低聚木糖-牛乳凝胶的物性及形成机制研究

王青杨，苗 妙，李树森，刘巨龙，孙二娜，江正强,*

（1.中国轻工业食品生物工程重点实验室，中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.蒙牛高科乳制品（北京）有限责任公司，北京 101100）

牛奶是重要的食品蛋白来源，研究其凝胶特性有助于新产品的开发。由于消费者健康意识的增强，一些功能性低聚糖用于提升乳制品的功能性，同时这些功能性低聚糖还表现出对牛乳物性的改善作用。Costa 等[1]发现低聚半乳糖可提高希腊酸奶的稠度、粘弹性，同时改善风味。Liu 等[2]添加低聚异麦芽糖改善Cheddar 奶酪的质构及感官特性。Ferrão 等[3]发现低聚木糖使Requeijão cremoso 干酪的弹性、硬度及粘度增加，有助于低脂肪产品的开发。因此，低聚糖显示出对牛乳凝胶良好的改性潜力。加热作为常用的加工手段，也会使牛乳制品的物性发生改变。在加热过程中，牛乳组分发生各种物化变化，如酪蛋白胶束解离和重组[4]，乳清蛋白变性并与酪蛋白胶束或乳脂球膜形成复合物[5]，磷酸钙胶体沉淀[6]等。加热同时提升美拉德反应的速率，美拉德反应对牛乳加工及功能特性产生重要潜在影响[7-8]。

目前，已有许多研究表明美拉德反应对牛乳及蛋白凝胶的改性作用。Hiller 等[8]将酪蛋白钠-糖美拉德反应物加入酸奶后减少产品乳清析出。Hannß等[9]发现酪蛋白与乳糖发生美拉德反应后提高了形成酸凝胶的凝胶强度及持水力。然而在Spotti 等[10]的研究中，乳清蛋白与葡聚糖进行美拉德反应后其形成酸凝胶的凝胶强度反而下降。徐雅琴等[11]发现鸡蛋白粉与果胶的果胶酶水解物、魔芋胶酸水解物及瓜尔豆胶进行美拉德反应后可提高其热凝胶的凝胶强度。Wang 等[12]研究发现蛋清蛋白与低聚异麦芽糖发生美拉德反应后，热凝胶的凝胶断裂强度、持水性及弹性模量增加。已有研究主要集中于美拉德反应对单一蛋白体系的修饰作用，但少有关于美拉德反应在天然食品基质中对蛋白热凝胶的改性作用的研究。

低聚木糖（Xylooligosaccharides，XOS）是一种常见的功能性低聚糖，由木糖通过β-（1→4）糖苷键连接而成，聚合度一般为2～10[13]。XOS 具有良好的稳定性，摄入后不被人体消化酶所消化，作为功能食品配料广泛应用于乳制品、焙烤食品等食品中。根据现有文献报道，关于各种单糖或低聚糖的加入对牛乳热凝胶形成影响的研究较少，而随着各种低聚糖在牛乳制品中的应用，有必要研究牛乳-糖体系在加热条件下发生的凝胶化现象。本文旨在研究不同低聚糖在牛乳体系中与牛乳蛋白的美拉德反应对热凝胶形成的影响，通过感官评价优化牛乳热凝胶制备条件，探讨加热过程中牛乳体系的物性变化和热凝胶的形成机制。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

全脂牛乳（蛋白含量3.2 g/100 mL, 脂肪含量4.0 g/100 mL） 蒙牛乳业（集团）股份有限公司；低聚木糖（XOS）（聚合度2～7，>95%） 山东龙力生物科技股份有限公司；4×蛋白上样缓冲液（含巯基还原剂） 北京索莱宝科技有限公司；氯化钠（AR）、尿素（99%）、葡萄糖（99%）、木糖（98%）、半乳糖（98%）、乳糖（AR，98%）、麦芽糖（95%） 上海麦克林生化科技股份有限公司；低聚果糖（95%）、低聚半乳糖（≥70%） 上海源叶生物科技有限公司；魔芋甘露寡糖（聚合度2～10） 西安源森生物科技有限公司。

