传统淡奶油因风味浓郁、口感细腻的特点,深受国人的喜爱,其通常以鲜牛奶离心得到的鲜稀奶油为原料制备而成,生产成本高,且对奶源具有较高的要求。针对上述问题,近年来黄油基淡奶油逐渐成为研究热点,其是以黄油和乳粉为原料制备而成,成本较低,且兼具天然的奶香味。然而,与鲜稀奶油相比,黄油的脂肪球膜不完整,因此,黄油基淡奶油的乳液常出现乳析、絮凝、聚结等不稳定现象,影响产品的货架期[1]。近年来,研究人员通过尝试调整酪蛋白和乳清蛋白的比例[2-3]、优化乳化剂的配比[4]、改变均质参数[5-6]等诸多手段提升黄油基淡奶油的品质。这些研究结果表明,虽然黄油基淡奶油的乳液稳定性和搅打品质有所提升,但与传统淡奶油的品质仍有部分差距,因此,改善黄油基淡奶油的品质仍有待进一步探究。
脱脂乳粉是黄油基淡奶油中重要的蛋白质来源,而热处理通常是改善蛋白质功能特性的有效手段。例如,豌豆蛋白经95 ℃ 30 min热预处理后,形成的乳液比未加热的具有更高的界面蛋白质吸附率,乳液的乳化稳定性得到提升[7];大豆分离蛋白90 ℃和120 ℃热处理降低了乳液的Zeta电位绝对值,减小油滴粒径,提高了乳液在贮存过程中的物理稳定性[8];漆籽分离蛋白120 ℃热预处理使其结构改变,表面疏水性提高,使乳化活力和乳化稳定性分别提高了77.1%和55.2%[9];椰子球蛋白90 ℃热预处理后变性程度提高,共价键交联的聚集体的形成以及二级结构的α螺旋和β折叠增加,乳化稳定性最佳[10]。因此,综上研究可见,对脱脂乳粉进行热预处理会影响黄油基淡奶油的品质,然而不同变性程度的脱脂乳粉对黄油基淡奶油裱花品质、搅打品质的影响,以及乳液表观性质和界面性质的影响尚不清楚,有待进一步完善。
因此,本文分别以未经热预处理和经60、75、90、105 ℃热预处理30 min的脱脂乳粉为原料,和黄油一起制备黄油基淡奶油,探究脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油裱花性质和搅打性质的影响,并从乳液表观性质(粒径、黏度等)和界面性质(界面蛋白吸附量、界面流变等)对差异产生的原因进一步分析,以期通过热预处理提高黄油基淡奶油的品质。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
安佳无水奶油、安佳脱脂乳粉,新西兰天然商贸(上海)有限公司;丙二醇脂肪酸酯,河南高宝实业有限公司;蔗糖脂肪酸酯,上海鸿健食品配料有限公司;黄原胶、瓜尔豆胶,浙江一诺生物科技有限公司;TGX Stain-Free 10%丙烯酰胺免染制胶试剂盒,Bio-Rad伯乐公司;三羟甲基氨基甲烷、甘氨酸、十二烷基硫酸钠、乙醇、冰醋酸、硼酸、氢氧化钠、盐酸、乙醚,中国国药集团上海化学试剂公司。
1.2 仪器与设备
DF-101T集热式恒温磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责任公司;Panda Plus 2000高压均质机,意大利GEA公司;管板式组合式超高温杀菌机,日本Powerpoint International公司;ICA-3M工业冷水机组,上海康赛制冷设备有限公司;美菱打蛋器,长虹美菱股份有限公司;DHR3流变仪,美国TA仪器公司;MAZ3000激光粒度仪,英国马尔文仪器公司;TA-XT plus物性分析仪,英国Stable Micro Systems公司;J20冷冻离心机,美国贝克曼公司;Chemi-Doc XRA+化学发光凝胶成像系统,美国伯乐公司;TDL-5-A低速台式大容量离心机,上海安亭科学仪器厂;TU1080紫外-可见光分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司。
1.3 实验方法
1.3.1 黄油基搅打淡奶油的制备
油相由35%无水黄油和0.15%丙二醇脂肪酸酯组成,水相包括蔗糖脂肪酸酯(0.15%)、不同热预处理条件下的脱脂乳粉(6.08%)、黄原胶(0.1%)、卡拉胶(0.1%)和水(58.42%)。60 ℃分别溶解后混合均匀,用豆浆机进行剪切(4档)。剪切后均质(一级阀1.5 MPa,二级阀6.0 MPa)。超高温瞬时杀菌(137 ℃,5 s)后,无菌罐装至无菌瓶中。杀菌后的样品于4 ℃下贮藏。
