穆 碩，鹿 瑤，高彥祥，毛立科*

（北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，教育部北京市共建功能乳品重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083）

蛋白質乳液凝膠又稱乳化顆粒填充蛋白質凝膠，其特點是蛋白質凝膠中含有乳化的油滴。乳化油滴表面積較大，可以和凝膠網(wǎng)絡中的分子有更多的接觸，成為網(wǎng)絡結構中的支撐物。通過改變油滴結構，包括粒徑大小與分布、油相結晶度等可以調節(jié)凝膠的形成過程，并影響凝膠的質構特性[1]。許多食品，如豆腐、香腸、奶酪、酸奶都可以歸類為蛋白質乳液凝膠。另一方面，蛋白質乳液凝膠可以作為食品功能因子的傳遞體系：脂溶性功能因子可以分散在油滴中，水溶性功能因子則可以分散到凝膠結構當中[2]。功能因子一方面受到凝膠的保護，另一方面被凝膠結構固化，因此具有較高的化學穩(wěn)定性[3]。以往針對食品功能因子傳遞體系的研究主要集中于單一功能因子或者相似極性功能因子，而對于能夠同時包埋不同極性功能因子的傳遞體系研究較少[4-5]。

許多食品體系中同時含有蛋白質和多糖。荷電能力不同的多糖與蛋白質相互作用各不相同，兩者共存時可以形成單連續(xù)相凝膠體系、雙連續(xù)相凝膠體系、均勻連續(xù)凝膠體系、非均勻鏈狀凝膠體系等不同微觀結構[6-7]。但是，已有的研究主要針對體系組分和結構相對簡單的蛋白質凝膠體系[8]，而對含有油相和油水界面的蛋白質乳液凝膠的研究非常有限。乳液凝膠中，多糖的存在不僅影響水相結構和蛋白質的凝膠過程，還影響油滴分布、界面組分和結構[9-10]，因此多糖對乳液凝膠性能的影響機制更加復雜，需要更深入的研究。

本課題研究果膠對大豆分離蛋白乳液凝膠理化性質及復合維生素穩(wěn)定性的影響機制。通過控制大豆分離蛋白乳狀液油滴粒徑大小、調節(jié)油滴界面組成，研究不同果膠添加量及熱處理溫度對乳狀液穩(wěn)定性、蛋白質凝膠過程（凝膠時間）及凝膠結構（質構、持水性）特性的影響；通過追蹤蛋白質乳液凝膠在貯藏過程中復合維生素含量的變化，闡釋凝膠結構對不同維生素穩(wěn)定性的影響機理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白（930E） 山東萬德福公司；玉米油山東三星玉米產(chǎn)業(yè)科技有限公司；葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯（glucono delta-lactone，GDL） 上海新洛洛食品有限公司；果膠（食品級） 北京寶得瑞公司；VE（食品級） 浙江新和成股份有限公司；D-異抗壞血酸鈉（食品級） 諸城華源生物工程有限公司；無水乙醇、碘、淀粉指示劑（均為分析純） 北京化工廠。

1.2 儀器與設備

JY 92-IIN超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技公司；T25高速剪切機 德國IKA公司；NS1001L2K高壓均質機 意大利GEA NiroSoavi公司；Zeta-sizer Nano-ZS90馬爾文激光粒度儀 英國Malvern公司；LF111 LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀 德國LUM公司；AR1500流變儀 美國TA公司；TNS-Pro質構儀 美國FTC公司；3k15離心機 德國Sigma公司；UV-1800紫外-可見分光光度計 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 大豆分離蛋白乳狀液的制備

將定量大豆分離蛋白與去離子水混合，磁力攪拌實現(xiàn)初步分散；分散液在室溫條件下通過超聲波細胞粉碎機進行超聲處理（400 W、5 min），促進大豆分離蛋白的溶解；加入0.01%的疊氮化鈉防止蛋白質腐敗；向蛋白質水溶液中分別加入質量分數(shù)0%、0.05%、0.1%、0.2%的果膠，磁力攪拌過夜使果膠充分水合并分散在溶液當中；大豆分離蛋白-果膠混合溶液在70 ℃或80 ℃水浴中加熱30 min，利用冰浴迅速冷卻；此溶液作為乳狀液制備的水相。

水相中添加玉米油（油水相質量比1∶4），使用高速剪切儀以10 000 r/min的轉速剪切1 min制成粗乳液；再通過高壓均質機（50 MPa均質3 次）獲得乳液；所得乳液通過冰水迅速冷卻至室溫。

1.3.2 蛋白質乳液凝膠的制備[11]

