桑葚微胶囊对酸奶品质与风味的影响

桑葚作为药食同源的水果之一,富含多种活性物质且有独特的果香风味,是开发特色食品的良好原料。但新鲜桑葚极易变质腐败,在常温下保存时间不宜超过12 h[1]。桑葚中的花青素、黄酮和多酚等活性成分也极易受光照、温度等环境因素影响而发生降解,这必然影响其在加工产品中生物活性的发挥[2]。因此,设法提高桑葚中活性成分的稳定性、改善其加工性能,成为桑葚应用中的重要课题。

微胶囊是一种有效提高活性成分生物利用率和稳定性的技术,它有助于减少外界环境对活性物质的影响[3],促进加工、利用、贮藏和运输。LI等[4]制备桑葚多酚微胶囊,提高了桑葚多酚的加工和储存稳定性;诸梦洁[5]制备桑葚渣粗提物微胶囊,显著提高了粗提物中活性成分在不同温度、光照、pH等条件下的稳定性。目前研究大多集中于桑葚的某一种活性成分或其提取物的微胶囊化,未见将桑葚全果通过微胶囊化处理的相关研究。如果通过微胶囊技术对桑葚进行全果包埋,将其全部营养成分微胶囊化,可望减少活性成分提取过程中造成的损失和污染,最大限度提升桑葚中营养成分的利用率和保留率,更好地促进其开发利用。而将这样具有活性成分的物质应用于乳制品中,以食品的形式发挥其活性功能也是时下的研究热点之一。目前关于桑葚酸奶的制备大多是将桑葚汁直接加入原料乳中进行发酵,许丹虹等[6]制备的桑葚酸奶在光照条件下贮藏1 d,酸奶中花青素的含量就下降了15%,普通桑葚酸奶在贮藏过程中活性成分损失很大。而相关实验表明,将活性成分微胶囊化后应用在酸奶中能使酸奶具有良好口味和更佳的稳定性,孙亚利[7]制备的苦荞黄酮微胶囊酸奶、包洪涛等[8]制备的松仁油微胶囊酸奶以及FENG等[9]制备的虾青素微胶囊酸奶均具备更佳的活性成分稳定性。因此桑葚微胶囊可望作为酸奶的良好配料,丰富酸奶口感、风味的同时提高桑葚活性成分在酸奶中的贮藏稳定性。

目前将桑葚微胶囊应用于酸奶中的研究报道很少。本实验将桑葚全果微胶囊添加至原料乳中制备桑葚酸奶,探究桑葚微胶囊对酸奶品质及风味的影响,旨在解决桑葚易腐性并提升其活性成分稳定性,使桑葚原料得到充分利用,为桑葚微胶囊在食品工业中的应用提供参考,也为开发风味口感俱佳、活性成分更稳定的桑葚酸奶提供思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

桑葚,市售;纯牛奶,内蒙古蒙牛乳业集团股份有限公司;白砂糖,太古糖业(中国)有限公司;乳酸菌酸奶发酵粉,北京川秀科技有限公司;麦芽糊精、阿拉伯胶,均为食品级,津榕(福建)科技有限公司;MRS培养基,北京索莱宝公司;福林酚试剂、没食子酸标准品、芦丁标准品,上海源叶生物科技有限公司;甲醇(分析纯),天津市大陆化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

SFG-02.400恒温培养箱,黄石市恒丰医疗器械有限公司;TA-XT2i型质构仪,英国StableMicro System有限公司;JY 20002 pH计,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;Ad200 L-P高剪切乳化均质机,上海昂尼有限公司;SCIENTZ-18 N真空冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;HBS-SCANX全波长酶标分析仪,南京德铁生物科技有限公司;Flavour Spec®气相离子迁移色谱(gas chromatography-ion mobility spectroscopy, GC-IMS),德国GAS公司。

1.3 实验方法

1.3.1 桑葚微胶囊和桑葚冻干粉制备工艺

参考唐榕[10]的方法,经预实验确定制作工艺如下。

新鲜桑葚→去果柄→打浆1 min→桑葚果浆→加入壁材(麦芽糊精∶阿拉伯胶=7∶1(质量比),壁芯比8.7∶100(质量比))→50 ℃磁力搅拌2 h→真空冷冻干燥48 h→研磨过60目筛→成品

