趙秀杰 - 黃麗華 - 羅懷楠 -蔡勇建 - 趙謀明 - 趙強忠 -

(華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

Pickering乳濁液是一類通過固體顆粒的不可逆吸附，或者液滴之間形成的靜電斥力和空間位阻，或者固體顆粒在連續(xù)相中形成的類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的乳濁液，具有良好的抗聚結(jié)、抗懸浮能力以及穩(wěn)定性[1-2]。Pickering固體顆粒用量少，來源廣泛，環(huán)境友好，逐漸成為解決食品乳濁體系安全性和穩(wěn)定性的新選擇[3]。目前已有學(xué)者采用蛋白質(zhì)[4]、多糖[5]、脂類[6]以及蛋白—多糖復(fù)合顆粒[7]等食品級原輔料開發(fā)Pickering乳濁液，而采用食品生產(chǎn)加工副產(chǎn)物開發(fā)Pickering乳濁液的研究相對較少。

豆渣是豆腐、豆?jié){等大豆制品加工過程中的主要副產(chǎn)物，富含大豆膳食纖維，主要成分為水不溶性的纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等[8]。豆渣通常作為飼料，但由于其水分含量高，在未進行熱處理加工情況下通常作為廢物直接丟棄。然而已有研究[9]表明，豆渣可作為食品級Pickering乳濁液穩(wěn)定劑的潛在來源。趙強忠等[8]利用大豆纖維制備水包油型Pickering乳濁液，通過測定乳濁液液滴粒徑、乳析指數(shù)和離心穩(wěn)定性等，發(fā)現(xiàn)其具有很好的聚結(jié)穩(wěn)定性和分層穩(wěn)定性。Tao等[10]在豆渣中提取不溶性大豆多糖，通過超聲處理制備出尺寸為127～221 nm的食品級Pickering穩(wěn)定劑，并證明其在油—水界面的良好乳化性能和界面吸附。

熱處理是濕豆渣加工中的重要操作，同時不同熱處理方式對豆渣中不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)的含量、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有重要影響[11]。Honcu等[12]采用單螺桿擠壓方法，在130 ℃、220 r/min條件下擠壓大麥粉，由于糖苷鍵斷裂，大麥粉中IDF含量顯著降低。Pérez-jiménez等[13]在焙烤面包過程中發(fā)現(xiàn)，美拉德反應(yīng)使IDF含量增加，并且形成了“膳食纖維—美拉德反應(yīng)產(chǎn)物—多酚”復(fù)合物。Tamilselvan等[14]通過原子力顯微鏡和X-射線光電子能譜研究了非晶纖維素薄膜的熱特性，表明在熱處理過程中纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，并伴隨著表面疏水性的增加和膨脹能力的降低。沈寒知[15]對甘蔗渣分別進行真空干燥和鼓風(fēng)干燥后，發(fā)現(xiàn)甘蔗纖維中半纖維素降解，纖維素分子上的羥基含量減少，表面疏水性增加。目前IDF的研究以制備、改性以及其功能特性為主，有關(guān)于穩(wěn)定乳濁體系的報道相對較少。Yang等[16]曾通過堿預(yù)處理、高溫長時酸解及高功率超聲，以豆渣制備多糖—蛋白質(zhì)混合納米顆粒，用于穩(wěn)定Pickering高內(nèi)相乳液。但納米顆粒制備工藝相對復(fù)雜，能量輸入大。試驗旨在研究干熱預(yù)處理對不溶性大豆纖維(insoluble soybean fiber，ISF)乳化特性的影響，同時為擴展大豆副產(chǎn)物的精深加工、開發(fā)綠色食品乳濁體系提供更多選擇和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

金龍魚大豆油：市售；

脫脂豆渣：120目，食品級(豆渣組成：膳食纖維76.54%，蛋白質(zhì)13.70%，水分6.80%，灰分2.52%，脂肪0.44%)，山東冠華蛋白有限公司；

