鱼糜制品是一种以鱼肉为主要原料,经过采肉、漂洗、精滤、脱水、斩拌和熟制等一系列加工处理制成的糜状食品[1],凭借加工便捷、味道鲜美及营养价值高而深受消费者喜爱。2023年鱼糜制品产量达到134万t[2],在水产品深加工产业中占据重要地位,具有显著的经济价值和广阔的发展前景。
漂洗是鱼糜加工过程的关键工序,可以改善鱼糜的凝胶特性和感官特性[3],但也导致脂质流失,降低产品的营养价值和风味特性[4]。因此,现有研究多通过补充外源脂肪改善鱼糜制品的营养与风味。目前,固体脂肪(如猪油)已被广泛用于提升鱼糜品质,它能够填充蛋白网络空隙,显著增强凝胶强度[5]。但是猪油富含饱和脂肪酸,过多摄入可能引发肥胖、血脂升高等健康问题,不符合现代消费者对低脂健康食品的需求[6]。相比之下,液体油脂如鱼油,富含长链omega-3多不饱和脂肪酸,具有调节血脂、抗炎及改善心血管健康等生理功能[7],可在功能性鱼糜制品开发中展现出良好潜力。然而,直接向鱼糜体系中添加液态油脂往往破坏蛋白凝胶网络的连续性,导致凝胶强度和持水性降低,影响鱼糜制品品质[8-10]。
淀粉-脂质复合物是指在适宜的加工条件下,直链淀粉与脂质分子(如脂肪酸、单酰甘油酯、磷脂等)通过非共价力自组装形成的有序包合物。MI等[11]研究发现,高直链玉米淀粉-脂肪酸复合物显著提高鱼糜制品的凝胶强度和质构特性。LI等[12]研究发现,通过控制玉米淀粉-肉豆蔻酸复合物的含量,能够显著改善虾仁鱼糜的质构特性和保水性,优化凝胶网络结构。但是玉米、木薯、稻米和马铃薯等淀粉与脂肪酸的复合无法达到现代研究强调“全食物效应”的理念[13-16],因此,本研究采用豌豆淀粉与鱼油构建淀粉-鱼油复合物,尝试从物性学角度解析温度梯度诱导淀粉多尺度结构演变规律,并将淀粉-鱼油复合物引入鱼糜体系,以探究其对鱼糜制品品质的改善效果。本研究旨在深化淀粉-脂质相互作用的理论认知,为鱼糜产业的高值化开发提供关键理论与技术依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
豌豆淀粉(食品级),新乡良润全谷物食品有限公司;金枪鱼鱼油(食品级),二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)含量为5.77%,二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)含量为27.94%,舟山新诺佳生物工程有限公司;无水乙醇、NaCl(分析纯),广州化学试剂厂;冷冻罗非鱼鱼糜,北海宏晖水产有限公司。
1.2 仪器与设备
HZK-FA220电子分析天平,华志电子科技有限公司;HH-2数显恒温水浴摇床,江苏杰瑞尔仪器有限公司;HAAKE-MARSIII高级模块化流变仪,美国Thermo Fisher Scientific公司;SU8010扫描电子显微镜,日本东京日立有限公司;D8 Advance X射线衍射仪、TENSOR27傅里叶红外光谱仪,德国布鲁克公司;TA-XT Plus质构分析仪,英国Stable Micro Systems公司;NM120-060H-I低场核磁共振分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;FDU-1100真空冷冻干燥机,上海精密科学仪器有限公司;UV-2550紫外分光光度计,日本岛津公司。
1.3 实验方法
1.3.1 淀粉-鱼油复合物的制备
参考CHANG等[17]的方法制备淀粉-鱼油复合物。将20 g豌豆淀粉溶解在200 g蒸馏水中,形成10%(质量分数)淀粉乳液。将淀粉乳液分别置于70、90、110 ℃的水浴中恒温糊化60 min,并不断搅拌使其均匀受热。糊化结束后,将鱼油溶于无水乙醇,以10%(质量分数)浓度溶解鱼油,并在相应温度下继续反应60 min,以驱动复合反应。反应体系经冰浴快速淬灭后,经1 500×g离心15 min得到沉淀,并用50%乙醇-水溶液洗涤3次。最后,通过冷冻干燥与粉碎处理获得粉末状淀粉-鱼油复合物,并依据合成温度分别标记为PS-Oil-70 ℃、PS-Oil-90 ℃和PS-Oil-110 ℃。原淀粉作为对照,标记为PS。
1.3.2 复合指数(complexation index,CI)的测定
