,其结果显示,牛油在20 ℃的货架期为27.0月,具有良好的抗氧化能力和较长的货架期,适合在常温下长期储存。

图2 3种温度下牛油的IP值

图3 液态牛油在不同温度的IP值拟合曲线

3 讨论

因不同表面活性剂作用的影响,分提的固态牛脂与液态牛油得率不同。根据表2和图1可知,在相同养晶时间与养晶温度,分提后的饱和度均不相同。饱和度越低分提效果越好。液态牛油分提结果除0.5%Crystalizer209与其他组有显著差异,无法得到液态牛油以外,其他组均有降低饱和度的效果。

牛油微胶囊理化指标结果表明,水分含量4.15%,有利于储藏;休止角47.13°,略高于45°,说明牛油微胶囊化产品具有较好的流动性;牛油微胶囊微溶于水,其溶解度仅为0.47 g/100g,在水溶液中对芯材起到了很好的保护作用。微胶囊化后的液态牛油稳定性好,利于储存。李艳南等[15]使用的芯材是天然椰子油,以明胶和阿拉伯胶为壁材,使用物理化学法中的复合凝聚法形成了微胶囊,包埋率为(93.75±0.28)%,包埋率明显高于该试验中69.54%的包埋率,这可能是由于受到了包埋方式采取不恰当或操作不当等因素的影响,有些微胶囊的制备需要添加适量的乳化剂来提高芯材的包埋率。

通过气相分析和核磁共振波谱仪分析可知,延边黄牛脂中含有的是饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸以及反式脂肪酸的含量。气相分析法测出含3.85%的反式脂肪酸,而核磁法未测出含有反式脂肪酸,表明气相色谱分析更适合脂肪酸组成的分析;分提后液态牛油不饱和脂肪酸含量明显高于原油。余力等[16-17]人研究发现,较高含量的不饱和脂肪酸会减轻动物油脂对人体的危害,抑制动脉粥样硬化的形成及发展,同时可增加血管的弹性与韧性,减少患心血管疾病的风险。

延边黄牛脂货架期问题是影响其加工生产、贮藏保存以及销售的关键性问题。分析温度、压强2个主要影响因素,发现二者与保质期的长短有直接线性关系。通过探究分析牛油70、80和90 ℃ 3个温度条件下IP 值的变化,拟定曲线得到相关公式,明确其货架期。在保证主观因素延长货架期的前提下,还可反映牛脂在不同温度保存条件下的质量状态。

4 结论

表面活性剂可通过调节牛油饱和度对牛油的分提有不同程度的促进作用,且牛油饱和度与不同浓度表面活性剂相关。在表面活性剂为0.5% ps66时效果最佳,得率最高,均高于0.1%的Crystalizer209、ps66、ps68和0.5%的Crystalizer209、ps68。分提出的液态牛油进行微胶囊处理后对其理化指标进行测定。分析结果表明,微胶囊化后提高了液态牛油的贮藏稳定性和加工运输性能,延长了保存期,扩大了其应用范围。另外,如何提高牛油微胶囊包埋率,尚有待于进一步研究。