怀山药多糖/蛋白纳米凝胶在冰淇淋中的应用

朱莹莹，安双双，马琦，董吉林*

郑州轻工业大学食品与生物工程学院（郑州 450000）

怀山药特指河南焦作一带（古怀庆府）种植的山药，也称怀参。中医学认为怀山药有健脾、补肺、固肾、益精等功效，久服可补中益气、强筋壮胃、生津止渴、耳聪目明，是一种典型的药食兼用作物[1]。怀山药中含有丰富的蛋白质和黏性多糖，其多糖具有降血糖、抑制肿瘤细胞增长、抗氧化、调节免疫等多种保健作用[2-3]。怀山药的淀粉质原料丰富，近年来多用于发酵制品的开发，其主要产品有山药饮料、山药酸奶、山药米酒、山药食醋等，但对怀山药的高值化利用研究较少，怀山药深加工产品有所欠缺。研究表明，多糖和蛋白质可在一定条件下（温度、pH、离子条件、浓度等）形成复合物凝胶[4]，该复合凝胶独特的理化特性和功能特性受到越来越多关注，并试图将其作为脂肪替代物用于低脂健康食品的生产。赵雯等[5]通过感官评分发现多糖、蛋白质及多糖/蛋白质复合物经过微粒化处理并分别被作为脂肪替代物时，二者复合物微粒能产生更佳的类脂肪口感。球蛋白和一系列多糖不同形式复合物均可被再加工成纳米凝胶粒子，形成的凝胶粒子比单纯蛋白质或者多糖所形成的凝胶粒子具有更好的稳定性和流变性能，且在对增加乳液体系稳定性及作为脂肪替代物方面都有潜在的应用[6]。Jones等[7]指出多糖/蛋白质纳米凝胶粒子具有独特的流变性和乳化性，在对活性物质的包埋和传输、作为脂肪代替物等方面有潜在应用。许威等[8]综述蛋白质/多糖自组装纳米凝胶在食品领域的应用，指出其具有良好乳化性，形成的稳定乳液体系可以替代传统油水乳液体系，且能做到取材于食品应用于食品，在低脂食品的生产中具有重要意义。

冰淇淋是一种以奶油、奶粉、白砂糖为主要原料的冷冻制品。其脂肪含量10~16 g/100 g料浆，每日食用100 g就会大概率造成消费者日油脂总摄入量超过膳食指南推荐量，增加罹患慢性代谢疾病风险[9]。如何能在尽量少地影响冰淇淋风味质地的前提下，寻求低热量、具有健康效益的脂肪替代物，成为健康饮食研究领域的热点。Liu等[10]制备大豆蛋白/黄原胶复合物，通过酶解和热剪切作用，得到复合物微粒，该产品可替代冰淇淋中50%的奶油，并展现出与全脂冰淇淋同样的口感。Yan等[11]对大豆蛋白水解物及其黄原胶混合物进行热剪切处理，以得到的微粒子化复合物作为脂肪替代品，研究表明，该微粒子化复合物具有更好的融化性能和与全脂冰淇淋最接近的感官特征。基于蛋白/多糖复合物作为脂肪期替代物的一系列优势，该类替代物必将成为该行业研究热点。

以实验室提取的怀山药多糖/蛋白混合物为原料，并复配一定量SPI制备复合纳米凝胶体系，研究其在低脂冰淇淋生产中的应用。探讨不同复配比例SPI添加量对怀山药多糖/蛋白复配体系纳米凝胶的结构及理化性质的影响；研究该产品作为脂肪替代物对冰淇淋品质的影响，并确定其最佳替代比例。试验为低脂食品的生产应用提供理论和方法指导，可为怀山药作物的高值化利用提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜怀山药（温县三和堂怀药有限公司）；大豆分离蛋白（不二富吉科技有限公司）；脱脂奶粉（新西兰进口分装）；淡奶油（青岛雀巢有限公司）；乳化稳定剂（廉江泰兴生物科技有限公司）；白砂糖（湖北亿龙食品有限公司）。

