不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油的影响

傅礼玮,曾茂茂,何志勇,秦 昉,陈 洁

(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)

搅打稀奶油是一种多用途的产品,它除了作为顶饰用来装饰生日蛋糕等糕点外,还可广泛应用于糖果和烘焙产品中[1]。目前市场上除了天然奶油外,植脂人造稀奶油也被广泛使用。植物基搅打稀奶油是一种以植物脂肪、玉米糖浆等为主要原料,添加乳化剂、增稠剂、香精等加工而成的一种奶油仿制品[2]。天然稀奶油和植脂人造稀奶油都属于一类经历搅打过程后可最终形成充气的泡沫结构的搅打乳状液,搅打完后产生的泡沫结构决定了奶油最终的质量性能[3]。在搅打稀奶油中加入乳化剂会使搅打稀奶油成为稳定的乳状液,并可以提高稀奶油的充气速度和膨胀率,促进脂肪部分凝聚形成的三维网络结构成为搅打稀奶油的骨架,使气泡保持更加稳定。

随着人们生活水平的提高和消费观念的改变,植物基搅打稀奶油越来越成为消费者的选择[4]。大豆油体作为大豆的重要脂肪储存球形的细胞器[5],是由三酰甘油酯(TAG)(干重的94%～98%)为核心,被单层磷脂(0.6%～2%)所包裹的特殊结构,其含有的蛋白质含量为0.6%～4%。大豆油体与稀奶油类似,是一种天然的预乳化油,分散在水介质中时可以形成天然稳定的乳液体系。通常将豆浆高速离心后,可以得到大豆油体,其水分含量为45%～55%,油脂含量为30%～35%,具体油脂含量取决于加工条件。鉴于大豆油体具有良好的乳化特性,大豆油体的应用得到了越来越多的关注和研究。目前,关于大豆油体的应用研究主要集中于新型乳液食品[6],比如冰淇凌、千岛酱等。大豆油体还在化妆品[7]和药物[8]中也有所应用,比如护肤膏、治疗剂等。目前几乎没有大豆油体应用于搅打稀奶油的报道,所以本研究以大豆油体为原料制备高性能的搅打稀奶油。

尽管大豆油体具有与天然稀奶油类似的组成,但由于大豆油体中固体脂肪含量不足,难以直接作为搅打稀奶油使用。基于此,本研究以大豆油体为主要原料,配以椰子油,将油脂中固体脂肪含量调整到适合于搅打稀奶油体系,研究乳化剂(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐温80)对大豆基搅打奶油的物理性质的影响,为制造天然大豆基搅打稀奶油提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

大豆(东深7号) 东北大豆研究所;吐温80 国药集团化学试剂有限公司;大豆皂苷 西安通泽生物科技有限公司;大豆卵磷脂 苏州福莱德生物科技有限公司;大豆多糖 平顶山金晶生物科技股份有限公司;椰子油、天然稀奶油(油脂含量34%) 无锡本地超市;其他化学品均为分析纯;去离子水 用于制备所有试剂和样品。

Zetasizer nano ZS型激光粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司;HAAKE MARSⅢ型流变仪 赛默飞世尔科技(中国)有限公司;RW20型悬臂式机械搅拌器 苏州赛恩斯仪器有限公司;AH-BASIC型高压均质机 乐荣恩科技有限公司;GL-10MD型大容量高速冷冻离心机 湘仪离心机仪器有限公司;JJ-2型组织捣碎机 方科仪器(常州)有限公司;DDQ-A40A1型家用电动打奶油机 北京京东世纪贸易有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大豆油体的制备 根据Chen等[9]的方法,略作修改。在25 ℃下,将大豆在去离子水1∶5 g/mL中浸泡12 h,将浸泡过的大豆加入3倍体积去离子水后用搅拌机(800 r/min,1 min)研磨。将匀浆通过两层纱布过滤,得到大豆水提取物(生豆浆)。将生豆浆在75 ℃下加热30 min,加入20%(w/w)的蔗糖,4 ℃离心(6500 r/min,30 min)处理得到上层漂浮部分即为大豆油体。

1.2.2 大豆基搅打稀奶油乳状液的制备

1.2.2.1 基本配方 大豆油体28%,氢化椰子油20%,去离子水35%,白砂糖15%,乳化剂(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐温80)2%,将不加大豆乳化剂的大豆基搅打稀奶油和天然稀奶油作为对照。

