山茶油是一种优质植物油,富含不饱和脂肪酸,包括75%～83%油酸和5%～13%亚油酸[1]。研究表明,人体长期摄入不饱和脂肪酸可以减少低密度脂蛋白的蓄积,有助于降低心血管疾病发生风险[2]。此外,山茶油还富含微量活性成分(如多酚、维生素和甾醇等)[3]。据报道,山茶油多酚具有抗氧化、抗炎等活性[4];山茶油生育酚具有抗炎、抗肿瘤等功效;山茶油甾醇具有降低血液胆固醇和心血管疾病风险等功效[5]。然而,山茶油易受外界环境(如温度、氧气、光照等)影响,引起氧化变质,改变山茶油原有化学结构和产品质量。
微胶囊技术是一种在聚合物(通常为多糖、蛋白质)中包裹功效物质(如固体、液体、气体)形成微胶囊以降低外界环境影响或克服功效物质易挥发、具有刺激性气味或敏感性等缺点的技术[6]。因此,微胶囊化可降低温度、氧气等对山茶油的影响。
由于能促使产品产生理想口感和酥脆度,起酥油(如人造黄油)是烘焙行业必不可少的成分。然而,传统起酥油中饱和脂肪酸含量较高且存在一定比例的反式脂肪酸,可能会提高血清胆固醇水平并增加心血管疾病的风险[7-8]。利用富含不饱和脂肪酸的山茶油替代起酥油可满足消费者对健康产品的需求。然而,山茶油常为液态食用油。因此,制备山茶油微胶囊(camellia oil microcapsules,COM)代替起酥油,并应用至烘焙行业,将减少反式脂肪酸和饱和脂肪酸的摄入。
本研究利用微胶囊技术制备COM,以油脂包埋率(oil embedding rate,OER)和芯材占比(core material ratio,CMR)为指标,筛选合适制备条件。利用傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、X-射线衍射光谱(X-ray diffraction spectrum,XRD)和差式扫描量热曲线(differential scanning calorimetry,DSC)对其表征;并研究微胶囊化对山茶油氧化稳定性的影响。最后,将COM用于饼干的制备中,以验证替代起酥油的可行性。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
精炼山茶油,超市;乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI)、大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI),宁波索宝蛋白科技股份有限公司;阿拉伯胶(gum arabic,GA)、β-环糊精(β-cyclodextrin,β-CD),上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
1.2 仪器与设备
SCIENTZ-12冷冻干燥机,宁波新芝有限公司;ULTRA-TURRAX高速剪切机,德国艾卡公司;7890A气相色谱仪,美国安捷伦技术公司;NS1001L高压均质机,意大利Niro Soavi公司;Genesys150紫外分光光度计,美国Thermo scientific公司。
1.3 实验方法
1.3.1 COM的制备
称取5 g WPI分散至50 mL去离子水,并于50 ℃搅拌下溶解,再将溶液置于4 ℃水合过夜,获得WPI分散液,相同方式制备GA分散液。将WPI与GA分散液混合均匀后,加入5 g山茶油,搅拌30 min,后剪切处理(11 000 r/min,3 min)并均质(40 MPa,2次),得到乳液。最后,将乳液冷冻干燥制得COM,并保存于4 ℃冰箱中备用。
1.3.2 山茶油包埋率及芯材占比测定
参考PHAM等[9]方法,称取m0(mg)COM于锥形瓶中,将30 mL石油醚分3次加入,每次振荡30 s,过滤至烘干的圆底烧瓶m1(mg)。蒸干溶剂,烘干至恒重m2(mg)。COM表面油占比(surface oil ratio,SOR)的计算如公式(1)所示:
(1)
称取M0(mg)COM于锥形瓶中,加入40 mL石油醚,超声振荡25 min,过滤。再用石油醚洗涤滤渣,合并滤液于恒重的圆底烧瓶M1(mg)。蒸干溶剂,烘干至恒重M2(mg)。COM总油占比(total oil ratio,TOR)计算如公式(2)所示:
(2)
