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鸡肉蛋白水解物Pickering乳液凝胶制备技术及特性分析

2023-08-17杨琳郑华江伟烽刘泽祺马朋吴绍宗郭宗林林捷

肉类研究 2023年7期

杨琳 郑华 江伟烽 刘泽祺 马朋 吴绍宗 郭宗林 林捷

摘 要:为开发预消化防呛咳鸡肉蛋白补充剂,采用鸡油和鸡肉蛋白水解物制备O/W型Pickering乳液,研究高速剪切对乳液性质的影响,并添加卡拉胶制备热诱导型乳液凝胶。结果表明:在高速剪切工艺中,在50 ℃下以17 000 r/min高剪切力处理6 min所制备的乳液粒径较小、乳液液滴均匀分布且乳液物理稳定性相对较好;当卡拉胶添加量为0.3%时,乳液凝胶在0.1~100.0 rad/s频率范围内出现屈服应力点(G=G),即发生相变,且在25~55 ℃的温度波动下能保持良好的凝胶特性,在一定程度上提高了乳液凝胶的持水性。采用高速剪切处理在50 ℃下以17 000 r/min高剪切力处理6 min所制备的乳液特性最好,当卡拉胶添加量为0.3%时所形成的鸡肉蛋白水解物Pickering乳液凝胶稳定性最好且易发生凝胶态向流动态转变,可作为适合老年人食用的凝胶态鸡肉蛋白产品。

关键词:鸡肉蛋白水解物;高速剪切;Pickering乳液;乳液凝胶;防呛咳

Preparation and Characterization of Chicken Breast Protein Hydrolysate-Stabilized Pickering Emulsion Gel

YANG Lin1, ZHENG Hua1,2,*, JIANG Weifeng3, LIU Zeqi1, MA Peng1, WU Shaozong1,2, GUO Zonglin1,2, LIN Jie1,2

(1.College of Food Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;

2.Local Joint Engineering Research Center for Precision Processing and Safety of Livestock and Poultry Products, Guangzhou 510642, China;

3.Guangzhou Jiangfeng Industrial Wengyuan Co. Ltd., Guangzhou 512600, China)

Abstract: In order to develop pre-digested anti-choking chicken protein supplements, an an oil-in-water (O/W)  Pickering emulsion was prepared using chicken oil and chicken breast protein hydrolysate. The effects of high-speed shearing homogenization on the properties of the emulsion were explored, and carrageenan was added to the emulsion to prepare thermally induced emulsion gels. The results showed that the emulsion prepared by high-speed shearing at 50 ℃ at a shearing speed of 17 000 r/min for 6 min had a small particle size, uniform droplet size distribution and good physical stability. The emulsion gel with 0.3% carrageenan showed a yield stress point (G = G) in the frequency range of 0.1 to 100.0 rad/s, indicating that a phase change occurred, and it could maintain good gel properties at fluctuating temperatures of 25–55 ℃, and had improved water holding capacity (WHC). The emulsion prepared by high-speed shear treatment at 17 000 r/min

for 6 min at 50 ℃ had the best properties. The Pickering emulsion gel with 0.3% carrageenan had the best stability and was easily transformed into a fluid state, so it could be suitable for the elderly to consume.

Keywords: chicken protein hydrolysate; high-speed shearing; Pickering emulsion; emulsion gel; anti-choking

DOI:10.7506/rlyj1001-8123-20230517-043

中圖分类号:TS251.55                                文献标志码:A 文章编号:1001-8123(2023)07-0008-09

引文格式:

杨琳, 郑华, 江伟烽, 等. 鸡肉蛋白水解物Pickering乳液凝胶制备技术及特性分析[J]. 肉类研究, 2023, 37(7): 8-16. DOI:10.7506/rlyj1001-8123-20230517-043.    http://www.rlyj.net.cn

YANG Lin, ZHENG Hua, JIANG Weifeng, et al. Preparation and characterization of chicken breast protein hydrolysate-stabilized Pickering emulsion gel[J]. Meat Research, 2023, 37(7): 8-16. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/rlyj1001-8123-20230517-043.    http://www.rlyj.net.cn

