干热处理对不溶性大豆纤维乳化特性的影响

赵秀杰 - 黄丽华 - 罗怀楠 -蔡勇建 - 赵谋明 - 赵强忠 -

(华南理工大学食品科学与工程学院，广东 广州 510640)

Pickering乳浊液是一类通过固体颗粒的不可逆吸附，或者液滴之间形成的静电斥力和空间位阻，或者固体颗粒在连续相中形成的类凝胶网络结构稳定的乳浊液，具有良好的抗聚结、抗悬浮能力以及稳定性[1-2]。Pickering固体颗粒用量少，来源广泛，环境友好，逐渐成为解决食品乳浊体系安全性和稳定性的新选择[3]。目前已有学者采用蛋白质[4]、多糖[5]、脂类[6]以及蛋白—多糖复合颗粒[7]等食品级原辅料开发Pickering乳浊液，而采用食品生产加工副产物开发Pickering乳浊液的研究相对较少。

豆渣是豆腐、豆浆等大豆制品加工过程中的主要副产物，富含大豆膳食纤维，主要成分为水不溶性的纤维素、半纤维素及木质素等[8]。豆渣通常作为饲料，但由于其水分含量高，在未进行热处理加工情况下通常作为废物直接丢弃。然而已有研究[9]表明，豆渣可作为食品级Pickering乳浊液稳定剂的潜在来源。赵强忠等[8]利用大豆纤维制备水包油型Pickering乳浊液，通过测定乳浊液液滴粒径、乳析指数和离心稳定性等，发现其具有很好的聚结稳定性和分层稳定性。Tao等[10]在豆渣中提取不溶性大豆多糖，通过超声处理制备出尺寸为127～221 nm的食品级Pickering稳定剂，并证明其在油—水界面的良好乳化性能和界面吸附。

热处理是湿豆渣加工中的重要操作，同时不同热处理方式对豆渣中不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)的含量、结构和性质具有重要影响[11]。Honcu等[12]采用单螺杆挤压方法，在130 ℃、220 r/min条件下挤压大麦粉，由于糖苷键断裂，大麦粉中IDF含量显著降低。Pérez-jiménez等[13]在焙烤面包过程中发现，美拉德反应使IDF含量增加，并且形成了“膳食纤维—美拉德反应产物—多酚”复合物。Tamilselvan等[14]通过原子力显微镜和X-射线光电子能谱研究了非晶纤维素薄膜的热特性，表明在热处理过程中纤维结构发生重排，并伴随着表面疏水性的增加和膨胀能力的降低。沈寒知[15]对甘蔗渣分别进行真空干燥和鼓风干燥后，发现甘蔗纤维中半纤维素降解，纤维素分子上的羟基含量减少，表面疏水性增加。目前IDF的研究以制备、改性以及其功能特性为主，有关于稳定乳浊体系的报道相对较少。Yang等[16]曾通过碱预处理、高温长时酸解及高功率超声，以豆渣制备多糖—蛋白质混合纳米颗粒，用于稳定Pickering高内相乳液。但纳米颗粒制备工艺相对复杂，能量输入大。试验旨在研究干热预处理对不溶性大豆纤维(insoluble soybean fiber，ISF)乳化特性的影响，同时为扩展大豆副产物的精深加工、开发绿色食品乳浊体系提供更多选择和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

金龙鱼大豆油：市售；

脱脂豆渣：120目，食品级(豆渣组成：膳食纤维76.54%，蛋白质13.70%，水分6.80%，灰分2.52%，脂肪0.44%)，山东冠华蛋白有限公司；

NaOH：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；

HCl：分析纯，广州化学试剂厂。

1.1.2 主要仪器设备

高速分散机：IKA-T25型，德国IKA公司；

台式高速冷冻离心机：ST16R型，美国Thermo Fisher Scientific公司；

高压均质机：APV-1000型，丹麦APV公司；

冷冻干燥机：ALPHA 2-4 LD plus型，德国Christ公司；

纳米粒度电位分析仪：Zetasizer Nano-ZS型，英国Malvern公司；

激光粒度分析仪：Masterisizer 2000型，英国Malvern公司；

显微镜：MD-130型，奥林巴斯中国有限公司；

旋转流变仪：HAAKE MARS III型，美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 试验方法

