凝胶乳的制备及其理化特性的研究

郭战阳，郑召君，刘元法

(江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡214122)

脂肪含量对牛肉的品质有重要的影响，脂肪含量高的牛肉具有良好的适口性、风味和多汁性，脂肪含量低的牛肉硬度大、适口性差，具有较低的食用价值和经济价值[1]。虽然关于饱和脂肪酸对人体健康的影响存在争议，但是减少饱和脂肪酸的摄入逐渐成为人们的共识[2]。因此，开发脂质替代品以部分或者全部替代肉制品中的脂肪是当前食品行业关注的焦点。研究者在特定的食品体系中加入脂肪替代物，在保证食物口感的基础上降低脂肪含量，但这些替代物无法从形态上模拟脂肪，特别是连续肉制品和含脂肪粒外观的肉制品中，不具有脂肪组织的固态特征[3-4]。

通过加热蛋白变性、酶作用、添加凝胶或化学方法使乳液的连续相凝胶化或聚集乳液液滴形成的凝胶乳具有固态特征，可以替代固体脂肪加入肉制品中[5]。其中通过添加凝胶的方式制备凝胶乳的工艺较简单，外观上接近脂肪组织，比较适合用来替代脂肪组织加入肉制品中。但是目前国外对此方面的研究主要集中在利用凝胶替代动物脂肪对肉制品性质的影响和在凝胶乳中添加生物活性物质制备健康的脂肪替代品上[6]，关于凝胶类型对凝胶乳性质影响的研究较为匮乏，特别是在冷冻肉制品中使用时，冷冻条件对凝胶乳性质的影响未见报道。

琼脂、结冷胶和明胶都是食品行业中常用的胶体，能在较低的浓度下形成凝胶，三者形成的凝胶性质具有较大差异。琼脂是由d-半乳糖和l-半乳糖组成的胶凝聚合物的混合物，是从海洋藻类中提取的多糖体胶体[7]。琼脂形成的凝胶结构较硬、脆、透明性差，凝胶强度在pH 4～10之间时变化不大[8]。结冷胶是一种微生物胞外多糖，在低用量下就能形成具有高透明性、高热稳定性的凝胶，其形成的凝胶受金属阳离子影响，不同价态金属阳离子诱导形成的凝胶机制和性质不同，0.5%的胶体在约150 mmol/L Na+中能产生最大模量的凝胶，相当于约0.5 mmol/L Ca2+的作用[9- 11]。明胶主要来源于动物的皮、骨骼或结缔组织中的胶原蛋白经过部分水解得到高分子聚合物，属于蛋白类胶体[12]，易于人体消化吸收。明胶形成凝胶的过程为分子由无规则卷曲状态恢复成有序的三螺旋结构的过程，形成的凝胶中氢键起主导作用[13-14]。明胶凝胶具有熔点低、可逆性等优点，不同明胶的性质因原料来源、制备方法不同有所差异。

研究表明，食物中的水在冷冻过程中会结冰形成大小不一的冰晶，形成的冰晶会破坏细胞膜、细胞组织和胶体网络等组织结构，造成食品品质下降，并且形成的冰晶越大对食品的破坏越大[15-16]。冰晶的大小受到降温速率、水分含量、组织结构、导热介质、反复冻融等因素影响。此外对于凝胶乳体系，凝固点较高的油脂，如用牛油、猪油、棕榈油、椰子油等作为分散相时在降温过程中油脂会结晶刺破乳滴的界面层，冷冻时油脂晶体和冰晶共同作用会加重对乳液结构的破坏，冻-融稳定性变差[17-18]。

综上所述，胶体的类型影响凝胶乳的形成和结构，而冷冻会对凝胶乳的结构造成破坏，影响凝胶乳的冻-融稳定性。考察胶体类型和冷冻对凝胶乳品质的影响对利用凝胶乳替代脂肪在食品中使用具有指导意义。因此，本实验采用高熔点的牛脂肪制备乳液，和不同的胶体结合制备凝胶乳，研究胶体的种类和含量对制备的凝胶乳的理化性质的影响以及凝胶乳的冻-融稳定性，为凝胶乳作为脂肪替代物应用于肉制品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

乳清分离蛋白(9410 美国Hilmar)、精炼牛油(张家港统清食品有限公司)、牛骨明胶(冻力220 河北润赢生物科技有限公司)、食盐(江苏省瑞丰盐业有限公司)、琼脂粉(石狮市高新琼脂食品有限公司)、结冷胶粉(内蒙古阜丰生物科技有限公司)、去离子水、硅油。