1.2 怀山药多糖/蛋白复配体系纳米凝胶的制备及性质检测

1.2.1 纳米凝胶制备[12]

将怀山药加热水打浆后，于60 ℃搅拌提取4 h，离心取上清液，上清液经减压浓缩至原体积1/5，加4倍95%乙醇沉淀过夜，离心取沉淀，冷冻干燥，即得到怀山药多糖和蛋白混合提取物（CPP），将CPP和SPI按质量比10∶0，9.5∶0.5，9∶1，8.5∶1.5和8∶2混合溶于去离子水中，使其质量分数为20%，5组分别使用TGL-16M型离心机（上海卢湘仪离心机仪器有限公司）按3 000 r/min离心20 min取上清。磁力搅拌离心后所得怀山药多糖和蛋白混合物溶液，缓慢加入离心后等体积的SPI溶液。在溶液中加入CaCl2使其终浓度为30 mmol/L。搅拌均匀后，将溶液置于40 ℃水浴保持30 min，并同时使用90-2型磁力搅拌器（上海泸西分析仪器厂有限公司）从350 r/min逐渐升高至1 000 r/min转速以使大分子在溶液中均匀充分分散。然后，将分散液置于90 ℃水浴中加热45 min，冷却至室温后放入4 ℃冰箱过夜，即得到怀山药多糖/蛋白复配体系凝胶。

将制得的凝胶置于25 ℃水浴30 min，然后取适量凝胶以6.25%比例与去离子水混合搅拌，同时补充CaCl2溶液，使终浓度为15 mmol/L。使用AF-B1均质机（上海艾枫机电设备有限公司）室温下处理该混合液2 min，随后使用MS-3000高速磁力搅拌器（拉脱维亚BIOSAN公司）按2 000 r/min室温搅拌10 min，使用FS-200T超声均质机（上海生析超声仪器有限公司）室温下处理该混合液5 min，使用GYB40-10S型高压均质机（上海东华高压均质机厂）室温下处理该混合物2 min，即得到山药多糖/大豆蛋白共价结合物纳米凝胶。

1.2.2 粒径测定

采用MICROTRAC S3500型激光粒度仪（美国电子公司）测定湿态纳米凝胶悬浮液粒径，根据Chanamai R等[13]的方法，略有改动。吸取10 μL湿态纳米凝胶悬浮液样品，以蒸馏水将悬浮液稀释至质量分数0.05%，以乳液粒度分布和平均粒径为指标记录试验结果，每个样品重复测量3次，取平均值。

1.2.3 持水性测定

根据Boutin等[14]方法适当修改。离心管称重，称取一定量纳米凝胶干样品置于离心管中，配制1%的水溶液置于离心管中，在85 ℃水浴条件下保温10 min，在18~20 MPa下均质，老化3 h，高速离心（5 000 r/min），弃去上清液，倒置10 min，准确称取含有沉淀的离心管质量。根据式（1）计算持水率A。

式中：W0为干样品的质量，g；W1为离心管加干样品的质量，g；W2为离心管加沉淀的质量，g。

1.2.4 质构测定

称取一定质量湿态纳米凝胶，使用TA. XT质构仪（英国SMS公司）对其质构特性进行测定，评价纳米凝胶质构特性。参数设定：选用直径50 mm的圆柱形探头（P/50）；测前速率、测试中速率、测后速率均为1 mm/s；触发力为5 g；压缩变形量设置为30%；间隔时间5 s；数据采集率为200 pps。

1.3 怀山药多糖/蛋白复配体系纳米凝胶替代乳脂对冰淇淋品质的影响

1.3.1 冰淇淋的制备

采用CPP和SPI按9∶1混合制得的湿态纳米凝胶YG替代0（对照组），25%，50%，75%和100%淡奶油，制作冰淇淋浆。每百克冰淇淋浆料对照组及试验组配方见表1。

