抗氧化剂筛选复配及在咖啡饮料中的应用研究

常旋,徐春明,陈佳,张佳靓,葛丽霞,阳丽红,王根女,王旭捷,张鑫,陈雄*

1(恒枫食品科技有限公司,浙江 杭州,311200)2(宏胜饮料集团有限公司,浙江 杭州,311200)

食品工业中,常用添加抗氧化剂的方式来减缓氧化降解。抗氧化剂能够通过抑制氧化链式反应的发生或传播来延迟或抑制油脂等物质的氧化,提高食品保质期[1]。目前,常用的抗氧化剂主要有合成抗氧化剂和天然抗氧化剂。合成抗氧化剂包括丁基羟基茴香醚(butylated hydroxyanisole,BHA)、二丁基羟基对甲酚(butylated hydroxytoluene, BHT)、特丁基对苯二酚(tert-butylhydroquinone, TBHQ)、没食子酸丙酯(propyl gallate, PG)等[2-3]。天然的抗氧化剂有维生素C、茶多酚(epigallocatechin gallate, EGCG)、维生素E[4]和多种植物提取物如甘草提取物等[5]。

油脂和含脂肪类饮料如植物基奶、咖啡等在高温、光照等不良贮存环境下会出现脂肪氧化,产生不良风味,影响消费者的感官体验,常见的解决方案为添加抗氧化剂[6]。王娜等[7]为延缓花生乳中油脂的氧化变质,在花生乳中添加苹果多酚,明显提高了花生乳饮料的油脂稳定性。杨春芳等[8]研究发现迷迭香提取物、茶多酚、TBHQ、维生素E等抗氧化剂的加入,明显改善了米酒奶的风味稳定性。然而,随着食品工业中产品品类的不断丰富,单一抗氧化剂逐渐不能满足食品行业的发展需求,因此不同抗氧化剂之间的复配逐渐成为抗氧化剂发展的必然趋势[9]。ROMANO等[10]研究发现,迷迭香提取物和BHT等量混合后具有协同抗氧化作用。现有研究表明,抗氧化剂在油脂和O/W乳液中作用效果并不相同。在O/W乳液中,抗氧化剂的能力会因亲水相和疏水相之间的分配、乳化剂的性质、油-水界面处的复杂界面效应等发生变化[11],而且对于含脂肪类饮料,脂肪以O/W乳液形式存在。因此探究不同抗氧化剂在O/W乳液中的抗氧化能力很有必要。本研究以椰子油乳液为基础,探究了多种水溶性和脂溶性抗氧化剂的抗氧化效果,并依此研究成果开发一支含水溶性和脂溶性抗氧化剂的复配抗氧化剂,应用于咖啡饮料研究其对于风味稳定性的影响。研究结果将为开发风味特性更稳定的含脂肪类饮料提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

椰子油,上海捷聪贸易有限公司;变性淀粉,宜瑞安食品配料有限公司;TBHQ,江西凯泰食品科技有限公司;PG,张家界久瑞生物科技有限公司;BHT,江苏迈达新材料股份有限公司;BHA,Camlin fine化工有限公司;维生素E,浙江伊宝馨生物科技股份有限公司;维生素C,黑龙江新和成生物科技有限公司;绿咖啡豆提取物、EGCG,浙江天草生物科技股份有限公司;甘草提取物、竹叶黄酮、余甘子提取物,浙江圣氏生物科技有限公司;咖啡粉,麦隆咖啡股份有限公司。

磁力搅拌器,艾卡(广州)仪器设备有限公司;移液枪,艾本德中国有限公司;SPX-250B-Z生化培养箱,上海博讯医疗生物仪器股份有限公司;UV-1800紫外-可见分光光度计,日本岛津有限公司;IKA T25高速分散机,德国IKA公司;APV1000均质机,斯必克流体技术有限公司;数显恒温水浴锅,国华(常州)仪器制造有限公司;激光粒度仪3000,马尔文帕纳科公司。

1.2 实验方法

1.2.1 DPPH自由基清除率

根据MISHRA等[12]的方法并稍作调整。称取0.011 0 g DPPH,用无水乙醇稀释并定容至250 mL,得到0.11 mmol/L的DPPH溶液。准确吸取0.2 mL待测样与2.8 mL DPPH溶液,混匀后避光放置30 min,517 nm处测定吸光值A。按公式(1)计算DPPH自由基清除率:

(1)

式中:A,0.2 mL待测样稀释溶剂和2.8 mL DPPH溶液的吸光值;Ai,0.2 mL待测样与2.8 mL DPPH的吸光值;Aj,0.2 mL待测样和2.8 mL无水乙醇的吸光值。

