超声波处理对酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液乳化稳定性的影响

赵颖颖 1,李 可 1,王 鹏 2,康壮丽 3,徐幸莲 2,*,白艳红 1

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院,食品生产与安全河南省协同创新中心,河南 郑州 450001;2.南京农业大学国家肉品质量安全控制工程技术研究中心,江苏 南京 210095;3.河南科技学院食品学院,河南 新乡 453003)

摘 要:为改善预乳化液的乳化稳定性,本研究应用超声波技术制备酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液,研究不同时间(0、3、6、9、12 min)超声波处理(20 kHz,450 W)对预乳化液的pH值、电导率、乳液分层指数、液滴粒度分布和平均粒径大小以及黏度的影响。结果表明,不同超声波处理时间对酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液pH值和电导率没有显著影响(P>0.05)。在0 h时,各超声波处理组和对照组的乳析率差异不显著(P>0.05),在贮藏12、24、36 h时,各超声波处理组的乳析率显著低于对照组(P<0.05)。超声波时间对预乳化液的粒径分布范围和粒径大小影响显著(P<0.05),随着超声波时间的延长,D 4,3、D 3,2和D 50显著变小(P<0.05)。在剪切速率0.1 s -1时,超声波时间对酪蛋白酸钠-植物油预乳化液的黏度有显著影响,各组超声波预乳化液的黏度均显著高于对照组(P<0.05)。因此,应用超声波处理酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液,可以延长贮藏期,减小乳化液粒径,提高黏度,有效改善乳化稳定性。

关键词:超声波;预乳化;乳化稳定性;粒度分布

低温乳化型肉糜制品是消费者最喜爱的肉制品之一,是乳化理论应用实践的代表产品。该类产品包含蛋白质、水和脂肪等多种成分,加工过程中形成复杂的水-蛋白质-脂肪肉糜乳化体系。其中脂肪对乳化型肉制品的流变、结构特性和口感等起着重要作用。但是,大部分乳化型肉糜制品包含20%以上脂肪,是高能量肉制品,过量食用容易影响消费者的身体健康 [1]。为了降低乳化型肉制品中脂肪的含量,一般通过添加不同种类的植物油、膳食纤维、非肉蛋白成分和低聚木糖等 [2-4]。而在乳化型肉制品中替代动物脂肪较好的方法是应用预乳化技术,即使用植物蛋白替代动物蛋白包裹脂肪球,然后使用预乳化植物油替代猪背膘,如预乳化橄榄油、菜籽油等,经前人的研究,该方法取得了良好的效果 [5]。然而,实际生产过程中制备的预乳化液存在不稳定现象,需要及时使用预乳化液加工到肉糜体系。解决这一问题是肉制品企业和研究人员进一步应用推广预乳化技术所面临的关键技术难题。

高强度(>1 W/cm 2)超声波技术在食品加工工业中的应用十分广泛。其通过空化效应、动态振动和剪切应力等生成的理化作用可以用来修饰各种食品体系在加工处理过程中的理化性质、改善品质和提高加工效率,给食品工业带来巨大的经济价值 [6]。其中超声波空化效应在两种不相容液体(水和油)界面形成微射流,促进乳化。与机械振荡相比,超声波法能产生更小更稳定的液滴,所需能量少,有效分解乳脂肪球,均质乳化牛奶 [7-8]。因而超声波乳化制备稳定的乳化液方法具有可行性 [6,9]。然而,超声波技术在肉制品加工中预乳化液的应用方面仍鲜见报道 [10]

因此,为了使预乳化液达到良好的乳化稳定状态,更适应加工贮藏,本研究在已应用超声波预乳化方法降低乳化类肉糜制品的脂肪添加量的基础上 [11-12],以超声波技术改善预乳化液稳定性作为切入点,进一步探究超声波技术对酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液的乳化稳定性的影响,为开发超声波处理的预乳化液作为乳化型肉制品的脂肪替代物提供理论参考和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酪蛋白酸钠 蒙牛乳业有限公司;金龙鱼大豆油(16%饱和脂肪、25%单不饱和脂肪、59%多不饱和脂肪)益海(泰州)粮油工业有限公司;NaCl、Na 2HPO 4、NaH 2PO 4均为分析纯 天津市永大化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Ultra Turrax T-25 Basic高速匀浆机、C-MAG HS7加热磁力搅拌器 德国IKA公司;VC-750超声波细胞破碎仪 美国SONICS公司;TASI-601-K型温度计 苏州特安斯电子有限公司;Mastersizer 3000激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司;Physica MCR301流变仪奥地利Anton Paar公司;AUY120分析天平 日本岛津公司;FE20实验室pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;Orion 3-Star手持式电导率仪 美国赛默飞世尔科技公司;SIM-F124制冰机 日本三洋公司;冷库操作间 上海锐欧公司。

