朱坤,劉緣勤,范盛玉,段雅潔,陳厚榮,張甫生
(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)
隨著消費者對動植物保護(hù)、生態(tài)環(huán)境和營養(yǎng)健康的關(guān)注,植物基素食,植物基創(chuàng)新性食品愈趨多樣化,受到廣大消費者的青睞[1-3]。植物基素食是利用植物類食品原料模擬天然葷類食品的營養(yǎng)、形狀、質(zhì)地、色澤、風(fēng)味等制成的仿生食品或模擬食品,其綠色環(huán)保、營養(yǎng)均衡、口感獨特[4-5]。近年來,消費者對仿生食品-凝膠素食的關(guān)注由營養(yǎng)和外形提升到兼顧色澤與口感的層次,色澤鮮艷的凝膠素食更能滿足消費者的感官需求。目前市場上的凝膠素食多是以魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)為基材制備的多糖凝膠[6],色澤單一且難賦色。因此如何制備出色澤鮮艷穩(wěn)定且質(zhì)構(gòu)性能良好的魔芋凝膠素食是現(xiàn)今凝膠素食領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。
目前對魔芋凝膠進(jìn)行賦色主要是通過直接添加色素物質(zhì)[7]或者利用蛋白質(zhì)易與色素等小分子物質(zhì)相結(jié)合的性質(zhì)與蛋白質(zhì)復(fù)配,對魔芋凝膠進(jìn)行賦色[8]。因魔芋凝膠是水溶性體系,色素不易直接與凝膠體系相結(jié)合,致使凝膠賦色難。大豆分離蛋白(soybean protein isolate,SPI)是一種可替代動物蛋白的高營養(yǎng)優(yōu)質(zhì)植物蛋白[9-10],也是植物基食品的優(yōu)質(zhì)原料[11]。已有研究表明利用大豆分離蛋白凝膠特性與多孔空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可結(jié)合或包埋姜黃素[12]、花青素[13]、茶多酚[14]等色素及營養(yǎng)物質(zhì)小分子。辣椒紅色素(capsanthin,CAP)是目前在仿生食品領(lǐng)域使用最廣泛的天然色素之一[15],其色澤鮮艷,著色力強(qiáng),保色效果好,具有一定的營養(yǎng)價值和保健功能[16]。目前對魔芋凝膠體系中添加CAP的研究僅限于CAP的微膠囊包埋研究[17-18],而魔芋凝膠制備過程中KGM、SPI、加堿量各組分對凝膠混合體系的色素穩(wěn)定性及其質(zhì)構(gòu)性能的研究較少。
基于此,本研究擬將KGM、SPI與CAP進(jìn)行復(fù)配,通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗,探究并優(yōu)化KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的制備工藝條件,并利用質(zhì)構(gòu)、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(Fourier-transform infrared spectroscopy,FT-IR)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)等技術(shù)手段對復(fù)合有色凝膠的質(zhì)構(gòu)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,探究KGM和SPI這2種生物大分子復(fù)配形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對CAP的包埋效果,以期為多彩凝膠素食、賦味、賦營養(yǎng)物質(zhì)的新型復(fù)合凝膠的生產(chǎn)開發(fā)提供理論和技術(shù)指導(dǎo),增加產(chǎn)品多樣性,滿足市場對植物基凝膠素食產(chǎn)品的需求。
魔芋精粉(食品級),浙江上方生物科技有限公司;大豆分離蛋白(食品級),北京索萊寶科技有限公司;丙酮(分析純),重慶川東化工公司;氫氧化鈣(食品級),上海優(yōu)樂滋食品配料有限公司;KBr(分析純),成都市科隆化學(xué)品有限公司。
JJ-1精密增力電動攪拌器,金壇市城東新瑞儀器廠;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋,常州奧華儀器有限公司;SL602 N高精顯電子天平,上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司;TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀,英國Stable Micro System公司;SF-756P紫外可見分光光度計,上海光譜儀器有限公司;Spectrun100傅里葉變換紅外光譜儀,美國PerkinElmer公司;Phenom Pro掃描電子顯微鏡,荷蘭Phenom World公司;Avanti J-30I真空冷凍干燥機(jī),美國貝克曼有限公司。
1.3.1 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的制備
將一定量的SPI和CAP溶于水中,待溶解完全后緩慢加入稱量好的KGM,充分?jǐn)嚢枋筀GM完全分散到SPI和CAP分散液中,加入凝固劑氫氧化鈣攪拌混合均勻,充分溶脹并反應(yīng)4 h,平整表面,在90 ℃下恒溫水浴40 min,立即冷卻至室溫并存放于4 ℃過夜待測。
1.3.2 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的質(zhì)構(gòu)特性
參照徐曉萍等[19]的方法測定復(fù)合有色凝膠的質(zhì)構(gòu)特性。質(zhì)構(gòu)測試條件為壓縮模式,探頭:P/0.5,測前速率:2.0 mm/s,測試速率:1.0 mm/s,測后速率:5 mm/s,形變量:60%,觸發(fā)力:0.05 N,數(shù)據(jù)采集速率:200 pps。每個試樣重復(fù)測定6次。
1.3.3 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的色素保留率
參照文獻(xiàn)的方法測定復(fù)合有色凝膠的色素保留率并有所改進(jìn)[18,20]。準(zhǔn)確稱取一定量試樣于試管中,加入10 mL丙酮,室溫下超聲處理直至CAP被完全提取出來。取1 mL提取液用丙酮稀釋5倍,以丙酮作參比液,用分光光度計在460 nm波長處測定其吸光度。
吸光度460 nm,按公式(1)計算:
(1)