1.2.2.2 工艺流程 搅打大豆基稀奶油的制备流程[10]如图1:将实验材料分为水相和油相两大部分,水相包括大豆油体、水、白砂糖,油相包括氢化椰子油、不同乳化剂(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐温80)。在70 ℃下,分别将水相完全溶解,并将油相充分分散,搅拌状态下将水相缓慢加入到油相中,在该温度下对乳液进行热处理60 min,然后在30 MPa均质压力下均质30 s,再将均质后的乳液降温至15 ℃,并于4 ℃下老化4 h,迅速冷冻至-18 ℃,冷冻24 h以上。搅打前将乳液于4 ℃解冻24 h。

图1 大豆基搅打稀奶油的制备工艺流程Fig.1 Preparation process of soy whipped cream

1.2.3 粒度分布测定 采用激光粒度仪测定大豆基搅打稀奶油和天然稀奶油的粒径分布和ζ-电位[11]。称取一定量的乳状液,用去离子水作为分散相,以1∶1000 (v/v)进行稀释后进行测量。其中样品折射率和吸收率分别设为1.590和0.001,连续相的折射率为1.330[12],测试温度25 ℃。粒度分析处理结果以样品的颗粒密度比(%)表示。每个样品测试三次,以平均值±标准偏差表示。

1.2.4 流变学测定 采用HAAKE MARSⅢ型流变仪测定大豆基搅打稀奶油的表观黏度[13]和频率扫描[14],测试温度20 ℃,分别选用C35 2 °Ti L锥板和PP35Ti的平板进行测量。测量表观粘度时,剪切速率从0.015 s-1线性增加到100 s-1;测量频率扫描时,频率范围从1.0 Hz增加到10.0 Hz。所有试验重复三次,并取平均值做为最终测定结果。

1.2.5 物理稳定性测定 采取与文献[15]一样的方法,来评估大豆基搅打稀奶油和天然稀奶油的物理稳定性。将10 mL的样品置于密封的试管中并储存在4 ℃下,观察大豆基搅打稀奶油和天然稀奶油在半个月内的沉浮现象。

1.2.6 搅打膨胀率测定 将500 g冻结的大豆基搅打稀奶油置于4 ℃冷藏柜下解冻24 h后,将液体状的大豆基搅打稀奶油乳状液倒入冷却了的搅拌缸内,用家用电动打奶油机以160 r/min的速度进行搅打,当奶油形成坚挺的泡沫并具有柔软的长钉状时停止搅打[13,16]。通过用搅打好的奶油填充到一定体积的方法来计算膨胀率。具体计算公式如下:

式中:M1是具有一定体积的未搅打奶油的质量(g),M2是具有相同体积的搅打奶油的质量(g)。

1.2.7 泡沫稳定性测定 采取与文献[17]一样的方法,称取一定量搅打好的奶油放在漏斗上,然后将漏斗置于25 ℃的培养箱中3 h。使用公式计算泡沫稳定性:

1.3 数据处理

每组实验重复3次,最后结果以均值±标准方差(mean±SD)表示。采用SPSS 20.0软件对实验结果在p<0.05水平上进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 大豆基搅打稀奶油乳状液的粒径

粒径分布是测量乳状液稳定性最有效的指标之一。图2表示了不同乳化剂对大豆基稀奶油乳状液的粒径分布的影响。从图中可以看出,由于乳化剂种类的不同,会导致大豆基稀奶油乳状液不同的粒径分布。根据Leong等[18]结果分析,粒径分布受界面张力的影响,主要取决于界面膜的组成和性质。而在乳化过程中,不同的乳化剂吸附在脂肪上的程度不同,导致了脂肪液滴的界面膜的组成、性质以及界面张力的不同,最终会导致脂肪粒径分布的不同。

图2 不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油的粒径分布的影响Fig.2 Effects of different emulsifiers on the droplet-size distributions of the soy whipped cream

由图2可见,不添加乳化剂的大豆基稀奶油乳状最大百分比液粒径分布集中在712 nm左右,分布均匀。添加大豆多糖的大豆基稀奶油乳状液粒径分布比不添加乳化剂的大,密度的集中在955 nm左右。分析原因可能是大豆多糖降低了界面张力,吸附到脂肪球表面的蛋白质层上,所以造成脂肪球粒径的增加[14]。添加大豆卵磷脂、大豆皂苷和吐温80的大豆基稀奶油乳状液粒径分布出现变小的趋势,乳状液粒径分布曲线向左移。可能的原因在于加入的乳化剂将脂肪球表面的部分蛋白质取代下来,并有效地降低了界面张力,增强了脂肪球的稳定性,使脂肪球重新聚结的几率降低,因此粒径变小。尤其特别的是添加大豆皂苷的大豆基稀奶油乳状液,粒径分布范围较宽,最大百分比密度的粒径主要集中在459 nm左右。添加吐温80的大豆基稀奶油乳状液的粒径分布与天然稀奶油接近,为之后两者有相同的膨胀率做了很好的解释[19]。

