醇诱导型凝胶是一类以醇类溶剂诱导形成的凝胶体系,兼具水凝胶的温和性与有机凝胶的稳定性[1]。研究认为,醇诱导型凝胶的醇添加量应保持在10%～30%的范围内[2-4]。黄酒作为中国传统酿造酒,酒精度为8%vol～20%vol,并且富含糖类、有机酸、氨基酸和多种维生素,具有多重保健功效,是醇诱导型凝胶在食品领域应用的可开发原料之一[5]。罗望子多糖(tamarind seeds polysaccharide,TSP)作为豆科植物种子提取物,由葡萄糖、木糖与半乳糖构成,在体积分数15%左右的乙醇环境下表现出优异凝胶能力[6-7],其凝胶化过程受浓度、pH等因素协同调控[8-9]。现有研究多聚焦于TSP的基础凝胶行为[10],其在黄酒等复杂食品基质中的工艺适配性仍待系统解析。值得注意的是,吞咽障碍人群作为因疾病或老龄化导致吞咽功能受损的群体,对于传统酒类摄入存在高风险。而酒冻作为醇诱导型凝胶在食品领域的应用实例,凝胶剂的添加量以及酒类的丰富选择不仅可以为酒类爱好者提供全新的感受,也能够使吞咽功能障碍人群在保障吞咽安全性的同时,体验酒类特有的营养功效与风味特征。
目前,传统酒冻以明胶与高酒精度鸡尾酒为原料,存在质构稳定性差及酒精度过高导致风味劣化等问题[11],难以满足上述人群的需求。TSP作为植物来源的凝胶剂,具有纯天然、凝胶性质稳定的优点,符合健康食品发展趋势。将TSP与黄酒结合制备成酒冻产品,可在保留多酚、氨基酸等物质的同时实现质构改良[4],为吞咽障碍人群提供安全吞咽适配性的同时也能带来独特的传统酒文化体验。因此,探索TSP凝胶体系在黄酒基质中的应用,对开发适应特殊人群需求的功能性食品具有重要意义[12-13]。
本研究以TSP为凝胶基质,黄酒为功能载体,系统探究pH、糖含量等溶液环境参数对TSP醇凝胶特性的影响规律,并进行TSP黄酒酒冻最优配方的开发。通过研究凝胶化过程中的关键因素,优化黄酒酒冻的制备工艺,不仅能够丰富食品的质地和口感,还能够为吞咽障碍患者提供一种新的、健康的饮食选择,为食品工业的创新发展提供新的思路。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
罗望子种仁粉,云南猫哆哩集团食品有限责任公司;食品级蔗糖,广西来宾东糖凤凰有限公司;柠檬酸、明胶、魔芋胶、高甲氧基果胶、卡拉胶,上海源叶生物科技有限公司;食品级葡萄糖,西王药业有限公司;食品级麦芽糖,天津大茂化学试剂有限公司;无水乙醇、盐酸、NaOH,上海泰坦科技股份有限公司;特型半干黄酒,上海石库门酿酒有限公司。
1.2 仪器与设备
ML204分析天平,瑞士METTLER TOLEDO公司;Discovery DHR-3流变仪,美国TA Instruments公司;TA.XT Plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;C-MAG MS10磁力搅拌器,德国IKA公司;0015全套水浴蒸馏装置,泰州市新奇教学仪器有限公司;CJM-091酒精计,衡水创纪仪器仪表有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 不同溶液环境下乙醇诱导TSP凝胶的制备
参考YAMANAKA等[9]的方法并优化:凝胶中2种原料的含量为TSP 10 g/L,乙醇15%(体积分数)以维持最佳的凝胶状态。称取1.0 g TSP粉末,与葡萄糖与麦芽糖混合后溶于100 mL 15%乙醇溶液,搅拌均匀后调节pH,70 ℃恒温磁力搅拌30 min,使用保鲜膜密封后于4 ℃冷藏6 h完成凝胶化。测定前室温平衡1 h,每组设置3次平行测定。固定pH=6、葡萄糖添加量10 g/L、麦芽糖添加量7.0 g/L,以硬度、咀嚼度、弹性、内聚性和凝胶强度为评价指标,分别探究体系pH(2.0、4.0、6.0、8.0、10.0)、葡萄糖添加量(0、5、10、15、20 g/L)以及麦芽糖添加量(0、3.5、7.0、10.5、14.0 g/L)对乙醇诱导TSP凝胶特性的影响。
