花生蛋白-果膠復(fù)合乳液凝膠的流變學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)

丁 玲，唐藝華，張麗芬,2，陳復(fù)生,*，賴少娟

（1.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省南街村（集團(tuán)）有限公司，河南 漯河 462000）

乳液凝膠被定義為由乳液分散體和凝膠相結(jié)合形成的復(fù)雜膠體材料，可以由穩(wěn)定的乳液填充到凝膠連續(xù)相中產(chǎn)生。在食品體系中，組成乳液凝膠的基質(zhì)主要分為3 類，即蛋白質(zhì)、多糖以及蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物。近年來以蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物制備的乳液凝膠是一大研究熱點(diǎn)?；ㄉ鞍拙哂休^高的蛋白質(zhì)消化率校正氨基酸評分以及較好的乳化性、起泡性和凝膠性等功能特性，是優(yōu)良的凝膠基質(zhì)來源。果膠作為一種高價(jià)值的功能性食品成分，具有出色的增稠性和穩(wěn)定性。對比單一凝膠基質(zhì)制備的乳液凝膠，將具有較好乳化性的花生蛋白和較好增稠性和穩(wěn)定性的果膠復(fù)配使用則會有更好效果。

研究表明蛋白-多糖的加入可顯著增強(qiáng)乳液凝膠熱穩(wěn)定性，提高凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并使乳液凝膠的硬度、彈性及持水性顯著增加。乳液凝膠的理化性質(zhì)主要取決于凝膠基質(zhì)與填充油相的種類和制備方式。同時(shí)，在食品配方中應(yīng)用乳液凝膠可以生產(chǎn)低脂肪含量的食品，而膠凝劑和油的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效方法。Zhang Xin等將超聲波加入乳液凝膠的制備過程中，可以使凝膠結(jié)構(gòu)更加致密，并顯著提高乳液凝膠的儲存穩(wěn)定性。但研究主要集中在蛋白和多糖的濃度以及種類等對蛋白-多糖復(fù)合乳液凝膠特性的影響研究，對于填充油相對乳液凝膠特性影響的研究較少。目前，流變學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)分析是研究乳液凝膠特性最廣泛的方法，乳液凝膠的流變學(xué)特性分析有助于理解各食品組分的組織結(jié)構(gòu)和相互作用，微觀結(jié)構(gòu)分析則可以從微觀角度觀察乳液凝膠的液滴形狀、分布以及大小。Zhang Bao等將玉米蛋白/羧甲基糊精納米顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液與-角叉菜膠基凝膠基質(zhì)結(jié)合制備乳液凝膠，流變結(jié)果表明黏度和凝膠狀結(jié)構(gòu)取決于交聯(lián)劑和乳液濃度，并從微觀角度印證了這一結(jié)果。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)將花生蛋白和高酯果膠通過超聲波復(fù)合并制備乳液凝膠，研究不同油相（橄欖油、花生油、24度棕櫚油）及其添加量對乳液凝膠表觀特性、質(zhì)構(gòu)、流變特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響，闡明油相及其添加量對凝膠強(qiáng)度和機(jī)械特性的影響規(guī)律并探索乳液凝膠的形成機(jī)理。研究結(jié)果將為花生蛋白-果膠復(fù)合乳液凝膠在乳制品和烘焙食品等食品領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低溫脫脂花生粕（蛋白質(zhì)45.9%） 青島長壽公司；高酯果膠（high methoxyl pectin，HMP）（半乳糖醛酸（干基計(jì)）≥74%） 上海Macklin公司；魯花花生油、歐麗薇蘭橄欖油 市購；24度棕櫚油（棕櫚油經(jīng)干法分提后得到熔點(diǎn)24 ℃的棕櫚液油） 嘉里糧油（天津）有限公司；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（transglutaminase，TG）泰興市東圣食品科技公司；尼羅紅、異硫氰酸熒光素（fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC） 美國Sigma公司；鹽酸、氫氧化鈉 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SCIENTZ-IID型超聲波破碎儀（配有DC-2030低溫恒溫槽） 寧波新芝生物科技股份有限公司；高速剪切分散乳化機(jī) 上海弗魯克科技發(fā)展有限公司；90-3型恒溫磁力攪拌器 廣州艾卡儀器設(shè)備有限公司；TX-XT Plus型物性測試儀 美國SMS公司；Discovery HR 10混合型流變儀 美國TA公司；LGJ-25C型冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 花生蛋白制備