式中:A,實測試樣溶液的吸光度;f,稀釋倍數(shù);m,試樣質(zhì)量,g;100,換算系數(shù)。
(2)
1.3.4 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的FT-IR光譜
將制備的KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠預(yù)冷凍24 h,放入真空冷凍干燥機(jī)冷凍干燥48 h,按1∶100的質(zhì)量比與KBr混勻并在瑪瑙研缽中研碎,壓片,用傅里葉紅外光譜儀以4 cm-1的速率在4 000~400 cm-1波長范圍內(nèi)掃描測定。
1.3.5 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的SEM觀察
將制備的KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠預(yù)冷凍24 h,放入真空冷凍干燥機(jī)干燥48 h,將干燥好的樣品保存待用。掃描電鏡前,將樣品塊用固定膠黏于樣品銅臺,在真空度10-2~10-3Pa,濺射電壓1.1 k~1.2 kV,鍍膜時間2~3 min條件下鍍金,放置10 min,送入電鏡觀察,選擇有代表性的區(qū)域拍攝[21]。
1.3.6 試驗設(shè)計
1.3.6.1 單因素試驗設(shè)計
選取對試驗影響較大的因素:經(jīng)前期預(yù)實驗,選擇KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%)、SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)、氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%),研究各因素對色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響。
1.3.6.2 響應(yīng)面試驗設(shè)計
在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,以KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)(6%、6.5%、7%)、SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%、0.2%、0.3%)、氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%、0.15%、0.2%)為響應(yīng)因素,以色素保留率和凝膠強(qiáng)度為響應(yīng)值,設(shè)計3因素3水平的響應(yīng)面試驗。
采用Origin 2019與Design-Expert處理分析實驗數(shù)據(jù),每組試驗重復(fù)3次,試驗結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示。
2.1.1 KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響
KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠的色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響如圖1所示。隨著KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合凝膠的色素保留率呈先上升再穩(wěn)定后降低趨勢。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%時色素保留率達(dá)到最大值,顯著提高了16.34%(P<0.05),在7.0%~7.5%顯著降低(P<0.05)。而凝膠強(qiáng)度隨著KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先上升后穩(wěn)定趨勢。在7.0%達(dá)到最大值,顯著提高了73.94%(P<0.05),在7.0%~7.5%保持穩(wěn)定。
圖1 KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響
當(dāng)KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時,KGM與SPI兩者相互作用較弱,形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠致密,結(jié)構(gòu)松散;而隨著KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,SPI分子在水溶液中結(jié)構(gòu)伸展,與KGM分子通過氫鍵作用結(jié)合,產(chǎn)生一定的協(xié)同作用[21],兩者相互作用加強(qiáng),形成結(jié)構(gòu)致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),更易截留色素小分子,因此色素保留率逐漸升高,凝膠強(qiáng)度增大。而在7.0%~7.5%時,可能是因為KGM含量太高,KGM分子成團(tuán)現(xiàn)象比較嚴(yán)重,不能充分溶解,相互結(jié)合不緊密,致使形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均勻[18,23],色素小分子不易被包埋在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,因而色素保留率降低,且凝膠強(qiáng)度不能進(jìn)一步提高。因此,綜合考慮選取,KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6.0%~7.0%可滿足KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的制備要求。
2.1.2 SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響
SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響如圖2所示。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,復(fù)合凝膠的色素保留率和凝膠強(qiáng)度均呈先上升后降低趨勢。當(dāng)SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%時,色素保留率和凝膠強(qiáng)度均達(dá)到最大值,分別顯著增大了19.32%,20.01%(P<0.05)。