油脂包埋率(oil embedding rate,OER)和芯材占比(core material ratio,CMR)计算分别如公式(3)、公式(4)所示:
(3)
(4)
1.3.3 COM制备条件的优化
考察复合壁材种类(WPI与β-CD、SPI与β-CD、WPI与GA、SPI与GA、β-CD与GA、WPI与SPI)、芯壁比(3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,质量比)、固形物含量(50、100、150、200、250 g/L)、壁材比(3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,质量比)对COM的包埋效果的影响。
1.3.4 FTIR测定
取WPI、GA及COM分别与溴化钾1∶100(质量比)混合,研磨压片,在4 000～400 cm-1以4 cm-1扫描32次,获取FTIR。
1.3.5 XRD测定
利用X-射线衍射仪测定样品结晶特性,衍射角(2θ)扫描范围设为5°～50°,5°/min。
1.3.6 DSC测定
称取5～10 mg样品测定。测定条件为:温度范围0～250 ℃、气体:N2、流速20 mL/min,升温速率5 ℃/min。
1.3.7 氧化稳定性的测定
将山茶油、COM置于25 ℃和60 ℃恒温培养箱,参考GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》的滴定法,每隔3 d取样测定油脂的过氧化值(peroxide value,POV)。
1.3.8 饼干的制备
将黄油与糖混合打发3 min,加入低筋面粉混合成面团。将面团擀平,模具压制成型,装入烤盘制得样品。根据COM含油量对黄油分别按照0%、25%、50%、75%、100%(均为质量分数)及山茶油100%进行替代,采取相同步骤制得替代组饼干。
1.3.9 质构测定
采用质构仪对饼干进行测定,探头为P25,测试速度为1 mm/s,压缩百分比为50%。
1.3.10 气相色谱测定
利用溶剂萃取法对样品进行脂质提取,利用气相色谱仪进行测定。
1.3.11 饼干的感官评价
选择色泽、外观、口感、组织状态、风味为指标,选择10名的品评人员感官评价,评分标准见表1。
表1 饼干感官评分标准
Table 1 Biscuit sensory score standard
指标评价标准色泽差、不均匀、有过多焦糊或白粉(0～5分)色泽色泽较均匀、有光泽、有焦糊(6～15分)色泽金黄、均匀,有光泽、无焦糊(16～20分)无味或有异味(0～10分)风味有较淡香味(11～20分)香味浓郁,无油腻感(21～30分)口感偏硬或偏软、不酥松、粘牙、过甜(0～10分)口感口感较松软、微粘牙、甜味不明显或偏甜(11～20分)口感酥松,细腻、不粘牙、甜味适中(21～30分)外形不完整,变形,起泡,有较大或较多的凹底(0～5分)组织断面结构较细密、略均匀、有空洞(6～15分)断面结构细密均匀、无大孔(16～20分)外形不完整,厚薄不均匀(0～5分)形态外形较完整,厚薄基本均匀,稍微起泡(6～15分)外形完整,花纹清晰,厚薄均匀,不变形,不起泡(16～20分)
1.4 数据统计与分析
实验重复3次,采用SPSS 13.0软件计算平均值、偏差及显著性分析,Origin 2021软件为绘图工具。
2 结果与分析
2.1 制备条件对山茶油微胶囊包埋效果的影响
由图1-a可知,WPI与GA复配效果最优,OER达69.06%、CMR为49.98%;SPI与WPI复配效果较差,OER仅为35.84%、CMR为20.32%。这表明WPI与GA的相互作用能够有效地封装山茶油,形成稳定的微胶囊结构。这种优异的封装效果可能归因于WPI的疏水性能和GA的亲水性能之间的协同作用[10],两者复配对山茶油的包埋效果最好。
a-壁材种类;b-芯材与壁材质量比;c-固形物含量;d-壁材质量比
图1 各因素对COM包埋效果的影响
Fig.1 Influences of various factors on the COM embedding effects
由图1-b可知,当芯壁比在3∶1～1∶2时,随着壁材比例的增加,可有效提升OER;当芯壁比为1∶2时,OER最高为71.05%、CMR为51.98%。这可能是当壁材含量较少时,芯材不能完全被封装;当壁材含量增加后能够使壁材加快在山茶油周围的成膜速度,提高囊壁的致密度,降低山茶油泄露的可能。但是当壁材比例继续增加到1∶3时,包埋效果没有提升。可能是因为微胶囊壁厚度过大导致内外层干燥时间不同步,内层水分在蒸发过程中会使已经干燥完成的外层囊壁破裂,使表面油含量增加。