NaOH：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；

HCl：分析純，廣州化學(xué)試劑廠。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

高速分散機：IKA-T25型，德國IKA公司；

臺式高速冷凍離心機：ST16R型，美國Thermo Fisher Scientific公司；

高壓均質(zhì)機：APV-1000型，丹麥APV公司；

冷凍干燥機：ALPHA 2-4 LD plus型，德國Christ公司；

納米粒度電位分析儀：Zetasizer Nano-ZS型，英國Malvern公司；

激光粒度分析儀：Masterisizer 2000型，英國Malvern公司；

顯微鏡：MD-130型，奧林巴斯中國有限公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀：HAAKE MARS III型，美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 ISF的制備

(1) 堿處理(alkali，AK)：基于課題組[17]先前的研究并略有修改。將豆渣與去離子水以1∶25 (g/mL)混合，調(diào)節(jié)pH至12 (6 mol/L NaOH)，50 ℃攪拌2 h。將懸浮液離心(3 000 r/min，10 min，20 ℃)得到沉淀物，去離子水洗滌兩次并懸浮于去離子水中，調(diào)節(jié)pH至7 (2 mol/L HCl)。然后將懸浮液離心(8 000 r/min，10 min，20 ℃)并洗滌兩次，冷凍干燥、粉碎。將干燥的ISF儲存于干燥器中用于后續(xù)分析以及干熱處理ISF的制備。

(2) 干熱處理：參考劉恩岐等[18]提取方法并略有修改。烘烤處理的條件為110 ℃熱風(fēng)烘烤，雙螺桿擠壓的條件為擠壓溫度150 ℃。干熱處理方法依次為：烘烤—堿處理(heating alkali，HA)、堿處理—烘烤(alkali heating，AH)和堿處理—雙螺桿擠壓(alkali twin-screw extrusion，AT)，以單一堿處理提取的ISF為空白對照，單一堿處理和干熱處理ISF制備流程如圖1所示，4種ISF所制備樣品分別以AK-ISF、HA-ISF、AH-ISF和AT-ISF表示，纖維素含量分別為(84.07±0.20)%，(81.78±0.15)%，(86.92±0.45)%，(85.45±0.34)%。

1.2.2 乳濁液制備 將上述4種ISF以質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%分散于去離子水中，高速分散機剪切均勻(12 000 r/min，1 min)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的大豆油，剪切(12 000 r/min，2 min)，于30 MPa高壓均質(zhì)3次，分別得到4種乳濁液，分裝，常溫(25 ℃)貯存。

圖1 不同ISF的制備

1.2.3 新鮮乳濁液(3 h)指標(biāo)的測定

(1)ζ-電位的測定：根據(jù)Long等[19]的方法，參數(shù)設(shè)置為：進樣量750 μL，測量溫度25 ℃，平衡時間120 s。

(2) 粒度分布的測定：采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定乳濁液的粒徑大小和分布。以去離子水為分散劑，稀釋1 000倍。參數(shù)設(shè)置：顆粒折射率1.47，顆粒吸收率0.001，分散劑折射率1.33。試驗采用體積平均直徑(d4,3)表征乳濁液液滴粒徑大小，每個樣品重復(fù)測定3次，取平均值。

(3) 顯微結(jié)構(gòu)的觀測：根據(jù)Tao等[20]的方法，用光學(xué)顯微鏡觀察其顯微結(jié)構(gòu)(10×40倍)。

(4) 表觀黏度的測定：根據(jù)Cai等[21]的方法，參數(shù)設(shè)置為：平行板夾具C60/1° TiL，板間距1 mm，進樣量1.75 mL，測量溫度(25±1) ℃，剪切速率設(shè)定范圍0.0～80.0 s-1，持續(xù)時間180 s。

(5) 動態(tài)流變學(xué)分析：根據(jù)Zhao等[22]的方法，頻率掃描參數(shù)設(shè)定為：平行板夾具P60 TiL，應(yīng)力0.5 Pa，板間距1 mm，進樣量2.9 mL，溫度(25±1) ℃，頻率掃描范圍0.01～1.00 Hz。

