罗勒籽胶的功能特性及其在食品中的应用研究进展

张佳美,彭秀文,邢珂,刘树萍*,石长波,刘晓飞

1(哈尔滨商业大学 旅游烹饪学院,黑龙江 哈尔滨,150028)

2(哈尔滨商业大学 食品工程学院,黑龙江 哈尔滨,150028)

罗勒(Ocimumbasilicum)是唇形科草本植物,具有抑菌、防腐、抗氧化等功效,被广泛用于食品、保健、医药、化妆品等领域[1]。罗勒叶具有独特的香气,通常可以作为香料使用;罗勒的叶子或者花朵中提取的精油还可以作为食品和药品的添加剂[2];罗勒籽是罗勒的种子,呈黑色椭圆形,有学者研究分析显示罗勒籽含有8.90%的水分、9.40%的蛋白质、33.01%的脂肪、43.50%的碳水化合物和36.30%的总纤维,并且存在ω-脂肪酸,如α-亚麻酸(71.10%)、棕榈酸(13.72%)等,同时植物化学分析也表明,罗勒籽中存在18.24 mg GAE/g酚类化合物、0.525 mg QE/g黄酮类化合物、15.64 mg/g生物碱等,具有抗氧化活性[3],不同的罗勒品种之间可能会存在一些差异。

罗勒籽胶(basil seed gel,BSG)是罗勒籽的主要衍生产物,是罗勒籽在吸水膨胀后形成的一种半透明状的凝胶物质[6],主要由葡甘聚糖和木聚糖组成[7]。植物来源的天然产物被广泛应用为生物活性化合物[8],由于罗勒籽在水中浸泡后能产生大量的胶状物质并且生产成本低,或许可以成为天然水胶体的新来源[9]。罗勒籽胶具有多种特殊的功能性质,因此深受学者们的关注,在食品工业中也具有广泛的应用[10]。针对近年来的研究,本文就罗勒籽胶的提取与纯化干燥方法、罗勒籽胶主要的功能特性及其在食品领域中的应用进行归纳总结,为后续研究提供参考依据。

1 罗勒籽胶的制备

1.1 提取罗勒籽胶

常规的提取方法是目前提取罗勒籽胶在食品领域中应用最广的方法。如图1所示,首先用乙醇多次清洗罗勒籽以去除种子表面灰尘及杂质,然后将其浸泡在蒸馏水中并在加热过程中充分搅拌,当罗勒籽充分吸水膨胀后,即可从膨胀的种子表面中分离出粗凝胶,经过过滤即可得湿基罗勒籽胶,最后可通过干燥技术将湿基凝胶变为干胶,并将干胶研磨、过筛、包装并保持在凉爽干燥的条件下便于贮存[11]。

图1 提取罗勒籽胶的流程图[12]

为了提高罗勒籽胶的得率,研究者们对提取工艺进行优化,发现通过改变水/籽比、提取温度、pH和改变提取方式等方法可以有效提高罗勒籽胶的得率。通常在较高温度下提取可降低凝胶黏度,使水溶性多糖从细胞壁更快更容易地传质到提取物中,使得率更高[13]。NAZIR等[14]采用响应面法对常规方法提取罗勒籽胶的工艺进行了优化,发现温度和水/籽比对得率有显著的影响,而提取时间对得率影响较小,确定了提取凝胶的最佳条件,温度为56.7 ℃、水/籽比为66.84∶1(g∶mL);KEISANDOKHT等[15]采取了微波辅助提取的方法,并与常规的加热搅拌提取方法进行比较,发现微波辅助提取的罗勒籽胶平均得率更高,官能团强度也更高,此外,在2种提取方法中,低pH提取的罗勒籽胶的平均得率均高于高pH提取的凝胶,而且低pH提取物具有更高的表观黏度;还有研究者发现常规方法提取的罗勒籽胶比超声提取的罗勒籽胶更浑浊、更暗,可能是由于常规方法提取过程中需要用搅拌机对罗勒籽进行搅拌,导致了种子破裂因而凝胶浑浊,对比之下,超声提取的罗勒籽胶中不含多余的种子颗粒或杂质,不过超声处理条件对BSG的颜色参数有显著影响,延长超声时间和功率会降低罗勒籽胶的亮度[16]。

