不同品种茄肉匀浆物乳化特性 及流变特性的探究

卫璐琦,张雅玮,朱玉霞,刘彤彤,鲍英杰,彭增起,周光宏

(南京农业大学食品科技学院,食品安全与营养协同创新中心,江苏南京 210095)

乳化剂在食品、药品、化妆品等领域应用广泛,而常用的食品乳化剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na)和吐温80(P80))可能会改变肠道微生物群组成和定植,诱导肠道炎症和代谢综合征[1]。Chassaing 等[2]研究表明,过去半个世纪以来,CMC-Na和P80消费的增长可能是导致炎症性肠病(IBD)和代谢综合征的发病率高的原因,较低浓度的CMC-Na和P80可以破坏上皮细胞粘液屏障,促进激活促炎基因的表达,促进上皮细胞的细菌易位,增加肠道菌在上皮细胞上的附着,引发低度炎症和代谢综合征,并可能引起小鼠的体重和血糖的增加。此外,小鼠肠微微生物群落还可从暴露于乳化剂的母代小鼠转移到未暴露于乳化剂的胚胎,造成部分传递代谢综合征。因此,对于安全的天然来源的食源性乳化剂的研究和开发越来越受到人们的关注。Winuprasith等[3]从山竹果皮提取微纤化纤维素(MFC),探究其浓度对O/W型乳液的稳定性和乳液性质的影响,研究表明乳状液的平均粒径的大小、色泽、弹性及稳定性随着MFC浓度(0.05%～0.70%)的增加而增加,MFC颗粒主要吸附在乳液液滴的油-水界面处,过量非吸附MFC颗粒主要存在于连续水相中,且其含量随着MFC浓度的增加而增加。Zhuang等[4]研究了甘蔗渣(甘蔗不溶性膳食纤维SIDF)对肌原纤维蛋白凝胶的保水性、凝胶强度、微观结构和肌原纤维蛋白二级结构的影响,发现SIDF被固定于凝胶结构中,改变水分分布情况,使凝胶的保水性和凝胶强度提高,有利于形成紧密牢固的蛋白凝胶。然而,山竹果皮、甘蔗渣等虽来源天然,却属于不可食用的部分。目前对于食源的乳化稳定物尚未见报道。

茄子(SolanummelongenaL.)是我国广泛种植的蔬菜之一,其果实中含有丰富的蛋白质、碳水化合物、维生素、钙、磷等营养成分及多种生物碱。Akanitapichat等[5]发现茄子中总酚和黄酮含量较高,具有较强的抗氧化活性以及护肝活性,此外,茄提取物还具有降低胆固醇[6]、抑制肿瘤生长和转移所需血管的形成[7]和抑制炎症、镇痛[8]等作用。张开畅等[9]对5种不同颜色的茄子果皮和果肉进行了营养品质分析。结果表明,茄子中蛋白质含量与可溶性糖含量呈极显著正相关,且紫色茄子的可溶性糖含量和蛋白含量最高,而黑紫色茄子果肉的花青素和类黄酮、总酚含量均最高。本课题组成员李顺等[10]初步证明茄肉匀浆物具有稳定乳状液的能力,可形成稳定的O/W型乳状液。不同地区茄子品种差异非常大[11-12]。这不仅与不同地域具有的不同消费习惯有关,也与不同品种栽培的生态适应性有关[11]。

本文以市场常见的三个品种茄子为原料,探究不同品种茄肉之间营养物质成分差异,以及各品种茄肉匀浆物稳定乳状液能力和流变特性的差异,以筛选出乳化能力最佳的茄子品种,为开发以茄子为原料的食源乳化稳定剂提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

快圆茄(A茄)(紫色,横径约10 cm,单果重约500 g,成熟度一致) 采自南京众彩物流蔬菜市场;大龙茄(简称B茄)(紫色,横径约4 cm,果长约26 cm,成熟度一致) 采自南京众彩物流蔬菜市场;杭茄(C茄)(紫红色,横径约2.1 cm,果长约35 cm,成熟度一致) 采自南京市麦德龙超市;大豆油 采自南京苏果超市金龙鱼品牌;叠氮化钠(NaN3) 分析纯,Sigma公司。

Kjeltec8100型全自动凯氏定氮仪 丹麦FOSS公司;Waring Blender型组织捣碎机 美国Waring 公司;T25型高速均质机 德国IKA公司;Mastersizer 2000型激光粒度仪 英国Malvern Instruments公司;Allegra 64R型高速冷冻离心机 美国Beckman Coulter公司;MCR301型高级旋转流变仪 奥地利Anton Paar有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 不同品种茄子预处理及主要成分测定 快圆茄(A茄)、大龙茄(B茄)和杭茄(C茄),分别选用新鲜且成熟度一致的茄子作为实验样品,用果蔬削皮器对茄子去把去皮,得到茄肉部分。