堿溶酸沉法制備花生分離蛋白（peanut protein isolate，PPI）。將一定量脫脂花生粕與磷酸鹽緩沖液（0.02 mol/L，pH 8.5）按質(zhì)量比1∶10混合。在60 ℃攪拌2 h，4 000 r/min離心20 min，取上清液。在上清液中逐滴加入1.0 mol/L的鹽酸，調(diào)pH 4.5，邊攪拌邊調(diào)，此時(shí)有大量絮狀沉淀出現(xiàn)。靜置10～30 min后再次離心（4 000 r/min，20 min），收集沉淀。加蒸餾水復(fù)溶（比例1∶5）后用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值到7.0，在4 ℃透析48 h。冷凍干燥后存于4 ℃冰箱中備用。PPI的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.5%，采用凱氏定氮法測定（凱氏定氮系數(shù)5.46）。

1.3.2 蛋白-果膠復(fù)合物制備

PPI溶液在4 ℃下水合過夜（12 h）。將不同量的HMP加入制備的PPI溶液（100 mL、40 mg/mL）中，使PPI-HMP質(zhì)量比分別為5∶2、5∶1、10∶1、20∶1和40∶1。通過加入HCl或NaOH溶液（0.1～2.0 mol/L）將PPI-HMP的pH值調(diào)整為pH 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0。

取75 mL上述PPI-HMP溶液置入超聲波破碎儀中超聲處理。設(shè)置超聲功率密度4.07 W/cm；超聲時(shí)間25 min；超聲溫度25 ℃，工作時(shí)間和間歇時(shí)間2 s，以循環(huán)水調(diào)節(jié)超聲溫度，獲得超聲處理花生分離蛋白-高酯果膠（peanut protein isolate-high methoxyl pectin，PPI-HMP）復(fù)合物，冷凍干燥備用。

1.3.3 乳液凝膠制備

稱取一定量超聲處理后的PPI-HMP復(fù)合物溶于去離子水中，室溫?cái)嚢? h。配制15 g/100 mL的PPI-HMP懸浮液，作為水相；取橄欖油、花生油、24度棕櫚液油作為乳液的油相，兩者混合后經(jīng)13 500 r/min高速剪切2 min制備乳液。乳液制備結(jié)束加入30 U/g的TG酶在40 ℃下水浴加熱2 h后85 ℃加熱30 min，取出后迅速冷卻（用自來水流動沖洗），4 ℃放置過夜后充分形成凝膠，測定前自然恢復(fù)到室溫。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)測試

在對乳液凝膠樣品進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析時(shí)，設(shè)置參數(shù)為：使用P36探頭，測前速率3 mm/s，測中速率1 mm/s，測后速率1 mm/s，壓縮率30%，2 次壓縮時(shí)間5 s，觸發(fā)力1 g。每個(gè)樣品測定5 次并取平均值。

1.3.5 流變特性分析

1.3.5.1 靜態(tài)流變測試

參考韓鵬等的方法并稍作修改。取制備好的花生分離蛋白-果膠乳液凝膠樣品置于流變儀夾具上。平板夾具直徑40 mm，固定間隙0.5 mm，頻率1 Hz，應(yīng)變1%。測試溫度25 ℃，并恒溫3 min，在剪切速率0.1～200 s范圍內(nèi)做黏度-剪切速率曲線。用冪律方程對乳液凝膠樣品的流變曲線擬合，如下式所示：

式中：為剪切應(yīng)力/Pa；為黏度系數(shù)/（Pa·s）；為剪切速率/s；為流動指數(shù)。

1.3.5.2 時(shí)間掃描測試

平板夾具直徑40 mm，間隙1 mm，固定頻率1 Hz，應(yīng)變范圍1%。將PPI-HMP乳液加入TG酶（30 U/g PPI）迅速混勻，取2 mL樣品加到平板上，并在夾具邊緣滴加一圈硅油。設(shè)置初始溫度為45 ℃，保持2 h后以5 ℃/min升溫到85 ℃，保溫10 min，后以5 ℃/min降溫至25 ℃，測定樣品儲能模量（’）和損耗模量（”）。

