乳清蛋白-黃油乳液凝膠對低脂酸奶理化特性及品質(zhì)的影響

李紅娟,劉婷婷,鄒璇,趙樹靜,李丹,李媛,李洪波,于景華*

1(天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,天津,300000) 2(妙可藍多(天津)食品科技有限公司,天津, 300000)

為了預(yù)防因攝入脂肪過多而出現(xiàn)的肥胖及其他疾病,越來越多的消費者傾向于低脂酸奶產(chǎn)品。脂肪對酸奶口感及質(zhì)構(gòu)等具有重要的作用,在制作酸奶時減少脂肪含量,會出現(xiàn)許多缺陷,如組織粗糙、黏稠度降低、乳清析出等[1-2]。為解決這一問題,研究者通常添加脂肪替代物來改善酸奶的品質(zhì)[3-4]。脂肪替代物的作用是在保證食品優(yōu)良的感官品質(zhì)和安全性的基礎(chǔ)上,部分或全部代替脂肪,從而降低食物總熱量,以滿足消費者對低脂、低熱量健康飲食的追求。目前市面上主要的脂肪替代物可以分為3大類：第1類是脂肪基質(zhì)的替代物,如磷脂等;第2類是蛋白質(zhì)基質(zhì)的替代物,如微?；榍宓鞍椎龋坏?類是碳水化合物基質(zhì)的替代物,如變性淀粉、菊粉等[5-6]。這3種類別的脂肪替代物研究較多,但其口感及風(fēng)味同脂肪相比仍有待改進。

乳液凝膠是一種半固體材料,在食品工業(yè)中，可添加到低脂食品中以改善產(chǎn)品的感官和質(zhì)構(gòu)[7]。乳液凝膠體系中需要有足夠的蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)包覆的脂肪顆粒構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。乳清蛋白乳液凝膠的形成主要有2種方式,一是加熱法,在有利于蛋白質(zhì)聚集的溶液條件下,將蛋白質(zhì)溶液加熱到球狀蛋白質(zhì)的熱變性溫度以上,蛋白質(zhì)分子展開暴露出巰基和疏水基團,此時二硫鍵和疏水作用促進蛋白質(zhì)聚集,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度很高時,就會形成蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致凝膠形成[8]。另一種是冷致法,在不利于蛋白質(zhì)聚集的條件下,一般選擇pH和離子強度條件在蛋白質(zhì)分子之間產(chǎn)生強烈的靜電排斥力,將蛋白質(zhì)溶液加熱到球狀蛋白質(zhì)的熱變性溫度以上,冷卻后蛋白質(zhì)成為未折疊狀態(tài)。此時改變蛋白質(zhì)溶液的條件如pH,蛋白質(zhì)間的斥力會降低,未折疊的蛋白質(zhì)分子間發(fā)生交聯(lián),最終形成凝膠[9]。乳液凝膠的性質(zhì)受多種因素的影響,研究表明添加鹽離子、乙醇等均可以增強凝膠強度[10-13]。目前雖然已有不少關(guān)于制備乳液凝膠方法的相關(guān)研究,但將乳清蛋白-黃油乳液凝膠顆粒(whey protein-butter emulsion gel particles,WPI-EG)作為脂肪替代物添加到乳制品中的研究很少。

