黄油是指将稀奶油进一步进行分离后获得的脂肪含量在80%以上的产物[1],是最常见的烘焙油脂,常大量用于曲奇(黄油用量30%～40%)等高脂类焙烤食品中,发挥改善面团结构、提高风味及口感等作用[2],但其含有较高的饱和脂肪酸及胆固醇,进而可能导致肥胖、高血压等疾病。近年来,为了改变高脂饮食可能对健康带来的不利影响,引入了脂肪替代物,希望其在减少食物中的脂肪和能量的同时,仍然保持食物原有的特殊感官、风味和质地特性[3]。其中碳水化合物基脂肪替代物已经有多年的应用历史,它包括麦芽糊精、纤维素衍生物、菊粉、果胶、改性淀粉等[4]。其中果胶是一种应用较为广泛的脂肪替代物[5],它作为一种高分子质量的碳水化合物,可以替代水包油溶液,产生类似脂肪的流变特性与口感[6],在食品中使用可以提高黏度,被广泛应用在甜品、烘焙制品及乳制品中。它所制备的脂肪替代物所形成的三维网状结构能将一部分水截留住,改善水相的结构特征,使整个体系具有较好的流动性[7]。而且果胶等膳食纤维已经被证实可以抑制脂类物质的吸收,从而起到降低卡路里摄入量的作用[8]。现已有关于果胶作为脂肪替代物替代黄油的研究报道,如SHARMA等[9]将柑橘果胶制备的脂肪替代物用于替代饼干中的黄油而不改变其感官和物理化学特性。但果胶作为脂肪替代物时通常以微粒化果胶凝胶的形式进行添加,高酯果胶凝胶作为脂肪替代物时会出现以下问题:凝胶微粒化处理后会出现聚集脱水的现象,从而影响其作为脂肪替代物的质量及口感。为解决凝胶颗粒聚集及脱水的问题,需要复配一些相对整个凝胶体系比较惰性的外相作为果胶链之间作用的阻隔体以及水分保持剂[10]。但目前针对高酯果胶凝胶微粒化后脱水这一问题的研究报道较少,而在解决该问题的同时又探讨复配凝胶作为黄油的脂肪替代物对黄油性质的影响尚未见报道。
针对柠檬果胶酯化度高、胶凝性强的特点,本试验以自制柠檬果胶凝胶为原料,高速剪切微粒化处理后,复配其他惰性外相,以制得适宜的脂肪替代物,并将其应用于黄油中,探究脂肪替代物对黄油流变性的影响,为柠檬果胶凝胶基脂肪替代物在食品中的应用提供理论依据。
柠檬果胶:自制,具体方法见1.3.1节;95%乙醇(体积分数,下同;分析纯),成都市科隆化学品有限公司;蔗糖,安琪酵母股份有限公司;无水柠檬酸,潍坊英轩实业有限公司;海藻酸钠,上海鑫泰食品配料商城;瓜尔豆胶,上海鑫泰食品配料商城;乳清蛋白,上海源叶生物科技有限公司;黄原胶:新疆梅花氨基酸有限责任公司;羧甲基纤维素钠(sodium carboxyme thyl cellulose, CMC),上海长光企业发展有限公司;NaHCO3,天津渤化永利化工股份有限公司;二甲基硅油,天津市恒兴化学试剂制造有限公司。
HH-4水浴锅,常州普天仪器制造有限公司;显数式pH计,成都世纪方舟科技有限公司;TA-XT Plus质构仪,英国Stable Micro System有限公司;MCR302流变仪,奥地利安东帕(中国)有限公司;T 18 digital自动匀浆机,上海凌仪生物科技有限公司;Bettersize2600激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司。
1.3.1 柠檬皮渣及果胶的制备
参考刘江等[11]的方法稍作修改,对柠檬皮渣进行干燥制备柠檬干渣,然后以柠檬干渣为原料提取果胶,采用超声辅助柠檬酸提取法。称取一定质量的柠檬皮渣,按照料液比1∶25(g∶mL)加入pH值为2.0的柠檬酸溶液,在70 ℃水浴中超声提取20 min,并不断搅拌,使果胶充分析出,后续步骤参考辛明等[12]的实验方法采用95%乙醇沉淀洗涤果胶,将沉淀洗涤后的滤渣在50 ℃烘箱中干燥至恒重,粉碎后即为果胶成品。按GB 25533—2010《食品安全国家标准 食品添加剂 果胶》附录A.2对果胶进行了鉴别试验,所提果胶符合要求。通过滴定法[11]测得果胶酯化度为68.11%,属高酯果胶,通过比色法[12]测得果胶中半乳糖醛酸含量为83.32%,纯度满足GB 25533—2010《食品安全国家标准 食品添加剂 果胶》中半乳糖醛酸含量≥65%的要求。