1.3.2 裱花性质的测定
取搅打后的奶油装于裱花袋中,在平板上进行裱花,裱花后的样品于室温下贮存,每隔半小时拍照并观察奶油表面的颜色、光泽、纹理以及挺立性变化,并记录0 min以及90 min时的高度。坍塌率按公式(1)计算:
坍塌率
(1)
式中:H1,裱花样品在0 min时的高度,mm;H2,裱花样品在90 min时的高度,mm。
1.3.3 搅打性质的测定
1.3.3.1 搅打时间
称取淡奶油200 g,搅打器高速打发,出现纹路后转至低速,表面光泽消失且出现可持续存在的波纹,并在搅打器的顶端形成挺立的锥尖时,即为搅打终点。从开始搅打到搅打终点的时间即为搅打时间(s)。
1.3.3.2 搅打起泡率
记录乳液初始质量m1(g),对样品进行搅打,搅打方法参照1.3.3.1节。到搅打终点时以相同体积的容器盛满奶油并称重,记为质量m2(g)。搅打起泡率按公式(2)计算[11]:
搅打起泡率
(2)
式中:m1,搅打前乳液的质量,g;m2,相同体积搅打后奶油质量,g。
1.3.3.3 硬度
参照ZENG等[12]的方法,采用P5探头,1 mm/s的测试前和测试中速率,5 mm/s的回程速率;30 mm的测定距离,0.5 g的触发力,测定搅打后奶油的硬度。
1.3.3.4 乳清泄露率
将25 g搅打后的奶油转移到金属筛上,然后置于烧杯上。37 ℃恒温恒湿箱中放置4 h,记录最终滴漏的乳清质量。乳清泄露率按公式(3)计算[13]:
乳清泄露率
(3)
式中:M1,金属筛上奶油的初始质量,g;M2,滴漏的乳清质量,g。
1.3.3.5 黏弹性
取适量搅打后奶油,选取线性黏弹区内的应变,40 mm平板,设置间隙值为3 000 μm,测试温度为10 ℃,频率扫描范围为0.1～10.0 Hz,计算0.5 Hz下样品的tan φ值并进行比较分析。
1.3.3.6 蠕变回复性
采用流变仪的Creep-Recovery 程序对搅打后奶油的蠕变回复特性进行测定。选用40 mm平板,设置间隙值为3 000 μm。具体程序如下:a)瞬间施加3 Pa的恒定压力,测定120 s内其形变随时间的变化。b)瞬间撤去压力,测定120 s内其形变随时间的变化。
1.3.4 乳液表观性质的测定
1.3.4.1 粒径
采用激光粒度分析仪测定淡奶油的粒径分布,并记录平均粒径。
1.3.4.2 黏度
采用流变仪测定淡奶油的剪切特性。设定参数如下:温度为25 ℃,设置间隙值为1 000 μm,总时长300 s,剪切速率为0.01～100 s-1,测试前每个样品平衡120 s。
1.3.4.3 离心乳析率
取30 mL淡奶油置于50 mL刻度离心管中,3 000 r/min下离心30 min,记录下层乳清体积。离心乳析率按公式(4)计算[2]:
离心乳析率
(4)
式中:V1,离心前的淡奶油总体积,mL;V2,离心后的析出乳清体积,mL。
1.3.5 乳液界面性质的测定
1.3.5.1 界面蛋白含量
参照李月等[11]的方法,移取适量淡奶油,置于离心管中,在冷冻离心机中离心(4 ℃下10 000 g/min离心45 min)。离心后用注射器取出下层未吸附层,过0.22 μm滤膜,之后以牛血清蛋白(bovine serum albumin,BSA)作为标准蛋白测定蛋白含量。界面蛋白含量和界面蛋白吸附率的计算如公式(5)、公式(6)所示:
界面蛋白含量
(5)
界面蛋白吸附率
(6)
式中:d3,2,乳液中油滴的面积平均粒径,μm;φ,乳液中油的体积分数,%;Cinitial,离心前乳液中蛋白质量浓度,mg/mL;Cserum,离心后未吸附层蛋白质量浓度,mg/mL。
1.3.5.2 界面蛋白分布
将热预处理后脱脂乳粉蛋白水溶液和淡奶油离心后的未吸附层分别与2X的上样缓冲液以1∶1的体积比混合,沸水浴10 min,冷却后以10 000 g/min离心10 min,取上清液上样。电泳条件:10%分离胶,5%浓缩胶,分离胶和浓缩胶的配制按照Bio-Rad TGX Stain-Free 10%丙烯酰胺免染制胶试剂盒说明书,取6 μL上样,电泳电压180 V。
1.3.5.3 界面流变