向制備的乳液中添加質量分數(shù)0.5%的GDL并混勻，室溫條件下靜置12 h以獲得蛋白質乳液凝膠。當利用乳液凝膠作為復合維生素傳遞體系時，在乳液的水相和油相中分別加入D-異抗壞血酸鈉（0.5%）和VE（1%）。預實驗表明，2 種維生素的添加對乳液粒徑、穩(wěn)定性及凝膠的質構特性無顯著影響。

1.3.3 乳液粒徑和Zeta電位的測定

采用激光粒度儀測定乳液的粒徑與電位。取100 μL樣品于試管中，加入20 mL去離子水稀釋200 倍。測量時設定折光系數(shù)為1.450，25 ℃保溫平衡2 min。為了減少多重散射所造成的測量誤差，每個樣品重復測定3 次，取平均值。

1.3.4 乳液穩(wěn)定性的測定[12]

應用LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀，通過加速分層和量化沉淀、懸浮的方法快速測定乳液的穩(wěn)定性。測量過程中，取乳液約1.8 mL注射到光徑為2 mm的樣品試管底部，平放至儀器中，使用近紅外或藍色光從側面照射樣品試管，并通過另一面的探測器接收樣品不同位置透過的光，從而得到樣品透射率分布的變化。通過測量不同時間條件下樣品的透射曲線，從而分析樣品物理穩(wěn)定性和粒子遷移過程。

實驗條件設定為溫度25 ℃，離心轉數(shù)4 000 r/min，樣品透射率的特征線每10 s記錄一次，共800 次。每次測定做一組平行。

1.3.5 凝膠時間的測定[11]

采用1.3.2節(jié)方法在流變儀平行面板上實現(xiàn)乳液向凝膠轉變，利用流變儀動態(tài)監(jiān)測凝膠形成過程中儲能模量和損耗模量（G’和G”）的演變過程。流變儀參數(shù)：60 mm平行面板（探頭），平板間隙1 mm，實驗溫度25 ℃。振蕩實驗：0.5%應變，1 Hz振蕩頻率，每10 s進行一次測定，共測定12 h。樣品周邊涂一薄層硅油以減少測量過程中水分的蒸發(fā)。定義凝膠時間為G’-時間曲線和G”-時間曲線的交點。

1.3.6 蛋白質乳液凝膠質構分析

采用1.3.2節(jié)方法使乳液在50 mL離心管中成膠，使用質構儀測定凝膠的硬度和彈性。質構儀參數(shù)：圓柱型柱塞探頭（直徑20 mm），在25 ℃條件下以1 mm/s的速率壓縮（形變10 mm）2 次，做3 組平行并記錄壓力-時間曲線。定義硬度為第1次壓縮時的最大峰值壓力，定義彈性為第2次壓縮中所測到的樣品恢復高度與第1次壓縮型變量之比，即樣品經(jīng)過第1次壓縮后能夠再恢復的程度。

1.3.7 貯藏過程中蛋白質乳液凝膠中維生素穩(wěn)定性分析

含有復合維生素的乳液凝膠在室溫條件下貯藏12 d，每3 d測定凝膠中維生素的含量，計算維生素的包埋率，公式如下：

1.3.7.1 VE含量的測定[13]

參考GB 1886.233—2016《食品添加劑維生素E》。準確稱取含VE的乳液凝膠3.0 g，加無水乙醇25 mL，攪拌，促進VE的溶出，冷卻過濾，提取3 次合并濾液；采用分光光度計法測定在284 nm波長處的濾液吸收峰；利用標準曲線（y=0.005 2x-0.033 5）計算濾液中VE的含量。

1.3.7.2 D-異抗壞血酸鈉含量的測定[14]

參考GB 8273—2016《食品添加劑D-異抗壞血酸鈉》的方法測定。準確稱取凝膠樣品5 g，加30 mL蒸餾水搗碎后水浴加熱溶解；3 600 r/min離心30 min。用注射器吸取下層清液，采用碘滴定法測定清液中D-異抗壞血酸鈉含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組實驗至少重復2 次，每個樣品至少檢測3 組數(shù)據(jù)，結果用表示。運用Origin 8.0軟件，采用Duncan法對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，顯著水平為5%。

2 結果與分析

2.1 果膠對乳狀液性質的影響

乳狀液液滴大小及其分布對乳狀液的穩(wěn)定性有很大的影響[15]。根據(jù)斯托克斯規(guī)律，顆粒粒徑越小，沉淀速度越慢，乳狀液也就越穩(wěn)定。如表1所示，隨著果膠質量分數(shù)的增加乳液的粒徑都呈上升趨勢，這可能是由于加熱過程中蛋白質與果膠形成了分子質量更大的共價復合物，無法在均質過程中快速吸附[16]，使得部分油滴未能被乳化劑充分覆蓋而發(fā)生聚集。而溫度越高，則越可能促進該共價反應的進行。所以，復合物溶液制備的乳狀液粒徑越大。乳液Zeta電位的測定結果進一步驗證了此推論：果膠質量分數(shù)越高，乳液界面電勢強度（Zeta電位的絕對值）越低；溫度升高，界面電勢強度減弱（表1）。盡管有研究表明，蛋白質和多糖在帶相同電荷的情況下也可能通過靜電吸引形成非共價復合物（如通過蛋白質的正電基團與果膠的負電基團）[17]，但在本體系中無法確定其影響。

