不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油的影響

傅禮瑋,曾茂茂,何志勇,秦 昉,陳 潔

(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)

攪打稀奶油是一種多用途的產品,它除了作為頂飾用來裝飾生日蛋糕等糕點外,還可廣泛應用于糖果和烘焙產品中[1]。目前市場上除了天然奶油外,植脂人造稀奶油也被廣泛使用。植物基攪打稀奶油是一種以植物脂肪、玉米糖漿等為主要原料,添加乳化劑、增稠劑、香精等加工而成的一種奶油仿制品[2]。天然稀奶油和植脂人造稀奶油都屬于一類經歷攪打過程后可最終形成充氣的泡沫結構的攪打乳狀液,攪打完后產生的泡沫結構決定了奶油最終的質量性能[3]。在攪打稀奶油中加入乳化劑會使攪打稀奶油成為穩定的乳狀液,并可以提高稀奶油的充氣速度和膨脹率,促進脂肪部分凝聚形成的三維網絡結構成為攪打稀奶油的骨架,使氣泡保持更加穩定。

隨著人們生活水平的提高和消費觀念的改變,植物基攪打稀奶油越來越成為消費者的選擇[4]。大豆油體作為大豆的重要脂肪儲存球形的細胞器[5],是由三酰甘油酯(TAG)(干重的94%～98%)為核心,被單層磷脂(0.6%～2%)所包裹的特殊結構,其含有的蛋白質含量為0.6%～4%。大豆油體與稀奶油類似,是一種天然的預乳化油,分散在水介質中時可以形成天然穩定的乳液體系。通常將豆漿高速離心后,可以得到大豆油體,其水分含量為45%～55%,油脂含量為30%～35%,具體油脂含量取決于加工條件。鑒于大豆油體具有良好的乳化特性,大豆油體的應用得到了越來越多的關注和研究。目前,關于大豆油體的應用研究主要集中于新型乳液食品[6],比如冰淇凌、千島醬等。大豆油體還在化妝品[7]和藥物[8]中也有所應用,比如護膚膏、治療劑等。目前幾乎沒有大豆油體應用于攪打稀奶油的報道,所以本研究以大豆油體為原料制備高性能的攪打稀奶油。

盡管大豆油體具有與天然稀奶油類似的組成,但由于大豆油體中固體脂肪含量不足,難以直接作為攪打稀奶油使用。基于此,本研究以大豆油體為主要原料,配以椰子油,將油脂中固體脂肪含量調整到適合于攪打稀奶油體系,研究乳化劑(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐溫80)對大豆基攪打奶油的物理性質的影響,為制造天然大豆基攪打稀奶油提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

大豆(東深7號) 東北大豆研究所;吐溫80 國藥集團化學試劑有限公司;大豆皂苷 西安通澤生物科技有限公司;大豆卵磷脂 蘇州福萊德生物科技有限公司;大豆多糖 平頂山金晶生物科技股份有限公司;椰子油、天然稀奶油(油脂含量34%) 無錫本地超市;其他化學品均為分析純;去離子水 用于制備所有試劑和樣品。

Zetasizer nano ZS型激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司;HAAKE MARSⅢ型流變儀 賽默飛世爾科技(中國)有限公司;RW20型懸臂式機械攪拌器 蘇州賽恩斯儀器有限公司;AH-BASIC型高壓均質機 樂榮恩科技有限公司;GL-10MD型大容量高速冷凍離心機 湘儀離心機儀器有限公司;JJ-2型組織搗碎機 方科儀器(常州)有限公司;DDQ-A40A1型家用電動打奶油機 北京京東世紀貿易有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆油體的制備 根據Chen等[9]的方法,略作修改。在25 ℃下,將大豆在去離子水1∶5 g/mL中浸泡12 h,將浸泡過的大豆加入3倍體積去離子水后用攪拌機(800 r/min,1 min)研磨。將勻漿通過兩層紗布過濾,得到大豆水提取物(生豆漿)。將生豆漿在75 ℃下加熱30 min,加入20%(w/w)的蔗糖,4 ℃離心(6500 r/min,30 min)處理得到上層漂浮部分即為大豆油體。

1.2.2 大豆基攪打稀奶油乳狀液的制備

1.2.2.1 基本配方 大豆油體28%,氫化椰子油20%,去離子水35%,白砂糖15%,乳化劑(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐溫80)2%,將不加大豆乳化劑的大豆基攪打稀奶油和天然稀奶油作為對照。

