乳化肉糜类产品具有品种众多、口感较好、风味独特、食用方便且便宜等优点,受到了许多消费者的青睐。脂肪组织或油脂是乳化肉糜制品加工中常用的重要原材料,若肉糜中的脂肪处于良好的乳化状态,则在加工处理中不易流失,且还能改善产品的感官、理化品质,提高产品的经济效益。
为改善脂肪在肉糜中的乳化效果,可以在肉糜制备前将脂肪进行预乳化处理。传统的方法通常以蛋白质作为乳化剂,将蛋白质溶液与油相混合制备预乳化液。Pickering 乳液是指由水相、油相和固体微粒组成的液-固-液体系,与传统乳化方法相比,Pickering 乳液具有乳化剂用量少、安全和稳定的优点,具有广阔的应用前景[1]。目前已发现多种可以作为Pickering 乳液乳化剂的固体颗粒[2],将大分子天然纤维素水解至极限聚合度的产物——微晶纤维素(microcrystalline cellulose,MCC)即为其中一种,它具有聚合度低、比表面积大、稳定性强的优点[3],因此MCC 有望成为一种优良的乳化剂。目前,已有部分学者对MCC 在食品工业中的应用展开了研究,如薛玉清等[4]发现MCC 可以作为优良的稳定剂添加到中性乳饮料中,由此提高乳饮料的稳定性,并且MCC 的添加对口感的影响并不显著;姜绪邦等[5]发现将MCC 加入到面包中可以显著提高其保水性,从而延长产品的保质期。但目前有关MCC-猪油Pickering 乳液制备与应用的研究鲜见。
影响Pickering 乳液乳化效果的因素主要包括两个方面:一是乳液自身成分,如乳化剂颗粒的大小、浓度以及油相的相对比例等[6];二是乳化环境及条件,如金属离子浓度等[7-8]。本研究以MCC 作为乳化剂,以乳液外观结构、乳析指数、微观结构、粒径、Zeta 电位以及储能模量(G′)与损耗模量(G″)为参数,探讨MCC 颗粒浓度和乳液油相比例对MCC-猪油Pickering 乳液制备效果的影响,旨在为MCC-猪油Pickering 乳液的开发利用提供参考。
竹基微晶纤维素、食用猪油:市售。
FA2204E 电子天平:常州幸运电子仪器有限公司;XHF-DY 高速分散器:宁波新芝生物科技股份有限公司;BX53 荧光正置显微镜:日本OLYMPUS 公司;ZEN3690激光粒度分析仪:英国马尔文仪器公司;MCR302 流变仪:奥地利安东帕公司。
1.3.1 乳液的制备
以MCC 颗粒为乳化剂、食用猪油为油相制备乳液,使用高速分散器制备所需的乳液样品。
1.3.1.1 MCC 颗粒浓度对乳液的影响
将20 mL 在60 ℃下融化的食用猪油与20 mL 含MCC 颗粒的纯水加入烧杯中,以10 000 r/min 均质1 min。不同处理组的纯水中含有的MCC 颗粒浓度分别为0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。匀浆后测定乳液的外观结构、乳析指数、微观结构、粒径、Zeta 电位值以及流变特性,并将乳液贮藏7 d,以1、3、5、7 d 为对照时间,考察乳液在贮藏过程中外观结构、乳析指数、微观结构、粒径及Zeta 电位值的变化情况。
1.3.1.2 油相比例对乳液的影响
固定水相中的MCC 颗粒浓度为1.0%,改变乳液油相比例(30%、40%、50%、60%),在10 000 r/min 条件下均质1 min。匀浆后测定乳液的外观结构、乳析指数、微观结构、粒径、Zeta 电位以及流变特性,并将乳液贮藏7 d,以1、3、5、7 d 为对照时间,考察乳液在贮藏过程中外观结构、乳析指数、微观结构、粒径及Zeta 电位值的变化情况。
1.3.2 乳液的外观状态
取适量乳液倒入30 mL 透明玻璃瓶中,拍照记录乳液的外观状态。
1.3.3 乳液乳析指数的测定
取10 mL 乳液于透明玻璃螺纹瓶中,在4 ℃下贮藏7 d,并在第1、3、5、7 天记录乳液的分层情况。乳液乳析指数(creaming index,CI)通过以下公式计算。
式中:X 为乳液乳析指数,%;He 为上层乳化层的高度,mm;HL 为总乳液层的高度,mm
1.3.4 乳液的微观结构分析
将3µL 乳液转移至洁净的载玻片且不盖盖玻片,采用BX53 荧光正置显微镜观察乳液的微观结构。
1.3.5 乳液粒径测定
将乳液稀释1 000 倍后取1 mL 稀释液,使用激光粒度分析仪测定乳液的粒径。
1.3.6 乳液Zeta 电位测定
使用激光粒度分析仪测定乳液的Zeta 电位值。
1.3.7 乳液的流变学分析
使用流变仪分析乳液的流变学特性。将2.5 mL 样品均匀置于两个40 mm 平板间,间隙高度调至1 000µm。采用振幅扫描法测定样品的线性黏弹性区,在1% 的固定应变下进行频率扫描(0.1~10 Hz),测定乳液的储能模量(G′)与损耗模量(G″)。同时,将剪切速率设置为1~100 s-¹,测量样品表观黏度的变化。所有测量均在25 ℃下进行。
每个处理组进行3 次平行试验,使用Origin 9.0 和SPSS 22 软件对试验数据进行处理,结果以平均值±标准差表示,并进行显著性分析。
