乳清分離蛋白-阿拉伯膠復合體系制備的共軛亞油酸粉末油脂的理化特性及穩定性

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(1.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北武漢 430068; 2.福格森(武漢)生物科技股份有限公司,湖北武漢 430056; 3.華中科技大學同濟醫學院公共衛生學院,湖北武漢 430030)

粉末油脂是將乳液油脂變為干燥粉末,不僅是形式的簡單變更,更重要的是通過將油脂粉末化,延緩食品中油脂的氧化,增強貯存穩定性,減少食品品質劣變[1]。粉末油脂作為食品配料,可提高其貯存和流通等環節的便利性,擴大其在食品中的應用范圍,如嬰幼兒配方奶粉、方便食品、固體飲料等領域[2]。

粉末油脂制備通常采用噴霧干燥、粉碎或涂層等多種方法。目前最常用的是噴霧干燥法,主要包括四個階段:乳液配制、分散均質、乳液霧化、霧化顆粒脫水[3]。噴霧干燥的干燥速度很快,且物料溫度不會超過氣流溫度,適用于熱敏材料的微囊化。與其它工藝相比,該法操作簡單,只需一道工序就可獲得良好的粉末或顆粒[4]。影響噴霧干燥的兩個主要因素是壁材選擇和工藝參數。選擇合適的壁材對噴霧干燥微膠囊化粉末油脂是十分必要的,其特性對乳液穩定和產品質量有重要影響。壁材主要分為碳水化合物和蛋白質兩大類[5]。Tonon等[6]采用阿拉伯膠制備乳液,并研究進氣溫度對噴霧干燥微囊化亞麻籽油的影響。結果表明,油含量較高和固形物含量較低時易形成較大顆粒,乳液粘度較小,包埋率較低,脂質氧化速率較高。Carneiro等[7]將麥芽糖糊精(MD)與阿拉伯膠(GA)、乳清濃縮蛋白(WPC)、改性淀粉(Hi-Cap 100TM和Capsul TA)復配對亞麻籽油包埋,發現MD與Hi-Cap復配下亞麻籽油包埋率最高,MD與WPC復配下亞麻籽油氧化穩定性最好。此外,研究表明在粉末油脂的制備工藝中,噴霧干燥表現出比冷凍干燥更高的包封率[8]。

共軛亞油酸(CLA)作為一種新型功能性油脂,具有減肥、抗癌、抗動脈粥樣硬化等諸多生理功效,在食品行業中的應用已成為近年來國內外研究熱點。但由于CLA不溶于水,且其分子中雙鍵含有流動性較大的π電子,易受氧化攻擊而發生斷裂,生成環氧化物、醛和酮等氧化產物,限制了其在食品工業中的應用范圍[9]。目前針對CLA的穩態化技術主要包括乳液[10]和粉末油脂[11]。油脂粉末化可在CLA表面形成一層薄膜，從而使其隔絕光、水和氧氣,可有效延長貨架期。Jimenez等[12]以濃縮乳清蛋白來包埋CLA,使其貯存穩定性有所改善。石強等[13]以大豆分離蛋白、麥芽糊精、玉米糖漿為壁材,采用噴霧干燥法制備CLA粉末油脂,可較好地保持CLA的穩定性,延緩油脂氧化。前期研究表明,WPI與GA在混合比例1∶2、pH4.4時可形成可溶性分子內復合物,具有優異的乳化活性[14]。本研究選用WPI-GA分子內復合物為乳化劑制備穩定的CLA乳液,采用噴霧干燥法制備CLA粉末油脂,考察CLA粉末油脂的理化性質和穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

WPI(純度>95%) 美國戴維斯柯公司;GA(純度>94.5%) 日本San-Ei Gen食品公司;共軛亞油酸(CLA) 山東圣協科技有限公司;其余常規試劑 均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳液制備及穩定性測定

1.2.1.1 乳液制備 先稱取一定量的WPI-GA(WPI∶GA=0.5)粉末溶于去離子水,使其終濃度分別為0.5%、1%、2%、3%、5%,再將不同濃度的WPI-GA(WPI∶GA=0.5)溶液置于滾軸式混合器上,在室溫下搖勻12 h使其充分混合,調節pH至4.4,后加入質量濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%的(w/w)CLA。使用高速剪切機在26000 r/min下預乳化3 min,隨后利用高壓納米均質機均質,75 MPa下循環一次得到新鮮乳液,得到以CLA為油相的o/w型乳液。整個過程在冰浴下進行,以減少油脂氧化。

1.2.1.2 乳液粒徑測定 采用激光粒度儀測定乳液粒徑分布及平均粒徑,以800 mL純水為分散介質。測定前先將CLA濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%的乳液輕微振蕩搖勻,再逐滴加至分散介質中,直到信號滿足測試要求。參數設置:分散相和連續相的折光指數分別為1.52、1.33,遮光度為10%～20%,顆粒吸收率為0.001,泵轉速2000 r/min。每個樣品平行測量三次,取平均值。乳液的平均粒徑用D[3,2]表示。

