肉桂醛添加方式對乳清濃縮蛋白凝膠特性的影響

崔歡歡 秦奉達 李 艷 李 斌

(華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070)

蛋白質是常見的食品組分，具有良好的凝膠性，蛋白質基質凝膠及其穩定性受到國內外學者的廣泛關注[1-2]。采用中鏈甘油三酯或麥芽糊精部分取代油相[3]、超聲處理[4]、使用交聯劑[5]、多糖和蛋白共混[6]等方法均能改善蛋白凝膠的質構，提高其穩定性。課題組前期研究[7-8]發現，肉桂醛中的活性羰基可與蛋白質的氨基發生席夫堿反應生成亞胺鍵，促進蛋白質在油水界面上吸附，改善乳液特性。肉桂醛與蛋白質間的相互作用可增強乳清蛋白乳液凝膠的黏彈性[9]。研究[10]表明，利用微/納米囊化的包封技術對植物精油進行包載，可改善精油的親水性、理化穩定性，拓展其在食品領域中的應用。其中，納米乳液和微膠囊粉末是兩種常見的包封載體，前者是液體形態，后者為粉末狀。而乳清濃縮蛋白具有良好的凝膠性、持水性和乳化性[11]，是制備凝膠最常用的一種蛋白基質。

試驗擬先采用納米乳液和微膠囊包封技術對肉桂醛進行包載，改善其親水性，隨后將其添加至乳清濃縮蛋白溶液中，再采用實際加工中常用的凝膠方式即熱誘導制備蛋白凝膠，表征凝膠的持水力、質構特性、微觀結構以及流變特性，探究肉桂醛乳液及微膠囊對乳清濃縮蛋白凝膠特性的影響，以期改善熱處理過程中蛋白凝膠的聚集現象及凝膠的穩定性，旨在為實際加工中蛋白凝膠析水現象的改善和質構特性的提高提供新策略。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

乳清濃縮蛋白(WPC)：約為85%，Hilmar 8010，美國希爾瑪配料公司；

中鏈甘油三酯(MCT)：武漢博星化工有限公司；

大豆油：益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；

肉桂醛(CA)：美國Aladdin公司；

尼羅紅、異硫氫酸熒光素(FITC)：美國Sigma-Aldrich公司；

吐溫80：國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

集熱式恒溫磁力攪拌器：DF-101S型，鞏義市英峪予華儀器廠；

數顯恒溫水浴鍋：HH-4型，常州國華電器有限公司；

質構儀：TA-XT plus型，北京超技儀器技術有限公司；

光學法微流變儀：Rheolaser MASTERTM型，法國Formulaction公司；

激光掃描共聚焦顯微鏡：FV3000型，日本OLYMPUS公司；

高速離心機：H185OR型，湖南湘儀離心機儀器有限公司；

激光粒度分析儀：Malvern 2000型，英國Malvern公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 乳液制備 CA和MCT為油相，質量分數固定為10%，其中CA含量分別為0.00%，0.10%，0.20%，0.50%，1.00%，2.00%，5.00%，加入7.5%吐溫80混合均勻，逐滴加至超純水中，700 r/min攪拌30 min后即得CA乳液，于4 ℃冰箱貯藏備用。根據肉桂醛含量，乳液分別命名為E0.00、E0.10、E0.20、E1.00、E5.00。

1.2.2 微膠囊制備 稱取5% WPC粉末溶于超純水中，4 ℃冰箱過夜以充分水合，得5% WPC溶液，作為水相。CA和大豆油作為油相，質量分數固定為10%，其中CA含量分別為0.00%，0.10%，0.25%，0.50%，1.00%。油水兩相按質量比1∶9混合，依次經高速剪切(12 000 r/min，3 min)、高壓均質(62 MPa，循環5次)得到乳液。乳液進行噴霧干燥，選用0.5 mm霧化噴嘴，進風溫度180 ℃，出風溫度90 ℃，流量6 mL/min，收集得到的粉末即為微膠囊，于干燥器中貯藏備用。根據肉桂醛含量，微膠囊分別命名為M0.00、M0.10、M0.25、M0.50、M1.00。

1.2.3 蛋白凝膠制備

(1) 添加CA乳液的蛋白凝膠：制備16% WPC溶液，與CA乳液按質量比1∶1混勻，最終體系中蛋白質含量為8%、油相含量為5%。90 ℃水浴1 h，再冰浴30 min，于4 ℃冰箱靜置24 h，得熱致凝膠。最終凝膠中CA含量分別為0.00%，0.05%，0.10%，0.50%，2.50%。