对照组桑葚冻干粉:

新鲜桑葚→去果柄→打浆1 min→桑葚果浆→真空冷冻干燥48 h→研磨过60目筛→成品

1.3.2 桑葚微胶囊化效果评价

桑葚微胶囊中以及表面的活性成分含量均参考诸梦洁[5]的方法,总酚采用福林-酚法测定、总黄酮以芦丁为标准品、花青素含量采用pH示差法测定,包埋率计算如公式(1)～公式(3)所示:

1.3.3 桑葚微胶囊贮藏稳定性测定

参考张星[11]的方法,并稍作修改。选择食品级铝塑复合包装膜为样品的包材,室温条件下密封贮藏,总贮藏时间为5个月,每月参照1.3.2节的方法测定其活性成分含量。

1.3.4 桑葚微胶囊酸奶制备工艺

牛奶→混合调配(白砂糖8%(质量分数)+0.5～2.5 g/100 mL桑葚微胶囊,按0.5 g/100 mL递增)→预热溶解(45 ℃)→均质(20 MPa,3 min)→杀菌(95 ℃,3 min)→冷却至40 ℃左右→接种酸奶发酵粉(0.3 g/100 mL)→发酵(42 ℃,8 h)→后熟(4 ℃,12 h)→桑葚微胶囊酸奶(mulberry microencapsulated yogurt, MY)

为便于后续对比分析,制备桑葚冻干粉酸奶(mulberry freeze-dried powdered yogurt, FY)、普通酸奶(normal yogurt, NY)、新鲜桑葚汁(mulberry juice, MJ)为实验样本,如表1所述。NY、FY样品除了配料差异外,其余工序处理与MY一致。

1.3.5 酸奶中桑葚微胶囊添加量的确定

通过感官评价确定酸奶中桑葚微胶囊的最佳添加量,对酸奶的色泽、组织状态、气味、口感、总体可接受度进行感官分析,评分标准见表2,满分100分。

1.3.6 酸奶贮藏期品质稳定性分析

NY、FY、MY三种酸奶于4 ℃条件下密封贮藏21 d,每隔4 d取适量样品进行后续测定。

1.3.6.1 质构测定

参照朱奇奇等[12]的方法进行质构指标测定。选取锥形探头p0.5(底径12.7 mm),下压模式,穿入未经搅拌的酸奶,插入深度15 mm,下降速度与测试速度为1.0 mm/s,提升速度为2.0 mm/s,测试深度15.0 mm,测定酸奶样品的硬度、胶黏性和内聚性。

1.3.6.2 感官评价

采用1.3.5节方法。

参考董世荣等[13]的方法采用pH计测定。

1.3.6.4 乳酸菌总数的测定

按照GB 4789.35—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验乳酸菌检验》乳酸菌总数计数方法进行测定。

1.3.6.5 活性成分稳定性测定

酸奶样品提取液的制备参考蔡翔等[14]方法,并稍作修改。取4 g酸奶置于10 mL离心管中,加入3 mL体积分数为80%甲醇12 000 r/min高速剪切提取1 min,于-20 ℃静置1 h后,经10 000 r/min、4 ℃离心10 min,取上清液,参照1.3.2节方法测定活性物质含量。

1.3.7 挥发性化合物测定

采用GC-IMS测定NY、FY、MY、MJ四种样品之间的挥发性化合物的组成。称取2 g样品于20 mL顶空瓶中,每份样品3次重复,采用自动顶空进样,顶空进样体积500 μL,孵育时间15 min,孵育温度60 ℃,进样针温度65 ℃。GC条件:色谱柱选择FS-SE-54-CB-1,柱温60 ℃,运行时间20 min,载气流速0～2 min 内2 mL/min,2～10 min 内线性增加至20 mL/min,10～20 min内线性增加至130 mL/min。IMS条件:IMS温度45 ℃;漂移气(E1)和载气(E2)均为N2(纯度≥99.999%),漂移气流速150 mL/min。