1.2.4 貯藏期乳濁液指標(biāo)測定 分別取0，4，10，20，30，40 d乳濁液，參照方法1.2.3中粒度分布和表觀黏度的測定方法，分別測定貯藏期乳濁液的d4,3和表觀黏度，并觀察記錄乳濁液的外觀變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)平行測定3次取平均值，利用SPSS 22.0軟件，采用One-way ANOVA比較平均值，Duncan比較法進行顯著性分析。數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，以P<0.05表示數(shù)據(jù)之間的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 干熱處理對ISF新鮮乳濁液(3 h)的影響

2.1.1ζ-電位 乳濁液液滴表面電荷能有效反映液滴之間的靜電相互作用，乳濁液的ζ-電位絕對值越大，液滴間靜電排斥作用越強，有利于抑制液滴的聚結(jié)，提高乳濁液的穩(wěn)定性[23]。單一堿處理和干熱處理ISF新鮮乳濁液(3 h)ζ-電位如圖2所示。由圖2可知，4種乳濁液ζ-電位均為負(fù)值且絕對值>30，說明乳濁液體系穩(wěn)定性相對較高[24]。與AK-ISF乳濁液相比，干熱處理ISF乳濁液ζ-電位絕對值變化顯著，其中AH-ISF乳濁液ζ-電位絕對值顯著減小(P<0.05)，HA-ISF乳濁液的ζ-電位絕對值顯著增大(P<0.05)。這可能是由于豆渣中含有約14%的蛋白質(zhì)，堿處理之前的110 ℃熱風(fēng)烘烤使其與纖維素發(fā)生美拉德反應(yīng)形成交聯(lián)聚合體吸附在油水界面[13]，使乳濁液液滴ζ-電位絕對值增大；而在堿處理之后進行烘烤處理，由于熱堿溶液除去了脫脂豆渣中的大部分蛋白質(zhì)，從而使ISF的表面電荷降低。對于AT-ISF乳濁液液滴ζ-電位絕對值增大，可能是由于雙螺桿擠壓作用，根據(jù)羅根等[25]對豆渣粉進行擠壓加工的研究，經(jīng)高溫(160 ℃)擠壓的豆渣結(jié)構(gòu)更為疏松，表面更為粗糙。這更有利于ISF在油水界面的吸附，使液滴ζ-電位絕對值增大。

字母不同表示樣品之間具有顯著性差異(P<0.05)

2.1.2 顯微結(jié)構(gòu) 乳濁液液滴粒徑的大小和分布影響乳濁液的穩(wěn)定性，是控制乳濁液質(zhì)量的重要指標(biāo)，液滴粒徑越小，分布越均勻，乳濁液穩(wěn)定性越好[26]。單一堿處理和干熱處理ISF穩(wěn)定的新鮮乳濁液(3 h)顯微結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，AK-ISF乳濁液中液滴粒徑較小，有少量的大粒徑液滴和部分絮凝；干熱處理的ISF乳濁液中，小粒徑液滴數(shù)量增加，大粒徑液滴數(shù)量減少，液滴大小和分布更加均勻、細(xì)密；4種乳濁液中，AH-ISF乳濁液液滴分布的均勻性最好。以上結(jié)果表明，干熱處理ISF穩(wěn)定的乳濁液液滴均勻性和穩(wěn)定性均有所提高。