近年来,中国的鸡肉消费量持续快速增长,鸡胸肉因其高蛋白、低胆固醇等特点,是最受消费者喜爱的优质肉类之一[1-2]。但也正是因为鸡胸肉的这一特点,其食用口感不佳,销售价格低于腿肉。目前在食品工业中,对鸡胸肉的利用仍处于初加工阶段,深加工的鸡胸肉产品有待创新研发[3-4]。相关研究发现,鸡肉蛋白经酶解后,蛋白质结构中的功能肽片段被释放变成小分子肽,其酶解产物具有抗疲劳、抗氧化、易消化等特点,从而显著提高了鸡肉蛋白质的营养价值及消化利用率[5-9]。

在乳液制备中,蛋白质通常作为乳化剂,利用其两亲特性提供空间或静电斥力来稳定油滴[10]。大豆分离蛋白、豌豆蛋白及玉米蛋白等植物基蛋白已广泛用于制备O/W型乳液[11-13]。動物源的蛋白质不仅具有较高营养价值,也可以应用于乳液的制备,如乳清蛋白、酪蛋白酸钠及明胶等[14-15]。此外,有研究报道,鱼蛋白经过酶促水解后具有一定的乳化能力[16]。有学者探究了高速剪切均质对鸡肉蛋白乳化特性的影响[17-18],Chai Xianghua等[19]在既定的均质参数下,对以抗氧化性为指标优化得到的鸡肉蛋白水解物进行乳化特性研究,但少有学者探究均质条件对鸡肉蛋白水解物乳化特性的影响。老年人由于口腔生理功能的退化,在日常饮食中摄入牛乳等流体食物时易出现呛咳现象,而能够被舌肌破碎的软凝胶态食品可降低老人呛咳风险[20]。

本研究分析均质条件对鸡肉蛋白水解物O/W型Pickering乳液特性的影响,利用卡拉胶优化乳液体系以制备鸡肉蛋白水解物Pickering乳液凝胶,开发易消化、防呛咳的老年人食品。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鸡肉蛋白水解物(水解度为16.1%、可溶性肽含量为26.53 mg/mL、蛋白质含量为33.57 mg/mL)、鸡油(提取温度80 ℃、水分含量0.04%、碘值68.64 g/100 g)   实验室自制。

κ-卡拉胶 广州新如荣生物科技有限公司;十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)(分析纯)   德国Biofroxx生化试剂公司。

1.2 仪器与设备

D-500Pro高速剪切均质机 德国Wiggens公司;Mastersize 3000激光粒度分析仪、Nano-ZS90电位分析仪   英国马尔文仪器公司;MCR301流变仪 奥地利Anton Parr公司;VersaMax酶标仪 美国Molecular Devices公司;HMS-4G数显四工位加热磁力搅拌器 上海沪析实业有限公司;AL104电子分析天平 深圳衡通伟业科技仪器有限公司;BA210T光学显微镜 厦门麦克奥迪实业集团有限公司。

1.3 方法

1.3.1 鸡肉蛋白水解物Pickering乳液及乳液凝胶的制备

在鸡肉蛋白水解物匀浆中添加4%的鸡油,加热至一定的乳化温度,利用高速剪切均质机在一定均质速率下均质一定时间得到O/W型Pickering乳液,并用于测定粒径、ζ-电位、物理稳定性及微观结构。

搅拌Pickering乳液并缓慢加入卡拉胶,以17 000 r/min的剪切均质速率处理4 min,之后加热到85 ℃,经冷却后得到O/W型的Pickering乳液凝胶。

1.3.2 鸡肉蛋白水解物Pickering乳液制备均质工艺单因素试验

高速剪切试验组:设置初始高速剪切处理条件为处理温度50 ℃、均质速率14 000 r/min、处理时间6 min。高速剪切处理的单因素变量分别为处理温度20、30、40、50、60 ℃,均质速率8 000、11 000、14 000、17 000、20 000 r/min,均质时间2、4、6、8、10 min。

