魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导大豆分离蛋白乳液凝胶特性的影响

望运滔,陈曦,梁晴,陈静,栗俊广

1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院,河南 郑州 450001;2.食品生产与安全河南省协同创新中心,河南 郑州 450001;3.河南省冷链食品质量安全控制重点实验室,河南 郑州 450001

0 引言

近年来,绿色发展理念越来越深入人心,寻找性能优良且价格便宜的植物蛋白用于制备乳液凝胶主导的食品体系引起业界广泛关注[1]。乳液(水包油型)的形成主要通过外界的能量输入将油相打破,形成小油滴,蛋白质分子迅速吸附在小油滴表面并形成一层吸附蛋白膜,从而促进油滴在连续相中的分散和稳定。乳液凝胶则是在乳液的基础上,通过加热、酸化、酶诱导等方法形成的具有空间网络结构的凝胶状固体材料。蛋白质在乳液凝胶反应体系中既是乳液形成的乳化剂,又是各种凝胶处理方法作用的底物[2-3]。大豆分离蛋白(Soybean Protein Isolate,SPI)是从豆粕(除去油和水溶性非蛋白质成分)中提取得到的蛋白质含量大于90%的蛋白粉,其结构和性质基本可代替纯大豆蛋白[4],具有营养价值高、价格低廉、易获得等优点,以其为主料可进一步加工制作各类蛋白基食品,如大豆蛋白饮料、焙烤制品、无肉灌肠等[5]。此外,SPI还具有较丰富的功能特性,如溶解性、乳化性、起泡性、凝胶性、保水性、保油性等,其中凝胶性是非常重要的功能特性之一。然而,天然SPI的凝胶特性存在弹性较差、结构松散等现象,很难满足食品加工的要求[6-8]。

大量研究[9-10]表明,多糖可显著改善蛋白基食品的质构、感官等特性。例如,朱秀清等[11]研究发现,添加质量分数为0.1% 的带电荷多糖(卡拉胶和瓜尔豆胶)可增加SPI的β-折叠结构,从而增强乳液的稳定性;W.J.Wang等[12]研究发现,添加仙草多糖可增强体系的静电和疏水相互作用,从而提高SPI-仙草多糖凝胶的持水性和凝胶强度。卡拉胶是分离自海藻的一种天然亲水性多糖,通过双螺旋交联形成热可逆凝胶,具有良好的凝胶特性和流变特性;魔芋胶是天然大分子杂多糖,具有增稠能力及良好的持水性和凝胶特性,是一种优良的膳食纤维,这2种多糖已广泛应用于食品工业各领域[13]。研究[14]表明,卡拉胶与魔芋胶复配具有协同胶凝作用,两者复配改善肉制品功能特性的研究较多,而改善植物蛋白功能特性的研究较少,且其对蛋白质乳液凝胶特性的影响规律尚未见报道。

热处理是提升蛋白质凝胶特性的常用方法之一。适度热处理可促进SPI的7S和11S亚基解离并通过二硫键重新聚集为可溶性大聚集体,进而促进致密凝胶网络结构的形成[15-16]。基于此,本文以SPI、魔芋胶和卡拉胶为研究对象,考查魔芋胶与卡拉胶以不同质量比复配对热诱导SPI乳液凝胶特性的影响规律,以期为提升热诱导SPI乳液凝胶产品的品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂大豆粕,山东省禹王植物蛋白有限公司;魔芋胶、卡拉胶及其他常用化学试剂,均为分析纯,上海源叶生物科技有限公司;金龙鱼精炼一级大豆油,益海嘉里粮油工业有限公司。

1.2 仪器与设备

JA3003 N型电子天平,上海箐海仪器设备有限公司;84-1型磁力搅拌器,上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;T25型高速均质机,德国IKA公司;HH-42型水浴锅,常州国华电器有限公司;TA-XT Plus型质构分析仪,英国Stable Micro System公司;TGL-20kR型高速冷冻离心机,上海安亭科学仪器厂;Discovery型流变仪,美国TA仪器;NM120型低场核磁共振成像分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;BX53M型偏光显微镜,日本奥林巴斯;LS230型粒度分析仪,美国Beckman Coulter。

1.3 实验方法

1.3.1SPI制备根据闫世长等[17]的方法,并稍作修改。将脱脂大豆粕按料液比1∶10(g/mL)与去离子水混合,用2 mol/L NaOH溶液调节pH值至8.0,室温下磁力搅拌2 h,使其充分溶解。以9000 r/min离心15 min,取上清液,用2 mol/L HCl溶液调节pH值至4.5,再以9000 r/min 离心15 min后收集沉淀,加入少量去离子水,并用2 mol/L NaOH溶液调节pH值至7.0,搅拌使蛋白质充分复溶,透析(透析袋为3500 Da)48 h以除去盐离子,冷冻干燥后即制得SPI,干燥条件下保存,备用。