1.3.2 黄酒酒冻的制备
1.3.2.1 单因素试验
参照刘绍军等[14]的制备方法,将TSP粉末、蔗糖和柠檬酸混合后置入密闭的样品瓶中,再向体系中加入黄酒100 mL,所有酒冻样品在70 ℃恒温磁力搅拌30 min,使用保鲜膜密封后于4 ℃冷藏6 h完成凝胶化。固定TSP含量10 g/L、酒冻酒精度14%vol、蔗糖含量140 g/L和柠檬酸含量1.0 g/L(单因素试验条件,以流变模量、脱液收缩率、质构特性与感官评价为评价指标,采用单因素试验考察各单因素对黄酒酒冻特性的影响,选择TSP含量(6、7、8、9、10 g/L)、酒冻酒精度(8.4%vol、9.8%vol、11.2%vol、12.6%vol、14%vol)、蔗糖含量(100、120、140、160、180 g/L)和柠檬酸含量(0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 g/L)4个因素进行单因素试验, 以上每组处理平行3次,考察各因素对黄酒酒冻特性的影响。
1.3.2.2 综合评分试验设计
由单因素的结果,得到各因素较佳的范围,以TSP含量(A)、蔗糖含量(B)、柠檬酸含量(C)和酒冻酒精度(D)进行4因素3水平的正交试验,并进行综合评分,对黄酒酒冻制备工艺进行优化,正交试验设计如表1所示。
表1 黄酒酒冻正交试验因素水平
Table 1 Codes and levels of independent variables used of TSP Huangjiu jelly
水平因素A TSP含量/(g/L)B 蔗糖含量/(g/L)C 柠檬酸含量/(g/L)D 酒冻酒精度/%vol181000.811.2291201.012.63101401.214.0
1.3.2.3 不同凝胶剂酒冻的比较试验
以极差分析得出的最优组合为实验组,分别将最优组合中的TSP替换为25 g/L明胶、25 g/L高甲氧基果胶、5 g/L卡拉胶与25 g/L魔芋胶以制备不同胶凝剂黄酒酒冻作对照,以上每组处理平行3次,以流变模量、酒冻酒精度、质构特性与凝胶强度为评价指标,进行不同凝胶剂酒冻的比较试验。
1.3.3 样品的动态流变分析
参考KHOUNVILAY等[15]的方法,采用流变仪进行动态流变学表征,将样品居中加载于流变仪平板,选用不锈钢平板夹具(直径40 mm,测试间隙1 000 μm)对样品进行动态频率扫描,设定参数:角频率范围0.1～100 rad/s,温度25 ℃,应变1%(在线性黏弹范围内)。采用TA instruments Trios软件采集数据并分析、拟合。
1.3.4 样品的凝胶强度测定
参考ZHOU等[16]的方法,采用质构仪进行凝胶强度测定,制备好的样品居中固定于质构仪载物台上,探头对准样品中心进行凝胶强度测试,测试条件:P/0.5探头,测前速度1.0 mm/s,测后速度1.0 mm/s,测定速度1.0 mm/s,5.0 g触发力。
1.3.5 样品的质构分析
参考ZHU等[17]的方法,采用质构仪进行质地剖面分析,将制备好的样品居中固定于质构仪载物台上,探头对准样品中心进行二次压缩试验,测试条件:P/100探头,测前、测试与测后速度1.0 mm/s,形变率50%,5.0 g触发力(自动模式),测定时间5 s。
1.3.6 黄酒酒冻的酒精度测定
