无水奶油(双城雀巢有限公司);酪朊酸钠(新西兰乳品原料公司);大豆分离蛋白(日本不二制油株式会社);蔗糖酯(日本三菱化学株式会社);司盘60(丹尼斯克);卡拉胶(海南文昌卡拉胶有限公司);瓜尔豆胶(巴基斯坦哈根瓜胶有限公司);黄原胶(法国罗地亚公司);磷酸二氢钠(徐州化工三厂);食盐(广东盐业总公司);其他试剂为市售分析纯。

RW20 Digital数显型顶置式搅拌器(德国IKA公司);APV-1000高压均质机(丹麦APV公司);Mastersizer 2000粒度分布仪(英国Malvern公司);Haake MARS III流变仪(德国Thermo Fisher公司);GL-21M冷冻离心机(长沙湘仪离心机仪器有限公司);BHW-IV型精密恒温水箱(北京朝阳航信医疗器材厂);LDZX-30KBS立式压力蒸汽灭菌器(上海申安医疗器械厂);KDN-2C型蛋白质测定仪(上海纤检仪器有限公司)。

淡奶油的基本配方如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 淡奶油的基本配方 Table 1 Basic formula of whipping cream 组分 质量分数/% 组分 质量分数/% 酪朊酸钠 按要求添加 大豆分离蛋白 按要求添加 无水奶油 36 卡拉胶 0.08 黄原胶 0.1 瓜尔豆胶 0.1 司盘60 0.2 蔗糖酯 0.1 Na2HPO4 0.1 食盐 0.1 蔗糖 3.5 去离子水 补充至100

表1 淡奶油的基本配方 Table 1 Basic formula of whipping cream

1.2.1 工艺流程

在60 ℃条件下,将蔗糖溶解于去离子水中,油相充分分散,在搅拌状态下将糖水缓慢加入到油相中,于60 ℃水化30 min,然后在60 ℃、40 MPa均质一次,接着灌装和灭菌(121 ℃,20 min),最后迅速冷却至常温,于4 ℃冰箱储存。

1.2.2 粒度分布的测定

采用粒度分布仪测定淡奶油中粒子大小及其分布。乳浊液样品按1∶1000用去离子水稀释,测定参数设定如下:分析模式为通用模式,进样器为Hydro 2000MU(A),颗粒折射率为1.414,颗粒吸收率为0.001,分散剂为水,分散剂折射率为1.330。

1.2.3 界面蛋白浓度的测定

准确称取20 g淡奶油,于10 000 g离心30 min。未乳化的油脂密度最小,其次是乳化的油脂,而水的密度最大,因此在离心结束后形成较明显的游离油脂层、乳化油脂层和水相层。离心结束时温度较高,迅速将离心管置于0 ℃左右的环境下,待上面未乳化的油脂层凝固后,用药勺小心将其移除,用微量凯氏定氮法测定乳相中蛋白质的量^{[ 5]},计算公式如下:

界面蛋白质量分数(%)=

乳相中蛋白质的质量(g)乳相的质量(g)×100%

界面蛋白浓度(mg/m²)=

界面蛋白质量分数(%)比表面积(m2/g)×1000

式中:比表面积由Mastersizer 2000测量获得。

1.2.4 流变特性的测量

准确移取1 mL样品于流变仪样品台上,采用C60/1°转子,参数设置如下:测量温度为25 ℃,于400 s内剪切速率由0升至150 s^-1,取60个点考察样品表观黏度和剪切应力随剪切速率的变化。

2.1.1 酪朊酸钠用量对淡奶油粒度分布的影响

用不同用量的酪朊酸钠制备淡奶油,于4 ℃的冰箱静置1 d,测量其上层粒度分布,结果如图1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 酪朊酸钠用量对淡奶油上层粒度分布的影响Fig.1 The upper droplet size distributions in whipping cream under various content of sodium caseinate

由图1可以看出,在1%~4%酪朊酸钠用量范围内,随着酪朊酸钠用量的增加,淡奶油整体粒度分布发生左移。其中1%和2%酪朊酸钠用量的样品粒度呈双峰分布,2%酪朊酸钠用量下淡奶油主峰峰值较1%酪朊酸钠用量下小,而次峰峰值相当,但峰面积显著减小。3%和4%酪朊酸钠用量的淡奶油呈单峰分布,峰值分别在0.21 μm和0.18 μm处,所占体积分数分别为8.16%和7.90%。5%酪朊酸钠用量的淡奶油粒度较4%稍有增加,其峰值在0.21 μm处,所占体积分数为8.70%。

