鹰嘴豆膳食纤维的乳化性能

栗俊广，马旭阳，姜茜，杜娟,3，张旭玥

1(郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州，450001)2(河南省冷链食品质量与安全控制 重点实验室，河南 郑州，450001)3(食品生产与安全河南省协同创新中心，河南 郑州，450001)

鹰嘴豆(CicerarietinumLinn.)是世界第三大豆类，具有耐热、耐干旱、耐贫瘠等特征[1]，在非洲、地中海沿岸、美洲以及我国云南、新疆等地都有广泛种植[2]。与其他豆类相比，鹰嘴豆不含胆固醇，是蛋白质、膳食纤维和维生素的极佳营养来源。除了是珍贵的种植资源外，鹰嘴豆还具有极高的药用价值，可以降低慢性病的发病风险，具有降糖降脂、抗氧化、抗肿瘤等功能[3]。

近年来，膳食纤维(dietary fiber，DF)因其丰富的营养价值和功能特性而备受关注[4]。作为第七大营养素，膳食纤维对某些疾病的治疗具有重要意义，如抗肠癌、降低胆固醇和预防肥胖等[5]。膳食纤维结构中含有较多的亲水性基团，可与水分子发生作用，使之具有较高的持水力和膨胀力[6]，摄入后能加快排便速度，使体内毒物迅速排出体外。膳食纤维应用于食品可以赋予食品特定的流变学特性，从而改善其品质特性[7]。膳食纤维分子可以聚集在油滴表面形成界面层，阻止油滴的聚集，从而维持体系平衡，因此，可以作为乳化剂稳定高脂肪食品和乳液，也可作为脂溶性物质载体，提高食品风味。从鹰嘴豆中提取出的鹰嘴豆膳食纤维(chickpea dietary fiber, CDF)具有良好的生物活性，如抗肿瘤、抗氧化、降低胆固醇等，具有很大的开发潜力[8]。然而，目前关于CDF乳化性的研究还少有报道。

本实验通过测定CDF持水性、持油性、膨胀性、微观结构、乳液粒径、电位、总体稳定指数(total stable index, TSI)、微观稳定性、界面张力、乳液流变性能等指标，分析了CDF的理化特性和不同质量分数CDF乳液(0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%)的乳化特性，为鹰嘴豆膳食纤维在乳化食品中的开发利用提供理论依据[9]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鹰嘴豆购自云南省文州自治区丘北市天星乡；金龙鱼大豆油购自郑州某超市；正己烷、氢氧化钠、盐酸、溴化钾等均为分析纯。

1.2 仪器设备

Aanti J-26 s XPI高速冷冻离心机，美国Beakman公司；LS13320/ULM2激光粒度仪，美国贝克曼库尔特公司；ertex70傅里叶变换红外光谱仪，美国Bruker光学公司；Regulus 8100高分辨场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；Ultraturrax T25高速分散器，德国IKA公司；Discoery旋转流动仪、DSC Q20差示量热扫描仪，美国TA仪器有限公司；Nano-ZS90纳米激光粒度仪，英国马尔文仪器公司；PH50光学显微镜，江西凤凰光学有限公司；Turbiscan LabMeasurngExpert多重光散射仪，法国Formulaction仪器公司；K100自动界面张力仪，德国Krüss公司。

1.3 实验方法

1.3.1 CDF的提取

参考LAN等[10]的方法提取CDF。以鹰嘴豆脱脂粉为原料，与0.5 mol/L NaOH按料液比1∶15(g∶mL)混合均匀，在50 ℃水浴条件下搅拌2 h，3 000×g离心15 min后倒掉上清液，沉淀用0.5 mol/L NaOH洗涤并离心，与1.0 mol/L的HCl溶液按料液比1∶10(g∶mL)混合均匀，再次搅拌并离心除去可溶性组分，然后用0.5 mol/L NaCl溶液洗涤，加碱调至pH为7，离心取沉淀，蒸馏水洗涤2次后真空冷冻干燥16 h，超微粉碎后，过100目筛，得到CDF。

1.3.2 CDF理化性质的测定

1.3.2.1 持水力的测定

参考SOWBHAGYA等[11]的方法稍加修改。准确称取CDF样品1.000 g，加入30 mL蒸馏水，振荡均匀，在室温下放置18 h，离心(4 000×g，20 min)倒掉上清液，在105 ℃下干燥至恒重。持水力(water holding capacity，WHC)计算如公式(1)所示：

(1)

