南瓜籽蛋白-卡拉胶乳液凝胶脂肪替代物的制备与特性分析

摘要：利用南瓜籽蛋白和卡拉胶为原料制备乳液凝胶脂肪替代物，通过单因素试验研究了不同配比下南瓜籽蛋白、卡拉胶与大豆油对热诱导乳液凝胶理化特性的影响。结果表明，不同配比的南瓜籽蛋白、卡拉胶和大豆油均能显著影响热诱导凝胶的理化特性。综合分析，当南瓜籽蛋白添加量为3%、卡拉胶添加量为1.5%、大豆油添加量为10%时，制备的乳液凝胶的凝胶特性、乳化稳定性、冻融稳定性、蒸煮损失等指标更稳定。

关键词：南瓜籽蛋白；卡拉胶；乳液凝胶；脂肪替代物

中图分类号：TS201.21 文献标志码：A 文章编号：1000-9973（2025）01-0216-06

Preparation of Pumpkin Seed Protein-Carrageenan Emulsion Gel Fat Substitutes and Analysis of Characteristics

ZHENG Shuang， LI Bo， LI Yan-qing^*

（College of Food， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， China）

Abstract： Pumpkin seed protein and carrageenan are used as the raw materials to prepare emulsion gel fat substitutes， and the effects of different ratios of pumpkin seed protein， carrageenan and soybean oil on the physicochemical characteristics of heat-induced emulsion gel are studied by single factor test. The results show that different ratios of pumpkin seed protein， carrageenan and soybean oil could significantly affect the physicochemical characteristics of heat-induced emulsion gel.Through comprehensive analysis， it is found that when the addition amount of pumpkin seed protein is 3%， the addition amount of carrageenan is 1.5% and the addition amount of soybean oil is 10%， the gel characteristics， emulsification stability， freeze-thaw stability and cooking loss of the prepared emulsion gel are more stable.

Key words： pumpkin seed protein; carrageenan; emulsion gel; fat substitutes

收稿日期：2024-07-26

基金项目：黑龙江八一农垦大学三横三纵支持计划（TDJH202003）

作者简介：郑爽（1998—），女，硕士，研究方向：畜产品加工。

*通信作者：李艳青（1978—），女，副教授，博士，研究方向：畜产品加工。

乳液凝胶，又称乳液或乳液水凝胶^[1]，是将乳化的液滴分散在凝胶基质中作为填充相的软固体^[2]。乳液凝胶兼具乳液和凝胶网络的双重特性，结构稳定，功能特性突出，而且乳液凝胶在外观和质构方面与动物脂肪相似，可用于脂肪替代物。De Souza等^[3]以菊粉、SPI和豆油制备的乳液凝胶替代脂肪制备低盐、低脂博洛尼亚香肠，结果表明在降低脂肪含量的同时使该香肠具有较高的黏弹性。

乳液凝胶的制备分为两个过程：先是乳状液的制备，然后通过不同诱导方式形成连续相凝胶^[4]。根据凝胶基质，乳液凝胶可分为多糖基乳液凝胶、蛋白质基乳液凝胶和复合乳液凝胶，其中蛋白与多糖复合形成的乳液凝胶不仅可以提高网络结构的致密性，而且可以通过多糖对蛋白进行修饰，改变蛋白形成的凝胶网络结构^[5]。南瓜籽蛋白是一种有前景的植物源蛋白质，研究表明^[6]，南瓜籽蛋白以其丰富的EAA含量与大豆蛋白相似，除了被广泛用作食品成分外，还具有药理活性，如抗肿瘤、抗糖尿病和保护肝脏的功能^[7]。卡拉胶是阴离子多糖，作为一种亲水性胶体，能够吸水膨胀，具有良好的凝胶性^[8]，可作为增稠剂、胶凝剂、稳定剂、脂肪替代品等^[9]广泛应用于食品中。有研究指出，卡拉胶与蛋白质形成的复合物可以有效改善低脂肉制品的质地^[10]。

