乳清蛋白甜橙油包合物的制备

2019-08-28杨晓飞薛秀恒王志耕

食品工业科技 2019年16期

杨晓飞,梅林,薛秀恒,王志耕,*

(1.安徽农业大学茶与食品科技学院,安徽省农产品加工工程实验室,安徽合肥 230036;2.安庆市食品药品稽查支队,安徽安庆 246001)

风味是食品的重要特征之一,是消费者评价食品品质的一个重要指标,随着食品工业的发展,消费者对食品风味的要求不断提高,例如要求食品风味圆润、柔和、可持续释放等[1]。香精香料是现代食品工业不可或缺的材料,尤其是天然香精香料越来越受到广大消费者的青睐[2-4]。为此,新型风味剂的开发是食品新材料创新研究的重要领域之一。

甜橙油风味特征鲜明,口感柔和,在食品工业中被广泛应用。但甜橙油存在不溶于水、易挥发、持续释放性能较差等缺陷[1,3-4]。目前技术多采用β-环糊精、麦芽糊精或阿拉伯胶等作为甜橙油的添加载体,将甜橙油制成微胶囊或包合物,以扩展甜橙油在食品工业中的应用范围[1-5]。研究表明,蛋白质分子带有许多双亲基团,在水溶液中,蛋白质的疏水基团能够通过疏水相互作用吸附在油溶性的液滴表面,形成一层蛋白质膜,将油滴包裹形成包合物,或者将油性液滴吸附固定在蛋白质疏水空穴内,而亲水基团通过氢键与水分子相互作用,从而形成稳定的包合物乳液并使包合物具有良好的水溶性[4,6-10],并且热处理和静高压处理可以使蛋白质的结构发生伸展、折叠或者卷曲,使包裹于蛋白质内部的基团暴露出来,进而影响蛋白质结合风味物质的能力[7,11-12]。乳清蛋白来源于牛乳,同时又具有大量的双亲基团以及疏水空穴[9,11-12],为此,探讨乳清蛋白为载体,构建乳清蛋白-甜橙油体系的制备方法,为新型甜橙油材料的开发和乳清蛋白的利用提供方法具有技术创新和实践意义。

本研究以乳清蛋白为载体,采用高压均质处理和热激处理两种方法协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物,优化制备工艺,以期为甜橙油在风味乳饮料中的应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

WPC-80乳清蛋白粉(食品级) 美国Glanbia公司;甜橙油食品级,密度为0.84 mg/mL 广州日化化工有限公司;石油醚(60～90 ℃,分析纯)、无水乙醇(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司。

Lambda 35紫外分光光度计美国Perkin Elmer公司;APV-2000型超高压纳米均质机北京同和友德科技有限公司;Christ L-1真空冷冻干燥机德国Martin-Christ公司;KQ3200DE型数控超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司;CP224C电子天平奥豪斯仪有限公司;HH数显恒温水浴锅江苏金坛市金城国胜实验仪器厂;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器巩义市予华仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 乳清蛋白-甜橙油包合物的制备

1.2.1.1 高压均质处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物配制10%的乳清蛋白溶液,边搅拌边向其中加入一定量的甜橙油,再边搅拌边经一定压力的超高压纳米均质机均质一定次数,得到纳米包合物乳液。将50 mL包合物乳液置于培养皿中,于-30 ℃条件下预冷冻4 h,再经真空冷冻干燥30 h得到包合物固体,粉碎,经80目筛过滤,得包合物粉末。

1.2.1.2 热激处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物配制10%的乳清蛋白溶液,经恒温水浴热激处理一定时间,然后冷水浴冷却至室温,在30 ℃、800 r/min条件下边搅拌边向其中加入一定量的甜橙油,在该条件下继续搅拌一定时间使溶液乳化形成包合物乳液,反应结束后将乳化液在室温下静置1 h使游离的甜橙油相互聚集并上浮,弃去液面甜橙油,取下层包合物乳液50 mL置于培养皿中,于-30 ℃条件下预冷冻4 h,再经真空冷冻干燥30 h得到包合物固体,粉碎,经80目筛过滤,得包合物粉末。