1.3.2 柠檬果胶凝胶制备
果胶凝胶制备参考张倩钰等[13]的方法,通过预实验筛选出最佳的果胶凝胶条件为:蔗糖浓度68%、果胶浓度1.8%(均为质量分数)、pH 2.7。
固定体系总质量,计算出各添加物质的质量,将果胶溶于去离子水中后于80 ℃水浴保温0.5 h,用12.5%(质量分数)柠檬酸溶液调节体系pH值至2.7,最后加入蔗糖搅拌溶解,得到柠檬果胶凝胶。
1.3.3 复配惰性外相的选择及复配凝胶的制备
在1.3.2节的方法基础上制备复配凝胶,在用去离子水溶解果胶的过程中同时加入相应浓度的惰性外相,其余步骤不变,制备复配凝胶,然后进行高速剪切微粒化处理得到脂肪替代物。经预实验确定剪切速率为12 000 r/min,剪切时间为5 min。本实验选取的惰性外相分别为:黄原胶、乳清蛋白、海藻酸钠、瓜尔豆胶、CMC[14],添加质量分数均为0.1%、0.3%、0.5%,分别测定不同配方的复配凝胶微粒10 d内的脱水率及聚集时间。
1.3.4 复配凝胶微粒脱水率和聚集时间测定
复配凝胶微粒装于烧杯中,并用保鲜膜遮盖后在4 ℃冰箱中放置10 d后,用滤纸吸去凝胶表面水分,测定其脱水率,其计算如公式(1)所示:
(1)
式中:W,脱水率,%;m1,贮存前质量,g;m2,贮存吸水后质量,g。
凝胶聚集时间是通过肉眼观察表面脱水程度进行判断,第1天每隔1 h观察1次,之后每24 h观察1次。
1.3.5 复配凝胶体系质构的测定
通过1.3.3节筛选出最佳的惰性外相,用不同浓度的惰性外相制备复配凝胶后测定其质构。采用质构仪对复配凝胶进行全质构扫描,测试条件设置如下:探头P 0.5,测前速率1.0 mm/s,测中速度0.5 mm/s,测后速度10.0 mm/s,压缩程度50%,触发力5 g。每组样品平行测量6次,得到复配凝胶的硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性,取均值作为测定结果,其中弹性为反向力,故取绝对值作为最终结果。
1.3.6 复配凝胶体系流变性的测定
复配凝胶制备参考1.3.5节,探究不同浓度的惰性外相对复配凝胶流变性的影响。测试时采用平板-平板测量系统,平板直径25 mm,设置测试间距1 mm,用药匙取样,置于流变仪平板中心位置,并用刮板刮去平板外多余样品,二甲基硅油涂抹于试样周围,防止水分挥发。
参考赵锦妆[14]的方法进行测定,具体测定方法如下:
动态剪切流变性测定:温度5 ℃,应变设置0.5%,测定果胶凝胶在振荡频率0.1～100 Hz下储能模量G′及损耗模量G″的变化情况。
动态温度扫描测定:应变设置0.5%,频率1 Hz,分别测定果胶凝胶在5～80 ℃,升温速率5 ℃/min下G′及G″的变化情况。
1.3.7 复配凝胶粒径测定
参考吕春月[15]的方法稍作修改,将通过剪切的复配凝胶微粒加入到150 mL质量分数为0.1%的十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate, SDS)溶液中进行稀释,样品粒径通过搅拌转速为1 200 r/min的激光粒度分布仪进行检测,每组样品测定3次。
1.3.8 复配黄油制备方法
参考李红娟等[16]的方法稍作修改,全脂黄油加热融化后,分别加入黄油质量的0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的脂肪替代物(在筛选出最佳复配惰性外相浓度的基础上按1.3.3节制备),用匀浆机20 000 r/min分别均质乳化至完全融合,然后在4 ℃冰箱中平衡24 h得到成品。
