抗氧化劑篩選復(fù)配及在咖啡飲料中的應(yīng)用研究

常旋,徐春明,陳佳,張佳靚,葛麗霞,陽(yáng)麗紅,王根女,王旭捷,張?chǎng)?陳雄*

1(恒楓食品科技有限公司,浙江 杭州,311200)2(宏勝飲料集團(tuán)有限公司,浙江 杭州,311200)

食品工業(yè)中,常用添加抗氧化劑的方式來(lái)減緩氧化降解?？寡趸瘎┠軌蛲ㄟ^(guò)抑制氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生或傳播來(lái)延遲或抑制油脂等物質(zhì)的氧化,提高食品保質(zhì)期[1]。目前,常用的抗氧化劑主要有合成抗氧化劑和天然抗氧化劑。合成抗氧化劑包括丁基羥基茴香醚(butylated hydroxyanisole,BHA)、二丁基羥基對(duì)甲酚(butylated hydroxytoluene, BHT)、特丁基對(duì)苯二酚(tert-butylhydroquinone, TBHQ)、沒(méi)食子酸丙酯(propyl gallate, PG)等[2-3]。天然的抗氧化劑有維生素C、茶多酚(epigallocatechin gallate, EGCG)、維生素E[4]和多種植物提取物如甘草提取物等[5]。

油脂和含脂肪類飲料如植物基奶、咖啡等在高溫、光照等不良貯存環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)脂肪氧化,產(chǎn)生不良風(fēng)味,影響消費(fèi)者的感官體驗(yàn),常見(jiàn)的解決方案為添加抗氧化劑[6]。王娜等[7]為延緩花生乳中油脂的氧化變質(zhì),在花生乳中添加蘋果多酚,明顯提高了花生乳飲料的油脂穩(wěn)定性。楊春芳等[8]研究發(fā)現(xiàn)迷迭香提取物、茶多酚、TBHQ、維生素E等抗氧化劑的加入,明顯改善了米酒奶的風(fēng)味穩(wěn)定性。然而,隨著食品工業(yè)中產(chǎn)品品類的不斷豐富,單一抗氧化劑逐漸不能滿足食品行業(yè)的發(fā)展需求,因此不同抗氧化劑之間的復(fù)配逐漸成為抗氧化劑發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]。ROMANO等[10]研究發(fā)現(xiàn),迷迭香提取物和BHT等量混合后具有協(xié)同抗氧化作用?，F(xiàn)有研究表明,抗氧化劑在油脂和O/W乳液中作用效果并不相同。在O/W乳液中,抗氧化劑的能力會(huì)因親水相和疏水相之間的分配、乳化劑的性質(zhì)、油-水界面處的復(fù)雜界面效應(yīng)等發(fā)生變化[11],而且對(duì)于含脂肪類飲料,脂肪以O(shè)/W乳液形式存在。因此探究不同抗氧化劑在O/W乳液中的抗氧化能力很有必要。本研究以椰子油乳液為基礎(chǔ),探究了多種水溶性和脂溶性抗氧化劑的抗氧化效果,并依此研究成果開(kāi)發(fā)一支含水溶性和脂溶性抗氧化劑的復(fù)配抗氧化劑,應(yīng)用于咖啡飲料研究其對(duì)于風(fēng)味穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果將為開(kāi)發(fā)風(fēng)味特性更穩(wěn)定的含脂肪類飲料提供一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

椰子油,上海捷聰貿(mào)易有限公司;變性淀粉,宜瑞安食品配料有限公司;TBHQ,江西凱泰食品科技有限公司;PG,張家界久瑞生物科技有限公司;BHT,江蘇邁達(dá)新材料股份有限公司;BHA,Camlin fine化工有限公司;維生素E,浙江伊寶馨生物科技股份有限公司;維生素C,黑龍江新和成生物科技有限公司;綠咖啡豆提取物、EGCG,浙江天草生物科技股份有限公司;甘草提取物、竹葉黃酮、余甘子提取物,浙江圣氏生物科技有限公司;咖啡粉,麥隆咖啡股份有限公司。

磁力攪拌器,艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司;移液槍,艾本德中國(guó)有限公司;SPX-250B-Z生化培養(yǎng)箱,上海博訊醫(yī)療生物儀器股份有限公司;UV-1800紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),日本島津有限公司;IKA T25高速分散機(jī),德國(guó)IKA公司;APV1000均質(zhì)機(jī),斯必克流體技術(shù)有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋,國(guó)華(常州)儀器制造有限公司;激光粒度儀3000,馬爾文帕納科公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 DPPH自由基清除率

