奶油在食品中的应用广泛,可以用作蛋糕表面涂层、面包糕点夹心等。同时,随着“奶茶文化”的兴起,奶油的应用范围也有了新的拓展,如新式茶饮奶盖、奶霜等。近年来,奶油市场规模逐年扩大,根据华经网的数据,2020年我国奶油市场规模已达88.8亿元,预计在2025年将达到150亿元左右。虽然植脂奶油口感略逊于动物奶油,但由于其高稳定性,优异的搅打性能以及低成本等优势使得其在食品领域的应用更广。但是植脂奶油存在的潜在健康风险不可忽视,目前市面上售卖的植脂奶油所使用的大多是经过催化加氢降低不饱和度的氢化植物油,在氢化过程中产生的反式脂肪酸存在引发高血压、冠心病等心血管疾病的风险[1]。同时,随着经济的发展,消费者更加注重食品营养健康,十九大也正式提出健康中国战略,这对植脂奶油的发展无疑是一场严峻的挑战。目前研究中氢化植物油的替代品大致有三类:酯交换脂肪、棕榈油及其分提物、油凝胶。但是酯交换法中使用的脂肪酶价格过于昂贵,多于用实验室研究[2];棕榈油及其分提物的结晶速度较慢,易导致产品质量不佳、生产效率低下[3];而油凝胶的制备是纯物理的自组装过程,不涉及化学反应,方法简单快速,绿色环保,不产生有害物质,能够在工业化大批量生产中使用,因此油凝胶具有替代氢化植物油用于工业生产的潜力[4]。
此外,搅打植脂奶油是由基料油、乳化剂、蛋白质、稳定剂以及甜味剂制备而成的O/W乳液,在植脂奶油的制备过程中,蛋白质和小分子乳化剂一同参与界面稳定。目前市场上使用的搅打奶油蛋白主要是酪蛋白酸钠,其生产大多依赖进口,价格昂贵,因此,寻求新型的搅打植脂奶油体系中酪蛋白酸钠替代品对于奶油产业具有十分重要的研究意义。目前搅打植脂奶油研究中的酪蛋白酸钠的替代品常为大豆蛋白、玉米蛋白等。例如,FU等[5]用大豆蛋白及其水解物与椰子油制备出了搅打性能良好、性质稳定的植脂奶油;CAO等[6]以玉米醇溶蛋白为原料,改善了含高不饱和油基植脂奶油不稳定的品质,使其获得了与市售植脂奶油相似的性质。明胶是由动物皮肤、骨骼、肌腱等结缔组织中的胶原蛋白部分降解得到的天然高分子化合物。明胶由于价格低廉,良好的持水性、成膜性和凝胶性等优势,在食品行业中应用广泛。目前,关于明胶的乳化性能以及界面调控已有大量文献报道,例如MAO等[7]发现明胶微凝胶能够稳定高内相乳液,明胶添加量的增加促进了明胶在油水界面的吸附,使更多的明胶分子参与形成紧密膜和三维网状结构。FENG等[8]发现明胶纳米颗粒稳定的Pickering乳液即使在储存30 d后仍具有良好的均匀性和稳定性。这为明胶稳定搅打奶油乳液提供了基础与可能,但是,目前并没有关于明胶改善奶油品质的相关研究。
因此,本研究以油凝胶作为基料油,明胶作为乳化体系中的蛋白和复配的小分子乳化剂一起制备出一种新型植脂奶油,主要研究了明胶对植脂奶油品质的影响,通过流变和微观结构详细阐明了明胶提升植脂奶油搅打性能的机制,为明胶作为乳化体系中的蛋白在植脂奶油中的应用提供了数据支撑和理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
多力牌葵花籽油,上海佳格食品有限公司;单硬脂酸甘油酯(glycerol monostearate,GMS)、单月桂酸甘油酯(glycerol monolaurate,GML),深圳瑞鑫生物科技有限公司;聚甘油脂肪酸酯(polyglycerol esters,PGE)、丙二醇脂肪酸酯(propylene glycol monostearate,PGMS),河南奥尼斯特食品有限公司;A型明胶,美国Sigma-Aldrich公司;白砂糖,永辉超市股份有限公司;奶油香精,深圳晨馨香精香料有限公司;异硫氰酸荧光素(fluorescein isothiocyanate isomer,FITC)、尼罗红,北京索莱宝科技有限公司。
1.2 仪器与设备