1.3.9 复配黄油流变性测定
参考蒋将等[17]的方法稍作修改,温度10 ℃,应变设置为0.5%,用流变仪测定0.1～10 Hz剪切频率下G′、G″及损耗正切值tanδ的变化。
采用SPSS 25.0进行单因素方差分析及多重比较(P<0.05为差异有统计学意义),实验数据用均值±标准差表示,Origin 2018用于图形的绘制。
为满足脂肪替代物较好的口感和稳定性要求,通常需要对果胶凝胶进行微粒化处理,但高酯果胶凝胶作为脂肪替代物进行微粒化处理后凝胶微粒会由于氢键、范德华力及静电引力聚集在一起[18],并脱去部分水分,导致粒径变大,影响脂肪替代物质量。为了解决微粒化处理后的果胶凝胶脱水聚集的问题,本实验选择添加惰性外相作为阻隔剂。果胶为阴离子多糖,添加的惰性外相应当满足以下2个条件:一是本身在无外界影响下不易凝胶,二是与果胶不会产生协同作用[10]。表1结果显示CMC和黄原胶可以较好地保证微粒化后的果胶凝胶不再聚集脱水。CMC是一种阴离子型线型高分子物质[19],是由β-1,4-吡喃葡萄糖残基组成的直链分子[20],是一种由天然纤维素经过化学改性得到的水溶性纤维素钠盐[21],在水中溶胀时可以形成透明的黏稠胶液,其水溶液具有增稠特性、乳化能力、持水能力及悬浮能力[22],但其本身不具备凝胶特性。黄原胶是一种高分子质量物质[23],是由黄单胞菌属经有氧发酵产生的阴离子多糖,对热、酸和碱都具有非常好的稳定性[24],并且还具有许多优良的特性,如乳化、分散性能,广泛用于各个领域。CMC和黄原胶分子中均含有部分的阴离子,其有效防止果胶凝胶聚集脱水的原因可能是因为它们与果胶分子之间通过静电排斥而避免了果胶分子相互靠拢,同时二者又是良好的水分保持剂,所以在本研究中起到了很好的作用[10]。考虑到成本问题,选择低浓度CMC进行复配就能达到目的,这与赵锦妆[14]的研究结果一致。
表1 不同惰性外相对脂肪替代物脱水率及聚集时间的影响
Table 1 Effect of different inert media on the dehydration rate and aggregation time of fat substitutes
多糖类型质量分数/%脱水率/%聚集时间乳清蛋白0.11.23±0.035 h0.30.91±0.021 d0.50.80±0.013 dCMC0.11.25±0.016 d0.3--0.5--海藻酸钠0.12.00±0.023 h0.31.78±0.036 h0.51.24±0.0110 h瓜尔豆胶0.11.56±0.022 d0.31.37±0.022 d0.51.35±0.011 d黄原胶0.11.37±0.022 d0.31.24±0.012 d0.5--
注:“-”表示未检测出脱水情况或者观察10 d未出现重新聚集的现象。
由于黄油等固体脂肪具有良好的强度、弹性以及几何形状稳定性,因此要想制备一款脂肪替代物,凝胶质构特性是重要的衡量指标[25]。通过研究不同浓度的CMC对复配凝胶质构的影响,可以探究其对脂肪替代物的稳定性影响。如表2所示,随着CMC添加量的增加,复配凝胶的硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性均呈现先增大后减小的趋势,在CMC添加质量分数为0.4%(下同)时达到最大值,说明添加适当的CMC可以使复配凝胶体系的结构更加紧密。CMC与果胶之间相互作用,形成错综复杂的分子结构,从而使得质构指标均显示出增大的趋势[26]。但CMC的比例持续增大时,过多的CMC导致分子间产生剧烈碰撞,可能导致整个结构的孔隙增大,即结构变得相对松散[14],质构指标减小。根据质构结果,选择CMC的添加量为0.4%。