根據(jù)MISHRA等[12]的方法并稍作調(diào)整。稱取0.011 0 g DPPH,用無(wú)水乙醇稀釋并定容至250 mL,得到0.11 mmol/L的DPPH溶液。準(zhǔn)確吸取0.2 mL待測(cè)樣與2.8 mL DPPH溶液,混勻后避光放置30 min,517 nm處測(cè)定吸光值A(chǔ)。按公式(1)計(jì)算DPPH自由基清除率:

(1)

式中:A,0.2 mL待測(cè)樣稀釋溶劑和2.8 mL DPPH溶液的吸光值;Ai,0.2 mL待測(cè)樣與2.8 mL DPPH的吸光值;Aj,0.2 mL待測(cè)樣和2.8 mL無(wú)水乙醇的吸光值。

1.2.2 乳液的制備

油相為椰子油,乳化劑為變性淀粉。添加脂溶性抗氧化劑時(shí)先將其溶于油相中,水溶性抗氧化劑先溶于水相。剪切條件下將油相添加至水相中,10 000 r/min剪切10 min,剪切后于280 bar均質(zhì)2次。

1.2.3 油脂氧化

初級(jí)氧化產(chǎn)物的測(cè)定參考LI等[13]、DONG等[14]的方法,并做一定修改。0.3 mL乳狀液中加入1.5 mLV(異辛烷)∶V(異丙醇)=3∶1混合液,振蕩30 s,3 000 r/min 離心5 min后取0.2 mL有機(jī)相與2.8 mLV(甲醇)∶V(正丁醇)=2∶1混合液混合,再加入15 μL硫氰酸銨溶液(3.94 mol/L)和15 μL亞鐵離子溶液(由0.132 mol/L BaCl2溶液和0.144 mol/L FeSO4溶液按體積比為1∶1混合而成),避光反應(yīng)20 min后,510 nm下測(cè)定吸光度。以異丙苯過(guò)氧化氫(cumene hydroperoxide, CHP)為標(biāo)準(zhǔn)物繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 復(fù)配抗氧化劑制備

乳化劑為變性淀粉,油相為維生素E。脂溶性抗氧化劑加入時(shí)先將其溶于維生素E中,水溶性抗氧化劑先溶于水相。剪切條件下將油相添加至水相中,10 000 r/min剪切10 min,剪切后于280 bar均質(zhì)2次。

1.2.5 乳液貯藏穩(wěn)定性

乳液制備完成后,置于55 ℃恒溫培養(yǎng)箱中,貯藏期間定期取樣測(cè)定粒徑,結(jié)果以粒徑分布和體積平均粒徑D[4,3]呈現(xiàn)。

1.2.6 咖啡飲料的制備

咖啡飲料的工藝流程如下[15]:

原料溶解→混料→調(diào)節(jié)pH→定容→均質(zhì)→殺菌→灌裝

原料溶解包括:咖啡粉攪拌溶解并調(diào)節(jié)pH至7.0;椰子油和穩(wěn)定劑剪切溶解。原料溶解后混料,并調(diào)節(jié)pH值至7.0。隨后進(jìn)行定容均質(zhì),均質(zhì)后進(jìn)行超高溫瞬時(shí)殺菌,最后灌裝得到成品。

1.2.7 咖啡飲料的油脂氧化

初級(jí)氧化產(chǎn)物的測(cè)定方法同1.2.3節(jié)。

1.2.8 感官評(píng)價(jià)

選擇10名專業(yè)感官分析人員成立感官鑒定小組,對(duì)咖啡飲料的香氣、滋味、組織狀態(tài)和總體接受度進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 咖啡感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory scoring criteria for coffee beverages

1.2.9 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品設(shè)置3組平行,采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和DPPH自由基清除率的IC50值,數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行ANOVA方差分析,并以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同抗氧化劑的IC50值

評(píng)估抗氧化劑性能的常見(jiàn)方法有DPPH自由基清除法,可以通過(guò)半數(shù)清除率(IC50,即DPPH自由基清除率為50%時(shí)的溶液濃度[16])來(lái)評(píng)價(jià)抗氧化劑自由基的清除能力,IC50值越小,表示抗氧化能力越強(qiáng)[17]。由圖1可知,在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi),抗氧化劑對(duì)DPPH自由基的清除效果與其濃度呈現(xiàn)正相關(guān)。表2為不同抗氧化劑的DPPH自由基的IC50值,其中TBHQ、PG、EGCG、維生素C和余甘子提取物的IC50值相對(duì)較小。

a-水溶性;b-脂溶性圖1 水溶性和脂溶性抗氧化劑的DPPH自由基清除率Fig.1 DPPH radical scavenging rates of water solubility and oil solubility antioxidants.

