乳清蛋白-黄油乳液凝胶对低脂酸奶理化特性及品质的影响

李红娟,刘婷婷,邹璇,赵树静,李丹,李媛,李洪波,于景华*

1(天津科技大学 食品科学与工程学院,天津,300000) 2(妙可蓝多(天津)食品科技有限公司,天津, 300000)

为了预防因摄入脂肪过多而出现的肥胖及其他疾病,越来越多的消费者倾向于低脂酸奶产品。脂肪对酸奶口感及质构等具有重要的作用,在制作酸奶时减少脂肪含量,会出现许多缺陷,如组织粗糙、黏稠度降低、乳清析出等[1-2]。为解决这一问题,研究者通常添加脂肪替代物来改善酸奶的品质[3-4]。脂肪替代物的作用是在保证食品优良的感官品质和安全性的基础上,部分或全部代替脂肪,从而降低食物总热量,以满足消费者对低脂、低热量健康饮食的追求。目前市面上主要的脂肪替代物可以分为3大类：第1类是脂肪基质的替代物,如磷脂等;第2类是蛋白质基质的替代物,如微粒化乳清蛋白等；第3类是碳水化合物基质的替代物,如变性淀粉、菊粉等[5-6]。这3种类别的脂肪替代物研究较多,但其口感及风味同脂肪相比仍有待改进。

乳液凝胶是一种半固体材料,在食品工业中，可添加到低脂食品中以改善产品的感官和质构[7]。乳液凝胶体系中需要有足够的蛋白质或蛋白质包覆的脂肪颗粒构成三维网络结构。乳清蛋白乳液凝胶的形成主要有2种方式,一是加热法,在有利于蛋白质聚集的溶液条件下,将蛋白质溶液加热到球状蛋白质的热变性温度以上,蛋白质分子展开暴露出巯基和疏水基团,此时二硫键和疏水作用促进蛋白质聚集,当蛋白质浓度很高时,就会形成蛋白质的三维结构并导致凝胶形成[8]。另一种是冷致法,在不利于蛋白质聚集的条件下,一般选择pH和离子强度条件在蛋白质分子之间产生强烈的静电排斥力,将蛋白质溶液加热到球状蛋白质的热变性温度以上,冷却后蛋白质成为未折叠状态。此时改变蛋白质溶液的条件如pH,蛋白质间的斥力会降低,未折叠的蛋白质分子间发生交联,最终形成凝胶[9]。乳液凝胶的性质受多种因素的影响,研究表明添加盐离子、乙醇等均可以增强凝胶强度[10-13]。目前虽然已有不少关于制备乳液凝胶方法的相关研究,但将乳清蛋白-黄油乳液凝胶颗粒(whey protein-butter emulsion gel particles,WPI-EG)作为脂肪替代物添加到乳制品中的研究很少。

本研究将不同蛋白质含量的乳清蛋白溶液经预热、变性、冷却调酸，分别加入不同含量的黄油,最后均质得到WPI-EG。将剪切后的凝胶颗粒制备低脂酸奶。通过测定酸奶的持水力、质构、流变、扫描电镜和感官评价等指标,与全脂酸奶、脱脂酸奶及低脂酸奶等进行比较,进而评价WPI-EG作为脂肪替代物在低脂酸奶中的应用效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新西兰脱脂奶粉(脂肪含量2%,蛋白含量35%)、全脂奶粉(脂肪含量27%,蛋白含量25.5%),新西兰恒天然有限公司；乳清分离蛋白(WPI 9410,蛋白质含量89%),宏祥生物科技有限公司；黄油(脂肪含量99.8%),内蒙古华琳食品有限公司；x-11型发酵剂,丹麦科汉森公司。

1.2 仪器与设备

FJ200-SH数显高速分散均质机,上海标本模型厂；Bettersize2600激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司；TA-XT plus 质构仪,英国Stable Micro Systems；HAAKE MARS 60动态流变仪,德国哈克；Lab-1B-50E真空冷冻干燥机,北京博医康实验仪器有限公司；SU1510扫描电子显微镜,日本日立公司。