参考CHAO等[18]的方法并稍作修改。分别称取0.5 g淀粉-鱼油复合物和豌豆淀粉对照品,分散于25 mL蒸馏水中,并在沸水浴下糊化30 min。糊化液冷却至室温后,1 500×g离心15 min以去除未复合或未糊化的组分。准确量取500 μL上清液,经15 mL蒸馏水稀释后与2 mL碘溶液反应,其中碘溶液由1.3%(质量分数)I2和2.0%(质量分数)KI混合配制。待显色10 min后,使用紫外可见分光光度计在690 nm处测定吸光度值。CI的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:Ab和As分别为豌豆淀粉组和淀粉-鱼油复合物组的吸光度值。
1.3.3 透明度与膨胀度的测定
将0.2 g豌豆淀粉和豌豆淀粉-鱼油复合物分别与10 mL蒸馏水混合,配制5%(质量分数)豌豆淀粉悬浮液和淀粉-鱼油复合物悬浮液。
采用CHEN等[19]的方法测定透明度,稍作修改。样品置于沸水浴中加热30 min,直至完全糊化,然后使用冰水浴快速冷却至室温。紫外分光光度计在620 nm波长处测定其透光率,蒸馏水作空白对照。
膨胀度的测定方法参考YANG等[20]、JIANG等[21]的方法并稍作修改。将豌豆淀粉与豌豆淀粉-鱼油复合物分别置于70、80、90、100 ℃的水浴摇床中加热30 min。加热后,将悬浮液离心(1 500×g,15 min),弃上清液计算膨胀度,如公式(2)所示:
膨胀度
(2)
式中:m0,离心管的质量,g;m1,离心管与沉淀物的总质量,g;m2,称取的淀粉质量,g。
1.3.4 表观黏度测量
参考WANG等[13]的方法,采用模块化流变仪中温度振荡扫描模式测定淀粉-鱼油复合物的表观黏度。振荡条件:以5 ℃/min的速度从30 ℃升温至100 ℃,随后以相同速度降温至30 ℃,记录表观黏度随温度和时间的变化。
1.3.5 扫描电子显微镜观察
参考TANG等[22]的方法,将淀粉-鱼油复合物固定在被贴在铝制支架上的导电胶带上,用离子溅射镀膜法对其溅射镀20 nm厚的金,设置加速电压10 kV,图像放大倍数700倍,然后在低真空条件下对样品进行电子显微镜扫描,观察微观形貌。
1.3.6 X射线衍射分析
参考CHEN等[19]的方法,使用X射线衍射仪测量样品的晶体结构。采用40 kV和40 mA的Cu-Kα辐射源,扫描角度(2θ)为5°～35°,扫描速度2 °/min,采样间隔0.02°,样品相对结晶度按公式(3)计算:
相对结晶度
(3)
式中:Ac,结晶峰面积,Aa,晶态峰面积。
1.3.7 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)
参考DANKAR等[23]的方法,将样品与KBr在加热灯下充分混合并压成片剂,以KBr为空白背景,采用衰减全反射模式对片剂进行测量,具体参数为分辨率4 cm-1,扫描范围4 000～400 cm-1,扫描32次。
1.3.8 鱼糜凝胶的制备
将冷冻罗非鱼鱼糜于4 ℃下解冻后空擂5 min,再加入2.5%(质量分数)NaCl溶液斩拌5 min。随后,分别加入15%(质量分数)淀粉-鱼油复合物(PS-Oil-70 ℃、PS-Oil-90 ℃和PS-Oil-110 ℃)斩拌5 min,整个切碎过程中保持低温。将鱼糜灌肠后经二段式加热(40 ℃/30 min,90 ℃/10 min),冰水快速冷却30 min,4 ℃贮藏12 h后备用。设置纯鱼糜制品为对照组,含有1.5%(质量分数)鱼油的鱼糜制品为对比组(Oil);含有15%淀粉-鱼油复合物的鱼糜制品为试验组(PS-Oil-70 ℃、PS-Oil-90 ℃和PS-Oil-110 ℃)。
1.3.9 质构特性测定
参照GB/T 36187—2024《冷冻鱼糜》的方法并稍作修改。将切好的鱼糜凝胶切断面置于载物平台上,中心对准探头。
TPA测试:直径10 mm的圆柱形P5探针,探针上升至样品表面的高度为35 mm,压缩变形量20%,测前、中、后速度分别为2、1、2 mm/s,触发力5 g。
凝胶强度测试:球形探头(P/0.5 s)以5 mm/s的预测试速度,1 mm/s的测试速度和70%的压缩高度进行测量,直至探头插入鱼糜凝胶中,测得破断力(精确至1 g)和破断距离(精确至0.01 cm)。应连续检测10个平行样品。样品凝胶强度的计算如公式(4)所示:
凝胶强度
(4)
式中:Wi,破断力,g;Li,破断距离,cm;n,检测平行样数;i,检测平行样序号。
1.3.10 水分分布测定
参考LIU等[24]的方法,稍作修改。称取3 g鱼糜凝胶放入低场核磁共振仪的核磁共振管上,采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)序列,质子共振频率21.12 MHz,等待时间2 000 ms,回波时间0.4 ms,回波数3 500,重复扫描8次。
1.4 数据处理
本研究制备了3批样品,除了质构特性的测定需要每批样品进行10次平行测定以外,其他指标每批样品进行3次平行测定,结果以“平均值±标准差”表示,用JMP Pro 16.0软件对数据进行方差分析和Tukey多重比较,置信度为95%(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 淀粉-鱼油复合物的理化性质
2.1.1 CI值
CI值是衡量脂质与直链淀粉复合程度的重要指标[18]。直链淀粉空腔螺旋结构可以与碘互作显色,油脂加入后与碘发生竞争,减少显色程度,从而间接反映直链淀粉与脂质的结合程度和作用方式。如图1-a所示,随着淀粉糊化温度的提高,淀粉-鱼油复合物的CI值趋于稳定(81.40%,P<0.05)。与其他文献比较发现,YAN等[25]用小麦淀粉与小麦胚芽油在高水分含量的加热条件下复合,CI值约为50%;WANG等[13]用直链玉米淀粉与鱼油在90 ℃水热条件下复合,CI值为59.41%。因此,本研究采用的淀粉-鱼油复合物复合程度较好,可能是受到淀粉的糊化特性与直链淀粉含量共同作用。糊化是实现淀粉-脂质复合的必要结构前提。淀粉需彻底糊化以破坏其天然晶体网络,使直链淀粉从双螺旋中解旋释放,提供更多连续且规整的结合位点,从而显著提升对脂质分子的包埋容量与复合物稳定性。OYEYINKA等[26]研究也表明,高直链淀粉含量的豆类淀粉能为脂类分子提供规整的结合位点,从而显著增强复合程度,这与本研究的结果高度一致。
a-CI;b-透明度
图1 淀粉-鱼油复合物的复合指数(CI)和透明度
Fig.1 Influence of different heating temperatures on the composite index (CI) and transparency of starch-fish oil complexes
注:不同字母表示组间存在显著差异(P<0.05)(下同)。
2.1.2 透明度
淀粉糊的透明度是评估其结构有序性、分子间相互作用强度以及复合物形成效果的重要指标。如图1-b所示,豌豆淀粉与鱼油复合体系的透明度显著降低,其中PS-Oil-90 ℃的透明度最低(P<0.05)。这与CI值测定结果一致,共同反映出该条件下形成了更加稳定的淀粉脂质复合物。淀粉糊体系中引入油脂会直接导致光散射效应,形成淀粉-鱼油复合物后,直链淀粉分子间及复合物颗粒间的疏水相互作用与有序聚集增强,宏观表现为透明度显著下降。ZHAO等[27]发现油改性交联木薯淀粉糊的透明度低于天然木薯淀粉和交联木薯淀粉,这与本研究结果一致。
2.1.3 膨胀度
淀粉的膨胀度直接反映了淀粉颗粒在吸水后体积增大能力,这取决于淀粉与水分子之间的相互作用力,并且受直链淀粉、支链淀粉和脂质含量的影响[28]。如图2-a所示,PS与PS-Oil-70 ℃体系的膨胀度随温度升高持续上升,符合淀粉颗粒因氢键断裂与水合作用增强而逐步溶胀的典型行为。相比之下,PS-Oil-90 ℃与PS-Oil-110 ℃体系的膨胀度在90～110 ℃温度区间内保持稳定,表明其膨胀行为对温度不敏感。这是由于淀粉在高温条件下可充分糊化,溶出的直链淀粉与鱼油脂质分子迅速形成大量致密的淀粉-鱼油复合物。这些复合物在颗粒内部及表面形成物理交联网络,限制淀粉分子链的伸展与移动,削弱了渗透压驱动的吸水动力。YAN等[25]也报道了淀粉与小麦胚芽油形成复合物后,其膨胀行为发生显著改变,表明脂质的引入可通过形成淀粉-脂质复合结构调控淀粉颗粒的吸水与溶胀特性,这与本研究中高温条件下膨胀度趋于稳定的结果一致。