1.4 数据处理

每次测定重复3次取平均值(感官评分与质构测定10次),实验结果用“平均数±标准偏差”表示,Origin 9.0绘图,采用SPSS 26统计软件进行多样本均数比较的方差分析,各组间多重比较采用Duncan’s法,P<0.05差异有统计学意义。其中GC-IMS的数据处理使用仪器配套的分析软件(VOCal、Reporter插件和Gallery Plot插件)从不同角度对样品进行分析,采用SIMCA14.1软件对GC-IMS数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 桑葚微胶囊效果评价及贮藏稳定性

采用真空冷冻干燥法以麦芽糊精和阿拉伯胶作为壁材制备桑葚微胶囊,成品呈深紫色粉末状且均匀细腻。麦芽糊精是一种溶解性好、黏度低、成膜能力强和不易吸潮的水解淀粉。阿拉伯胶具有良好的成膜性、溶解性和乳化性,2种壁材复配具有较好的协同作用,提高了微胶囊壁材的致密性,桑葚微胶囊的总酚包埋率、黄酮包埋率、花青素包埋率均在90%以上。由图1可得,桑葚微胶囊在室温的环境条件下密封贮藏5个月,其总酚、黄酮、花青素的保留率为64.99%、69.16%、58.93%,较桑葚冻干粉分别提高了31.19%、30.12%、37.56%(P<0.05),表明制备的桑葚微胶囊包埋效果较好且对桑葚稳定性有显著提升。

2.2 桑葚微胶囊添加量对酸奶感官评分的影响

不同添加量的桑葚微胶囊对酸奶感官品质的影响结果见图2和图3。如图2所示,随着桑葚微胶囊添加量的增加,酸奶从浅粉色到粉紫色,在添加量为1.5 g/100 mL时呈现令人喜爱的粉红色。由图3可以看出,适量的桑葚微胶囊对提高酸奶的色泽和口感有积极作用。当桑葚微胶囊添加量为1.5 g/100 mL时,酸奶增加了桑葚特有的风味和口感,此时酸奶的口感丰富、组织细腻,色泽、气味、总体可接受度也最高。而当桑葚微胶囊添加量≥2.0 g/100 mL时,酸奶底部会出现一定的桑葚沉淀物,导致其组织状态不佳,总体可接受度显著下降(P<0.05)。综上,酸奶中桑葚微胶囊的最佳添加量为1.5 g/100 mL,为对比MY与FY之间品质与风味的差异,制备FY时桑葚冻干粉添加量也定为1.5 g/100 mL。

2.3 酸奶贮藏期品质稳定性分析

酸奶的质地是衡量酸奶品质的重要因素之一,硬度、胶黏性和内聚性是评价酸奶品质的重要指标[15],在一定程度上反映了酸奶的凝乳性能,酸奶中硬度越大,凝胶效果越好;酸奶的胶黏性越强,口感越浓郁,余味越长;内聚性又称凝聚性,反映酸奶的凝胶性。如表3所示,FY各质构指标均低于NY,桑葚中多酚类化合物与牛乳中的酪蛋白分子会发生相互作用,可引起酪蛋白分子之间的聚集,干扰了酸奶内部网状结构的形成,使得FY中各质构指标较NY下降[16],造成酸奶质构特性的改变。但MY与NY的硬度和胶黏性无显著差异且MY的内聚性高于NY,MY中的阿拉伯胶可以促进乳酸菌生长并分泌胞外多糖,特别是嗜热链球菌,分泌的胞外多糖有助于增加酸奶胶黏性,麦芽糊精和阿拉伯胶本身作为糖类物质可以结合水,具有保水能力,可能参与了蛋白质凝胶形成,进而有效改善了质构[17]。3种酸奶的硬度、胶黏性和内聚性均先增加后降低,这与胡锦涛等[18]的结果相似。质构指标随时间下降,是酸奶蛋白质吸附作用遭到破坏的表现,FY各质构指标的在第9天时显著下降(P<0.05),而MY的下降时间点为第17天,相较于NY和FY,MY的各质构指标下降趋势更小且时间更为延后。综上,桑葚微胶囊的添加稳定了酸奶的凝乳结构,且能更好地维持酸奶的质地。