2.2 大豆基搅打稀奶油乳状液的ζ电位

ζ-电位是评估搅打奶油乳液周围表面电荷密度变化的有效方法[20],反映了体系中的界面动电势,ζ-电位的绝对值越高,表明体系的稳定性越高,这是由于液滴间的强静电斥力能阻止其聚集[21]。

图3表示了不同乳化剂对大豆基稀奶油乳状液ζ-电位的影响。从图3中可以看出,添加大豆卵磷脂的大豆基稀奶油乳状液ζ-电位与天然稀奶油无显著性差别,ζ-电位在-34 mV左右。添加大豆多糖和吐温80的大豆基稀奶油乳状液ζ-电位与不添加乳化剂的无显著性差别,ζ-电位在-31 mV左右。特别的是添加大豆皂苷的大豆基搅打稀奶油的ζ-电位绝对值比加其他乳化剂的小,ζ-电位在-20 mV左右。这种现象可能的原因是带正电荷的大豆皂苷分子可以吸附到油体蛋白表面,形成乳化界面的二级结构,从而导致静电相互作用减少,所以添加大豆皂苷的大豆基搅打稀奶油的电位绝对值比其他乳化剂的小[22]。

图3 不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油的ζ-电位的影响Fig.3 Effects of different emulsifiers on the ζ-potential of the soy whipped cream注：不同小写字母代表差异显著,p<0.05。

2.3 大豆基搅打稀奶油乳状液的粘度

黏度是鉴别搅打奶油的整体口感的重要指标。图4表示了不同乳化剂对大豆基稀奶油乳状液表观黏度的影响。如图4所示,所有样品的表观黏度都随着剪切速率的增加而降低,表明各个样品均为剪切变稀流体[23]。宏观表现也类似,样品在静置条件基本呈现弱凝胶状态,随着搅打速率的提高,流动性迅速增加。搅打稀奶油的表观黏度随着剪切速率增大而变稀的原因可能在于,乳液分子在布朗运动所产生的随机化作用小于分子间顺着流动方向的排列作用,还可能是因为乳液聚合物的缠绕链状分子结构被拉直以及解缠绕,所以降低了粘度。

图4 不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油的表观黏度的影响Fig.4 Effects of different emulsifiers on the apparent viscosity of the soy whipped cream

对于固定的剪切速率,不加乳化剂的大豆基搅打稀奶油的黏度最小,而添加吐温80的大豆基搅打稀奶油的黏度比加其他乳化剂的小,其次是天然稀奶油。添加大豆乳化剂的大豆基搅打稀奶油有较大的粘度。这种现象的原因可能在于,加入大豆乳化剂后,乳化剂分布于脂肪球表面,脂肪球之间的距离减小,导致相互作用增强,从而使得乳浊液黏度升高。而添加吐温80后的大豆基搅打稀奶油,脂肪球的相互作用没有添加大豆乳化剂的强,所以乳状液粘度不如大豆乳化剂[19]。

2.4 大豆基搅打稀奶油乳状液的粘弹性

频率扫描研究了搅打奶油的粘弹性效应,同时也可以间接地模拟人类的咀嚼[24-25]。图5表示了不同乳化剂大豆基稀奶油乳状液进行频率扫描后的结果。图5中结果可以看出,所有样品的弹性模量(G′)值高于黏性模量(G″),而且两者都是频率依赖的,呈现出弱凝胶特征。弱凝胶体系是具有一定屈服应力的塑性非牛顿流体,具有一定的黏弹性,且在其成胶过程中G′和G″基本呈上升的趋势[26]。此结果与之前研究的奶油结果一致[27]。

图5 不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油模量的影响Fig.5 Effects of different emulsifiers on the modulus of the soy whipped cream

观察图5发现,添加大豆多糖和大豆卵磷脂的大豆基搅打稀奶油的弹性模量G′和黏性模量G″均远高于天然稀奶油,而添加大豆皂苷和未添加乳化剂的体系则远低于天然稀奶油;虽然添加了吐温80的体系的弹性模量G′低于天然稀奶油,但黏性模量G″接近天然稀奶油。分析原因可能是因为体系的弹性和黏性与体系的黏度有一定的关系,高膨胀率的体系可能需要适中的弹性与黏性。

2.5 大豆基搅打稀奶油乳状液的稳定性

为考察不同乳化剂制备的大豆基搅打稀奶油乳状液的稳定性,观察大豆基搅打稀奶油在4 ℃下储存半个月后的稳定状态。从图6可以发现大豆基搅打稀奶油尽管颜色略有差别,但稳定都很好。尤其可以发现添加大豆皂苷的大豆基搅打稀奶油乳状液偏棕色,原因在于大豆皂苷本身的颜色所导致的。