1.2.2 高压均质处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物工艺优化

1.2.2.1 单因素试验在均质压力20 MPa、乳清蛋白:甜橙油为1∶1 g/mL的条件下,考察均质次数(0、1、2、3、4、5次)对包合率的影响;在均质次数4次、乳清蛋白:甜橙油为1∶1 g/mL的条件下,考察均质压力(20、40、60、80、100 MPa)对包合率的影响;在均质次数4次、均质压力40 MPa的条件下,考察乳清蛋白:甜橙油(1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶1.5 g/mL)对包合率的影响。

1.2.2.2 正交试验设计在单因素试验的基础上,以均质次数、均质压力和乳清蛋白:甜橙油(g/mL)为考察因素,以包合率为指标,设计3因素3水平的正交试验优化制备工艺,因素水平编码表如表1所示。

表1 高压均质法正交设计试验因素水平编码表

1.2.3 热激处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物工艺优化

1.2.3.1 单因素试验在蛋白热激时间10 min、包合反应时间10 min、乳清蛋白∶甜橙油2∶1 g/mL的条件下,考察蛋白热激温度(35、50、65、80、95 ℃)对包合率的影响;在蛋白热激温度80 ℃、包合反应10 min、乳清蛋白∶甜橙油2∶1 g/mL的条件下,考察蛋白热激时间(10、20、30、40、50 min)对包合率的影响;在蛋白热激温度80 ℃、蛋白热激时间30 min、乳清蛋白∶甜橙油2∶1 g/mL的条件下,考察包合反应时间(10、20、30、40、50 min)对包合效果的影响;在蛋白热激温度80 ℃、蛋白热激时间30 min、包合反应时间30 min的条件下,考察乳清蛋白∶甜橙油(2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1 g/mL)对包合效果的影响。

1.2.3.2 正交试验设计在单因素试验的基础上,以包合率为指标,以蛋白热激温度、蛋白热激时间、包合反应时间和乳清蛋白:甜橙油(g/mL)为考察因素,设计4因素3水平的正交试验优化包合物的制备工艺,因素水平编码表如表2所示。

表2 热激处理法正交设计试验因素水平编码表

1.2.4 甜橙油包合率的测定

1.2.4.1 标准曲线的绘制分别取1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1、0.05、0 mL甜橙油于100 mL的容量瓶中,用石油醚定容,混匀,制备质量浓度为8.40、6.72、5.04、3.36、1.68、0.84、0.42、0 mg/mL的甜橙油石油醚标准溶液,在307 nm波长处测定其吸光度。甜橙油的石油醚溶液浓度在0～8.40 mg/mL范围内时,浓度(X1)和吸光度(Y1)呈线性关系,线性方程为:Y1=0.2062X1+0.0180(R2=0.9994)。以同样的方法配制甜橙油无水乙醇标准溶液,测定其在317 nm波长处的吸光度,当甜橙油的无水乙醇溶液浓度在0～8.40 mg/mL范围内时,浓度(X2)和吸光度(Y2)之间呈线性关系,线性方程为Y2=0.1987X2-0.0041(R2=0.9993)。

1.2.4.2 包合物表面甜橙油的测定根据文献[13-14]中的方法并略作改进,称取0.5 g包合物于50 mL离心管中,加入10 mL石油醚,轻微振荡1 min,洗脱包合物表面的甜橙油,然后3000 r/min下离心1 min,倾出石油醚相,再向沉淀中加入10 mL石油醚,重复上述操作2次,合并石油醚相,经0.22 μm有机滤膜过滤后在307 nm处测定吸光度;计算包合物表面甜橙油含量。

1.2.4.3 包合物含有甜橙油总量的测定根据文献[15-16]中的方法并略作改进,称取0.5 g样品于50 mL离心管中,加入10 mL无水乙醇,30 ℃、90 W超声提取10 min,3000 r/min下离心1 min,倾出无水乙醇相,再向沉淀中加入10 mL无水乙醇,重复上述操作3次,合并无水乙醇相,经0.22 μm的有机滤膜过滤后在317 nm处测其吸光度;计算包合物中甜橙油总量。

1.2.4.4 包合率的计算包合率是指反应体系中实际被有效包合的甜橙油的质量与加入的甜橙油的总质量之比。

式(1)