参考李国辉等[18]的方法,准确将100 mL酒冻样品切碎放入250 mL蒸馏瓶中,加几颗沸石(或玻璃珠),连接蛇形冷凝管,以洗净干燥的容量瓶作接收器,开启冷却水(冷却水温度低于15 ℃),缓慢加热蒸馏,收集馏出液。当接近刻度时,取下容量瓶,盖塞,于20 ℃水浴中保温30 min,再补加水至刻度,混匀,使用校准过的酒精计浸入定容液,同步记录酒精计示值及溶液温度,依据GB 5009.225—2023《食品安全国家标准 酒和食用酒精中乙醇浓度的测定》酒精水溶液密度与酒精度(乙醇含量)对照表(20 ℃)换算酒精度(%vol)。
1.3.7 黄酒酒冻的脱液收缩率测定
参考XU等[19]的方法,将制备好的酒冻样品按:倒入塑杯—密封—冷却—冰箱贮藏—常温平衡—倒出液体的步骤,每3天测定1次析出液体的质量,测定15 d,每个样品重复3次最后取平均值,脱液收缩率按公式(1)计算:
脱液收缩率
(1)
式中:m1,凝胶每次析出液体的质量,g;m0,凝胶的总质量,g。
1.3.8 黄酒酒冻的感官评价
所有TSP黄酒酒冻的感官评分均根据GB/T 19883—2018《果冻》进行适当修改。10名通过感官指数培训的志愿者从味道、质地接受度、颜色、硬度和弹性等角度对TSP黄酒酒冻进行了评估(表2)。
表2 TSP黄酒酒冻感官评价评分标准
Table 2 Sensory evaluation scoring criteria of TSP Huangjiu jelly
项目评定标准分值/份香气(20分)酒味浓郁酒味适中有不良气味或酒味很淡16^208^150^7风味(20分)酸甜可口酸甜适中酸甜基本偏离16^208^150^7组织形态(20分)无杂质,半透明,均匀透明的黄褐色或微黄色基本无杂质,半透明,较浅的褐色或浅黄色成冻不完整,颜色太深或太浅且不均匀16^208^150^7色泽(20分)呈黄褐色,质地均匀,有光泽颜色过浅,质地较均匀,色泽基本一致基本无颜色,光泽度较差16^208^150^7口感(20分)口感润滑、细腻,有弹性和咀嚼性,甜度好口感润滑、细腻,较有弹性和咀嚼性,较甜口感粗糙、不细腻,无弹性和咀嚼性,不甜16^208^150^7
1.4 数据处理
试验结果均以“平均值±标准差”表示,3次平行测定。用Excel 2021对数据进行统计与计算,用SPSS Statistics 25进行显著性差异分析,P<0.05表示差异显著,并用Origin 2021绘图与拟合。
2 结果与分析
2.1 溶液环境对乙醇诱导的TSP凝胶的影响
黄酒基质的pH值在3.5～4.5左右,而酸性环境可能导致凝胶剂氢键断裂并损伤结构。虽然TSP在多数食品的pH范围内(pH 2～10)都具有良好的特性[20],但是TSP醇凝胶在黄酒溶液环境中的凝胶特性尚未被研究。通过质构分析仪可以分析凝胶的硬度、弹性、内聚性、咀嚼性,一定范围内的指标越大代表凝胶性能越优秀[21-22],而剪切模式下测定得到的凝胶强度体现了凝胶的抗剪切性能[23]。如图1-a所示,乙醇诱导的TSP凝胶在pH 3.5～4.5范围内展现出优异的稳定性:硬度、弹性及内聚性波动幅度均小于15%,证实酸性环境不会显著改变凝胶网络的基础力学性能。值得注意的是,图1-b中关于凝胶强度的数据显示当pH降至黄酒典型区间(3.5～4.5)时,凝胶强度较中性环境有提升,这或与酸性条件增强多糖链间氢键作用有关,该特性与黄酒体系适配性良好[24]。
a-质构特性随pH的变化;b-凝胶强度随pH的变化;c-质构特性随葡萄糖含量的变化;d-凝胶强度随葡萄糖含量的变化;e-质构特性随麦芽糖含量的变化;f-凝胶强度随麦芽糖含量的变化
图1 乙醇诱导的TSP凝胶质构特性与凝胶强度随溶液环境的变化
Fig.1 Texture characteristics and gel strength of TSP gel induced by ethanol with changes in solution environment
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