2.3.2 pH值和感官品质变化

图4为3种酸奶在21 d贮藏过程中的pH值和感官评分的变化结果。3种酸奶的pH值均随着贮藏时间变化逐渐降低,这与酸奶中益生菌缓慢代谢有关,但MY较NY、FY相比下降趋势更为平缓,在21 d贮藏期结束时NY、MY、FY的pH值分别下降13.26%、9.22%、15.84%,pH值稳定性要显著高于NY和FY(P<0.05),提示MY具有良好的pH值保持能力,这与包洪涛等[8]所制备的松仁油微胶囊酸奶结果相似。贮藏期前5 d,MY、FY感官评分高于NY,桑葚的添加使酸奶口感更丰富,感官评分更高。MY的感官在贮藏前13 d无显著变化,仅在贮藏第17天后,表现出轻微乳清析出,贮藏21 d仍能保持较高的感官评分。而FY在贮藏13 d就表现出乳清析出,在贮藏21 d时有大量乳清析出且产品松动,感官评分显著下降,这与质构结果一致。桑葚的加入会在一定程度上破坏酸奶凝乳的结构稳定性[15],从而增大乳清析出,这和王振伟[19]制备的蔓越莓酸奶结果相似,FY的感官评分较NY下降更迅速。MY较FY、NY表现出更稳定的感官品质,推测可能与其壁材麦芽糊精和阿拉伯胶有关,一方面麦芽糊精具有吸附作用,可以增加酸奶的黏稠度,提高酸奶的持水力[20],另一方面阿拉伯胶为多支链的大分子多糖,有很强的吸水性,分布于酪蛋白的网络之中,能起到“支架”的作用,在酸化过程中能防止蛋白质过度收缩,有利于对水分的固定,提高持水性[21]。综上,MY具有更稳定的凝胶分散体系,桑葚微胶囊的添加增强了酸奶的pH值稳定性,促进了酸奶的感官品质稳定性,从而使MY具有更好的口感与品质。

2.3.3 乳酸菌数变化

乳酸菌在胃肠道中繁衍增殖,能够维持肠道菌群动态平衡、增强机体免疫力[22]。酸奶的品质好坏和营养价值在很大程度上取决于其乳酸菌数量,从人体微生态角度对酸奶中乳酸菌数有一定的含量要求,GB 19302—2010《食品安全国家标准发酵乳》中规定,乳酸菌数要达到1.0×106 CFU/mL以上才能有足够的益生活性。图5显示3种酸奶的乳酸菌数均达到国家标准,而MY中乳酸菌数含量始终最高,21 d时MY的乳酸菌总数为3.65×108 CFU/mL,较FY、NY分别提高15.75%、9.18%(P<0.05)。贮藏期内3种酸奶乳酸总菌数呈现先增加后减少的趋势,第1～13天乳酸菌总数增加,此时酸奶中的成分和环境适合乳酸菌生长,而贮藏后期pH值降低以及微生物次级代谢产物的积累,改变乳酸菌原有的生长环境,使酸奶体系不利于乳酸菌的生长,进而导致乳酸菌数降低[23]。桑葚含有丰富的营养物质,能促进酸奶发酵剂中嗜热链球菌和保加利亚乳酸杆菌繁殖生长[24],故贮藏期间MY、FY的乳酸菌数高于NY(P<0.05),这与王芬等[25]所制作的紫米酸奶结果相似。与FY比较,贮藏期间MY乳酸菌数显著较高(P<0.05),但其多酚类物质含量却高于FY,理论上讲酚类物质具有抗菌活性[26],能抑制乳酸菌的生长,但酚类化合物与乳酸菌之间的相互作用非常复杂,取决于酚类物质的化学结构、含量和乳酸菌的种类等[27]。贺子倩等[28]研究发现,苹果皮提取物中的多酚,是一种潜在可利用的益生元,能促进某些益生菌的生长;TABASCO等[29]研究发现,质量浓度为0.25～1.0 mg/mL的多酚可以有效刺激乳酸菌的生长,而当质量浓度超过乳酸菌的耐受范围时,多酚会发挥抗菌作用;潘冬梅等[30]发现,当培养基中的茶多酚添加量超过0.6%时会抑制乳杆菌的生长。本实验中未观察到MY中多酚对乳酸菌产生抑制作用,可能有以下原因:桑葚微胶囊中多酚含量为72.76 mg/g,MY中多酚含量约为1.1 mg/mL,一方面酸奶中多酚含量相对较低,可能在乳酸菌的耐受范围内,对乳酸菌的抑制效果不明显;另一方面当pH值低于4.2时,酸奶中的部分益生菌,主要是嗜热链球菌数量会减少,导致其乳酸菌计数减少[31],而MY的pH值下降趋势较FY更平缓,更有利于乳酸菌的生长;同时阿拉伯胶具有益生元特性,能增殖有益的肠道细菌,如双歧杆菌和乳酸杆菌,并抑制有害细菌[32];OLUWATOSIN等[33]研究报道,也表明麦芽糊精具有作为益生元的潜力。综上,MY中乳酸菌总数始终最高,添加桑葚微胶囊对酸奶中乳酸菌总数有积极作用,进一步体现出微胶囊酸奶的功能保健性。