1.3 试验方法

1.3.1 WPI-EG的制备

按表1所示配方,制备4种不同蛋白和脂肪质量分数的WPI-EG。将WPI粉末溶于蒸馏水中,在室温下以8 000 r/min均质3 min使其完全溶解,得到的WPI溶液于55 ℃水浴锅中水合1 h,然后90 ℃变性20 min。取出冷却至室温后用柠檬酸调pH至6.0,加入55 ℃的黄油后10 000 r/min均质3 min,最终配制成蛋白质质量分数为1.5%、3.5%、5.5%、7.5%,对应脂肪质量分数为2.2%、5.0%、7.9%、10.8%的4种WPI-EG[14]。

1.3.2 酸奶制作

原料混合→搅拌→预热→均质→杀菌→降温→接种→发酵→冷却→后熟

(1)原料混合：称取奶粉、蔗糖于食用烧杯中,加入WPI-EG、蒸馏水,充分搅拌。

(2)预热、均质、杀菌、降温：60 ℃预热5 min,8 000 r/min均质3 min,85 ℃杀菌15 min,降温至43 ℃。

(3)接种、发酵：加入发酵剂(0.04 g/L),于42 ℃恒温培养箱中发酵,酸奶 pH约4.5时取出。

(4)冷却、后熟：酸奶冷却至室温后放入4 ℃冰箱中后熟12～24 h,即得成品。

不同蛋白质、脂肪质量分数WPI-EG添加量如表1所示。

表1 酸奶配方明细(均为质量分数)Table 1 Formula of different yoghurt samples

1.3.3 持水力的测定[15]

酸奶后熟后取约20 g到50 mL 离心管中。以4 000 r/min,4 ℃下离心20 min,弃上清液后将离心管倒置约5 min。持水力按公式(1)计算：

(1)

式中：m1, 离心后样品和离心管总质量,g；m2,离心管质量；m,样品质量,g。

1.3.4 质构测定

用质构仪测定酸奶的硬度、稠度、黏聚性和胶着度。探头型号为 A/BE,触发类型：自动-10 g,测前速度1.0 mm/s,测试速度1.0 mm/s,测后速度10.0 mm/s,测定距离为酸奶高度的80%,数据采集率为400 pps。

1.3.5 流变测定

酸奶的流变特性参照先前测定频率扫描和剪切扫描的研究方法[16]。选择直径为35 mm 的平板探头,平板与底面的距离为1 mm,测试温度设置为25 ℃,先将酸奶顺时针搅拌15次,再逆时针搅拌15次,取0.2 mL于平板上进行测定。首先,频率固定在1 Hz,应变为0.5%。然后进行样品测试：剪切扫描,剪切速率从0/s增大到500/s,扫描时间为180 s；频率扫描,应变固定在0.5%,频率从0.1～10 Hz进行扫描。

1.3.6 扫描电镜

取酸奶表层约1 cm以下的凝块,放入盛有体积分数为2.5%戊二醛溶液的小烧杯中固定4 h,然后用pH 7.2的磷酸盐缓冲液冲洗3次,每次约15 min,再分别用30%、50%、70%、90%、100%的乙醇梯度洗脱,每次约15 min,将酸奶凝块放入平板,封膜后扎孔,放进-40 ℃冰箱中冷冻12 h,取出后进行真空冷冻干燥12 h,样品镀金后用扫描电子显微镜观察[17]。

1.3.7 感官测评

由10位与乳品研究相关人员对酸奶进行感官评分,评分指标有色泽、组织状态、黏稠度、润滑感、酸甜感、香气。感官描述及评分标准见表2,实验结果以雷达图展示。

表2 酸奶感官评定标准Table 2 Standard of sensory evaluation of yoghurt

1.3.8 统计分析

所有试验重复测定3次。数据处理和显著性分析使用SPSS 23.0,实验结果用平均值±标准差表示,采用单因素方差分析分析组间差异,以P<0.05表示差异显著。使用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 WPI-EG对酸奶持水力的影响

持水力的大小与凝胶网络的相互作用、微观结构和施加外力的大小有关[18]。由图1可知,SMP和LFM酸奶的持水力显著低于WMP酸奶(P<0.05)。WPI-EG中蛋白和脂肪含量较低时,实验组酸奶样品(1.5%PR、3.5%PR)持水力同SMP酸奶相比无显著差异,且低于LFM酸奶,而5.5%PR组持水力同其他实验组相比显著提高,为49.07%。研究表明，酸奶持水力大小主要同酸奶凝胶网络结构紧密程度及网络间孔隙大小相关[19-20]。WPI-EG对持水力的改善可能是由于乳清蛋白经过热处理后,变性程度增加,暴露出更多的疏水基团和反应位点,因此WPI-EG颗粒本身及其同酪蛋白之间更易发生交联[21],同对照相比形成更加紧密的网络结构,从而增强酸奶持水力。