RW20低速剪切机、T25高速剪切机，德国IKA；AH-2010高压均质机，加拿大ATS；DHR-3流变仪,美国TA；TA·XT2i物性分析仪,英国SMS；UltraScan Pro1166高精度分光测色仪，美国Hunterlab；SORVALL LYNX4000离心机，美国Thermo；4℃恒温箱，德国BINDER；BCD-526WD11HY-20℃冷冻冰箱；水浴锅;分析天平。

1.2 实验方法

1.2.1 凝胶乳的制备

凝胶乳的制备过程如图1所示，不同类型凝胶乳中各种物质的含量见表1。具体制备时略有修改。

图1 凝胶乳的制备过程

(1)乳液的制备(以制备100 g凝胶乳为例)

把食盐溶入水中制备成浓度为150 mmol/L Na+的盐水，用盐水制备胶体溶液和乳液(金属盐离子影响结冷胶的凝胶形成，实验中保持一致)。3 g乳清分离蛋白和27 g 150 mmol/L Na+浓度的盐水室温下搅拌2 h使蛋白充分吸水膨胀，加热至70℃恒温30 min后和70℃熔化的精炼牛油搅拌混合(明胶长时间在70℃以上加热会分解，明胶型凝胶乳在70℃恒温30 min后降温至55℃进行以下步骤)，10 000 r/min高速剪切2 min(每剪切30 s间隔30 s，剪切4次)。高压均质机中10 MPa下均质2次，制得乳液。

(2)胶体溶液的制备和混合制备凝胶乳液

琼脂溶液的制备：按照表1中的比例称取琼脂粉加入150 mmol/L Na+浓度的盐水至40 g，室温搅拌2 h胶体充分吸水溶胀，加热至沸腾状态并保持10 min，然后降温到70℃和乳液按比例混合。

结冷胶溶液的制备：按照表1中的比例称取结冷胶粉加入150 mmol/L Na+浓度的盐水至40 g，室温搅拌2 h胶体充分吸水溶胀，加热至85℃使结冷胶完全溶解，保持10 min后降温至70℃和乳液按比例混合。

明胶溶液的制备：按照表1中的比例称取明胶颗粒加入150 mmol/L Na+浓度的盐水至40 g，室温搅拌2 h胶体充分吸水溶胀，加热至70℃使明胶完全溶解，保持30 min后降温到55℃和乳液按比例混合。

表1 凝胶乳中各种物质的含量 g/100 g

1.2.2 流变性质

表观黏度：利用DHR-3流变仪测定凝胶乳乳液的表观黏度随剪切速率的变化。测试条件： 40 mm平板，间距1 000 μm，剪切速率0.1～100 s-1，温度70℃(明胶型凝胶乳为55℃)。

降温振荡扫描：新制备的凝胶乳乳液在流变仪上测定其降温过程中的弹性模量变化。测试条件：40 mm平板，间距1 000 μm，应力1%(在线性黏弹区范围内)，70℃(明胶型凝胶乳为55℃)下保温60 s后，以2℃/min的速度降温至4℃。

升温振荡扫描：将4℃储藏24 h以上的样品用流变仪测定弹性模量随温度的变化。测试条件：40 mm平板，间距1 000 μm，应力1%(在线性黏弹区范围内)，4℃下保温60 s后，以5℃/min的速度升温至90℃(明胶型凝胶乳60℃)。

流变性质测试过程中表面涂一层硅油防止水分蒸发。

1.2.3 质构特性

样品处理：采用亚克力模板浇注成直径为22 mm，高度为18 mm的圆柱体。将模板在4℃恒温箱内储藏24 h以上，制备好的凝胶乳乳液注入模板，盖上盖子后迅速放入4℃的恒温箱中24 h，使得凝胶充分交联。样品测试前在室温下(20℃)稳定2 h，然后进行物性分析测试，结果以硬度和弹性表示。

使用英国SMS公司生产的单臂机型物性分析仪测定凝胶乳的硬度和弹性。测试条件为P35探头，TPA模式，测试前速度1.00 mm/s，测试速度1.00 mm/s，测试后速度1.00 mm/s，测试形变30%，触发力5.0 g。以第一次下压的最大压力值为硬度，两次下压的压力值比为弹性。实验重复3次。