由图1-c可知,当固形物含量为50 g/L时,OER与CMR最低,分别为65.12%、41.45%,可能是在干燥过程中,需蒸发的水量更多,这不仅增加了干燥能耗,提高了生产成本,而且还可能促使COM干燥不充分、品质降低。当固形物含量为100 g/L时,OER最高为72.05%、CMR为54.98%。因此,适当增加固形物含量,可快速成膜并能及时封装山茶油,提升微胶囊的封装效果。但是,随着固形物含量继续增加(100～250 g/L),封装效果提升不明显且乳化液的黏度随固形物含量增加而增加,不利于均质。
由图1-d可知,壁材GA和WPI分别主要起到成膜和乳化的作用,因此二者的配比会影响乳液的稳定性和微胶囊的包埋效果。当GA与WPI比为1∶1时有较优的效果,OER为78.04%、CMR为59.98%。随WPI比例的增加(3∶1、2∶1),封装效果降低,可能是GA含量较低不能起到良好成膜效果,不能很好封装山茶油。当GA的比例增加(1∶2、1∶3),乳液黏度也随之增加,封装效果变差。因此,COM的最佳制备条件为GA与WPI壁材质量比1∶1、固形物含量100 g/L、芯壁质量比为1∶2。
2.2 表征分析
如图2-a所示,GA在3 396.8 cm-1(O—H伸缩)、2 922.3 cm-1(—CH拉伸)、1 618.2 cm-1(C
O伸缩)、1 422.7 cm-1(—CH3弯曲和CH弯曲)和1 024.6 cm-1(C—O拉伸)有特征峰[11];WPI在2 960.3 cm-1(C—H伸缩)、1 649.2 cm-1(酰胺Ⅰ带中的CO伸缩振动)、1 532.4 cm-1和1 396.5 cm-1(酰胺Ⅱ带和C—N伸缩振动)、1 074.7 cm-1(C—O—C对称拉伸和C—O—H弯曲)处有特征峰[12]。与WPI相比,微胶囊在3 415.8 cm-1和1 654 cm-1处也有特征峰,但在1 396.5 cm-1处的吸收峰消失,每个峰的强度均有所降低。与GA相比,在1 618.2、1 422.7 cm-1处没有吸收峰。推测可能是WPI的
和GA的—COO—基团相结合。
a-WPI、GA及COM的FTIR图谱;b-XRD图谱;c-DSC曲线;d-山茶油及COM在25、60 ℃下的氧化稳定性
图2 COM的表征结果
Fig.2 Characterization results of COM
由图2-b可知,WPI在9.3°和20.8°各有一个衍射峰,有研究表明,蛋白质XRD中接近9°和21°的衍射峰分别属于α-螺旋和β-折叠结构[13]。而GA仅在19.9°有1个衍射峰。COM的衍射峰相较于WPI、GA发生偏移且强度有所下降,且40°左右可能存在衍射峰的出现,推测可能是WPI、GA之间的静电相互作用造成的。
由图2-c可知,WPI和GA发生相转变的起始温度分别为74.58、91.6 ℃,而COM的转变温度为137.18 ℃,此时由有序晶体结构向无定形结构转变[14],这可以归因于WPI与GA之间发生静电相互作用,使得COM具有良好的热稳定性。
2.3 不同替代组氧化稳定性的分析
通过测量山茶油的POV可以反映其氧化程度,是评价山茶油质量的标准指标[15]。由图2-d可知,初始阶段COM芯材的POV为2.36 mmol/kg,而山茶油的POV为2.35 mmol/kg,无显著差异。在25 ℃贮藏初期(0～7 d),山茶油及COM的POV基本不变,可能原因是其氧化过程处于诱导期内,氧化缓慢。同时含有少量的生育酚,类固醇类化合物等抗氧化物质[16],在一定程度上抑制山茶油的氧化。在60 ℃的贮藏中,未经微胶囊化的山茶油在第12天时POV为10.77 mmol/kg,超出国标规定的9.85 mmol/kg,油脂的颜色加深,产生异味,发生氧化变质。经微胶囊化后的山茶油POV明显低于未微胶囊化的山茶油的POV,这说明壁材在一定程度上可以保护山茶油不受外界环境的影响,能有效阻止氧气的渗透从而减缓油脂的氧化速率[17]。综上所述,微胶囊化可以延缓山茶油氧化。
2.4 质构分析