PB-10 型pH 计 德国Sartorius 公司；Discovery HR-2 流变仪 美国TA 仪器；XT plus 质构仪 英国Stable Micro Systems 公司；NS800 分光测色仪深圳市三恩时科技有限公司；SU3500 扫描电镜 日本株式会社日立制作所；LS230 激光散射粒径仪美国贝克曼库尔特有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 单糖/低聚糖-牛乳共加热条件 准确量取40 mL 牛乳于100 mL 玻璃瓶中，加入7%（w/v）不同种类的单糖及低聚糖，包括葡萄糖、木糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖、低聚木糖、低聚果糖、低聚半乳糖和魔芋甘露寡糖，充分溶解后各取1 mL 上述牛乳于1.5 mL EP 管中，95 ℃水浴加热10 h，反应完毕后冷却至室温，倒置观察。

1.2.2 XOS-牛乳凝胶制备条件优化 准确量取40 mL牛乳于100 mL 玻璃瓶中，加入XOS 后充分溶解，于95 ℃水浴加热，反应完毕后冷却至室温备用。低聚木糖添加量选择3%、5%和7%（w/v），加热时间选择4、6 和8 h，依据1.2.3 的感官评价方法优化低聚木糖添加量及加热时间。在下文中，XOS 前数字表示低聚木糖添加量，H 前数字表示加热时间，如5%XOS-6H 表示低聚木糖添加量为5%，加热时间为6 h 的样品。

1.2.3 感官评价方法 参照Soleimani 等[14]的方法，组织8 名经过训练的评价人员对XOS-牛乳凝胶进行感官评价，评判指标为气味（1～10）、风味（1～10）、颜色（1～10）、外观（1～10）、质地（1～10）、粘性（1～10）、弹性（1～10）和接受度（1～10），按喜好程度进行打分。

1.2.4 XOS-牛乳体系加热条件 依据1.2.2 优化结果，选择低聚木糖最佳添加量，测定低聚木糖-牛奶体系在加热过程中pH、色度、凝胶强度、持水力及流变学参数的变化，并通过溶解度测定、粒径测定及聚丙烯酰胺凝胶电泳分析探讨凝胶形成机制，加热时间设置为0、2、4、6、8 h。

1.2.5 XOS-牛乳凝胶的pH 测定 使用pH 计测定不同加热时间的XOS 牛乳凝胶样品的pH，测定前使用玻璃棒将样品搅拌均匀，确保测定值准确。

1.2.6 XOS-牛乳凝胶的色度测定 采用分光测色仪测定热凝胶样品CIELab 色彩参数（L*，a*，b*）。仪器经黑白板校正后，将适量热凝胶样品倒入平皿，测定样品L*值（白+到黑-），a*值（红+到绿-）和b*值（黄+到蓝-）。褐变指数（BI）是非酶褐变过程的重要指标，表明样品的褐变程度。BI 计算方法依据[15]，公式如下：

其中，

式中，x 是中间参数，与L*值、a*值及b*值有关。

1.2.7 XOS-牛乳凝胶的凝胶强度测定 参照Chen等[16]的方法，采用质构仪测定不同XOS-牛乳凝胶样品的凝胶强度，将适量样品倒入半径3 cm 容器中，样品高度约为2 cm，选用P/36R 金属圆柱探头进行测定，触发点设置为5 g，触发后行进距离10 mm，探头测试速度0.5 mm/s。

1.2.8 XOS-牛乳凝胶的持水力测定 准确称取10 g 热凝胶样品于50 mL 离心管中，离心15 min（10000 r/min）后弃去上清液，称量剩余物总重量。持水力通过离心后剩余物重量除以初始热凝胶样品重量得出。

1.2.9 XOS-牛乳凝胶的流变学性质测定 参照Ferrão 等[3]的方法，采用流变仪在剪切模式下测定凝胶样品的流变学特性，选用60 mm 金属平行板夹具，设置间隙为500 μm，测定温度25 ℃。

将适量凝胶样品置于夹具下压实，在1 Hz 频率下通过振幅扫描确定样品线性粘弹性区，在1%应变下对样品在0.1～10 Hz 范围内进行频率扫描，采集储能模量G′和损耗模量G″。