2.3.4 活性成分变化

贮藏期间MY和FY的总酚、黄酮、花青素含量如图6所示,MY、FY中各活性成分在贮藏期间均呈下降趋势,一方面是由于贮藏期酸奶体系中乳酸菌的代谢导致多酚类物质的降解或转化[34];另一方面也可能是酸奶体系中蛋白与多酚类物质发生络合反应,故检测到的酚类物质含量降低[35];而花青素的稳定性受其pH值及其他营养成分的共同影响[36],也有报道称乳杆菌等益生菌对花青素的稳定性有不利影响[37]。MY在贮藏21 d后总酚、黄酮、花青素的保留率分别为83.32%、83.87%、73.82%,FY的总酚、黄酮、花青素保留率分别为66.44%、62.35%、47.39%。MY中活性成分的保留率均显著高于FY(P<0.05),尤其是花青素的保留率显著增加,MY中总酚、黄酮、花青素保留率分别较FY提高了25.41%、34.51%、55.77%。这可能是因为麦芽糊精和阿拉伯胶组成的复合壁材阻止了光、氧以及低pH值环境对桑葚中活性成分的破坏,同时MY也较FY表现出更稳定的pH值变化以及组织状态,稳定的聚合物网络和凝胶基质可以保护花青素不被降解,从而提升了其活性成分的保留率,这和王富云等[38]制备的虾青素微球酸奶结果相似。由此可得,桑葚微胶囊能显著提高酸奶中活性成分的含量和贮藏期间活性成分的保留率,对花青素的保护效果尤为明显。

2.4 桑葚微胶囊对酸奶风味的影响

2.4.1 挥发性风味物质定性分析

为探究桑葚微胶囊对酸奶风味的影响,以NY、FY、MJ为对照,通过对比样品之间的挥发性风味物质差异,分析MY的特征风味成分及其来源。根据迁移时间和保留时间,对 GC-IMS的谱图(图7)进行分析。

GC-IMS谱图显示了所有化合物的原始信息,横坐标表示离子迁移时间(drift time,Dt),纵坐标表示保留时间(reatention time,Rt),图谱之中每个信号点表示1种挥发性组分,1种挥发性化合物可能产生1个或多个亮点,亮点颜色越深表示浓度越大。不同挥发性化合物在图谱中的信号位置不同,而同一物质在图谱中同一位置有相同信号。由图7可知,4种样品大多数信号在保持时间100～800 s和漂移时间 1.0～2.0 ms内,4种样品的挥发性风味含量具有一定差异,FY、MY中信号点数量显著高于NY,表明桑葚是影响酸奶气味的关键因素,增加了酸奶中挥发性物质的浓度,从而提升了感官属性的丰富度,对酸奶产品风味品质的提升有积极作用。4种样品中各挥发性物质、样品差异以及气味特征如表4所示,主要鉴定出47种挥发性化合物,包括酯类化合物11种,酮类化合物10种,醛类化合物9种,醇类化合物8种,烯类3种和其他化合物6种。其中NY、FY、MY、MJ分别检测出26、34、38、39个信号峰,鉴定出的挥发性物质主要包括呈菠萝、苹果等清新水果香的酯类,呈淡青嫩枝气息、柑橘类物质香气、酒香的醇类物质,呈牛奶香气、焦糖香气、奶油香气、坚果底香、辛辣香甜味的酮类物质,呈脂蜡香气、草香味、甜橙香气、茉莉香气的醛类。