(2) 添加CA微膠囊的蛋白凝膠：制備8% WPC溶液，添加2%微膠囊并充分分散，熱致凝膠制備方法同1.2.3(1)。根據微膠囊的出粉率和包埋率計算得最終凝膠中CA含量分別為0.00%，0.02%，0.04%，0.08%，0.14%。

(3) 空白蛋白凝膠：8% WPC溶液按1.2.3(1)凝膠形成方式制備空白凝膠，命名為WPC。

1.2.4 表征

(1) 粒徑：分散相選擇MCT(折射率1.440)和肉桂醛(折射率1.620)，連續相為水(折射率1.333)，轉速1 300 r/min，遮光率4%，平行測定4次。

(2) 質構：探頭型號為P/0.5，壓縮模式，測前速度1.5 mm/s；測試速度1.00 mm/s；測后速度1.00 mm/s，測試距離15 mm，返回高度20 mm，感應力5 g，平行測定4次。

(3) 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)：將染色劑尼羅紅、FITC同時與樣品混合，取20 μL制樣，90 ℃水浴1 h，冷卻后于4 ℃冰箱放置24 h，然后于40×顯微鏡下觀察樣品的微觀結構。

(4) 微流變：樣品體積20 mL，初始溫度20 ℃，結束溫度90 ℃，升溫速率1 ℃/min，測量時間2 h。

1.2.5 持水力計算 稱取8 g混合溶液于10 mL離心管中制備凝膠，3 070 r/min、4 ℃離心20 min，稱量離心管和凝膠的總質量。按式(1) 計算凝膠持水力。

(1)

式中：

CWH——凝膠持水力，%；

m0——離心前凝膠質量，g；

m1——離心管質量，g；

m2——離心后離心管和凝膠總質量，g。

1.3 數據處理

采用Excel 2016、Origin 2018、SPSS 25.0軟件進行數據分析處理，P<0.05有顯著性差異。所有試驗重復3次，結果以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 CA添加對乳清濃縮蛋白凝膠形成的影響

試驗表明，隨著CA含量的增大，乳液的凝膠由乳白色逐漸變為淡黃色或黃色，說明CA與WPC發生了席夫堿反應。在WPC充足的情況下，CA含量增大使得席夫堿反應程度加深，反應產物增多，因此凝膠顏色加深[12]。而微膠囊中CA與蛋白質的接觸減少，凝膠顏色相對較淺。WPC空白凝膠放置5 min后出現析水現象，而CA的添加可以有效改善凝膠的析水情況。這是因為CA與蛋白質發生共價作用，使凝膠網絡更加致密，保水力增強。

2.2 CA添加對乳清濃縮蛋白凝膠黏彈性的影響

微流變是根據粒子無規則運動形成的均方根位移(MSD)隨時間的變化關系得到樣品的黏彈性特征。MSD隨去相關時間線性增加，表明粒子在一定的去相關時間內不受黏度影響，無規則運動較快，樣品以黏性為主[13]；MSD呈現平臺區，表明粒子受到彈性影響不能自由移動，樣品以彈性為主[14]。由圖1可知，空白凝膠及低CA含量(0.0%～0.5%)的凝膠以黏性為主，樣品E5.00以彈性為主。而添加少量的CA微膠囊后，凝膠即顯示出良好的黏彈性。50 min后，彈性指數(EI)迅速上升，表明凝膠開始形成，液滴間相互作用增強[15]，其中樣品WPC和E0.00黏彈性最弱，樣品E5.00黏彈性最強。加熱使蛋白質分子展開，巰基和疏水基團充分暴露，并通過氫鍵和疏水相互作用等形成網絡將液滴固定在其中[11,16]。CA含量的增大增強了其與蛋白質的相互作用，粒子的無規則運動受到凝膠網絡的阻礙[17]，從而提高蛋白凝膠的黏彈性。