JA3003B电子天平,上海精天电子仪器有限公司;HH-4数显恒温搅拌水浴锅,上海新诺仪器设备有限公司;PE 20实验室酸度计,上海梅特勒-托利多仪器有限公司;T 18高速分散器,美国IKA公司;Malvern Mastersize3000激光粒度仪,英国Malvern公司;Sigma 700全自动表面张力仪,瑞典百欧林公司;N20D电动打蛋器,广东乐米高电器有限公司;TA.Touch质构仪,上海保圣实业发展有限公司;MCR 302流变仪,澳大利亚ANTON PAAR公司;LSM 800激光共聚焦显微镜,德国Leica Microsystems公司。
1.3 实验方法
1.3.1 油凝胶的制备
参考管小庆[9]的方法,采用直接分散法制备油凝胶。将5 g的GMS-GML混合物(3∶7,质量比)与100 g葵花籽油共混,在90 ℃下加热搅拌15 min至凝胶剂全部溶于油中,冷却至室温,随后放入4 ℃冰箱冷藏24 h即可制得油凝胶。
1.3.2 植脂奶油乳液的制备
油相由16%葵花籽油、24%油凝胶与1%复配乳化剂(GMS∶PGE∶PGMS=2∶1∶1,质量比)组成,水相由明胶(0.5%,0.75%,1%,1.5%,质量分数)、8%白砂糖、0.5%奶油香精、水组成,以上均为质量分数;将40 g油相和60 g水相分别在80 ℃下分别溶解10 min,随后将两相混合在一起,使用高速分散器在15 000 r/min条件下分散90 s,迅速冷却后在4 ℃条件下老化24 h得到新型植脂奶油。
1.3.3 油-水界面张力的测定
参考FENG等[10]的方法,使用全自动表面张力仪进行界面张力的测定,将乳化剂溶解于葵花籽油中作为油相,选择Wilhelmy平板法检测不同质量分数明胶(0%,0.5%,0.75%,1%,1.5%)在油水界面的界面张力随时间的变化情况。将40 mL明胶溶液倒入玻璃杯中,然后加入40 mL油相,界面张力可以通过铂片在油水界面处重力的变化来拟合。降速、升速、润湿深度、测量时间、取样间隔、稳定、积分、检测范围、启动位置、复位速度和温度分别为20 mm/min、20 mm/min、12 mm、60 min、1 s、4 s、4 s、2 mN/m、5 mm、40 mm/min和25 ℃,测量时间为2 000 s。
1.3.4 植脂奶油乳液粒径的测定
参考LIU等[11]的方法,使用Malvern Mastersize3000测定植脂奶油乳液的粒径,折射率为1.52,吸收指数为0.001,稀释剂折射率为1.330。在多分散分析模式下测量粒度分布。
1.3.5 搅打性能的分析
1.3.5.1 打发倍数
使用电动打蛋器以速度2(约850 r/min)搅拌2 min,然后以速度5(约1 150 r/min)持续1 min,整个搅打过程在冰浴中进行。然后,取2只胶冻杯分别盛满搅打前的乳液与搅打后的奶油称重,按照公式(1)计算打发倍数:
(1)
式中:T为打发倍数;m1、m3为胶冻杯质量,g;m2为搅打前的乳液和胶冻杯的总质量,g;m4为搅打后的奶油和胶冻杯的总质量,g。
1.3.5.2 搅打奶油质构
将奶油样品转移至胶冻杯(20 mm×35 mm)中,样品深度约15 mm,硬度测试条件为P5探头,下压模式,测前速率2 mm/s,测中速率1 mm/s,测后速率2 mm/s,触发力2 g,下压深度8 mm,返回距离40 mm。
1.3.5.3 搅打奶油短期保形性
将搅打后的奶油装入裱花袋,利用封闭的星型裱花嘴进行裱花。裱花样品放置在水平表面,然后储存在4 ℃环境中。在放置0、2、4、6、24 h后用数码相机记录图像。分别从视觉和数值上对奶油保形性进行测试,使用ImageJ软件对样品的高度进行分析。短期保形性(percentage of height reduction,PHR)计算如公式(2)所示:
(2)
式中:PHR为短期保形性,%;H1为放置24 h后的裱花样品高度,cm;H0为刚裱花成型的样品高度,cm。
1.3.6 搅打奶油流变性能分析
根据FARAHMANDFAR等[12]的方法加以修改,使用MCR302流变仪进行搅打奶油的流变性能测试,选择PP50探头,测试距离为1 mm,温度为25 ℃。
1.3.6.1 稳态剪切测试