1.3 方法

1.3.1 制备预乳化液

首先将酪蛋白酸钠、磷酸盐缓冲液A(0.6 mol/L NaCl、50 mmol/L Na 2HPO 4/NaH 2PO 4,pH 6.25)和大豆油按照质量比0.09∶4.00∶5.00的比例混合 [11,13]。用Ultra Turrax T-25 Basic高速匀浆机在6 000 r/min条件下进行乳化均质20 s,均质3 次,得到预乳化液。

1.3.2 超声波处理预乳化液

将预乳化液(每次150 mL)放入超声波细胞破碎仪的双层套管玻璃烧杯中进行超声波处理,超声波过程中用循环冰水或制冷液通过冷却套管保持样品温度为4~8 ℃。超声波发生器频率为20 kHz,振幅为60%,功率450 W,所用探头直径13 mm,脉冲持续4 s,停2 s,总的超声波时间梯度为0、3、6、9、12 min,制备的各组预乳化液,分别命名为C、T1、T2、T3、T4。在0~4 ℃条件下保存过夜。

1.3.3 检测指标

1.3.3.1 超声波强度

超声波强度(P)通过热电偶进行测定计算 [14-15],单位W/cm 2。因为超声波是机械能,在通过介质时部分能量以热量形式消耗。超声波分散液体时产生热量,因此通过记录温度随时间的变化来测定空化功率/W。

式中:m表示超声波液体的质量/g;C p表示恒压条件下介质的比热容/(J/(g·K)),取决于介质的组分和体积; 表示曲线开始的斜率。

1.3.3.2 pH值的测定

pH计测定乳化液在室温条件下的pH值,每组样品重复3 次。

1.3.3.3 电导率的测定

将Orion 3-Star手持式电导率仪插入到样品中,记录乳化液的电导率,测定温度为室温。

1.3.3.4 预乳化液乳析率的测定

参考Chen Lin等 [16]的方法,将10 mL新鲜的预乳化液样品,立即倒入10 mL带刻度的透明玻璃试管(高120 mm,直径13 mm)中。随后用试管盖密封,防止蒸发,迅速将预乳化液在0~4 ℃条件下静置,贮藏36 h观察乳化液的分层情况。乳液分层后形成两部分,上面白色部分为油脂层,下面为清液层。分别在0、12、24、36 h时,通过公式(2)计算预乳化液的乳液分层指数(creaming index,CI)/%。

式中:H S表示的是清液层高度/cm;H E表示的是乳液样品的总高度/cm。

1.3.3.5 油滴粒度分布和平均粒径大小的测定

采用Mastersizer 3000激光粒度分析仪测定预乳化液中油滴的平均粒径和粒度分布。分析模式设定为:进样器为大容量自动湿式样品分散装置(large volume automatic wet dispersion unit);颗粒折射率为1.520,颗粒吸收率为0.1;分散剂为水;分散剂折射率为1.330;传感器阈值为100;背景测试持续时间为15 s;搅拌转速为2 000 r/min。

测试前取1.3.1节中所制备的酪蛋白酸钠-植物油预乳化液,按照0.1 g/100 mL的剂量向其中加入十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS),以防止乳化液中油滴微粒发生凝聚。每次测定3 次重复取平均值。测定的结果可以表示为D 10、D 50、D 90、D 3,2和D 4,3。其中,D 10、D 50和D 90分别表示粒径积累值达到体积百分比的10%、50%和90%时的粒径大小。

乳化液中油滴的平均粒径可以通过公式(3)和(4)计算得出。

式中:d i表示的是测定的第i个油滴的粒径/μm;n i表示的是粒径为d i的液滴数;D 3,2表示体积表面积等效平均粒径(即粒径对表面积的加权平均值)/μm;D 4,3表示体积质量等效平均粒径(即粒径对体积的加权平均值)/μm [17]

1.3.3.6 黏度特性的测定

黏度的测定参考Picotti等 [18]的方法,并进行适当修改。采用Physica MCR301流变仪,测定样品的黏度大小。将样品置于50 mm平板上,使其分布均匀并防止气泡产生,平衡30 s,达到测试温度25 ℃。剪切速率从0.1 s -1到1 000 s -1,总的剪切时间为330 s。记录剪切初始速率0.1 s -1的黏度值。