式中：m1，干燥后样品质量，g；m2，干燥前样品质量，g。

1.3.2.2 持油力的测定

参考曾蓓蓓等[12]的方法稍加修改。准确称取CDF样品1.000 g于50 mL干燥离心管中，加入20 mL大豆油，振荡均匀，在室温下放置18 h，离心(4 000×g，20 min)倒掉上清液，至离心管内壁无油迹，称量样品和离心管的质量。持油力(oil holding capacity,OHC)计算如公式(2)所示：

(2)

式中：m0,样品质量，g；m1,离心管质量，g；m2,样品和离心管的质量，g。

1.3.2.3 膨胀力的测定

参考SOWBHAGYA等[11]的方法稍加修改。准确称取CDF样品1.000 g于干燥后的10 mL量筒中，加入8 mL蒸馏水，混合均匀后室温静置18 h，记录膨胀后的膳食纤维体积，膨胀力按公式(3)计算：

(3)

式中：m0,样品质量，g；0,样品体积，mL；1,静置18 h后样品体积，mL。

1.3.3 CDF微观结构

将制备好的CDF样品平铺在贴好导电胶的样品台上，用洗耳球吹去多余的粉末，喷金120 s。置于扫描电子显微镜下观察各样品颗粒的形态，加速电压为1.0 k。

1.3.4 CDF乳化性质的测定

1.3.4.1 CDF乳液的制备

称取一定质量的CDF样品，加入大豆油，用高速分散器在10 000 r/min条件下均质3次，每次20 s，得到CDF乳液，且CDF的最终质量分数分别为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，大豆油含量为25%。

1.3.4.2 CDF乳液粒径、电位的测定

采用LS13320/ULM2激光粒度仪分析不同浓度CDF乳液的粒径，结果用D(4,3)表示，每个样品重复3次。参考刘兴丽等[13]的方法测定乳液Zeta电位并稍加修改。制备不同浓度CDF新鲜乳液加到电位样品池中，使用Nano-ZS90纳米激光粒度仪测定Zeta电位，测试温度为25 ℃，平衡时间120 s，每个样品测定3次。

1.3.4.3 CDF乳液微观形貌

乳液微观形貌使用光学显微镜观察，取一滴稀释后的乳液滴在载玻片中心，缓慢盖上盖玻片，防止产生气泡，在10×物镜下观察图像。

1.3.4.4 CDF分层指数

将制备好的新鲜CDF乳液装到10 mL具塞比色管中，室温条件下储藏72 h，观察乳液的分层情况。乳液分层指数以乳清层的高度占乳化液高度的百分比表示。

1.3.4.5 CDF乳液总体稳定性指数的测定

使用多重光散射仪测定乳液的总体稳定指数(total stable index, TSI)。取20 mL新鲜CDF乳液加入样品瓶中进行测定，扫描时间1 800 s，每60 s扫描1次。

1.3.4.6 CDF乳液流变学特性的测定

参考ZHUANG等[14]和LI等[15]的方法，使用旋转流动仪对乳液进行静态流变和动态流变测定，选用直径为40 mm的平板夹具，样品加载在平行板之间，平板间隙为0.4 mm。

对于静态流变，测定不同CDF质量分数的乳液表观黏度随剪切速率的变化，剪切速率从0.1～1 000 s-1增加，测试温度设为25 ℃，每个样品测试4次。对于动态流变，测定乳液的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随角频率的变化，角频率从0.1～100 rad/s增加，应变为0.6%。

1.3.4.7 CDF-大豆油界面张力的测定

参考O’SULLIAN等[16]的方法测定界面张力。采用铂金平板法测定油相与CDF溶液之间的界面张力。将CDF溶液(20 g)装在自动界面张力仪配带的玻璃皿中，缓慢下降铂金板，使之浸入溶液3 mm的深度。再加入约50 g的大豆油，注意加入过程应缓慢以防气泡产生，测试温度25 ℃，时间3 600 s。

1.3.5 数据分析

试验重复3次，结果表示为平均数±标准差。采用SPSS Statistics 19.0分析软件进行统计分析，使用单因素方差分析(ANOA)、Duncan’s多重比较检验法进行显著性分析(P<0.05)；采用Origin 9.0进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 CDF理化性质分析

DF的持水力、持油力和膨胀力的大小是衡量其性能的重要指标。CDF的理化性质如表1所示，其持水力为1.22 g/g，高于已有报道的鹰嘴豆皮多糖(0.37 g/g)[8]。膨胀力为16.34 mL/g，高于糯米DF(2.73 g/g)[12]。持油力为3.17 g/g，高于米糠DF(0.99 g/g)[17]、花生壳DF(2.03 g/g)[18]、大豆DF(3.06 g/g)[7]。膳食纤维的结构影响其理化性质，疏松的孔状结构可形成亲水性骨架截留水分子，从而填充多糖准晶态的孔隙引起较强的溶胀作用。此外，海绵状的亲水基质可提高肠道中粪便体积和稠度从而预防便秘[19]。