本研究將不同蛋白質(zhì)含量的乳清蛋白溶液經(jīng)預(yù)熱、變性、冷卻調(diào)酸，分別加入不同含量的黃油,最后均質(zhì)得到WPI-EG。將剪切后的凝膠顆粒制備低脂酸奶。通過測定酸奶的持水力、質(zhì)構(gòu)、流變、掃描電鏡和感官評價等指標(biāo),與全脂酸奶、脫脂酸奶及低脂酸奶等進行比較,進而評價WPI-EG作為脂肪替代物在低脂酸奶中的應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新西蘭脫脂奶粉(脂肪含量2%,蛋白含量35%)、全脂奶粉(脂肪含量27%,蛋白含量25.5%),新西蘭恒天然有限公司；乳清分離蛋白(WPI 9410,蛋白質(zhì)含量89%),宏祥生物科技有限公司；黃油(脂肪含量99.8%),內(nèi)蒙古華琳食品有限公司；x-11型發(fā)酵劑,丹麥科漢森公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FJ200-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機,上海標(biāo)本模型廠；Bettersize2600激光粒度分布儀,丹東百特儀器有限公司；TA-XT plus 質(zhì)構(gòu)儀,英國Stable Micro Systems；HAAKE MARS 60動態(tài)流變儀,德國哈克；Lab-1B-50E真空冷凍干燥機,北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡,日本日立公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 WPI-EG的制備

按表1所示配方,制備4種不同蛋白和脂肪質(zhì)量分數(shù)的WPI-EG。將WPI粉末溶于蒸餾水中,在室溫下以8 000 r/min均質(zhì)3 min使其完全溶解,得到的WPI溶液于55 ℃水浴鍋中水合1 h,然后90 ℃變性20 min。取出冷卻至室溫后用檸檬酸調(diào)pH至6.0,加入55 ℃的黃油后10 000 r/min均質(zhì)3 min,最終配制成蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為1.5%、3.5%、5.5%、7.5%,對應(yīng)脂肪質(zhì)量分數(shù)為2.2%、5.0%、7.9%、10.8%的4種WPI-EG[14]。

1.3.2 酸奶制作

原料混合→攪拌→預(yù)熱→均質(zhì)→殺菌→降溫→接種→發(fā)酵→冷卻→后熟

(1)原料混合：稱取奶粉、蔗糖于食用燒杯中,加入WPI-EG、蒸餾水,充分攪拌。

(2)預(yù)熱、均質(zhì)、殺菌、降溫：60 ℃預(yù)熱5 min,8 000 r/min均質(zhì)3 min,85 ℃殺菌15 min,降溫至43 ℃。

(3)接種、發(fā)酵：加入發(fā)酵劑(0.04 g/L),于42 ℃恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵,酸奶 pH約4.5時取出。

(4)冷卻、后熟：酸奶冷卻至室溫后放入4 ℃冰箱中后熟12～24 h,即得成品。

不同蛋白質(zhì)、脂肪質(zhì)量分數(shù)WPI-EG添加量如表1所示。

表1 酸奶配方明細(均為質(zhì)量分數(shù))Table 1 Formula of different yoghurt samples

1.3.3 持水力的測定[15]

酸奶后熟后取約20 g到50 mL 離心管中。以4 000 r/min,4 ℃下離心20 min,棄上清液后將離心管倒置約5 min。持水力按公式(1)計算：

(1)

式中：m1, 離心后樣品和離心管總質(zhì)量,g；m2,離心管質(zhì)量；m,樣品質(zhì)量,g。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)測定

用質(zhì)構(gòu)儀測定酸奶的硬度、稠度、黏聚性和膠著度。探頭型號為 A/BE,觸發(fā)類型：自動-10 g,測前速度1.0 mm/s,測試速度1.0 mm/s,測后速度10.0 mm/s,測定距離為酸奶高度的80%,數(shù)據(jù)采集率為400 pps。

1.3.5 流變測定

酸奶的流變特性參照先前測定頻率掃描和剪切掃描的研究方法[16]。選擇直徑為35 mm 的平板探頭,平板與底面的距離為1 mm,測試溫度設(shè)置為25 ℃,先將酸奶順時針攪拌15次,再逆時針攪拌15次,取0.2 mL于平板上進行測定。首先,頻率固定在1 Hz,應(yīng)變?yōu)?.5%。然后進行樣品測試：剪切掃描,剪切速率從0/s增大到500/s,掃描時間為180 s；頻率掃描,應(yīng)變固定在0.5%,頻率從0.1～10 Hz進行掃描。