1.4 统计分析

采用SAS 8.12统计软件进行方差分析。方差分析采用单因素ANOVA分析(P<0.05),多重比较采用Duncan’s法。

2 结果与分析

2.1 超声波处理时间对超声波强度和能量的影响

表1 应用于各组预乳化液的超声波处理时间、超声波强度和能量
Table1 Ultrasonic intensity and energy as a function of irradiation time (450 W and 20 kHz)

注:同列肩标小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。

组别时间/min功率/W强度/(W/cm 2)能量/kJ C0 T1345050.98±4.39 a12.33±1.09 aT2645050.54±1.77 a24.14±0.85 bT3945050.84±4.03 a37.62±2.80 cT41245050.10±4.76 a49.80±4.22 d

如表1所示,4 个超声波处理组(T1、T2、T3和T4)在频率为20 kHz的探头和输出功率450 W条件下分别超声3、6、9、12 min,作用于预乳化液的超声波强度分别为50.98、50.54、50.84、50.10 W/cm 2,各个处理组之间的超声波强度没有显著差异性(P>0.05);而各个处理组之间的超声波能量之间存在显著差异性(P<0.05),随着超声波时间延长,超声波能量显著增加。

2.2 超声波处理时间对pH值的影响

图1 不同超声波时间处理组的预乳化液pH值
Fig.1 Effect of ultrasound irradiation time on the pH of soybean oil emulsions

酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液经过超声波处理,各组之间的pH值差异不显著(P>0.05),说明延长超声波处理时间对预乳化液pH值没有显著影响。Jambrak等 [19]研究发现,20 kHz超声波处理乳清蛋白溶液,对照组和超声波处理组的pH值差异不显著(P>0.05)。这与本研究结果一致。也有研究发现牛乳经过超声波处理后pH值下降 [8]。这可能跟超声波作用的体系不同有关,Walstra等 [20]认为牛乳pH值的下降是磷脂类的酶水解作用所致。

2.3 超声波处理时间对电导率的影响

由图2可知,酪蛋白酸钠-大豆油乳化液经过超声波处理,各处理组之间的电导率差异不显著(P>0.05),说明延长超声波处理时间对预乳化液电导率没有显著影响。

电导率是表示物质导电性能的物理参数,取决于物质的固有属性、电荷类型和数量 [21]。乳化液属于热力学不稳定系统,酪蛋白酸钠的亲水亲油平衡(hydrophilelipophilic balance,HLB)值是23.25,适合作为水包油型乳化剂(oil-in-water emulsion,O/W) [22]。Arzeni等 [23]研究发现高强度超声波处理乳清蛋白、大豆分离蛋白和卵清蛋白溶液,均未引起电导率的显著变化(P>0.05)。Jambrak等 [19]对乳清分离蛋白、浓缩蛋白和水解蛋白分别进行40 kHz和500 kHz超声波清洗机处理,电导率反而下降。超声波处理对电导率的影响结果不同,除超声波设备因素外,还与超声波处理时间和溶液体积有关,也可能是传导过程中离子聚集物引起的。

图2 超声波处理时间对预乳化液电导率的影响
Fig.2 Effect of ultrasound irradiation time on the conductivity of soybean oil emulsions

2.4 超声波处理时间对贮藏稳定性的影响

图3 超声波处理时间对预乳化液稳定性的影响
Fig.3 Effect of ultrasound irradiation time on the stability of oil-inwater emulsions

乳析率通常被用来分析乳化液的宏观稳定性 [24]。由图3可知,对照组从起初0 h贮藏至12 、24 h和36 h时,分层现象越来越严重。而所有超声波处理组在贮藏至36 h时未出现分层现象。由乳析率计算得出,在贮藏12、24 h和36 h时,各超声波处理组的乳析率分别显著低于对照组(P<0.05)。

在观察乳化时间对O/W稳定性的影响实验中发现,乳化3 min即可形成非常稳定的O/W,在36 h内不分层。延长乳化时间,不再明显提高预乳化液稳定性,说明乳化时间对此O/W稳定性的影响较小。能够在0~4 ℃条件下贮藏至少36 h,而不引起外观的显著变化,说明超声波处理制得的预乳化液具有低分散性 [7]。这表明超声波处理预乳化液能够适应于现有的生产线,应用于肉制品生产加工中。在批处理食品工业中,产品能够在冷库中贮藏至少36 h,用于最终产品下游生产过程的预混合等工序。

2.5 超声波处理时间对油滴微粒粒度分布和粒径大小的影响

图4 不同超声波处理时间对预乳化液中油滴微粒粒度分布的影响
Fig.4 Effect of ultrasound irradiation time on droplet size distribution of pre-emulsif i ed soybean oil