表1 果膠質量分數(shù)和預加熱溫度對乳液粒徑和Zeta電位的影響Table 1 Effects of pectin concentration and preheating temperature on particle size and zeta potential of emulsions

圖1 果膠質量分數(shù)和預加熱溫度對乳液穩(wěn)定性的影響Fig. 1 Effects of pectin concentration and preheating temperatures on the stability of emulsions

本實驗應用LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀研究不同乳液的物理穩(wěn)定性，實驗時通過加速離心的方法快速測定乳液的油-水分層情況，并記錄乳液各部位隨時間的透光率變化（通過澄清指數(shù)表示），變化越慢則說明乳液的物理穩(wěn)定性越好[18]。如圖1所示，乳液體系澄清指數(shù)處于較低的水平（＜0.25），表明乳液在貯藏過程中具有良好的乳析穩(wěn)定性，不易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這一方面是由于體系較高的界面電勢（|Zeta電位|≥30 mV），分散相液滴間存在較大的靜電斥力；另一方面，果膠的存在使得體系黏度進一步增大，減少了液滴碰撞形成較大液滴的幾率。但是果膠質量分數(shù)越高，澄清指數(shù)越高，說明蛋白質-果膠復合物的存在使得乳液體系穩(wěn)定性有下降的趨勢[19]。

2.2 果膠對蛋白質乳液凝膠性質的影響

圖2 果膠質量分數(shù)和預加熱溫度對乳液凝膠時間的影響Fig. 2 Effects of pectin concentration and preheating temperature on the gelation time of emulsions

加熱過程中，蛋白質三級結構展開，更多的疏水基團暴露。添加GDL后，乳液體系pH值不斷降低，蛋白質分子荷電量減弱，使得蛋白質分子互相交聯(lián)形成聚合物并最終形成三維網(wǎng)狀結構的凝膠[20-21]。但是，果膠的存在對凝膠過程及凝膠結構均產(chǎn)生重要影響。如圖2所示，乳液體系中果膠質量分數(shù)越高，乳液凝膠時間越短。這可能由于果膠質量分數(shù)的增加使得體系黏度提高，可以加速凝膠網(wǎng)絡結構的形成。通常條件下，高溫處理可以促進蛋白質三級結構的展開，進而加速蛋白質凝膠的形成[22]。但是，高溫處理過程中蛋白質與果膠形成共價復合物，疏水基團暴露量降低，減緩了蛋白質凝膠的形成。

圖3 果膠質量分數(shù)和預加熱溫度對乳液凝膠儲能模量的影響Fig. 3 Effect of pectin concentration and preheating temperature on the storage modulus of emulsion gels

如圖3所示，由于蛋白質-果膠復合物的形成，使得參與蛋白質凝膠形成的有效蛋白質含量降低。因此，果膠質量分數(shù)增加，乳液凝膠的強度（儲能模量G’）呈減弱趨勢。同時，因溫度升高（80 ℃）而產(chǎn)生的更多暴露的疏水基團并未完全參與蛋白質交聯(lián)，反而是由于復合物生成量增加導致最終凝膠強度較70 ℃處理體系呈變小的趨勢，但差異不顯著。眾多研究表明，在中性pH值附近，微小的pH值變化都可能對乳清蛋白-果膠復合物結構及理化性質產(chǎn)生重要影響。在pH 7條件下，乳清蛋白-果膠復合物經(jīng)85 ℃加熱30 min后形成的凝膠（由GDL誘導）其強度高于乳清蛋白單獨加熱處理后添加果膠形成的凝膠。但是在pH 6.5和pH 6.2條件下，兩類凝膠的強度無顯著性差異[23-24]。

圖4 果膠含量和預加熱溫度對乳狀液膠硬度（A）和彈性（B）的影響Fig. 4 Effect of pectin concentration and preheating temperature on firmness (A) and springiness (B) of emulsions