表2 不同抗氧化劑DPPH自由基的IC50值Table 1 IC50 values of DPPH free radicals of different antioxidants

2.2 椰子油乳液的穩(wěn)定性

2.2.1 粒徑穩(wěn)定性

本研究以椰子油乳液為模型,研究不同抗氧化劑的抗氧化效果。圖2為椰子油乳液初始和55 ℃貯藏8周后的粒徑分布圖。

由圖2可知,椰子油乳液在0.8 μm處呈單峰分布,55 ℃貯藏8周后粒徑分布基本沒(méi)有變化。初始和55 ℃貯藏8周后D[4,3]均為0.9 μm(結(jié)果未顯示)。結(jié)果表明該椰子油乳液體系穩(wěn)定性較好,可以作為研究模型進(jìn)行后續(xù)抗氧化效果的驗(yàn)證。

圖2 椰子油乳液的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of coconut oil emulsion

2.2.2 組成和氧化穩(wěn)定性

食品添加劑需滿足GB 2760—2014 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》的要求。其中,要求BHT、BHA和TBHQ類抗氧化劑在油脂中的添加量≤0.2 g/kg。因此后續(xù)以BHT在油脂中的添加量0.02%為標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)DPPH自由基清除效果確定其他抗氧化劑的添加量。最終添加量如表3所示。

表3 不同抗氧化劑的添加量Table 3 The amount of different antioxidants.

由于溫度和光線的影響,食用油的氧化自然會(huì)發(fā)生[18]。圖3為水溶性和脂溶性抗氧化劑對(duì)55 ℃和光照下貯藏8周期間椰子油乳液初級(jí)氧化產(chǎn)物的影響。不同測(cè)定體系的差異,如溶劑物理性質(zhì)、體系微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)抗氧化劑在體系中的分散情況有較大影響,進(jìn)而影響抗氧化劑的作用機(jī)制與效果。在O/W乳液中,抗氧化劑的性能不僅與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān),還與其物理性質(zhì)有關(guān)。抗氧化劑在水相、油相和油-水界面的分配對(duì)抗氧化效率有關(guān)鍵的影響。因此在DPPH自由基清除體系和椰子油乳液體系中的效果可能會(huì)有所差異。

貯藏期間,空白椰子油乳液在不同條件下的初級(jí)氧化產(chǎn)物均逐漸增多。55 ℃貯藏8周后初級(jí)氧化產(chǎn)物為4 mmol CHP/kg,水溶性和脂溶性抗氧化劑的加入均改善了油脂氧化的程度。光照條件下,油脂氧化的更迅速,8周后空白乳液的初級(jí)氧化產(chǎn)物累積至29.9 mmol CHP/kg油。除維生素C以外,水溶性抗氧化劑的加入均降低了脂肪氧化的程度。其中,效果最好的是甘草提取物和竹葉黃酮,光照下貯藏8周后的氧化產(chǎn)物分別為10.4、8.1 mmol CHP/kg,減少了65%和73%。脂溶性抗氧化劑中,光照條件下PG的抗氧化效果最差。光照貯藏4周期間,維生素E的抗氧化效果最好。根據(jù)上述結(jié)果可知,抗氧化劑在乳液中并沒(méi)有表現(xiàn)出原有的抗氧化性。WANG等[19]發(fā)現(xiàn),迷迭香提取物與BHT的DPPH自由基清除效果相似,但在亞麻籽油中,迷迭香提取物的抗氧化效果優(yōu)于BHT。這也與金清馨[17]的研究結(jié)果一致,可能與在乳液中的分布位置相關(guān),也可能和自身所含有的功能性成分有關(guān),抑制或增加了抗氧化能力。