酥脆的饼干通常具有更好的口感和受欢迎度,探究替代组酥脆度的变化可以在一定程度上反映COM的替代效果[18]。由表2可知,随着COM添加量增加,面团和饼干在硬度上都有上升的趋势,这可能是因为随着替代组中蛋白质和多糖的含量增加,促进分子间网络结构的形成,增强了最终产品的质地。整体来看100%山茶油替代组在各方面与对照组表现出相似的质构情况,但其在制作过程中存在油析出的情况容易造成浪费。添加COM的饼干酥脆度相较于对照组和山茶油组有所上升,但50%替代组和对照组没有显著差异,这说明一定比例COM替代可基本保持饼干原有的质地特性。
表2 不同比例COM替代面团和饼干的质构
Table 2 Texture of dough and biscuits in different substitution ratios of COM
样品指标人造黄油25%替代50%替代75%替代100%替代100%山茶油硬度/g788.93±12.3a1 367.64±39.08b1 484.30±77.32b1 545.42±57.58b1 753.78±44.21c773.23±32.11a面团弹性/mm0.44±0.18b0.20±0.01a0.21±0.02a0.18±0.05a0.19±0.03a0.37±0.08b黏聚性/J0.51±0.01d0.45±0.03cd0.34±0.02b0.37±0.06bc0.24±0.02a0.41±0.03c硬度/g1 822.73±57.80a1 956.67±67.18b2 205.81±69.15b2 598.53±39.68c2 962.28±58.82d1 745.21±57.80a饼干韧度/(N·mm)1.47±0.15a1.51±0.21a1.97±0.16ab2.24±0.28cd2.66±0.11d1.41±0.17a酥脆度/g1 562.55±23.15b1 632.23±42.3c1 828.51±39.03d2 042.96±32.17e2 363.64±52.12f1 366.27±29.5a
注：不同小写字母代表差异显著,P<0.05(下同)。
2.5 不同替代组脂肪酸分析
使用GC测定不同COM添加量饼干的脂肪酸组成如表3所示。100%替代组的C16:0、C18:0、C18:1和C18:2分别对应山茶油的主要脂肪酸:棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸[19]。随着替代量的减少,C14:0、C15:0、C16:0等饱和脂肪酸的含量明显增加,C18:1和C18:2等优质的不饱和脂肪酸含量下降。有研究发现,人造黄油中含有的饱和脂肪酸是棕榈酸、硬脂酸、十五烷酸,占脂肪酸组成的63.90%[20],而100%人造黄油所制得饼干中的饱和脂肪酸含量为64.41%,且含有4.64%的反式脂肪酸(反油酸)。为当摄入的饱和脂肪酸或反式脂肪酸含量过高,会提高血清胆固醇水平,从而增加心血管疾病发生的风险。因此,利用COM替代人造黄油可以减少饱和脂肪酸的摄入,满足人们对健康食品的需求。
表3 不同比例COM替代饼干的脂肪酸组成
Table 3 Fatty acid composition of biscuits in different substitution ratios of COM
保留时间/min脂肪酸0%替代25%替代50%替代75%替代100%替代100%山茶油10.508肉豆寇酸5.141±0.16a3.54±0.11b2.16±0.04c0.97±0.07d//12.806十五烷酸12.32±1.41d9.13±0.22c5.52±0.06b2.49±0.07a//16.238棕榈酸 34.70±0.96f26.62±0.63e19.89±0.14d14.96±0.06c10.68±0.004a11.58±0.02b17.523棕榈油酸2.48±0.88d1.79±0.05c1.21±0.01b0.67±0.01a//20.358硬脂酸 12.25±0.05f9.09±0.25e6.37±0.22d4.20±0.02c2.40±0.05a3.22±0.03b21.212反油酸 4.64±0.08d3.13±0.69c1.78±0.26b0.85±0.18a//21.546油酸 24.30±0.49a42.18±1.04b54.50±0.001c65.57±0.15d75.21±0.02e73.25±0.12f23.057亚油酸 