1.2 纯化干燥罗勒籽胶

罗勒籽胶的纯化方式目前应用最广的是乙醇沉淀法,通过3倍体积的乙醇过夜沉淀,纯化后可显著提高凝胶的稠度系数,纯化过程降低了胶的化学结构中存在的主要杂质的含量,如微量元素、单宁、天然色素和蛋白质等,同时也可提高凝胶的溶解度,并且与未经过乙醇沉淀的罗勒籽胶相比,经过乙醇的沉淀纯化还可改善罗勒籽胶的流变学和功能特性[17]。

罗勒籽胶在湿基状态下不方便贮存与应用,因此需要通过干燥技术使其在干胶状态下保存,其主要应用的干燥方法是热风干燥[18]和冷冻干燥[19],还有真空干燥[20]和红外干燥[21]。凝胶的得率和理化性质可能取决于干燥条件和方法[21],但是目前并没有学者在提取罗勒籽胶时对几种干燥方法进行系统地比较,还需要进行深入的研究来更精准地确定干燥方式是否对罗勒籽胶的得率及理化性质有影响。

2 罗勒籽胶的主要功能特性

2.1 凝胶性

BSG具有较弱的网络结构[22],可以通过一些手段来提高其凝胶强度,如添加化学交联剂、二价盐离子以及调节酸性pH等。流变试验通常能表征凝胶的物理性质,动态剪切储存模量可以作为凝胶网络连通性的指标[23]。RAFE等[24]在BSG中添加了三偏磷酸钠,通过动态流变的频率扫描模式发现G′在整个频率范围都超过G″表现出典型的凝胶样行为,并且三偏磷酸钠能使BSG形成更强的凝胶,改善凝胶的弹性。二价盐离子可以在BSG分子之间形成键并增加凝胶的弹性,pH对其形成凝胶的能力也有一定的影响[25]。MOUSAVI等[26]评估了罗勒籽胶/瓜尔胶二元复合凝胶在不同Ca2+水平下的结构-流变关系,当Ca2+含量为2%时,凝胶结构强度达到最高值,并且与pH 7.5相比,BSG在pH 4.5时可以更快地形成凝胶。因此,可以通过化学交联剂、二价盐离子以及调节酸性pH等方式改善BSG的凝胶性质,加快BSG凝胶的形成时间。

2.2 乳化稳定性

BSG含有的少量蛋白质可以乳化并稳定油水乳状液,而且具有比黄原胶、魔芋胶和瓜尔豆胶更高的零剪切黏度和屈服应力、高假塑性和耐热性,可使其成为一些食品配方中的良好稳定剂[27-28]。OSANO等[29]研究发现BSG乳液在至少一个月内保持稳定,不发生相分离,与其他多糖相比,BSG表现出优异的乳化和稳定性能,不含蛋白质也仍然能产生稳定的乳液,这说明凝胶的乳化和稳定机制可能不仅归因于表面活性蛋白部分,还可能归因于多糖本身的疏水性[29];HOSSEINI-PARVAR等[30]研究了BSG的乳化稳定性与pH、离子强度和热处理的关系,研究发现BSG乳液的液滴大小与pH值和离子强度的变化关系密切,在极端pH和离子强度下热处理会导致BSG的乳化能力降低,另外,如图2所示,碱性条件下的乳液具有较小的初始液滴尺寸,酸性条件下或加入盐离子会改变乳液的粒径分布。总的来看,BSG是一种很有前景的凝胶,可以认为是一种新型的水胶体乳化剂。