根據(jù)初級(jí)氧化產(chǎn)物的結(jié)果可以看出,水溶性抗氧化劑中效果較好的是竹葉黃酮和甘草提取物,脂溶性抗氧化劑中相對(duì)效果較好的是BHA、BHT、TBHQ[20]和維生素E。多項(xiàng)研究表明,BHA、BHT、TBHQ這類合成抗氧化劑可能存在潛在毒性,且國(guó)標(biāo)對(duì)添加量有所限制,油脂氧化結(jié)果雖然與維生素E有顯著性差異但差別并不大,因此后續(xù)選擇維生素E為脂溶性抗氧化劑[12,21]。

a-水溶性抗氧化劑55 ℃;b-水溶性抗氧化劑光照;c-脂溶性抗氧化劑55 ℃;d-脂溶性抗氧化劑光照?qǐng)D3 不同抗氧化劑在55 ℃和光照下對(duì)椰子油乳液抗氧化效果的影響Fig.3 Effects of different antioxidants on the antioxidant effect of coconut oil emulsion at 55 ℃ and light注:圖中小寫字母表示存在顯著性差異(P<0.05)(下同)。

2.3 復(fù)配抗氧化劑組成及穩(wěn)定性

研究表明,在O/W乳液中,脂溶性抗氧化劑和水溶性抗氧化劑分別傾向于在油相和油-水界面發(fā)揮抗氧化作用。DAI等[22]研究發(fā)現(xiàn),α-生育酚作為脂溶性抗氧化劑在油相中清除自由基,茶多酚作為水溶性抗氧化劑在油-水界面清除自由基,從而達(dá)到協(xié)同增效的作用。因此,不同極性抗氧化劑的復(fù)配很有必要。

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最終篩選出抗氧化效果較好的脂溶性抗氧化劑維生素E,水溶性抗氧化劑甘草提取物和竹葉黃酮。因此以脂溶性抗氧化劑維生素E為油相,并固定含量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)(根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),維生素E含量為15%時(shí)抗氧化劑乳液仍可以保持穩(wěn)定,超過(guò)15%后貨架期內(nèi)不穩(wěn)定)。根據(jù)甘草提取物和竹葉黃酮在水相的溶解度,確定水溶性抗氧化劑添加量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),得到復(fù)配抗氧化劑。

復(fù)配抗氧化劑初始和55 ℃貯藏8周后的粒徑D[4,3]如表4所示,粒徑分布如圖4所示。維生素E和甘草提取物復(fù)配抗氧化劑呈現(xiàn)單峰分布,初始粒徑為0.32 μm,55 ℃貯藏8周期間粒徑和粒徑分布均沒(méi)有發(fā)生變化。維生素E和竹葉黃酮復(fù)配抗氧化劑為單峰分布,初始粒徑為0.42 μm,55 ℃貯藏8周期間,粒徑?jīng)]有發(fā)生變化。因此2種復(fù)配抗氧化劑均有較好的穩(wěn)定性,可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)在飲料體系中的應(yīng)用。

表4 復(fù)配抗氧化劑的粒徑Table 4 Particle size of compound antioxidants

a-維生素E+甘草;b-維生素E+竹葉黃酮圖4 貯藏期間不同復(fù)配抗氧化劑的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of different compound antioxidants during storage

2.4 咖啡飲料中的應(yīng)用

2.4.1 油脂氧化

多項(xiàng)研究表明,不同抗氧化劑以合適的比例復(fù)配后的抗氧化能力高于單獨(dú)抗氧化能力之和[23-25]。水溶性和脂溶性抗氧化劑復(fù)配后,以乳液的形式添加至咖啡飲料中。圖5為抗氧化劑的添加與否對(duì)咖啡飲料在55 ℃和光照條件下貯藏8周期間油脂氧化程度的影響。由圖5可知,貯藏期間,咖啡飲料的初級(jí)氧化產(chǎn)物均呈現(xiàn)逐漸增加的現(xiàn)象,前期增加迅速,后期略有減緩?？Х蕊嬃系某跏佳趸a(chǎn)物值相似。未添加抗氧化劑的空白咖啡飲料在55 ℃貯藏8周后,初級(jí)氧化產(chǎn)物增加至14.5 mmol CHP/kg。由圖可知,添加單一抗氧化劑后,咖啡飲料的氧化現(xiàn)象有所改善。而與單一抗氧化劑相比,添加復(fù)配抗氧化劑的咖啡飲料,氧化程度更低,與空白咖啡飲料相比降低了38%左右。光照條件下,空白咖啡飲料貯藏8周后,初級(jí)氧化產(chǎn)物增加至24.6 mmol CHP/kg。復(fù)配抗氧化劑的加入比單一抗氧化劑效果更佳,初級(jí)氧化產(chǎn)物較空白飲料降低了53%左右。高錦鴻等[26]研究發(fā)現(xiàn)花生油在不同溫度下均呈現(xiàn)前期氧化迅速,后續(xù)減緩的現(xiàn)象。王娜等[7]發(fā)現(xiàn)花生乳飲料在貯藏期間,過(guò)氧化值也呈現(xiàn)逐步增加的現(xiàn)象,而蘋果多酚等抗氧化劑的加入則減緩了花生乳的氧化進(jìn)程。綜上所述,抗氧化劑的加入對(duì)咖啡飲料的氧化穩(wěn)定性有積極作用,復(fù)配抗氧化劑效果優(yōu)于單一抗氧化劑。

