鷹嘴豆膳食纖維的乳化性能

栗俊廣，馬旭陽，姜茜，杜娟,3，張旭玥

1(鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院，河南 鄭州，450001)2(河南省冷鏈食品質量與安全控制 重點實驗室，河南 鄭州，450001)3(食品生產與安全河南省協同創新中心，河南 鄭州，450001)

鷹嘴豆(CicerarietinumLinn.)是世界第三大豆類，具有耐熱、耐干旱、耐貧瘠等特征[1]，在非洲、地中海沿岸、美洲以及我國云南、新疆等地都有廣泛種植[2]。與其他豆類相比，鷹嘴豆不含膽固醇，是蛋白質、膳食纖維和維生素的極佳營養來源。除了是珍貴的種植資源外，鷹嘴豆還具有極高的藥用價值，可以降低慢性病的發病風險，具有降糖降脂、抗氧化、抗腫瘤等功能[3]。

近年來，膳食纖維(dietary fiber，DF)因其豐富的營養價值和功能特性而備受關注[4]。作為第七大營養素，膳食纖維對某些疾病的治療具有重要意義，如抗腸癌、降低膽固醇和預防肥胖等[5]。膳食纖維結構中含有較多的親水性基團，可與水分子發生作用，使之具有較高的持水力和膨脹力[6]，攝入后能加快排便速度，使體內毒物迅速排出體外。膳食纖維應用于食品可以賦予食品特定的流變學特性，從而改善其品質特性[7]。膳食纖維分子可以聚集在油滴表面形成界面層，阻止油滴的聚集，從而維持體系平衡，因此，可以作為乳化劑穩定高脂肪食品和乳液，也可作為脂溶性物質載體，提高食品風味。從鷹嘴豆中提取出的鷹嘴豆膳食纖維(chickpea dietary fiber, CDF)具有良好的生物活性，如抗腫瘤、抗氧化、降低膽固醇等，具有很大的開發潛力[8]。然而，目前關于CDF乳化性的研究還少有報道。

本實驗通過測定CDF持水性、持油性、膨脹性、微觀結構、乳液粒徑、電位、總體穩定指數(total stable index, TSI)、微觀穩定性、界面張力、乳液流變性能等指標，分析了CDF的理化特性和不同質量分數CDF乳液(0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%)的乳化特性，為鷹嘴豆膳食纖維在乳化食品中的開發利用提供理論依據[9]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鷹嘴豆購自云南省文州自治區丘北市天星鄉；金龍魚大豆油購自鄭州某超市；正己烷、氫氧化鈉、鹽酸、溴化鉀等均為分析純。

1.2 儀器設備

Aanti J-26 s XPI高速冷凍離心機，美國Beakman公司；LS13320/ULM2激光粒度儀，美國貝克曼庫爾特公司；ertex70傅里葉變換紅外光譜儀，美國Bruker光學公司；Regulus 8100高分辨場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；Ultraturrax T25高速分散器，德國IKA公司；Discoery旋轉流動儀、DSC Q20差示量熱掃描儀，美國TA儀器有限公司；Nano-ZS90納米激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；PH50光學顯微鏡，江西鳳凰光學有限公司；Turbiscan LabMeasurngExpert多重光散射儀，法國Formulaction儀器公司；K100自動界面張力儀，德國Krüss公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 CDF的提取

參考LAN等[10]的方法提取CDF。以鷹嘴豆脫脂粉為原料，與0.5 mol/L NaOH按料液比1∶15(g∶mL)混合均勻，在50 ℃水浴條件下攪拌2 h，3 000×g離心15 min后倒掉上清液，沉淀用0.5 mol/L NaOH洗滌并離心，與1.0 mol/L的HCl溶液按料液比1∶10(g∶mL)混合均勻，再次攪拌并離心除去可溶性組分，然后用0.5 mol/L NaCl溶液洗滌，加堿調至pH為7，離心取沉淀，蒸餾水洗滌2次后真空冷凍干燥16 h，超微粉碎后，過100目篩，得到CDF。

1.3.2 CDF理化性質的測定

1.3.2.1 持水力的測定

參考SOWBHAGYA等[11]的方法稍加修改。準確稱取CDF樣品1.000 g，加入30 mL蒸餾水，振蕩均勻，在室溫下放置18 h，離心(4 000×g，20 min)倒掉上清液，在105 ℃下干燥至恒重。持水力(water holding capacity，WHC)計算如公式(1)所示：

(1)

式中：m1，干燥后樣品質量，g；m2，干燥前樣品質量，g。

1.3.2.2 持油力的測定

參考曾蓓蓓等[12]的方法稍加修改。準確稱取CDF樣品1.000 g于50 mL干燥離心管中，加入20 mL大豆油，振蕩均勻，在室溫下放置18 h，離心(4 000×g，20 min)倒掉上清液，至離心管內壁無油跡，稱量樣品和離心管的質量。持油力(oil holding capacity,OHC)計算如公式(2)所示：