1.2.2 乳液的制备

油相为椰子油,乳化剂为变性淀粉。添加脂溶性抗氧化剂时先将其溶于油相中,水溶性抗氧化剂先溶于水相。剪切条件下将油相添加至水相中,10 000 r/min剪切10 min,剪切后于280 bar均质2次。

1.2.3 油脂氧化

初级氧化产物的测定参考LI等[13]、DONG等[14]的方法,并做一定修改。0.3 mL乳状液中加入1.5 mLV(异辛烷)∶V(异丙醇)=3∶1混合液,振荡30 s,3 000 r/min 离心5 min后取0.2 mL有机相与2.8 mLV(甲醇)∶V(正丁醇)=2∶1混合液混合,再加入15 μL硫氰酸铵溶液(3.94 mol/L)和15 μL亚铁离子溶液(由0.132 mol/L BaCl2溶液和0.144 mol/L FeSO4溶液按体积比为1∶1混合而成),避光反应20 min后,510 nm下测定吸光度。以异丙苯过氧化氢(cumene hydroperoxide, CHP)为标准物绘制标准曲线。

1.2.4 复配抗氧化剂制备

乳化剂为变性淀粉,油相为维生素E。脂溶性抗氧化剂加入时先将其溶于维生素E中,水溶性抗氧化剂先溶于水相。剪切条件下将油相添加至水相中,10 000 r/min剪切10 min,剪切后于280 bar均质2次。

1.2.5 乳液贮藏稳定性

乳液制备完成后,置于55 ℃恒温培养箱中,贮藏期间定期取样测定粒径,结果以粒径分布和体积平均粒径D[4,3]呈现。

1.2.6 咖啡饮料的制备

咖啡饮料的工艺流程如下[15]:

原料溶解→混料→调节pH→定容→均质→杀菌→灌装

原料溶解包括:咖啡粉搅拌溶解并调节pH至7.0;椰子油和稳定剂剪切溶解。原料溶解后混料,并调节pH值至7.0。随后进行定容均质,均质后进行超高温瞬时杀菌,最后灌装得到成品。

1.2.7 咖啡饮料的油脂氧化

初级氧化产物的测定方法同1.2.3节。

1.2.8 感官评价

选择10名专业感官分析人员成立感官鉴定小组,对咖啡饮料的香气、滋味、组织状态和总体接受度进行评价,评价标准见表1。

表1 咖啡感官评分标准Table 1 Sensory scoring criteria for coffee beverages

1.2.9 数据处理

每个样品设置3组平行,采用SPSS 20.0软件进行数据分析和DPPH自由基清除率的IC50值,数据结果进行ANOVA方差分析,并以平均值±标准偏差表示。采用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 不同抗氧化剂的IC50值

评估抗氧化剂性能的常见方法有DPPH自由基清除法,可以通过半数清除率(IC50,即DPPH自由基清除率为50%时的溶液浓度[16])来评价抗氧化剂自由基的清除能力,IC50值越小,表示抗氧化能力越强[17]。由图1可知,在一定质量浓度范围内,抗氧化剂对DPPH自由基的清除效果与其浓度呈现正相关。表2为不同抗氧化剂的DPPH自由基的IC50值,其中TBHQ、PG、EGCG、维生素C和余甘子提取物的IC50值相对较小。

a-水溶性;b-脂溶性图1 水溶性和脂溶性抗氧化剂的DPPH自由基清除率Fig.1 DPPH radical scavenging rates of water solubility and oil solubility antioxidants.

表2 不同抗氧化剂DPPH自由基的IC50值Table 1 IC50 values of DPPH free radicals of different antioxidants

2.2 椰子油乳液的稳定性

2.2.1 粒径稳定性

本研究以椰子油乳液为模型,研究不同抗氧化剂的抗氧化效果。图2为椰子油乳液初始和55 ℃贮藏8周后的粒径分布图。

由图2可知,椰子油乳液在0.8 μm处呈单峰分布,55 ℃贮藏8周后粒径分布基本没有变化。初始和55 ℃贮藏8周后D[4,3]均为0.9 μm(结果未显示)。结果表明该椰子油乳液体系稳定性较好,可以作为研究模型进行后续抗氧化效果的验证。

图2 椰子油乳液的粒径分布图Fig.2 Particle size distribution of coconut oil emulsion

2.2.2 组成和氧化稳定性

食品添加剂需满足GB 2760—2014 《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》的要求。其中,要求BHT、BHA和TBHQ类抗氧化剂在油脂中的添加量≤0.2 g/kg。因此后续以BHT在油脂中的添加量0.02%为标准,根据DPPH自由基清除效果确定其他抗氧化剂的添加量。最终添加量如表3所示。

表3 不同抗氧化剂的添加量Table 3 The amount of different antioxidants.

