蛋白棒是基于蛋白质、碳水化合物和脂肪的平衡组合的条状致密营养产品,因为它们营养丰富,保质期长,可常温储存,方便即食,且方便运输等优势,受到了年轻人的追捧和喜爱[1]。但随着贮藏时间延长,蛋白棒易因老化变硬,食用品质劣化,导致食用感官不佳。目前主要通过添加酶制剂、乳化剂、亲水胶体等来抑制其淀粉老化。其中亲水胶体因具有良好的乳化特性和持水性常用来改善产品的品质特性[2]。

亲水胶体是一种由羧酸、羟基、氨基等分子内亲水基团水合成水分子,能与水、淀粉等发生作用,形成分子质量较大的复合体,具体表现为它能使面筋与淀粉颗粒以及散碎的面筋很好地联结起来,形成有序的三维空间网状结构,加强组织的流变特性和感官特性[3],被广泛应用于面包、中式馒头、蛋糕等烘焙面制品加工业中,用于产品的增稠、凝胶形成、乳化和稳定[4]。羧甲基纤维素钠(carboxy methyl cellulose sodium,CMC-Na)是一种常见的阳离子型化学变性亲水胶体,作为一种壳聚糖醚类衍生物,其水溶性能好且具有良好的分子相容性,对蛋白质具有明显亲和性,常应用于食用乳饮料、面团制品、生物膜等领域中[5]。黄原胶(xanthan gum,XG)是从野油菜中分离出黄单胞菌发酵的非离子型微生物杂多糖胶体,遇水相溶后有良好的黏弹性及假塑性,常作为乳化稳定及悬浮剂用于面糊、面团凝胶体系中,用来改善其流变及贮藏加工特性[6]。海藻酸钠(sodium alginate,SA)是一类从天然褐藻提取而得的高聚合大分子海藻胶体,结构中亲水端β-糖醛酸连接大量羟基及不规则羧基,易与蛋白结合,以其胶凝流动性、增稠稳定性能及老化抑制作用被广泛应用于淀粉基质食品中,显著提升了凝胶体系的强韧性及面团的流变性能[7]。

本研究选用CMC-Na、XG、SA这3种常见亲水胶体,研究不同胶体种类以及不同添加量(0.3%、0.5%、0.8%,质量分数,下同)对贮藏14 d后的蛋白棒水分含量、硬度、老化焓值、微观结构等品质的影响,以期为实现蛋白棒品质改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白粉,临沂山松生物制品有限公司;乳清蛋白粉、鱼胶原蛋白肽,河南余穆生物科技有限公司;魔芋粉,合肥谷中食品有限公司;白砂糖,大连山姆会员商店;塔格糖,聚萍科技有限公司;黄油,中粮东海粮油工业有限公司;鸡蛋,大连洪家畜牧有限公司;乙酰化双淀粉己二酸酯,中粮集团有限公司;CMC-Na、XG、SA,河南万邦化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

TA XT Plus质构仪,英国Stable Micro System公司;DHR-2流变仪,上海TA仪器有限责任公司;DHS20-A快速水分测定仪,海舍岩仪器有限公司;Aqualab TDL水分活度测定仪,美国Decagon公司;Thermo Fisher冷冻离心机,上海卡耐兹实验仪器设备有限公司;YP6001N万分之一天平,上海精密科学仪器有限公司;BPG-9140A精密鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;SCC-WE101万能蒸烤箱,德国Rational公司;C100真空包装机,上海莫迪维克包装设备有限公司;DSC250差示扫描量热仪(differential scanning calorimeter,DSC),日本铂金埃尔默仪器有限公司;JSM-7800F热场发射扫描电镜(scanning electron microscope,SEM),日本电子株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1 蛋白棒制作工艺