1.2.2.2 工藝流程 攪打大豆基稀奶油的制備流程[10]如圖1:將實驗材料分為水相和油相兩大部分,水相包括大豆油體、水、白砂糖,油相包括氫化椰子油、不同乳化劑(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐溫80)。在70 ℃下,分別將水相完全溶解,并將油相充分分散,攪拌狀態下將水相緩慢加入到油相中,在該溫度下對乳液進行熱處理60 min,然后在30 MPa均質壓力下均質30 s,再將均質后的乳液降溫至15 ℃,并于4 ℃下老化4 h,迅速冷凍至-18 ℃,冷凍24 h以上。攪打前將乳液于4 ℃解凍24 h。

圖1 大豆基攪打稀奶油的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of soy whipped cream

1.2.3 粒度分布測定 采用激光粒度儀測定大豆基攪打稀奶油和天然稀奶油的粒徑分布和ζ-電位[11]。稱取一定量的乳狀液,用去離子水作為分散相,以1∶1000 (v/v)進行稀釋后進行測量。其中樣品折射率和吸收率分別設為1.590和0.001,連續相的折射率為1.330[12],測試溫度25 ℃。粒度分析處理結果以樣品的顆粒密度比(%)表示。每個樣品測試三次,以平均值±標準偏差表示。

1.2.4 流變學測定 采用HAAKE MARSⅢ型流變儀測定大豆基攪打稀奶油的表觀黏度[13]和頻率掃描[14],測試溫度20 ℃,分別選用C35 2 °Ti L錐板和PP35Ti的平板進行測量。測量表觀粘度時,剪切速率從0.015 s-1線性增加到100 s-1;測量頻率掃描時,頻率范圍從1.0 Hz增加到10.0 Hz。所有試驗重復三次,并取平均值做為最終測定結果。

1.2.5 物理穩定性測定 采取與文獻[15]一樣的方法,來評估大豆基攪打稀奶油和天然稀奶油的物理穩定性。將10 mL的樣品置于密封的試管中并儲存在4 ℃下,觀察大豆基攪打稀奶油和天然稀奶油在半個月內的沉浮現象。

1.2.6 攪打膨脹率測定 將500 g凍結的大豆基攪打稀奶油置于4 ℃冷藏柜下解凍24 h后,將液體狀的大豆基攪打稀奶油乳狀液倒入冷卻了的攪拌缸內,用家用電動打奶油機以160 r/min的速度進行攪打,當奶油形成堅挺的泡沫并具有柔軟的長釘狀時停止攪打[13,16]。通過用攪打好的奶油填充到一定體積的方法來計算膨脹率。具體計算公式如下:

式中:M1是具有一定體積的未攪打奶油的質量(g),M2是具有相同體積的攪打奶油的質量(g)。

1.2.7 泡沫穩定性測定 采取與文獻[17]一樣的方法,稱取一定量攪打好的奶油放在漏斗上,然后將漏斗置于25 ℃的培養箱中3 h。使用公式計算泡沫穩定性:

1.3 數據處理

每組實驗重復3次,最后結果以均值±標準方差(mean±SD)表示。采用SPSS 20.0軟件對實驗結果在p<0.05水平上進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 大豆基攪打稀奶油乳狀液的粒徑

粒徑分布是測量乳狀液穩定性最有效的指標之一。圖2表示了不同乳化劑對大豆基稀奶油乳狀液的粒徑分布的影響。從圖中可以看出,由于乳化劑種類的不同,會導致大豆基稀奶油乳狀液不同的粒徑分布。根據Leong等[18]結果分析,粒徑分布受界面張力的影響,主要取決于界面膜的組成和性質。而在乳化過程中,不同的乳化劑吸附在脂肪上的程度不同,導致了脂肪液滴的界面膜的組成、性質以及界面張力的不同,最終會導致脂肪粒徑分布的不同。

圖2 不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油的粒徑分布的影響Fig.2 Effects of different emulsifiers on the droplet-size distributions of the soy whipped cream

由圖2可見,不添加乳化劑的大豆基稀奶油乳狀最大百分比液粒徑分布集中在712 nm左右,分布均勻。添加大豆多糖的大豆基稀奶油乳狀液粒徑分布比不添加乳化劑的大,密度的集中在955 nm左右。分析原因可能是大豆多糖降低了界面張力,吸附到脂肪球表面的蛋白質層上,所以造成脂肪球粒徑的增加[14]。添加大豆卵磷脂、大豆皂苷和吐溫80的大豆基稀奶油乳狀液粒徑分布出現變小的趨勢,乳狀液粒徑分布曲線向左移。可能的原因在于加入的乳化劑將脂肪球表面的部分蛋白質取代下來,并有效地降低了界面張力,增強了脂肪球的穩定性,使脂肪球重新聚結的幾率降低,因此粒徑變小。尤其特別的是添加大豆皂苷的大豆基稀奶油乳狀液,粒徑分布范圍較寬,最大百分比密度的粒徑主要集中在459 nm左右。添加吐溫80的大豆基稀奶油乳狀液的粒徑分布與天然稀奶油接近,為之后兩者有相同的膨脹率做了很好的解釋[19]。