茄肉中水分、干物质含量的测定,参考《GB 5009.3-2016食品中水分的测定》[13];粗脂肪含量测定参考《GBT 14772-2008 食品中粗脂肪的测定》[14];灰分测定参考《GB 5009.4-2016 食品中灰分的测定》[15];蛋白质含量采用全自动凯氏定氮仪进行测定;半纤维素含量、木质素含量及纤维素含量等的测定参考王金主[16]的方法。除水分含量及干物质含量外,各项含量结果表示干基含量,以平均值±标准差的形式表述。

1.2.2 各品种茄子不同茄浆添加量的乳状液制备 茄浆制备:将去把去皮的三个品种的茄子切成大小为0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的小块后放入组织捣碎机中,加入鲜茄1/2质量的去离子水,添加茄子与去离子水总质量0.05%的叠氮化钠以抑制微生物生长,在组织捣碎机中5000 r/min斩拌4 min,得浅褐色或青白色茄浆悬浮液,置于4 ℃冷藏备用,下次使用前重新搅拌悬浮均匀。

以大豆油作为油相,茄浆作为水相,采用油水比3∶7 (V/w)添加不同量的茄浆以制备干物质浓度为1.00%、1.25%、1.50%、1.75%和2.00%的茄乳状液。具体方法如下:分别称取一定量的茄浆悬浮液,并依次加入去离子水至总质量为10.5 g,使得乳状液干物质浓度分别为1.00%、1.25%、1.50%、1.75%和2.00%(干物质浓度的计算方法见下),冰浴条件,用IKA的T25高速匀浆机12000 r/min均质1 min后,沿管壁缓缓加入4.5 mL大豆油继续均质2 min(体系油水比3∶7),获得不同茄浆添加量的新鲜乳状液。

换算干物质浓度的计算方法:

干物质浓度(%,w/v)

式中:W-茄浆悬浮液添加量(g);V-乳状液体系总体积(mL);2/3-稀释倍数。

1.2.3 乳化稳定性分析

1.2.3.1 粒径检测 使用激光粒度仪对各品种不同茄浆添加量的乳状液的粒径大小和粒径分布进行测定分析(测定过程中使用粒度仪自带循环搅拌系统保证乳状液颗粒在双蒸水中均匀分散)。参数设置参考李顺等[10]和Kargar等[17]的方法并进行一定调整:搅拌速度1200 r/min,遮光度10%～15%,水、大豆油折射率分别为1.33、1.46,吸收率设定为0,颗粒平均粒径用体积表面积等效平均值D[3,2]表示。每个浓度测定三次,每次测定获得3组测量值。

1.2.3.2 分层指数CI 取新鲜制备的各组茄肉匀浆乳状液6 mL加入10 mL塑料离心管后立即以4000×g离心5 min[17-19],每个浓度重复三组,用游标卡尺测定底部水层高度(Hs)和总高度(He),计算分层指数CI(creaming index):

式中:Hs表示底部水层高度(mm);He表示乳状液体系总高度(mm)。

1.2.4 流变特性分析 使用高级旋转流变仪对各组新鲜制备的乳状液进行流变特性的测定分析。所有流变学测量使用平行板PP50(直径50 mm),0.5 mm的固定间隙,25 ℃。应变扫描:以固定频率1 Hz进行应变范围为0.01～1000 s-1的应变扫描,以确定线性粘弹性范围。频率扫描:确定线性粘弹性范围后,在线性粘弹性范围内施加0.1%剪切应变进行频率范围为0.1～100 Hz的动态频率扫描,以测定贮能模量G′和损失模量G″。表观粘度测定:以0.01～1000 s-1的剪切速率测定表观粘度。

1.3 数据处理

如无特殊说明,每个处理组设有3个重复,结果以平均值±标准差表示。使用统计分析系统SAS进行统计学分析(SAS Institute Inc.,Cary,NC,USA),采用单因素方差分析的邓肯多重检验(显着性水平0.05)进行多组样本间差异显著性分析。采用Origin 8.0软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 各品种茄子主要成分

表1为A、B、C三种茄子茄肉部分的主要成分表。在不同品种茄子之间进行比较可以发现,不同品种茄子茄肉的水分(鲜基)、干物质(鲜基)存在明显差异,其中C茄干物质含量最高,为7.3%,因此以三种茄子茄肉制备乳状液时,需要考虑干物质含量之间差异性;鲜茄子的主要成分中含量最高的是水分(平均为93.78%),此外,在茄肉干基中,含量最高的四种成分分别为粗蛋白、纤维素、木质素和半纤维素,主要为蛋白类物质和不溶性多糖类。相比于A茄和B茄,C茄具有更高的粗蛋白、纤维素、半纤维素和木质素含量,与姚元干[20]研究类似,圆茄粗纤维含量较低,条茄粗纤维含量大于圆茄。