表1 冰淇淋用料及配比 单位：g/100 g

冰淇淋浆制备步骤：参考郑环宇等[15]的方法，将上述原料混合，并在70 ℃下搅拌20 min，巴氏杀菌（85 ℃，25 s）后使用均质机均质，将得到的冰淇淋浆于4 ℃老化6 h，再转移至-20 ℃凝冻3 h，得到冰淇淋产品。

1.3.2 膨胀率测定

取适当大小容器，分别装入凝冻前冰淇淋浆料和凝冻后冰淇淋浆料，根据式（2）计算冰淇淋膨胀率。

式中：X为膨胀率，%；M1为冰淇淋料浆质量，g；M2为冰淇淋质量，g。

1.3.3 抗融性测定

在恒温（25 ℃）恒湿条件下，取50±1 g形状和大小相同的不同冰淇淋样品置于网筛上，下方放一培养皿用以收集融化的样品，每间隔15 min拍照1次并记录融化的冰淇淋的质量，共记录60 min。以时间为横坐标，融化的冰淇淋的质量为纵坐标作图，所得曲线的斜率即为样品的融化速率。

1.3.4 感官评定

根据贺红军等[16]的方法适当修改。在25 ℃条件下，选择20位具有正常感官分辨能力、身体健康的人员在室内白炽灯下进行感官评定，评定指标主要包括咀嚼时感到的口味、软硬、黏稠、爽滑以及总体可接受程度等。随机分配样品，逐项打分，选取评定人员总分并计算平均分为最终评价指标。评价标准如表2所示。

表2 感官评定标准

2 结果与分析

2.1 多糖/蛋白复配体系纳米凝胶结构性质分析

2.1.1 粒径

从图1可以看出，在不添加SPI情况下的纳米凝胶平均粒径为58.2 nm。随着SPI复配比例增大，其混合体系的凝胶粒径呈现先减小后增大趋势。SPI复配比例5%时粒径最小，SPI复配比例高于5%时，其平均粒径开始逐渐增大，这可能与怀山药多糖和SPI之间的相互作用有关，结果表明制得的纳米凝胶粒径与SPI添加量有一定相关性，加入SPI越多，凝胶粒径越大。

图1 不同SPI复配比例对凝胶体系平均粒径的影响

2.1.2 持水率

图2 为SPI浓度对所成凝胶持水率的影响。随着SPI浓度增加，制得的多糖蛋白纳米凝胶持水率先增大后减小，SPI复配比例从0升至10%时，凝胶持水率显著提高，这是由于加入的SPI越多，蛋白质含量越高，溶度越大，与水分子形成的氢键越多，能保留的水分也就越多[17]。但SPI复配比例达到一定的值后，凝胶持水率开始下降，这可能与多糖-蛋白质复合时所形成的凝胶呈网状结构有关，所形成的网状空隙会截留一部分水，凝胶形成完全时，吸收的水分达到最大值，溶液中的溶质会结合一定的水分，使得凝胶持水率有所下降[18]。

图2 SPI浓度对纳米凝胶持水率的影响

2.1.3 质构分析

由表3可知，由于SPI复配比例不同，所形成的纳米凝胶表现出不同的质地特性，表明加入的SPI比例对凝胶存在一定影响，SPI添加量增加，形成的纳米凝胶黏度逐渐增大，SPI复配比例0~10%时，制备的纳米凝胶硬度和弹性呈增加趋势，SPI复配比例15%~20%时，其凝胶硬度和弹性开始下降，这可能与怀山药中的多糖与SPI之间存在相互排斥作用有关，由于体系内的排阻作用使怀山药多糖/蛋白质及SPI混合凝胶增效，大豆蛋白浓度的提高促进凝胶形成，提高凝胶强度[19]。但SPI复配量超过某一浓度，会因其间的排斥作用产生絮凝，导致凝胶硬度及弹性逐渐降低。José等[20]研究表明，在一定条件下，多糖的存在有利于改善大豆蛋白水解物的凝胶性，但与生物聚合物的浓度和分子量有关，利用大豆蛋白水解物和半乳甘露聚糖混合物、控制生物聚合物的浓度和分子量，可以改善生物聚合物的功能。