1.2.1 ISF的制备

(1) 碱处理(alkali，AK)：基于课题组[17]先前的研究并略有修改。将豆渣与去离子水以1∶25 (g/mL)混合，调节pH至12 (6 mol/L NaOH)，50 ℃搅拌2 h。将悬浮液离心(3 000 r/min，10 min，20 ℃)得到沉淀物，去离子水洗涤两次并悬浮于去离子水中，调节pH至7 (2 mol/L HCl)。然后将悬浮液离心(8 000 r/min，10 min，20 ℃)并洗涤两次，冷冻干燥、粉碎。将干燥的ISF储存于干燥器中用于后续分析以及干热处理ISF的制备。

(2) 干热处理：参考刘恩岐等[18]提取方法并略有修改。烘烤处理的条件为110 ℃热风烘烤，双螺杆挤压的条件为挤压温度150 ℃。干热处理方法依次为：烘烤—碱处理(heating alkali，HA)、碱处理—烘烤(alkali heating，AH)和碱处理—双螺杆挤压(alkali twin-screw extrusion，AT)，以单一碱处理提取的ISF为空白对照，单一碱处理和干热处理ISF制备流程如图1所示，4种ISF所制备样品分别以AK-ISF、HA-ISF、AH-ISF和AT-ISF表示，纤维素含量分别为(84.07±0.20)%，(81.78±0.15)%，(86.92±0.45)%，(85.45±0.34)%。

1.2.2 乳浊液制备 将上述4种ISF以质量分数0.4%分散于去离子水中，高速分散机剪切均匀(12 000 r/min，1 min)，加入质量分数10%的大豆油，剪切(12 000 r/min，2 min)，于30 MPa高压均质3次，分别得到4种乳浊液，分装，常温(25 ℃)贮存。

图1 不同ISF的制备

1.2.3 新鲜乳浊液(3 h)指标的测定

(1)ζ-电位的测定：根据Long等[19]的方法，参数设置为：进样量750 μL，测量温度25 ℃，平衡时间120 s。

(2) 粒度分布的测定：采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定乳浊液的粒径大小和分布。以去离子水为分散剂，稀释1 000倍。参数设置：颗粒折射率1.47，颗粒吸收率0.001，分散剂折射率1.33。试验采用体积平均直径(d4,3)表征乳浊液液滴粒径大小，每个样品重复测定3次，取平均值。

(3) 显微结构的观测：根据Tao等[20]的方法，用光学显微镜观察其显微结构(10×40倍)。

(4) 表观黏度的测定：根据Cai等[21]的方法，参数设置为：平行板夹具C60/1° TiL，板间距1 mm，进样量1.75 mL，测量温度(25±1) ℃，剪切速率设定范围0.0～80.0 s-1，持续时间180 s。

(5) 动态流变学分析：根据Zhao等[22]的方法，频率扫描参数设定为：平行板夹具P60 TiL，应力0.5 Pa，板间距1 mm，进样量2.9 mL，温度(25±1) ℃，频率扫描范围0.01～1.00 Hz。

1.2.4 贮藏期乳浊液指标测定 分别取0，4，10，20，30，40 d乳浊液，参照方法1.2.3中粒度分布和表观黏度的测定方法，分别测定贮藏期乳浊液的d4,3和表观黏度，并观察记录乳浊液的外观变化。

1.3 数据处理

试验数据平行测定3次取平均值，利用SPSS 22.0软件，采用One-way ANOVA比较平均值，Duncan比较法进行显著性分析。数据以“平均值±标准偏差”表示，以P<0.05表示数据之间的显著性差异。