本文以南瓜籽蛋白和卡拉胶形成的乳液凝胶为研究对象，通过单因素试验设计对比不同变量下乳液凝胶的理化性质差异，确定制备乳液凝胶的最佳配比，制备的乳液凝胶可作为脂肪替代物广泛应用于肉类制品、乳类制品等食品中，为开发新型脂肪替代物提供了理论基础。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

南瓜籽蛋白：陕西萤草生物科技有限公司；大豆色拉油：九三食品股份有限公司；卡拉胶：绿新（福建）食品有限公司；十二烷基硫酸钠（SDS）、氢氧化钠、硫酸铜：广州赛国生物科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

Bettersize 2000激光粒度分布仪 丹东百特仪器有限公司；TA-XT Plus质构仪 英国 Stable Micro Systems公司；UV-1100紫外分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；CM-5色差仪 日本 Konica Minolta 公司；DK-S24电热恒温水浴锅 上海森信实验仪器有限公司；BR4I冷冻离心机 赛默飞世尔科技公司。

1.3 方法

1.3.1 乳液凝胶的制备及单因素试验设计

将南瓜籽蛋白均匀地分散在蒸馏水中，并使用磁力搅拌器充分搅拌10 min后加入大豆油并使用均质机均质5 min进行乳化，然后在磁力搅拌器的搅拌下加入卡拉胶，搅拌5 min。将混合好的乳液于75℃水浴加热1 h后得到热诱导乳液凝胶，冷却后于4℃隔夜保藏。

设计单因素试验，通过凝胶强度、持水性等指标考察不同南瓜籽蛋白添加量（0%、1%、2%、3%、4%、5%）、卡拉胶添加量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）、大豆油添加量（0%、5%、10%、15%、20%）对乳液凝胶的综合影响，确定制备乳液凝胶的最佳配比。

1.3.2 凝胶强度测定

参考Li等^[11]的方法并略作修改。将冷却的凝胶在室温下升温1 h，然后通过TA-XT Plus质构仪进行测量，选取探头型号P/0.5，试验参数：触发力5 g，测前速度1.0 mm/s，测中速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，穿刺距离8.0 mm。

1.3.3 持水性（WHC）测定

参考Shang等^[12]的方法并略作修改。将凝胶从4℃冷藏室中取出，于室温下静置30 min后转移到50 mL离心管中，在4℃条件下，以转速10 000 r/min离心20 min。将离心管倒置20 min后，用吸水纸吸凝胶析出的水分，进行称重。持水性计算公式如下：

持水性（%）=离心后凝胶净重（g）/离心前凝胶净重（g）×100%。

1.3.4 蒸煮损失测定

参考王双喜^[13]的方法并略作改动。取10 mL小玻璃烧杯，向每个烧杯中加入5 g复合乳液，记录不去掉烧杯的总重，然后将烧杯口用保鲜膜密封，放置在水浴锅中，设置水浴锅的温度为75℃，然后从室温开始加热，当水浴锅温度达到75℃时，开始计时10 min。保温10 min后，将样品立即从水浴锅中取出，冷却至室温后将烧杯倾斜，倒出液体，再次称重并记录质量，做3次平行。蒸煮损失计算公式如下：

蒸煮损失（%）=M₀－M₁/M₀×100%。

式中：M₀为蒸煮前样品的质量（g）；M₁为蒸煮后样品的质量（g）。

1.3.5 质构测定

参考汪佳佳^[14]的方法并略作改动。将乳液凝胶在室温下平衡30 min后，使用TA-XT Plus质构仪，配备P/50型探头进行测定。测定参数：测前速度5.0 mm/s，测中速度1.0 mm/s，测后速度5.0 mm/s。测定距离为乳液凝胶高度的1/2。质构指标：硬度、弹性、内聚性、黏性、咀嚼性。

1.3.6 色差测定

取1 cm厚的乳液凝胶，用色差仪进行色差测定，将色差仪垂直于断面上，镜口紧扣切面，测定不同位置的L^*值、a^*值、b^*值。

1.3.7 粒径测定

参考张风雪^[15]的方法，采用激光粒度分布仪测定乳液的粒径分布。调整蛋白质浓度为10 mg/mL进行测定。具体测定参数：物质折射率为1.520，介质为水，介质折射率为1.333。

