凝膠乳的制備及其理化特性的研究

郭戰(zhàn)陽，鄭召君，劉元法

(江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫214122)

脂肪含量對牛肉的品質(zhì)有重要的影響，脂肪含量高的牛肉具有良好的適口性、風味和多汁性，脂肪含量低的牛肉硬度大、適口性差，具有較低的食用價值和經(jīng)濟價值[1]。雖然關于飽和脂肪酸對人體健康的影響存在爭議，但是減少飽和脂肪酸的攝入逐漸成為人們的共識[2]。因此，開發(fā)脂質(zhì)替代品以部分或者全部替代肉制品中的脂肪是當前食品行業(yè)關注的焦點。研究者在特定的食品體系中加入脂肪替代物，在保證食物口感的基礎上降低脂肪含量，但這些替代物無法從形態(tài)上模擬脂肪，特別是連續(xù)肉制品和含脂肪粒外觀的肉制品中，不具有脂肪組織的固態(tài)特征[3-4]。

通過加熱蛋白變性、酶作用、添加凝膠或化學方法使乳液的連續(xù)相凝膠化或聚集乳液液滴形成的凝膠乳具有固態(tài)特征，可以替代固體脂肪加入肉制品中[5]。其中通過添加凝膠的方式制備凝膠乳的工藝較簡單，外觀上接近脂肪組織，比較適合用來替代脂肪組織加入肉制品中。但是目前國外對此方面的研究主要集中在利用凝膠替代動物脂肪對肉制品性質(zhì)的影響和在凝膠乳中添加生物活性物質(zhì)制備健康的脂肪替代品上[6]，關于凝膠類型對凝膠乳性質(zhì)影響的研究較為匱乏，特別是在冷凍肉制品中使用時，冷凍條件對凝膠乳性質(zhì)的影響未見報道。

瓊脂、結(jié)冷膠和明膠都是食品行業(yè)中常用的膠體，能在較低的濃度下形成凝膠，三者形成的凝膠性質(zhì)具有較大差異。瓊脂是由d-半乳糖和l-半乳糖組成的膠凝聚合物的混合物，是從海洋藻類中提取的多糖體膠體[7]。瓊脂形成的凝膠結(jié)構(gòu)較硬、脆、透明性差，凝膠強度在pH 4～10之間時變化不大[8]。結(jié)冷膠是一種微生物胞外多糖，在低用量下就能形成具有高透明性、高熱穩(wěn)定性的凝膠，其形成的凝膠受金屬陽離子影響，不同價態(tài)金屬陽離子誘導形成的凝膠機制和性質(zhì)不同，0.5%的膠體在約150 mmol/L Na+中能產(chǎn)生最大模量的凝膠，相當于約0.5 mmol/L Ca2+的作用[9- 11]。明膠主要來源于動物的皮、骨骼或結(jié)締組織中的膠原蛋白經(jīng)過部分水解得到高分子聚合物，屬于蛋白類膠體[12]，易于人體消化吸收。明膠形成凝膠的過程為分子由無規(guī)則卷曲狀態(tài)恢復成有序的三螺旋結(jié)構(gòu)的過程，形成的凝膠中氫鍵起主導作用[13-14]。明膠凝膠具有熔點低、可逆性等優(yōu)點，不同明膠的性質(zhì)因原料來源、制備方法不同有所差異。

研究表明，食物中的水在冷凍過程中會結(jié)冰形成大小不一的冰晶，形成的冰晶會破壞細胞膜、細胞組織和膠體網(wǎng)絡等組織結(jié)構(gòu)，造成食品品質(zhì)下降，并且形成的冰晶越大對食品的破壞越大[15-16]。冰晶的大小受到降溫速率、水分含量、組織結(jié)構(gòu)、導熱介質(zhì)、反復凍融等因素影響。此外對于凝膠乳體系，凝固點較高的油脂，如用牛油、豬油、棕櫚油、椰子油等作為分散相時在降溫過程中油脂會結(jié)晶刺破乳滴的界面層，冷凍時油脂晶體和冰晶共同作用會加重對乳液結(jié)構(gòu)的破壞，凍-融穩(wěn)定性變差[17-18]。