分析造成这种结果的主要原因如下:淡奶油在均质过程中,大的脂肪球被破碎,同时伴随着小脂肪球的聚集,与此同时,乳化剂和酪朊酸钠迅速吸附到新形成的脂肪球表面,形成一层界面膜,通过空间位阻和静电排斥等作用力,减少了脂肪球间的碰撞和聚集^{[ 6]}。在相同的工艺条件和油脂含量下,酪朊酸钠体积分数从1%增加到4%时,界面吸附的酪朊酸钠增加,界面膜厚度加大,界面张力减小,脂肪球碰撞几率降低,脂肪球间的重新聚集减少,在粒度分布上表现为脂肪球粒径减小。当酪朊酸钠体积分数为5%时,堆积在脂肪球表面过剩的酪朊酸钠与吸附在脂肪球表面的酪朊酸钠相互连结形成聚集体,使得样品粒径增大。

2.1.2 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对淡奶油粒度分布的影响

当蛋白质质量分数为3%时,用部分大豆分离蛋白代替酪朊酸钠制备淡奶油,于4 ℃静置1 d,检测样品上层粒度分布,其结果如图2所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 酪朊酸钠和大豆分离蛋白不同比例对淡奶油上层粒度分布的影响Fig.2 The upper droplet size distributions in whipping cream under various proportion of sodium caseinate and soy protein isolate

由图2可以看出,随着大豆分析离蛋白比例的增加,淡奶油的整体粒度分布发生右移。酪朊酸钠和大豆分离蛋白用量之比为10∶0和9∶1时,样品粒度分布呈单峰,且分布范围在0.039~0.96 μm。继续增加大豆分离蛋白用量,样品粒度分布出现一个0.96~11.5 μm的拖尾,其体积分数由小到大依次为:8∶2<7∶3<6∶4<5∶5,与主峰的体积分数大小顺序刚好相反。这种结果主要是由蛋白质本身分子结构的差异造成的。大豆分离蛋白是典型的紧密刚性球蛋白,活性基团包裹在分子内部,分子难以展开并充分吸附到油-水界面,主要是通过蛋白质-蛋白质之间强烈的交互作用所产生的机械屏障效用阻止脂肪球之间发生聚集^{[ 7]}。酪朊酸钠属无定形的柔性线性分子,分子展开程度高,分子中大部分的活性基团暴露在外。因此,酪朊酸钠具有较大豆分离蛋白更多的两性结构和更强的表面活性,在大液滴的破碎过程中能更快地吸附到油-水界面并降低界面张力,更有效地阻止脂肪球之间的聚集^{[ 8]}。因此降低酪朊酸钠比例会导致样品粒度增大。

2.2.1 酪朊酸钠用量对淡奶油界面蛋白浓度的影响

用不同用量的酪朊酸钠制备淡奶油,于4 ℃的冰箱静置1 d,测量其界面蛋白质量分数和浓度,结果如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 酪朊酸钠用量对淡奶油界面蛋白的影响Fig.3 The surface protein condition in whipping cream under various content of sodium caseinate

由图3可以看出,酪朊酸钠体积分数从1%增加至5%,界面蛋白质量分数由1.18%升高至3.60%,且在低蛋白质浓度时增加比较快速而高蛋白质浓度下增加相对缓慢。界面蛋白浓度则呈现先下降后上升的趋势,在酪朊酸钠体积分数为3%时达到最低,为0.804 mg/m²。

在均质过程中,大的油滴被破碎的同时蛋白质和小分子乳化剂迅速吸附到油滴表面,形成弹性的界面膜,阻止油滴重新聚集^{[ 9]}。增加蛋白质的量,界面吸附蛋白质的量增加,界面膜厚度增加,抗聚集能力增强,这也验证了随着酪朊酸钠用量增加淡奶油粒径减小的原因。此外,加入酪朊酸钠的量达到一定程度时,界面被蛋白质完全覆盖,此时继续增加酪朊酸钠的用量界面蛋白含量增加变缓。