D[3,2]=(Σnidi3/Σnidi2)

式(1)

式中:ni表示粒徑大小為di的顆粒數目;D[3,2]為樣品的表面積加權平均值。

1.2.1.3 乳液穩定性測定 將CLA濃度為10%、15%、20%、25%、30%、40%的乳液分別置于25、40 ℃下儲存7 d,并以25 ℃下不同CLA濃度的新鮮乳液為對照,儲存結束后測定其平均粒徑。乳液粒徑是乳液穩定性的直觀體現,粒徑越小,預示著乳液越穩定。

LDH是臨床上常見病、多發疾病,是導致腰腿疼痛的主要病因。同時,由于這一疾病病程長、易反復發作,嚴重影響到患者的生活質量。近年來,隨著射頻熱凝術以及臭氧消融術作為微創介入治療方法,憑借其創傷小、術后恢復快,對患者脊柱穩定性無影響等優點,被應用于LDH治療中。

1.2.2 CLA粉末油脂制備工藝優化

1.2.2.1 噴霧干燥條件 將CLA濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%的乳液進行噴霧干燥,得到粉末油脂。上述各濃度的樣品分別在噴霧干燥進風口溫度為100、110、120、130、140 ℃,進料速率12 mL/min,出口溫度90 ℃下各制備一組。

1.2.2.2 CLA粉末油脂包封率測定 包封率是衡量油脂被包埋程度的標準,據葛顏強等[15]給出的定義為:實際被包埋量與理論被包埋量的比值。其公式表示為:

包封率(%)=(1-表面含油率/總含油率)×100

式(2)

表面含油率的測定方法[16]:稱取質量為2～3 g粉末油脂(m1),加入50 mL 30～60 ℃石油醚中,在輕微攪拌下浸提2 min,后用砂芯漏斗抽濾,取25 mL石油醚清洗濾渣,再次抽濾,立即將濾液轉移至恒重錐形瓶(m2)中,蒸出石油醚后,烘干至恒重稱重(m3),表面含油率的計算公式如下:

表面含油率(%)=(m3-m2)/m1×100

式(3)

總含油率的測定方法[17]:稱取2 g粉末樣品(w1)于干燥的三角瓶中,加20 mL熱水,使樣品充分溶解后,加入20 mL無水乙醇、無水乙醚和石油醚(體積比為2∶1∶1)混合物充分萃取后,將萃取液移入已稱重的三角瓶中(w2),重復萃取兩次,合并萃取液,在水浴上蒸干脫去溶劑,再放入50 ℃烘箱中烘至恒重(w3),總含油率的計算公式如下:

總含油率(%)=(w3-w2)/w1×100

式(4)

1.2.2.3 CLA粉末油脂外觀觀察 稱取CLA濃度10%、15%、20%、25%、30%、40%的粉末油脂各2 g置于黑紙板上拍照。

1.2.3 CLA粉末油脂的理化性能及穩定性測定

1.2.3.1 CLA粉末油脂復溶特性及微觀形貌 稱取25 g粉末油脂樣品于250 mL燒杯中,加入200 mL蒸餾水,充分攪拌使之分散均勻,放置在25 ℃下靜置30 min后觀察乳液外觀并拍照。采用BT-1600圖像顆粒分布系統觀察復溶乳液的微觀形貌,放大倍數為400倍。

1.2.3.2 CLA粉末油脂機械性能測定 CLA粉末機械特性的測定方法參考Cai等[18]的實驗方法,在Haake旋轉流變儀上,采用壓迫模式進行測定,試驗條件為平行板轉子(型號:P35 TiL,直徑35 mm),Gap值初始間距設為1.0 mm,實驗溫度為25 ℃。將噴干后的粉末均勻地平鋪于平行板上,達到Gap值后,以0.005 mm/s速度下壓,手動設定結束法相應力50 N。多次重復實驗,保證數據重現性。

1.2.3.3 CLA粉末油脂氧化穩定性測定 采用液相氧電極測定復溶粉末油脂CLA濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%、40%乳液的耗氧速率,在25 ℃無光照條件下測定CLA乳液中氧氣消耗過程。取2 mL復溶后的乳液,在25 ℃下通空氣6 min至飽和狀態后加入反應槽內開始測量,根據計算機軟件自動計算出氧氣消耗速率。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 CLA乳液粒徑和穩定性