綜上所述，膠體的類型影響凝膠乳的形成和結(jié)構(gòu)，而冷凍會對凝膠乳的結(jié)構(gòu)造成破壞，影響凝膠乳的凍-融穩(wěn)定性。考察膠體類型和冷凍對凝膠乳品質(zhì)的影響對利用凝膠乳替代脂肪在食品中使用具有指導意義。因此，本實驗采用高熔點的牛脂肪制備乳液，和不同的膠體結(jié)合制備凝膠乳，研究膠體的種類和含量對制備的凝膠乳的理化性質(zhì)的影響以及凝膠乳的凍-融穩(wěn)定性，為凝膠乳作為脂肪替代物應用于肉制品提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

乳清分離蛋白(9410 美國Hilmar)、精煉牛油(張家港統(tǒng)清食品有限公司)、牛骨明膠(凍力220 河北潤贏生物科技有限公司)、食鹽(江蘇省瑞豐鹽業(yè)有限公司)、瓊脂粉(石獅市高新瓊脂食品有限公司)、結(jié)冷膠粉(內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司)、去離子水、硅油。

RW20低速剪切機、T25高速剪切機，德國IKA；AH-2010高壓均質(zhì)機，加拿大ATS；DHR-3流變儀,美國TA；TA·XT2i物性分析儀,英國SMS；UltraScan Pro1166高精度分光測色儀，美國Hunterlab；SORVALL LYNX4000離心機，美國Thermo；4℃恒溫箱，德國BINDER；BCD-526WD11HY-20℃冷凍冰箱；水浴鍋;分析天平。

1.2 實驗方法

1.2.1 凝膠乳的制備

凝膠乳的制備過程如圖1所示，不同類型凝膠乳中各種物質(zhì)的含量見表1。具體制備時略有修改。

圖1 凝膠乳的制備過程

(1)乳液的制備(以制備100 g凝膠乳為例)

把食鹽溶入水中制備成濃度為150 mmol/L Na+的鹽水，用鹽水制備膠體溶液和乳液(金屬鹽離子影響結(jié)冷膠的凝膠形成，實驗中保持一致)。3 g乳清分離蛋白和27 g 150 mmol/L Na+濃度的鹽水室溫下攪拌2 h使蛋白充分吸水膨脹，加熱至70℃恒溫30 min后和70℃熔化的精煉牛油攪拌混合(明膠長時間在70℃以上加熱會分解，明膠型凝膠乳在70℃恒溫30 min后降溫至55℃進行以下步驟)，10 000 r/min高速剪切2 min(每剪切30 s間隔30 s，剪切4次)。高壓均質(zhì)機中10 MPa下均質(zhì)2次，制得乳液。

(2)膠體溶液的制備和混合制備凝膠乳液

瓊脂溶液的制備：按照表1中的比例稱取瓊脂粉加入150 mmol/L Na+濃度的鹽水至40 g，室溫攪拌2 h膠體充分吸水溶脹，加熱至沸騰狀態(tài)并保持10 min，然后降溫到70℃和乳液按比例混合。

結(jié)冷膠溶液的制備：按照表1中的比例稱取結(jié)冷膠粉加入150 mmol/L Na+濃度的鹽水至40 g，室溫攪拌2 h膠體充分吸水溶脹，加熱至85℃使結(jié)冷膠完全溶解，保持10 min后降溫至70℃和乳液按比例混合。

明膠溶液的制備：按照表1中的比例稱取明膠顆粒加入150 mmol/L Na+濃度的鹽水至40 g，室溫攪拌2 h膠體充分吸水溶脹，加熱至70℃使明膠完全溶解，保持30 min后降溫到55℃和乳液按比例混合。

表1 凝膠乳中各種物質(zhì)的含量 g/100 g

1.2.2 流變性質(zhì)

表觀黏度：利用DHR-3流變儀測定凝膠乳乳液的表觀黏度隨剪切速率的變化。測試條件： 40 mm平板，間距1 000 μm，剪切速率0.1～100 s-1，溫度70℃(明膠型凝膠乳為55℃)。