1.3.2SPI乳液制备将SPI粉末(质量分数为16%)溶解于去离子水中,室温下磁力搅拌1 h,使其充分溶解。按不同质量比(1∶0、2∶1、1∶1、1∶2、0∶1)将魔芋胶和卡拉胶混合后,将混合物(质量分数为1%)溶解于去离子水中,室温下磁力搅拌1 h,使其充分溶解。将上述2种溶液混合,继续搅拌2 h,使其充分反应,再向体系中加入质量分数为20%的大豆油,用高速均质机以10 000 r/min的转速匀浆2 min,使其充分乳化,即制得SPI乳液,在4 ℃条件下保存,备用。最终体系各部分占比为:SPI 16%,多糖(魔芋胶和卡拉胶)1%,大豆油20%,去离子水63%。设置不添加魔芋胶和卡拉胶的SPI乳液作为对照组。

1.3.3SPI乳液微观结构观察根据K.Li等[18]的方法,并稍作修改。用移液枪吸取50 μL乳液样品置于载玻片上,用盖玻片覆盖并置于偏光显微镜下,观察乳液样品的微观结构。

1.3.4SPI乳液平均粒径及粒径分布测定参考Y.T.Wang等[19]的方法,使用粒度分析仪测定乳液样品的平均粒径及粒径分布。

1.3.5 热诱导SPI乳液凝胶制备将制备好的SPI乳液样品置于85 ℃水浴锅中加热20 min后,立即将其取出并用冰水冷却,即制得热诱导SPI乳液凝胶,于4 ℃条件下保存,备用。

1.3.6 热诱导SPI乳液凝胶质构特性测定根据J.G.Li等[20]的方法,并稍作修改。将制备好的SPI乳液凝胶样品置于室温下平衡20 min,采用质构分析仪的凝胶强度程序进行测定,使用P/0.5探头,应变为40%,触发力为5 g,测前、测中和测后速度分别为1.0 mm/s、1.0 mm/s和2.0 mm/s。将样品破裂点位第1个峰的顶点定义为SPI乳液凝胶的凝胶强度/g[18]。所有样品均重复测定6次。

1.3.7 热诱导SPI乳液凝胶保水性测定根据J.G.Li等[20]的方法,并稍作修改。准确称取5 g SPI乳液凝胶样品于10 mL离心管中,样品质量设为m1,于12 000 r/min离心10 min后,在滤纸上倒置20 min并除去凝胶表面多余水分,称重,质量设为m2。保水性(WHC)表示为离心后凝胶质量相对初始凝胶质量的百分比[21],即

1.3.8 热诱导SPI乳液凝胶水分分布测定参考X.B.Zhuang等[22-23]的方法,并稍作修改,使用低场核磁共振成像分析仪测定SPI乳液凝胶样品的弛豫时间(T2)以表征水分子的迁移率和凝胶中的水分分布。称取1.00 g乳液凝胶样品置于离心管中,并放入直径为15 mm的圆形玻璃管内进行测定,得到指数衰减图形。参数设置如下:使用CPMG序列,测量温度(32.00±0.01) ℃,质子共振频率18 MHz,扫描次数32次,回声数12 000,重复时间间隔110 ms,半回波时间(90°脉冲与180°脉冲之间的时间)250 μs。

1.3.9 热诱导SPI乳液凝胶微流变特性测定根据Q.M.Zhu等[7]的方法,并稍作修改。用胶头滴管吸取18 mL乳液样品,沿着管壁小心转移至平底圆柱形玻璃管(直径25 mm)中,按照1.3.5的方法制备成凝胶,放至常温后,再将玻璃管放入流变仪的样品池进行测定。测试条件为:测量温度25 ℃,上样量20 mL,测量时间3 h,测试模式为Full Characterisation。利用动态激光散射理论,采用扩散光谱技术,对样品内部示踪粒子的热行为进行跟踪和探测,并将其转化为纳米尺度的均方根位移(MSD)曲线,可得到MSD与去相关时间(tdec)的关系,并可计算样品的弹性指数(EI)、固液平衡指数(SLB)、宏观黏度指数(MVI)及流动指数(FI)[24-25]。

1.4 数据处理与分析

采用Origin 8.5软件绘图,采用SPSS软件进行ANOVA单因素方差分析和最小显著差异法Ducan检验(P<0.05),数据结果均表示为(平均值±标准差)。实验除标明外,均重复测定3次。