采用流变仪配备的界面环夹具测定经过不同热预处理条件的脱脂乳粉制备的黄油基淡奶油的界面流变学性质,先将30 mL由不同热预处理条件的脱脂乳粉制备的水相加入测量杯中,夹具环精确降至油水界面后,将油相加到水相之上。动态时间扫描结束后,对界面进行频率扫描,参数设置为[14]:应变0.1%,角频率0.1～10 rad/s。
1.4 数据处理与分析
利用Origin 2020软件绘制数据图;利用SPSS 20.0软件中的单因素方差分析方法进行显著性分析,P<0.05,差异显著。
2 结果与分析
2.1 热预处理对脱脂乳粉蛋白组成的影响
牛乳中蛋白质主要是酪蛋白(casein,CN)和乳清蛋白(whey protein,WP)组成,其中CN主要包括αS1-CN、αS2-CN、β-CN和κ-CN;WP主要包括α-乳白蛋白(α-La)、β-乳球蛋白(β-Lg)和BSA。研究表明[15-16],酪蛋白的热变性温度为180～207 ℃,α-La热变性温度范围为59～62 ℃,β-Lg热变性温度为76～82 ℃,BSA的热变性温度范围为72～110 ℃,受含水分量的高低影响大。由于脱脂乳粉在喷雾干燥过程中,乳蛋白发生部分变性,因此本实验分别以未热预处理和60、75、90、105 ℃对脱脂乳粉热预处理30 min,以期获得热变性程度不同的脱脂乳粉。采用非还原和还原型SDS-PAGE分析对热预处理后脱脂乳粉的蛋白组成进行分析,结果分别如图1-a、图1-b和表1所示,热处理对酪蛋白的影响较小,而当热处理温度从60 ℃升高到105 ℃,通过二硫键的形成产生的蛋白质聚集体的占比从31.8%升高到45.3%,乳清蛋白的占比从17.5%下降到6.6%,变化较大[17]。赵烜等[18]也发现将乳蛋白经90 ℃热处理,蛋白聚合物的生成率达到30%,同时延长加热时间增幅更明显。
表1 热预处理后脱脂乳粉的蛋白质组成
Table 1 The protein compositions of skim milk powder after thermal pretreatment
热预处理条件总蛋白聚集体/%CN/%WP/%对照34.048.517.560 ℃31.850.717.575 ℃33.449.916.790 ℃38.947.413.7105 ℃45.348.16.6
a-非还原性;b-还原性
图1 热预处理后脱脂乳粉的非还原性和还原性电泳图
Fig.1 Non-reducing and reducing electrophoretogram of skim milk powder after thermal pretreatment
以未经热预处理和经热预处理后得到的不同变性程度的脱脂乳粉为蛋白质来源,与黄油一起制备黄油基淡奶油,考察脱脂乳粉热预处理对淡奶油裱花特性和搅打特性的影响。
2.2 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油裱花性质的影响
裱花性质是评价搅打淡奶油品质最直观的指标[19],对以未经热预处理和经热预处理的脱脂乳粉作为蛋白质来源制备的黄油基淡奶油搅打后奶油的裱花性质进行测定,裱花实物图和坍塌率如图2所示,坍塌率都低于24%,其中热预处理温度60～90 ℃时,坍塌率都低于未经热预处理组的23.37%,其中90 ℃时坍塌率最低为17.33%,表面纹理最清晰、挺立性最好;热预处理温度达到105 ℃时,坍塌率最高达到了23.75%,挺立性最差。
图2 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油裱花性质的影响
Fig.2 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on the piping properties of butter-based whipping cream
2.3 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油搅打性质的影响
搅打时间是评价淡奶油搅打性能的有效指标,搅打起泡率是评价乳液包裹气泡能力的有效手段。由图3-a可知,随热预处理温度升高到90 ℃,搅打时间缩短到123 s,这与界面蛋白浓度降低有关[20],同时界面弹性模量降低,相同剪切力下越容易被搅打[14],起泡率降低到125.85%,这是因为乳液黏度升高,空气不易进入。随着热预处理温度升高到105 ℃,搅打时间延长,这主要是由于蛋白质聚集体显著增加,更容易排列在界面上,不利于乳液的搅打[21],搅打起泡率增加到160.31%,这和乳液黏度的下降和稳固的界面膜有关[22]。