2.93±0.09a5.55±0.15b7.38±0.04c9.26±0.1d10.87±0.08f10.52±0.02e24.892亚麻酸 0.76±0.04f0.60±0.02e0.48±0.01d0.39±0.11c0.34±0.001a0.35±0.001b25.152花生烯酸/0.22±0.01a0.34±0.001b0.43±0.01c0.51±0.04e0.48±0.02d26.185α-亚麻酸0.82±0.003d0.55±0.01c0.38±0.03b0.21±0.01a//
2.6 感官评价
感官特性(如外观、口感、气味等),是决定消费者欣赏和享用食品的重要的因素之一。图3显示了用山茶油微胶囊不同比例代替脂肪含量制备的饼干样品的色泽、风味、形态、组织和口感的感官评估结果。未添加COM的饼干在风味、形态、口感等各方面最优,50%替代组的产品与对照组有相似的感官属性,表明这种烘焙产品具有被消费者广泛偏爱的潜力。这说明适当比例的黄油被替代可以被接受。
图3 不同比例COM替代饼干的感官评价
Fig.3 Sensory evaluation of biscuits in different substitution ratios of COM
3 结论
本研究以山茶油为芯材,利用冷冻干燥法制备COM。通过单因素实验确定当WPI和GA为复合壁材、芯壁比1∶2(质量比)、壁材比1∶1(质量比)、固形物含量100 g/L时,COM具有最高的OER和CMR,分别为78.04%、59.98%。FITR、XRD和DSC结果显示WPI和GA存在静电相互作用,能够提高COM稳定性;经微胶囊化后的山茶油POV明显低于未微胶囊化的山茶油的POV。50% COM替代人造黄油不仅可以在一定程度上保持饼干的质地特性和感官特性,还能够减少摄入饱和脂肪酸,满足消费者对健康食品的需求,为饼干的制备提供了新的原料选择。
[1] ZHANG T, QIU F C, CHEN L, et al.Identification and in vitro anti-inflammatory activity of different forms of phenolic compounds in Camellia oleifera oil[J].Food Chemistry, 2021, 344:128660.
[2] CHOU T Y, LU Y F, INBARAJ B S, et al.Camelia oil and soybean-Camelia oil blend enhance antioxidant activity and cardiovascular protection in hamsters[J].Nutrition, 2018,51:86-94.
[3] YANG R, QIU S H, YANG R, et al.Research progress of edible and medicinal value of Camellia oleifera seeds[J].Modernization of Traditional Chinese Medicine and Materia Medica-World Science and Technology, 2019, 21(12):2770-2774.
[4] ZHANG F, ZHU F, CHEN B L, et al.Composition, bioactive substances, extraction technologies and the influences on characteristics of Camellia oleifera oil:A review[J].Food Research International, 2022, 156:111159.
[5] WANG X Q, ZENG Q M, VERARDO V, et al.Fatty acid and sterol composition of tea seed oils:Their comparison by the “FancyTiles” approach[J].Food Chemistry, 2017, 233:302-310.