图1 魔芋胶与卡拉胶复配对SPI乳液微观结构的影响Fig.1 Effect of konjac gum and carrageenan on the microstructure of SPI emulsion

2 结果与分析

2.1 魔芋胶与卡拉胶复配对SPI乳液微观结构的影响

魔芋胶与卡拉胶复配对SPI乳液微观结构的影响如图1所示。由图1可知,仅由SPI稳定的乳液(对照组)油滴最大;与对照组相比,添加不同质量比魔芋胶和卡拉胶的SPI乳液油滴明显变小,其中1∶2组的油滴最小且分布最均匀。这可能是因为魔芋胶和卡拉胶均为亲水性多糖,其水溶液黏度较高[26-27],而高黏度的溶液能在一定程度上阻碍油滴的聚集。同时,魔芋胶和卡拉胶在水溶液中能通过分子相互作用形成凝胶网络结构[28-29],该结构对油相的聚集有一定的空间位阻作用。乳液中油滴的大小会影响油与油、油与蛋白质之间的界面性质,从而影响乳液的稳定性,进而影响复合凝胶的性质[30]。根据油滴对凝胶特性的影响,在高分散剂浓度环境中,油滴可作为乳液凝胶的活性填充物镶嵌在乳液凝胶的网络结构中,与凝胶基质之间产生较强的交互作用,从而增强SPI乳液凝胶的凝胶强度。当油相比例相同时,乳液中油滴的颗粒直径减小,总表面积增加,与凝胶基质的交互作用增强,能更大程度地增强乳液凝胶的凝胶强度[31]。上述结果表明,魔芋胶与卡拉胶复配且卡拉胶比例较大时,更有利于改善SPI乳液凝胶的凝胶特性。

2.2 魔芋胶与卡拉胶复配对SPI乳液粒径的影响

粒径的大小及分布可间接反映蛋白质或乳液液滴的聚集程度[32]。魔芋胶与卡拉胶复配对SPI乳液粒径的影响如图2所示,其中,不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05),下同。由图2a)可知,添加不同质量比魔芋胶和卡拉胶后,SPI乳液呈较窄的单峰且逐渐向小粒径分布方向移动,而对照组则呈较宽的单峰且平均粒径较大,表明添加不同质量比魔芋胶和卡拉胶可提高SPI乳液液滴分布的均匀性[33]。由图2b)可知,对照组的平均粒径为56.59 μm,而添加了不同质量比的魔芋胶和卡拉胶后,SPI乳液的平均粒径均有所减小,1∶0组、2∶1组、1∶1组、1∶2组和0∶1组乳液的平均粒径分别为49.52 μm、43.68 μm、38.22 μm、36.84 μm和40.43 μm,其中1∶2组乳液的平均粒径最小,表明该乳液颗粒大小相近且分布均匀,即乳液稳定性较好,这与微观结构观察到较小油滴的结论相符。

2.3 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶凝胶强度的影响

魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶及魔芋胶-卡拉胶复配凝胶凝胶强度的影响如图3所示。由图3a)可知,与对照组相比,添加不同质量比魔芋胶与卡拉胶的热诱导SPI乳液凝胶的凝胶强度均有所增强,1∶0组提高了16.87%,2∶1组提高了102.45%,1∶1组提高了180.06%,1∶2组提高了371.98%,0∶1组提高了84.94%。可以看出,魔芋胶与卡拉胶质量比为1∶2时,热诱导SPI乳液凝胶的凝胶强度达到最大值。这表明魔芋胶和卡拉胶的加入在一定程度上增强了热诱导SPI乳液凝胶的凝胶强度,且适当增加复合胶中卡拉胶的比例能显著增强热诱导SPI乳液凝胶的凝胶强度。该结果与图3b)中不同质量比的魔芋胶-卡拉胶复配凝胶的凝胶强度趋势一致,表明添加不同质量比魔芋胶和卡拉胶的热诱导SPI乳液凝胶凝胶强度的改变同魔芋胶-卡拉胶复配凝胶的凝胶强度改变相关。

图3 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶及魔芋胶-卡拉胶复配凝胶凝胶强度的影响Fig.3 Effect of konjac gum and carrageenan on gel strength of heat induced SPI emulsion gel and konjac gum-carrageenan gel