2.1.3 剪切流變特性 單一堿處理和干熱處理ISF新鮮乳濁液(3 h)剪切流變曲線如圖4所示。由圖4可知，ISF乳濁液均表現(xiàn)出剪切稀化特性[27]，即剪切速率較低時，隨著剪切速率的增加乳濁液的表觀黏度急劇下降，當(dāng)剪切速率較高時，乳濁液的表觀黏度變化幅度減小，逐漸趨于平衡。出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，可能是由于在剪切速率較低時，大粒徑液滴發(fā)生形變，ISF沿剪切方向定向排列，同時液滴包裹的部分油相釋放出來，導(dǎo)致乳濁液的表觀黏度急劇下降；隨著剪切速率增加，體系中類凝膠結(jié)構(gòu)完全被破壞，乳濁液表觀黏度趨于平衡[28-29]。4種乳濁液中，HA-ISF乳濁液起始黏度最大，AT-ISF乳濁液和AH-ISF乳濁液的起始黏度相對較小。這可能是由于干熱處理使HA-ISF發(fā)生了美拉德反應(yīng)[13]，形成的纖維素—蛋白質(zhì)聚合體吸附在油水界面，使乳濁液體系黏度增大；對于AH-ISF乳濁液和AT-ISF乳濁液，由于液滴粒徑分布均勻、細(xì)密，且粒徑尺寸較小(見圖3C、D)，因此在這兩種處理條件下乳濁液體系的黏度相對較低。

A～D依次為AK-ISF乳濁液、HA-ISF乳濁液、AH-ISF乳濁液、AT-ISF乳濁液

圖3 不同ISF乳濁液(3 h)的顯微結(jié)構(gòu)

Figure 3 Microstructure of emulsions stabilized by different ISF (3 h)

圖4 不同ISF乳濁液(3 h)的剪切流變曲線

2.1.4 動態(tài)流變學(xué)特性 動態(tài)流變學(xué)行為反映了乳濁液在掃描頻率下的黏彈性特征，通常高度結(jié)構(gòu)化的固體/凝膠表現(xiàn)出以彈性為主的流變特性，即損耗角正切值tanδ<1[30]。圖5為單一堿處理和干熱處理ISF新鮮乳濁液(3 h) G’以及tanδ隨頻率f的掃描結(jié)果。由圖5(a) 可知，AK-ISF乳濁液的G’最小，在頻率掃描范圍內(nèi)隨f增加，G’呈先減小后增大的趨勢；在圖5(b)中，AK-ISF乳濁液的tanδ不斷增大，在頻率約為0.2 Hz時，tanδ>1，說明單一堿處理ISF乳濁液體系表現(xiàn)出以黏性為主的流變特征。ISF經(jīng)干熱處理后，乳濁液的G’顯著增加，4種乳濁液中，AT-ISF乳濁液G’最大；且隨著掃描頻率增加，G’無顯著變化，tanδ<1，說明干熱處理能夠增強ISF乳濁液體系的彈性特征，乳濁液體系中形成了更穩(wěn)定的類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了乳濁液的抗聚結(jié)、抗懸浮能力[31]。

2.2 干熱處理對ISF乳濁液貯藏穩(wěn)定性的影響

2.2.1 體積平均粒徑 單一堿處理和干熱處理ISF乳濁液貯藏期體積平均粒徑(d4,3)如表1所示。由表1可知，4種乳濁液d4,3均隨貯藏時間的延長而增大。貯藏40 d后，干熱處理ISF乳濁液液滴d4,3整體顯著小于AK-ISF乳濁液液滴d4,3(P<0.05)。在貯藏期內(nèi)，AT-ISF乳濁液液滴d4,3的增幅最小(ΔAT-ISF=0.910)，AK-ISF乳濁液d4,3增幅最大(ΔAK-ISF=1.916)。對比AH-ISF和HA-ISF乳濁液發(fā)現(xiàn)，貯藏40 d后，先用堿處理除去蛋白質(zhì)再進行烘烤處理提取ISF，其穩(wěn)定的乳濁液液滴d4,3更小。根據(jù)動態(tài)流變學(xué)數(shù)據(jù)分析(圖5)，AK-ISF乳濁液的G’顯著小于其他3種乳濁液，且tanδ>1，因此在AK-ISF乳濁液中并沒有形成穩(wěn)定的類凝膠結(jié)構(gòu)，隨著貯藏時間的延長，乳濁液體系內(nèi)發(fā)生聚結(jié)等不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而導(dǎo)致液滴d4,3增大[1]。在AT-ISF乳濁液中G’最大，頻率掃描范圍內(nèi)tanδ<1，說明該體系中形成較為穩(wěn)定的類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了乳濁液的穩(wěn)定性，因此其穩(wěn)定的乳濁液液滴d4,3增幅最小。AH-ISF乳濁液比HA-ISF乳濁液的d4,3更小，可能是由于先進行堿處理除去蛋白質(zhì)，防止了先加熱產(chǎn)生蛋白質(zhì)熱聚集行為[22]，提高了ISF在乳濁液液滴表面的負(fù)載和穩(wěn)定能力，降低了乳濁液液滴d4,3。