2 结果与分析

2.1 干热处理对ISF新鲜乳浊液(3 h)的影响

2.1.1ζ-电位 乳浊液液滴表面电荷能有效反映液滴之间的静电相互作用，乳浊液的ζ-电位绝对值越大，液滴间静电排斥作用越强，有利于抑制液滴的聚结，提高乳浊液的稳定性[23]。单一碱处理和干热处理ISF新鲜乳浊液(3 h)ζ-电位如图2所示。由图2可知，4种乳浊液ζ-电位均为负值且绝对值>30，说明乳浊液体系稳定性相对较高[24]。与AK-ISF乳浊液相比，干热处理ISF乳浊液ζ-电位绝对值变化显著，其中AH-ISF乳浊液ζ-电位绝对值显著减小(P<0.05)，HA-ISF乳浊液的ζ-电位绝对值显著增大(P<0.05)。这可能是由于豆渣中含有约14%的蛋白质，碱处理之前的110 ℃热风烘烤使其与纤维素发生美拉德反应形成交联聚合体吸附在油水界面[13]，使乳浊液液滴ζ-电位绝对值增大；而在碱处理之后进行烘烤处理，由于热碱溶液除去了脱脂豆渣中的大部分蛋白质，从而使ISF的表面电荷降低。对于AT-ISF乳浊液液滴ζ-电位绝对值增大，可能是由于双螺杆挤压作用，根据罗根等[25]对豆渣粉进行挤压加工的研究，经高温(160 ℃)挤压的豆渣结构更为疏松，表面更为粗糙。这更有利于ISF在油水界面的吸附，使液滴ζ-电位绝对值增大。

字母不同表示样品之间具有显著性差异(P<0.05)

2.1.2 显微结构 乳浊液液滴粒径的大小和分布影响乳浊液的稳定性，是控制乳浊液质量的重要指标，液滴粒径越小，分布越均匀，乳浊液稳定性越好[26]。单一碱处理和干热处理ISF稳定的新鲜乳浊液(3 h)显微结构如图3所示。由图3可知，AK-ISF乳浊液中液滴粒径较小，有少量的大粒径液滴和部分絮凝；干热处理的ISF乳浊液中，小粒径液滴数量增加，大粒径液滴数量减少，液滴大小和分布更加均匀、细密；4种乳浊液中，AH-ISF乳浊液液滴分布的均匀性最好。以上结果表明，干热处理ISF稳定的乳浊液液滴均匀性和稳定性均有所提高。

2.1.3 剪切流变特性 单一碱处理和干热处理ISF新鲜乳浊液(3 h)剪切流变曲线如图4所示。由图4可知，ISF乳浊液均表现出剪切稀化特性[27]，即剪切速率较低时，随着剪切速率的增加乳浊液的表观黏度急剧下降，当剪切速率较高时，乳浊液的表观黏度变化幅度减小，逐渐趋于平衡。出现剪切稀化现象，可能是由于在剪切速率较低时，大粒径液滴发生形变，ISF沿剪切方向定向排列，同时液滴包裹的部分油相释放出来，导致乳浊液的表观黏度急剧下降；随着剪切速率增加，体系中类凝胶结构完全被破坏，乳浊液表观黏度趋于平衡[28-29]。4种乳浊液中，HA-ISF乳浊液起始黏度最大，AT-ISF乳浊液和AH-ISF乳浊液的起始黏度相对较小。这可能是由于干热处理使HA-ISF发生了美拉德反应[13]，形成的纤维素—蛋白质聚合体吸附在油水界面，使乳浊液体系黏度增大；对于AH-ISF乳浊液和AT-ISF乳浊液，由于液滴粒径分布均匀、细密，且粒径尺寸较小(见图3C、D)，因此在这两种处理条件下乳浊液体系的黏度相对较低。

A～D依次为AK-ISF乳浊液、HA-ISF乳浊液、AH-ISF乳浊液、AT-ISF乳浊液

图3 不同ISF乳浊液(3 h)的显微结构

Figure 3 Microstructure of emulsions stabilized by different ISF (3 h)

图4 不同ISF乳浊液(3 h)的剪切流变曲线

2.1.4 动态流变学特性 动态流变学行为反映了乳浊液在扫描频率下的黏弹性特征，通常高度结构化的固体/凝胶表现出以弹性为主的流变特性，即损耗角正切值tanδ<1[30]。图5为单一碱处理和干热处理ISF新鲜乳浊液(3 h) G’以及tanδ随频率f的扫描结果。由图5(a) 可知，AK-ISF乳浊液的G’最小，在频率扫描范围内随f增加，G’呈先减小后增大的趋势；在图5(b)中，AK-ISF乳浊液的tanδ不断增大，在频率约为0.2 Hz时，tanδ>1，说明单一碱处理ISF乳浊液体系表现出以黏性为主的流变特征。ISF经干热处理后，乳浊液的G’显著增加，4种乳浊液中，AT-ISF乳浊液G’最大；且随着扫描频率增加，G’无显著变化，tanδ<1，说明干热处理能够增强ISF乳浊液体系的弹性特征，乳浊液体系中形成了更稳定的类凝胶网络结构，提高了乳浊液的抗聚结、抗悬浮能力[31]。

