河南工业大学陈复生教授等:花生蛋白-果胶复合乳液凝胶的流变学特性和微观结构

2022-11-03作者:来源:食品科学杂志责任编辑:食品界 字体A+AA-

乳液凝胶被定义为由乳液分散体和凝胶相结合形成的复杂胶体材料,可以由稳定的乳液填充到凝胶连续相中产生。在食品体系中,组成乳液凝胶的基质主要分为3 类,即蛋白质、多糖以及蛋白质-多糖复合物。近年来以蛋白质-多糖复合物制备的乳液凝胶是一大研究热点。花生蛋白具有较高的蛋白质消化率校正氨基酸评分以及较好的乳化性、起泡性和凝胶性等功能特性,是优良的凝胶基质来源。果胶作为一种高价值的功能性食品成分,具有出色的增稠性和稳定性。对比单一凝胶基质制备的乳液凝胶,将具有较好乳化性的花生蛋白和较好增稠性和稳定性的果胶复配使用则会有更好效果。

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研究表明蛋白-多糖的加入可显著增强乳液凝胶热稳定性,提高凝胶网络结构强度,并使乳液凝胶的硬度、弹性及持水性显著增加。乳液凝胶的理化性质主要取决于凝胶基质与填充油相的种类和制备方式。同时,在食品配方中应用乳液凝胶可以生产低脂肪含量的食品,而胶凝剂和油的结合是实现这一目标的有效方法。河南工业大学粮油食品学院的丁 玲、陈复生*等将花生蛋白和高酯果胶通过超声波复合并制备乳液凝胶,研究不同油相(橄榄油、花生油、24度棕榈油)及其添加量对乳液凝胶表观特性、质构、流变特性和微观结构的影响,阐明油相及其添加量对凝胶强度和机械特性的影响规律并探索乳液凝胶的形成机理。研究结果将为花生蛋白-果胶复合乳液凝胶在乳制品和烘焙食品等食品领域中的应用提供理论依据。


1、PPI-HMP复合乳液凝胶表观特征


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结果如图1所示。pH 4.0时,PPI-HMP比例在10∶1和5∶1时不能形成凝胶,而是一种乳白色的黏稠液体;在40∶1和20∶1时形成弱凝胶,颜色偏透明,触感柔软;而在5∶2时形成的乳液凝胶色泽均一,质地较硬(图1a)。因此为了保证形成的乳液凝胶有最佳质地,选定PPI-HMP比例5∶2,并考察pH 2.0~8.0的乳液凝胶形成情况。由图1b可知,在pH 6.0时形成的乳液凝胶质地最佳,而在pH 7.0和pH 8.0时油滴聚集析出不能形成稳定的乳液,难以形成乳液凝胶。这是因为在中性及碱性条件下,PPI和HMP带相反电荷,颗粒互斥难以稳定油滴。因此,选用蛋白-果胶比例5∶2,pH 6.0条件下制备乳液凝胶。

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同时考察油相类型及添加量对PPI-HMP复合乳液凝胶表观特征的影响,结果如图2所示。以橄榄油和花生油为油相,添加量80%(V/V)时不能形成乳液凝胶;以24度棕榈油为油相,添加量大于70%(V/V)时即不能形成乳液凝胶。随着油相添加量增加,乳液凝胶表面越细腻光滑,质地越硬。这表明作为活性填充的液滴通过机械方式与蛋白-果胶组成的凝胶基质相互作用,从而能够影响乳液凝胶的质地和凝胶强度。


2、油相及其添加量对PPI-HMP复合乳液凝胶质构的影响


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如表1所示,不同油相种类的乳液凝胶均随着油相添加量增加,硬度、黏附性、胶着性、回复性和咀嚼性也随之增加,水凝胶因无法形成凝胶状外观,故未在表中体现。油相作为活性填充材料,以机械方式与蛋白-果胶组成的凝胶基质相互作用,影响乳液凝胶的凝胶强度,从而使乳液凝胶的硬度得到显著增加(P<0.05)。油相添加量的增加会增强乳液凝胶的凝胶网络强度,机械性能得到较大幅度提升。而油相添加量的变化未对乳液凝胶的弹性和内聚性产生显著影响(P<0.05)。研究表明乳液凝胶的弹性与果胶浓度有关。在各个乳液凝胶样品中,以油相添加量60%的24度棕榈油制备的乳液凝胶硬度最高。表明乳液凝胶的硬度同时与油脂本身的硬度有关。