2.4.2 差异性指纹图谱分析

为进一步解析4种样品之间挥发性风味化合物的差异,选择GC-IMS二维图中的每个信号峰生成指纹图谱系,以识别不同样品特征峰区域,4组样品的指纹图谱见图8。行和列分别表示不同时间的挥发性物质及其相应的量,图中右侧为样品编号,依次为NY、FY、MY和MJ,每个样品有3组平行。每一列代表同一挥发性有机物在不同样品中的信号峰,图中峰点的颜色及深浅表示含量的高低,对比可以看出每种样品的完整挥发性有机物信息以及样品之间挥发性有机物的差异。酸奶的风味主要在发酵进程中产生,通过酶促和化学反应形成的,包括脂质氧化、碳水化合物发酵、脂解、氨基酸分解代谢和蛋白水解及微生物代谢等途径[39]。如图8所示,A区域被视为构成3款酸奶样品的共有风味特征峰区域,包含丙酸、正丁醛、2-辛酮、正戊醇、3-羟基-2-丁酮、醋酸正丙酯、2-戊酮、月桂烯、2-庚酮、2-丁酮。但各组分在含量上有明显差异,与FY相比,MY对丙酸挥发性有机物响应信号增强,表示其更具乳酸味且酸味浓烈。醛是由乳脂氧化产生的,由于风味阈值低,醛在低浓度下具有特征性的脂肪香气,但高于临界值时会产生腐烂、腐臭或其他异味。与NY、FY相比,MY对正丁醛挥发性有机物响应信号减弱;与FY相比,MY对戊酮、2-丁酮挥发性有机物响应信号减弱,表示其刺激性气味更低,可接受度更高。如B区域所示,与FY相比,MY对正丙醇、异丙醇、反-2-辛烯醛、乙酸丁酯挥发性有机物响应信号增强,对异戊醇、2-戊酮挥发性有机物响应信号减弱,这代表其含有更丰富的水果清香和酒香气且刺激味更弱。C区域为MY的特征峰,包括2-甲基吡嗪、异戊烯醛、乙酸丁酯、乙酸乙酯、2,5-二甲基吡嗪。2,5-二甲基吡嗪是MY中的特征风味物质,且其乙酸丁酯、乙酸乙酯挥发性有机物响应信号较其他组更强,乙酯类化合物具有水果花香味,可减少酸奶中由氨基酸产生的苦味和脂肪酸的酸味[40],这些风味对酸奶本身的风味均无不良影响。由此可得,MY刺激性不良气味含量较低,且具有更浓郁的桑葚果香和酸奶香,桑葚微胶囊的添加对酸奶的风味提升有积极作用。

2.4.3 主成分分析

选取4种样品中挥发性成分的峰体积作为特征变量进行主成分分析(principal component analysis,PCA),从PCA可以看出,PC1贡献率为75%,PC2贡献率为12%(图9),总贡献率为87%,能较好地反映原始数据的信息。图中直观地看出各组样本3次重复均较好重叠在一起,表明实验重复性较好、具有信服力。PCA图呈明显的区域分布特点,MY与FY样品之间离散度较小,表示其气味成分相似。4种样品在图中占据了相对独立的空间,可以通过GC-IMS检测样品中挥发性成分来对其进行区分。

3 结论

本文将桑葚全果微胶囊化,最大限度提升桑葚利用率及其活性成分保留率,并考察其对酸奶品质与风味的影响。桑葚微胶囊添加量为1.5 g/100 mL时,酸奶品质最佳;与NY、FY比较,MY在贮藏(21 d)过程中pH值下降平缓,并始终保持较高的感官评分和更为稳定的质构特性;MY中乳酸菌总数、活性成分含量及保留率均显著高于NY、FY对照组(P<0.05),桑葚微胶囊提升了酸奶的贮藏品质并显著增强了酸奶的营养价值。MY中2-戊酮、正丁醛等具有刺激性气味的有机物信号强度减弱,乙酸丁酯、乙酸乙酯等具有水果花香味的有机物是MY中的关键性风味物质,MY具有纯正浓郁的桑葚果香和酸奶香。因此,桑葚微胶囊能克服桑葚易腐性问题,使桑葚原料得到充分利用,并切实改善了酸奶的品质及营养价值,这为桑葚微胶囊在食品工业中的应用及酸奶的开发提供一定理论依据。

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