1.3.3 鸡肉蛋白水解物Pickering乳液中卡拉胶添加量的单因素试验

在根据1.3.2节确定的均质条件制备得到鸡肉蛋白水解物稳定的Pickering乳液基础上,以质量比进行卡拉胶添加量单因素试验(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%),对所制备的鸡肉蛋白水解物-多糖稳定的Pickering乳液进行流变特性分析。

1.3.4 粒径及电位测定

采用激光粒度分析仪对乳液及乳液凝胶的体积平均粒径(d4,3)及粒径分布进行分析,鸡油和水相的折射率分别为1.46和1.33。使用电位分析仪测定样品的ζ-电位,将乳液或乳液凝胶样品用去离子水稀释100 倍,测定温度为25 ℃。样品平行测定3 次。

1.3.5 物理稳定性测定

1.3.5.1 离心稳定性

参照蒋雨珊[21]的方法并稍作修改,将8 mL乳液加入离心管中,在2 000 r/min下离心10 min,距离心管底部2 cm处取样。离心前与离心后乳液分别取50 ?L用0.1 g/100 mL SDS溶液稀释至5 mL,于500 nm波长处测定吸光度。乳状液离心稳定系数按式(1)计算。

式中:A0为离心前乳状液的吸光度;At为离心后乳状液的吸光度。

1.3.5.2 热稳定性

取10 g最优条件下制备的新鲜乳液于样品瓶中,分别将乳液在95 ℃温度下水浴加热25 min后迅速冷却,测定乳液粒径。

1.3.5.3 贮藏稳定性

样品在4 ℃下贮藏14 d,于0、3、7、14 d测定乳液粒径及乳液的表观状态。

1.3.6 微观结构观察

取1 滴样品滴在载玻片上,加盖玻片后置于载物台上,利用光学显微镜放大10×10 倍(物镜×目镜)进行观察,利用仪器配套软件进行拍照。

1.3.7 流变特性测定

1.3.7.1 黏度

将制备好的乳液凝胶样品置于流变仪样品台上,使用PP50的平板配件,平板间隙高度设置为1 mm,测试温度为25 ℃。设置剪切速率由0.1~100.0 s-1(对应于吞咽过程中普遍接受的剪切速率),考察Pickering乳液凝胶的黏度随剪切速率的变化。

1.3.7.2 黏弹性

频率扫描:在线性黏弹性域内(应变为1%),使用0.1~100.0 rad/s的频率扫描评估黏弹性。

1.3.7.3 温度扫描

设置初始温度为25 ℃,经过25~55 ℃线性升温(速率5 ℃/min),55 ℃保温10 min,经过55~25 ℃線性降温(速率10 ℃/min),测定储能模量(G)及损耗模量(G)。

1.3.8 持水性测定

参照王鹏等[22]的方法并稍作更改,将新鲜制备的5 g乳液凝胶样品置于10 mL离心管中,于4 ℃条件下放置12 h后取出恢复至室温并称质量(m1,g),3 000 r/min离心10 min。倒置离心管以倾倒液体,用干燥滤纸吸除离心管内壁和凝胶样品表层液体后再次称装有凝胶样品的离心管质量(m2,g)。持水性(water holding capacity,WHC)按式(2)计算。

1.3.9 感官评定

由12 人组成感官评价小组,从咀嚼、舌肌破碎、吞咽及总体防呛咳程度4 个方面对鸡肉蛋白水解物Pickering乳液凝胶进行感官评价,评分为百分制,评价标准见表1。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件处理数据,结果用平均值±标准差表示,利用SPSS软件对数据进行方差分析(ANOVA检验法)和多重比较(LSD法),使用Origin 2021软件作图。每组实验重复3 次。

2 结果与分析

2.1 高剪切力对乳液特性的影响

2.1.1 高剪切力处理温度对乳液特性的影响

小写字母不同,表示差异显著(P<0.05)。下同。

由图1A可知,当处理温度由20 ℃升高到60 ℃,乳液粒径的体积分布呈现逐渐增加后趋于稳定的趋势。当高剪切力处理温度为20 ℃和30 ℃时,接近鸡油的凝固点(25 ℃左右),鸡肉蛋白水解物未将鸡油充分乳化,所以乳液粒径较大且粒径体积分布较大。张慧慧等[23]同样发现,乳化温度在20 ℃时对乳液的均质效果不好。当温度为50 ℃时,乳液粒径大小达到10.3 μm,体积分布显著增大,其乳液粒径大小及体积分布与60 ℃时相比无显著差异。