a-TSP含量;b-酒冻酒精度;c-蔗糖含量;d-柠檬酸含量
图2 不同条件下黄酒酒冻的G′与G″随角频率的变化
Fig.2 Changes in G′ and G″ of Huangjiu jelly under different conditions
黄酒作为高含糖量的酒类,其糖类的主要成分为10 g/L的葡萄糖与7 g/L的麦芽糖[25]。溶液中的糖类能够促进醇诱导型凝胶的形成,但过高糖浓度时可能会对凝胶强度产生抑制作用[26]。图1-c～图1-f显示糖类的添加对TSP醇凝胶的特性具有一定影响。随着葡萄糖浓度的增加,凝胶强度先上升,随后略有下降,且在含量为10 g/L时达到最大值。麦芽糖呈现类似趋势,其含量在3.5 g/L时对硬度和弹性有所提升,含量高于7.0 g/L会让抗剪切能力出现下降,但从质构特性的角度分析,麦芽糖对凝胶的口感风味影响并不显著。虽然溶液中的糖类能改善凝胶的质构与食品风味,但过高浓度则可能导致抗剪切特性下降,因而在酒冻产品的制作过程中尤其需注意糖含量对运输、储藏等过程的影响。
2.2 TSP黄酒酒冻的动态流变特性
酒冻配方参考了目前成熟的果冻配方的制备,除TSP与黄酒2种主要原料外,选用蔗糖与柠檬酸作为调味剂以优化口感。采用旋转流变仪对TSP黄酒酒冻进行动态频率扫描,结果如图2所示。凝胶可以分为弱凝胶和强凝胶。对于弱凝胶,G′略大于G″,且G′和G″都显示出显著的频率依赖性,随着频率的增大,两者会出现交点,吞咽障碍患者食用此类凝胶存在呛咳等安全风险。而对于强凝胶,G′明显大于G″,其模量与频率变化无关[27],可以被大多数吞咽障碍患者接受。在线性黏弹区内,大部分酒冻样品的储能模量(G′)都大于损耗模量(G″),呈现以弹性为主导的醇凝胶特性,与吞咽障碍食品的表征相似[28],而4种原料的添加量对模量产生了不同程度的影响。柠檬酸添加量的增加会使酒冻的模量增大。酒冻酒精度为14%vol时,TSP添加量越大,酒冻的模量越高,且变化较为显著。而TSP含量为10 g/L时,酒冻的酒精度在11.2%vol以下的样品损耗模量大于储能模量,且表现出强烈的频率依赖性,说明其在此浓度范围内为弱凝胶,很难形成酒冻[29]。而蔗糖作为改善酒冻风味的原料在对酒冻模量的影响上并不显著。
2.3 TSP黄酒酒冻的脱液收缩率
酒冻产品在形成凝胶时会出现脱液收缩现象,也称析水现象。这种现象的发生是由于醇凝胶中的凝胶结构在冷却过程中,水分逐渐从凝胶网状结构中逸出,形成液体分层[30]。脱液收缩不仅会影响酒冻的外观,还可能对产品的感官质量和稳定性产生负面影响,对于吞咽障碍人群而言,更低的脱液收缩率也降低了食用过程中液体进入肺部甚至窒息的风险。如图3所示,除了一些酒冻酒精度较低的样品外,其他大部分酒冻样品在15 d储存过程中,脱液收缩率均保持在较低的水平(<3.0%)。这表明,在酒冻的制备过程中,TSP与低浓度乙醇形成的醇凝胶能够有效延缓脱液现象的发生,并且保持酒冻的结构稳定性。同时,TSP的添加还能够有效保持酒冻中的酒液成分,满足吞咽障碍人群对享受黄酒风味的需要。
a-TSP含量;b-酒冻酒精度;c-TSP含量;d-柠檬酸含量
图3 不同条件下黄酒酒冻的15 d平均脱液收缩率
Fig.3 Liquid loss shrinkage rate of Huangjiu jelly in 15 days of storage under differnent conditions
2.4 TSP黄酒酒冻的质构特性与感官评价