a-搅打时间和搅打起泡率;b-硬度和乳清泄露率
图3 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油搅打时间和搅打起泡率、硬度和乳清泄露率的影响
Fig.3 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on the whipping time and overrun, hardness, and whey leakage rate of butter-based whipping cream
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
硬度和乳清泄漏率在一定程度上能反映泡沫的稳定性和持水性。由图3-b可知,随着热预处理温度升高到90 ℃,硬度从7.20 g升高到9.91 g,乳清泄露率不断下降,从12.80%到7.40%,这是因为乳液的界面膜变薄弱,部分聚结速率及最大程度上升,搅打后形成的空间网络结构更稳定[23],故泡沫结构的硬度不断增大,同时乳液的黏度增大,搅打后形成的奶油泡沫的析水减少,泡沫稳定性也逐渐增大[24]。热预处理温度继续升高到105 ℃时,硬度下降到7.14 g,乳清泄露率升高到13.56%,这和其乳液界面蛋白浓度升高,表观黏度下降有关。
流变学性质中频率扫描结果反映体系对频率的黏弹性响应,同时也可以间接地模拟人类的咀嚼反映食品的口感[25],蠕变回复行为则可以反映施加相同的应力下内部结构被破坏,以及撤销外力后恢复的程度。脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油流变学性质中黏弹性和蠕变回复行为的影响分别如图4-a、图4-b所示。随着热预处理温度的升高到90 ℃,搅打后奶油泡沫结构0.5 Hz的弹性模量不断增大,90 ℃时达到了8 023.32 Pa,最大弹性形变量不断减小,90 ℃时最小为9.14%,这和搅打后奶油结构更稳固、硬度不断增加以及乳清泄露率的下降有关[2]。随着热预处理温度升高到105 ℃,搅打后奶油结构的硬度更低[25],故泡沫结构的弹性模量下降到3 317 Pa,最大弹性形变量增加到18.86%。
a-黏弹性;b-蠕变回复行为
图4 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油黏弹性和蠕变回复行为的影响
Fig.4 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on the viscoelasticity and creep behavior of butter-based whipping cream
2.4 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液表观性质的影响
由上述结果可知,脱脂乳粉经过不同程度的热处理后,其制备的搅打淡奶油的裱花特性与搅打特性存在较大的差异,为进一步分析差异产生的原因,首先对乳液的表观特性进行了分析。
平均粒径和粒径分布是评估淡奶油乳液稳定性的重要参数,脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液粒径的影响如图5-a、图5-b所示。淡奶油乳液粒径分布都呈双峰分布,当热预处理温度低于90 ℃时,随着热预处理温度的升高,第一个峰逐渐增大,粒径分布同时向左迁移,平均粒径从6.06 μm减小4.39 μm,刘佩等[26]的研究也发现了此现象。热预处理温度继续升高到105 ℃,第一个峰减小,粒径分布向右迁移,平均粒径显著增加到7.33 μm,这是因为热预处理强度较高,导致蛋白质相互作用增强发生大量聚集,使乳液粒径显著增大[27],非还原性电泳分析结果也证明了这点。
a-平均粒径;b-粒径分布
图5 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液平均粒径和粒径分布的影响