由图1B可知,不同温度下的乳液粒径在贮藏期间均呈现逐渐增大的趋势。当高剪切力处理温度低于50 ℃时,乳液粒径随着贮藏时间延长显著增大(P<0.05)。当高剪切力处理温度达到50 ℃时,贮藏14 d乳液的粒径比0 d增大1.5 μm,其粒径变化与60 ℃相比不显著,说明在该处理温度下达到了鸡肉蛋白水解物乳化鸡油的最好效果。新鲜制备的乳液在热处理后,乳液粒径均略有增大。

由图1C可知,在不同的高剪切处理温度下所制备的乳液,其ζ-电位无显著变化,经过高剪切处理后的乳液ζ-电位均在-21~-23 mV,说明高剪切处理温度对鸡肉蛋白水解物稳定的鸡油乳液ζ-电位影响不大。

由图2可知,随着高剪切力处理温度的升高,离心稳定性呈现先提高后趋于一致的趋势。在20~50 ℃的处理温度范围内,乳液的离心稳定性显著提高(P<0.05),当处理温度为50 ℃时,乳液的离心稳定系数为0.71,与60 ℃时乳液的离心稳定系数(约为0.69)相比差异不显著。

由图3可知,当高剪切力处理温度低于40 ℃时,乳液表面有未乳化的油相。随着贮藏时间的延长,所有处理组的乳液均发生了分层的现象,但高剪切力处理温度高于40 ℃的乳液均没有出现析油、破乳的情况。在相同的高剪切处理速率和处理时间下,不同的处理温度对乳液贮藏分层现象影响不大。

由图4的微观结构可以观察到,20 ℃和30 ℃的高剪切力处理温度组中,乳液液滴明显较大,其直接影响了鸡肉蛋白水解物对鸡油的乳化效果。随着处理温度的升高,乳液液滴粒径减小且均匀分散,由于相对较高的温度会造成耗能,故选择50 ℃作为该乳液制备的最佳剪切处理温度。

2.1.2 高剪切力处理时间对乳液特性的影响

在处理温度50 ℃下,不同高剪切力处理时间下所制备的O/W型鸡肉蛋白水解物Pickering乳液的粒径分布如图5A所示。随着剪切处理时间的延长,乳液粒径体积分布呈现先增加后趋于一致的分布趋势。与剪切处理2 min相比,当剪切处理6 min时乳液粒径的体积分布由8%增加到10%左右。

由图5B可知,随着高剪切处理时间的延长,乳液粒径逐渐下降,当剪切处理2 min时,贮藏0 d的乳液粒径为13.67 μm,当处理时间达到6 min时,贮藏0 d的乳液粒径显著下降到9.60 μm。而韩柯颖等[18]利用高速剪切制备鸡肉肌原纤维蛋白-山茶油混悬液时发现,均质时间越长,乳液粒径越大。说明在高速剪切下利用鸡肉蛋白水解物制备的乳液具有较好乳化稳定性。在4 ℃贮藏条件下,乳液的粒径随贮藏时间的延长而增大。邓卓瑶等[24]在对绿豆蛋白基乳液的稳定性研究中也发现了一致的结果。新鲜乳液经过热处理后,乳液粒径均显著增大,当高速剪切处理时间超过8 min后,乳液经热处理后粒径显著增加约3 μm,与其他高剪切力处理时间组相比热稳定性较差。由图5C可知,在不同的高剪切力处理时间下所制备的乳液,其ζ-电位无显著变化。

由图6可知,当高剪切力处理時间为2 min时,乳液离心稳定系数最低,约为0.16,在图7中乳液明显分层。由图8可以观察到在该处理时间下乳液液滴较大,葛艳争等[25]发现,乳液中存在较多大粒径的乳滴时物理稳定性较差,容易受到离心力的影响而产生分层现象。随着高剪切力处理时间的延长,乳液的离心稳定性提高,液滴逐渐减小,当高剪切力处理时间达到6 min后,乳液的离心稳定性基本一致,在微观结构中观察到的液滴大小差异不大,但高剪切力处理时间为10 min时液滴存在部分聚结现象。综合考虑,选择6 min作为制备该乳液的最佳高剪切力处理时间。