1.2.10 XOS-牛乳凝胶的微观结构 凝胶样品经液氮冷冻冻干后，紧密粘贴在扫描电镜样品台上，使用镀膜仪对样品进行表面喷金，使用扫描电镜观察微观结构，加速电压为15 kV，放大倍数600 倍。

1.2.11 XOS-牛乳凝胶的溶解性测定 参照Liu 等[17]的方法，依次使用不同溶液溶解XOS-牛乳凝胶，通过测定溶出蛋白浓度推断形成凝胶的主要作用力。所用溶液如下：0.6 mol/L 氯化钠溶液（S1）、0.6 mol/L氯化钠溶液+1.5 mol/L 尿素（S2）、0.6 mol/L 氯化钠溶液+8 mol/L 尿素（S3），分别破坏凝胶中离子键、氢键及疏水相互作用力。将2 mL 凝胶样品加入到15 mL 上述溶液中，均质机均质处理2 min 后于4 ℃静置1 h，离心20 min（10000 r/min）后收集上清液，沉淀物使用溶液S2 溶解后重复上述步骤，最后使用溶液S3 进行溶解。使用考马斯亮蓝法测定上清液中的蛋白质浓度，以牛血清蛋白作为对照。

1.2.12 XOS-牛乳凝胶的粒径测定 使用激光散射粒径仪测定凝胶粒径（LS230，Beckman Instruments，USA），遮蔽度设置为5%[18]，溶液为纯净水，采用默认模型测定样品，测定样品的表面积体积平均粒径D（3，2）。

1.2.13 XOS-牛乳凝胶的聚丙烯酰胺凝胶电泳分析

采用聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析XOS-牛乳复合物形成。凝胶样品经纯水稀释10 倍后，加入蛋白上样缓冲液，100 ℃水浴5 min 后离心并收集上清液。配制15%丙烯酰分离胶和5%丙烯酰胺浓缩胶进行SDS-PAGE 分析，其中样品上样量为10 μL。电泳结束后，使用考马斯亮蓝染色后，采用5%（v/v）乙酸和10%（v/v）乙醇溶液脱色。

1.3 数据处理

所有实验数据采用平均值±标准差表示，实验重复至少3 次，使用SPSS Statistics 26 的one-way ANOVA 分析数据显著性（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 单糖/低聚糖-牛乳共加热凝固现象

九种常见单糖及低聚糖与牛乳共加热后的情况如图1 所示。在加热条件下低聚木糖使牛乳发生凝固，且基本无水分析出；在魔芋甘露寡糖组中，体系加热后发生絮凝，未形成均匀固状物；其他单糖或低聚糖均未发生明显凝固现象。因此，选用低聚木糖进行后续实验。

图1 不同糖-牛奶体系的凝固现象Fig.1 Coagulation of milk systems added with different carbohydrates

热凝胶的形成与蛋白质本身性质及浓度、加热温度、时间、pH、离子强度等因素有关[19]，在凝胶形成过程中，蛋白质发生变性并聚集形成聚合物，然后聚合物通过特定方式排列形成凝胶网络，此过程涉及各种非共价键及共价键的断裂和生成[20]。在上述各体系中，牛乳蛋白与不同种类糖发生美拉德反应，由于糖的单体构成、聚合度以及热分解产物的差异，对牛乳蛋白的聚集产生不同的潜在影响，从而影响凝胶的形成[21-22]。

2.2 XOS-牛乳凝胶制备条件优化

低聚木糖-牛乳凝胶制备条件的多因素优化结果如表1 所示。低聚木糖加入量为5%（w/v），加热时间6 h 制备的凝胶（5%XOS-6H）的感官评分最高（68.5 分）。随着加热时间延长，样品由乳白色转变为焦糖色，颜色评分提高，但加热8 h 样品颜色评分反而下降，这是因为样品表面与内部形成过大的色差。美拉德反应赋予牛乳产品独特的焦糖风味[23]，因而样品的气味和风味评分提高，但是随着加热延长评分下降，可能与美拉德反应产酸有关[24]，样品pH 变化（表2）也证明这一点。体系通过加热获得凝胶特性，但加热8 h 的样品入口后产生颗粒感，导致质地评分下降，可能由于美拉德反应导致蛋白过度聚集[9]。综上所述，加热6 h 及低聚木糖添加量5%（w/v）的凝胶获得最优的感官评分。因此，后续实验中选择低聚木糖添加量5%探究体系在加热过程中的物性变化和形成机制。

表1 XOS-牛乳凝胶的感官评价Table 1 Sensory evaluation of XOS-milk gels

表2 XOS-牛乳凝胶的pH、凝胶强度、持水力、色度变化及平均粒径Table 2 pH, gel strength, water holding capacity, color parameters and average particle sizes of xylooligosaccharides-milk gels