M2=M1×M

式(2)

式(3)

式(4)

式中:m1:质量为m的包合物表面甜橙油含量,g;m2:质量为m的包合物含有甜橙油总量,g;m:包合物质量,g;M1:单位质量蛋白包合的甜橙油含量,g/g;M2:反应体系中蛋白包合的甜橙油的总量,g;M:反应体系中蛋白的总质量,g;V:反应体系中加入的甜橙油的体积,mL;ρ:甜橙油密度,0.84 g/mL;λ:包合物中甜橙油的有效含量,mg/g。

1.3 数据处理

所有试验均设3次重复,将得到的试验结果利用Microsoft Excel和正交设计助手Ⅱ专业版进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 高压均质处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物

2.1.1 单因素试验结果与分析

2.1.1.1 均质次数对包合率的影响由图1可知,随均质次数的增加,甜橙油的包合率逐渐增大,然后趋于稳定。均质1次比均质0次时甜橙油的包合率明显增加,这可能是因为高压均质打碎了甜橙油液滴,使其分散为纳米液滴,大大增加了甜橙油液滴与蛋白疏水基团的相界面,蛋白的疏水基团能包裹更多的甜橙油液滴,只有部分的甜橙油液滴相互聚集或吸附在包合物表面,从而使包合率明显增加[7],并且随均质次数的增加,甜橙油在蛋白溶液中分散的均匀程度增加,甜橙油液滴能被蛋白均匀的包裹,减少了甜橙油液滴的相互聚集,从而使包合率逐渐增大[17],但当均质次数大于4次时,甜橙油的包合率趋于稳定。因此选择均质4次进行后续试验。

图1 均质次数对包合率的影响

2.1.1.2 均质压力对包合率的影响由图2可知,随均质压力的增大,甜橙油的包合率先增大后减小,当均质压力为40 MPa时,甜橙油的包合率达到最大。这可能是因为当均质压力小于40 MPa时,均质压力越大,料液所受的剪切力越大,乳液液滴越细,料液被分散也越均匀,乳清蛋白的疏水基团能迅速的包裹在甜橙油液滴的表面,从而使更多的甜橙油被乳清蛋白包合,但是当均质压力增大到一定值后,均质使甜橙油纳米微滴的表面积过大,乳清蛋白的疏水基团不足以将甜橙油微滴的表面全部覆盖,或者在微滴表面形成的蛋白膜强度较差,不能很好地保护被包裹的甜橙油[17-18]。并且,随着均质压力的增大,体系的内能增加,形成的乳状液稳定性下降,从而使甜橙油的包合率降低[18]。因此,选择40 MPa进行后续试验。

图2 均质压力对包合率的影响

2.1.1.3 乳清蛋白:甜橙油对包合率的影响由图3可知,随着乳清蛋白:甜橙油(g/mL)比值的增大,甜橙油的包合率也逐渐增大。当比值在1∶1.5～1∶1范围内时,随比值的增大,包合率明显增加,当比值在1∶1～1∶0.5时,虽然随比值的增加,包合率仍然增加,但是增加的幅度趋于平缓。如果乳清蛋白:甜橙油的比值过大,虽然包合率较高,但是形成的包合物中甜橙油含量较少,在食品中使用时需加入较多的包合物才能达到良好的风味,这可能会因为加入过多的乳清蛋白而影响食品的品质。综合考虑,乳清蛋白∶甜橙油在1∶1左右较为合适。

图3 乳清蛋白∶甜橙油(g/mL)对包合率的影响

2.1.2 正交试验结果分析正交试验结果、方差分析如表3、表4所示。由表3中各因素的极差大小可知,各因素对甜橙油包合率的影响大小顺序为C(乳清蛋白:甜橙油,g/mL)>B(均质压力)>A(均质次数)。由表4可知,均质压力和乳清蛋白:甜橙油对甜橙油包合率的影响均显著(p<0.05),由k值可知,这两个因素应分别选择40 MPa和1∶0.75作为最佳水平,而均质次数对包合率影响不显著,为减少生产中的工作量和仪器的损耗,均质次数选择3次最佳。综上所述,乳清蛋白包合甜橙油条件为均质次数3次、均质压力40 MPa、乳清蛋白∶甜橙油(g/mL)1∶0.75时较佳,在此条件下制备包合物,甜橙油包合率为84.11%±1.33%,包合物中甜橙油的有效含量为(346.36±5.47) mg/g。