表3 不同SPI复配比例下纳米凝胶质构分析

2.2 代脂冰淇淋品质

2.2.1 冰淇淋膨胀率检测结果

膨胀率是确定空气含量和评价冰淇淋品质的主要指标之一。如图3所示，5种不同的YG替代奶油比例制得的冰淇淋样品膨胀率在41.72%~68.16%之间，呈现先上升后下降趋势。其中YG替代量从0到75%时膨胀率提升最为显著，膨胀率增加26.44%，而脂肪替代率继续增大时，膨胀率从68.16%降低到57.42%。这是由于乳脂替代品被添加入冰淇淋中时，由于多糖和蛋白质所形成的纳米凝胶可以束缚冰淇淋中的水分[21]，水分子迁移受阻，冰淇淋的黏度因此增大，对气泡的吸附和稳定性增强，但冰淇淋内部过于黏稠，会阻止剧烈的搅动和空气进入，导致膨胀率降低。

图3 不同YG替代奶油比例对冰激凌膨胀率的影响

2.2.2 冰淇淋抗融性检测结果

抗融性是指冰淇淋对室温的耐受程度，抗融性差的冰淇淋入口会影响口感。冰淇淋在室温下的融化速率可以有效地反映冰淇淋的抗融性。如图4所示，不同YG替代奶油比例表现出不同融化速率，YG替代奶油比例25%时冰淇淋融化速率最大，这是由于冰淇淋膨胀率和奶油的减少会增大冰淇淋的传热速率。替代奶油比例增大到75%时，冰淇淋融化速率降低，这可能与冰淇淋的膨胀率增大有关，热传导速率变慢，导致融化率降低[22]。进一步增大冰淇淋奶油替代率时，其融化率有上升。这是由于乳脂大量减少会提高冰淇淋的传热速率，因此冰淇淋的融化率增加，说明冰淇淋的融化率受奶油含量和膨胀率影响。

图4 不同YG替代奶油比例对冰淇淋抗融性的影响

2.2.3 冰淇淋感官评价

从表4可以看出，不同的YG替代奶油比例对冰淇淋的感官品质有一定影响，YG替代奶油量100%时，冰淇淋的黏稠感及颗粒感评分最高，其黏稠感及颗粒感均随YG替代量增加而增大，与对照组相比，两者皆在YG添加量达到一定值时逐渐表现出优越性。冰淇淋的顺滑感在YG替代奶油量75%时最佳，即感官评分最高，YG替代量50%时冰淇淋的口融性效果最好，YG替代量75%的冰淇淋口融性次之。冰淇淋的颗粒感与对照组相比有显著差异，并随YG替代量的增加其颗粒感越明显，评分越高。因此，从冰淇淋的整体感官评分来看，YG替代量75%时，其感官评分最高，品质最好。

表4 不同YG添加量对冰淇淋感官品质的影响单位：分

3 结论

试验研究分析不同SPI复配比例对怀山药多糖/蛋白复配纳米凝胶体系的粒径、持水率及质构的影响，在此基础上，对复合凝胶的SPI配比进行优化选择。将制备所得多糖/蛋白复配体系纳米凝胶作为脂肪替代物添加到冰淇淋中，分别以5种不同YG替代奶油比例进行冰淇淋奶油最佳配比的选择，并探讨不同YG替代奶油比例对冰淇淋膨胀率、抗融性及感官品质的影响。结果表明，在SPI复配比例10%时所制备的怀山药多糖/蛋白复配纳米凝胶体系品质最好；在YG替代奶油比例75%时冰淇淋的膨胀率、抗融性及感官品质明显优于对照组及其他YG替代量。