2.3 XOS-牛乳凝胶的物性表征

2.3.1 XOS-牛乳凝胶的pH 测定结果 XOS-牛乳凝胶的pH 测定结果如表2 所示，随着加热时间延长，样品的pH 逐渐降低，由2 h 的pH6.04 到8 h 的pH5.40，pH 的降低主要与美拉德反应产酸有关[24]。

2.3.2 XOS-牛乳凝胶的凝胶强度测定结果 XOS-牛乳凝胶的凝胶强度测定结果如表2 所示，随着加热时间延长，样品的凝胶强度逐渐增大，反应时间由2 h 延长至8 h，凝胶强度从22.7 g 提高至144.4 g。凝胶强度的增强与美拉德反应导致体系pH 降低以及牛乳蛋白在加热过程中发生交联有关[25]，蛋白间相互作用力的增强使样品结构更加稳固，Gan 等[26]认为这种交联与美拉德反应有关。同时，Meydani 等[27]发现乳清蛋白-麦芽糊精（10%，w/v）美拉德反应2.5 h后制备的钙诱导冷凝胶强度显著增大，由70.4 g 上升到102.0 g，这可能是由于麦芽糖糊精与乳清蛋白交联后蛋白间的静电斥力减弱，形成了更加紧密的凝胶网络结构。

2.3.3 XOS-牛乳凝胶的持水力测定结果 XOS-牛乳凝胶的持水力测定结果如表2 所示，加热初期凝胶的持水力增加，而加热时间由6 h 增至8 h，凝胶样品持水力由53.1%降低至49.1%。凝胶的持水力可用来衡量蛋白与水结合的能力，美拉德反应导致牛乳蛋白与XOS 发生交联，亲水基团增加，使XOS-牛乳凝胶样品的持水力增强；随着反应时间的延长，pH 降低使蛋白发生收缩，并且加热导致疏水基团暴露，从而减弱凝胶样品的持水力。

2.3.4 XOS-牛乳凝胶的色度测定结果 XOS-牛乳凝胶的色度测定结果如表2 所示，凝胶样品的L*随反应时间的延长而降低，同时a*值、b*值及BI 值逐渐升高。凝胶样品的颜色随美拉德反应时间延长而逐渐变深，色度中的红色及黄色占比逐渐提高，赋予凝胶样品棕黄色的颜色特征。

2.3.5 XOS-牛乳凝胶的流变学性质 动态振荡流变学方法可用以评估蛋白形成凝胶的能力并进行蛋白凝胶形成动力学分析，频率扫描可表征凝胶样品的结构特征[28]。图2 显示XOS-牛乳凝胶样品的储能模量G′和损耗模量G′′在0.1～10 Hz 频率扫描中的变化。随着反应时间的延长，XOS-牛乳凝胶样品在振荡频率为0.1 Hz 时储能模量G′明显增大，由加热2 h时0.08 Pa 提高至8 h 的61.3 Pa（P<0.05）。XOS-牛乳凝胶样品的模量随频率改变而发生变化，表现为弱凝胶的特点[29]，在弱凝胶形成过程中共价键的作用相对较小，而离子键、疏水相互作用及氢键等非共价键对凝胶结构形成具有更大的贡献。

图2 XOS-牛乳凝胶的储能模量G′和损耗模量G′′随频率变化Fig.2 Frequency dependance of storage modulus G′ and loss modulus G′′ of xylooligosaccharides-milk gels

2.3.6 XOS-牛乳凝胶的微观结构 采用扫描电镜观察XOS-牛乳凝胶的微观结构。如图3 所示，未加热样品与实验组相比未形成凝胶结构，呈块状或者颗粒状，而凝胶样品均呈现致密、多孔的网络结构；随着加热时间的延长，加热 8 h 样品（E）与加热 2 h 样品相比（B）中出现较多薄片状和团聚结构，这可能与美拉德反应引起的牛乳中蛋白聚集程度加深有关[9,27]。上述结果说明牛乳-XOS 共加热促进凝胶结构的生成，而聚集和交联程度的加深使凝胶结构更加紧密。Ma 等[30]将蛋清蛋白与麦芽糊精进行美拉德反应，在4 d 内随着加热时间延长，热凝胶的凝胶强度逐渐增大，且形成更致密的凝胶结构，本文结果与上述结论一致。