物料称量→黏合剂制备→物料预混→面团糅合及切割→平铺磨具→焙烤→包装

(a)物料称量:按质量份用量称取大豆分离蛋白粉、乳清蛋白粉、鱼胶原蛋白肽、魔芋粉;鸡蛋清、鸡蛋黄、黄油、白砂糖、塔格糖、CMC-Na、XG、SA,备用。

(b)黏合剂制备:将白砂糖分3次等量放入分离好的蛋清中,使用功率为300 W的打蛋器打发3 min得黏合剂1;在黄油、分离好的蛋黄中分3次加入等量的白砂糖、塔格糖混匀后高速打发1 min得黏合剂2。

(c)物料预混:将大豆分离蛋白粉、乳清蛋白粉、鱼胶原蛋白肽、魔芋粉、亲水胶体在搅拌缸中搅拌混匀,加入黏合剂1,二档搅拌速率搅拌3 min至物料混匀后再加入黏合剂2,二档搅拌速率搅拌3 min至物料均匀,得到蛋白面团。

(d)面团糅合及切割:将蛋白面团放在面垫上揉合至光滑均匀,并将面团切割为10 cm×2 cm×1.5 cm大小,重量控制在30 g。

(e)平铺磨具:将切割好的面团一一平铺放置在模具中。

(f)焙烤:将模具放入烤箱130 ℃焙烤30 min;升温150 ℃焙烤5 min。

(g)包装:焙烤结束后,常温下冷却后对产品进行包装。

1.3.2 不同亲水胶体对蛋白棒水分含量的影响

使用水分测定仪测定3次,取平均值。

1.3.3 不同亲水胶体对蛋白棒水分活度的影响

使用水分活度仪测定3次,取平均值。

1.3.4 不同亲水胶体对蛋白棒流变性能的影响

参考FERREIRA等[8]的方法稍作改动,取2.5 g面团样品,揉合成圆形,利用DHR流变仪对蛋白面团进行小幅振荡测试条件下的频率扫描。测试温度为25 ℃,选用20 mm平板夹具100134,频率扫描范围为0.1～100 Hz,每个样品重复3次。

1.3.5 不同亲水胶体对蛋白棒质构的影响

参照王金秋等[9]的方法,利用质构仪对蛋白棒的硬度进行测定。测试模型采用TPA测试模式,选用P50探头,设置探头测前速度、检测速度和测后速度分别为2.0、1.0和5.0 mm/s,测试距离为30.0 mm,触发力设定为10 g。探头垂直下压蛋白棒,下压形变30%,每组蛋白棒测定3次。

1.3.6 不同亲水胶体对蛋白棒感官品质的影响

设计蛋白棒的感官评价标准,成立感官评价小组(食品专业研究生,男性6位,女性6位),评定在感官试验室内进行。感官评定各指标含义如表1所示。

1.3.7 不同亲水胶体对蛋白棒X射线衍射图谱的影响

参照陈金凤等[10]的方法,略有改动,将贮存不同时间(0、14 d)的蛋白棒冷冻干燥,碾碎,过100目筛,密封贮存于干燥箱中备用。测试时称取0.5 g样品放入测定池中,用载玻片压制样品至表面平整,置于X-衍射仪中进行扫描。所用测试条件为:管压36 kV,管流20 mA,扫描速度5～35 °/min,扫描区域5～35 °,扫描方式为连续。

1.3.8 不同亲水胶体对蛋白棒DSC老化焓值的影响

面包老化焓值的测定参考ARP等[11]的方法,略有改动,将贮存不同时间(0、14 d)的蛋白棒冷冻干燥,碾碎,过筛备用。测试时称取0.5 g样品放入测定池中,用载玻片压制样品至表面平整,置于X-衍射仪中进行扫描。所用测试条件为:管压36 kV,管流20 mA,扫描速度5～35 °/min,扫描区域5～35 °,扫描方式为连续。DSC进行分析,将面包放置于4 ℃冰箱冷藏,取面包中心部位称取10～15 mg于DSC专用铝制耐高压坩锅中,以空坩埚为对照组,升温范围为10～100 ℃,升温速率为10 ℃/min,从DSC热流曲线图中获得起始温度(To)、峰值温度(Tp)和焓值(ΔH)等参数。

