微波预处理对黑芝麻乳稳定性的影响

陈春艳,孙好翯,李升,禹晓,李冰心,钱彩虹,拓妮妮

1.湖北生物科技职业学院,湖北 武汉 430070;

2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院,河南 郑州 450001

0 引言

芝麻(SesamumindicumL.)是我国传统的油料作物之一,享有“油料皇后”的美称[1],目前主要种植于我国河南、湖北、江西、河北、安徽等地,种植面积约占全国芝麻种植总面积的1/2,年产量约占全国总年产量的3/4[2]。根据外种皮颜色的不同,芝麻可分为白芝麻、黑芝麻及其他杂色芝麻等。其中,种植面积最大也最为常见的是白芝麻和黑芝麻[3]。研究[4]发现,黑芝麻中油脂和蛋白质含量稍低于白芝麻,但各种微量元素含量均较高。黑芝麻除了富含脂类和蛋白质外,还含有多种生物活性成分,如芝麻酚、芝麻素、芝麻酚林、芝麻醇等,兼具营养、预防疾病等健康功效[1,5]。

热处理是芝麻等油籽加工的重要操作单元,对促进营养素释放、生物活性成分增效转化、增强产品风味、抑制脂肪酶活性等具有重要作用[6]。其中,微波加热是一种有效的热预处理技术,不仅可提高芝麻中植物甾醇、生育酚的含量,还可提高芝麻的抗氧化活性,延长芝麻制品的保质期[7]。Y.Huang等[8]研究发现,与烘烤、膨化预处理相比,微波预处理能最大限度地促进芝麻中芝麻素转化为芝麻酚,提升芝麻相关产品的抗氧化活性。H.S.El-Beltagi等[9]研究发现,与砂炒、烘烤等热处理方式相比,经微波预处理后的芝麻油中总酚和黄酮含量最高,抗氧化活性最强。目前,黑芝麻多被加工成黑芝麻油或黑芝麻粉、黑芝麻酱、黑芝麻丸剂等全籽化产品,若将黑芝麻制备成全籽乳,将更有利于其营养素和生物活性成分的吸收,并拓宽其摄入途径[10]。Z.Ahmadlan-Kouchaksaraei等[11]研究发现,与未处理组相比,随着烘焙温度逐渐升高至145 ℃,黑芝麻乳的香气、口感和总体接受度均明显提高,但稳定性和黏度则明显降低。然而,目前国内外关于微波预处理对芝麻乳稳定性的相关研究仍鲜有涉及,更多研究聚焦在以熟制芝麻为研究对象,探究适宜均质压力、复合稳定剂调配对全组分芝麻乳稳定性的改善效果[12-13]。

基于此,本研究拟以黑芝麻为研究对象,探究微波预处理时间对黑芝麻物性特征和全籽乳稳定性的影响规律,重点研究全籽乳的流变行为和微观结构变化,以期为黑芝麻乳基健康食品的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料

生黑芝麻,黑龙江仓天然生态农业有限公司。

1.2 主要仪器与设备

P70D20TL-D4型微波炉,广东格兰仕微波生活电器制造有限公司;Scientz-10 N型真空冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司;Turbiscan型多重光散射仪、Rheolaser Master型光学微流变仪,法国Formulaction公司;Zetasizer Nano-ZS90型激光粒度仪,英国Malvern Panalytical公司;Discovery型旋转流变仪,美国TA仪器公司;Regulus 8100型高分辨率场发射扫描电子显微镜,日本日立公司;Quorum PP3010 T型冷冻传输装置,英国Quorum公司;TMS-PRO型物性分析仪,美国FTC公司。

1.3 实验方法

1.3.1 黑芝麻微波预处理称取93 g黑芝麻,加入7 g去离子水,将黑芝麻中总水分含量调至12%～15%,置于4 ℃条件下平衡12 h;依次取20 g黑芝麻于80 mm培养皿中均匀铺平,置于560 W的微波功率下,分别处理0 min、6 min、9 min和12 min后,记为MV-0 min、MV-6 min、MV-9 min和MV-12 min,将样品快速冷却至室温,备用。