3、油相及其添加量对PPI-HMP复合乳液凝胶流变学特性的影响


表观黏度


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如图3所示,当油相添加量从体积分数40%增加至70%时,体系的初始黏度逐渐增大,且添加花生油、橄榄油和24度棕榈油样品均表现出假塑性流体行为。

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由表2可知,随着油相添加量的增加,复配体系的黏度系数逐渐增加。各油相在最高添加量下制备的乳液凝胶样品分别对应最大的黏度系数K(代表体系的表观黏度)与最小的流体指数n。这表明在高油相制备的乳液凝胶中,油滴不仅作为“活性填充物”同时作为结构单元参与凝胶网络的形成,使凝胶网络机械性能增强,表观黏度增加。


储能模量和损耗模量


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如图4所示,加入TG酶后45 ℃保温1 h的过程中,所有样品G’值均随时间延长而缓慢增加,且所有样品(除PPI-HMP水凝胶外)G’值均高于G”值。水凝胶G’最先低于G”,随时间延长G’最终高于G”,并在76 min存在凝胶转换点。PPI在TG酶的作用下缓慢交联形成网络结构,并且加入油相后,乳液变得较为黏稠,流动性较差,G’值较高,从而在测试之初就表现了一定的刚性。在温度从45 ℃升至85 ℃过程中,水凝胶和乳液凝胶的G’和G”均随时间延长而下降。可能是水凝胶和乳液凝胶均有较高黏度,而高黏度流体随温度升高黏度下降,进而引起G’和G”下降。温度升高至85 ℃并保温30 min时,水凝胶和乳液凝胶的G’和G”均有增加,尤其是水凝胶。这是因为PPI高温变性,并且在氢键及疏水相互作用的影响下进一步形成凝胶结构。当温度从85 ℃降到25 ℃时,G’和G”均有上升趋势,并且保持在较高值。主要归因于熵效应和在降低温度时PPI氢键和分子间作用力的增强。由图4B~D可知,随着油相添加量增加PPI-HMP复合乳液凝胶G’值增加。这表明油相添加量增加可以使乳液凝胶的结构刚性更强。且在油相添加量60%时,不同油相下乳液凝胶的G’值分别为:24度棕榈油>橄榄油>花生油。同一条件下,与花生油和橄榄油相比,24度棕榈油制备的乳液凝胶刚性最强,凝胶强度最大。这与2.2节质构测试结果一致。


黏弹特性


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如图5所示,各乳液凝胶样品的G’均大于G”,并且随着频率的增加而增加。PPI-HMP水凝胶在频率0.40 Hz后G”开始大于G’,由于在强凝胶中,模量与频率无关且不相交,而在弱凝胶中会出现频率依赖性。含不同油相的乳液凝胶的G’和G”均大于水凝胶,且橄榄油为油相的乳液凝胶大于以花生油为油相的乳液凝胶。说明乳液凝胶的凝胶网络结构稳定性大于水凝胶,以橄榄油为油相的乳液凝胶网络结构的稳定性大于以花生油为油相的乳液凝胶。这可能与液滴表面吸附层和凝胶基质之间的化学亲和以及填料颗粒的机械性质有关。随着油相添加量增加,各乳液凝胶的G’和G”随之增加,这表明油相添加量的增加可以使乳液凝胶的机械性能增强。