样品的稳态剪切测试在剪切速率为0.1～100 s-1下进行,并以对数取点的方式采集数据。绘制黏度η与剪切速率γ、剪切应力τ和剪切速率γ的曲线,并分别用Power-law(3)和Herschel-Bulkley(4)模型进行拟合,模型如下:
η=Kγn-1
(3)
τ=K′γn′+τ0
(4)
式中:η为表观黏度,Pa·s;γ为剪切速率,s-1;τ0为屈服应力,Pa;K和K′为稠度系数;n和n′为流动指数。
1.3.6.2 应变扫描
测定模式选择振荡模式,取点时间由设备控制,剪切应变为0.01%～100%对数变化,频率恒定为1 Hz。
1.3.6.3 频率扫描
测量模式为振荡模式,取点时间由设备控制,剪切应变恒定为0.1%,频率0.1～100 Hz对数变化。频率扫描结果可以根据幂律模型进行拟合,拟合公式如公式(5)所示:
(5)
式中:G′为储能模量,Pa;f为频率,
为1 Hz下的储能模量,Pa;n′为G′的频率依赖关系。
1.3.7 奶油微观结构观察
明胶先与1 mg/mL的FITC溶液进行交联,明胶与FITC的比例为1∶150(mg∶μg)。取1 mL尼罗红染料(0.1%,质量分数)加入50 g老化后的奶油乳液中,打发成搅打奶油于激光共聚焦显微镜下观察微观结构。FITC和尼罗红的激发波长分别为488 nm和512 nm。
2 结果与分析
2.1 乳液稳定性分析
搅打植脂奶油是由基料油、乳化剂、蛋白质、稳定剂以及甜味剂经过混合、乳化、均质、冷却、搅打而形成的充气乳液体系,在打发前是O/W乳液,打发后乳液失稳形成由部分聚结脂肪和蛋白质包裹稳定气泡的泡沫结构。搅打奶油体系中,乳化剂体系通常包含了蛋白质和小分子乳化剂,蛋白质会吸附在油水界面上形成一层较厚的界面膜,属于静态稳定机制;而乳化剂较蛋白质具有更强的表面活性,主要依靠动态吸附机制,这2种吸附机制并不相容,当两者共存时便会发生竞争吸附,乳化剂取代界面膜上的蛋白使得界面黏弹性降低,从而发生脂肪的部分聚结稳定搅打奶油体系。因此,搅打奶油打发前需通过复合乳化体系调控稳定性,使乳液在老化的过程中不析水,但可以产生部分聚结,以产生搅打奶油的品质特征[13]。
不同明胶添加量对乳化体系中油水界面张力的影响如图1-a所示,所有样品的界面张力都随着时间的增加而降低,表明乳化剂和明胶都会吸附到油水界面上降低界面张力。相较于纯乳化剂体系,明胶的加入会使得油水界面张力进一步下降。在2 000 s时,未添加明胶体系的界面张力是1.58 mN/m,而添加0.5%明胶后界面张力下降至1.01 mN/m左右,且随着明胶质量分数的增加,界面张力进一步下降,表明明胶参与了油水界面的吸附,能够与乳化剂协同稳定搅打奶油乳液。
a-界面张力;b-粒度分布
图1 不同添加量明胶(0～1.5%)对乳液油水界面张力和粒径的影响
Fig.1 Effects of different gelation concentrations (0-1.5%) on the interfacial tension and particle size distribution of emulsions
注:不同小写字母代表差异显著,P<0.05(下同)。
不同明胶添加量对搅打奶油乳液的粒径影响如图1-b所示,所有的粒径分布图均为双峰型,主要分布在1 μm和10 μm左右,与市售植脂奶油的分布相似[6]。随着明胶添加量的增加,10 μm处体积占比减小,1 μm处的体积占比增大,D(4,3)也呈显著降低的趋势,这可能是明胶添加量增加促进了明胶在油水界面的吸附,使得更多的明胶分子能够覆盖油滴,从而降低了乳液的平均粒径,乳液变得更稳定。因此,通过调控明胶浓度可以有效地调控乳液的稳定性。
2.2 搅打性能分析
2.2.1 打发倍数