表1 各品种茄子茄肉主要成分比重(%)Table 1 Main components of three varieties of eggplants(%)

由于蛋白和部分多糖都具有一定的乳化能力,结合表1成分分析,蛋白和多糖均占茄肉干基比重达三分之一以上,这为茄肉匀浆物所可能具有的乳化特性提供了物质基础。该结果与李顺的研究结论基本一致[10]。

2.2 各品种茄子制备乳状液的稳定性分析

2.2.1 粒径检测分析 图1显示了三种茄肉在不同浓度下制备的乳状液的平均粒径大小,图2显示了三种茄肉在不同浓度下制备的乳状液粒径分布图。

从图1来看,在乳状液干物质浓度较低时(1.00%和1.25%),乳状液中油滴平均粒径较大,多在50 μm 以上,其中A茄和C茄平均粒径显著低于B茄(p<0.05),但A、C茄两者之间差异不显著(p>0.05);当干物质浓度较高时(1.50%、1.75%和2.00%),三种茄子之间差异显著(p<0.05),C茄对应的平均粒径下降幅度最大,最小值达25.26 μm。

从图1及图2中可以看出,随着乳状液干物质浓度的升高,三种茄肉制备的乳状液的平均粒径均明显降低(p<0.05),且粒径分布整体向左偏移,说明茄肉干物质浓度大小决定了茄肉制备的乳状液的油滴粒径大小;其中,C茄在较高干物质浓度条件下平均粒径最小(p<0.05),平均粒径大小随浓度增加而下降幅度最大,整体粒径分布偏移也最明显,粒径分布的最大值和最小值均低于A、B两种茄子,说明相比于另两种茄子,C茄制备的乳状液受浓度影响最大,且乳化稳定性较好。

图1 乳状液平均粒径(μm)Fig.1 Average of droplet diameter(μm)in emulsions

图2 乳状液粒径分布图Fig.2 Distributions of droplet diameter

2.2.2 分层指数CI分析 图3为A茄、B茄和C茄在油水比相同、干物质浓度不同的条件下制备的乳状液离心后的情况。当干物质浓度较低时(1.00%和1.25%),离心后乳状液上层有不同程度明显出油,此时乳状液稳定性较差,乳化效果不佳;当干物质含量适中时(1.50%),不同品种茄肉制备的乳状液呈现不同程度的分层出油现象,A、B茄制备的乳状液离心后上层仍有较为明显的出油现象,而C茄制备的乳状液此时已无明显的油层析出,说明C茄相对于A、B茄的乳状液稳定性相对较好;当干物质浓度较高时(1.75%和2.00%),离心后乳状液上层已无油层析出,乳状液整体乳化效果较好,其中C茄乳状液下部水层析出量最少。因此从宏观角度来看,C茄乳化性能相对最好。

分层指数CI直观地体现了乳状液离心后底部水层占整个体系的比例,该值越小,表示乳状液的稳定性越好。从图3、图4可看出,各品种茄子制备的乳状液离心后的CI值大部分随着干物质浓度的增加而降低;此外,C茄整体分层指数较低,其中C茄在各个干物质浓度下分层指数值均最低,说明在相同干物质添加量时,C茄肉稳定乳状液的效果最好,乳化效果也最好,这与本研究中的平均粒径大小的研究结果一致(图1)。

图3 乳状液离心后数码相机照片Fig.3 Photographs of emulsions after centrifugation

图4 分层指数CIFig.4 CI values of emulsions

Kargar等[17]也发现,增加水包油乳状液中微晶纤维素和改性淀粉的添加浓度,会降低乳状液中油滴的粒径,同时在油滴周围形成较厚的界面膜,从而提高乳液的稳定性。影响乳液稳定性的最重要因素之一是脂滴表面界面层的性质[21-22]。研究表明,由于液滴表面覆盖的界面层的厚度、电荷和包裹状况的不同,由相对厚的多组分界面层稳定的乳状液比在特定条件下通过单组分膜稳定的乳状液能够更好地防止液滴聚集凝结,具有更好的环境抗逆性(例如热处理、冻融循环、脂质氧化和高离子强度)[22]。