Fig.5 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on the average particle size and particle size distribution of butter-based whipping cream emulsions
离心乳析率直接反映了乳液的稳定性,黏度过低会导致乳液的稳定性降低,而过高的黏度则搅打充气困难,影响搅打性质,主要与液相蛋白质的含量以及粒径有关[28],脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液的黏度和离心乳析率的影响分别如图6-a、图6-b所示。在0.1～100 s-1剪切速率内,乳液的黏度都随剪切速率的增加不断下降,呈现出剪切稀化行为。随着热预处理温度的升高到90 ℃,乳液的剪切速率为50 s-1时黏度从0.42 Pa·s升高到0.61 Pa·s,乳液的离心乳析率从14.89%降低到10.36%,这是因为乳液平均粒径不断减小,粒径分布向左迁移,单位体积内的脂肪球数量增加,碰撞几率增加,造成乳液的黏度增大,体系的阻力增大,脂肪聚集而引起的乳液失稳几率减小,乳液的稳定性越高。热预处理温度继续升高到105 ℃,蛋白聚集体增加,乳液的粒径分布向右迁移,平均粒径增加,单位面积的界面蛋白浓度升高,液相中的蛋白质浓度降低,故乳液的黏度降低到0.37 Pa·s,离心乳析率增加到16.19%,乳液稳定性下降,这和ZENG等[12]的研究一致。
a-乳液黏度;b-离心乳析率
图6 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液黏度和离心乳析率的影响
Fig.6 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on the viscosity and centrifugal creaming rate of butter-based whipping cream emulsions
2.5 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液界面性质的影响
在搅打淡奶油的乳液表观特性分析的基础上,进一步对界面蛋白的吸附量、界面的蛋白质组成及界面流变进行分析。
界面蛋白质含量表征油-水界面单位面积吸附的蛋白质含量,与乳液稳定性密切相关[29],大小取决界面蛋白浓度和比表面积。以未经热预处理和经热预处理的脱脂乳粉为蛋白质来源,制备的黄油基淡奶油乳液的界面蛋白含量和界面蛋白吸附率如图7所示。当热预处理温度低于90 ℃时,随着热预处理温度的升高,乳液的界面蛋白含量从8.70 mg/m2降低到5.58 mg/m2,界面蛋白吸附率下降了8.46%,蛋白质在界面上形成的吸附层的厚度减小,界面的稳定性下降,结晶脂肪刺破界面膜的难度下降。随着热预处理温度继续升高到105 ℃,蛋白聚集严重,乳液平均粒径增加,界面蛋白含量升高到9.95 mg/m2,界面蛋白吸附率也显著升高,刘佩等[26]的研究也发现了类似的实验结果,同时脱脂乳粉经不同热预处理后的蛋白溶液的非还原电泳图也可以证明这一点。
a-蛋白含量;b-吸附率
图7 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液界面蛋白含量和吸附率的影响
Fig.7 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on the interface protein content and percentage of butter-based whipping cream emulsions