(2)

式中：m0,樣品質量，g；m1,離心管質量，g；m2,樣品和離心管的質量，g。

1.3.2.3 膨脹力的測定

參考SOWBHAGYA等[11]的方法稍加修改。準確稱取CDF樣品1.000 g于干燥后的10 mL量筒中，加入8 mL蒸餾水，混合均勻后室溫靜置18 h，記錄膨脹后的膳食纖維體積，膨脹力按公式(3)計算：

(3)

式中：m0,樣品質量，g；0,樣品體積，mL；1,靜置18 h后樣品體積，mL。

1.3.3 CDF微觀結構

將制備好的CDF樣品平鋪在貼好導電膠的樣品臺上，用洗耳球吹去多余的粉末，噴金120 s。置于掃描電子顯微鏡下觀察各樣品顆粒的形態，加速電壓為1.0 k。

1.3.4 CDF乳化性質的測定

1.3.4.1 CDF乳液的制備

稱取一定質量的CDF樣品，加入大豆油，用高速分散器在10 000 r/min條件下均質3次，每次20 s，得到CDF乳液，且CDF的最終質量分數分別為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，大豆油含量為25%。

1.3.4.2 CDF乳液粒徑、電位的測定

采用LS13320/ULM2激光粒度儀分析不同濃度CDF乳液的粒徑，結果用D(4,3)表示，每個樣品重復3次。參考劉興麗等[13]的方法測定乳液Zeta電位并稍加修改。制備不同濃度CDF新鮮乳液加到電位樣品池中，使用Nano-ZS90納米激光粒度儀測定Zeta電位，測試溫度為25 ℃，平衡時間120 s，每個樣品測定3次。

1.3.4.3 CDF乳液微觀形貌

乳液微觀形貌使用光學顯微鏡觀察，取一滴稀釋后的乳液滴在載玻片中心，緩慢蓋上蓋玻片，防止產生氣泡，在10×物鏡下觀察圖像。

1.3.4.4 CDF分層指數

將制備好的新鮮CDF乳液裝到10 mL具塞比色管中，室溫條件下儲藏72 h，觀察乳液的分層情況。乳液分層指數以乳清層的高度占乳化液高度的百分比表示。

1.3.4.5 CDF乳液總體穩定性指數的測定

使用多重光散射儀測定乳液的總體穩定指數(total stable index, TSI)。取20 mL新鮮CDF乳液加入樣品瓶中進行測定，掃描時間1 800 s，每60 s掃描1次。

1.3.4.6 CDF乳液流變學特性的測定

參考ZHUANG等[14]和LI等[15]的方法，使用旋轉流動儀對乳液進行靜態流變和動態流變測定，選用直徑為40 mm的平板夾具，樣品加載在平行板之間，平板間隙為0.4 mm。

對于靜態流變，測定不同CDF質量分數的乳液表觀黏度隨剪切速率的變化，剪切速率從0.1～1 000 s-1增加，測試溫度設為25 ℃，每個樣品測試4次。對于動態流變，測定乳液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率的變化，角頻率從0.1～100 rad/s增加，應變為0.6%。

1.3.4.7 CDF-大豆油界面張力的測定

參考O’SULLIAN等[16]的方法測定界面張力。采用鉑金平板法測定油相與CDF溶液之間的界面張力。將CDF溶液(20 g)裝在自動界面張力儀配帶的玻璃皿中，緩慢下降鉑金板，使之浸入溶液3 mm的深度。再加入約50 g的大豆油，注意加入過程應緩慢以防氣泡產生，測試溫度25 ℃，時間3 600 s。

1.3.5 數據分析

試驗重復3次，結果表示為平均數±標準差。采用SPSS Statistics 19.0分析軟件進行統計分析，使用單因素方差分析(ANOA)、Duncan’s多重比較檢驗法進行顯著性分析(P<0.05)；采用Origin 9.0進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 CDF理化性質分析

DF的持水力、持油力和膨脹力的大小是衡量其性能的重要指標。CDF的理化性質如表1所示，其持水力為1.22 g/g，高于已有報道的鷹嘴豆皮多糖(0.37 g/g)[8]。膨脹力為16.34 mL/g，高于糯米DF(2.73 g/g)[12]。持油力為3.17 g/g，高于米糠DF(0.99 g/g)[17]、花生殼DF(2.03 g/g)[18]、大豆DF(3.06 g/g)[7]。膳食纖維的結構影響其理化性質，疏松的孔狀結構可形成親水性骨架截留水分子，從而填充多糖準晶態的孔隙引起較強的溶脹作用。此外，海綿狀的親水基質可提高腸道中糞便體積和稠度從而預防便秘[19]。