打发倍数是判断植脂奶油包裹气体能力的关键指标,由图2可知,明胶添加量在0.5%～1%(质量分数)时,打发倍数均在3倍左右,且没有明显差异,根据SB/T 10419—2017《植脂奶油》标准中的要求,植脂奶油的打发倍数需在3倍以上,意味着在此范围内制备的搅打植脂奶油具有良好的充气能力,且符合行业标准。当明胶添加量达到1.5%时,打发倍数明显降低,从3.03下降到2.43,结合界面特性和粒径分析结果可知,1.5%明胶添加量下乳液可能过于稳定,导致脂肪球间的碰撞减少,难以发生聚结,打发倍数降低[14]。
图2 不同明胶添加量(0%～1.5%)对搅打奶油打发倍数的影响
Fig.2 Effects of different gelation concentrations (0%～1.5%) on the overrun of whipped creams
2.2.2 短期保形性
植脂奶油在打发之后,通常会以裱花的形式用于装饰蛋糕甜品等,并在几个小时内食用。因此需要搅打植脂奶油具有短期保持形状的能力,短期保形性是搅打奶油作为食品配料的一个重要指标。对搅打植脂奶油进行裱花,观察发现均能成型,放置24 h后,其外观变化图以及对图像进行分析得出的短期保形性变化如图3所示。所有明胶浓度下制备出的搅打奶油裱花都具有锋利的边缘以及硬峰,放置24 h后,所有样品呈现不同程度的下陷,尤其是未添加明胶的样品下陷程度最明显,这表明明胶的加入有利于搅打奶油保持硬挺的状态。随着明胶添加量的增加,PHR显著下降(图3-b),并且当添加量为0.75%～1.5%时,放置24 h后的样品依然保持着较为稳定的形状和锋利的花边,这表明明胶添加量在该质量分数范围内有利于搅打奶油的保形。这可能是由于明胶质量分数的升高使得水相的黏度上升,在连续相中形成网络结构,气泡不易聚结破裂,从而使植脂奶油具有更坚固的结构,保持形状的时间更久[15]。
a-搅打奶油裱花外观图;b-短期保形性
图3 不同明胶添加量(0%～1.5%)对搅打奶油的裱花外观图和短期保形性的影响
Fig.3 Effects of different gelation concentrations (0%-1.5%) on the images of whipped creams with a rosette shape and PHR
2.2.3 搅打奶油质构性能分析
植脂奶油的质构性能是评价植脂奶油感官品质的关键客观指标。硬度是搅打奶油最重要的质构指标,与其涂抹性、口感等息息相关,黏性和弹性也是奶油重要的黏弹性指标。由表1可知,随着明胶添加量的增加,搅打奶油的硬度、黏性和弹性呈现全面增加趋势,这主要是由于随着明胶添加量的增加,连续相中明胶的网络结构更加致密[16],从而赋予了搅打奶油更强的质构性能。但搅打奶油的质构特性指标也并非越高越好,通过与对照(市售植脂奶油)进行对比发现,1.5%明胶添加量下搅打奶油样品的硬度为16.93 N,显著高于对照组,过高的硬度会使搅打奶油可塑性低[17]。而1%明胶添加量的样品各项质构指标较对照组较为接近,因此综合而言,明胶添加量为1%时,制备的搅打植脂奶油与市售奶油性质更为接近。
表1 不同明胶添加量(0.5%～1.5%)对搅打奶油质构性能的影响
Table 1 Effects of different gelation concentrations (0.5%-1.5%) on texture of whipped creams
明胶添加量/%硬度/N黏性/(Pa·s)弹性0.59.43±0.23c-38.97±0.81a-2.68±0.17c0.7511.43±0.48bc-46.46±1.00bc0.16±0.03b113.86±0.72ab-50.20±1.34bc0.37±0.02a1.516.93±2.98a-55.70±1.64c0.52±0.07a对照12.55±0.29bc-51.10±2.48bc0.40±0.14a
2.3 流变性能分析
不同明胶添加量对搅打奶油表观黏度的影响如图4-a所示,随着剪切速率的增加,搅打奶油的表观黏度不断降低,表现出剪切变稀的行为。且同一剪切速率下,随着明胶添加量的增加,搅打奶油的黏度更高。
a-表观黏度;b-流动曲线
图4 不同明胶添加量(0.5%～1.5%)对搅打奶油表观黏度和流动曲线的影响