2.3 CA添加對乳清濃縮蛋白凝膠持水性的影響

由圖2可知，CA乳液或微膠囊的添加均能改善乳清濃縮蛋白凝膠的持水性，與宏觀觀察中析水現象改善的結果一致。蛋白凝膠的持水力隨CA含量的增大而顯著升高，表明乳液和微膠囊中的CA均可與乳清濃縮蛋白發生相互作用，使凝膠網絡結構更加致密，液滴更牢固地填充在網絡中。CA乳液和微膠囊的添加對乳清濃縮蛋白凝膠持水力的提升效果相當，而微膠囊的添加同時可以增加蛋白質含量，有利于提高凝膠的持水性能。Sala等[18]指出，乳液凝膠在液滴尺寸較小的體系中具有較高的持水能力。

圖1 蛋白凝膠的均方根位移及彈性指數隨時間的變化Figure 1 MSD and elasticity index profile of protein gels as a function of time

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖2 蛋白凝膠的持水力Figure 2 Water holding capacity of different protein gels

2.4 CA添加對乳清濃縮蛋白凝膠質構特性的影響

由表1可知，樣品E0.00的凝膠強度、硬度和黏附性分別是WPC凝膠的1.98，2.45，4.86倍。在蛋白質和非離子型表面活性劑混合體系中，未達到臨界膠束濃度時，蛋白質和表面活性劑均吸附至界面上[19]，因此乳液存在時，蛋白質吸附至油水界面促進網絡結構形成。隨著CA含量的升高，蛋白凝膠的凝膠強度、硬度和黏附性整體呈上升趨勢。當油水界面與凝膠基質存在相互作用時，活性填料可以加強凝膠網絡，且增強作用取決于活性填料的體積分數[20]。

由表2可知，微膠囊的添加可顯著提高蛋白凝膠的凝膠強度、硬度和黏附性。加入微膠囊后，凝膠體系中蛋白質含量增加，有利于形成更強的網絡結構。CA以乳液形式添加能更有效地提升蛋白凝膠的質構指標，可能是因為納米乳液中油滴尺寸較小(納米級)，能更有效地增強凝膠的網絡結構，且有利于CA與蛋白之間的相互作用[16]。

2.5 CA添加對乳清濃縮蛋白凝膠微觀結構的影響

由圖3可知，熱處理后蛋白發生聚集，形成不連貫的網絡結構。添加乳液后，液滴填充在網絡結構中，凝膠網絡結構連續。當CA含量低于1.00%時，乳液粒徑較大，所以凝膠網絡結構中的孔徑較大。當CA含量為5.00%時，乳液粒徑最小，更容易填充至凝膠基質中，所以網絡結構最為致密[21]。添加微膠囊后，蛋白凝膠的結構明顯比WPC凝膠致密，微膠囊均勻分布在凝膠網絡中。相比乳液，CA以微膠囊形式添加時，其含量的升高并未顯著影響凝膠結構。

3 結論

通過納米乳液和微膠囊的方式改善香料組分肉桂醛的親水性，研究了其添加對乳清濃縮蛋白凝膠特性的影響。結果表明，乳液中的肉桂醛更易于與乳清濃縮蛋白發生席夫堿反應，促使凝膠顏色由乳白色變為黃色，而添加微膠囊的凝膠顏色變化不明顯。熱致蛋白凝膠出現嚴重的析水現象，添加含有肉桂醛的乳液或者微膠囊均可提高蛋白凝膠的持水性，改善析水現象。肉桂醛以不同的形式添加后，凝膠的黏彈性均增加，其中添加乳液的蛋白凝膠的黏彈性低于添加微膠囊的蛋白凝膠。在乳液和微膠囊兩種添加方式中，添加乳液的蛋白凝膠具有較強的凝膠強度、硬度和黏附性，而微膠囊液滴在蛋白凝膠中的穩定性較好。以上結果表明，通過改變脂溶性肉桂醛的添加方式可調控蛋白凝膠的穩定性及品質，有望改善蛋白質熱加工過程中的不穩定性，并擴展香料肉桂醛在食品中的應用范圍。后續將進一步分析探討肉桂醛的添加對其他方法如酸誘導制備的蛋白凝膠的影響

表1 添加CA乳液的蛋白凝膠質構特性?Table 1 Texture characteristics of protein gels in the presence of CA emulsions

表2 添加CA微膠囊的蛋白凝膠的質構特性?Table 2 Texture characteristics of protein gels in the presence of CA microcapsules

A.FITC染色的蛋白質 B.尼羅紅染色的油相 C.A和B的合成圖像圖3 蛋白凝膠的微觀結構Figure 3 Microstructures of different protein gels