2.1.3 高剪切力处理速率对乳液特性的影响

在50 ℃处理温度下,于不同的高剪切力速率处理6 min所制备的O/W型鸡肉蛋白水解物Pickering乳液的粒径分布结果如图9A所示,随着剪切速率的增大,乳液粒径的体积分布逐渐增大。当剪切速率达到17 000 r/min时,乳液的粒径及体积分布与20 000 r/min均质速率相比差异不显著,粒径约为7.36 μm。可能由于相对较大的剪切速率能够促进鸡肉蛋白水解物的分散,有利于油相与鸡肉蛋白水解物中的两亲结构结合。而Zhou Lei等[26]发现,在14 500 r/min的高速剪切速率下制备的鸡肉肌原纤维蛋白-鸡油乳液粒径最小,随着剪切速率的增加,乳液粒径增大。

由图9B可知,在贮藏期间,8 000 r/min剪切速率下所制备的乳液粒径变化显著,而在17 000 r/min剪切速率下所制备的乳液粒径变化较小。此外,在不同剪切速率处理下制备的乳液经过热处理后粒径变化差异不显著。由图9C可知,在不同的高剪切力处理速率下所制备的乳液,其ζ-电位无显著变化。

由图10可知,随着高剪切力处理速率的提高,乳液的离心稳定系数先升高后趋于稳定,当乳液的均质速率为17 000 r/min时,其离心稳定系数最高,约为0.83。

由图11可知,剪切速率对乳液的贮藏稳定性影响相对较大,当高剪切力处理速率为17 000 r/min时,乳液分层程度最小,可能是因为其乳液粒径小且液滴均匀分散,由于小液滴有助于减缓重力分离,因此可以降低乳液絮凝的速率[27]。Li Jinlong等[28]研究指出,若乳液粒径减小、比表面积增加,那么液滴之间的摩擦力会增大,使得乳液的黏度增加,从而减缓乳液聚合速率,提高了乳液稳定性。

由图12可知,随着高剪切力处理速率的提高,乳液液滴变小,但当高剪切力速率达到20 000 r/min时,乳液液滴出现絮凝现象。故选择17 000 r/min作为乳液制备的最佳高剪切力处理速率。

综上所述,在50 ℃处理温度下,以17 000 r/min的高剪切速率处理6 min所制备的乳液具有更小的粒径且乳液的物理稳定性更好。在此工艺条件下制备得到鸡肉蛋白水解物Pickering乳液,并进一步添加卡拉胶后,通过热诱导制备乳液凝胶。

2.2 卡拉胶对高剪切力处理的Pickering乳液凝胶特性的影响

由于鸡肉蛋白水解物制备的O/W型Pickering乳液的稳定性达不到产品开发的目的,故选用在50 ℃下,以17 000 r/min高速剪切处理6 min得到的Pickering乳液进一步制备防呛咳凝胶。由图13可知,随着卡拉胶添加量的增加,乳液凝胶的粒径增大,体积分布略有下降。这可能是由于卡拉胶是大分子物质,在乳液体系中影响了鸡肉蛋白水解物中疏水基团与油相的结合,卡拉胶添加量越多,对原本稳定的乳液体系造成的干扰性越大[29],从而乳液粒径增大。由于卡拉胶是阴离子多糖且在热诱导后经冷却可形成凝胶,从而随着卡拉胶添加量的增加,所制备乳液凝胶的ζ-电位绝对值增大,并且乳液凝胶的WHC相对增强。当卡拉胶添加量为0.2%~0.4%时,乳液凝胶的粒径及ζ-电位无显著差异。