7.5% PR组酸奶持水力为39.87%,低于5.5%PR组。7.5%PR组中添加的WPI-EG蛋白质和脂肪质量分数虽然高于5.5%PR组,但7.5%PR组的WPI-EG在酸奶中的添加量(8.0%)低于5.5%PR组(10.9%)；另外,当WPI-EG中蛋白质和脂肪质量分数分别达到5.5%和7.9%时,WPI-EG颗粒在酸奶中可能已经结合蛋白形成了具有足够强度的凝胶网络,在此基础上WPI-EG中蛋白质和脂肪含量的轻微增加对酸奶凝胶结构无明显影响。因此,持水力实验结果表明5.5%PR组酸奶可显著提高酸奶的持水力,提升酸奶品质。

图1 WPI-EG对酸奶持水力的影响Fig.1 Effect of WPI-EG on water holding capacity of yoghurt

2.2 WPI-EG对酸奶质构的影响

不同酸奶的硬度值如表3所示。1.5% PR和3.5% PR组无显著差异,实验组中5.5% PR酸奶硬度最高(58.89 g)。在制备WPI-EG的过程中,对WPI进行了热改性处理,因此体系中蛋白存在许多交联位点,使得变性乳清蛋白与酪蛋白的交联增多。较高含量的变性乳清蛋白可改善与脂肪的相互作用,使网络结构更致密,从而增加凝胶的硬度[22]。研究表明WPI-EG中脂肪含量的增加也可以增强酸奶的三维网络结构[12]。7.5% PR酸奶的硬度(48.18 g)低于5.5% PR酸奶。此结果表明,当WPI-EG中蛋白质和脂肪含量达到一定浓度(蛋白质≥5.5%,脂肪≥7.9%)时,WPI-EG的添加量对改善酸奶质构特性起到了更为重要的作用。

表3 WPI-EG对酸奶质构特性的影响Table 3 Effect of WPI-EG on texture properties of yoghurt

稠度是酸奶内部摩擦力大小的体现。如表3所示,WMP酸奶的稠度值最高(1 777.81 g·s)。1.5% PR(904.32 g·s)、3.5% PR(938.47 g·s)的稠度值与LFM酸奶无显著差异。实验组中5.5% PR酸奶的稠度最高(1 600.82 g·s)。样品稠度增大可能与热变性乳清蛋白与黄油结合形成结构类似脂肪球的乳清蛋白-黄油凝胶颗粒有关,颗粒的增多使样品内部摩擦的几率增大。

黏聚性能够体现酸奶内部分子间作用力的强度。1.5% PR(40.34 g)、SMP(37.15 g)和LFM(40.67 g)酸奶的黏聚性无显著性差异。添加WPI-EG的样品中5.5%PR酸奶的黏聚性最高(74.95 g)。此结果表明,特定蛋白和脂肪含量的乳清蛋白-黄油乳液凝胶颗粒能结合更多的水分和脂肪,限制体系中自由的脂肪和水分在酸奶中的运动,从而提高酸奶的凝聚力,即黏聚性增大。

胶着度值表示将样品破裂成能够被吞咽状态而需要的力。除1.5% PR酸奶外,3.5% PR、5.5% PR和7.5% PR酸奶的胶着度均高于SMP和LFM酸奶。TAMIME等[23]认为,当微粒化乳清蛋白用作脂肪替代物时,其功能是模拟脂肪球。

此结果表明,添加WPI-EG的酸奶与LFM酸奶相比虽然脂肪和蛋白质含量相同,但由于乳液凝胶形成类似脂肪球的结构,具有一定弹性,因此其胶着度高于LFM酸奶。

2.3 WPI-EG对酸奶流变特性的影响

如图2所示,所有样品都呈现出假塑性流体的特征,即表观黏度随着剪切速率的增加而降低。剪切速率在0～50 s-1时所有样品的表观黏度均明显下降,而在50～500 s-1阶段下降缓慢。WMP酸奶的表观黏度在50～500 s-1阶段较其他样品下降缓慢,添加WPI-EG实验组酸奶除1.5%PR样品外,其余样品表观黏度下降程度较SMP和LFM酸奶缓慢,并且随着添加WPI-EG中蛋白质质量分数的增大,表观黏度随剪切速率下降减缓,随着剪切速率增大,蛋白之间的作用力被减弱,减小了分子间的摩擦力,表观黏度下降,但随着WPI-EG中蛋白质、脂肪含量增加,增强了酸奶网络结构中分子间的摩擦,提高了分子之间的成胶性,因此酸奶的表观黏度下降减缓[24]。