1.3.6 掃描電鏡

取酸奶表層約1 cm以下的凝塊,放入盛有體積分數(shù)為2.5%戊二醛溶液的小燒杯中固定4 h,然后用pH 7.2的磷酸鹽緩沖液沖洗3次,每次約15 min,再分別用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇梯度洗脫,每次約15 min,將酸奶凝塊放入平板,封膜后扎孔,放進-40 ℃冰箱中冷凍12 h,取出后進行真空冷凍干燥12 h,樣品鍍金后用掃描電子顯微鏡觀察[17]。

1.3.7 感官測評

由10位與乳品研究相關(guān)人員對酸奶進行感官評分,評分指標(biāo)有色澤、組織狀態(tài)、黏稠度、潤滑感、酸甜感、香氣。感官描述及評分標(biāo)準(zhǔn)見表2,實驗結(jié)果以雷達圖展示。

表2 酸奶感官評定標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of sensory evaluation of yoghurt

1.3.8 統(tǒng)計分析

所有試驗重復(fù)測定3次。數(shù)據(jù)處理和顯著性分析使用SPSS 23.0,實驗結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用單因素方差分析分析組間差異,以P<0.05表示差異顯著。使用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 WPI-EG對酸奶持水力的影響

持水力的大小與凝膠網(wǎng)絡(luò)的相互作用、微觀結(jié)構(gòu)和施加外力的大小有關(guān)[18]。由圖1可知,SMP和LFM酸奶的持水力顯著低于WMP酸奶(P<0.05)。WPI-EG中蛋白和脂肪含量較低時,實驗組酸奶樣品(1.5%PR、3.5%PR)持水力同SMP酸奶相比無顯著差異,且低于LFM酸奶,而5.5%PR組持水力同其他實驗組相比顯著提高,為49.07%。研究表明，酸奶持水力大小主要同酸奶凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密程度及網(wǎng)絡(luò)間孔隙大小相關(guān)[19-20]。WPI-EG對持水力的改善可能是由于乳清蛋白經(jīng)過熱處理后,變性程度增加,暴露出更多的疏水基團和反應(yīng)位點,因此WPI-EG顆粒本身及其同酪蛋白之間更易發(fā)生交聯(lián)[21],同對照相比形成更加緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而增強酸奶持水力。

7.5% PR組酸奶持水力為39.87%,低于5.5%PR組。7.5%PR組中添加的WPI-EG蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量分數(shù)雖然高于5.5%PR組,但7.5%PR組的WPI-EG在酸奶中的添加量(8.0%)低于5.5%PR組(10.9%)；另外,當(dāng)WPI-EG中蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量分數(shù)分別達到5.5%和7.9%時,WPI-EG顆粒在酸奶中可能已經(jīng)結(jié)合蛋白形成了具有足夠強度的凝膠網(wǎng)絡(luò),在此基礎(chǔ)上WPI-EG中蛋白質(zhì)和脂肪含量的輕微增加對酸奶凝膠結(jié)構(gòu)無明顯影響。因此,持水力實驗結(jié)果表明5.5%PR組酸奶可顯著提高酸奶的持水力,提升酸奶品質(zhì)。

圖1 WPI-EG對酸奶持水力的影響Fig.1 Effect of WPI-EG on water holding capacity of yoghurt

2.2 WPI-EG對酸奶質(zhì)構(gòu)的影響

不同酸奶的硬度值如表3所示。1.5% PR和3.5% PR組無顯著差異,實驗組中5.5% PR酸奶硬度最高(58.89 g)。在制備WPI-EG的過程中,對WPI進行了熱改性處理,因此體系中蛋白存在許多交聯(lián)位點,使得變性乳清蛋白與酪蛋白的交聯(lián)增多。較高含量的變性乳清蛋白可改善與脂肪的相互作用,使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密,從而增加凝膠的硬度[22]。研究表明WPI-EG中脂肪含量的增加也可以增強酸奶的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[12]。7.5% PR酸奶的硬度(48.18 g)低于5.5% PR酸奶。此結(jié)果表明,當(dāng)WPI-EG中蛋白質(zhì)和脂肪含量達到一定濃度(蛋白質(zhì)≥5.5%,脂肪≥7.9%)時,WPI-EG的添加量對改善酸奶質(zhì)構(gòu)特性起到了更為重要的作用。