表2 CMC浓度对复配凝胶质构的影响
Table 2 Effect of CMC concentration on the texture of compounded gels
CMC质量分数/%硬度/g弹性胶黏性咀嚼性0.118.03±0.80a20.49±1.25e10.73±0.41a11.08±0.38a0.219.46±0.77b22.32±0.64d13.03±0.34b13.79±0.95b0.321.23±1.01c25.34±0.31c15.28±0.60c16.28±0.56c0.428.20±0.33e29.89±0.96a24.55±0.74e25.60±0.72e0.523.06±0.58d26.91±0.63b22.19±1.04d21.88±0.64d
注:肩标不同小写字母表示同列数据差异显著(P<0.05)。
2.3.1 CMC浓度对复配凝胶动态黏弹性的影响
储能模量G′可以用来反应样品的弹性,损耗模量G″反应样品的黏性,它是测定物体黏弹性的方法之一[27]。与静态剪切测定不同的是动态黏弹性测定可以体现出复配凝胶随着剪切频率变化下凝胶状态的变化,考察不同剪切频率下复配凝胶的稳定性。复配凝胶的动态黏弹性测定结果如图1、图2所示,当振荡频率>60 Hz时,G′的变化不再具有规律性,可能是因为凝胶体系三维网状结构不够紧密,高振荡频率下被破坏,故对0.1～60 Hz的部分进行分析,随着振荡频率的增加,复配凝胶的G′均呈现逐渐增大的趋势,当CMC的添加比例0.4%时为最大值。振荡频率对于G″的影响,在振荡频率90 Hz以上不再具有规律性,故对0.1～90 Hz的部分进行分析,随着振荡频率的增加,所有浓度的复配凝胶体系的G″逐渐增大。在同一振荡频率下,随着CMC浓度的增加,复配凝胶体系的G″先增大后减小,在添加量为0.4%时达到最大值。说明复配凝胶体系在CMC添加量为0.4%时凝胶网络体系最为稳定,同时拥有最大的G′和G″,即产品的黏弹性最好。
图1 振荡频率对复配凝胶G′的影响
Fig.1 Effect of oscillation frequency on the G′ of compounded gels
图2 振荡频率对复配凝胶G″的影响
Fig.2 Effect of oscillation frequency on the G″ of compounded gels
2.3.2 CMC浓度对复配凝胶动态温度扫描的影响
用复配凝胶制备脂肪替代物,其稳定性也十分重要,故通过动态温度扫描来考察凝胶在不同温度下的黏弹性变化以探究其稳定性,稳定性越强,越适合用于制备脂肪替代物。温度对复配凝胶流变性的影响如图3、图4所示,随着温度的升高,各浓度复配凝胶的G′及G″均逐渐下降,说明温度破坏了复配凝胶体系的强度,使得复配凝胶的弹性及黏性性能发生改变。在同一温度下,可以看到,复配凝胶的G′及G″均随着CMC浓度的增加先增大后减小,在质量分数为0.4%时达到最大值。可能是因为随着CMC添加量的增加,复配凝胶体系会变得更加紧密,对于温度的抵御性更好,不易破裂[6],但浓度过大会导致复配凝胶体系不够稳定,说明CMC质量分数0.4%时复配凝胶体系最为稳定紧密。
图3 温度对复配凝胶G′的影响
Fig.3 Effect of temperature on the G′ of compounded gels
图4 温度对复配凝胶G″的影响
Fig.4 Effect of temperature on the G″ of compounded gels
图5 脂肪替代物外观图