图6 不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油的乳状液稳定性的影响Fig.6 Effects of different emulsifiers on the emulsion stability of the soy whipped cream

本研究用的主体是大豆油体,据之前的研究发现[28],油体可耐高温,也可耐受强酸强碱,而且无论是在干燥种子的细胞内还是在离体环境中,甚至是经过一定时间的放置,油体之间一般都不发生聚合,还能保持原有的稳定性。添加乳化剂后,更加可以降低界面张力和减少形成乳状液所需要的能量,使之形成更加均匀稳定的分散体系。所以所有添加乳化剂的大豆基稀奶油的乳状液都具有良好的稳定性。

2.6 大豆基搅打稀奶油的搅打起泡性和泡沫稳定性

图7表示了不同乳化剂对大豆基稀奶油的搅打起泡性和泡沫稳定性的影响。据文献分析[29],搅打稀奶油的搅打起泡性主要是由于乳状液中过剩的蛋白质浓度和脂肪部分聚结速度共同作用的结果。而泡沫稳定性需要合适的脂肪聚结率,脂肪部分聚结率太高,在外界环境温度影响下,容易刺破气泡界面膜;而脂肪部分聚结率太低会导致泡沫结构的骨架太脆弱影响泡沫稳定性。

图7 不同乳化剂对大豆基搅打稀奶油的搅打起泡性和泡沫稳定性的影响Fig.7 The effect of different emulsifiers on the whipping rate and foaming stability of the soy whipped cream注：不同大写字母代表不同乳化剂膨胀率差异显著,p<0.05;不同小写字母代表不同乳化剂泡沫稳定性差异显著，p<0.05。

从图7中可以看出,乳化剂的添加可以增加大豆基搅打稀奶油的搅打膨胀率,其中吐温80的效果最好,膨胀率达到了和天然稀奶油一样的程度。可能的原因在于,吐温的乳化效果比其他乳化剂好,在搅打过程更加有效替代大豆油体蛋白在油滴表面的分布,进而有效地降低了界面膜的稳定性,形成有助于泡沫的脂肪聚集体[30]。但是从泡沫稳定性看,添加大豆多糖的大豆基搅打稀奶油的泡沫稳定性比其他乳化剂好。这主要是由于大豆多糖的添加会增加有效脂肪球的数量,使气泡表面附着的部分聚集脂肪球增加,所以可以形成足够坚固的脂肪骨架来支撑气泡膜,因此泡沫的稳定性会提高。原因也可能在于添加大豆多糖的大豆基搅打稀奶油粘度大,坚韧性和抗干扰能力的提高,搅打膨胀后不容易消泡。所以认为,乳状液的黏度也和膨胀率和泡沫稳定性有直接的关系,黏度太低,会导致搅打稀奶油后的持泡能力不够,而黏度太高,则空气难以充入体系内,使膨胀率增大[31]。该结果与2.3表观黏度变化一致。

3 结论

考察了四种乳化剂(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐温80)对大豆基搅打稀奶油的乳状液的特性和搅打特性的影响。本研究结果表明,大豆油体作为搅打稀奶油的主体成分是可行的。

研究结果发现，添加大豆多糖的大豆基稀奶油乳状液粒径分布比不添加乳化剂的大，而添加大豆卵磷脂、大豆皂苷和吐温80的大豆基稀奶油乳状液粒径分布较小。除大豆皂苷外，添加其他乳化剂的大豆基搅打稀奶油的ζ-电位绝对值较大，说明体系较稳定。从贮藏稳定性实验也可以看出所有添加乳化剂的大豆基搅打稀奶油乳状液都具有较好的稳定性。对于大豆乳化剂(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖)，虽然可以增加搅打稀奶油的膨胀率，但是与吐温80相比增加较少。添加吐温80的大豆基搅打稀奶油具有最好的搅打起泡性。这种现象可能与乳化剂吸附到脂肪球表面的速度和含量有关。添加大豆卵磷脂和大豆多糖的大豆基搅打稀奶油虽然搅打起泡性不高，但具有较大的粘度以及较好的搅打稳定性。观察乳状液稳定性可以看出，加乳化剂的大豆基搅打稀奶油都具有良好的稳定性。

所以未来如果要生产全天然的大豆基搅打稀奶油,还需要进一步筛选天然乳化剂和乳化稳定剂,使体系既有良好的存放稳定性,同时有具有良好的搅打起泡性。