有研究[34]表明,当魔芋胶与卡拉胶复配时,一方面,这2种多糖通过分子间相互作用形成以卡拉胶网络结构为主体、魔芋胶穿插其中的三维网络体系,进而与SPI形成双网络凝胶结构,对热诱导SPI乳液凝胶的凝胶特性具有协同增效作用[35];另一方面,多糖因富含—OH能与SPI的酰胺键相互连接形成氢键,而其疏水基团则能与蛋白质的疏水基团相互作用增强分子间的疏水作用,在这些驱动力的作用下,乳液凝胶的凝胶强度进一步增强[36]。多糖还能基于其排阻作用增加SPI的局部浓度,进而增加SPI的有效凝胶浓度,从而增强SPI的凝胶特性[37]。此外,热处理可促进多肽链的展开及疏水部位的暴露,进而增强体系的二硫键和疏水相互作用[16]。

2.4 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶保水性的影响

魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶保水性的影响如图4所示。由图4可知,不同处理组的保水性均无明显差异(P>0.05),所有乳液凝胶均具有较好的保水性,这可能与SPI的添加量有关。SPI的肽链上有很多极性基团,具有良好的吸水性[35],本实验中SPI添加量为16%,高质量分数SPI形成的凝胶网络较致密,可很好地将水保留在凝胶网络中;同时,热处理使SPI的变性程度增加,增强了体系分子间的相互作用,从而使形成的热诱导乳液凝胶具有良好的保水性[36]。

2.5 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶水分分布的影响

T2一般可分为3个部分:1～10 ms(T21)、100～1000 ms(T22)和1000～10 000 ms(T23),分别代表凝胶体系中的3种水状态,即结合水、不易流动水和自由水。结合水是指水分子通过氢键与蛋白质的羰基、氨基、羧基等基团紧密结合的水分;不易流动水主要是指凝胶的空间网络结构中所保留的水分;自由水是指通过离心等方式可以除去的水分[38]。魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶水分分布的影响如图5所示。由图5可知,SPI乳液凝胶的水分分布包括3个较明显的峰,分别对应T21、T22和T23的水分含量分布。与对照组相比,其他处理组的T2均提前,而T2越早,乳液凝胶体系中的水分与非水成分结合越紧密,水分流动性越弱[23]。且当魔芋胶与卡拉胶质量比为1∶2时,热诱导SPI乳液凝胶的T2最小,表明在该质量比下,复合凝胶体系结合水的能力最强。

图4 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶保水性的影响Fig.4 Effect of konjac gum and carrageenan on water retention of heat induced SPI emulsion gel

P21、P22和P23分别代表T21、T22和T23的峰面积。魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶T2和P2的影响见表1。由表1可知,P22在凝胶体系中的占比最大(98%以上),表明绝大部分水分被固定在凝胶网络中,与保水性的结果一致。与对照组相比,1∶0组的P21和P22均略有增加,P23略有下降,而0∶1组的P21增加,P23下降,表明一定量的魔芋胶可增加热诱导SPI乳液凝胶中结合水和不易流动水的含量,而卡拉胶可增加热诱导SPI乳液凝胶中结合水的含量。在2∶1组、1∶1组和1∶2组中,随着卡拉胶比例的增加,P22逐渐增加,P23逐渐减少。上述结果表明,适当增加卡拉胶的质量可将体系中更多的自由水转变为不易流动水滞留在乳液凝胶的网络结构中[25]。

图5 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶水分分布的影响Fig.5 Effect of konjac gum and carrageenan on water distribution of SPI emulsion gel

表1 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶T2和P2的影响Table 1 Effect of konjac gum and carrageenan on the T2 and P2 of heat induced SPI emulsion gel

2.6 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶微流变特性的影响

MSD与tdec的关系曲线可用来描述示踪颗粒的布朗运动,从而反映体系的黏弹性和稳定性。散射粒子的运动速度因样品的内部结构、弹性和黏度的不同而不同。添加不同质量比魔芋胶与卡拉胶的热诱导SPI乳液凝胶属于黏弹性流体,零剪切状态下,示踪粒子在周边结构限制的分散体中进行热运动,一般所得MSD曲线包括3个阶段:一是示踪粒子在不受外力影响的状态下进行布朗运动,MSD随tdec的推移呈直线增加;二是乳液凝胶体系的三维网络结构形成一个类似“笼”的结构,示踪粒子的热运动受到“笼”的限制,MSD随tdec的推移保持不变;三是示踪粒子冲出“笼”的限制,MSD随tdec的推移呈上升趋势[24]。