界面蛋白浓度由界面蛋白质量分数和比表面积二者共同决定。虽然随着酪朊酸钠体积分数的增加界面蛋白有所增加,但由于样品粒径减小,比表面积急剧增大,且其增大程度远大于界面蛋白吸附的量,所以在1%~3%范围内虽然界面蛋白质量分数增加,但界面蛋白浓度却有所下降。酪朊酸钠体积分数由3%增加至4%,样品粒径减小幅度较小(见图1),故比表面积增加不明显,因此界面蛋白浓度呈上升趋势。由于酪朊酸钠体积分数为5%时淡奶油粒径有所增加,比表面积减小,因此界面蛋白浓度增加比较明显。

2.2.2 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对淡奶油界面蛋白浓度的影响

当蛋白质质量分数为3%时,用部分大豆分离蛋白代替酪朊酸钠制备淡奶油,于4 ℃静置1 d,检测样品界面蛋白吸附情况,结果如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对淡奶油界面蛋白的影响Fig.4 The surface protein condition in whipping cream under various proportion of sodium caseinate and soy protein isolate

由图4可以看出,随着大豆分离蛋白比例的增加,界面蛋白质量分数有小幅度下降,由10∶0的2.96%下降到5∶5的2.58%。这是因为线性的酪朊酸钠疏水基团暴露程度高于球形的大豆分离蛋白,因此更易于扩散并吸附到油水界面,所以酪朊酸钠所占比例的减小会导致界面吸附蛋白含量的减小。

界面蛋白浓度随着大豆分离蛋白比例增加呈现先降低后升高的趋势,在7∶3时达最低,为0.760 mg/m²,这种结果也是由淡奶油粒径增大导致比表面积减小与界面蛋白含量的变化相结合所引起的。

2.3.1 酪朊酸钠用量对淡奶油流变特性的影响

用不同用量的酪朊酸钠制备淡奶油,于4 ℃的冰箱静置1 d,考察各样品的表观黏度随剪切速率的变化,其结果如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 酪朊酸钠用量对淡奶油表观黏度的影响Fig.5 The apparent viscosity in whipping cream under various content of sodium caseinate

由图5可以看出,在低剪切速率下淡奶油表观黏度急剧下降,随着剪切速率的增加,表观黏度降低减缓,属于典型的剪切变稀体系。这是由于剪切速率达到一定程度时所引起的液滴的取向作用远高于布朗运动所引起的随机效应,导致黏度急剧下降,最后液滴形成定向排布,黏度趋于定值^{[ 10]}。由图5还可以看出,在相同的剪切速率下,随着酪朊酸钠体积分数的增加,淡奶油的表观黏度增大,但在低剪切速率下体积分数为4%的酪朊酸钠的淡奶油表观黏度略高于5%的,高剪切速率下反之。一方面,随着酪朊酸钠用量的增大,界面膜强度增加,分子流动阻力增加,导致黏度增大。另一方面,酪朊酸钠用量增加导致样品粒径减小,分散相体积分数相同的情况下液滴数目会增多,液滴间平均距离减小,任何两个液滴进入相互吸引区的机会迅速增加,位移困难,导致表观黏度增大。

利用软件Rheowin Data Manager software Version 4.30对剪切速率和剪切应力之间进行流变学分析,酪朊酸钠用量对Ostwald-de Waele和Herschel-Bulkley模型各参数的影响如表2所示。模型中, τ为剪切应力, γ·为剪切速率, K为稠度系数, n为流动指数, τ₀为屈服应力。由表2可以看出,两个模型的线性相关系数 R²均大于0.990,说明样品剪切应力和剪切速率之间的关系与这两个模型有很好的拟合度。所有样品 n<1,且在1%~4%范围内随着酪朊酸钠用量的增加 n值减小,说明样品剪切变稀的特性随酪朊酸钠的减小有所增强。而酪朊酸钠体积分数为5%时, n值有所增加。 稠度系数 K反映的是样品的黏度,