2.1.1 MCC 颗粒浓度对乳液外观状态及乳析指数(CI)的影响
油相比例为50% 时,不同MCC 颗粒浓度制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的外观状态如图1 所示。
图1 不同MCC 颗粒浓度乳液的外观状态
Fig.1 Appearance of emulsions with different MCC particle concentrations
D1.第1 天;D7.第7 天。
由图1 可知,当MCC 颗粒浓度为0.4%时,制得的乳液稳定性相对较差,分层现象严重,并且1 周后分层现象更为明显。当MCC 颗粒浓度达到0.4% 以上时,乳液的稳定性提高,经过1 周的贮藏后乳液也仍然表现出较好的稳定性。该现象的发生是由于随着MCC颗粒浓度的升高,更多的颗粒吸附到油滴表面上,并逐渐在液滴表面聚集形成分子膜和三维网状结构[9],有效地阻止了液滴之间的聚和与物质交换,降低了油滴发生奥斯瓦尔德熟化作用[10]的概率。此外,由于MCC 颗粒的比表面积较大、聚合度较低,且受到热效应的影响较小[11],因此MCC 颗粒可以较好地提高乳液的稳定性。
乳析指数(CI)是根据乳液连续相和分散相密度的变化来判断乳液稳定性的指标,在本试验中乳液CI 越大,乳液的物理稳定性越好。油相比例为50% 时,不同MCC 颗粒浓度制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的乳析指数如图2 所示。
图2 不同MCC 颗粒浓度乳析指数(CI)变化
Fig.2 Changes in creaming index(CI)with different MCC particle concentrations
不同字母表示差异显著(P<0.05)。
从图2 可以看出,当MCC 颗粒浓度为0.4%时,乳液CI 最小,随着MCC 颗粒浓度逐渐增大,乳液CI 逐渐增大,乳液的稳定性增加。随着贮藏时间的延长,当MCC 颗粒浓度为0.4% 时,乳液CI 显著减小;当MCC颗粒含量大于0.4% 时,乳液在贮藏过程中CI 的变化并不明显。发生该现象的原因是MCC 颗粒浓度相对较高时,乳液之间的相互作用可以形成相对稳定的三维网络结构,增加了乳液的黏度且限制了液滴的相互作用,因此可以将油滴较好地包裹于MCC 颗粒当中,从而降低了乳液的流动性[8]。
2.1.2 MCC 颗粒浓度对乳液微观结构及粒径大小的影响
粒径与乳液的稳定性相关,通常乳液粒径越小,乳液的稳定性越好。当油相比例为50% 时,不同MCC颗粒浓度制备的乳液微观结构及粒径大小如图3 和图4 所示。
图3 不同MCC 颗粒浓度乳液的微观结构
Fig.3 Microstructures of emulsions with different MCC particle concentrations
图4 不同MCC 颗粒浓度乳液的粒径变化
Fig.4 Changes in droplet size of emulsions with different MCC particle concentrations
不同字母表示差异显著(P<0.05)。
由图3 和图4 可知,乳液在贮藏初期液滴体积较小,但经过1 周的储存后乳液的液滴会由于相互聚集而增大。在油水比例为50%的条件下,乳液的粒径会随着MCC 颗粒浓度的增加而减小,其原因主要是在均质的过程中猪油被分散成小液滴,MCC 颗粒会快速地吸附到油滴的表面从而形成一层稳定的界面结构,当MCC 颗粒浓度增加时其对油滴的吸附效率也随之增加,更有利于形成体积较小的油滴。当MCC 颗粒浓度为0.4% 时乳液稳定性相对较差,其原因是MCC 颗粒添加量的不足会使得油滴表面的MCC 颗粒相对较少,油滴受到奥氏熟化作用的影响,导致乳液中的液滴粒径较大,液滴极易聚集产生絮凝现象,最终导致液滴上浮而形成乳液层[12]。
2.1.3 MCC 颗粒浓度对乳液Zeta 电位的影响
Zeta 电位反映了微粒之间的静电作用情况,是体现体系稳定性的指标之一[13],一般情况下Zeta 电位绝对值越高乳液的稳定性也越好[14-15]。一般认为电位绝对值大于35 mV 时,乳液具有较好的稳定性[16]。油相比例为50%时,不同MCC 颗粒浓度制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的Zeta 电位值如图5 所示。
图5 不同MCC 颗粒浓度乳液的Zeta 电位值变化
Fig.5 Changes in Zeta potential of emulsions with different MCC particle concentrations