如圖4A所示，無論是果膠質量分數(shù)，還是蛋白質-果膠溶液加熱溫度，均未對凝膠的硬度產(chǎn)生顯著性影響（P＞0.05）。這可能是由于本研究中所形成的凝膠強度較低（G’＜2 000 Pa），在質構儀分析條件下凝膠結構被迅速破壞，無法區(qū)分出不同組分和處理條件下的凝膠的硬度差異。如圖4B所示，不同組分的乳液凝膠其彈性存在較大差異。一方面，經(jīng)過80 ℃熱處理的蛋白質-果膠復合溶液其最終形成的乳液凝膠彈性較70 ℃熱處理后形成的乳液凝膠彈性更高；另一方面，凝膠彈性隨果膠質量分數(shù)的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這些結果表明，蛋白質-果膠復合物對最終凝膠的彈性有重要影響。盡管果膠的存在使得凝膠強度降低，但可以使凝膠彈性增強。

2.3 蛋白質乳液凝膠中復合維生素穩(wěn)定性測定

傳遞體系具有改善功能因子的水（或油）分散性，增強功能因子穩(wěn)定性，提高生物利用率等優(yōu)點，是功能配料與功能食品領域研究的一個重要方向。近20年來，科學家針對多種功能因子傳遞體系，如乳狀液、脂質體、生物大分子顆粒，開展了較為系統(tǒng)的研究[25-29]。但是，現(xiàn)有的食品傳遞體系主要針對脂溶性功能因子，適用于水溶性功能因子的傳遞體系并未得到深入研究，能夠同時包埋脂溶性和水溶性功能因子的傳遞體系則鮮有報道[4,30]。乳液凝膠同時包含適用于傳遞脂溶性功能因子的乳化油滴，又包含適用于傳遞水溶性功能因子的蛋白質凝膠，因此可以被用來同時傳遞不同極性食品功能因子。本研究中利用脂溶性的VE和水溶性的D-異抗壞血酸鈉作為模式功能因子，分析乳液凝膠對復合維生素穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

圖5 果膠質量分數(shù)對貯藏過程VE穩(wěn)定性的影響Fig. 5 Effect of pectin concentration on the stability of vitamin E in emulsion gels during storage

由圖5可知，乳液凝膠中的VE含量在貯藏過程緩慢下降，其下降程度受體系組分的影響。首先，果膠質量分數(shù)越高的體系VE初始包埋率較低，降解速度也更快；其次，相比于經(jīng)過70 ℃加熱處理后形成的凝膠，經(jīng)過80 ℃加熱處理后形成的凝膠中VE初始包埋率和貯藏實驗末期VE包埋率都較低。這是由于含有蛋白質-果膠復合物的凝膠強度較弱，對VE的保護作用較低，容易受外界環(huán)境影響而發(fā)生氧化降解。

圖6 果膠質量分數(shù)對貯藏過程D-異抗壞血酸鈉穩(wěn)定性的影響Fig. 6 Effect of pectin concentration on the stability of sodium erythorbate in emulsion gels during storage

如圖6所示，乳液凝膠中的D-異抗壞血酸鈉的降解規(guī)律與VE有一定的相似性，即果膠質量分數(shù)高的體系D-異抗壞血酸鈉包埋率越低。但是，相比于VE，D-異抗壞血酸鈉的降解速率更高。例如，在含有0.2%果膠的乳液凝膠（80 ℃處理條件下）中，經(jīng)過12 d貯藏后，VE包埋率約從85%下降到75%，而D-異抗壞血酸鈉的包埋率則從70%下降到40%。造成此差異的主要原因是：1）異抗壞血酸鈉主要分布在水相，與外界環(huán)境直接基礎，更容易受到光、熱、氧的影響；2）含有果膠的乳液凝膠強度較弱，持水率低，在貯藏過程中出現(xiàn)較明顯失水現(xiàn)象，導致部分D-異抗壞血酸鈉隨水分遷移到凝膠表面，失去凝膠的保護；3）D-異抗壞血酸鈉作為抗氧化劑，在一定程度上保護了VE。

3 結 論

果膠與大豆分離蛋白在加熱過程中形成復合物，進而影響蛋白質乳液凝膠的結構特性。果膠質量分數(shù)越高，凝膠中油滴粒徑越大，凝膠時間越短，凝膠強度下降。此外，蛋白質-果膠的預加熱溫度也對凝膠結構產(chǎn)生影響。因此，通過改變果膠添加量和預加熱溫度可以有效調控乳液凝膠的結構特性。

蛋白質乳液凝膠可以作為復合維生素的傳遞體系，其穩(wěn)定性受凝膠結構影響明顯。含有果膠的凝膠強度較低，復合維生素穩(wěn)定性隨果膠含量增加而下降，D-異抗壞血酸鈉降解速率顯著高于VE，表明水相中D-異抗壞血酸鈉作為抗氧化劑保護了油相中的VE。此外，復合維生素的穩(wěn)定性變化可能還存在一定的協(xié)同機制，需要進一步研究。