Fig.5 Appearance of fat substitutes
上述2种流变性试验均提示最佳的CMC添加质量分数为0.4%。
复配凝胶本身的滑润度及口感较好,因此对于粒径的要求没有淀粉、糊精等脂肪替代物要求那么严格,但也要保证至少50%粒径在100 μm以下[14]。将CMC添加量为0.4%条件下制备的复配凝胶进行微粒化处理后,其粒径范围如表3所示。复配凝胶微粒的粒径90%达到了93.39 μm以下,能够达到脂肪替代物的要求。
表3 复配凝胶微粒粒径
Table 3 Particle size compounded gels
剪切速率/(r/min)剪切时间/min粒径分析参数/μmDx(10)Dx(50)Dx(90)12 000546.13±0.2068.65±0.5893.39±0.50
脂肪的黏弹性是其流变特性作用的结果[28],流变分析是考察油脂组分及加工方法对脂肪质构特性影响很重要的一种手段[29],振荡频率扫描能通过不同振荡频率下G′及G″的变化分别反映物料的黏性及弹性变化。复配黄油频率扫描结果如图6、图7所示,在同一振荡频率下,随着脂肪替代物替代比例的增加,G′、G″呈现先增大后减小的趋势。对于脂肪替代物添加比例相同的黄油,随着振荡频率的增加,其G′、G″均逐渐增大,且未添加脂肪替代物的黄油其G″及G″均介于脂肪替代比例为20%、30%的复配黄油之间。在动态流变性测定中,通常将应力与应变的相位差角δ称为损耗角,tanδ为损耗正切值,又可称为衰减率,损耗正切可表示为G″与G′的比值,即tanδ=G″/G′[30]。在整个频率扫描过程中,复配黄油的G′均远高于G″,这与全脂黄油的特性一致。当脂肪替代物添加比例超过80%时,复配黄油的tanδ随着剪切速率的增加越来越大,添加比例<80%时,tanδ随着剪切速率的增加先减小,后平缓的上升(图8),说明当黄油被替代比例过大时,体系可能在高剪切频率下稳定性会变差。综上,全脂黄油的G′、G″及tanδ与替代比例20%、30%的复配黄油最为接近且整个图线介于2个浓度之间,说明脂肪替代物最佳的替代比例应介于20%～30%。
图6 振荡频率对不同脂肪替代物添加量复配黄油G′的影响
Fig.6 Effect of oscillation frequency on the G′ of compound butter with different fat substitution additions
图7 振荡频率对不同脂肪替代物添加量复配黄油G″的影响
Fig.7 Effect of oscillation frequency on the G″ of compound butter with different fat substitution additions
图8 振荡频率对不同脂肪替代物添加量复配黄油tanδ的影响
Fig.8 Effect of oscillation frequency on the tanδ of compound butter with different fat substitution additions
在柠檬果胶凝胶中选择CMC为惰性外相,控制其添加质量分数为0.4%,复配凝胶体系最为稳定,可以有效控制凝胶微粒化后的聚集脱水现象,且能满足脂肪替代物的粒径要求。
通过比较复配黄油与全脂黄油的储能模量、损耗模量及损耗正切值等流变学指标,确定脂肪替代物在黄油中的最佳取代量为20%～30%,此时的复配黄油具有与全脂黄油相似的性质,这一结果可为柠檬果胶凝胶为基质的脂肪替代物的应用提供一定的理论依据,同时也为流变学特性指标应用于脂肪替代物取代率的研究提供了参考方法。
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