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 酪朊酸钠用量对Ostwald-de Waele和Herschel-Bulkley模型各参数的影响 Table 2 Effect of amount of sodium caseinate on parameters of Ostwald-de Waele model and Herschel-Bulkley model 用量 /% Ostwald-de Waele model τ=Krn Herschel-Bulkley model τ=τ0 +Krn K n R2 τ0/Pa K n R2 1 0.431 0.4830 0.9942 0.3874 0.2680 0.5634 0.9964 2 1.811 0.3640 0.9924 0.6998 1.385 0.4059 0.9934 3 3.378 0.3528 0.9920 1.203 2.622 0.3920 0.9928 4 6.010 0.2530 0.9912 1.852 5.539 0.2459 0.9921 5 5.028 0.3540 0.9902 2.284 3.612 0.4055 0.9918

表2 酪朊酸钠用量对Ostwald-de Waele和Herschel-Bulkley模型各参数的影响 Table 2 Effect of amount of sodium caseinate on parameters of Ostwald-de Waele model and Herschel-Bulkley model

其值越大说明样品越黏稠。酪朊酸钠体积分数从1%增加至4%, K值增大,酪朊酸钠体积分数为5%时 K值有所降低,这与样品粒度和低剪切速率下表观黏度的变化趋势是一致的。屈服应力 τ₀表征的是剪切使样品流动所需的最小应力, τ₀越大说明样品越难发生流动。随着酪朊酸钠用量的增加 τ₀持续变大,一方面是因为粒径的减小导致粒子数增加,粒子间距减小,粒子间相互牵引力增强,另一方面是过剩的酪朊酸钠会使液滴间发生相互桥连^{[ 11]},样品流动所需牵引力必然增大。

2.3.2 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对淡奶油流变特性的影响

当蛋白质质量分数为3%时,用部分大豆分离蛋白代替酪朊酸钠制备淡奶油,于4 ℃静置1 d,测量其表观黏度随剪切速率的变化。60 s^-1是工业生产和人类吞咽食物的经验值,图6为剪切速率为60 s^-1时各样品的表观黏度。

图6

Fig.6

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	图6 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对淡奶油表观黏度的影响Fig.6 The apparent viscosity in whipping cream under various proportion of sodium caseinate and soy protein isolate

由图6可以看出,随着大豆分离蛋白比例的增加,淡奶油表观黏度依次增加,其值分别为0.154、0.188、0.213、0.226、0.242和0.297 Pa·s。一方面,作为球蛋白的大豆分离蛋白能够在界面上产生蛋白质之间的强烈相互作用和高度的二维包裹密度^{[ 12]},形成高黏弹性界面膜,阻碍剪切过程中液滴的运动;另一方面,大豆分离蛋白在杀菌过程中发生热变性,其凝胶性能远高于酪朊酸钠,因此,随着大豆分离蛋白用量的增加淡奶油形成的弱凝胶强度增加,引起样品表观黏度增加。

由表3可以看出,样品流变特性与两个模型的拟合度较好( R²>0.989)且Herschel-Bulkley模型更优。随着大豆分离蛋白比例的增加, n值下降,说明剪切稀化程度加剧,这是由于大豆分离蛋白在杀菌工艺中热变性导致弱凝胶体形成,非牛顿性增加。大豆分离蛋白比例增加 K值也增大,这与表观黏度随剪切应力的变化趋势一致。 τ₀值随大豆分离蛋白比例增加而上升也是由大豆分离蛋白的凝胶特性引起的。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对Ostwald-de Waele和Herschel-Bulkley模型各参数的影响 Table 3 Effect of proportion of sodium caseinate and soy protein isolate on parameters of Ostwald-de Waele model and Herschel-Bulkley model 比例 Ostwald-de Waele model τ=Krn Herschel-Bulkley model τ=τ0 +Krn K n R2 τ0/Pa K n R2 10∶0 2.443 0.3419 0.9904 1.146 1.698 0.4104 0.9916 9∶1 3.275 0.3340 0.9896 1.363 2.341 0.3866 0.9904 8∶2 3.389 0.3310 0.9924 1.816 2.419 0.3799 0.9928 7∶3 3.755 0.3301 0.9894 1.940 2.509 0.3628 0.9918 6∶4 3.974 0.3125 0.9890 2.116 3.415 0.3515 0.9906 5∶5 4.791 0.3046 0.9906 2.430 4.152 0.3267 0.9912

表3 酪朊酸钠和大豆分离蛋白比例对Ostwald-de Waele和Herschel-Bulkley模型各参数的影响 Table 3 Effect of proportion of sodium caseinate and soy protein isolate on parameters of Ostwald-de Waele model and Herschel-Bulkley model