1.3.8 乳化稳定性测定

参考薛山等^[16]的方法并略作改动。取制备好的复合乳液用0.1%的十二烷基磺酸钠（SDS）稀释500倍，混匀后在波长500 nm处测定吸光度值。以 0.1% SDS为空白，0 min时在波长500 nm处采用紫外分光光度计测定乳液的吸光度值，记为A₁；30 min后在同样波长处以同样空白测定吸光度值，记为A₂，计算公式如下：

乳化稳定性（%）=A₁/A₂×100%。

1.3.9 冻融稳定性测定

参考Cui等^[17]的方法并略作修改。将5 g凝胶在-20℃低温冷冻22 h，在30℃水浴中解冻2 h，冻融循环重复5次。析水率反映了冻融循环处理后乳液凝胶的失水程度，采用下式进行测定：

析水率（%）=A－B/A×100%。

式中：A为冻融处理前乳液凝胶的质量（g）；B为冻融处理后乳液凝胶水分的质量（g）。每组测定3次。

1.4 数据分析

试验结果均为重复3次测定计算的平均值，使用SPSS 24软件进行数据统计分析，使用SigmaPlot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 复合乳液凝胶凝胶强度和持水性分析

凝胶强度能够直接反映复合乳液凝胶的凝胶程度，持水性能够直接反映凝胶网络结构束缚水分的能力。由图1可知，随着南瓜籽蛋白添加量的增加，持水性提高，当南瓜籽蛋白添加量为3%时持水性最佳，这是因为卡拉胶和南瓜籽蛋白的协同作用使复合乳液凝胶的凝胶网络结构更加稳定，增加了截水量；随着南瓜籽蛋白添加量的增加，复合乳液凝胶的凝胶强度存在显著差异，当南瓜籽蛋白添加量为3%时，凝胶强度最高，表明南瓜籽蛋白的添加有利于形成致密的凝胶网络结构，而凝胶网络结构越致密、有序，持水性越好^[18]。

由于卡拉胶是一种阴离子多糖，加热诱导后冷却可形成凝胶，因此随着卡拉胶添加量的增加，复合乳液凝胶的凝胶强度得到显著增强（P＜0.05），当卡拉胶添加量达到1.5%时，处理组的持水性优于卡拉胶添加量为0.5%的处理组，说明复合乳液凝胶的持水性得到了一定改善。

大豆油的添加改善了凝胶基质的结构，进而提高了毛细管力，从而保留了更多的水分，并显著提高了复合乳液凝胶的凝胶强度，表明大豆油的添加可以稳定凝胶网络的结构。当大豆油添加量高于10%时，对持水性的影响不显著（P＞0.05）。

2.2 蒸煮损失分析

在肉制品中，蒸煮损失可以用来衡量产品保留水分和油脂的能力。由图2可知，随着南瓜籽蛋白添加量的增加，蒸煮损先先减少后增加。当南瓜籽蛋白添加量为3%时，复合乳液凝胶的蒸煮损失最小，表明南瓜籽蛋白在构建稳定的凝胶网络结构方面发挥了作用，这与持水性和凝胶强度的结果一致。随着卡拉胶添加量的增加，复合乳液凝胶的蒸煮损失逐渐减小，这是由于卡拉胶具有良好的凝胶特性，同时，热处理使南瓜籽蛋白与卡拉胶的结合作用增强，从而使形成的热诱导凝胶蒸煮损失减小，但当卡拉胶添加量为1.5%～2.5%时差异不显著，表明适当添加卡拉胶可减少复合乳液凝胶的蒸煮损失，加入过量的卡拉胶可能会导致复合乳液凝胶结构遭到破坏。随着大豆油添加量的增加，蒸煮损失呈先降低后升高的趋势，当大豆油添加量为10%时蒸煮损失最低，说明适当增加大豆油添加量有助于降低蒸煮损失，形成更稳定的复合乳液凝胶，但是大豆油添加量过高会由于凝胶孔隙承载能力有限，使过多的油滴在凝胶形成过程中流失，因此大豆油添加量继续增加反而会造成蒸煮损失的提升^[19]。