2.6.1 对热诱导SPI乳液凝胶EI的影响根据MSD曲线中平台高度的倒数可计算EI,平台高度越低,EI越高,对应的“笼”越小,凝胶网络结构越紧密,因此EI可间接反映凝胶网络尺寸、硬度等数据[39]。魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶EI的影响如图6所示。由图6可知,不同处理组乳液凝胶的EI差异明显。与对照组相比,添加不同质量比魔芋胶和卡拉胶的热诱导SPI乳液凝胶的EI均呈增大趋势,而EI增大表明乳液凝胶形成了更致密的网络结构。6组样品的EI从大到小的顺序依次为1∶2组>1∶1组>2∶1组>0∶1组>1∶0组>对照组,其中1∶2组EI最大,表明1∶2组MSD曲线中的平台高度最低,形成的“笼”最小,即适当增加卡拉胶的比例,所形成的凝胶网络最紧密,进而导致凝胶的弹性最高。这是因为卡拉胶可独自形成热可逆凝胶,而魔芋胶本身不能形成凝胶,当魔芋胶和卡拉胶的质量比为1∶2时,卡拉胶对复配凝胶起主导作用,且加热过程中SPI结构伸展,与魔芋胶和卡拉胶形成缠绕的网络结构,增强了相互作用和延伸强度,进而增强了凝胶的弹性[40]。这与上述凝胶强度的结果一致。

图6 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶EI的影响Fig.6 Effects of konjac gum and carrageenan on EIof heat induced SPI emulsion gel

2.6.2 对热诱导SPI乳液凝胶SLB的影响根据SLB的定义,当SLB为0时,样品为纯弹性/固态;当SLB为0～0.5时,样品为弹性/固态;当SLB为0.5～1时,样品为黏性/液态;当SLB为1时,样品为纯黏性/液态。SLB越低,固态性质越明显[41]。魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶SLB的影响如图7所示。由图7可知,刚开始各处理组乳液凝胶的SLB均较大,但随着时间的延长均逐渐降低,最后趋于稳定。不同处理组热诱导SPI乳液凝胶的SLB均在0～0.5之间,表明不同处理组样品均为固态;对照组的SLB最大,表明形成的乳液凝胶网络结构松散,凝胶性不好[42]。SLB从小到大的顺序依次为1∶2组<1∶1组<2∶1组<0∶1组<1∶0组<对照组,即添加魔芋胶和卡拉胶的热诱导SPI乳液凝胶的固态性质均有所增强,而魔芋胶和卡拉胶质量比为1∶2时的热诱导SPI乳液凝胶的固态性质最明显,弹性最好。这与上述EI结果一致。

图7 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶SLB的影响Fig.7 Effects of konjac gum and carrageenan on SLBof heat induced SPI emulsion gel

2.6.3 对热诱导SPI乳液凝胶MVI的影响根据MSD曲线最后部分斜率的倒数可计算MVI,MVI越大,相同tdec内粒子运动距离越短,乳液凝胶体系结构越紧密、黏度越高,因此MVI在一定程度上可表征乳液凝胶的宏观黏度,也可反映体系的质构、流动性和长期稳定性[26,39]。魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶MVI的影响如图8所示。由图8可知,魔芋胶和卡拉胶质量比为1∶2的热诱导SPI乳液凝胶的MVI最大,表明其MSD曲线最后部分的斜率最小,相同tdec内粒子运动距离最短,乳液凝胶体系的结构最紧密、黏度最高。

2.6.4 对热诱导SPI乳液凝胶FI的影响根据粒子运动的特征时间(τ)可计算FI,FI反映了体系中液滴的流动性,与MVI呈负相关[27]。FI越小,样品的流动性越差,即样品具有更明显的固体特征[39]。魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶FI的影响如图9所示。由图9可知,对照组的FI最大,液滴流动性最强,这是因为对照组的乳液凝胶黏度较小,粒子的运动速度较快。添加不同质量比魔芋胶和卡拉胶的热诱导SPI乳液凝胶的FI变小,表明乳液凝胶的黏度增大,粒子运动速度减慢,形成的乳液凝胶均具有固态特征,且1∶2组的固态特征最明显,这与上述MVI结果一致。

3 结论

图8 魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶MVI的影响Fig.8 Effects of konjac gum and carrageenan on MVIof heat induced SPI emulsion gel

本文研究了不同质量比的魔芋胶与卡拉胶复配对热诱导SPI乳液凝胶特性的影响,得到如下结论:添加不同质量比的魔芋胶和卡拉胶均可改善热诱导SPI乳液凝胶的凝胶特性,其中以添加魔芋胶和卡拉胶质量比为1∶2时效果最佳,所制备SPI乳液的平均粒径最小、液滴分布最均匀、所形成凝胶的凝胶强度最大且黏弹性最好。该研究可为魔芋胶与卡拉胶复配及其相关SPI乳液凝胶食品的制备提供理论和技术参考。