表1 CDF理化性质Table 1 Physicochemical properties of chickpea dietary fiber(CDF)

2.2 CDF扫描电镜结果

从图1-a中可以看出，脱脂鹰嘴豆粉在500 倍数下多为椭圆球状，可能是残存的淀粉和蛋白质，另含有不规则块状的紧密结构，其表面有很多凸起堆积，且大小不均一，形态各异。图1-b和图1-c是CDF在不同放大倍数下呈现出来的微观结构，可看出结构疏松多孔，表面凹凸不平，空隙深而宽，呈现出蜂窝块状。由于凹陷和褶皱的存在，使蜂窝状结构突出，膳食纤维的表面积增加，同时还会暴露多糖类内部更多的活性基团，从而增强其理化特性(持水性、持油性、膨胀性)。因此，CDF的微观结构为其物理特性提供了形态学方面的依据。

a-脱脂鹰嘴豆粉(500×)；b-鹰嘴豆膳食纤维(500×)； c-鹰嘴豆膳食纤维(1 000×)图1 CDF的扫描电镜图Fig.1 SEM images of CDF

2.3 CDF乳液粒径和显微结构

CDF质量分数0.4%～2.0%所制备的乳液粒径大小见表2。可以看出，当CDF质量分数由0.4%增加到0.8%时，乳液粒径从101.66 μm增至111.55 μm；CDF质量分数达2.0%时，乳液粒径又显著减小为71.81 μm。乳液粒径变化趋势与曾伟奇[20]研究相似，随着浓度的增加，柑橘膳食纤维乳液粒径呈现先增加后减小的趋势。

表2 不同质量分数CDF对其乳液粒径大小的影响Table 2 Particle size of emulsions under different concentrations of CDF

不同质量分数CDF乳液的粒径分布和显微镜结构如图2所示。当质量分数达到2%时，乳液粒径分布呈现一个峰，表明形成均匀的乳液，而其余浓度下的乳液液滴粒径都表现出相似的三峰分布。从显微镜结构也可看出，CDF质量分数低于0.8%时，液滴较大且存在聚结，这是由于CDF质量分数较低，连续相中存在的CDF不足以形成弱凝胶，使得纤维在低浓度的液滴之间形成更大的絮凝；CDF质量分数为1.2%～1.6%时，少量液滴之间出现絮凝，油滴分布不均匀；CDF质量分数达2.0%时，乳液液滴较小且分布更均匀，这更有利于乳液的稳定。不同浓度的CDF对乳液稳定性影响较大，这是因为CDF通过高速分散器剪切后会吸附在乳液液滴表面，从而达到稳定乳液的目的。CDF质量分数在0.8%以内时，液滴粒径与其浓度呈负相关，当CDF质量分数增加到0.8%以上时，CDF在油水界面的吸附密度提高，乳液液滴间的空间位阻效应变强，液滴间的有效碰撞可能性降低，从而减少液滴聚结的发生，因此液滴粒径减小[21-22]，乳液乳化性能增强。

a-0.4%;b-0.8%;c-1.2%;d-1.6%;e-2.0%图2 不同质量分数CDF乳液粒径分布和显微结构Fig.2 Particle size distributions and microstructure of emulsions under different concentrations of CDF

2.4 CDF乳液电位

Zeta电位能够反映油滴在分散体系中的稳定情况。图3为不同浓度CDF乳液Zeta电位。

图3 不同质量分数CDF对其乳液电位大小的影响Fig.3 Zeta potential of emulsions under different concentrations of CDF

CDF乳液Zeta电位为负值，这主要因为CDF带有阴离子电荷—COO-。当CDF质量分数从0.4%增加到0.8%时，Zeta电位显著减小；从0.8%增加到1.6%时，Zeta电位变化不显著；质量分数进一步增加到2%时，Zeta电位再次减小。产生这样的现象可能是因为当膳食纤维粒子包覆在油滴表面时，油滴会与疏水基团结合，使亲水基团暴露，导致液滴之间的静电排斥作用增加。随着CDF质量分数的增加，包覆在乳液液滴表面的纤维粒子相互缠结，界面吸附的粒子与液相中粒子缠结，减少了暴露在外面的亲水基团的数量，液滴之间静电排斥作用减弱，这有助于液滴周围形成致密薄膜，进而形成更强的网络结构，使得乳液Zeta电位减小且稳定性提高[23]。因此，质量分数2%的CDF乳状液稳定性最好。