A-pH (1～12);B-离子强度(0.01～0.24 mol/L NaCl);C-热处理(80℃,30 min)

2.3 界面张力

BSG在油水界面的吸附作用可以通过界面张力测定,界面张力越小,乳液的稳定性越小,这一般与其含有的蛋白质有关[31]。MIRABOLHASSANI等[7]发现去除凝胶中的蛋白质后,BSG降低界面张力的能力略有降低,可能是因为蛋白质在降低油水界面张力方面起关键作用,当然也不能排除多糖的本身在纯化过程改变了疏水性或构象结构,因而改变了吸附特性,另外,随着胶浓度的增加,降低界面张力的能力也越强。除此以外,也可以通过改性的方式降低BSG的界面张力。GAHRUIE等[32]通过辛烯基丁二酸酐改性罗勒籽胶的界面性质,未改性BSG的表面活性是由于存在与多糖结构相关的蛋白质,随着修饰程度的增加,BSG的界面张力降低程度越大,可能是因为BSG中存在大量的烷基链。总结来看,主要是蛋白质对界面张力影响较大,其次是凝胶本身的构象结构,也可以通过改性的方式降低BSG的界面张力[13]。

2.4 起泡性

起泡性在一定程度上与空气和水界面之间的界面张力相关,可以通过添加不同的盐或调整浓度提高BSG的起泡性[33]。FARAHMANDFAR等[34]研究了不同盐类对罗勒籽胶的影响,CaCl2和KCl的存在能增加BSG的发泡能力,盐的浓度对起泡性没有显著影响,但是NaCl的加入会降低BSG的发泡能力和稳定性,这可能是因为NaCl对BSG的蛋白部分有一定影响,降低了界面活性;NAJI-TABASI等[17]研究了BSG-卵清蛋白的起泡性,发现低浓度的BSG可以将卵清蛋白的泡沫容量从23%提高到28%,然而,发泡能力会随着浓度的增加而降低,可能是因为在低浓度下的表面活性基团可降低界面张力并在气泡表面形成膜,卵清蛋白溶液的泡沫稳定性也随着BSG浓度的增加而增加,可能是通过浓度的增加而提高体相黏度,黏度较高的情况下,网络的形成可以减少气泡的聚结,从而提高泡沫的稳定性[35]。

3 罗勒籽胶在食品中的应用

3.1 在食品保鲜领域的应用

塑料包装经常造成严重的环境污染问题,BSG具有生物降解性、生产成本低、亲水性等特性,因此可以作为成膜基质[36]。然而,单一的罗勒籽胶薄膜性能不够理想,如表1所示,学者们对其复合膜有较多的研究,图3为制备基于罗勒籽胶涂膜的基本流程图。HASHEMI等[37]制备了含有牛至精油的罗勒籽胶膜并对其进行了表征,研究发现添加牛至油直接影响薄膜的含水率、透明度、膨胀指数、接触角和水蒸气渗透性,所制备的薄膜具有抗菌和抗氧化性。然而,直接将精油加入罗勒籽胶膜中可能会导致不溶或生物活性损失,HASHEMI等[38]提出可以通过制备纳米乳剂的方式将精油固定于罗勒籽胶膜的网络中,亦能延缓活性成分的释放来延长食品保质期,研究发现增加BSG基质中纳米乳剂的浓度会提高薄膜的力学性能,纳米乳剂的增加会使薄膜的微观结构发生显著变化。除此之外,还可以通过调整增塑剂来改变薄膜的性质,KHAZAEI等[39]研究了基于BSG和3种不同浓度的甘油的可食用薄膜,使用25%的甘油可以获得最佳的BSG膜性能,甘油在制备均匀的柔性BSG膜中起着至关重要的作用,能显著增加水蒸气渗透性和溶解度,甘油浓度的增加也会增加延伸性。

表1 罗勒籽胶在可食性膜中的应用

图3 制备基于罗勒籽胶膜的流程图[12]