2.1.1 乳化劑濃度對CLA乳液粒徑的影響 采用濃度分別為0.5%、1%、2%、3%、5%的WPI-GA分子內復合物制備乳液,考察乳化劑濃度對質量濃度為40%的CLA乳液穩定性的影響。乳液粒徑是乳液穩定性的直觀體現,粒徑越小預示著乳液越穩定。乳液粒徑較大，易導致乳液間發生絮凝使乳液穩定性降低。如圖1所示,隨著乳化劑濃度增大,乳液粒徑呈現先減小后增大的趨勢,在乳化劑濃度為2%時,乳液粒徑最小,且分布均一。證明WPI-GA含量為2%時,界面乳化活性最強。當乳化劑濃度較低,界面吸附沒有達到飽和狀態，使乳滴表面覆蓋率不足,乳滴間可相互靠近并發生聚結,導致乳液穩定性下降。當乳化劑濃度適量時,乳化劑快速吸附到界面上，繼而展開重排而完全覆蓋油滴表面,緊密排列的界面層的黏彈性、厚度增加,所以乳液穩定性較好[19]。當乳化劑濃度高時,過量的未吸附在界面上的乳化劑增加了水相的粘度,使乳滴之間存在較大的排空力，導致乳液絮凝,從而導致其粒徑變大,穩定性降低[20]。經優化得出2%的乳化劑濃度下乳液粒徑最小,后面探究該乳化劑濃度下不同CLA濃度對乳液儲存穩定性的影響。

圖1 不同GA-WPI濃度下CLA乳液粒徑(A)和粒徑分布(B)Fig.1 Mean diameter D[3,2](A)and the particle size distribution of CLA emulsions with different concentrations of GA-WPI intramolecular complexes(B)

2.1.2 CLA濃度對乳液穩定性的影響 由圖2可知,2%的WPI-GA分子內復合物制備的乳液在25、40 ℃條下貯存7 d其粒徑變化較小,呈現出較好的穩定性,與對照相比未呈現出顯著性差異(p>0.05),可能是因為WPI與GA通過靜電相互作用形成了分子內復合物,GA多支鏈結構提供了有效的空間位阻,使吸附在油滴表面的WPI得到保護,防止其發生架橋絮凝,提高了乳液穩定性[21]。

圖2 不同濃度CLA新鮮乳液及不同儲存條件下的粒徑變化Fig.2 Change of mean diameter D[3,2]of the CLA-stabilized flash emulsions at different storage conditions

2.2 CLA粉末油脂制備工藝優化

2.2.1 進風口溫度對CLA粉末油脂包封率的影響 噴霧干燥的進風口溫度是影響粉末油脂包封率的重要因素之一,不同進風口溫度對CLA粉末油脂包封率會有不同影響。由圖3可知,隨著進風口溫度的增加,CLA粉末油脂的包封率呈現先增大后減小的趨勢,在進風口溫度為130 ℃時,其包封率最大且顯著高于其他溫度下的包封率(p<0.05)。可能是由于溫度過低,不利于乳化劑成膜,從而使其包封率下降。溫度過高,水分蒸發速度過快,易造成復合乳化劑解離,降低其乳化活性,從而造成壁材破裂,包封率下降[22-23]。因此130 ℃為最佳進風口溫度。

圖3 不同進風口溫度CLA粉末的包封率Fig.3 Encapsulation effiency of CLA powder by spray drying under different inlet air temperatures注:不同字母表示差異顯著(p<0.05),圖4、圖7同。

2.2.2 CLA濃度對CLA粉末油脂包封率的影響 由圖4可知,CLA濃度在10%～25%時,其包封率顯著高于CLA濃度為30%和40%的粉末油脂(p<0.05),且其包封率較大接近95%,同時粉末分散均勻。可能是由于WPI和GA在CLA-水界面產生協同性吸附。一方面,WPI為GA提供了更多的界面結合位點,促進GA在界面的吸附。另一方面,GA通過提供更多的靜電結合位點來增加WPI的界面吸附。WPI和GA的協同性吸附可在油滴表面形成厚而致密的界面吸附層,提供空間位阻和優越的乳化性能,防止乳液顆粒的絮凝和聚結[23]。研究表明,阿拉伯膠能結合游離脂肪酸,很大程度上歸因于阿拉伯膠中的AGP組分與游離脂肪酸的疏水相互作用[24-25]。當CLA濃度超過30%,包封率呈下降趨勢,且粉末出現結塊并輕微出油,導致包封率下降,粉末顏色變黃且有結塊,并伴有CLA析出,說明粉末穩定性變差。當CLA濃度為10%～25%時,CLA粉末油脂的包封率較大。因此10%～25%為CLA的最優濃度范圍。

圖4 不同CLA濃度粉末油脂包封率(A)及其外觀(B)Fig.4 Encapsulation effiency(A)and the images(B)of CLA powder by spary drying under different concentrations