1.3.9 不同亲水胶体对蛋白棒微观结构的影响

参照臧梁[12]的方法,使用SEM观察并记录蛋白棒的微观结构。将蛋白棒样品冷冻干燥后取中间部位置于SEM下观察(电压10 kV)。

1.3.10 数据分析与处理

所有数据为3次重复实验测定的平均值,以“平均值±标准差”显示。采用Excel 2019软件进行实验数据统计与分析。采用SPSS 26软件进行数据显著性分析,Origin 2021、Design-expert 8.0.6软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同亲水胶体对蛋白棒水分含量的影响

从图1可知,3种亲水胶体对蛋白棒均有一定的保水效果,且随着3种亲水胶体添加量逐渐增大,蛋白棒水分含量显著增加(P<0.05)。在贮藏14 d时,添加亲水胶体的蛋白棒水分含量相较于对照组下降趋势相对较缓,其中添加了CMC-Na组的蛋白棒延缓水分含量的下降效果较为明显,且添加量为0.8%时,贮藏14 d时水分含量仅下降了13%,保水效果最好。由于亲水胶体较强的吸水性,蛋白棒的水分保持能力得以显著提升,并使其内部水分分布更为均匀,随贮藏时间的延长对蛋白棒内部结构的破坏程度也得以降低;亲水胶体还可以降低水的自由度,减缓了水分迁移,从而减弱淀粉老化[13]。而CMC-Na表现出更好的保水效果,可能是因为在该浓度下,CMC-Na中的亲水基团能够更好地与水结合形成亲水胶体而吸水膨胀,在膨胀后可使面筋的持水性增加[14],因此可知3种亲水胶体都有望成为蛋白棒优良的改良剂,与其他2种亲水胶体相比,CMC-Na保水性效果更佳。

2.2 不同亲水胶体对蛋白棒水分活度的影响

由图2可知,添加3种亲水胶体的蛋白棒贮藏14 d后,其水分活度值均有所降低。CMC-Na与SA对降低蛋白棒水分活度作用显著,随着SA添加量增大,蛋白棒水分活度也呈现减小趋势,在添加量为0.8%时放置14 d的蛋白棒水分活度值达到0.69,可能是由于SA独特的凝胶性能够在蛋白棒中形成致密、稳定的网络结构,增强与水分子的相互作用,将蛋白棒中更多的自由水变成结合水,因此水分活度降低[15];XG对蛋白棒水分活度影响较小,且随着XG添加量增大,贮藏14 d时的蛋白棒水分活度减小趋势较小;而随着CMC-Na添加量增大,蛋白棒的水分活度呈增大趋势,但也均低于空白组,且在添加量为0.3%时放置14 d的蛋白棒水分活度值达到最小值0.67。

2.3 不同亲水胶体对蛋白棒面团弹性模量的影响

由图3可知,添加3种胶体的(XG、SA、CMC-Na)的蛋白面团的储能模量相比于空白组均显著降低,面团呈现更柔软的质地趋势,这可能是由于亲水胶体可以与面筋建立静电相互作用,从而增加面团的弹性行为[16]。其中CMC-Na不同添加量的面团的弹性模量G′相接近,体系状态更稳定,可能是由于CMC-Na具有更好的分子相容性,将体系内直链淀粉以氢键连接方式包裹起来,减少直链淀粉的相互作用,抑制面团的弹性性能,使面团更偏向黏稠状态[17]。SUN等[18]对全麦面团体系的研究中也发现,亲水胶体的添加增强了和水分子的结合程度,减弱了面团体系氢键作用,降低了面团的弹性模量G′,使得面团偏向流体松弛的流变学性能。