2.3 流变学特性分析

图5为不同品种茄子制备的不同浓度乳状液的应变扫描,用于确定不同乳状液样品的线性粘弹性范围,从中可以看出,在0.01%～1%的剪切应变范围内G′和G″值始终保持稳定,G″/G′基本不受剪切应变影响,乳状液呈现线性响应,即相位角在该范围内基本保持不变,说明在该范围内样品对剪切应变的稳定性较好,0.01%～1%这一剪切应变范围称为以茄肉制备的乳状液的线性粘弹性范围。在线性粘弹性范围内,G′值呈现C茄>A茄>B茄的显著性差异(p<0.05),且各品种茄子制备的乳状液在各浓度下G′值均大于相应G″值,样品主要发生弹性形变,呈现典型乳状液特征[10]。在非线性粘弹性范围内,G″逐渐显著大于G′,外界施加于样品体系的能量大部分将变为热量发生不可逆损耗[23]。

图5 不同品种茄子制备各浓度乳状液的应变扫描Fig.5 Shear strain sweep of different emulsions注:实心点表示贮能模量(G′),空心点表示损耗模量(G″)。

在线性粘弹性范围内以0.1%的剪切应变进行频率扫描,结果见图6。粘性模量(损耗模量)与贮能模量的比值G″/G′(即tanδ)反映了样品体系的粘弹性,tanδ值越大,体系粘性越大,tanδ值越小,体系弹性越大。

图6 不同品种茄子制备各浓度乳状液的频率扫描Fig.6 Frequency sweep of different emulsions

从图中可以看出,大致在1～10 Hz的频率范围内,随频率增大,G′和G″值始终保持稳定的略微上升趋势,体系的弹性和粘性都呈现增加趋势。tanδ与频率基本呈良好的线性关系。不同品种茄肉制备的乳状液对频率变化呈稳定趋势的范围略有不同,A茄的稳定线性频率范围在1.12～12.6 Hz之间,B茄的稳定线性频率范围在0.79～12.6 Hz之间,C茄的稳定线性频率范围在0.56～25.1 Hz之间。在线性频率范围内,三种茄肉制备的乳状液在相同浓度下,G′>G″,且tanδ均小于1,呈现典型的类弹性凝胶特征;G′值呈现C茄>A茄>B茄的显著性差异(p<0.05),tanδ值呈现C茄

图7为不同品种茄子制备各浓度乳状液在不同剪切速率下的表观粘度变化情况,在相同干物质浓度的条件下,三种茄子制备的乳状液的表观粘度均呈现C茄>A茄>B茄的显著性差异(p<0.05),是剪切稀化的典型的非牛顿流体。在剪切速率较低时,各品种各浓度乳状液曲线均呈现较高粘度,随着剪切速率不断增大,乳状液粘度呈现不断下降的趋势,部分乳液的曲线斜率甚至有逐渐减小的趋势,呈现类似于假塑形流体的特点。这可能是由于在乳状液静止或受到剪切速率较低时,乳状液内部纤维素、半纤维素、蛋白质等链状分子或大分子相互缠结,形成一定程度的絮凝,并与水油通过分子间作用力或氢键或化学键及物理镶嵌作用相互连结,将油滴固定在复杂的乳状液网络结构中,使得乳状液表观粘度较大。当剪切速率逐渐增大,乳状液内部的分子分布及存在状态受到剪切力的影响,打乱链状分子之间的钩挂连接,卷曲勾结的分子被拉直,并朝着剪切力方向伸展,从而降低了乳状液的表观粘度,呈现剪切稀化的特点,但这种剪切稀化作用是可逆的,当剪切速率减小或乳状液静置时,通过布朗运动,乳状液内部分子间再次恢复至能量最低的自然位置,分子间作用力、氢键等再次形成,乳状液的表观粘度会再次逐渐恢复至较高状态[23-24]。

图7 不同品种茄子制备各浓度乳状液的表观粘度Fig.7 The effect of shear rate on viscosity

3 结论

本文对三个市场常见的茄子品种(A茄:快圆茄;B茄:大龙茄;C茄:杭茄)为原料,进行茄肉主要成分的测定,并对不同茄浆添加量的乳状液的乳化稳定性和流变特性的分析。结果显示,三个品种茄子干基含量最高的主要成分均为具有一定乳化能力的蛋白质类和不溶性多糖类,其中C茄干基粗蛋白、纤维素、半纤维素和木质素等主要成分的含量最高;C茄在各浓度下平均粒径最小,且平均粒径随浓度增加而大幅下降,整体粒径分布随浓度增加偏移最明显,粒径分布范围也小于另外两种茄子;C茄在相同干物质添加量时分层指数值均最低,C茄肉稳定乳状液的效果最好,乳化效果也最好;通过流变学特性测定,在线性粘弹性范围内,G′值呈现C茄>A茄>B茄的显著性差异(p<0.05),tanδ值呈现C茄A茄>B茄的显著性差异(p<0.05)。综合各项研究结果,选择有效乳化干物质含量最高、乳化能力相对最强的C茄,即杭茄作为后续探究茄子来源的乳化剂的开发与应用的原材料。