a-膨胀度;b-黏度
图2 淀粉-鱼油复合物的膨胀度和黏度分布图
Fig.2 Expansion degree and viscosity distribution of starch-fish oil complexes at different temperature conditions
2.1.4 黏度
黏度曲线反映了淀粉在加热过程中微观结构的演变过程。如图2-b所示,淀粉-鱼油复合物的糊化时间相较于天然淀粉有所延迟,这归因于淀粉表面存在油层,该油层一定程度上阻碍了水分的渗透和热量的交换,增大了淀粉糊化的难度。CHANG等[17]的研究表明,淀粉脂质复合物的糊化时间均晚于其天然对应物,这与本研究结果一致。此外,图2-b表明淀粉脂质复合物的黏度远超出普通淀粉糊的黏度,其中PS-Oil-90 ℃的最大黏度可达3×106 Pa·s,表明该条件下形成了非常稳固的网络结构,这种网络具有极高的堆积密度和相互作用能,导致表观黏度呈数量级增长。ZHAO等[27]也发现油改性交联淀粉可通过增强分子间的缠绕与交联作用,显著提升体系的黏度特性。
2.1.5 微观结构
a-PS;b-PS-Oil-70 ℃;c- PS-Oil-90 ℃;d-PS-Oil-110 ℃
图3 淀粉-鱼油复合物扫描电镜图(×700)
Fig.3 Scanning electron microscope image (×700) of starch-fish oil complexes under different temperature conditions
如图3所示,PS颗粒呈现典型的球状或椭圆状,表面光滑完整。淀粉颗粒在与油脂形成复合物后发生显著变化,表现为尺寸增大,呈不规则的聚集体(PS-Oil-70 ℃,PS-Oil-90 ℃)。当温度超过100 ℃后,颗粒团聚程度加剧,聚集体表面更粗糙,这表明高温严重破坏了分子结构,不适合后续应用。ZHAO等[27]用紫苏油改性交联木薯淀粉颗粒,界面处明显富集了油脂,同时伴有黏附性和聚集性的增加,进一步支持了淀粉-脂质复合过程中界面相互作用与结构重组的发生,这些结果与本研究的结论一致。
2.1.6 晶体结构
X射线衍射表征了淀粉颗粒的结晶域分布和取向[29]。如图4-a所示,PS在15.2°、17.4°和23.3°处观察到了强烈的衍射峰,这是典型的C型晶体结构,表面其具有明确的长程有序性[30]。结合图4-b可知,随着淀粉-油脂复合体系处理温度的升高,各特征衍射峰的强度显著降低、半高宽逐渐增加,结晶度显著下降,表明淀粉的晶体结构受到了严重破坏。MARINOPOULOU等[31]也发现了不同温度下Hylon VII玉米淀粉-脂质复合物晶体尺寸随热处理温度升高而减小,这可能是由于结晶温度逐渐增大,温差越大,体系传热速率越快,进而导致成核速率显著提升,体系内形成更多晶核,最终使得晶体尺寸小于低传热速率条件下形成的晶体。但这些变化主要归因于高温水热作用下淀粉结晶区的熔融解离,直接证实了热处理对淀粉天然晶体结构的不可逆破坏。
a-X射线衍射图;b-结晶度
图4 不同温度条件下淀粉-鱼油复合物X射线衍射图与结晶度
Fig.4 X-ray diffraction patterns and crystallinity of starch-fish oil complexes under different temperature conditions
2.1.7 分子结构
FTIR分析能够间接反映淀粉-脂质复合过程中分子相互作用的演变过程。从图5可知,与PS相比,PS-Oil-90 ℃复合物在3 390 cm-1处O—H伸缩振动峰的增强,推测复合过程中可能形成了更丰富的分子间氢键网络。2 930 cm-1处吸收峰强度均有所加强,证明脂质烷烃链引入淀粉体系[32]。1 743 cm-1处产生新的吸收峰,这归属于脂质中酯羰基(C