为进一步研究脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液界面吸附特性的影响,对以未经热预处理和经热预处理的脱脂乳粉为蛋白质来源制成的黄油基淡奶油乳液的吸附层蛋白,进行了非还原电泳以及还原电泳分析,结果如图8-a、图8-b和表2所示。随着脱脂乳粉热预处理温度升高,蛋白溶液中聚集体的比例逐渐升高,界面上(吸附层)聚集体含量呈现先下降后升高的趋势,75 ℃时最低为0.87 mg/m2,105 ℃时达到了最高值3.39 mg/m2。随着热预处理温度升高到90 ℃,界面上酪蛋白的含量从6.47 mg/m2显著降低到3.92 mg/m2,这会使得液相中酪蛋白的含量显著升高,有利于体系黏度的增大[2],界面上乳清蛋白含量的变化不显著,在2.15～2.59 mg/m2内。热预处理温度继续升高到105 ℃时,酪蛋白含量升高到6.89 mg/m2,乳清蛋白含量显著降低到0.51 mg/m2,乳液的黏度也显著降低。
表2 脱脂乳粉热预处理后黄油基淡奶油乳液吸附层的蛋白含量
Table 2 The protein contents of adsorb proteins in butter-based whipping cream emulsions after thermal pretreatment of skim milk powder
热预处理条件吸附层聚集体/(mg/m2)CN/(mg/m2)WP/(mg/m2)对照1.467.392.0360 ℃1.576.472.5975 ℃0.875.552.2890 ℃1.393.922.15105 ℃3.396.890.51
a-非还原性;b-还原性
图8 脱脂乳粉热预处理后黄油基淡奶油乳液未吸附层蛋白的非还原性和还原性电泳图
Fig.8 Non-reducing and reducing electrophoretogram of unadsorbed proteins in butter-based whipping cream emulsions after thermal pretreatment of skim milk powder
蛋白质吸附在油水界面处形成致密的界面层,提供阻止絮凝和聚结的机械屏障,界面流变特性的黏弹性扫描结果与乳液稳定性相关[29]。脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液的界面流变行为中弹性模量和黏性模量的影响分别如图9-a、图9-b所示。所有样品的界面弹性模量均高于黏性模量,界面表现出一定的刚性。当热预处理温度低于90 ℃时,随着热预处理温度的升高,0.5 rad/s时界面弹性模量从10.98 Pa降低到3.93 Pa,蛋白质在界面上形成的吸附层厚度减小,界面的稳定性下降,在受到相同剪切力时,界面膜越容易发生变形,那么就越容易被搅打[14],搅打时间随之缩短。随着热预处理温度继续升高到105 ℃,随着单位面积界面蛋白浓度的升高,界面蛋白弹性模量升高到11.13 Pa,搅打时间延长。
a-弹性模量;b-黏性模量
图9 脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油乳液界面流变学特性中弹性模量和黏性模量的影响
Fig.9 Effect of thermal pretreatment of skim milk powder on rheological properties about G′ and G″ of butter-based whipping cream emulsions
3 结论
本文通过研究以未经热预处理和经60、75、90、105 ℃热预处理30 min,获得的热变性程度不同的脱脂乳粉为蛋白质来源制备黄油基淡奶油,探究脱脂乳粉热预处理对黄油基淡奶油的裱花性质、搅打性质的影响,并从乳液稳定性以及界面性质分析差异产生的原因,发现随着脱脂乳粉热预处理温度的升高,黄油基淡奶油的裱花性质、搅打性质整体呈现先升高后降低的趋势,其中脱脂乳粉热预处理温度为90 ℃时,黄油基淡奶油的裱花性质、搅打性质较好,表现为坍塌率较低、搅打时间短、硬度高和乳清泄露率低,乳液的粒径较小、离心乳析率低,乳液稳定性提升,然而热预处理温度在105 ℃时,黄油基淡奶油乳液的黏度显著降低、离心乳析率显著升高,乳液稳定性下降,界面蛋白含量显著升高、界面膜变得更加致密,同时搅打时间延长、硬度下降、乳清泄露率升高。为使黄油基淡奶油既具有裱花性质、搅打性质,也要有一定的乳液稳定性,因此将脱脂乳粉热预处理条件保持在90 ℃ 30 min更合适。
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