维持食品新鲜和延长食品保质期是应用可食用薄膜的主要目的,罗勒籽胶膜具有天然、无毒的特性,在水果与肉及肉制品得保鲜中有广泛的应用。HASHEMI等[33]研究了将含有牛至精油的罗勒籽胶膜应用于鲜杏保鲜,在冷藏期间精油从薄膜中释放,能够有效地减少水果的腐败,并且整体可接受性有很大改善,能够有效保证鲜杏的质量;ANSARIAN等[40]研究了含白藜芦醇和丁香精油纳米乳化剂的罗勒籽胶可食用膜的体外抗氧化特性及其对冷藏骆驼肉氧化稳定性和感官特性的影响,研究发现薄膜包裹的骆驼肉糜经过20 d的贮藏,氧化稳定性和感官性能均优于对照组;MAJDINASAB等[41]研究了包含百里香精油的罗勒籽胶涂膜对鸡柳冷藏保质期的影响,研究发现BSG具有抗氧化的屏障性能,添加了植物精油的涂膜能够有效延缓不良化学反应和微生物生长,涂膜样品有良好的整体可接受性,保质期达12 d。综上所述,BSG在食品保鲜领域具有良好的潜力,可用于生产各种食品所需的食用薄膜。

3.2 在纳米体系中的应用

在功能性食品成分输送系统领域,抗氧化和抗菌活性在内的生物活性化合物的功能特性可以通过封装和控制其释放来改善[45],如表2所示,BSG纳米体系具有较为广泛的应用。AZARASHKAN等[46]研究了包埋在罗勒籽胶中的西兰花芽提取物纳米脂质体的抗氧化和抗菌活性,确定了BSG纳米封装工艺能提高酚类、黄酮类等活性化合物的稳定性和保质期,抗菌性也得到提高,结果表明其在奶酪贮藏期间能更好地保存生物活性化合物;KURD等[47]采用静电纺丝法将橙皮素掺入罗勒籽胶/聚乙烯醇纳米纤维中,结果表明橙皮素在密封剂中的结合良好,热重分析能够观察到橙皮素的热阻增加;KOMIJANI等[48]也研究了玉米醇溶蛋白/罗勒籽胶/聚乙烯醇纳米纤维对番茄红素的包封率,研究发现可以通过增加BSG体积的方式使纳米纤维直径减小,进而提高番茄红素包封率,可以说明罗勒籽胶/聚乙烯醇纳米纤维可以作为食品工业中生物活性成分包封的载体,具有较高的包封效率和物理稳定性;DELFANIAN等[45]研究了BSG分别与大豆分离蛋白和乳清分离蛋白的纳米乳剂包封多酚,此研究通过纳米包埋多酚,提高了多酚的溶解度并且能控制释放,可获得较高的抗氧化潜力,其中BSG/大豆分离蛋白纳米体系表现出更好的渐进释放和更高的抗氧化效果。综上所述,BSG作为天然抗氧化剂和食品防腐剂在纳米体系中具有潜在的应用前景。