1.3.5.3 頻率掃描測試

設(shè)置初始溫度25 ℃，固定掃描應(yīng)變值（線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)，1%），振蕩頻率設(shè)定為0.1～10 Hz，平衡3 min，保留時(shí)間60 s，測定樣品’、”隨角頻率的變化。

1.3.6 微觀結(jié)構(gòu)分析

使用激光共聚焦顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM）觀察乳液凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。研究利用FITC和尼羅紅（溶于丙酮）分別對乳液凝膠的水相和油相染色，取1 mg乳液凝膠分別加入10 μL 0.01 g/100 mL FITC和0.10 g/100 mL尼羅紅制片觀察。采用氬離子激發(fā)光，波長分別為514 nm和488 nm，發(fā)射光波長分別為660 nm和519 nm。用Ar離子（488 nm）和He/Ne離子（633 nm）激發(fā)熒光，乳液凝膠中的油相呈現(xiàn)紅色，而水相中的蛋白質(zhì)在CLSM圖像中顯示綠色。使用雙激光模式掃描樣品。通過微觀結(jié)構(gòu)分析確定液滴在乳液凝膠中的分布。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠表觀特征

考察PPI-HMP比例、pH值和油相對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠表觀特征的影響，結(jié)果如圖1所示。pH 4.0時(shí)，PPI-HMP比例在10∶1和5∶1時(shí)不能形成凝膠，而是一種乳白色的黏稠液體；在40∶1和20∶1時(shí)形成弱凝膠，顏色偏透明，觸感柔軟；而在5∶2時(shí)形成的乳液凝膠色澤均一，質(zhì)地較硬（圖1a）。因此為了保證形成的乳液凝膠有最佳質(zhì)地，選定PPI-HMP比例5∶2，并考察pH 2.0～8.0的乳液凝膠形成情況。由圖1b可知，在pH 6.0時(shí)形成的乳液凝膠質(zhì)地最佳，而在pH 7.0和pH 8.0時(shí)油滴聚集析出不能形成穩(wěn)定的乳液，難以形成乳液凝膠。這是因?yàn)樵谥行约皦A性條件下，PPI和HMP帶相反電荷，顆?；コ怆y以穩(wěn)定油滴。因此，選用蛋白-果膠比例5∶2，pH 6.0條件下制備乳液凝膠。

同時(shí)考察油相類型及添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠表觀特征的影響，結(jié)果如圖2所示。以橄欖油和花生油為油相，添加量80%（/）時(shí)不能形成乳液凝膠；以24度棕櫚油為油相，添加量大于70%（/）時(shí)即不能形成乳液凝膠。隨著油相添加量增加，乳液凝膠表面越細(xì)膩光滑，質(zhì)地越硬。這表明作為活性填充的液滴通過機(jī)械方式與蛋白-果膠組成的凝膠基質(zhì)相互作用，從而能夠影響乳液凝膠的質(zhì)地和凝膠強(qiáng)度。根據(jù)Dickinson的理論，乳液凝膠的硬度高于同種蛋白凝膠，這是油滴對半固體的強(qiáng)增強(qiáng)作用的標(biāo)志。

圖1 PPI-HMP比（a）和pH值（b）對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠表觀特征的影響Fig. 1 Effects of PPI-to-HMP ratio (a) and pH (b) on the apparent characteristics of PPI-HMP composite emulsion gels

圖2 油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠外觀的影響Fig. 2 Effects of oil phase type and concentration on the appearance of PPI-HMP composite emulsion gels

2.2 油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠質(zhì)構(gòu)的影響

表1 油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠質(zhì)構(gòu)的影響Table 1 Effects of oil phase type and concentration on the texture properties of PPI-HMP composite emulsion gels

如表1所示，不同油相種類的乳液凝膠均隨著油相添加量增加，硬度、黏附性、膠著性、回復(fù)性和咀嚼性也隨之增加，水凝膠因無法形成凝膠狀外觀，故未在表中體現(xiàn)。油相作為活性填充材料，以機(jī)械方式與蛋白-果膠組成的凝膠基質(zhì)相互作用，影響乳液凝膠的凝膠強(qiáng)度，從而使乳液凝膠的硬度得到顯著增加（＜0.05）。油相添加量的增加會增強(qiáng)乳液凝膠的凝膠網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，機(jī)械性能得到較大幅度提升。而油相添加量的變化未對乳液凝膠的彈性和內(nèi)聚性產(chǎn)生顯著影響（＜0.05）。研究表明乳液凝膠的彈性與果膠濃度有關(guān)。在各個(gè)乳液凝膠樣品中，以油相添加量60%的24度棕櫚油制備的乳液凝膠硬度最高。表明乳液凝膠的硬度同時(shí)與油脂本身的硬度有關(guān)。