Fig.4 Effects of different gelation concentrations (0.5%-1.5%) on the apparent viscosity and flow curve of whipped creams
根据Power-low模型对表观黏度曲线进行拟合得到的结果如表2所示,相关系数R2>0.99,相关性好。所有n值均小于1,说明搅打奶油为假塑性流体,这与之前关于奶油的研究一致[18]。随着明胶添加量的增加,K值逐渐增大,稠度不断增加,这可能是由于明胶分子与水形成氢键,随着明胶添加量的增加,氢键数量增多,剪切阻力增加,黏度更大,这在一定程度上解释了明胶添加量的升高使得硬度和黏性上升。
表2 搅打奶油样品Power-law模型拟合参数
Table 2 The parameters of the Power-law model determined for the whipped creams
明胶添加量/%K/(Pa·s)nR20.542.84±0.890.344 70.994 10.7560.85±0.950.112 80.998 6166.70±0.950.079 50.999 01.587.17±1.070.100 60.999 2
不同明胶质量分数下搅打奶油的流动曲线如图4-b所示,由于搅打奶油是假塑性流体,可以对其使用Herschel-Bulkley模型进行拟合,拟合结果如表3所示,所有明胶添加量下的奶油样品的相关性较好(R2>0.99)。屈服应力反映了使样品流动所需要的最小应力,只有当剪切应力超过屈服应力才会发生流动,出现变形、析水等现象[19]。因此,对于奶油产品来说,屈服应力值越大,裱花后产品越稳定、保形能力越强。随着明胶添加量的增加,屈服应力呈上升趋势,这意味着明胶能够增强搅打奶油的稳定性,使其在放置过程中析水更少,裱出的奶油顶不塌陷[20]。此外屈服应力还能反映内部网络结构的强度,这与表观黏度的测试结果一致。
表3 搅打奶油样品Herschel-Bulkley模型拟合参数
Table 3 The parameters of the Herschel-Bulkley model determined for the whipped creams
明胶添加量/%τ0/Pan′R20.515.65±0.860.368 90.998 80.7544.90±0.570.530 40.999 2153.51±0.550.561 00.999 21.573.79±1.980.483 70.993 4
不同明胶添加量的搅打奶油样品应变扫描结果如图5-a所示,G′和G″恒定的应变区域(0.01%～1%)为搅打奶油的线性黏弹区,根据线性黏弹区确定搅打奶油的恒定应变为0.1%。此外G′和G″交叉点的出现是由于搅打奶油的网络结构被破坏,流变特性从弹性转变到由黏性主导,此时的应力也可以被定义为屈服应力,但是由该方法得到的屈服应力值一般较Herschel-Bulkley模型拟合所得数值偏大,这是由于样品必须已经发生屈服,才能观察到G′和G″的交叉点。而根据文献中的研究Herschel-Bulkley模型拟合所得出的屈服应力在数值上更为可靠[21]。由图5-b可以发现,随着明胶添加量的增加,屈服应力分别为37.97、51.33、62.33、107.80 Pa,与表3所得屈服应力变化趋势一致,这也说明明胶的加入使得搅打奶油内部网络结构更加致密。
a-应变扫描;b-应力-模量曲线;c-频率扫描
图5 不同明胶添加量(0.5%～1.5%)对搅打奶油流变性能的影响
Fig.5 Effects of different gelation concentrations (0.5%-1.5%) on amplitude sweep, shear stress-modulus and frequency sweep of whipped creams