由于温度和光线的影响,食用油的氧化自然会发生[18]。图3为水溶性和脂溶性抗氧化剂对55 ℃和光照下贮藏8周期间椰子油乳液初级氧化产物的影响。不同测定体系的差异,如溶剂物理性质、体系微观结构等对抗氧化剂在体系中的分散情况有较大影响,进而影响抗氧化剂的作用机制与效果。在O/W乳液中,抗氧化剂的性能不仅与其化学性质有关,还与其物理性质有关。抗氧化剂在水相、油相和油-水界面的分配对抗氧化效率有关键的影响。因此在DPPH自由基清除体系和椰子油乳液体系中的效果可能会有所差异。

贮藏期间,空白椰子油乳液在不同条件下的初级氧化产物均逐渐增多。55 ℃贮藏8周后初级氧化产物为4 mmol CHP/kg,水溶性和脂溶性抗氧化剂的加入均改善了油脂氧化的程度。光照条件下,油脂氧化的更迅速,8周后空白乳液的初级氧化产物累积至29.9 mmol CHP/kg油。除维生素C以外,水溶性抗氧化剂的加入均降低了脂肪氧化的程度。其中,效果最好的是甘草提取物和竹叶黄酮,光照下贮藏8周后的氧化产物分别为10.4、8.1 mmol CHP/kg,减少了65%和73%。脂溶性抗氧化剂中,光照条件下PG的抗氧化效果最差。光照贮藏4周期间,维生素E的抗氧化效果最好。根据上述结果可知,抗氧化剂在乳液中并没有表现出原有的抗氧化性。WANG等[19]发现,迷迭香提取物与BHT的DPPH自由基清除效果相似,但在亚麻籽油中,迷迭香提取物的抗氧化效果优于BHT。这也与金清馨[17]的研究结果一致,可能与在乳液中的分布位置相关,也可能和自身所含有的功能性成分有关,抑制或增加了抗氧化能力。

根据初级氧化产物的结果可以看出,水溶性抗氧化剂中效果较好的是竹叶黄酮和甘草提取物,脂溶性抗氧化剂中相对效果较好的是BHA、BHT、TBHQ[20]和维生素E。多项研究表明,BHA、BHT、TBHQ这类合成抗氧化剂可能存在潜在毒性,且国标对添加量有所限制,油脂氧化结果虽然与维生素E有显著性差异但差别并不大,因此后续选择维生素E为脂溶性抗氧化剂[12,21]。

a-水溶性抗氧化剂55 ℃;b-水溶性抗氧化剂光照;c-脂溶性抗氧化剂55 ℃;d-脂溶性抗氧化剂光照图3 不同抗氧化剂在55 ℃和光照下对椰子油乳液抗氧化效果的影响Fig.3 Effects of different antioxidants on the antioxidant effect of coconut oil emulsion at 55 ℃ and light注:图中小写字母表示存在显著性差异(P<0.05)(下同)。

2.3 复配抗氧化剂组成及稳定性

研究表明,在O/W乳液中,脂溶性抗氧化剂和水溶性抗氧化剂分别倾向于在油相和油-水界面发挥抗氧化作用。DAI等[22]研究发现,α-生育酚作为脂溶性抗氧化剂在油相中清除自由基,茶多酚作为水溶性抗氧化剂在油-水界面清除自由基,从而达到协同增效的作用。因此,不同极性抗氧化剂的复配很有必要。

根据前期实验结果,最终筛选出抗氧化效果较好的脂溶性抗氧化剂维生素E,水溶性抗氧化剂甘草提取物和竹叶黄酮。因此以脂溶性抗氧化剂维生素E为油相,并固定含量为15%(质量分数,下同)(根据前期实验数据,维生素E含量为15%时抗氧化剂乳液仍可以保持稳定,超过15%后货架期内不稳定)。根据甘草提取物和竹叶黄酮在水相的溶解度,确定水溶性抗氧化剂添加量为0.5%(质量分数),得到复配抗氧化剂。

复配抗氧化剂初始和55 ℃贮藏8周后的粒径D[4,3]如表4所示,粒径分布如图4所示。维生素E和甘草提取物复配抗氧化剂呈现单峰分布,初始粒径为0.32 μm,55 ℃贮藏8周期间粒径和粒径分布均没有发生变化。维生素E和竹叶黄酮复配抗氧化剂为单峰分布,初始粒径为0.42 μm,55 ℃贮藏8周期间,粒径没有发生变化。因此2种复配抗氧化剂均有较好的稳定性,可以实现后续在饮料体系中的应用。