圖2 SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響
當(dāng)SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時,KGM與SPI兩者相互作用形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不夠致密,結(jié)構(gòu)稀疏多孔,使得色素小分子不能穩(wěn)定結(jié)合在凝膠內(nèi)部,因此色素保留率較低;隨著SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,SPI分子伸展,與KGM分子間的氫鍵互補(bǔ)作用加強(qiáng),在一定程度上產(chǎn)生協(xié)同增效作用,可能對色素小分子有更強(qiáng)的包埋作用,因此色素保留率提高,凝膠強(qiáng)度上升;當(dāng)SPI含量進(jìn)一步增加,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得疏松,致密度大大降低,導(dǎo)致色素保留率和凝膠強(qiáng)度的降低[24]。因此,綜合考慮選取SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%~0.3%時可滿足KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠制備要求。
2.1.3 氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響
氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響如圖3所示。隨著氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,色素保留率呈先穩(wěn)定后降低趨勢,凝膠強(qiáng)度呈先上升后降低趨勢。在0.05%~0.15%,色素保留率保持穩(wěn)定,凝膠強(qiáng)度顯著增大了179.55%并達(dá)到最大值(P<0.05);在0.20%~0.25%,色素保留率和凝膠強(qiáng)度均顯著降低(P<0.05)。
圖3 Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合有色凝膠色素保留率和凝膠強(qiáng)度的影響
氫氧化鈣對復(fù)合有色凝膠的作用主要體現(xiàn)在OH-離子對共聚物分子之間相互作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[25]。在堿性條件下加熱,KGM分子發(fā)生脫乙酰,在一定的范圍內(nèi),加堿量越大,脫乙酰程度愈高,部分分子間相互交聯(lián)纏繞,相互作用增強(qiáng),促進(jìn)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,因此對CAP有一定的包埋作用,且凝膠強(qiáng)度也不斷增加[26-28];當(dāng)氫氧化鈣添加量過多,KGM發(fā)生部分降解,復(fù)合凝膠的膠溶作用大于凝膠形成作用,不能形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時CAP屬于天然色素,當(dāng)體系堿性太強(qiáng),CAP在體系中可能不穩(wěn)定,因而色素保留率和凝膠強(qiáng)度降低[29]。且當(dāng)氫氧化鈣添加量過多,復(fù)合有色凝膠有明顯的堿味和腥臭味,依據(jù)實際食品的酸堿性要求,綜合考慮選取氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%~0.2%制備 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠。
2.2.1 響應(yīng)面試驗優(yōu)化
在單因素試驗的基礎(chǔ)上,以KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為響應(yīng)因素,色素保留率和凝膠強(qiáng)度為響應(yīng)值進(jìn)行試驗,試驗設(shè)計及結(jié)果如表1所示。
表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果
2.2.2 響應(yīng)面分析
各因素間交互作用對色素保留率的影響如圖4所示,KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互作用不顯著,KGM與氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)間交互作用顯著;各因素間交互作用對凝膠強(qiáng)度的影響如圖5所示,KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)3者間交互作用顯著。
a-KGM與SPI交互作用;b-KGM與Ca(OH)2交互作用;c-SPI與Ca(OH)2交互作用
a-KGM與SPI交互作用;b-KGM與Ca(OH)2交互作用;c-SPI與Ca(OH)2交互作用
經(jīng)軟件分析,最佳制備工藝條件:KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.57%,SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%,氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%,在此條件下復(fù)合有色凝膠的色素保留率理論上可達(dá)到84.68%,凝膠強(qiáng)度382.19 g。為驗證實驗結(jié)果是否與真實情況相一致,將最佳工藝條件修正為KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%,SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%,此條件下復(fù)合凝膠的色素保留率為84.26%,凝膠強(qiáng)度為376.65 g,與預(yù)測值相近,可見回歸模型能很好地預(yù)測混合凝膠的性能,指導(dǎo)復(fù)合有色凝膠的制備。