1.2.4 颜色

把4℃恒温箱中储藏24 h的凝胶乳放在室温下(20℃)均衡2 h后用高精度分光测色仪进行测试，颜色的测试结果用L、a、b值表示，实验重复3次。

1.2.5 冻-融性质变化

把4℃恒温箱中储藏24 h以上的凝胶乳放在-20℃冰箱中进行冷冻，24 h后取出在4℃恒温箱中解冻24 h以上，测试前在室温(20℃)条件下均衡2 h。

质构和颜色的测试方法和测试条件同1.2.3和1.2.4，实验重复3次。

1.2.6 持水力

参照文献[19]的测定方法。准确称取5 g(M1)解冻后的样品置于50 mL的离心管中，4℃条件下10 000 r/min离心15 min，用滤纸小心把水分吸出，然后倒置15 min后用分析天平称重，失水后凝胶乳的质量M2为失水后样品和离心管的总质量减去离心管质量。实验重复3次。持水力按下式计算。

持水力=M2/M1

1.2.7 统计分析

数据分析采用IBM SPSS Statistics 19软件，绘图采用Orgin8.5软件。

2 结果与讨论

2.1 流变性质

2.1.1 黏度(见图2)

凝胶乳乳液的黏度受胶体之间的相互作用和胶体与乳滴之间的相互作用共同影响。由图2可以看出：琼脂型凝胶乳的黏度较高，制备的凝胶乳乳液的黏度随胶体含量增加而升高，剪切速率增大凝胶乳乳液的黏度降低，即剪切变稀属于假塑性流体；结冷胶制备的凝胶乳乳液黏度较低，也属于假塑性流体，胶体含量增加会增加乳液的黏度；明胶型凝胶乳乳液的黏度随胶体含量增加而升高，也属于假塑性流体。

图2 凝胶乳乳液的黏度

2.1.2 降温扫描(见图3)

不同胶体制备的凝胶乳降温过程中性质有很大的差异。由图3可以看出：琼脂型凝胶乳弹性模量随着温度降低而升高，温度在45～25℃时弹性模量上升过程较快，凝胶乳由液态变为固态，形成固态凝胶乳。胶体含量对凝胶乳由液态转变为固态的温度范围没有影响，但整个过程中的弹性模量随胶体含量升高而增加；结冷胶型凝胶乳的弹性模量随温度降低而升高，但过程与琼脂型凝胶乳有明显的不同，55～45℃时弹性模量急剧升高，这说明结冷胶型凝胶乳凝固温度比琼脂的高，并且凝固速率较大，在温度低于凝胶乳的凝固点时能快速形成固态凝胶乳[11]；明胶型凝胶乳的弹性模量增加比较缓慢，在温度低于20℃时开始有较大的变化，说明明胶型凝胶乳的凝固温度较低，形成固态凝胶乳的过程比较缓慢。

图3 凝胶乳的降温扫描

2.1.3 升温扫描(见图4)

图4 凝胶乳的升温扫描

受凝胶乳中脂滴和胶体的空间网络结构影响，凝胶乳在加热过程中状态也会发生变化，牛脂肪的熔点在44.5～49℃之间，加热过程中牛脂肪随温度升高逐渐变软，直至变成液态[20]。由图4可以看出：琼脂型凝胶乳在4～90℃的加热过程中弹性模量先下降后逐渐保持稳定，但弹性模量值较大，表明琼脂型凝胶乳在加热过程中结构逐渐变软，凝胶乳在被加热到90℃时结构依然保持固态，相比4℃时状态较软；结冷胶型凝胶乳变化特性与琼脂型凝胶乳相似，加热到90℃的过程中凝胶乳结构变软，依旧保持固态；明胶型凝胶乳的弹性模量值在4～25℃基本保持不变，25～35℃时弹性模量急剧下降，温度大于35℃时具有较低的弹性模量，由弹性模量和黏性模量的比值(图中未显示)可知，在25～35℃的加热过程中凝胶乳的状态由固态变为液态。利用明胶型凝胶乳作为脂肪替代品应用在肉制品中时，加热过程中凝胶乳熔化成液态能形成多汁的口感，增加产品的适口性和多汁性。

2.2 质构特性(见图5、图6)

图5 凝胶乳的硬度

食品的质构是影响食品口感的重要因素，凝胶乳的质构由硬度和弹性表示。由图5、图6可以看出：琼脂型凝胶乳具有较高的硬度，且随胶体含量增加而升高，琼脂型凝胶乳弹性较差，且胶体含量对弹性没有影响；结冷胶型凝胶乳硬度较低，弹性较小，胶体含量增加时凝胶乳的硬度增加，弹性没有明显变化；明胶型凝胶乳的硬度较小，但具有较好的弹性，胶体含量增加时硬度增加，弹性略微下降。

冷冻过程中水结晶形成冰，降低了水和胶体、蛋白之间的相互作用，并且能破坏胶体形成的空间网络结构，并和油脂结晶共同作用破坏界面层，这对凝胶乳的内部结构造成了极大的破坏[21]。