1.3.2 黑芝麻形态观察采用体视显微镜观察微波处理前后黑芝麻的外观形态,在1.25倍数下使用2 K高清相机输出照片。采用高分辨率场发射扫描电子显微镜观察黑芝麻的外种皮微观形态,具体步骤为:将黑芝麻用导电胶带固定于金属铜座上,置于真空喷镀仪内进行表面喷金(10 mA,60 s),分别在电压3 kV、放大35倍和500倍条件下记录黑芝麻表面的形态特征。

1.3.3 黑芝麻物性特征测定选取10粒黑芝麻,整齐平铺于质构仪探头下方指定区域,借助物性分析仪测定黑芝麻的物性特征。采用全质构分析(TPA)模式,选用圆盘型探头,通过2次压缩对黑芝麻进行硬度、弹性、胶黏性和回弹性测定。主要测试条件为:起始力0.5 N,形变30%,压缩间隔10 s,测试速度60 mm/min[14]。

1.3.4 黑芝麻乳制备参考X.P.Qin等[15]的方法,并稍作修改。将微波预处理前后的黑芝麻分别置于500 mL烧杯中,按m(黑芝麻/ g)∶V(去离子水/mL)=1∶8进行混合,置于4 ℃条件下浸泡8 h后,在真空模式下,使用破壁机于38 000 r/min条件下剪切分散2 min,循环2次,经200目尼龙滤布过滤后,获得黑芝麻乳,备用。

1.3.5 黑芝麻乳平均粒径和Zeta-电位测定将各组黑芝麻乳分别用去离子水稀释100倍,混匀分散后,取1 mL稀释样品置于样品池中,使用激光粒度仪在25 ℃条件下用激光散射法测定平均粒径,用电泳光散射法测定Zeta-电位。其中,黑芝麻乳的折射率为1.474,水的折射率为1.330[16]。

1.3.6 黑芝麻乳物理稳定性测定取微波预处理前后黑芝麻乳于样品瓶中,平稳放置于多重光散射仪内,测定其物理稳定性[17]。测定条件为:上样量18 mL;扫描频率1次/25 s;扫描时间1800 s;测定温度4 ℃。通过背散射(ΔBS)曲线描述黑芝麻乳的失稳行为,根据将近红外背散射光强度作为高度的函数计算Turbiscan稳定性指数(TSI)。此外,将微波预处理前后的黑芝麻乳置于10 mL比色瓶中,分别记录4 ℃条件下的相分离情况。

1.3.7 黑芝麻乳流变特性测定参考X.P.Qin等[15]的方法,使用流变仪测定黑芝麻乳的流变特性,测试过程中使用直径为40 mm的平行夹具,夹缝间隙设置为1 mm。在0.1～10 s-1的剪切速率范围内测定黑芝麻乳的表观黏性,在0.1～10 Hz范围内测定黑芝麻乳的储能模量(G′)和损耗模量(G″)。利用光学微流变仪测定样品的微流变特性。测定条件为:上样量20 mL;扫描频率1次/10 min;扫描时间4 h;测定温度25 ℃。

1.3.8 黑芝麻乳微观结构表征参考X.P.Qin等[15]的方法,利用冷冻传输系统和高分辨率场发射扫描电子显微镜观察黑芝麻乳的微观结构。取2.0 μL黑芝麻乳于液氮中冷冻,转入冷冻制备腔室,切成截面;在-80 ℃、1.3×10-4Pa条件下升华8 min;在5 mA条件下镀金90 s后,于3 kV下使用高分辨率场发射扫描电子显微镜进行观察。

1.4 数据统计分析

结果以(平均值±标准差)表示(n=3)。使用SPSS 21.0 软件进行统计学分析,利用Tukey检验对数据进行比较,显著性水平设定为P<0.05,采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 微波预处理对黑芝麻形态的影响

微波预处理对黑芝麻外观形态的影响如图1所示。由图1可知,随着微波预处理时间的延长,黑芝麻的宽度逐渐变小,而长度和厚度则明显增加,其中以微波预处理9～12 min最为明显。这表明微波热预处理会诱导黑芝麻体积膨胀。微波预处理对黑芝麻外种皮微观结构的影响如图2所示。由图2可知,未经微波预处理的黑芝麻其外种皮表面光滑平整,随着微波预处理时间的延长,外种皮表面逐渐变得凹凸不平,主要表现为外种皮表面细胞结构被破坏。当微波预处理时间为12 min时,黑芝麻外种皮出现明显的裂纹。笔者在微波预处理亚麻籽研究中,也观察到了类似现象[18]。这可能是由于籽粒经水分调质后,渗入胚子叶细胞内部水分的快速气化导致胞内压力骤增,从而使籽粒外种皮发生破裂[8]。