選取KGM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%,SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,氫氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的配比制備的復(fù)合有色凝膠與優(yōu)化制備后的復(fù)合有色凝膠進(jìn)行質(zhì)構(gòu)性能對比,結(jié)果如表2所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn):優(yōu)化制備前后復(fù)合有色凝膠的凝膠強(qiáng)度、硬度、咀嚼性差異比較明顯;優(yōu)化制備后復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度、硬度、咀嚼性分別提高了約91.09%、6.09%和24.83%,均顯著高于優(yōu)化制備前,此結(jié)果與徐曉萍等[19]對魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白混合凝膠質(zhì)構(gòu)性能的研究結(jié)果基本一致,原因是優(yōu)化制備的條件下,KGM和SPI兩者之間相互作用加強(qiáng),產(chǎn)生一定的協(xié)同作用[21],形成結(jié)構(gòu)致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得復(fù)合有色凝膠質(zhì)構(gòu)性能得到一定程度的改善,具有更高的彈性和韌性,口感更獨特。
表2 KGM/SPI/CAP 復(fù)合有色凝膠的質(zhì)構(gòu)性能分析
如圖6所示,優(yōu)化制備前后KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的譜線基本一致,未出現(xiàn)新的吸收峰。在3 200~3 650 cm-1附近處是-OH的伸縮振動峰,復(fù)合凝膠中-OH的吸收峰都出現(xiàn)在3 435 cm-1,為多糖的特征峰[5];在2 800~3 000 cm-1出現(xiàn)吸收峰表明存在-CH鍵伸縮振動,在1 650~1 900 cm-1表明分子間存在C=O雙鍵的伸縮振動;在1 725 cm-1左右未出現(xiàn)明顯吸收峰,而該處吸收峰屬于乙?;萧驶纳炜s振動峰,表明復(fù)合有色凝膠脫乙酰;1 630 cm-1附近是氫鍵的吸收峰,優(yōu)化制備前后復(fù)合凝膠在1 638 cm-1出現(xiàn)吸收峰,表明復(fù)合有色凝膠分子間存在氫鍵作用;有研究表明KGM與SPI兩者間的相互作用以氫鍵為主,主要是因為KGM為非離子多糖,親水性極強(qiáng),且SPI和KGM分子鏈上含有大量的羥基、氨基、羰基等基團(tuán),從而促進(jìn)氫鍵的形成[30];在1 000~1 250 cm-1范圍內(nèi)代表C-O單鍵的伸縮振動;877 cm-1、812 cm-1左右處是KGM中甘露糖的特征吸收峰[31-32]。在復(fù)合凝膠的紅外光譜曲線中,這一系列特征峰的伸縮振動表明優(yōu)化制備前后復(fù)合有色凝膠中未產(chǎn)生新的功能基團(tuán),復(fù)合物的功能基團(tuán)和化學(xué)鍵未發(fā)生明顯變化,且分子間存在氫鍵等相互作用力。
圖6 KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠的FTIR圖
如圖7所示,各物質(zhì)不同配比所形成的凝膠體系的微觀結(jié)構(gòu)差異較大。優(yōu)化制備前的復(fù)合有色凝膠結(jié)構(gòu)疏松,呈無規(guī)則多孔結(jié)構(gòu),空洞間的連接部分粗細(xì)不均,孔隙較大,分布不均勻,“空穴”度大,且結(jié)構(gòu)不連續(xù),斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重(圖7-a);而優(yōu)化制備后的復(fù)合有色凝膠可以明顯觀察到均勻的內(nèi)部孔隙,且結(jié)構(gòu)連續(xù)有序,似“蜂窩狀”,呈現(xiàn)致密的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖7-b),此結(jié)論與龔加順等對魔芋葡苷聚糖與大豆分離蛋白混合凝膠體系的研究結(jié)果類似[24]。主要原因是復(fù)合凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由KGM形成的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主,SPI所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輔,在適當(dāng)比例下兩者結(jié)構(gòu)相互疊加,相互作用加強(qiáng),形成致密穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[33-34]。優(yōu)化制備后復(fù)合有色凝膠體系內(nèi)部相互作用加強(qiáng),穩(wěn)定性提高,可能更易于色素小分子的吸附或結(jié)合,使得優(yōu)化制備后的復(fù)合凝膠呈現(xiàn)良好的色澤,具有更高的色素保留率和凝膠強(qiáng)度,與之前對復(fù)合有色凝膠的質(zhì)構(gòu)性能分析結(jié)果一致。因此,優(yōu)化制備后的工藝條件有效地改善復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)和性能。
a-優(yōu)化制備前的復(fù)合有色凝膠;b-優(yōu)化制備后的復(fù)合有色凝膠
優(yōu)化制備的KGM/SPI/CAP復(fù)合有色凝膠具有較好的色素保留率和凝膠強(qiáng)度,其色澤鮮艷穩(wěn)定,改善了魔芋凝膠難賦色現(xiàn)狀。此外對復(fù)合有色凝膠的質(zhì)構(gòu)特性和微觀結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)優(yōu)化制備的復(fù)合有色凝膠質(zhì)構(gòu)性能提高,三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更致密且連續(xù)均勻,進(jìn)一步證實優(yōu)化制備的復(fù)合有色凝膠具有更好的賦色和質(zhì)構(gòu)性能。因此可利用KGM及SPI這2種高分子聚合物分子鏈組裝形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包埋或截留體系中的色素、風(fēng)味等小分子或者多酚等營養(yǎng)物質(zhì),研發(fā)新型功能性食品,拓展植物基凝膠素食發(fā)展方向,改善凝膠素食在食品領(lǐng)域的發(fā)展前景。