2.2 干热处理对ISF乳浊液贮藏稳定性的影响

2.2.1 体积平均粒径 单一碱处理和干热处理ISF乳浊液贮藏期体积平均粒径(d4,3)如表1所示。由表1可知，4种乳浊液d4,3均随贮藏时间的延长而增大。贮藏40 d后，干热处理ISF乳浊液液滴d4,3整体显著小于AK-ISF乳浊液液滴d4,3(P<0.05)。在贮藏期内，AT-ISF乳浊液液滴d4,3的增幅最小(ΔAT-ISF=0.910)，AK-ISF乳浊液d4,3增幅最大(ΔAK-ISF=1.916)。对比AH-ISF和HA-ISF乳浊液发现，贮藏40 d后，先用碱处理除去蛋白质再进行烘烤处理提取ISF，其稳定的乳浊液液滴d4,3更小。根据动态流变学数据分析(图5)，AK-ISF乳浊液的G’显著小于其他3种乳浊液，且tanδ>1，因此在AK-ISF乳浊液中并没有形成稳定的类凝胶结构，随着贮藏时间的延长，乳浊液体系内发生聚结等不稳定现象，从而导致液滴d4,3增大[1]。在AT-ISF乳浊液中G’最大，频率扫描范围内tanδ<1，说明该体系中形成较为稳定的类凝胶网络结构，提高了乳浊液的稳定性，因此其稳定的乳浊液液滴d4,3增幅最小。AH-ISF乳浊液比HA-ISF乳浊液的d4,3更小，可能是由于先进行碱处理除去蛋白质，防止了先加热产生蛋白质热聚集行为[22]，提高了ISF在乳浊液液滴表面的负载和稳定能力，降低了乳浊液液滴d4,3。

图5 不同ISF乳浊液(3 h)的储能模量和损耗角正切值

Figure 5 Storage modulusG’ and loss tangent tanδof emulsions stabilized by different ISF (3 h)

表1 ISF乳浊液贮藏期的体积平均粒径†

Table 1 Volume average particle size of emulsionsstabilized by ISF during storage

贮藏时间/d体积平均粒径/μmAK-ISFHA-ISFAH-ISFAT-ISF04.78±0.09aB4.92±0.06aC4.02±0.03aA5.21±0.12aD46.05±0.05bB6.25±0.08bC5.05±0.086bA6.05±0.08bB106.79±0.03cC7.18±0.11cD5.28±0.09bA6.54±0.13cB209.59±0.29dD8.91±0.25dC7.43±0.12cA7.77±0.19dB3011.52±0.41eD9.92±0.19eC9.06±0.17dB8.76±0.18eA4013.94±0.36fC11.63±0.26fB11.57±0.20eB9.95±0.34fA

† 同列小写字母不同表示样品之间具有显著性差异(P<0.05)；同行大写字母不同表示样品之间具有显著性差异(P<0.05)。

2.2.2 表观黏度 通常认为剪切速率50 s-1是口腔内感官评定的近似流动速率，表2反映了该剪切速率下单一碱处理和干热处理ISF乳浊液表观黏度随贮藏时间的变化。由表2可知，随着贮藏时间的延长，4种乳浊液表观黏度均呈增大趋势。在贮藏期内，AK-ISF乳浊液表观黏度的增加幅度最大(ΔAK-ISF=3.898)，贮藏30 d以后，AK-ISF乳浊液的表观黏度显著大于干热处理ISF乳浊液的黏度。出现上述现象，可能是由于贮藏30 d以后，AK-ISF乳浊液液滴d4,3显著增大(P<0.05)，体系内出现絮凝和聚结等不稳定现象，导致乳浊液的表观黏度增大。在干热处理ISF乳浊液中，干热处理显著改善了乳浊液液滴的弹性特性，形成的类凝胶网络结构使贮藏期乳浊液表观黏度增大，从而提高乳浊液的抗聚结、抗悬浮能力，说明乳浊液表观黏度的增大是干热处理ISF乳浊液贮藏期稳定的重要因素。