圖5 不同ISF乳濁液(3 h)的儲能模量和損耗角正切值

Figure 5 Storage modulusG’ and loss tangent tanδof emulsions stabilized by different ISF (3 h)

表1 ISF乳濁液貯藏期的體積平均粒徑?

Table 1 Volume average particle size of emulsionsstabilized by ISF during storage

貯藏時間/d體積平均粒徑/μmAK-ISFHA-ISFAH-ISFAT-ISF04.78±0.09aB4.92±0.06aC4.02±0.03aA5.21±0.12aD46.05±0.05bB6.25±0.08bC5.05±0.086bA6.05±0.08bB106.79±0.03cC7.18±0.11cD5.28±0.09bA6.54±0.13cB209.59±0.29dD8.91±0.25dC7.43±0.12cA7.77±0.19dB3011.52±0.41eD9.92±0.19eC9.06±0.17dB8.76±0.18eA4013.94±0.36fC11.63±0.26fB11.57±0.20eB9.95±0.34fA

? 同列小寫字母不同表示樣品之間具有顯著性差異(P<0.05)；同行大寫字母不同表示樣品之間具有顯著性差異(P<0.05)。

2.2.2 表觀黏度 通常認(rèn)為剪切速率50 s-1是口腔內(nèi)感官評定的近似流動速率，表2反映了該剪切速率下單一堿處理和干熱處理ISF乳濁液表觀黏度隨貯藏時間的變化。由表2可知，隨著貯藏時間的延長，4種乳濁液表觀黏度均呈增大趨勢。在貯藏期內(nèi)，AK-ISF乳濁液表觀黏度的增加幅度最大(ΔAK-ISF=3.898)，貯藏30 d以后，AK-ISF乳濁液的表觀黏度顯著大于干熱處理ISF乳濁液的黏度。出現(xiàn)上述現(xiàn)象，可能是由于貯藏30 d以后，AK-ISF乳濁液液滴d4,3顯著增大(P<0.05)，體系內(nèi)出現(xiàn)絮凝和聚結(jié)等不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致乳濁液的表觀黏度增大。在干熱處理ISF乳濁液中，干熱處理顯著改善了乳濁液液滴的彈性特性，形成的類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使貯藏期乳濁液表觀黏度增大，從而提高乳濁液的抗聚結(jié)、抗懸浮能力，說明乳濁液表觀黏度的增大是干熱處理ISF乳濁液貯藏期穩(wěn)定的重要因素。

2.2.3 乳濁液外觀圖 圖6為單一堿處理和干熱處理ISF乳濁液貯藏期的外觀圖。由圖6可知，貯藏第10天時，AK-ISF乳濁液離心管底部開始出現(xiàn)輕微透明，但界線相對模糊；干熱處理乳濁液樣品無分層現(xiàn)象。第20天時，HA-ISF乳濁液和AH-ISF乳濁液的離心管底部也出現(xiàn)輕微的透明，但界面模糊。第40天時，AK-ISF乳濁液的離心管底部出現(xiàn)清晰的水析，HA-ISF乳濁液和AH-ISF乳濁液離心管底部出現(xiàn)了相對透明區(qū)域，但無明顯分層界線；AT-ISF乳濁液的離心管底部沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在貯藏期內(nèi)最為穩(wěn)定。

表2 ISF乳濁液貯藏期的表觀黏度?