硬度可以体现酒冻的强度,弹性是评价果冻与酒冻产品性能的主要指标,内聚性和咀嚼度可以部分体现酒冻内部结构凝聚状态与感官评价水平[22],将这4项质构指标与感官评价结果共同组成的雷达图。如图4所示,参与测试的志愿者普遍认为TSP与酒冻酒精度增大会优化酒冻的外观与口感,最佳的TSP添加量为10 g/L,此时无论是弹性还是咀嚼度的表现维持在最高水平。而酒冻的酒精度在11.2%vol时评分最高,过低的酒精浓度不仅会降低各项质构特性评分,而且会影响吞咽障碍人群的食用安全。而蔗糖会对硬度、弹性和咀嚼度产生明显的影响,随着蔗糖浓度的提高,酒冻的硬度下降,相应的弹性会随之提高。而柠檬酸会影响酒冻的感官评分,1.0 g/L的柠檬酸含量在咀嚼度和弹性水平的表现优秀。蔗糖和柠檬酸2种调味配料的添加需要维持在适量的水平,以确保酒冻在感官评价良好的前提下质构特性表现更加均衡。质构特性也可以量化吞咽障碍人群对食品的特殊需求。TSP黄酒酒冻的内聚性>0.2,并且咀嚼度、硬度维持在适中水平,同时具有足够的弹性,表明其易于吞咽障碍人群食用的特点[31]。
a-TSP含量;b-酒冻酒精度;c-蔗糖含量;d-柠檬酸含量
图4 不同条件下黄酒酒冻的质构特性与感官评价测试
Fig.4 Texture characteristics and sensory evaluation tests of Huangjiu jelly under different conditions
2.5 综合评分法
采用综合评分法,以脱液收缩率、质构品质和感官评价3项指标对复合凝胶进行综合评分[32]。由于质构品质和感官评价都是数值越大代表品质越好,所以统一用公式(2)计算:
(2)
式中:yM,该指标的最大值;ym,最小值;yi,平均值。脱液收缩率的计算中,使用果冻常见的脱液收缩率(3%)-黄酒酒冻脱液收缩率,再代入上式进行计算可得Z脱液。
在实际评价过程中,各指标的权重系数可视指标的性质和侧重程度而定,只需确保权重系数为1即可。质构品质有硬度、弹性、内聚性和咀嚼度4项指标,设定质构品质指标权重系数分别为硬度0.25,弹性0.25,内聚性0.25和咀嚼度0.25。而更优的质构品质与更高的感官评价能更好被消费者接受,设定综合评分各项指标权重系数分别为脱液收缩率0.2,质构品质0.4,感官评价0.4。质构评分Z质构与感官评分Y按公式(3)、公式(4)计算。
Z质构=0.25×Z硬度+0.25×Z弹性+0.25×Z内聚性+0.25×Z咀嚼度
(3)
Y=0.2×Z脱液+0.4×Z质构+0.4×Z感官
(4)
计算结果如表3所示。极差R值的排序为0.12>0.07>0.03>0.01,表明4个因素对TSP黄酒酒冻感官品质的影响顺序为:A(TSP添加量)>D(酒精度)>B(蔗糖添加量)>C(柠檬酸添加量)。这一结果反映了TSP添加量对感官品质的影响最为显著,其次是酒精度,蔗糖和柠檬酸的影响较小。通过正交试验计算得到的k值,进一步确定了TSP黄酒酒冻的最佳配方为A3B2C2D3,即TSP、蔗糖与柠檬酸的添加量分别为10 g/L、120 g/L与1.0 g/L,酒精度应为14.0%vol。
表3 TSP黄酒酒冻的正交试验设计及结果
Table 3 Orthogonal array and experimental results of TSP Huangjiu jelly
实验号A TSP添加量/(g/L)B蔗糖添加量/(g/L)C柠檬酸添加量/(g/L)D酒冻酒精度/%volZ脱液Z质构Z感官综合评分Y11(8)1(100)1(0.8)1(11.2)0.500.440.470.46212(120)2(1.0)2(12.6)0.540.480.540.52313(140)3(1.2)3(14.0)0.550.490.590.54
续表3