表1 CDF理化性質Table 1 Physicochemical properties of chickpea dietary fiber(CDF)

2.2 CDF掃描電鏡結果

從圖1-a中可以看出，脫脂鷹嘴豆粉在500 倍數下多為橢圓球狀，可能是殘存的淀粉和蛋白質，另含有不規則塊狀的緊密結構，其表面有很多凸起堆積，且大小不均一，形態各異。圖1-b和圖1-c是CDF在不同放大倍數下呈現出來的微觀結構，可看出結構疏松多孔，表面凹凸不平，空隙深而寬，呈現出蜂窩塊狀。由于凹陷和褶皺的存在，使蜂窩狀結構突出，膳食纖維的表面積增加，同時還會暴露多糖類內部更多的活性基團，從而增強其理化特性(持水性、持油性、膨脹性)。因此，CDF的微觀結構為其物理特性提供了形態學方面的依據。

a-脫脂鷹嘴豆粉(500×)；b-鷹嘴豆膳食纖維(500×)； c-鷹嘴豆膳食纖維(1 000×)圖1 CDF的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of CDF

2.3 CDF乳液粒徑和顯微結構

CDF質量分數0.4%～2.0%所制備的乳液粒徑大小見表2。可以看出，當CDF質量分數由0.4%增加到0.8%時，乳液粒徑從101.66 μm增至111.55 μm；CDF質量分數達2.0%時，乳液粒徑又顯著減小為71.81 μm。乳液粒徑變化趨勢與曾偉奇[20]研究相似，隨著濃度的增加，柑橘膳食纖維乳液粒徑呈現先增加后減小的趨勢。

表2 不同質量分數CDF對其乳液粒徑大小的影響Table 2 Particle size of emulsions under different concentrations of CDF

不同質量分數CDF乳液的粒徑分布和顯微鏡結構如圖2所示。當質量分數達到2%時，乳液粒徑分布呈現一個峰，表明形成均勻的乳液，而其余濃度下的乳液液滴粒徑都表現出相似的三峰分布。從顯微鏡結構也可看出，CDF質量分數低于0.8%時，液滴較大且存在聚結，這是由于CDF質量分數較低，連續相中存在的CDF不足以形成弱凝膠，使得纖維在低濃度的液滴之間形成更大的絮凝；CDF質量分數為1.2%～1.6%時，少量液滴之間出現絮凝，油滴分布不均勻；CDF質量分數達2.0%時，乳液液滴較小且分布更均勻，這更有利于乳液的穩定。不同濃度的CDF對乳液穩定性影響較大，這是因為CDF通過高速分散器剪切后會吸附在乳液液滴表面，從而達到穩定乳液的目的。CDF質量分數在0.8%以內時，液滴粒徑與其濃度呈負相關，當CDF質量分數增加到0.8%以上時，CDF在油水界面的吸附密度提高，乳液液滴間的空間位阻效應變強，液滴間的有效碰撞可能性降低，從而減少液滴聚結的發生，因此液滴粒徑減小[21-22]，乳液乳化性能增強。

a-0.4%;b-0.8%;c-1.2%;d-1.6%;e-2.0%圖2 不同質量分數CDF乳液粒徑分布和顯微結構Fig.2 Particle size distributions and microstructure of emulsions under different concentrations of CDF

2.4 CDF乳液電位

Zeta電位能夠反映油滴在分散體系中的穩定情況。圖3為不同濃度CDF乳液Zeta電位。

圖3 不同質量分數CDF對其乳液電位大小的影響Fig.3 Zeta potential of emulsions under different concentrations of CDF

CDF乳液Zeta電位為負值，這主要因為CDF帶有陰離子電荷—COO-。當CDF質量分數從0.4%增加到0.8%時，Zeta電位顯著減小；從0.8%增加到1.6%時，Zeta電位變化不顯著；質量分數進一步增加到2%時，Zeta電位再次減小。產生這樣的現象可能是因為當膳食纖維粒子包覆在油滴表面時，油滴會與疏水基團結合，使親水基團暴露，導致液滴之間的靜電排斥作用增加。隨著CDF質量分數的增加，包覆在乳液液滴表面的纖維粒子相互纏結，界面吸附的粒子與液相中粒子纏結，減少了暴露在外面的親水基團的數量，液滴之間靜電排斥作用減弱，這有助于液滴周圍形成致密薄膜，進而形成更強的網絡結構，使得乳液Zeta電位減小且穩定性提高[23]。因此，質量分數2%的CDF乳狀液穩定性最好。