表3 正交试验结果

表4 正交试验结果的方差分析

2.2 热激处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物

2.2.1 单因素试验结果与分析

2.2.1.1 蛋白热激温度对包合率的影响由图4可知,随蛋白热激温度的升高,甜橙油的包合率逐渐增大。这是因为自然状态下的乳清蛋白疏水基团主要存在于疏水空腔和表面疏水裂缝里,不能和甜橙油充分接触,热激处理能使蛋白的结构部分展开,进而使疏水基团暴露,增加其与甜橙油的接触面积,使包合率提高[19]。但是由于乳清蛋白为热敏蛋白,易受热变性,当加热温度过高或者加热时间过长,蛋白质分子发生凝聚,影响乳清蛋白的乳化活性和包合甜橙油的能力下降[20],因此当温度升高到95 ℃时甜橙油的包合率又出现下降趋势。因此,选取80 ℃进行后续试验。

图4 热激温度对包合率的影响

2.2.1.2 蛋白热激时间对包合率的影响由图5可知,随蛋白热激处理时间增加,包合率先增大后减小,当处理时间为30 min时,包合率为12.69%。这是因为随加热时间的延长,蛋白的结构逐渐展开,疏水基团逐渐暴露出来,包合甜橙油液滴的能力增强,继续加热处理,随着疏水基团的暴露,蛋白逐渐相互聚集,不能对甜橙油液滴进行包裹,并且随着加热时间的延长,蛋白聚集程度加重[21-22],甜橙油的包合率下降。因此,选择蛋白热激处理时间30 min进行后续试验。

图5 热激处理时间对包合率的影响

2.2.1.3 包合反应时间对包合率的影响由图6可知,随包合反应时间的增加,甜橙油的包合率先逐渐增大,当时间大于30 min后包合率趋于平缓。这是因为随包合反应时间的增加,在搅拌作用下甜橙油液滴分散,在乳清蛋白溶液中乳化程度得到改善,甜橙油小液滴易被蛋白的疏水基团包裹或者进入蛋白的疏水空腔,包合率逐渐增大[3,7],但是当搅拌时间大于30 min后,持续搅拌对溶液的乳化程度影响不明显,进而对包合率的影响越来越小。因此,选择30 min进行后续试验。

图6 包合反应时间对包合率的影响

2.2.1.4 乳清蛋白:甜橙油对包合率的影响由图7可知,随乳清蛋白:甜橙油(g/mL)的增加,甜橙油的包合率逐渐增大,但增加的幅度逐渐减小。如果乳清蛋白:甜橙油的过大,虽然包合率较高,但是形成的包合物中甜橙油含量较少,在食品中使用时需加入较多的包合物才能达到良好的风味,这可能会因为加入过多的乳清蛋白而影响食品的品质。综合考虑,乳清蛋白∶甜橙油(g/mL)在6∶1左右较佳。

图7 乳清蛋白:甜橙油(g/mL)对包合率的影响

2.2.2 正交试验结果与分析正交试验结果、方差分析如表5、表6所示。由表5中各因素的极差大小可知,各因素对甜橙油包合率的影响大小顺序为D(乳清蛋白:甜橙油)>A(热激温度)>B(热激时间)>C(反应时间)。由表6可知,乳清蛋白:甜橙油和热激温度对甜橙油包合率的影响均显著(p<0.05),由k值可知,这两个因素应分别选择70 ℃和8∶1作为最佳水平,而热激时间和反应时间对包合率影响不显著(p>0.05),为节约加工成本,热激时间和反应时间均选取20 min。综上所述,热激处理协助制备乳清蛋白-甜橙油包合物的条件为乳清蛋白:甜橙油(g/mL)8∶1、热激温度70 ℃、热激时间20 min、反应时间20 min时较佳,在此条件下制备包合物,甜橙油包合率为39.95%±1.60%,包合物中甜橙油的有效含量为(7.56±1.90) mg/g。