表3 WPI-EG對酸奶質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 3 Effect of WPI-EG on texture properties of yoghurt

稠度是酸奶內(nèi)部摩擦力大小的體現(xiàn)。如表3所示,WMP酸奶的稠度值最高(1 777.81 g·s)。1.5% PR(904.32 g·s)、3.5% PR(938.47 g·s)的稠度值與LFM酸奶無顯著差異。實驗組中5.5% PR酸奶的稠度最高(1 600.82 g·s)。樣品稠度增大可能與熱變性乳清蛋白與黃油結(jié)合形成結(jié)構(gòu)類似脂肪球的乳清蛋白-黃油凝膠顆粒有關(guān),顆粒的增多使樣品內(nèi)部摩擦的幾率增大。

黏聚性能夠體現(xiàn)酸奶內(nèi)部分子間作用力的強度。1.5% PR(40.34 g)、SMP(37.15 g)和LFM(40.67 g)酸奶的黏聚性無顯著性差異。添加WPI-EG的樣品中5.5%PR酸奶的黏聚性最高(74.95 g)。此結(jié)果表明,特定蛋白和脂肪含量的乳清蛋白-黃油乳液凝膠顆粒能結(jié)合更多的水分和脂肪,限制體系中自由的脂肪和水分在酸奶中的運動,從而提高酸奶的凝聚力,即黏聚性增大。

膠著度值表示將樣品破裂成能夠被吞咽狀態(tài)而需要的力。除1.5% PR酸奶外,3.5% PR、5.5% PR和7.5% PR酸奶的膠著度均高于SMP和LFM酸奶。TAMIME等[23]認為,當(dāng)微?；榍宓鞍子米髦咎娲飼r,其功能是模擬脂肪球。

此結(jié)果表明,添加WPI-EG的酸奶與LFM酸奶相比雖然脂肪和蛋白質(zhì)含量相同,但由于乳液凝膠形成類似脂肪球的結(jié)構(gòu),具有一定彈性,因此其膠著度高于LFM酸奶。

2.3 WPI-EG對酸奶流變特性的影響

如圖2所示,所有樣品都呈現(xiàn)出假塑性流體的特征,即表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低。剪切速率在0～50 s-1時所有樣品的表觀黏度均明顯下降,而在50～500 s-1階段下降緩慢。WMP酸奶的表觀黏度在50～500 s-1階段較其他樣品下降緩慢,添加WPI-EG實驗組酸奶除1.5%PR樣品外,其余樣品表觀黏度下降程度較SMP和LFM酸奶緩慢,并且隨著添加WPI-EG中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的增大,表觀黏度隨剪切速率下降減緩,隨著剪切速率增大,蛋白之間的作用力被減弱,減小了分子間的摩擦力,表觀黏度下降,但隨著WPI-EG中蛋白質(zhì)、脂肪含量增加,增強了酸奶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分子間的摩擦,提高了分子之間的成膠性,因此酸奶的表觀黏度下降減緩[24]。

圖2 WPI-EG對酸奶表觀黏度的影響Fig.2 Effect of WPI-EG on apparent viscosity of yoghurt

酸奶具有黏性和彈性特征。當(dāng)G′>G″時,表明樣品的彈性形變優(yōu)于黏性形變,即樣品體現(xiàn)出一定的剛性[25]。由圖3可知,所有酸奶的G′和G″值都隨著剪切速率的增加而增加,WMP酸奶的G′和G″值均高于其他樣品,1.5%PR酸奶G′和G″值低于SMP和LFM酸奶。G′和G″值描述酸奶的凝膠強度,除1.5%PR樣品外,其他實驗組酸奶樣品G′和G″值均高于SMP和LFM酸奶,且7.5%PR酸奶的黏彈性最高,WPI-EG以蛋白包裹脂肪的小顆粒形式存在,使凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為均勻細膩,增大了酸奶的凝膠強度。而5.5%PR酸奶的G′值較高,這一結(jié)果與持水力和質(zhì)構(gòu)結(jié)果相符,酪蛋白與熱處理的乳清蛋白相互作用,使得樣品呈現(xiàn)出具有較好彈性的固體凝膠狀態(tài)。