2.5 CDF乳液分層穩定性

乳液分層指數可以反映油滴與水相乳化液的聚集和分離程度，圖4為不同質量分數CDF乳液在儲藏72 h內的分層指數。隨著CDF濃度的增加，分層指數下降，當質量分數達到2.0%時乳液的分層指數最低，穩定系數最高。分層穩定性的提高主要是因為液滴顆粒粒徑減小，增加了連續相的黏度，減小了連續相之間的密度差。可能是因為隨著CDF質量分數增加，連續相中的粒子通過高速分散器剪切后會形成三維凝膠網絡結構，增加連續相的黏度，限制液滴的遷移，這與圖6-a中乳液黏度隨質量分數增加而增大一致。此外，CDF包裹在油滴表面，通過增加油滴的密度使油滴和連續相的密度差減小，也有助于提高乳液的分層穩定性[23]。

圖4 不同質量分數CDF乳液分層指數Fig.4 Creaming index of emulsions under different concentrations of CDF

2.6 CDF乳液TSI結果

TSI是對乳液不穩定過程的定量分析，用于表征樣品的穩定性。TSI值越大，穩定性越差[24]。如圖5所示，隨著時間的延長所有處理組TSI值增大，在1 800 s內，CDF的添加提高了乳液體系的總體穩定性，且在質量分數為2.0%時TSI值最小，說明此時乳液最穩定，不易聚集、絮凝或相分離，該結果與乳液分層指數變化趨勢一致。

圖5 不同質量分數CDF乳液TSI的變化Fig.5 Turbiscan stability index of emulsions under different concentrations of CDF

2.7 CDF乳液流變學特性

圖6-a顯示了CDF乳液在不同剪切速率下表觀黏度的變化。乳液黏度隨著CDF質量分數的增加(0.4%～2.0%)而升高，可能是由于CDF質量分數增加，未被吸附的粒子數增加，增強了分子間的相互作用和摩擦，使得連續相中的CDF黏連形成更加穩定的三維網絡結構，提高了乳液黏度。這與LAN等[10]的研究相一致，乳液的表觀黏度隨著玉竹膳食纖維濃度的增加而增加。

圖6-b顯示了CDF乳液在角頻率掃描模式下G′與G″的變化。在乳液分散體系中，除0.4%的添加量外，其他質量分數CDF乳液體系的G′均高于G″，說明在整個體系中彈性占據主導地位[25]。0.4%質量分數CDF在低頻率下主要表現出彈性響應，高頻率下主要是黏性響應，因此在中間頻率下存在交叉點。這種黏彈性現象顯示了濃縮溶液的特征，而非形成穩定的三維網絡結構[26]。乳液體系的G′和G″隨著CDF質量分數的增加而提高，且呈現出較弱的頻率依賴性，這可能是CDF質量分數增加時，體系中纖維粒子濃度也增加，使得更多的纖維粒子參與構建網絡結構，導致體系彈性和黏性提升，從而形成強度更大的凝膠網絡。

a-剪切速率掃描;b-角頻率掃圖6 不同質量分數CDF對其乳液流變學特性的影響Fig.6 Rheological properties of emulsions under different concentrations of CDF

2.8 CDF-大豆油界面張力

如圖7所示，所有乳液界面張力隨時間的延長而降低，說明CDF能夠吸附油滴表面，在油-水界面形成界面層，使體系趨于穩定。在500 s內，界面張力值下降迅速，表明DF粒子迅速吸附在油滴表面；隨著時間的延長，界面張力值下降緩慢，這可能是因為油水界面逐漸達到飽和。界面張力的降低有助于DF粒子在界面上的吸附、拉伸和重排，從而改善其乳化性。與低質量分數CDF相比，高質量分數的CDF與大豆油之間的界面張力明顯降低，且2.0%時達到最低。不同濃度CDF能明顯改變油-水的界面張力，主要是乳液體系中DF粒子吸附在油滴表面形成界面層的穩定程度不同。

圖7 不同質量分數CDF對其乳液界面張力的影響Fig.7 Interfacial tension of emulsions under different concentrations of CDF

3 結論與討論

鷹嘴豆膳食纖維表現出較高的持水、持油性，可能是CDF的疏松多孔結構，存在的凹陷和褶皺使其表面積增加所致；隨著CDF質量分數的增加，乳液粒徑減小，液滴分布更加均勻；乳液分層指數、TSI及界面張力結果表明，CDF質量分數的增加能顯著提高乳液穩定性，且2%的CDF乳液穩定性最好；乳液的表觀黏度隨著CDF濃度的增加而增大，使CDF在油水界面的吸附密度提高，減少了液滴間的聚集；角頻率掃描模式下乳液的儲能模量在CDF質量分數2%時達到最大，這有利于形成有序的凝膠網絡結構。因此，CDF的良好理化及乳化特性，在改善產品質量、豐富膳食纖維含量方面具有良好的應用前景。