表2 罗勒籽胶在纳米体系中的应用

3.3 在蛋白凝胶中的应用

蛋白质和多糖是食品工业中使用的主要生物聚合物,它们相互作用对蛋白质的功能性质有很大影响,从而改变相应食品的结构和性质。其相互作用取决于如生物聚合物类型、多糖类型、蛋白质和多聚糖的浓度等,这可能形成复合物或热力学不相容性[54]。罗勒籽胶会影响食品蛋白质的凝胶化和其他功能特性,对蛋白质和聚合物的凝胶性质具有一定影响。如表3所示,BSG在蛋白凝胶中具有较为广泛的应用。MIRARAB等[55]研究发现,添加不同浓度的BSG可显著影响卵清蛋白凝胶的流变学和理化性质,即使添加少量的罗勒籽胶,也会对卵蛋白凝胶的结构特征产生影响,获得更硬的热诱导卵清蛋白凝胶,能够用于不同的食品应用或功能食品中活性化合物的输送;RAFE等[56]对BSG和β-乳球蛋白之间的凝胶特性和相互作用进行了表征,研究发现增加BSG与β-乳球蛋白的比例会导致更精细的微观结构。如图4所示,共聚焦显微图可以看出添加少量BSG的复合凝胶的网络结构并不致密,随着BSG的进一步增加,蛋白质聚集物在整个样品中分布均匀,但是加入过多的BSG就会导致球形蛋白结构域聚集,导致复合凝胶结构崩溃;LARKI等[52]研究发现BSG能有效增强乳清分离蛋白,提高其静电纺丝能力和纤维形成能力,可以通过改变聚合物的混合比例,控制静电纺丝纳米纤维的物理化学性质,BSG的加入使纳米纤维具有良好的热稳定性和良好的疏水性。

表3 罗勒籽胶在蛋白凝胶中的应用

A-10%(质量分数)β-乳球蛋白凝胶(β-lactoglobulin gel,BLG);B-10%(质量分数)BLG-1%(质量分数)BSG;C-10%(质量分数)BLG-2%(质量分数)BSG;D-2%(质量分数)BLG-1%(质量分数)BSG

除了通过改变BSG与蛋白质的不同比例外,还可以通过调节pH、升温速率或添加盐等方式提高复合凝胶的理化性质。BEHROUZAIN等[58]研究发现利用不同的pH可以获得具有不同相互作用机制的生物聚合物混合物,即可溶性复合物形成和热力学不相容相互作用,在pH为5、6、7时没有观察到沉淀,因此BSG/乳清分离蛋白混合物可以在这些pH下用于乳化稳定性和功能性;RAFE等[57]研究了加热速率对BSG/β-乳球蛋白凝胶流变学和微观结构的影响,通过在不同的加热速率下混合不同比例的水胶体,可以获得不同的结构;YANG等[59]考察了不同浓度的CaCl2和NaCl对罗勒籽胶/花生球蛋白复合凝胶性能的影响,研究发现Ca2+和Na+在低浓度时增强了复合凝胶的G′、G″和凝胶强度,高浓度时降低了凝胶强度并且阻碍常规凝胶网络的形成。由此可知BSG可能在开发新型凝胶方面有很大潜力,还需要进一步的研究来探索在食品工业中的实际应用。

3.4 在乳制品中的应用

在乳制品中加入天然植物提取物是一种新兴的乳制品优化方法,将罗勒籽胶添加至乳制品中在一定程度上能改善食品的品质。FARAHMANDFAR等[60]研究了BSG作为增稠剂,可以显著影响奶油的物理结构和流变特性,表现出假塑性和触变行为,BSG在鲜奶油配方中具有良好的应用潜力;HOSSEINI-PARVAR等[9]发现BSG能使奶酪结构的弹性增加,可能在奶酪的蛋白质基质中形成网状网络,并加强由酪蛋白链形成的网络,使奶酪具有更高的硬度。GHASEMPOUR等[6]研究罗勒籽胶和红甜菜提取物在益生菌酸奶配方中同时使用的情况,在21 d的贮存时间内,含有0.4%BSG的样品益生菌活力最高,并且随着BSG的使用,酸奶样品的黏度增加。可以看出,将罗勒籽胶应用于新型乳制品配方,能够改善了乳制品中的益生菌活力、抗氧化活性和质地特性。