2.3 油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠流變學(xué)特性的影響

2.3.1 表觀黏度

如圖3所示，當(dāng)油相添加量從體積分?jǐn)?shù)40%增加至70%時(shí)，體系的初始黏度逐漸增大，且添加花生油、橄欖油和24度棕櫚油樣品均表現(xiàn)出假塑性流體行為。由表2可知，隨著油相添加量的增加，復(fù)配體系的黏度系數(shù)逐漸增加。各油相在最高添加量下制備的乳液凝膠樣品分別對應(yīng)最大的黏度系數(shù)（代表體系的表觀黏度）與最小的流體指數(shù)。這表明在高油相制備的乳液凝膠中，油滴不僅作為“活性填充物”同時(shí)作為結(jié)構(gòu)單元參與凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，使凝膠網(wǎng)絡(luò)機(jī)械性能增強(qiáng)，表觀黏度增加。

圖3 PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠表觀黏度隨剪切速率的變化Fig. 3 Apparent viscosity of PPI-HMP composite emulsion gels as a function of shear rate

表2 PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠的冪律方程Table 2 Power law equations for PPI-HMP composite emulsion gels

2.3.2 儲能模量和損耗模量

如圖4所示，加入TG酶后45 ℃保溫1 h的過程中，所有樣品’值均隨時(shí)間延長而緩慢增加，且所有樣品（除PPI-HMP水凝膠外）’值均高于”值。水凝膠’最先低于”，隨時(shí)間延長’最終高于”，并在76 min存在凝膠轉(zhuǎn)換點(diǎn)。PPI在TG酶的作用下緩慢交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且加入油相后，乳液變得較為黏稠，流動性較差，’值較高，從而在測試之初就表現(xiàn)了一定的剛性。在溫度從45 ℃升至85 ℃過程中，水凝膠和乳液凝膠的’和”均隨時(shí)間延長而下降?？赡苁撬z和乳液凝膠均有較高黏度，而高黏度流體隨溫度升高黏度下降，進(jìn)而引起’和”下降。溫度升高至85 ℃并保溫30 min時(shí)，水凝膠和乳液凝膠的’和”均有增加，尤其是水凝膠。這是因?yàn)镻PI高溫變性，并且在氫鍵及疏水相互作用的影響下進(jìn)一步形成凝膠結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度從85 ℃降到25 ℃時(shí)，’和”均有上升趨勢，并且保持在較高值。主要?dú)w因于熵效應(yīng)和在降低溫度時(shí)PPI氫鍵和分子間作用力的增強(qiáng)。由圖4B～D可知，隨著油相添加量增加PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠’值增加。這表明油相添加量增加可以使乳液凝膠的結(jié)構(gòu)剛性更強(qiáng)。且在油相添加量60%時(shí)，不同油相下乳液凝膠的’值分別為：24度棕櫚油＞橄欖油＞花生油。同一條件下，與花生油和橄欖油相比，24度棕櫚油制備的乳液凝膠剛性最強(qiáng)，凝膠強(qiáng)度最大。這與2.2節(jié)質(zhì)構(gòu)測試結(jié)果一致。

圖4 PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠G’和G”隨時(shí)間的變化Fig. 4 Storage modulus (G’) and loss modulus (G”) of PPI-HMP composite emulsions as a function of storage time

2.3.3 黏彈特性

如圖5所示，各乳液凝膠樣品的’均大于”，并且隨著頻率的增加而增加。PPI-HMP水凝膠在頻率0.40 Hz后”開始大于’，由于在強(qiáng)凝膠中，模量與頻率無關(guān)且不相交，而在弱凝膠中會出現(xiàn)頻率依賴性。含不同油相的乳液凝膠的’和”均大于水凝膠，且橄欖油為油相的乳液凝膠大于以花生油為油相的乳液凝膠。說明乳液凝膠的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大于水凝膠，以橄欖油為油相的乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大于以花生油為油相的乳液凝膠。這可能與液滴表面吸附層和凝膠基質(zhì)之間的化學(xué)親和以及填料顆粒的機(jī)械性質(zhì)有關(guān)。隨著油相添加量增加，各乳液凝膠的’和”隨之增加，這表明油相添加量的增加可以使乳液凝膠的機(jī)械性能增強(qiáng)。Kim等觀察了由大豆分離蛋白和大豆油形成的熱固乳液填充凝膠的小變形振蕩剪切特性，并研究了不同體積分?jǐn)?shù)的影響，得出油含量越高，’值越高的結(jié)論，說明分散的油滴作為活性填料可與凝膠基質(zhì)相互作用。