2.2 大豆基攪打稀奶油乳狀液的ζ電位

ζ-電位是評估攪打奶油乳液周圍表面電荷密度變化的有效方法[20],反映了體系中的界面動電勢,ζ-電位的絕對值越高,表明體系的穩定性越高,這是由于液滴間的強靜電斥力能阻止其聚集[21]。

圖3表示了不同乳化劑對大豆基稀奶油乳狀液ζ-電位的影響。從圖3中可以看出,添加大豆卵磷脂的大豆基稀奶油乳狀液ζ-電位與天然稀奶油無顯著性差別,ζ-電位在-34 mV左右。添加大豆多糖和吐溫80的大豆基稀奶油乳狀液ζ-電位與不添加乳化劑的無顯著性差別,ζ-電位在-31 mV左右。特別的是添加大豆皂苷的大豆基攪打稀奶油的ζ-電位絕對值比加其他乳化劑的小,ζ-電位在-20 mV左右。這種現象可能的原因是帶正電荷的大豆皂苷分子可以吸附到油體蛋白表面,形成乳化界面的二級結構,從而導致靜電相互作用減少,所以添加大豆皂苷的大豆基攪打稀奶油的電位絕對值比其他乳化劑的小[22]。

圖3 不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油的ζ-電位的影響Fig.3 Effects of different emulsifiers on the ζ-potential of the soy whipped cream注：不同小寫字母代表差異顯著,p<0.05。

2.3 大豆基攪打稀奶油乳狀液的粘度

黏度是鑒別攪打奶油的整體口感的重要指標。圖4表示了不同乳化劑對大豆基稀奶油乳狀液表觀黏度的影響。如圖4所示,所有樣品的表觀黏度都隨著剪切速率的增加而降低,表明各個樣品均為剪切變稀流體[23]。宏觀表現也類似,樣品在靜置條件基本呈現弱凝膠狀態,隨著攪打速率的提高,流動性迅速增加。攪打稀奶油的表觀黏度隨著剪切速率增大而變稀的原因可能在于,乳液分子在布朗運動所產生的隨機化作用小于分子間順著流動方向的排列作用,還可能是因為乳液聚合物的纏繞鏈狀分子結構被拉直以及解纏繞,所以降低了粘度。

圖4 不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油的表觀黏度的影響Fig.4 Effects of different emulsifiers on the apparent viscosity of the soy whipped cream

對于固定的剪切速率,不加乳化劑的大豆基攪打稀奶油的黏度最小,而添加吐溫80的大豆基攪打稀奶油的黏度比加其他乳化劑的小,其次是天然稀奶油。添加大豆乳化劑的大豆基攪打稀奶油有較大的粘度。這種現象的原因可能在于,加入大豆乳化劑后,乳化劑分布于脂肪球表面,脂肪球之間的距離減小,導致相互作用增強,從而使得乳濁液黏度升高。而添加吐溫80后的大豆基攪打稀奶油,脂肪球的相互作用沒有添加大豆乳化劑的強,所以乳狀液粘度不如大豆乳化劑[19]。

2.4 大豆基攪打稀奶油乳狀液的粘彈性

頻率掃描研究了攪打奶油的粘彈性效應,同時也可以間接地模擬人類的咀嚼[24-25]。圖5表示了不同乳化劑大豆基稀奶油乳狀液進行頻率掃描后的結果。圖5中結果可以看出,所有樣品的彈性模量(G′)值高于黏性模量(G″),而且兩者都是頻率依賴的,呈現出弱凝膠特征。弱凝膠體系是具有一定屈服應力的塑性非牛頓流體,具有一定的黏彈性,且在其成膠過程中G′和G″基本呈上升的趨勢[26]。此結果與之前研究的奶油結果一致[27]。

圖5 不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油模量的影響Fig.5 Effects of different emulsifiers on the modulus of the soy whipped cream

觀察圖5發現,添加大豆多糖和大豆卵磷脂的大豆基攪打稀奶油的彈性模量G′和黏性模量G″均遠高于天然稀奶油,而添加大豆皂苷和未添加乳化劑的體系則遠低于天然稀奶油;雖然添加了吐溫80的體系的彈性模量G′低于天然稀奶油,但黏性模量G″接近天然稀奶油。分析原因可能是因為體系的彈性和黏性與體系的黏度有一定的關系,高膨脹率的體系可能需要適中的彈性與黏性。

2.5 大豆基攪打稀奶油乳狀液的穩定性

為考察不同乳化劑制備的大豆基攪打稀奶油乳狀液的穩定性,觀察大豆基攪打稀奶油在4 ℃下儲存半個月后的穩定狀態。從圖6可以發現大豆基攪打稀奶油盡管顏色略有差別,但穩定都很好。尤其可以發現添加大豆皂苷的大豆基攪打稀奶油乳狀液偏棕色,原因在于大豆皂苷本身的顏色所導致的。