2.3 质构分析

凝胶硬度值是衡量凝胶质构特性的重要指标之一，硬度是指使样品变形到一定程度时所消耗的力，与样品的结构强度有关，多用来描述食物的软硬程度、咀嚼需要的力度；弹性是指产品在第一次压缩过程中变形后去除外力后恢复原状的能力；内聚性是指样品在第一次压缩变形后抵抗第二次压缩的程度；黏性可以衡量样品的黏稠程度；咀嚼性是指咀嚼固体食物所需的能量^[20]。

当油滴填充在凝胶基质中时，乳液凝胶的质构特性主要取决于凝胶基质，即蛋白质含量会影响基于蛋白质的乳液凝胶的结构性能^[21]。由表1可知，随着南瓜籽蛋白添加量的逐渐上升，乳液凝胶的弹性和内聚性变化较小，乳液凝胶的硬度、咀嚼性和黏性呈上升的趋势，且各组之间均有显著性差异（P＜0.05），说明南瓜籽蛋白可能与卡拉胶产生了协同作用，通过对乳液凝胶中的油进行固化^[22]，使其网络结构更加致密，从而增加凝胶的硬度。随着卡拉胶添加量的增加，对弹性和内聚性的影响较小，但乳液凝胶的硬度、咀嚼性和黏性呈上升趋势，且各组之间均有显著性差异（P＜0.05），表明卡拉胶可以很好地填充在乳液凝胶网络结构中，形成更致密的凝胶。随着大豆油添加量的增加，弹性和内聚性变化不明显，但是由于凝胶网络中油滴数量的增加，油水界面的面积增加，乳液凝胶的硬度、咀嚼性和黏性都显著性增加（P＜0.05），表明在热处理过程中蛋白受热发生聚集，乳化后油脂分子填补了蛋白凝胶网络的孔隙，使其网络结构更加紧密，从而影响了复合凝胶的质构特性。

2.4 色差分析

由表2可知，随着南瓜籽蛋白添加量的增加，乳液凝胶的L^*值和b^*值显著高于对照组，a^*值低于对照组，这可能是由于南瓜籽蛋白为绿白色粉末。随着卡拉胶添加量的增加，乳液凝胶的L^*值呈先上升后下降的趋势，当卡拉胶添加量为1.5%时，b^*值显著高于其他处理组，说明较高的卡拉胶比例增强了南瓜籽蛋白与卡拉胶分子之间的相互作用，使乳液凝胶的颜色更接近南瓜籽蛋白与卡拉胶结合后本身的颜色。随着大豆油添加量的增加，乳液凝胶的L^*值均高于对照组，a^*值和b^*值均低于对照组，这是因为油相添加量越高，形成的乳液液滴越多，凝胶表面光散射越强，从而可以表现出更有光泽的外观。

2.5 粒径分析

乳液的稳定性与颗粒大小呈负相关，粒径越小，颗粒的表面积越大，吸附力越强，乳液液滴越小，而小液滴更有利于保持Pickering乳液的稳定性^[23]。

由表3可知，当南瓜籽蛋白添加量增加时，粒径逐渐增加，并在南瓜籽蛋白添加量为5%时大幅度增加，具有较大的颗粒，表明添加过多的南瓜籽蛋白可能会导致蛋白产生严重聚集现象，破坏乳液的稳定性。卡拉胶添加量的增加可以使乳液表现得更均匀稳定，但是过量加入卡拉胶可能会导致卡拉胶自身发生团聚现象，与南瓜籽蛋白形成更大的复合物，从而使粒径大幅度增加。当大豆油添加量增加时，样品的粒径呈先减小后增大的趋势，说明加入油滴可以提高乳液的稳定性，但过量的油滴可能会出现油滴聚集体，从而降低乳液的稳定性。此外，在大豆油添加量为10%和卡拉胶添加量为1.5%时可以观测到最小粒径，表明在此条件下卡拉胶与南瓜籽蛋白之间的分子作用增强，乳液的稳定性得到了提高。

2.6 乳化稳定性分析

乳化稳定性代表蛋白质在乳液储存一段时间后保留在油水界面的能力。通常，乳液在热力学上是不稳定的，时间的变化会导致乳液发生絮凝或聚集。因此，提高乳化稳定性对乳液的进一步应用具有重要意义^[24]。