4、油相及其添加量对PPI-HMP复合乳液凝胶微观结构的影响


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如图6所示,本研究中的乳液凝胶由液滴包裹在凝胶基质中形成。图6A显示PPI-HMP悬浮液已经出现了类似的凝胶网状结构。TG酶加入催化蛋白质间(或内)发生酰基转移反应,使蛋白发生共价交联。低油相下乳液凝胶网络结构的形成主要通过未吸附到油滴表面的蛋白质之间的交联作用而形成。随着油相添加量增加,液滴逐渐由密集的类球状液滴转变成了不规则的结构。这表明随着油相添加量增加,大部分的液滴开始相互聚集,大小和分布变得不均匀。这是因为随着油相比例的增加,油滴之间的疏水作用导致油滴合并,使蛋白吸附量逐渐下降,且高油相乳液体系的黏度过高,不利于蛋白与酶作用。因此高油相下乳液凝胶网络结构的形成是油滴表面包裹的PPI-HMP复合界面膜之间发生酶的共价交联作用和高黏度作用共同影响的结果。对于活性填充的液滴而言,液滴的尺寸和表面性质决定了液滴的变形能力,从而决定了液滴对凝胶基质的影响。在油相添加量60%时,24度棕榈油制备的乳液凝胶网络结构更加致密,且油滴聚集程度相对较弱。表明此时以24度棕榈油为油相的乳液凝胶的网络结构刚性更强。不同的油相组成可通过影响油滴大小与分布,使乳液凝胶的G’和硬度改变,最终影响乳液凝胶的结构。这和质构测试和流变测试的研究结果相符。

结 论

通过研究不同油相及其添加量对PPI-HMP复合乳液凝胶表观特性、质构、流变性能和微观结构的影响。结果显示,在蛋白-果胶比例5∶2、pH 6.0时形成的乳液凝胶色泽均一,质地较硬;在中性及偏碱性条件下不能制成稳定乳液凝胶。随着油相添加量增加,乳液凝胶表面更细腻光滑,其硬度、黏附性、胶着性、回复性和咀嚼性均增加;24度棕榈油添加量在60%(V/V)时,乳液凝胶具有最高的硬度、胶着性、回复性和咀嚼性值。流变学结果表明,不同油相乳液凝胶的G’和G”均显著高于水凝胶,且乳液凝胶的G’值和表观黏度值随着油相添加量增加而升高;相同油相添加量下,乳液凝胶对应的表观黏度和G’值分别为:24度棕榈油>橄榄油>花生油。PPI-HMP复合乳液凝胶微观结构结果显示,随着油相添加量增加,液滴开始聚集且不均匀分布;在油相添加量60%(V/V)时,24度棕榈油填充的乳液凝胶稳定油滴能力最好,网络结构最致密。研究结果表明油滴作为活性填充物与花生蛋白-果胶组成的凝胶基质相互作用,油相添加量的增加有助于凝胶网络形成,使凝胶网络机械性能增强,表观黏度增加,凝胶结构刚性更强。本研究结果为PPI-HMP复合乳液凝胶在乳制品和烘焙食品等领域的开发利用提供了思路。

通信作者简介

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陈复生,男,1963年生,教授(二级),博/硕士生导师,河南工业大学副校长。荣获全国模范教师、国家百千万人才工程人选、国家有突出贡献中青年专家、享受国务院政府特殊津贴专家、河南省学术技术带头人等称号;河南省优秀科技创新团队带头人,河南省杰出人才创新基金获得者,河南省高校杰出科研人才创新工程基金获得者等。主持“十三五”国家重点研发计划(首席)、国家“863”计划、国家自然科学基金等项目33项;获科技奖21项,其中获国家科技进步二等奖1项,获省部级科技进步奖8项;在国内外重要刊物发表学术论文386篇,其中被SCI、EI收录108篇;出版著作13部;申请国家发明专利38件,其中授权发明专利23件。培养博士后、博士和硕士研究生119名。


第一作者简介

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丁玲,女,1997年生于浙江金华,硕士研究生,本科与研究生阶段就读于河南工业大学粮油食品学院。2015年9月至2019年6月就读于河南工业大学粮油食品学院并获工学学士学位;2019年9月至2022年6月就读于河南工业大学粮油食品学院并获硕士学位。研究生期间研究方向为食品资源开发与利用;蛋白质加工理论与技术。连续三年获得河南省省级学业奖学金和校级学业奖学金,在校期间积极参加学校举办的各项活动并获得多项荣誉。


本文《花生蛋白-果胶复合乳液凝胶的流变学特性和微观结构》来源于《食品科学》2022年43卷16期46-52页,作者:丁玲,唐艺华,张丽芬,陈复生,赖少娟。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20211014-136。点击https://www.spkx.net.cn/article/2022/1002-6630/2022-43-16-006.html即可查看文章相关信息。