2.4 不同亲水胶体对蛋白棒硬度的影响

从图4可知,添加XG、SA、CMC-Na这3种亲水胶体后,蛋白棒硬度皆显著下降。可能由于XG是一种天然多糖大分子,本身不能形成凝胶,但可以填充到膨胀的淀粉三维网状组织中,形成膜壁,阻碍淀粉羟基之间的缔结,减少淀粉重结晶,延缓淀粉老化,改变了蛋白棒的硬度[19]。添加SA、CMC-Na后蛋白棒硬度下降可能是因为亲水胶体通过减缓淀粉颗粒之间的膨胀作用和削弱淀粉的网络结构,降低了蛋白质棒的硬度,但由于添加量的增加会使蛋白棒表面过硬,降低淀粉颗粒的溶胀特性,减少淀粉颗粒中支链淀粉的解离,导致蛋白质棒的致密结构和硬度的增加[20]。因此可知,在贮藏期间,亲水胶体可抑制蛋白棒变硬,0.5% CMC-Na效果更显著(P<0.05)。

2.5 不同亲水胶体对蛋白棒感官品质的影响

由图5可知,添加XG、SA、CMC-Na这3种亲水胶体的蛋白棒与对照组相比,感官评分均显著提高(P<0.05),蛋白棒呈现更优的品质,其中0.5% CMC-Na添加组的蛋白棒感官品质最佳,经过14 d的贮藏实验后各添加组感官评分均有下降,其中XG与CMC-Na添加组感官评分下降趋势相对较小,始终保持较高的感官品质。添加了XG、CMC-Na后的蛋白棒外观更光滑均匀,内部结构更细腻,口感更好。因此分析得知,XG、SA、CMC-Na这3种亲水胶体加入后与蛋白成分结合,改良了蛋白棒组织状态,同时因其强持水性能减少了蛋白面团的水分挥发,增加了蛋白棒的感官特性,其中CMC-Na改良效果最佳。

2.6 不同亲水胶体对蛋白棒X射线衍射图谱的影响

从图6可看出,贮藏14 d的蛋白棒在衍射角7°、20°出现A型淀粉衍射峰图谱,观察图谱峰型形状未发现显著变化,对照组结晶度最高,添加亲水胶体的其他9组蛋白棒结晶度均表现出下降趋势,亲水胶体的加入使淀粉结晶度降低,可能是因为增加了体系的保水性,同时亲水胶体较高的热稳定性,在蛋白棒烘焙过程减少了水分的损耗,促进体系微晶结构的溶解,使得淀粉结晶度下降,延缓蛋白棒体系淀粉老化[21]。其中0.5% CMC-Na结晶度最小,说明CMC-Na延缓蛋白棒结晶效果最佳。CAMILA等[22]研究亲水胶体对豌豆淀粉糊化特性影响时发现,羧甲基纤维素、果胶、黄原胶添加后淀粉粉末样品的XRD图谱未发生变化,但因其热稳定性与持水性,减缓了淀粉老化,降低了淀粉相对结晶度。

2.7 不同亲水胶体对蛋白棒老化焓值的影响

蛋白棒在贮藏的过程中,其中的支链淀粉发生重结晶,导致蛋白棒老化,支链淀粉的重结晶老化往往会使热焓(ΔH)变化[23]。由表2可知,随着贮藏时间的延长,蛋白棒的老化焓值逐渐增大,在贮藏14 d后,对照组老化焓值显著上升,且处于最大值(P<0.05),分析其原因在于随着贮藏期的延长,蛋白棒支链淀粉重结晶的程度及速率增大,导致蛋白棒中淀粉聚合物增多,使蛋白棒老化[24]。对比之下,添加了亲水胶体的9组蛋白棒的老化焓值均显著低于对照组,其中CMC-Na添加的蛋白棒老化焓值的上升速率显著降低,显著低于对照组,并在14 d贮藏后呈不显著变化趋势(P<0.05),说明亲水胶体的添加使蛋白棒的老化得以延缓,推测可能由于亲水胶体与淀粉竞争性结合水分子,因此有效地抑制了支链淀粉的重结晶,淀粉聚合物的合成受阻,延缓蛋白棒的老化[25],且CMC-Na效果最好。