[6] 岳淑丽, 任小玲, 向红, 等.桉叶精油β-环糊精微胶囊制备工艺的研究[J].中国粮油学报, 2017, 32(7):108-113.YUE S L, REN X L, XIANG H, et al.Reseach on preparation of eucalyptus essential oil/β-cyclodextrin microcapsules[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2017, 32(7):108-113.
[7] MERT B, DEMIRKESEN I.Evaluation of highly unsaturated oleogels as shortening replacer in a short dough product[J].LWT-Food Science and Technology, 2016, 68:477-484.
[8] YILMAZ E, ÖGÜTCÜ M.The texture, sensory properties and stability of cookies prepared with wax oleogels[J].Food &Function, 2015, 6(4):1194-1204.
[9] PHAM L B, WANG B, ZISU B, et al.Microencapsulation of flaxseed oil using polyphenol-adducted flaxseed protein isolate-flaxseed gum complex coacervates[J].Food Hydrocolloids, 2020, 107:105944.
[10] 崔方超, 李兰玲, 韩瑜娟, 等.黄嘌呤氧化酶抑制剂微胶囊的制备[J].中国食品学报, 2024, 24(4):223-234.CUI F C, LI L L, HAN Y J, et al.Preparation of microcapsule prepartion of xanthine oxidase inhibitor[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2024, 24(4):223-234.
[11] AKRAM S, BAO Y W, BUTT M S, et al.Fabrication and characterization of gum Arabic- and maltodextrin-based microcapsules containing polyunsaturated oils[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2021, 101(15):6384-6394.
[12] JIA C S, CAO D D, JI S P, et al.Whey protein isolate conjugated with xylo-oligosaccharides via maillard reaction:Characterization, antioxidant capacity, and application for lycopene microencapsulation[J].LWT-Food Science and Technology, 2020, 118:108837.
[13] CHEN J, CHEN X Y, ZHU Q J, et al.Determination of the domain structure of the 7S and 11S globulins from soy proteins by XRD and FTIR[J].Journal of the Science of Food and Agriculture, 2013, 93(7):1687-1691.
[14] MUHOZA B, XIA S Q, WANG X J, et al.Microencapsulation of essential oils by complex coacervation method:Preparation, thermal stability, release properties and applications[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2022, 62(5):1363-1382.
[15] KARACA A C, NICKERSON M, LOW N H.Microcapsule production employing chickpea or lentil protein isolates and maltodextrin:Physicochemical properties and oxidative protection of encapsulated flaxseed oil[J].Food Chemistry, 2013, 139(1-4):448-457.
[16] 田潇潇, 方学智, 孙汉洲, 等. 不同物种及品种油茶籽的营养特性分析与综合评价[J]. 林业科学研究, 2019, 32(1):133-140.TIAN X X, FANG X Z, SUN H Z, et al. Seed nutritional properties of different oil Camellia species and varieties[J]. Forest Research, 2019, 32(1):133-140.
[17] TIMILSENA Y P, ADHIKARI R, BARROW C J, et al.Microencapsulation of chia seed oil using chia seed protein isolate chia seed gum complex coacervates[J].International Journal of Biological Macromolecules, 2016, 91:347-357.
[18] 
K, PIWOWAR A, HARASYM J.Agar-rapeseed oil hydroleogels as solid fat substitute in short-bread cookies[J].Food Hydrocolloids, 2024, 151:109889.
[19] ZHANG H H, GAO P, MAO Y N, et al.Physicochemical study of Camellia oleifera Abel.seed oils produced using different pretreatment and processing methods[J].LWT-Food Science and Technology, 2023, 173:114396.
[20] 张秀秀, 刘璐, 赵铭琪, 等.黄油的烘焙稳定特性及其脂肪酸含量[J].中国食品学报, 2020, 20(12):221-228.ZHANG X X, LIU L, ZHAO M Q, et al.Oxidative stability and fatty acid content of butter in baking system[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2020, 20(12):221-228.