? 同列小寫字母不同表示樣品之間具有顯著性差異(P<0.05)；同行大寫字母不同表示樣品之間具有顯著性差異(P<0.05)。

A～F分別為貯藏0，4，10，20，30，40 d的樣品；各圖從左至右依次為AK-ISF乳濁液、HA -ISF乳濁液、AH-ISF乳濁液、AT-ISF乳濁液

圖6 不同ISF乳濁液貯藏期外觀圖

Figure 6 Appearance of emulsions stabilized by different ISF during storage

乳濁液的貯藏穩(wěn)定性受諸多因素影響，乳濁液液滴粒徑越小、粒徑分布越均勻、ζ-電位絕對值越大，體系穩(wěn)定性越好[21]。提高乳濁液的表觀黏度，在一定程度上可抑制液滴的遷移速率和碰撞概率，提高乳濁液穩(wěn)定性；但乳濁液黏度過高，會增加體系內(nèi)絮凝和聚結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致乳濁液出現(xiàn)外觀上的分層[1]。在試驗體系中，ISF的濃度均為0.4%，因此綜合分析乳濁液液滴d4,3、表觀黏度以及流變學(xué)特性等因素，在貯藏期內(nèi)，由于AK-ISF乳濁液液滴d4,3增幅最大，同時表觀黏度不斷增大，說明體系內(nèi)出現(xiàn)了絮凝和聚結(jié)，導(dǎo)致AK-ISF乳濁液出現(xiàn)顯著分層現(xiàn)象；在AH-ISF乳濁液和HA-ISF乳濁液中，由于體系中形成了以彈性為主的類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時黏度的增加在一定程度上抑制了液滴的遷移和碰撞，使乳濁液體系更加穩(wěn)定；在AT-ISF乳濁液中，由于G’最大、液滴d4,3增幅最小，因此乳濁液的貯藏穩(wěn)定性最好。

3 結(jié)論

以脫脂豆渣為原料，分別以單一堿處理(AK)、烘烤—堿處理(HA)、堿處理—烘烤(AH)、堿處理—雙螺桿擠壓(AT) 4種方式制備不溶性大豆纖維(ISF)，研究干熱處理對ISF乳化特性的影響。結(jié)果顯示，干熱處理顯著改變了ISF乳濁液的表面電荷，HA-ISF乳濁液ζ-電位絕對值最大(39.10)，液滴間靜電斥力增加，有利于抑制液滴的聚結(jié)。與AK-ISF乳濁液相比，干熱處理ISF乳濁液G’增大，tanδ<1(f<1 Hz)，表明干熱處理增強了ISF乳濁體系的彈性特征，形成類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。乳濁液貯藏期間，粒徑和表觀黏度均增加，其中AT-ISF乳濁液液滴d4,3增幅最小(ΔAT-ISF=0.910)，AH-ISF乳濁液表觀黏度增幅最小(ΔAH-ISF=2.089)，而單一堿處理ISF乳濁液液滴d4,3增幅最大(ΔAK-ISF=1.916)，同時表觀黏度增幅最大(ΔAK-ISF=3.898)；貯藏40 d后，相比于單一堿處理ISF乳濁液，干熱處理ISF乳濁液的分層穩(wěn)定性更好，以AT-ISF乳濁液最好。綜上所述，干熱處理ISF通過改變?nèi)闈嵋阂旱沃g的靜電相互作用以及形成類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制液滴的聚結(jié)，實現(xiàn)乳濁體系的穩(wěn)定，提高了ISF的乳化穩(wěn)定性。

試驗發(fā)現(xiàn)干熱處理可顯著提高ISF的乳化穩(wěn)定性，其中以堿處理—雙螺桿擠壓制備的ISF效果最佳。后續(xù)將深入探究干熱處理后ISF的結(jié)構(gòu)、功能性質(zhì)的變化及二者之間的相互聯(lián)系，為后續(xù)全面開發(fā)大豆副產(chǎn)物及食品配料提供更詳實的科學(xué)依據(jù)。