对不同明胶添加量制备的搅打奶油进行频率扫描结果如图5-c所示。随着频率的增加,搅打奶油的G′逐渐增大,表现出明显的频率依赖性,而G″基本不变,并且G′始终大于G″,这表明搅打奶油的弹性特征始终高于黏性特征,具有凝胶体系的性能,搅打植脂奶油的稳定性可以用G′的大小进行表征[22]。对G′通过幂律模型拟合得到参数如表4所示,所有样品的相关系数均较好(R2>0.99),其中
代表凝胶体系强度,n′则代表凝胶网络性质[23]。n′ >0表示形成的是弱物理凝胶,n′=0代表共价凝胶,所有样品的n′值均在0.2左右,这代表搅打奶油为一种弱凝胶体系。随着明胶添加量的增加,增加,n′降低,较低的n′往往代表较高的物理交联程度和更稳定的蛋白质网络,因此随着明胶添加量的增加,搅打奶油的凝胶强度增加,这可能是由于明胶形成了更为坚固的网络结构,使得搅打奶油呈现出较大的硬度和黏性。
表4 搅打奶油样品的储能模量(G′)的幂律方程拟合参数
Table 4 The parameters to the power-law model for the whipped cream
明胶添加量/%G′0n′R20.5536.93±3.070.194 90.994 60.75570.79±2.020.191 80.997 91635.75±2.240.181 60.997 61.5986.97±3.960.172 20.996 5
2.4 搅打植脂奶油微观结构的观察
充气乳状液体系的稳定性很大程度上取决于气泡的分布与脂肪的聚结[24]。不同明胶质量分数制备的搅打后奶油在20×放大倍数下的微观结构如图6所示,其中呈现绿色的是明胶,红色的是油脂,黑色的孔洞则是气泡。0.5%和0.75%添加量下的气泡直径更大且分布不均匀,原因是低明胶质量分数导致植脂奶油乳液黏度低,外力剪切后更多的气体能够被体系包裹,但是较低的部分脂肪聚结速率导致大气泡破裂成小气泡后难以稳定随即破裂成为大气泡,最终打发倍数高,但质构性能差。随着明胶添加量进一步增加(1%～1.5%),气泡直径更小、多且更为致密,这种致密的泡沫结构具有较高的抗形变能力,因此能够防止泡沫出现坍塌[25]。这是因为随着明胶添加量增加,脂肪聚结率升高(如图6中白色箭头所指的为脂肪部分聚结的部分),有利于维持最终充气结构的稳定性。当添加量上升至1.5%后,乳状液黏度增加,过高的体系黏度阻碍气体进入,气泡直径减小,打发倍数更低。
图6 不同明胶添加量(0.5%～1.5%)下的搅打奶油的CLSM图像(标尺:20 μm;A:488 nm,B:633 nm)
Fig.6 The CLSM images (scale:20 μm, A:488 nm, B:633 nm) of the whipped cream with different gelatin concentrations (0.5%-1.5%)
3 结论
本文以明胶作为乳化体系的蛋白质制备出一种新型搅打植脂奶油,并研究了明胶对其搅打性能的影响机制。通过对搅打前奶油乳液的稳定性、搅打性能、以及搅打后奶油的表观性能研究,发现以明胶作为搅打奶油体系的蛋白质制备出的搅打奶油性能良好,与市售植脂奶油具有相似的质构性能。此外还发现明胶的增加能够显著提升搅打奶油的稳定性,增强其泡沫结构,明胶添加量过低不利于搅打奶油的稳定性,会使其硬度过低、奶油裱花易于塌陷;但是明胶添加量过高也会使得体系过于稳定,难以搅打充入气体,使得打发倍数过低、硬度偏高,影响其口感。因此综合以上研究得出明胶的最佳添加量应在0.75%～1%。流变结果显示,随着明胶添加量的增加,搅打奶油黏度和屈服应力值上升,明胶分子之间相互作用增加形成了更稳定的网络结构,因此搅打奶油也更为稳定。CLSM结果表明,明胶添加量的增加会使脂肪的部分聚结率上升,从而提升搅打奶油稳定气泡的能力。本文研发出的新型植脂奶油具有与市售植脂奶油相似的性能、制备更为简单、成本更低,但是目前关于其蜡质口感的问题还需进一步解决。
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