a-55 ℃;b-光照?qǐng)D5 55 ℃和光照貯藏期間咖啡的初級(jí)氧化產(chǎn)物Fig.5 Primary oxidation products of coffee during storage at 55 ℃ and sunlight

2.4.2 感官評(píng)分

考慮到咖啡飲料體系在55 ℃放置8周后會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題,因此圖6為咖啡飲料在55 ℃下貯藏2周,光照條件下貯藏8周后的感官評(píng)分。由圖可知,貯藏后空白咖啡飲料出現(xiàn)了油脂氧化的異味,導(dǎo)致香氣減弱,風(fēng)味不協(xié)調(diào)。由于55 ℃和光照貯藏期間,油脂氧化產(chǎn)物的積累,導(dǎo)致總體接受程度僅有3～5分。主要是因?yàn)轶w系中含有的油脂發(fā)生了油脂氧化產(chǎn)生異味,導(dǎo)致整體香氣的變化。單獨(dú)抗氧化劑加入后,一定程度上改善了咖啡飲料的風(fēng)味變化。異味程度低,香氣和滋味較空白咖啡更協(xié)調(diào),總體接受度提升至6～7分。2種復(fù)配抗氧化劑的加入均使得咖啡飲料中異味減少,改善了貯藏后的香氣和滋味,總體接受度均提高至8分。 結(jié)果表明,復(fù)配抗氧化劑比單獨(dú)抗氧化劑的效果更好,更明顯地改善了咖啡飲料中油脂的氧化情況,提高了消費(fèi)者對(duì)該款咖啡飲料的總體接受度。

a-55 ℃;b-光照?qǐng)D6 55 ℃和光照貯藏后咖啡飲料的感官評(píng)價(jià)Fig.6 Sensory evaluation of coffee beverages after storage at 55 ℃ and sunlight

3 結(jié)論

通過(guò)不同水溶性和脂溶性抗氧化劑的DPPH自由基清除率的結(jié)果發(fā)現(xiàn),TBHQ、PG、維生素C、EGCG和余甘子提取物的抗氧化效果較好。研究不同抗氧化劑對(duì)椰子油乳液中油脂氧化穩(wěn)定性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗氧化劑的DPPH自由基清除率能力和油脂氧化穩(wěn)定性并沒(méi)有呈現(xiàn)正相關(guān)。固定DPPH自由基清除能力一致時(shí),對(duì)椰子油乳液而言,效果較好的是水溶性抗氧化劑竹葉黃酮和甘草提取物,脂溶性抗氧化劑BHT、TBHQ和維生素E。根據(jù)油脂氧化的結(jié)果,篩選并制備了維生素E和甘草提取物、維生素E和竹葉黃酮兩支復(fù)配抗氧化劑。在55 ℃和光照條件下貯藏8周后,D[4,3]和粒徑分布均沒(méi)有明顯變化。而且兩支復(fù)配抗氧化劑乳液的加入明顯減少了咖啡飲料中油脂氧化產(chǎn)物的堆積,抑制了異味的產(chǎn)生,使得香氣更加協(xié)調(diào),提高了總體接受度。該研究制備的復(fù)配抗氧化劑在提高飲料風(fēng)味穩(wěn)定性的同時(shí),還可以減少研發(fā)人員在抗氧化劑篩選和配方調(diào)整方面的工作,加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程,在飲料行業(yè)有一定市場(chǎng)需求。