2.8 不同亲水胶体对蛋白棒微观结构的影响

SEM图像可清晰表现产品的微观结构中各结构元素及其之间的相互作用,以此了解蛋白棒的功能特性[26]。从图7可看出对照组表面出现众多椭圆形淀粉颗粒,如图7-b～图7-j所示,添加了亲水胶体组的淀粉颗粒均被显著包裹起来,颗粒变小,出现孔隙,表面更均匀。XG的添加导致了更均匀的结构(图7-e～图7-g),外观紧凑,面筋网络没有深度中断,其中图7-b～图7-d组由于添加了CMC-Na,蛋白棒的微观结构中淀粉被蛋白或亲水胶体包裹在内,表面呈现膜状,更明亮光滑。这可能是添加了胶体后,亲水胶体的强水合作用吸水后填充入双蛋白网状结构孔隙,将淀粉包裹在内,因此体系均出现了膜状的包裹,孔隙更薄[27]。因此可知,3种亲水胶体的引入可使得蛋白棒体系内淀粉网状结构被包裹成膜状,增强体系保水能力,改良蛋白棒微观结构。

3 结论

在蛋白棒中添加适量亲水胶体能够改善蛋白棒的组织结构,提高蛋白棒的持水性和保水性,延缓老化焓值上升速率及硬度变化速率,从而延缓蛋白棒体系淀粉老化。不同亲水胶体之间相比,CMC-Na总体效果优于XG、SA。但对于不同亲水胶体间的协同效应有待进一步研究。本研究有助于解决蛋白棒品质劣变问题,为蛋白棒的品质提升提供理论支持,以及为其后续贮藏及货架期预测提供数据支撑。

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Effect of hydrophilic colloid on storage quality of protein bar

XUE Yuyun1, HU Xuewei1, WEN Chengrong1,2,3,4, FENG Dingding1, FU Baoshang1,2,3,4*,QI Libo1,2,3,4*

1(School of Food Science and Technology, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)2(SKL of Marine Food Processing &Safety Control, Dalian 116034, China)3(National Engineering Research Center of Seafood, Dalian 116034, China)4(Collaborative Innovation Center of Seafood Deep Processing, Dalian 116034, China)

ABSTRACT Three common hydrophilic colloid, sodium alginate (SA), carboxy methyl cellulose sodium (CMC-Na) and xanthan gum(XG), were studied in this paper.The moisture content, water activity, hardness, XRD pattern, enthalpy of aging, microstructure and sensory evaluation of protein bars after 14 days of storage were analyzed with different dosage (0.3%, 0.5%, 0.8%).The results showed that compared with the blank control group, the addition of three kinds of hydrophilic colloid could give the protein bar dough softer texture, improve the structure of the protein bar, enhance the water retention ability of the protein bar, and delay the aging of the protein bar, and the addition of CMC-Na had the best effect.The protein bar supplemented with 0.5% CMC-Na had the best water retention ability, the most significant effect of slowing down the hardness reduction,and better delayed the aging of the protein bar.

Key words hydrophilic colloid;protein bar;moisture content;XRD pattern;microstructure

第一作者：硕士研究生(傅宝尚工程师和祁立波教授为共同通信作者,E-mail:fubaoshang@dlpu.edu.cn;qilibo@dlpu.edu.cn)

基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFF1100503-4)

收稿日期：2023-10-27,改回日期:2023-12-14

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.037777

引用格式：薛宇赟,胡雪微,温成荣,等.亲水胶体对蛋白棒贮藏品质的影响[J].食品与发酵工业,2024,50(21):163-169.XUE Yuyun, HU Xuewei, WEN Chengrong, et al.Effect of hydrophilic colloid on storage quality of protein bar[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(21):163-169.