图2 WPI-EG对酸奶表观黏度的影响Fig.2 Effect of WPI-EG on apparent viscosity of yoghurt

酸奶具有黏性和弹性特征。当G′>G″时,表明样品的弹性形变优于黏性形变,即样品体现出一定的刚性[25]。由图3可知,所有酸奶的G′和G″值都随着剪切速率的增加而增加,WMP酸奶的G′和G″值均高于其他样品,1.5%PR酸奶G′和G″值低于SMP和LFM酸奶。G′和G″值描述酸奶的凝胶强度,除1.5%PR样品外,其他实验组酸奶样品G′和G″值均高于SMP和LFM酸奶,且7.5%PR酸奶的黏弹性最高,WPI-EG以蛋白包裹脂肪的小颗粒形式存在,使凝胶网络结构更为均匀细腻,增大了酸奶的凝胶强度。而5.5%PR酸奶的G′值较高,这一结果与持水力和质构结果相符,酪蛋白与热处理的乳清蛋白相互作用,使得样品呈现出具有较好弹性的固体凝胶状态。

图3 WPI-EG对酸奶黏弹性的影响Fig.3 Effect of WPI-EG on viscoelasticity of yoghurt

2.4 WPI-EG对酸奶微观结构的影响

酸奶的微观结构是蛋白质聚集形成的三维网状结构,由图4可看出SMP和LFM酸奶的网络结构较松散,网状结构间孔隙较多,而WMP酸奶的网络结构比较紧密。表明在WMP样品中蛋白分子与脂肪球相互结合,形成较大的聚集体且致密的网络结构[26-27]。此结果同TORRES等[6]的研究一致,脂肪球能增强蛋白质分子间相互作用,酸奶中脂肪含量增加使网络结构更加紧密。添加WPI-EG酸奶的微观结构比SMP和LFM酸奶的微观结构更致密、更规则,可能是变性乳清蛋白与酪蛋白之间的交联增多。

图4 WPI-EG对酸奶微观结构的影响Fig.4 Effect of WPI-EG on microstructure of yoghurt

蛋白质质量分数从1.5%增加到7.5%的WPI-EG的酸奶,网络结构变得更紧密和牢固,7.5%PR组三维网状结构更为粗壮,而5.5%PR组酸奶的网状结构紧密、平整、规则,这种结构有效提高了样品的硬度、黏度和持水力。

2.5 WPI-EG对酸奶感官的影响

如图5所示,SMP和LFM酸奶的整体评分较低,组织状态、黏稠度和润滑感较差,可能是由于脂肪含量低导致乳清析出,WMP酸奶的得分高于两者。添加WPI-EG酸奶的整体评分随着WPI-EG中蛋白质、脂肪质量分数的增大而升高,5.5%PR酸奶和7.5%PR酸奶样品感官评分都较高,两者样品组织均匀细腻,无乳清析出,黏度适中,口感润滑。有研究发现,变性乳清蛋白能够有效改善酸奶中风味物质的结合和释放[28]。本研究中,WPI-EG通过热变性乳清蛋白将黄油包裹,形成稳定的乳液凝胶颗粒,能够更有效的保留脂肪中的脂溶性的风味物质,提升酸奶风味,增加了酸奶的香气等感官评价指标。

图5 酸奶感官评分雷达图Fig.5 Radar map of sensory evaluation of yoghurt

3 结论

本研究发现WPI-EG是低脂酸奶中一种有效的脂肪替代物和稳定剂。添加WPI-EG生产的酸奶，各项指标随着WPI-EG中蛋白质和脂肪质量分数的不同而发生相应的变化。实验组中添加含5.5%蛋白、7.9%脂肪的WPI-EG时酸奶的持水力、硬度、稠度、黏聚性和胶着度最高,与低脂对照相比差异显著；5.5%PR酸奶感官评分较高,尤其是香气和润滑性的评价显著高于其他样品。因此,在生产低脂酸奶过程中加入特定蛋白、脂肪含量的WPI-EG能够显著提升低脂酸奶品质,在酸奶生产中具有较好的实际意义和应用价值。