降溫振蕩掃描：新制備的凝膠乳乳液在流變儀上測定其降溫過程中的彈性模量變化。測試條件：40 mm平板，間距1 000 μm，應力1%(在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi))，70℃(明膠型凝膠乳為55℃)下保溫60 s后，以2℃/min的速度降溫至4℃。

升溫振蕩掃描：將4℃儲藏24 h以上的樣品用流變儀測定彈性模量隨溫度的變化。測試條件：40 mm平板，間距1 000 μm，應力1%(在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi))，4℃下保溫60 s后，以5℃/min的速度升溫至90℃(明膠型凝膠乳60℃)。

流變性質(zhì)測試過程中表面涂一層硅油防止水分蒸發(fā)。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)特性

樣品處理：采用亞克力模板澆注成直徑為22 mm，高度為18 mm的圓柱體。將模板在4℃恒溫箱內(nèi)儲藏24 h以上，制備好的凝膠乳乳液注入模板，蓋上蓋子后迅速放入4℃的恒溫箱中24 h，使得凝膠充分交聯(lián)。樣品測試前在室溫下(20℃)穩(wěn)定2 h，然后進行物性分析測試，結(jié)果以硬度和彈性表示。

使用英國SMS公司生產(chǎn)的單臂機型物性分析儀測定凝膠乳的硬度和彈性。測試條件為P35探頭，TPA模式，測試前速度1.00 mm/s，測試速度1.00 mm/s，測試后速度1.00 mm/s，測試形變30%，觸發(fā)力5.0 g。以第一次下壓的最大壓力值為硬度，兩次下壓的壓力值比為彈性。實驗重復3次。

1.2.4 顏色

把4℃恒溫箱中儲藏24 h的凝膠乳放在室溫下(20℃)均衡2 h后用高精度分光測色儀進行測試，顏色的測試結(jié)果用L、a、b值表示，實驗重復3次。

1.2.5 凍-融性質(zhì)變化

把4℃恒溫箱中儲藏24 h以上的凝膠乳放在-20℃冰箱中進行冷凍，24 h后取出在4℃恒溫箱中解凍24 h以上，測試前在室溫(20℃)條件下均衡2 h。

質(zhì)構(gòu)和顏色的測試方法和測試條件同1.2.3和1.2.4，實驗重復3次。

1.2.6 持水力

參照文獻[19]的測定方法。準確稱取5 g(M1)解凍后的樣品置于50 mL的離心管中，4℃條件下10 000 r/min離心15 min，用濾紙小心把水分吸出，然后倒置15 min后用分析天平稱重，失水后凝膠乳的質(zhì)量M2為失水后樣品和離心管的總質(zhì)量減去離心管質(zhì)量。實驗重復3次。持水力按下式計算。

持水力=M2/M1

1.2.7 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 19軟件，繪圖采用Orgin8.5軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變性質(zhì)

2.1.1 黏度(見圖2)

凝膠乳乳液的黏度受膠體之間的相互作用和膠體與乳滴之間的相互作用共同影響。由圖2可以看出：瓊脂型凝膠乳的黏度較高，制備的凝膠乳乳液的黏度隨膠體含量增加而升高，剪切速率增大凝膠乳乳液的黏度降低，即剪切變稀屬于假塑性流體；結(jié)冷膠制備的凝膠乳乳液黏度較低，也屬于假塑性流體，膠體含量增加會增加乳液的黏度；明膠型凝膠乳乳液的黏度隨膠體含量增加而升高，也屬于假塑性流體。

圖2 凝膠乳乳液的黏度

2.1.2 降溫掃描(見圖3)