图4 显示了不同超声波处理的预乳化液油滴的粒度分布。经过超声波处理,从0 min的两个峰减少为一个峰,粒度分布范围显著变窄,这表明超声波处理产生大量多元分散颗粒。在超声波作用影响下,聚集体经过剧烈搅拌和撞击,导致颗粒破裂 [25],粒度分布变窄。粒度分布范围变窄和初始颗粒的粒径大小相关。Gülseren等 [26]研究发现,随着超声波处理时间延长(>40 min),牛血清白蛋白粒径增加,表明可能有小聚集体的形成。超声波处理时间影响粒度分布范围和粒径大小状态。

表2 不同超声波处理时间对预乳化液中油滴平均粒径大小的影响
Table2 Effect of ultrasound irradiation time on droplet mean diameters of pre-emulsi fi ed soybean oil

处理时间/min D 4,3/μmD 3,2/μm D 10/μmD 50/μmD 90/μm 078.93±0.12 a29.68±0.09 a34.54±0.07 a73.63±0.09 a133.10±0.26 a32.31±0.04 b1.76±0.00 b1.00±0.02 b2.04±0.02 b3.99±0.14 b61.81±0.01 c1.50±0.01 c0.92±0.01 c1.66±0.01 c2.92±0.02 cd91.82±0.04 c1.42±0.01 cd0.89±0.01 cd1.61±0.02 c3.08±0.13 c121.70±0.02 d1.42±0.01 d0.83±0.03 d1.58±0.01 d2.67±0.09 d

D 50代表样品的平均粒径 [21]。经过超声波处理12 min,预乳化液油滴的D 50值从73.63 μm降低到1.58 μm(表2),延长超声波处理时间能显著降低D 50(P<0.05)。Jambrak等 [14]研究发现超声波(20 kHz)处理15 min和30 min降低了大豆蛋白溶液的粒径。粒径的降低是由于超声波处理过程中超微束和紊流作用力,以及超声波探头的空化效应所致。

乳化液的粒度分布与表面积平均粒径D 3,2可表征样品的乳化特性 [16]。其中粒度分布在一定程度上可反映乳化液的稳定性;乳化液表面积平均粒径D 3,2的大小可反映样品的乳化活性,一般D 3,2较小则乳化活性较好。不同超声

波处理组的D 3,2显著低于未经超声波处理的对照组,随着超声波处理时间的延长,呈递减的趋势,但在6~12 min间递减程度不显著(P>0.05)。

2.6 超声波处理时间对黏度的影响

图5 不同超声处理时间对酪蛋白酸钠-植物油预乳化液黏度的影响
Fig.5 Effect of ultrasound irradiation time on viscosity at a shear rate of 0.1 s -1of pre-emulsif i ed soybean oil at 25 ℃

液体乳化液的流动性可以通过测定表观黏度来表征,表观黏度是影响许多食品原料质构、口感、货架期和下游加工过程的重要特性之一 [27]。不同超声波处理时间在25 ℃、剪切速率为0.1 s -1时,对酪蛋白酸钠-植物油预乳化液黏度的影响如图5所示,结果表明,超声波处理时间对酪蛋白酸钠-植物油预乳化液的黏度有显著影响(P<0.05)。各组超声波预乳化液的黏度从30.53 mPa•s到37 mPa•s,均显著高于对照组的18.13 mPa•s(P<0.05)。随着超声时间的延长,预乳化液黏度呈增大的趋势。

高强度超声波处理能有效改变食品体系中例如蛋白质、淀粉、水油乳化液等的黏度 [28]。其中,超声波处理修饰蛋白质的构象,增加蛋白质中氨基酸侧链的亲水基团暴露,促进与水分子的结合,进而增加体系的黏度 [29]。超声波处理均质乳化牛奶,不仅降低脂肪球颗粒大小,而且有助于改善发酵奶酪制品的黏性,增加奶酪的出品率 [28]。另外,Gaikwad等 [30]研究表明延长超声波处理时间或增强超声波功率,能增加分散相体积,降低液滴大小,这些效应与油相的黏度和表面张力密切相关。本研究中各组黏度的差异很可能是由于超声波强烈的剪切应力而产生的均匀乳化的油滴颗粒所致 [27]