圖3 WPI-EG對酸奶黏彈性的影響Fig.3 Effect of WPI-EG on viscoelasticity of yoghurt

2.4 WPI-EG對酸奶微觀結(jié)構(gòu)的影響

酸奶的微觀結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)聚集形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),由圖4可看出SMP和LFM酸奶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較松散,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)間孔隙較多,而WMP酸奶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較緊密。表明在WMP樣品中蛋白分子與脂肪球相互結(jié)合,形成較大的聚集體且致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[26-27]。此結(jié)果同TORRES等[6]的研究一致,脂肪球能增強蛋白質(zhì)分子間相互作用,酸奶中脂肪含量增加使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密。添加WPI-EG酸奶的微觀結(jié)構(gòu)比SMP和LFM酸奶的微觀結(jié)構(gòu)更致密、更規(guī)則,可能是變性乳清蛋白與酪蛋白之間的交聯(lián)增多。

圖4 WPI-EG對酸奶微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of WPI-EG on microstructure of yoghurt

蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)從1.5%增加到7.5%的WPI-EG的酸奶,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更緊密和牢固,7.5%PR組三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為粗壯,而5.5%PR組酸奶的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緊密、平整、規(guī)則,這種結(jié)構(gòu)有效提高了樣品的硬度、黏度和持水力。

2.5 WPI-EG對酸奶感官的影響

如圖5所示,SMP和LFM酸奶的整體評分較低,組織狀態(tài)、黏稠度和潤滑感較差,可能是由于脂肪含量低導(dǎo)致乳清析出,WMP酸奶的得分高于兩者。添加WPI-EG酸奶的整體評分隨著WPI-EG中蛋白質(zhì)、脂肪質(zhì)量分數(shù)的增大而升高,5.5%PR酸奶和7.5%PR酸奶樣品感官評分都較高,兩者樣品組織均勻細膩,無乳清析出,黏度適中,口感潤滑。有研究發(fā)現(xiàn),變性乳清蛋白能夠有效改善酸奶中風(fēng)味物質(zhì)的結(jié)合和釋放[28]。本研究中,WPI-EG通過熱變性乳清蛋白將黃油包裹,形成穩(wěn)定的乳液凝膠顆粒,能夠更有效的保留脂肪中的脂溶性的風(fēng)味物質(zhì),提升酸奶風(fēng)味,增加了酸奶的香氣等感官評價指標(biāo)。

圖5 酸奶感官評分雷達圖Fig.5 Radar map of sensory evaluation of yoghurt

3 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)WPI-EG是低脂酸奶中一種有效的脂肪替代物和穩(wěn)定劑。添加WPI-EG生產(chǎn)的酸奶，各項指標(biāo)隨著WPI-EG中蛋白質(zhì)和脂肪質(zhì)量分數(shù)的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化。實驗組中添加含5.5%蛋白、7.9%脂肪的WPI-EG時酸奶的持水力、硬度、稠度、黏聚性和膠著度最高,與低脂對照相比差異顯著；5.5%PR酸奶感官評分較高,尤其是香氣和潤滑性的評價顯著高于其他樣品。因此,在生產(chǎn)低脂酸奶過程中加入特定蛋白、脂肪含量的WPI-EG能夠顯著提升低脂酸奶品質(zhì),在酸奶生產(chǎn)中具有較好的實際意義和應(yīng)用價值。