不同膠體制備的凝膠乳降溫過程中性質(zhì)有很大的差異。由圖3可以看出：瓊脂型凝膠乳彈性模量隨著溫度降低而升高，溫度在45～25℃時彈性模量上升過程較快，凝膠乳由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，形成固態(tài)凝膠乳。膠體含量對凝膠乳由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的溫度范圍沒有影響，但整個過程中的彈性模量隨膠體含量升高而增加；結(jié)冷膠型凝膠乳的彈性模量隨溫度降低而升高，但過程與瓊脂型凝膠乳有明顯的不同，55～45℃時彈性模量急劇升高，這說明結(jié)冷膠型凝膠乳凝固溫度比瓊脂的高，并且凝固速率較大，在溫度低于凝膠乳的凝固點時能快速形成固態(tài)凝膠乳[11]；明膠型凝膠乳的彈性模量增加比較緩慢，在溫度低于20℃時開始有較大的變化，說明明膠型凝膠乳的凝固溫度較低，形成固態(tài)凝膠乳的過程比較緩慢。

圖3 凝膠乳的降溫掃描

2.1.3 升溫掃描(見圖4)

圖4 凝膠乳的升溫掃描

受凝膠乳中脂滴和膠體的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)影響，凝膠乳在加熱過程中狀態(tài)也會發(fā)生變化，牛脂肪的熔點在44.5～49℃之間，加熱過程中牛脂肪隨溫度升高逐漸變軟，直至變成液態(tài)[20]。由圖4可以看出：瓊脂型凝膠乳在4～90℃的加熱過程中彈性模量先下降后逐漸保持穩(wěn)定，但彈性模量值較大，表明瓊脂型凝膠乳在加熱過程中結(jié)構(gòu)逐漸變軟，凝膠乳在被加熱到90℃時結(jié)構(gòu)依然保持固態(tài)，相比4℃時狀態(tài)較軟；結(jié)冷膠型凝膠乳變化特性與瓊脂型凝膠乳相似，加熱到90℃的過程中凝膠乳結(jié)構(gòu)變軟，依舊保持固態(tài)；明膠型凝膠乳的彈性模量值在4～25℃基本保持不變，25～35℃時彈性模量急劇下降，溫度大于35℃時具有較低的彈性模量，由彈性模量和黏性模量的比值(圖中未顯示)可知，在25～35℃的加熱過程中凝膠乳的狀態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。利用明膠型凝膠乳作為脂肪替代品應用在肉制品中時，加熱過程中凝膠乳熔化成液態(tài)能形成多汁的口感，增加產(chǎn)品的適口性和多汁性。

2.2 質(zhì)構(gòu)特性(見圖5、圖6)

圖5 凝膠乳的硬度

食品的質(zhì)構(gòu)是影響食品口感的重要因素，凝膠乳的質(zhì)構(gòu)由硬度和彈性表示。由圖5、圖6可以看出：瓊脂型凝膠乳具有較高的硬度，且隨膠體含量增加而升高，瓊脂型凝膠乳彈性較差，且膠體含量對彈性沒有影響；結(jié)冷膠型凝膠乳硬度較低，彈性較小，膠體含量增加時凝膠乳的硬度增加，彈性沒有明顯變化；明膠型凝膠乳的硬度較小，但具有較好的彈性，膠體含量增加時硬度增加，彈性略微下降。

冷凍過程中水結(jié)晶形成冰，降低了水和膠體、蛋白之間的相互作用，并且能破壞膠體形成的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并和油脂結(jié)晶共同作用破壞界面層，這對凝膠乳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了極大的破壞[21]。

由圖5、圖6可以看出，凍-融前后凝膠乳的硬度和彈性都有較大的差異。瓊脂型凝膠乳凍-融后硬度降低，彈性變差，這是因為瓊脂型凝膠乳冷凍后形成海綿狀，凝膠乳結(jié)構(gòu)被破壞；結(jié)冷膠型凝膠乳凍-融后硬度增大，彈性降低，這是因為牛油在降溫過程中結(jié)晶形成固態(tài)，這些晶體和冰晶的共同作用會破壞乳滴的界面層，并且水結(jié)冰過程體積增大破壞膠體之間的作用力，還會擠壓乳滴造成乳滴聚集，使得膠體空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的作用減弱，乳滴聚集形成的結(jié)構(gòu)增強，造成凝膠乳的硬度增加，彈性降低。明膠型凝膠乳經(jīng)凍-融后硬度增加，彈性降低，其原因與結(jié)冷膠型凝膠乳相同。但明膠型凝膠乳的膠體含量對凍-融前后硬度和彈性的差值有很大的影響，膠體含量越大差值越小，這說明明膠含量增加有利于保持凝膠乳結(jié)構(gòu)的凍-融穩(wěn)定性。