采用动态流变仪测定Pickering乳液凝胶的流变学特性,由图14A可知,当剪切速率从0.1 s-1提高到100 s-1时,黏度扫描结果表明,各乳液凝胶的表观剪切黏度减小,表明该Pickering乳液凝胶是典型的非牛顿流体,具有剪切变稀行为,这一效应可归因于剪切速率的增大破坏了乳液凝胶的结构[30]。由图14B可知,在0.1~100.0 rad/s频率范围内,添加0.3%卡拉胶的乳液凝胶样品出现了屈服应力点(G=G),显示乳液凝胶在频率振荡下出现了凝胶-溶胶的转变,即相的转变。而其他组在该频率范围内均未出现该屈服应力点,可能是添加0.1%~0.2%卡拉胶的处理组未形成稳定的凝胶体系,而卡拉胶添加量为0.4%~0.5%时所形成的凝胶需要更大的屈服应力,所以在0.1~100.0 rad/s频率范围内未发生凝胶态到流动态的转变。由图14C可知,从25 ℃升温到55 ℃后,在55 ℃保持10 min,随后又从55 ℃降温到25 ℃的过程中,当卡拉胶添加量为0.3%~0.5%时,乳液凝胶的变化趋势较为稳定,说明在该添加量范围内形成的乳液凝胶结构稳定,且受温度的变化影响不大。

由图15可知,添加0.1%卡拉胶形成的乳液凝胶为极弱的凝胶状,添加0.2%卡拉胶形成的乳液凝胶具有一定的流动性,当卡拉胶添加量为0.3%,乳液凝胶的表观流动性减小,且在流变学特性中该添加量下形成的乳液凝胶在变形过程某一瞬时进行塑性流动所需的应力较小,随着贮藏时间的延长,凝胶状态稳定。

由图16可知,随着卡拉胶添加量的增加,乳液的液滴出现聚集分布现象,从而当卡拉胶添加量为0.5%时,乳液粒径增大。

由图17可知,当卡拉胶添加量为0.2%、0.3%时,乳液凝胶的感官评分最高,此时乳液凝胶不需要咀嚼,处于可利用舌肌破碎的软凝胶态,破碎后食团的流动平滑性适中,有助于老年人吞咽时防呛咳。

综上所述,当卡拉胶添加量为0.3%时可形成软凝胶态的鸡肉蛋白水解物Pickering乳液凝胶,其感官评分较高,且可达到防止乳液分层及提高乳液凝胶持水性的效果。

3 结 论

本研究以4%鸡油作为油相,利用鸡肉蛋白水解物制备O/W型Pickering乳液,开发预消化防呛咳鸡肉蛋白补充剂。通过探究高剪切力处理对其乳化效果的影响发现,在高剪切力处理下,随着高剪切力处理温度(20~60 ℃)的升高、剪切时间(2~10 min)的延长及剪切速率(8 000~20 000 r/min)的增大,乳液粒径逐渐降低后趋于稳定。在50 ℃下,以17 000 r/min剪切6 min时乳液稳定性最好且粒径相对较小。在最优的乳液制备工艺条件下进一步添加卡拉胶后通过热诱导制备乳液凝胶,探究不同添加量的卡拉胶对上述乳液凝胶特性的影响,当卡拉胶添加量为0.3%时可形成软凝胶态的乳液凝胶,其在0.1~100.0 rad/s出现了屈服应力点(G=G),即发生了凝胶态向流动态的转变,且在25~55 ℃的温度波动下仍具有良好的凝胶特性。本研究为鸡胸肉的深加工产品开发提供了一种新的思路,并提高了鸡肉蛋白的消化利用率,也为老年人防呛咳的乳液凝胶态产品工业化生产提供了相关技术依据。

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收稿日期:2023-05-17

基金项目:广东省现代农业产业技术体系创新团队建设项目(2023KJ128);

麻黄肉鸡屠宰加工技术研究与规范制定项目(2023440002000203)

第一作者简介:杨琳(1998—)(ORCID: 0009-0000-0134-4081),女,硕士研究生,研究方向为畜禽产品加工与控制。

E-mail: 694981700@qq.com

*通信作者简介:郑华(1966—)(ORCID: 0000-0001-8613-0639),男,副教授,硕士,研究方向为畜禽屠宰、加工及产品开发。E-mail: 951524011@qq.com