表4 复配抗氧化剂的粒径Table 4 Particle size of compound antioxidants

a-维生素E+甘草;b-维生素E+竹叶黄酮图4 贮藏期间不同复配抗氧化剂的粒径分布Fig.4 Particle size distribution of different compound antioxidants during storage

2.4 咖啡饮料中的应用

2.4.1 油脂氧化

多项研究表明,不同抗氧化剂以合适的比例复配后的抗氧化能力高于单独抗氧化能力之和[23-25]。水溶性和脂溶性抗氧化剂复配后,以乳液的形式添加至咖啡饮料中。图5为抗氧化剂的添加与否对咖啡饮料在55 ℃和光照条件下贮藏8周期间油脂氧化程度的影响。由图5可知,贮藏期间,咖啡饮料的初级氧化产物均呈现逐渐增加的现象,前期增加迅速,后期略有减缓。咖啡饮料的初始氧化产物值相似。未添加抗氧化剂的空白咖啡饮料在55 ℃贮藏8周后,初级氧化产物增加至14.5 mmol CHP/kg。由图可知,添加单一抗氧化剂后,咖啡饮料的氧化现象有所改善。而与单一抗氧化剂相比,添加复配抗氧化剂的咖啡饮料,氧化程度更低,与空白咖啡饮料相比降低了38%左右。光照条件下,空白咖啡饮料贮藏8周后,初级氧化产物增加至24.6 mmol CHP/kg。复配抗氧化剂的加入比单一抗氧化剂效果更佳,初级氧化产物较空白饮料降低了53%左右。高锦鸿等[26]研究发现花生油在不同温度下均呈现前期氧化迅速,后续减缓的现象。王娜等[7]发现花生乳饮料在贮藏期间,过氧化值也呈现逐步增加的现象,而苹果多酚等抗氧化剂的加入则减缓了花生乳的氧化进程。综上所述,抗氧化剂的加入对咖啡饮料的氧化稳定性有积极作用,复配抗氧化剂效果优于单一抗氧化剂。

a-55 ℃;b-光照图5 55 ℃和光照贮藏期间咖啡的初级氧化产物Fig.5 Primary oxidation products of coffee during storage at 55 ℃ and sunlight

2.4.2 感官评分

考虑到咖啡饮料体系在55 ℃放置8周后会出现质量问题,因此图6为咖啡饮料在55 ℃下贮藏2周,光照条件下贮藏8周后的感官评分。由图可知,贮藏后空白咖啡饮料出现了油脂氧化的异味,导致香气减弱,风味不协调。由于55 ℃和光照贮藏期间,油脂氧化产物的积累,导致总体接受程度仅有3～5分。主要是因为体系中含有的油脂发生了油脂氧化产生异味,导致整体香气的变化。单独抗氧化剂加入后,一定程度上改善了咖啡饮料的风味变化。异味程度低,香气和滋味较空白咖啡更协调,总体接受度提升至6～7分。2种复配抗氧化剂的加入均使得咖啡饮料中异味减少,改善了贮藏后的香气和滋味,总体接受度均提高至8分。 结果表明,复配抗氧化剂比单独抗氧化剂的效果更好,更明显地改善了咖啡饮料中油脂的氧化情况,提高了消费者对该款咖啡饮料的总体接受度。

a-55 ℃;b-光照图6 55 ℃和光照贮藏后咖啡饮料的感官评价Fig.6 Sensory evaluation of coffee beverages after storage at 55 ℃ and sunlight

3 结论

通过不同水溶性和脂溶性抗氧化剂的DPPH自由基清除率的结果发现,TBHQ、PG、维生素C、EGCG和余甘子提取物的抗氧化效果较好。研究不同抗氧化剂对椰子油乳液中油脂氧化稳定性的影响,结果发现抗氧化剂的DPPH自由基清除率能力和油脂氧化稳定性并没有呈现正相关。固定DPPH自由基清除能力一致时,对椰子油乳液而言,效果较好的是水溶性抗氧化剂竹叶黄酮和甘草提取物,脂溶性抗氧化剂BHT、TBHQ和维生素E。根据油脂氧化的结果,筛选并制备了维生素E和甘草提取物、维生素E和竹叶黄酮两支复配抗氧化剂。在55 ℃和光照条件下贮藏8周后,D[4,3]和粒径分布均没有明显变化。而且两支复配抗氧化剂乳液的加入明显减少了咖啡饮料中油脂氧化产物的堆积,抑制了异味的产生,使得香气更加协调,提高了总体接受度。该研究制备的复配抗氧化剂在提高饮料风味稳定性的同时,还可以减少研发人员在抗氧化剂筛选和配方调整方面的工作,加快产品研发进程,在饮料行业有一定市场需求。