大多数风味成分是脂溶性,因此减少脂肪含量可能会降低产品的风味,BSG具有稳定性、高保水能力和增黏能力,可以作为脂肪替代品使低脂或脱脂乳制品具有较高的乳脂性。JAVIDI等[27]研究发现在低脂冰淇淋中加入BSG后其乳香度高于对照组,可能是因为BSG能模仿低脂冰淇淋中的全脂混合物的乳香度,其更强的剪切敏感触变性导致产生更多的奶油感,也表明BSG的存在使脱脂冰淇淋具有较高的乳脂性,能够抑制低脂肪混合物的粗糙感[27];KIM等[62]也研究了罗勒籽胶作为脂肪替代品对酸奶理化性质的影响,随着BSG浓度的增加,酸奶风味逐渐得到改善,此外,苯酚和黄酮的总含量也略有增加,提高了酸奶的抗氧化性。因此将BSG作为脂肪替代品,应用于低脂或脱脂产品的生产可以提高产品的理化性质、抗氧化活性和感官特性。

3.5 在冷冻食品中的应用

凝胶可以通过将游离水固定在凝胶结构内并控制水分迁移的方式来减少游离水的量,从而保持冷冻食品结构的均匀性,并在冷冻过程中控制冰晶生长,减少冷冻的负面影响,提高食品的持水能力[64]。近年来,冷冻食品消费量的增加导致了对具有特殊性质的凝胶的需求增加。BSG的溶解性、持水能力、流变特性以及在冷冻贮存期间与其他成分的协同反应,对食品具有各种低温保护作用,因此可以将罗勒籽胶应用于冷冻食品中。ZRYNALI等[64]研究了冷冻处理对不同浓度罗勒籽胶的流动特性、黏弹性、结构、乳化和发泡特性的影响,由于BSG具有控制冰晶生长的能力,因此冷冻处理后的黏弹性变化最小,解冻后BSG的织构性质稳定,未观察到断裂和破坏,可以表明BSG可以提高冷冻食品的质量。

冰淇淋作为典型的冷冻食品,在贮存过程中的结构变化会导致质量下降,主要原因是冰重结晶和乳糖结晶。罗勒籽胶除了能提高在冷冻条件下的稳定性外,还有助于冰淇淋质地的形成,可以提高冰淇淋及相关产品的质量和多样性。BAHRAMPARVAR等[65]研究发现与对照组相比,BSG作为冰淇淋稳定剂能大大减少冰的再结晶,冰晶的生长速率降低了30%～40%。由于每种稳定剂的特殊特性以及凝胶之间的协同作用,可以应用复合凝胶,这些聚合物的协同作用也有助于降低成本[65]。HEJRANI等[66]发现在面包配方中添加罗勒籽胶可以改善冷冻贮存期间产品的整体质量,改善效果与瓜尔豆胶相似,甚至在改善比体积、孔隙率和感官特性方面比瓜尔豆更有效。综上所述,罗勒籽胶可以更多地应用于冰淇淋、冷冻甜点等冷冻食品中。

4 结论与展望

随着人民生活水平的不断提高,人们对具有特殊功能特性的凝胶的需求不断增长,因此不断探索新的水胶体来源也逐渐成为热点。本文综述了罗勒籽胶作为一种新型天然水胶体的提取及纯化干燥方法、功能特性及其在食品中的应用,BSG具有良好的凝胶性、乳化稳定性、界面张力、起泡性等性质,还具有独特的流变性能,因而被广泛应用于食品加工领域,如食品保鲜、纳米体系、乳制品、蛋白凝胶、冷冻食品等,开发利用罗勒籽胶能够拓宽天然凝胶材料的应用范围。

然而罗勒籽胶的最佳提取方法和纯化干燥方式还尚未有定论,以及提取方法和纯化干燥方式对罗勒籽胶的理化性质是否有影响,还需未来进一步的探索以期获得更高的得率和性质更好的罗勒籽胶。另外,罗勒籽胶的功能性质及在食品中的应用也有待进一步挖掘,比如单一的凝胶无法满足现有的需求,还需要探索罗勒籽胶与其他蛋白质或凝胶相互作用的机理,得到性能更佳的凝胶体系等。因此,今后需要继续研究探索罗勒籽胶的功能特性和理化性质等,对于扩展其在食品领域的应用具有重大意义。