2.2 微波预处理对黑芝麻物性特征的影响

物性特征可为黑芝麻制品(如芝麻丸、芝麻饼等)食用时的感官力学指标,以及黑芝麻乳的加工适用性提供较好的仪器测定客观性[19]。微波预处理对黑芝麻物性特征的影响见表1。由表1可知,不同微波预处理时间使得黑芝麻的硬度、弹性、回弹性等物性特征产生了明显差异。其中,未处理组黑芝麻的硬度最大,为23.19 N。随着微波预处理时间的延长,黑芝麻硬度呈先减小后增大的趋势,但始终低于未处理组。其中,微波预处理9 min的黑芝麻硬度最小,较未处理组降低了76.78%(P<0.05)。未处理组黑芝麻的弹性、胶黏性和回弹性分别为0.31 mm、9.24 N和0.36 R,经微波预处理后黑芝麻的弹性、胶黏性和回弹性均有所降低,在微波预处理9 min时达到最小值,分别降低了64.51%、82.35%和38.89%(P<0.05)。总之,微波预处理可明显降低黑芝麻的硬度、弹性、胶黏性和回弹性,进而提升黑芝麻作为全籽、全籽粉、全籽酱和全籽乳食用时的加工适用性,同时,可在一定程度上改善黑芝麻的咀嚼特性,能适应更广泛年龄段人群的需求。

图1 微波预处理对黑芝麻外观形态的影响Fig.1 Effect of microwave treatment on the appearance of black sesame seed

图2 微波预处理对黑芝麻外种皮微观结构的影响Fig.2 Effect of microwave pretreatment on the microstructure of seed coat for black sesame seed

2.3 微波预处理对黑芝麻乳理化特性和物理稳定性的影响

微波预处理对黑芝麻乳理化特性和物理稳定性的影响如图3所示。由图3a)可知,未处理组黑芝麻乳的平均粒径为1.21 μm。经微波预处理后,黑芝麻乳的平均粒径逐渐增加,在微波预处理12 min时达到最大值1.52 μm,较未处理组增加了26.00%(P<0.05)。此外,未处理组黑芝麻乳的Zeta-电位为-26.90 mV,微波预处理使黑芝麻乳的Zeta-电位逐渐降低,在微波预处理12 min时达到最小值-31.91 mV,较未处理组降低了16.20%(P<0.05)。事实上,微波预处理能够诱导黑芝麻胚子叶细胞内油脂体的原位塌陷,包括油脂体界面膜的破坏,中性脂质的溢出、融合,等等;经高速剪切乳化后塌陷的油脂体将发生重组,贮藏蛋白经原位变构后将与油脂体界面膜组分一起参与油脂体重组[8]。上述黑芝麻乳平均粒径和Zeta-电位的改变进一步证实了微波预处理能够原位改变黑芝麻中油脂体和贮藏蛋白的组成结构,一方面削弱油体蛋白-膜磷脂复合物对脂滴的包被能力,另一方面因外源性贮藏蛋白在重组油脂体界面的嵌入,导致界面电荷密度改变[17]。

表1 微波预处理对黑芝麻物性特征的影响Table 1 Effect of microwave pretreatment on the physical properties of black sesame seed

TSI是评价乳液物理稳定性的重要参数之一,TSI曲线斜率越小,则表明乳液物理稳定性越好,反之,则物理稳定性越差[20]。由图3b)可知,未处理组黑芝麻乳的TSI曲线斜率最大,表明随着测试时间的延长,该黑芝麻乳稳定性降低。经微波预处理后,黑芝麻乳的TSI逐渐减小,基本稳定在1.0以下。其中,微波预处理9 min的黑芝麻乳TSI曲线斜率最小,表明该黑芝麻乳稳定性最好。相较而言,微波预处理12 min的黑芝麻乳TSI最小,但曲线斜率趋近于线性,表明随着测试时间进一步延长,黑芝麻乳的物理失稳行为将更加明显,但仍明显优于未处理组。因此,微波预处理显著提高了黑芝麻乳的物理稳定性,这可能与乳液体系重构有关。