圖6 不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油的乳狀液穩定性的影響Fig.6 Effects of different emulsifiers on the emulsion stability of the soy whipped cream

本研究用的主體是大豆油體,據之前的研究發現[28],油體可耐高溫,也可耐受強酸強堿,而且無論是在干燥種子的細胞內還是在離體環境中,甚至是經過一定時間的放置,油體之間一般都不發生聚合,還能保持原有的穩定性。添加乳化劑后,更加可以降低界面張力和減少形成乳狀液所需要的能量,使之形成更加均勻穩定的分散體系。所以所有添加乳化劑的大豆基稀奶油的乳狀液都具有良好的穩定性。

2.6 大豆基攪打稀奶油的攪打起泡性和泡沫穩定性

圖7表示了不同乳化劑對大豆基稀奶油的攪打起泡性和泡沫穩定性的影響。據文獻分析[29],攪打稀奶油的攪打起泡性主要是由于乳狀液中過剩的蛋白質濃度和脂肪部分聚結速度共同作用的結果。而泡沫穩定性需要合適的脂肪聚結率,脂肪部分聚結率太高,在外界環境溫度影響下,容易刺破氣泡界面膜;而脂肪部分聚結率太低會導致泡沫結構的骨架太脆弱影響泡沫穩定性。

圖7 不同乳化劑對大豆基攪打稀奶油的攪打起泡性和泡沫穩定性的影響Fig.7 The effect of different emulsifiers on the whipping rate and foaming stability of the soy whipped cream注：不同大寫字母代表不同乳化劑膨脹率差異顯著,p<0.05;不同小寫字母代表不同乳化劑泡沫穩定性差異顯著，p<0.05。

從圖7中可以看出,乳化劑的添加可以增加大豆基攪打稀奶油的攪打膨脹率,其中吐溫80的效果最好,膨脹率達到了和天然稀奶油一樣的程度。可能的原因在于,吐溫的乳化效果比其他乳化劑好,在攪打過程更加有效替代大豆油體蛋白在油滴表面的分布,進而有效地降低了界面膜的穩定性,形成有助于泡沫的脂肪聚集體[30]。但是從泡沫穩定性看,添加大豆多糖的大豆基攪打稀奶油的泡沫穩定性比其他乳化劑好。這主要是由于大豆多糖的添加會增加有效脂肪球的數量,使氣泡表面附著的部分聚集脂肪球增加,所以可以形成足夠堅固的脂肪骨架來支撐氣泡膜,因此泡沫的穩定性會提高。原因也可能在于添加大豆多糖的大豆基攪打稀奶油粘度大,堅韌性和抗干擾能力的提高,攪打膨脹后不容易消泡。所以認為,乳狀液的黏度也和膨脹率和泡沫穩定性有直接的關系,黏度太低,會導致攪打稀奶油后的持泡能力不夠,而黏度太高,則空氣難以充入體系內,使膨脹率增大[31]。該結果與2.3表觀黏度變化一致。

3 結論

考察了四種乳化劑(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖、吐溫80)對大豆基攪打稀奶油的乳狀液的特性和攪打特性的影響。本研究結果表明,大豆油體作為攪打稀奶油的主體成分是可行的。

研究結果發現，添加大豆多糖的大豆基稀奶油乳狀液粒徑分布比不添加乳化劑的大，而添加大豆卵磷脂、大豆皂苷和吐溫80的大豆基稀奶油乳狀液粒徑分布較小。除大豆皂苷外，添加其他乳化劑的大豆基攪打稀奶油的ζ-電位絕對值較大，說明體系較穩定。從貯藏穩定性實驗也可以看出所有添加乳化劑的大豆基攪打稀奶油乳狀液都具有較好的穩定性。對于大豆乳化劑(大豆皂苷、大豆卵磷脂、大豆多糖)，雖然可以增加攪打稀奶油的膨脹率，但是與吐溫80相比增加較少。添加吐溫80的大豆基攪打稀奶油具有最好的攪打起泡性。這種現象可能與乳化劑吸附到脂肪球表面的速度和含量有關。添加大豆卵磷脂和大豆多糖的大豆基攪打稀奶油雖然攪打起泡性不高，但具有較大的粘度以及較好的攪打穩定性。觀察乳狀液穩定性可以看出，加乳化劑的大豆基攪打稀奶油都具有良好的穩定性。

所以未來如果要生產全天然的大豆基攪打稀奶油,還需要進一步篩選天然乳化劑和乳化穩定劑,使體系既有良好的存放穩定性,同時有具有良好的攪打起泡性。