图3 XOS-牛乳凝胶的微观结构Fig.3 Microstructure of xylooligosaccharides-milk gels

2.4 XOS-牛乳凝胶形成机制

2.4.1 XOS-牛乳凝胶溶解度分析 溶解度分析结果如表3 所示，各凝胶样品中，离子键的贡献最大，但其作用逐渐减弱，从反应4 h 的51.2%降低到6 h 的47.7%，继续加热无明显变化。氢键和疏水相互作用对XOS-牛乳凝胶结构形成的贡献相对较小（4.0%～20.0%和5.3%～36.0%），且氢键的贡献随加热时间延长而减小；疏水相互作用的贡献随加热时间延长先增大后减弱，在4 h 达到最大值36.0%。在加热条件下，酪蛋白胶束之间的碰撞加剧，促进酪蛋白单体上的磷酸丝氨酸残基通过磷酸钙胶体形成钙桥结构[31]，进而引起凝胶化，随着加热时间延长离子键贡献下降，可能是由于加热及美拉德反应使体系pH 下降，磷酸钙溶出[32]。热处理会破坏氢键，同时诱导牛乳蛋白的变性与交联[22]，导致蛋白质结构发生不可逆改变，可能使体系冷却后无法重新形成原有氢键，导致氢键作用降低。在加热初期，牛乳蛋白内部疏水基团逐渐暴露，疏水相互作用增强，随后由于亲水性的糖链与蛋白接合，使蛋白质的疏水性下降[33]。溶出蛋白百分比之和（离子键、氢键和疏水相互作用）随加热时间延长而降低，可能说明随着加热时间延长蛋白质之间逐渐形成共价交联[22]。Chen 等[34]发现形成碱诱导蛋清蛋白凝胶的主要作用力为离子键，本文结果与此研究结果相一致。

表3 凝胶样品中破坏离子键、氢键及疏水相互作用力溶出蛋白占总蛋白的百分比Table 3 Percentage of dissolved protein in total protein by breaking ionic bond, hydrogen bond and hydrophobic interaction in gel samples

2.4.2 XOS-牛乳凝胶的粒径及SDS-PAGE 分析 采用SDS-PAGE 分析热处理条件下牛乳中蛋白质与XOS 的美拉德反应对蛋白聚集情况的影响，如图4 所示。牛乳中的主要蛋白种类为αs1-酪蛋白（～23 kDa），αs2-酪蛋白（～25 kDa），β-酪蛋白（～23 kDa），κ-酪蛋白（～19 kDa），β-乳球蛋白（～18 kDa）以及α-乳清蛋白（～14 kDa）。纯牛乳与样品5%XOS-0H 的蛋白条带无明显差异，说明XOS 的加入无法直接对牛乳蛋白起到修饰作用。在加热2 h 时，凝胶样品中蛋白条带出现拖尾现象；随着加热时间的延长，牛乳蛋白条带逐渐变淡，可能是由于与XOS 发生的美拉德反应以及牛乳蛋白间形成非二硫键的共价键[8]，导致分子量增大，形成不溶于SDS 以及β-巯基乙醇的共聚物，热凝胶平均粒径（表2）随加热延长而增大也说明此现象。Wang 等[12]研究表明，蛋清蛋白与异麦芽寡糖在蛋白:糖比例为10:1 的条件下干热法反应48 h后，蛋清蛋白条带出现明显拖尾，且随着加热时间延长蛋清蛋白印迹逐渐变淡。在另一研究中[35]，蛋清蛋白在碱性条件下与葡萄糖发生美拉德反应，反应1 d后即观察到蛋清蛋白之间发生交联，生成无法进入分离胶的大分子物质，使原本的蛋清蛋白条带变淡。

图4 XOS-牛乳凝胶的电泳图Fig.4 SDS-PAGE of xylooligosaccharides-milk gels

3 结论

本研究率先发现在加热条件下，低聚木糖使牛乳蛋白加速聚集形成凝胶网络结构，表现为热诱导凝胶现象。低聚木糖添加量及加热时间均会对热凝胶感官特性以及物性造成影响，在XOS 添加量为5%和加热时间为6 h 时感官评分最高。离子键是导致蛋白聚集以及凝胶形成的主要作用力（46.8%～66.3%），共价键的作用随加热时间延长而增大。本文揭示了低聚木糖-牛乳共加热可能对食品物性造成的潜在影响，同时为新产品的开发提供了思路。