由图5、图6可以看出，冻-融前后凝胶乳的硬度和弹性都有较大的差异。琼脂型凝胶乳冻-融后硬度降低，弹性变差，这是因为琼脂型凝胶乳冷冻后形成海绵状，凝胶乳结构被破坏；结冷胶型凝胶乳冻-融后硬度增大，弹性降低，这是因为牛油在降温过程中结晶形成固态，这些晶体和冰晶的共同作用会破坏乳滴的界面层，并且水结冰过程体积增大破坏胶体之间的作用力，还会挤压乳滴造成乳滴聚集，使得胶体空间网络结构的作用减弱，乳滴聚集形成的结构增强，造成凝胶乳的硬度增加，弹性降低。明胶型凝胶乳经冻-融后硬度增加，弹性降低，其原因与结冷胶型凝胶乳相同。但明胶型凝胶乳的胶体含量对冻-融前后硬度和弹性的差值有很大的影响，胶体含量越大差值越小，这说明明胶含量增加有利于保持凝胶乳结构的冻-融稳定性。

图6 凝胶乳的弹性

2.3 颜色(见表2)

颜色影响食品的感官性质，拥有好的色泽能增加人们对食品的喜爱，健康的动物脂肪具有亮丽的雪白色或淡黄色[22]。由表2可以看出，L值可以看出3种胶体制备的凝胶乳都具有亮丽的白色，能够在外观上较好地模拟动物脂肪，也符合国标中对肉制品中脂肪颜色的分级。琼脂形成的凝胶呈不透明的浅白色，其制备的凝胶乳的L值随胶体含量增加而降低，a、b值变化不大。胶体含量对结冷胶型凝胶乳的L值没有明显影响。明胶呈淡黄色，用明胶制备的凝胶乳随胶体含量增加L值降低，b值增加。

凝胶乳的颜色受胶体的性质、乳液的粒径、浓度、折射率的影响[23]。冷冻过程中凝胶乳中的油脂结晶和水结冰会破坏界面层和胶体的空间网络结构，造成乳滴的聚集，改变凝胶乳的内部结构，使外观颜色发生改变。

表2 凝胶乳冻-融前后的颜色值

由表2可以看出，经冻-融后凝胶乳颜色L值降低、b值增加，外观表现为颜色变暗、黄色加深。并且琼脂和结冷胶含量增加对其制备的凝胶乳冻-融前后颜色差值没有明显影响，明胶型凝胶乳随明胶含量增加冻-融前后颜色差值降低，这说明琼脂和结冷胶含量对凝胶乳冻-融前后颜色的稳定性没有明显影响，明胶含量增加有利于保持凝胶乳的颜色稳定。

2.4 持水力(见图7)

凝胶乳的持水力受胶体形成的空间网络对水的截留和蛋白、胶体与水分子的结合作用共同影响，对未冷冻的凝胶乳在同样条件下离心并没有水分流出(结果未显示)。冷冻过程中凝胶乳中胶体空间网络截留的水会结晶破坏凝胶乳中的胶体空间网络结构，融化后胶体不能完全恢复对水分的限制能力，水分会流出，凝胶乳的持水力变差。

由图7可以看出:琼脂型凝胶乳冻-融后持水力较差，并且胶体含量的增加对凝胶乳的持水力没有明显影响；结冷胶型凝胶乳的持水力性质和琼脂型凝胶乳相似，胶体含量对持水力没有影响；明胶型凝胶乳的持水力随胶体含量增加而增加，胶体含量为5%时，持水力达到0.983，表明胶体含量较高的明胶型凝胶乳具有较好的冻-融稳定性。

图7 冻-融后凝胶乳的持水力

3 结 论

研究表明，不同胶体制备的凝胶乳在室温状态下都能呈现固态、白色的外观性质。胶体种类和含量对凝胶乳的性质有很大的影响，琼脂和结冷胶制备的凝胶乳弹性较差，凝固温度较高，加热过程中保持固态，结构变软。 明胶制备的凝胶乳具有较低的凝固温度，凝胶乳硬度较低，弹性较高，加热过程中变为液态。冷冻过程中水结冰和油脂结晶会对凝胶乳的结构造成破坏，凝胶乳的颜色变暗，弹性降低，持水力变差；使得凝胶乳作为动物脂肪的替代物使用在冷冻食品中时受到很大的限制，需要通过降低冷冻对凝胶乳的破坏程度提高凝胶乳的冻-融稳定性，再使用在冷冻食品中。