从图3c)可知,未处理组黑芝麻乳的ΔBS曲线顶部波动较大,表明脂滴上浮是该黑芝麻乳失稳的主要原因。相较而言,微波预处理6 min和12 min的黑芝麻乳ΔBS曲线底部略有波动,这可能是乳液出现了轻度絮凝现象所致[17]。微波预处理9 min的黑芝麻乳ΔBS曲线较为平稳,未表现出明显的脂滴上浮、絮凝物沉降等,这一结论与TSI结果基本相符。

由图3d)可知,未处理组的黑芝麻乳在4 ℃避光条件下静置3 d就已出现明显的分层,而微波预处理6 min和9 min的黑芝麻乳均保持较稳定的状态。随着静置时间延长至10 d,微波预处理6～12 min的黑芝麻乳开始出现分层现象,其中,微波预处理6 min和12 min的黑芝麻乳出现轻微分层现象。上述结果表明,微波预处理对黑芝麻乳平均粒径和Zeta-电位的负向调节不足以削弱黑芝麻乳的物理稳定性[13]。

图3 微波预处理对黑芝麻乳理化特性和物理稳定性的影响Fig.3 Effect of microwave pretreatment on the physicochemical properties and physical stability of black sesame milk

图4 微波预处理对黑芝麻乳流变特性的影响Fig.4 Effect of microwave pretreatment on the rheological properties of black sesame milk

2.4 微波预处理对黑芝麻乳流变特性的影响

微波预处理对黑芝麻乳流变特性的影响如图4所示。由图4a)可知,未处理组的黑芝麻乳和微波预处理6 min的黑芝麻乳的原子均方根位移(MSD)曲线均为线性曲线,表明这两种黑芝麻乳为牛顿流体。其中,未处理组黑芝麻乳的MSD曲线分布较疏散,表明体系中胶束粒子的布朗运动范围不固定[21]。微波预处理6 min的黑芝麻乳其MSD曲线斜率有所降低,表明脂滴在连续相中的位移受到限制,且MSD曲线越长,则表明黑芝麻乳中胶束粒子运动的去相关时间越长[15]。相较而言,微波预处理9 min和12 min黑芝麻乳的MSD曲线均出现明显平台区,此处曲线斜率几乎为0,表明这两种黑芝麻乳在弹性平台区运动的平均面积较小,粒子的位移受到限制,表现出更多的弹性特征,为黏弹性流体[22]。

弹性因子(EI)对应于MSD平台值的倒数。EI的增大表明乳液形成了致密的结构。此外,高EI现象一般归因于液滴间的阻力,表明乳液中的颗粒可自由运动的空间减小,乳液体系更稳定[20]。由图4b)可知,未处理组黑芝麻乳的初始EI最小,随着测定时间的延长,EI大幅升高。相较而言,微波预处理6 min和9 min黑芝麻乳的初始EI明显升高,且随着测定时间的延长,EI趋于稳定。进一步延长微波预处理时间至12 min时,黑芝麻乳的初始EI无明显变化,但随着测定时间的延长,EI呈逐渐增大的趋势。初始EI的增大,表明微波预处理使黑芝麻乳体系更稳定,随着测定时间的延长,EI逐渐增大,则表明该黑芝麻乳形成了致密的结构,乳液稳定性进一步提高[23]。

宏观黏度指数(MVI)对应于MSD平台值线性斜率的倒数,MVI越高,液滴运动速度越慢[24]。由图4c)可知,在整个测定期间,未处理组黑芝麻乳的MVI呈增加的趋势。经微波预处理6 min后,黑芝麻乳的初始MVI升高,但随着测定时间的延长,MVI基本保持不变。当微波预处理时间延长至9 min和12 min时,黑芝麻乳的初始MVI进一步升高,且随着测定时间的延长,MVI大幅升高,表明黑芝麻乳体系的黏度增加,对于脂滴运动的限制进一步增强。