圖6 凝膠乳的彈性

2.3 顏色(見表2)

顏色影響食品的感官性質(zhì)，擁有好的色澤能增加人們對食品的喜愛，健康的動物脂肪具有亮麗的雪白色或淡黃色[22]。由表2可以看出，L值可以看出3種膠體制備的凝膠乳都具有亮麗的白色，能夠在外觀上較好地模擬動物脂肪，也符合國標中對肉制品中脂肪顏色的分級。瓊脂形成的凝膠呈不透明的淺白色，其制備的凝膠乳的L值隨膠體含量增加而降低，a、b值變化不大。膠體含量對結(jié)冷膠型凝膠乳的L值沒有明顯影響。明膠呈淡黃色，用明膠制備的凝膠乳隨膠體含量增加L值降低，b值增加。

凝膠乳的顏色受膠體的性質(zhì)、乳液的粒徑、濃度、折射率的影響[23]。冷凍過程中凝膠乳中的油脂結(jié)晶和水結(jié)冰會破壞界面層和膠體的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，造成乳滴的聚集，改變凝膠乳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使外觀顏色發(fā)生改變。

表2 凝膠乳凍-融前后的顏色值

由表2可以看出，經(jīng)凍-融后凝膠乳顏色L值降低、b值增加，外觀表現(xiàn)為顏色變暗、黃色加深。并且瓊脂和結(jié)冷膠含量增加對其制備的凝膠乳凍-融前后顏色差值沒有明顯影響，明膠型凝膠乳隨明膠含量增加凍-融前后顏色差值降低，這說明瓊脂和結(jié)冷膠含量對凝膠乳凍-融前后顏色的穩(wěn)定性沒有明顯影響，明膠含量增加有利于保持凝膠乳的顏色穩(wěn)定。

2.4 持水力(見圖7)

凝膠乳的持水力受膠體形成的空間網(wǎng)絡對水的截留和蛋白、膠體與水分子的結(jié)合作用共同影響，對未冷凍的凝膠乳在同樣條件下離心并沒有水分流出(結(jié)果未顯示)。冷凍過程中凝膠乳中膠體空間網(wǎng)絡截留的水會結(jié)晶破壞凝膠乳中的膠體空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，融化后膠體不能完全恢復對水分的限制能力，水分會流出，凝膠乳的持水力變差。

由圖7可以看出:瓊脂型凝膠乳凍-融后持水力較差，并且膠體含量的增加對凝膠乳的持水力沒有明顯影響；結(jié)冷膠型凝膠乳的持水力性質(zhì)和瓊脂型凝膠乳相似，膠體含量對持水力沒有影響；明膠型凝膠乳的持水力隨膠體含量增加而增加，膠體含量為5%時，持水力達到0.983，表明膠體含量較高的明膠型凝膠乳具有較好的凍-融穩(wěn)定性。

圖7 凍-融后凝膠乳的持水力

3 結(jié) 論

研究表明，不同膠體制備的凝膠乳在室溫狀態(tài)下都能呈現(xiàn)固態(tài)、白色的外觀性質(zhì)。膠體種類和含量對凝膠乳的性質(zhì)有很大的影響，瓊脂和結(jié)冷膠制備的凝膠乳彈性較差，凝固溫度較高，加熱過程中保持固態(tài)，結(jié)構(gòu)變軟。 明膠制備的凝膠乳具有較低的凝固溫度，凝膠乳硬度較低，彈性較高，加熱過程中變?yōu)橐簯B(tài)。冷凍過程中水結(jié)冰和油脂結(jié)晶會對凝膠乳的結(jié)構(gòu)造成破壞，凝膠乳的顏色變暗，彈性降低，持水力變差；使得凝膠乳作為動物脂肪的替代物使用在冷凍食品中時受到很大的限制，需要通過降低冷凍對凝膠乳的破壞程度提高凝膠乳的凍-融穩(wěn)定性，再使用在冷凍食品中。