3 讨 论

乳化液形成后容易受到各种不稳定因素的影响,例如奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)、乳化液分层、絮凝和聚结。而乳化液的分层、絮凝和聚结是研究工作中最关注的问题,这跟乳化液的乳化稳定性密切相关 [31]。经过均质O/W形成过程中,油滴在强层流(剪切和外围形变)和惯性(紊流和空化作用)的影响下被打碎成小液滴。表面活性剂吸附到新形成的表面保护颗粒抵抗絮凝和再聚结。蛋白质通过降低界面张力和在水包油界面形成物理障碍来防止颗粒的絮凝和再聚结,有助于油滴的形成 [32]。乳化稳定性受乳化液的油滴形成和油滴粒径大小的影响 [33-34]

本研究实验结果中超声波处理的酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液,粒度分布范围变窄,粒径大小状态、D 50和D 3,2递减。超声波处理时间的延长形成了较小的预乳化液颗粒,而颗粒的大小对预乳化液分散相的分离速率有很大的影响,高黏度能够降低预乳化液颗粒的移动速度,避免了由于碰撞而造成油滴的聚集,使预乳化液更加稳定。高品质的肉制品通常是由高黏度的乳化液制成的,这样产品的乳化液状态不容易被破坏。有研究表明添加膳食纤维和米粉等物质,肉糜的乳化稳定性和黏度会显著提高 [35-36],而肉糜乳状液中黏度增加与添加剂的持水性密切相关 [36-37]。Kim等 [38]研究表明肉糜乳化液黏度的提高,能增强保水性,同时与蒸煮损失的降低密切相关。通过超声波物理方式处理,而不是添加非肉成分以达到改善肉糜中预乳化液的乳化稳定性,符合尽量少添加非肉成分生产高品质肉制品的发展趋势。

4 结 论

应用超声波处理影响预乳化液的稳定性。不同时间的超声波处理对酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液的pH值和电导率没有影响,而超声波处理影响了预乳化液的粒度分布范围,显著降低粒径大小,增加预乳化液的黏度,延长预乳化液的贮藏期,这些结果表明超声波处理有效改善预乳化液的乳化稳定性。

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Effect of Ultrasound Treatment on the Emulsion Stability of Pre-emulsif i ed Soybean Oil with Sodium Caseinate

ZHAO Yingying 1, LI Ke 1, WANG Peng 2, KANG Zhuangli 3, XU Xinglian 2,*, BAI Yanhong 1
(1. Collaborative Innovation Center for Food Production and Safety, College of Food and Bioengineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China; 2. National Center of Meat Quality and Safety Control, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3. School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

Abstract:The objective of this study was to use ultrasound treatment to improve the emulsion stability of pre-emulsif i ed soybean oil with sodium caseinate. The effect of ultrasound irradiation at 20 kHz and 450 W for different times (0, 3, 6, 9 and 12 min) on pH, conductivity, creaming index, mean droplet diameters and size distribution and viscosity of preemulsif i ed soybean oil was investigated. Our results illustrated that there was no signif i cant difference in pH or conductivity among all treatment groups (P > 0.05). All treatment groups showed no signif i cant difference in terms of creaming index at 0 h of storage (P > 0.05); however, they were signif i cantly lower than the control at 12, 24 and 36 h (P < 0.05). With prolonged ultrasound irradiation, D 4,3, D 3,2and D 50of soybean oil emulsion droplets decreased, and viscosity at a shear rate of 0.1 s -1increased signif i cantly (P < 0.05). These fi ndings showed that the application of ultrasound treatment to pre-emulsif i ed soybean oil with sodium caseinate could extend the storage period, reduce the particle size, increase the viscosity, and thus improve the emulsion stability.

Key words:ultrasound; pre-emulsif i ed; emulsion stability; size distribution

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201703013

中图分类号:TS251.1

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)03-0075-06

引文格式:

赵颖颖, 李可, 王鹏, 等. 超声波处理对酪蛋白酸钠-大豆油预乳化液乳化稳定性的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(3):75-80. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201703013. http://www.spkx.net.cn

ZHAO Yingying, LI Ke, WANG Peng, et al. Effect of ultrasound treatment on the emulsion stability of pre-emulsified soybean oil with sodium caseinate[J]. Food Science, 2017, 38(3): 75-80. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201703013. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-03-23

基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(31601492);河南省高等学校重点科研计划项目(16A550006);郑州轻工业学院博士科研启动基金项目(2015BSJJ038);河南省高校科技创新人才支持计划项目(15HASTIT033)

作者简介:赵颖颖(1988—),女,助理实验师,硕士,研究方向为肉品加工与质量安全控制。E-mail:zhaoying0823@163.com

*通信作者:徐幸莲(1962—),女,教授,博士,研究方向为畜产品加工与质量控制。E-mail:xlxu@njau.edu.cn