由图3可知，随着南瓜籽蛋白添加量的增加，乳化稳定性呈先上升后下降的趋势，在南瓜籽蛋白添加量为3%时乳化稳定性最佳，表明适量的南瓜籽蛋白可以与卡拉胶在油水界面通过相互作用力形成凝胶网状结构，改善乳液的乳化稳定性。随着卡拉胶添加量的增加，乳化稳定性在1.5%时最佳，超过1.5%时开始下降，原因可能是卡拉胶具有良好的乳化性，还可以增加体系的稠度，改善界面的吸附性能，防止产生聚集沉淀，从而进一步提高乳液的稳定性，但是卡拉胶添加量过高不利于乳液的稳定性，这是由于多糖与蛋白质在界面上的竞争作用增强，干扰了蛋白与多糖的结合，使界面蛋白吸附量减小，从而降低了乳化稳定性^[25]。随着大豆油添加量的增加，乳化稳定性先上升后下降，表明添加适量的油脂可以改善复合乳液凝胶的乳化特性，其原因为热处理后被包埋在蛋白质内部的疏水性残基暴露，蛋白质在油水界面的吸附能力增加，可以防止油滴发生聚集，有效截留水分，维持更好的乳化状态。过量的油滴会因为蛋白与油之间的乳化作用已经达到饱和而容易产生聚集，从而导致乳液的乳化稳定性降低。

2.7 冻融稳定性分析

冷冻是一种常见的储存食品的方法，但在冻融过程中食品会变得不稳定，特别是食品乳液体系不能承受多次冻融循环，因此，制备具有良好冻融稳定性的乳液凝胶可以扩大食品乳液体系的应用范围^[26]。

由图4可知，随着南瓜籽蛋白添加量的增加，处理组乳液凝胶的析水率均低于对照组，析水率越低，冻融稳定性越好，表明南瓜籽蛋白的添加可以提高乳液凝胶的冻融稳定性，并且可以观察到当南瓜籽蛋白添加量为3%时，乳液凝胶的析水率处于较低水平，即冻融稳定性较好，这可能与蛋白质的亲水性和乳化性有关，使乳液凝胶中水分的流动性得到了有效降低，从而提高了凝胶的冻融稳定性。

随着卡拉胶添加量的增加，乳液凝胶的析水率逐渐降低，并在添加量为1.5%时大幅度降低，这是由于卡拉胶具有良好的胶凝性，形成了更加致密的凝胶网络，能够截留更多的水分，因此析水率降低，即凝胶的冻融稳定性得到了改善。

随着大豆油添加量的增加，乳液凝胶的冻融稳定性也得到了改善，这与持水性结果一致。在大豆油添加量为10%时，凝胶的析水率处于较低水平，表明适量油滴的存在可以形成较强的毛细管力，改善凝胶网络结构，从而降低了析水率，提高了凝胶的冻融稳定性。

3 结论

本试验研究了不同添加量的南瓜籽蛋白、卡拉胶和大豆油对乳液凝胶理化性质的影响，研究结果显示，南瓜籽蛋白、卡拉胶和大豆油的添加可以显著增加乳液凝胶的凝胶强度和持水性（Plt;0.05），降低乳液凝胶的蒸煮损失，改善乳液凝胶的冻融稳定性。当南瓜籽蛋白添加量为3%、卡拉胶添加量为1.5%、大豆油添加量为10%时，粒径较小，表现出较好的乳化稳定性，此外，乳液凝胶的硬度、黏性和咀嚼性也因南瓜籽蛋白、卡拉胶和大豆油的添加而增加，弹性和内聚性变化不明显。

综合分析，当南瓜籽蛋白添加量为3%、卡拉胶添加量为1.5%、大豆油添加量为10%时制备的乳液凝胶的性能相对更稳定。该研究结果可为制备乳液凝胶脂肪替代物提供理论参考，下一步可将此乳液凝胶作为脂肪替代物添加到各种食品中，研究其对食品理化性质和感官品质的影响，为开发低脂食品提供了新型添加剂原料。

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