实验号A TSP添加量/(g/L)B蔗糖添加量/(g/L)C柠檬酸添加量/(g/L)D酒冻酒精度/%volZ脱液Z质构Z感官综合评分Y42(9)1230.600.530.600.57522310.570.500.510.52623120.590.490.590.5573(10)1320.630.540.640.60832130.660.600.770.68933210.600.560.640.60K11.521.631.691.58K21.641.721.691.67K31.881.691.661.80k10.5070.5430.5630.527k20.5470.5730.5630.557k30.6270.5630.5530.597极差R0.120.030.010.07因素主次A>D>B>C///较优搭配A3B2C2D3///
2.6 不同胶凝剂制得黄酒酒冻的特性对比
根据正交试验结果,确定TSP黄酒酒冻的最佳配方为A3B2C2D3,并在相同工艺条件下分别采用25 g/L明胶、25 g/L高甲氧基果胶、5 g/L卡拉胶、25 g/L魔芋胶及10 g/L TSP制备样品,并测定了这些酒冻的动态模量、质构特性、凝胶强度与酒精度,结果如图5所示。
a-酒精度保留率;b-质构特性;c-凝胶强度;d-动态模量
图5 不同凝胶剂形成的黄酒酒冻的特性
Fig.5 Characteristics of Huangjiu jelly formed with different gelling agents
注:GEL-明胶;HMP-高甲氧基果胶;CGN-卡拉胶;KGM-魔芋胶。
蒸馏法测定显示,TSP黄酒酒冻的酒精度保留率(12.5%vol)优于魔芋胶黄酒酒冻(5.8%vol),也较明胶(11.9%vol)、高甲氧基果胶(11.7%vol)和卡拉胶(12.3%vol)更高。凝胶强度测定中,5 g/L卡拉胶虽达到最大值(1 066.435 bloom g),但TSP组(302.460 bloom g)保持适中的硬度同时其质构特性更均衡:弹性(0.908)及咀嚼性(133.364)分别较卡拉胶组提升2倍与4倍,同时维持最优内聚性(0.364)。凝胶强度测定结果显示,含5 g/L卡拉胶的样品凝胶强度最高,其次为10 g/L TSP和25 g/L高甲氧基果胶组,而明胶及魔芋胶组则表现出较弱的凝胶形成能力。此外,动态流变测定结果表明,各胶凝剂样品均呈现储能模量大于损耗模量的特性,其中卡拉胶组模量最大,表现为结构坚固、抗变形能力强,而明胶与魔芋胶因整体模量偏低,其凝胶性能较差。综合来看,TSP作为黄酒酒冻的凝胶剂可以规避传统吞咽障碍增稠剂如卡拉胶因高凝胶强度带来的吞咽黏附风险,也不会因为较低的稳定性导致凝胶结构崩塌。对比魔芋胶、明胶等胶凝剂,TSP制备的黄酒酒冻在酒精度保留率接近原酒的条件下维持更符合吞咽安全需求的柔性凝胶网络,在弹性、内聚性等质构特性上表现优异。并且作为天然植物来源的凝胶剂,TSP温和的凝胶特性既可以保留黄酒中功能成分的活性,又能够规避动物胶的宗教限制与化学胶的安全争议,并可以为吞咽障碍人群提供正常享用黄酒带来的感官愉悦,从而预防由吞咽障碍带来的身心危害。
3 结论与讨论
本研究表明,TSP醇凝胶在酸性环境(pH 3.5～4.5)与低浓度的葡萄糖(10 g/L)与麦芽糖(3.5 g/L)中凝胶特性优秀。当黄酒酒冻酒精度在11.2%vol以上时,G′将高于G″,与醇凝胶流变特性相同。通过单因素试验设计和综合评分试验设计,得到TSP黄酒酒冻的最佳配方为10 g/L TSP、120 g/L蔗糖与1.0 g/L柠檬酸,酒精度应为14.0%vol,并且以TSP为凝胶剂的黄酒酒冻在酒精度保留率、弹性与咀嚼度等水平相较于传统凝胶剂更优秀。综上研究表明,TSP黄酒酒冻作为一款以天然植物多糖为凝胶剂的高稳定性酒冻产品,展现出优异的酒精度保留能力与吞咽适配质构特性。尽管本研究的流变学及质构分析等无法完全复现吞咽过程中的多相作用,但对醇诱导的TSP凝胶在食品领域的应用具有很大价值,也为多糖尤其是天然植物多糖在吞咽障碍食品中的应用研究提供了数据参考。
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