2.5 CDF乳液分层稳定性

乳液分层指数可以反映油滴与水相乳化液的聚集和分离程度，图4为不同质量分数CDF乳液在储藏72 h内的分层指数。随着CDF浓度的增加，分层指数下降，当质量分数达到2.0%时乳液的分层指数最低，稳定系数最高。分层稳定性的提高主要是因为液滴颗粒粒径减小，增加了连续相的黏度，减小了连续相之间的密度差。可能是因为随着CDF质量分数增加，连续相中的粒子通过高速分散器剪切后会形成三维凝胶网络结构，增加连续相的黏度，限制液滴的迁移，这与图6-a中乳液黏度随质量分数增加而增大一致。此外，CDF包裹在油滴表面，通过增加油滴的密度使油滴和连续相的密度差减小，也有助于提高乳液的分层稳定性[23]。

图4 不同质量分数CDF乳液分层指数Fig.4 Creaming index of emulsions under different concentrations of CDF

2.6 CDF乳液TSI结果

TSI是对乳液不稳定过程的定量分析，用于表征样品的稳定性。TSI值越大，稳定性越差[24]。如图5所示，随着时间的延长所有处理组TSI值增大，在1 800 s内，CDF的添加提高了乳液体系的总体稳定性，且在质量分数为2.0%时TSI值最小，说明此时乳液最稳定，不易聚集、絮凝或相分离，该结果与乳液分层指数变化趋势一致。

图5 不同质量分数CDF乳液TSI的变化Fig.5 Turbiscan stability index of emulsions under different concentrations of CDF

2.7 CDF乳液流变学特性

图6-a显示了CDF乳液在不同剪切速率下表观黏度的变化。乳液黏度随着CDF质量分数的增加(0.4%～2.0%)而升高，可能是由于CDF质量分数增加，未被吸附的粒子数增加，增强了分子间的相互作用和摩擦，使得连续相中的CDF黏连形成更加稳定的三维网络结构，提高了乳液黏度。这与LAN等[10]的研究相一致，乳液的表观黏度随着玉竹膳食纤维浓度的增加而增加。

图6-b显示了CDF乳液在角频率扫描模式下G′与G″的变化。在乳液分散体系中，除0.4%的添加量外，其他质量分数CDF乳液体系的G′均高于G″，说明在整个体系中弹性占据主导地位[25]。0.4%质量分数CDF在低频率下主要表现出弹性响应，高频率下主要是黏性响应，因此在中间频率下存在交叉点。这种黏弹性现象显示了浓缩溶液的特征，而非形成稳定的三维网络结构[26]。乳液体系的G′和G″随着CDF质量分数的增加而提高，且呈现出较弱的频率依赖性，这可能是CDF质量分数增加时，体系中纤维粒子浓度也增加，使得更多的纤维粒子参与构建网络结构，导致体系弹性和黏性提升，从而形成强度更大的凝胶网络。

a-剪切速率扫描;b-角频率扫图6 不同质量分数CDF对其乳液流变学特性的影响Fig.6 Rheological properties of emulsions under different concentrations of CDF

2.8 CDF-大豆油界面张力

如图7所示，所有乳液界面张力随时间的延长而降低，说明CDF能够吸附油滴表面，在油-水界面形成界面层，使体系趋于稳定。在500 s内，界面张力值下降迅速，表明DF粒子迅速吸附在油滴表面；随着时间的延长，界面张力值下降缓慢，这可能是因为油水界面逐渐达到饱和。界面张力的降低有助于DF粒子在界面上的吸附、拉伸和重排，从而改善其乳化性。与低质量分数CDF相比，高质量分数的CDF与大豆油之间的界面张力明显降低，且2.0%时达到最低。不同浓度CDF能明显改变油-水的界面张力，主要是乳液体系中DF粒子吸附在油滴表面形成界面层的稳定程度不同。

图7 不同质量分数CDF对其乳液界面张力的影响Fig.7 Interfacial tension of emulsions under different concentrations of CDF

3 结论与讨论

鹰嘴豆膳食纤维表现出较高的持水、持油性，可能是CDF的疏松多孔结构，存在的凹陷和褶皱使其表面积增加所致；随着CDF质量分数的增加，乳液粒径减小，液滴分布更加均匀；乳液分层指数、TSI及界面张力结果表明，CDF质量分数的增加能显著提高乳液稳定性，且2%的CDF乳液稳定性最好；乳液的表观黏度随着CDF浓度的增加而增大，使CDF在油水界面的吸附密度提高，减少了液滴间的聚集；角频率扫描模式下乳液的储能模量在CDF质量分数2%时达到最大，这有利于形成有序的凝胶网络结构。因此，CDF的良好理化及乳化特性，在改善产品质量、丰富膳食纤维含量方面具有良好的应用前景。