O)的伸缩振动,明确了体系中有脂质存在。结合X射线衍射结果,此CO信号更可能来源于与淀粉通过疏水作用结合、但未形成长程有序结晶的脂质组分。1 000 cm-1处吸收峰显著增强,该区域主要归属于淀粉分子中C—O及C—O—C键的伸缩振动,其变化反映了淀粉分子局部化学环境及分子间相互作用的改变。同时,高温糊化破坏了淀粉原有的长程晶体秩序,而淀粉-脂质的复合相互作用可能同时促进了直链淀粉在局部尺度上的重排或规整化,从而在宏观上贡献于体系黏度的剧增和颗粒的显著聚集,这与黏度和显微结构的结果具有一致性。对于PS-Oil-110 ℃样品,上述特征峰的普遍减弱或消失,猜测与高温引发的淀粉降解、复合物结构破坏或严重相分离有关,进一步印证了温度对复合物形成与稳定性的临界影响。综上,FTIR结果从分子层面印证了温度对淀粉-脂质复合体系结构形成的调控作用,处理温度为90 ℃时可获得稳定的分子间相互作用和局部有序结构的复合体系。
图5 不同温度条件下淀粉-鱼油复合物FTIR图
Fig.5 FTIR spectra of starch-fish oil complexes at different temperature conditions
2.2 淀粉-鱼油复合物对鱼糜制品品质的影响
2.2.1 质构特性
质构特性是决定鱼糜制品感官品质与消费接受度的关键指标。如图6所示,对照组显著降低了鱼糜凝胶的质构特性(P<0.05),这与文献[33]中普遍报道的“直接添加液态油脂会干扰蛋白质凝胶网络连续性,削弱凝胶强度”的结论一致。将淀粉-鱼油复合物加入鱼糜制品中,质构特性得到显著改善(P<0.05)。这与MI等[11]的研究结果一致,证明淀粉-油脂复合物作为惰性填充粒子,通过物理交联点嵌入鱼糜蛋白三维网络,不仅能减少游离脂质对蛋白质凝胶的破坏,还能通过自身刚性分担机械应力、增强网络密度,从而提升整体凝胶的强度与弹性。综合分析,PS-Oil-90 ℃改善鱼糜凝胶质构特性最佳。
a-弹性;b-硬度;c-咀嚼性;d-凝胶强度
图6 淀粉-鱼油复合物-鱼糜共混体系质构特性的变化
Fig.6 Changes in textural properties of starch-fish oil complexes-fish paste blends
a-水分分布;b-弛豫时间;c-水分含量
图7 淀粉-鱼油复合物-鱼糜共混体系水分特性的变化
Fig.7 Changes in the water properties of starch-fish oil complexes-fish paste blends
2.2.2 水分分布
低场核磁共振是无损检测技术,可通过分析横向弛豫时间(T2)分布,解析食物中各种类型水分子的分布和迁移情况[33]。图7-a显示,鱼糜凝胶的T2反演谱呈现3个特征峰,T21(0～10 ms)、T22(20～200 ms)和T23(400～10 000 ms),分别代表鱼糜凝胶中的结合水、不易流动水和自由水。图7-b与图7-c进一步对比了不同处理组中上述3种水分的弛豫时间及其相对含量(P21、P22和P23)。与对照组相比,Oil组的鱼糜凝胶中结合含量最低,表明游离油脂的引入干扰了蛋白质-水分子间的相互作用,削弱了体系的持水能力。而添加淀粉-鱼油复合物后,鱼糜凝胶中T22与T23的弛豫时间均显著缩短,同时P21明显上升,P23降低。MI等[11]、ZHAO等[34]研究也发现了同样的规律,说明复合物的加入不仅增强了凝胶网络对水分的束缚能力,还促进了水分由自由态向结合态的有效迁移与固定,从而显著改善了体系的持水稳定性与质构均匀性。综合分析,经PS-Oil-90 ℃处理的鱼糜凝胶其不易流动水比例最高,水分分布最集中,持水性最好。
3 结论
本研究采用水热法制备淀粉-鱼油复合物,系统探究了淀粉糊化温度对复合物形成过程中微观结构、晶体结构和分子结构等物理特性的影响,并将其应用于鱼糜制品品质的改善。研究发现,淀粉最佳改性温度为90 ℃,此时淀粉与脂质的复合程度最高,形成了结构紧密的淀粉-脂质复合聚集体。与原豌豆淀粉相比,该复合物粒径明显增大,结晶度显著降低,与脂肪发生了非共价结合作用。经二次热处理后,淀粉-鱼油复合物因其膨胀度与黏度的协同增效,可作为有效的填充介质整合于鱼糜蛋白网络之中,从微观结构上强化了凝胶基质,宏观上则体现为凝胶强度与持水性的显著改善。本研究不仅阐明了温度调控对淀粉-鱼油复合物形成与功能特性的影响,也为开发具有定向质构改良功能的新型食品配料提供了理论依据与实践参考,具有重要的科学应用价值。
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