2.2.3 乳浊液外观图 图6为单一碱处理和干热处理ISF乳浊液贮藏期的外观图。由图6可知，贮藏第10天时，AK-ISF乳浊液离心管底部开始出现轻微透明，但界线相对模糊；干热处理乳浊液样品无分层现象。第20天时，HA-ISF乳浊液和AH-ISF乳浊液的离心管底部也出现轻微的透明，但界面模糊。第40天时，AK-ISF乳浊液的离心管底部出现清晰的水析，HA-ISF乳浊液和AH-ISF乳浊液离心管底部出现了相对透明区域，但无明显分层界线；AT-ISF乳浊液的离心管底部没有出现分层现象，在贮藏期内最为稳定。

表2 ISF乳浊液贮藏期的表观黏度†

† 同列小写字母不同表示样品之间具有显著性差异(P<0.05)；同行大写字母不同表示样品之间具有显著性差异(P<0.05)。

A～F分别为贮藏0，4，10，20，30，40 d的样品；各图从左至右依次为AK-ISF乳浊液、HA -ISF乳浊液、AH-ISF乳浊液、AT-ISF乳浊液

图6 不同ISF乳浊液贮藏期外观图

Figure 6 Appearance of emulsions stabilized by different ISF during storage

乳浊液的贮藏稳定性受诸多因素影响，乳浊液液滴粒径越小、粒径分布越均匀、ζ-电位绝对值越大，体系稳定性越好[21]。提高乳浊液的表观黏度，在一定程度上可抑制液滴的迁移速率和碰撞概率，提高乳浊液稳定性；但乳浊液黏度过高，会增加体系内絮凝和聚结现象，导致乳浊液出现外观上的分层[1]。在试验体系中，ISF的浓度均为0.4%，因此综合分析乳浊液液滴d4,3、表观黏度以及流变学特性等因素，在贮藏期内，由于AK-ISF乳浊液液滴d4,3增幅最大，同时表观黏度不断增大，说明体系内出现了絮凝和聚结，导致AK-ISF乳浊液出现显著分层现象；在AH-ISF乳浊液和HA-ISF乳浊液中，由于体系中形成了以弹性为主的类凝胶网络结构，同时黏度的增加在一定程度上抑制了液滴的迁移和碰撞，使乳浊液体系更加稳定；在AT-ISF乳浊液中，由于G’最大、液滴d4,3增幅最小，因此乳浊液的贮藏稳定性最好。

3 结论

以脱脂豆渣为原料，分别以单一碱处理(AK)、烘烤—碱处理(HA)、碱处理—烘烤(AH)、碱处理—双螺杆挤压(AT) 4种方式制备不溶性大豆纤维(ISF)，研究干热处理对ISF乳化特性的影响。结果显示，干热处理显著改变了ISF乳浊液的表面电荷，HA-ISF乳浊液ζ-电位绝对值最大(39.10)，液滴间静电斥力增加，有利于抑制液滴的聚结。与AK-ISF乳浊液相比，干热处理ISF乳浊液G’增大，tanδ<1(f<1 Hz)，表明干热处理增强了ISF乳浊体系的弹性特征，形成类凝胶网络结构。乳浊液贮藏期间，粒径和表观黏度均增加，其中AT-ISF乳浊液液滴d4,3增幅最小(ΔAT-ISF=0.910)，AH-ISF乳浊液表观黏度增幅最小(ΔAH-ISF=2.089)，而单一碱处理ISF乳浊液液滴d4,3增幅最大(ΔAK-ISF=1.916)，同时表观黏度增幅最大(ΔAK-ISF=3.898)；贮藏40 d后，相比于单一碱处理ISF乳浊液，干热处理ISF乳浊液的分层稳定性更好，以AT-ISF乳浊液最好。综上所述，干热处理ISF通过改变乳浊液液滴之间的静电相互作用以及形成类凝胶网络结构，抑制液滴的聚结，实现乳浊体系的稳定，提高了ISF的乳化稳定性。

试验发现干热处理可显著提高ISF的乳化稳定性，其中以碱处理—双螺杆挤压制备的ISF效果最佳。后续将深入探究干热处理后ISF的结构、功能性质的变化及二者之间的相互联系，为后续全面开发大豆副产物及食品配料提供更详实的科学依据。