圖5 PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠G’和G”隨頻率的變化Fig. 5 Storage modulus (G’) and loss modulus (G”) of PPI-HMP composite emulsion gels as a function of angular frequency

2.4 油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

如圖6所示，本研究中的乳液凝膠由液滴包裹在凝膠基質(zhì)中形成。圖6A顯示PPI-HMP懸浮液已經(jīng)出現(xiàn)了類似的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。TG酶加入催化蛋白質(zhì)間（或內(nèi)）發(fā)生?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，使蛋白發(fā)生共價(jià)交聯(lián)。低油相下乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成主要通過未吸附到油滴表面的蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)作用而形成。隨著油相添加量增加，液滴逐漸由密集的類球狀液滴轉(zhuǎn)變成了不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。這表明隨著油相添加量增加，大部分的液滴開始相互聚集，大小和分布變得不均勻。這是因?yàn)殡S著油相比例的增加，油滴之間的疏水作用導(dǎo)致油滴合并，使蛋白吸附量逐漸下降，且高油相乳液體系的黏度過高，不利于蛋白與酶作用。因此高油相下乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成是油滴表面包裹的PPI-HMP復(fù)合界面膜之間發(fā)生酶的共價(jià)交聯(lián)作用和高黏度作用共同影響的結(jié)果。對于活性填充的液滴而言，液滴的尺寸和表面性質(zhì)決定了液滴的變形能力，從而決定了液滴對凝膠基質(zhì)的影響。在油相添加量60%時(shí)，24度棕櫚油制備的乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密，且油滴聚集程度相對較弱。表明此時(shí)以24度棕櫚油為油相的乳液凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)剛性更強(qiáng)。不同的油相組成可通過影響油滴大小與分布，使乳液凝膠的’和硬度改變，最終影響乳液凝膠的結(jié)構(gòu)。這和質(zhì)構(gòu)測試和流變測試的研究結(jié)果相符。

圖6 油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig. 6 Effects of oil phase type and concentration on the microstructure of PPI-HMP composite emulsion gels

3 結(jié) 論

通過研究不同油相及其添加量對PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠表觀特性、質(zhì)構(gòu)、流變性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示，在蛋白-果膠比例5∶2、pH 6.0時(shí)形成的乳液凝膠色澤均一，質(zhì)地較硬；在中性及偏堿性條件下不能制成穩(wěn)定乳液凝膠。隨著油相添加量增加，乳液凝膠表面更細(xì)膩光滑，其硬度、黏附性、膠著性、回復(fù)性和咀嚼性均增加；24度棕櫚油添加量在60%（/）時(shí)，乳液凝膠具有最高的硬度、膠著性、回復(fù)性和咀嚼性值。流變學(xué)結(jié)果表明，不同油相乳液凝膠的’和”均顯著高于水凝膠，且乳液凝膠的’值和表觀黏度值隨著油相添加量增加而升高；相同油相添加量下，乳液凝膠對應(yīng)的表觀黏度和’值分別為：24度棕櫚油＞橄欖油＞花生油。PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，隨著油相添加量增加，液滴開始聚集且不均勻分布；在油相添加量60%（/）時(shí)，24度棕櫚油填充的乳液凝膠穩(wěn)定油滴能力最好，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最致密。研究結(jié)果表明油滴作為活性填充物與花生蛋白-果膠組成的凝膠基質(zhì)相互作用，油相添加量的增加有助于凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，使凝膠網(wǎng)絡(luò)機(jī)械性能增強(qiáng)，表觀黏度增加，凝膠結(jié)構(gòu)剛性更強(qiáng)。本研究結(jié)果為PPI-HMP復(fù)合乳液凝膠在乳制品和烘焙食品等領(lǐng)域的開發(fā)利用提供了思路。