流动因子(FI)的变化能反映乳液中微观粒子运动的快慢,高FI(约10 Hz)现象表明样品为液态性质,低FI(约10-2Hz)现象表明样品为固态性质,FI越大,粒子运动越快,流动性越强[18]。由图4d)可知,未处理组黑芝麻乳的初始FI为150 Hz,随着微波预处理时间的延长,黑芝麻乳的初始FI降低,在微波预处理9 min时,初始FI最低,为22.41 Hz。进一步延长微波预处理时间至12 min时,黑芝麻乳的FI在测定时间达到40 min后下降至10 Hz以下,在测定时间达到60 min后变为低FI,降至10-2Hz后基本保持不变。这一结果表明,随着微波预处理时间的延长,黑芝麻乳表现出较高的黏性液体性质,这与MVI结果一致。

由图4e)可知,未处理组黑芝麻乳的初始表观黏度为18.36 Pa·s,随着剪切速率的增加(0.01～10 s-1),表观黏度均急剧下降,即表现为剪切稀化行为。微波预处理明显降低了黑芝麻乳的初始表观黏度,在微波预处理12 min时,表观黏度降低了93.00%(P<0.05),且随着剪切速率的增加,该值逐渐趋近于0。Z.Ahmadlan-Kouchaksarael等[11]研究发现,经烘烤预处理的黑芝麻乳表观黏度随剪切速率的增加而降低,与本实验结果类似。

由图4f)可知,在低频率(0.01～1.0 Hz)范围内,未处理组和经微波预处理的黑芝麻乳的G′均高于G″,即表现出典型的凝胶样特性。经微波预处理9 min时,黑芝麻乳的G′在0.01～10 Hz的频率范围内显著上升,导致G′和G″之间的差值增大,此时黑芝麻乳的弹性效应增大,黏性效应减小,具有较好的稳定性。进一步延长微波预处理时间至12 min时,黑芝麻乳的G″增量明显,使得G′与G″之间的差值减小,此时黑芝麻乳的黏性效应增大,弹性效应减小,提示其稳定性可能被一定程度地削弱[25]。

图5 微波预处理对黑芝麻乳微观结构的影响Fig.5 Effect of microwave pretreatment on the microstructure of black sesame milk

2.5 微波预处理对黑芝麻乳微观结构的影响

微波预处理对黑芝麻乳微观结构的影响如图5所示。由图5可知,未处理组的黑芝麻乳中油脂体粒径较小,呈球状且界面粗糙,在连续相中分布稀疏且不均匀,并附着在贮藏蛋白多孔片层结构中。这一结果显示,在未处理组的黑芝麻乳体系中,仅有少量贮藏蛋白吸附在天然油脂体界面,对脂滴层层包裹。相较而言,微波预处理6 min的黑芝麻乳油脂体粒径明显增大,并发生不规则形变,表面出现褶皱,连续相中多孔片层结构逐渐减少。当微波预处理时间延长至9 min和12 min时,黑芝麻乳中油脂体粒径进一步变大,界面膜发生严重褶皱变形且致密性降低,部分中性脂质以出芽和再乳化形式溢出形成小液滴。上述结果表明,原本存在于连续相中的贮藏蛋白也参与包裹重组脂滴,这可能与微波预处理会诱导油脂体膜组分改变及贮藏蛋白发生分子结构和空间构象改变有关[17]。

3 结论

本文研究了微波预处理对黑芝麻物性特征和全籽乳液稳定性的影响,得到如下结论:微波预处理可使黑芝麻体积膨胀,显著降低黑芝麻的硬度、弹性、胶黏性和回弹性,且微波预处理9 min时这些指标均达到最小值;微波预处理可使黑芝麻乳平均粒径显著增加,Zeta-电位显著降低,但乳液的物理稳定性明显提升,以微波预处理9 min时效果最佳;微波预处理9 min可使黑芝麻乳中脂滴运动速率减慢,弹性行为增强,流动性降低,表观黏度逐渐降低,动态黏弹性增加;微波预处理诱导了黑芝麻乳体系中脂滴和连续相的结构重构,表现为贮藏蛋白构成的多孔片层结构逐渐减少,与油脂体膜组分共同参与塌陷油脂体的界面重组。因此,适宜时长的微波预处理能够基于油脂体和连续自稳定体系的构建及流变行为的改变来提升黑芝麻乳的稳定性,有望为黑芝麻乳基健康食品研发提供理论和技术参考。