2.3 不同CLA濃度下粉末油脂的理化穩定性

2.3.1 不同CLA濃度下粉末油脂的復溶特性及微觀形貌 不同CLA濃度下粉末油脂的復溶穩定性如圖5所示,乳液D[3,2]隨著CLA濃度增大而增大,可能是由于WPI-GA分子內復合物對CLA的包埋在CLA濃度為10%時達到飽和,當CLA濃度增大,使得其界面吸附量降低,乳滴發生聚集,導致乳液穩定性下降[26-27]。當CLA濃度為10%和15%時,復溶較好,乳液均一穩定。當CLA濃度增大至20%以上,CLA油相析出,乳液中出現水油分層。

圖5 不同CLA濃度粉末油脂復溶平均粒徑及顯微鏡圖(A),靜置30 min外觀(B)Fig.5 Mean diameter D[3,2]of dissolved CLA powder by spary drying with different concentrations and the micrographs(A);its images after 30 min(B)

2.3.2 不同CLA濃度下粉末油脂的機械性能 不同CLA濃度粉末油脂的機械特性曲線如圖6所示。由于40%CLA濃度粉末油脂油相析出嚴重,不適于此方法,故只測定濃度10%～30%。隨著轉子高度的降低,不同CLA濃度粉末油脂的法相應力(Fn)變化趨勢不同。10%的CLA粉末油脂隨著高度的降低,Fn升高迅速,在高度為0.56 mm時,Fn值達到最大(47.63 N)。隨著CLA濃度增加,Fn值變化緩慢,15%、20%和25%的變化幅度趨于一致,30%CLA濃度粉末油脂Fn隨高度變化最小。這可能是因為在CLA濃度較小時,包埋較完全,粉末顆粒穩定性較好,噴干后粉末機械性能較強。而在CLA濃度較高時,粉末顆粒機械性能較差。這可能是由于高濃度的CLA不能被乳化劑包裹完全,粉末易結塊,物理性質不穩定。有研究發現乳清分離蛋白與阿拉伯膠復合物在油水界面上形成的吸附層比乳清分離蛋白具有更高的彈性,并且在噴霧干燥后,微膠囊化效率較高,粉末的機械性能也很穩定[28]。

圖6 不同CLA濃度粉末油脂的機械強度Fig.6 Mechanical strength of spray dried CLA powder with different concentrations

2.3.3 不同CLA濃度下粉末油脂的氧化穩定性 油脂的氧化穩定性是油脂的重要性質之一,以不含CLA溶液的耗氧速率作為對照。測定不同濃度下CLA粉末油脂的氧化穩定性。由圖7(A)可以看出,對照組中不含CLA溶液的氧氣濃度隨著時間的延長并無明顯變化,氧耗可視為基本不變。隨著CLA濃度的增加,復溶乳液中的氧氣濃度在減小,說明乳液體系中不斷有氧氣消耗,可以推測乳液中的氧耗來自乳液油相CLA的氧化。耗氧曲線的斜率值可近似視為乳液中CLA的氧化速率。曲線的斜率值如圖7(B)。隨著CLA濃度的增大,乳液中CLA的氧化速率有增大趨勢。CLA濃度為15%、20%和25%時,耗氧速率近似。隨著CLA濃度的增大,整體的氧化速率在逐漸增大,40% CLA粉末油脂復溶后的耗氧速率最大，且顯著高于其他濃度下的(p<0.05),已超過0.01 μmoL/(mL·min)，表明該濃度下游離的CLA較多,促使氧化速率變大。有研究表明,乳化劑會在油滴表面形成較厚的界面膜,可以有效延緩油脂的氧化,但當油脂濃度過高不能被完全包埋時,過量的油脂會加速粉末油脂的氧化[29-30]。

圖7 不同CLA濃度粉末油脂復溶后在25 ℃無光照條件條件下的氧氣消耗過程以及消耗速率Fig.7 Kinetics of oxygen consumption and oxygen consumption rate of CLA powder by sapray drying of different concentrations at 25 ℃ without exposure to light

3 結論

本研究發現在WPI-GA復合乳化劑濃度為2%時的復合乳液的粒徑最小,穩定性最好。這可能是由于靜電相互作用使WPI和GA在CLA水界面上產生協同性吸附,提高了其界面荷載能力。采用噴霧干燥制備CLA粉末油脂,并對其理化性能和穩定性進行了評價。結果表明,當進風口溫度為130 ℃,進料速率12 mL/min,CLA濃度為15%～25%時，包封率較大,粉末油脂分散均勻,復溶性好,且呈現出較好的機械性能和氧化穩定性。推測是由于適量濃度的乳化劑可快速吸附至界面并展開重排,可將油滴完全覆蓋,厚而致密的界面層是乳液穩定性的有力保證。本研究可為開發以粉末油脂為代表的新型食品配料及應用提供理論支持。