由图5 可知,随着MCC 颗粒浓度的增大,乳液的Zeta 电位绝对值也在逐渐增大。当乳液中MCC 颗粒浓度超过0.6% 时,乳液的Zeta 电位绝对值会随着贮藏时间的延长而下降,但仍可以保持在35 mV 以上,这表明乳液在贮藏过程中依然保持较好的稳定性。而当MCC 颗粒浓度为0.4%时,经过一周的贮藏,乳液的Zeta 电位绝对值降至25~35 mV,表明乳液的稳定性开始下降,这与乳液的外观状态和微观结构观察结果一致。
2.1.4 MCC 颗粒浓度对乳液流变学性质的影响
油相比例为50% 时,不同MCC 颗粒浓度制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的流变学性质如图6 和图7 所示。
图6 不同MCC 颗粒浓度乳液的黏度
Fig.6 Changes in viscosity of emulsions with different MCC particle concentrations
图7 不同MCC 颗粒浓度乳液的储能模量(G')与损耗模量(G″)
Fig.7 Changes in storage module(G')and loss modulus(G″)of emulsions with different MCC particle concentrations
乳液的黏度越大代表其流动性越差,越有利于保持乳液的稳定[6]。从图6 可以看出,不同MCC 颗粒浓度(0.4%~1.0%)的乳液黏度均随着剪切速率的增大而减小,所有处理组均呈现剪切变稀的现象,说明乳液为假塑性非牛顿流体[17]。在相同剪切速率下,乳液的黏度随着MCC 颗粒浓度(0.4%~1.0%)的增加而增大,其原因是MCC 颗粒浓度的增加可以使得包裹在乳液液滴间的颗粒数量增多,有利于MCC 分散在连续相中形成网状结构,从而抑制了液滴间的相互聚拢,阻碍了液滴间的运动,最终使得乳液黏度增加[18]。
乳液的黏弹性响应可通过振荡测试来测量,最终获得乳液的储能模量(G′)和损耗模量(G″)[19],进而反映乳液中网络结构的稳定性。如果G′>G″,则表明乳液处于弱交联状态,且G′和G″不受频率影响。如果G′<G″,且两者都对频率有较强依赖性,则表明乳液的物理行为较不稳定,呈现出稀溶液的特征[20]。当G′>G″且两者对频率无明显依赖时,可认为乳液在物理和热力学上达到了稳定状态。
从图7 可以看出,当MCC 颗粒浓度在0.4%~1.0%时,乳液在静态低频状态下的G′显著高于G″且对频率的依赖性较低,表明MCC 颗粒在油相和水相的界面上形成了稳定的网络结构。在相同频率下,随着MCC 颗粒浓度(0.4%~1.0%)的增加,G′和G″均随之增大,这是由于MCC 颗粒浓度的增加提高了乳液中颗粒间的网络结构稳定性,使其可以更好地将液滴固定于网络结构中,从而提高了乳液的稳定性。
2.2.1 油相比例对乳液外观状态及乳析指数(CI)的影响
MCC 颗粒浓度为1.0% 时,不同油相比例制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的外观状态及乳析指数如图8 和图9 所示。
图8 不同油相比例乳液的外观结构
Fig.8 Appearance of emulsions with different oil phase proportions
图9 不同油相比例乳液的乳析指数(CI)变化
Fig.9 Changes in creaming index(CI)of emulsions with different oil phase proportions
不同字母表示差异显著(P<0.05)。
由图8 可知,当油相比例为30% 时,乳液出现了较为明显的油水分层现象,此时乳液的乳析指数最小,稳定性最差。由图9 可知,随着油相比例的增加,乳液CI 逐渐上升,乳液的稳定性逐渐增加。经过1 周的放置,油相比例低于50% 的处理组分层现象更为明显,乳液CI 显著下降,而油相比例高于50% 的处理组并未发生明显变化且CI 未发生改变,这说明油相比例较高的乳液在贮藏过程中具有较好的稳定性。出现该现象的原因是由于油相比例的增加,提高了乳液中MCC颗粒的利用率,使得MCC 颗粒可以附着更多的油相从而形成更为稳定的乳液[21]。
2.2.2 不同油相比例对乳液微观结构及粒径大小的影响
MCC 颗粒浓度为1.0% 时,不同油相比例制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的微观结及乳液粒径大小如图10 和图11 所示。
图10 不同油相比例乳液的微观状态
Fig.10 Microstructures of emulsions with different oil phase proportions
图11 不同油相比例乳液粒径的变化
Fig.11 Changes in droplet size of emulsions with different oil phase proportions
不同字母表示差异显著(P<0.05)。
由图10 和图11 可知,油相比例为30% 时,乳液的液滴体积和粒径最小,经过1 周的放置,液滴体积及粒径明显增大。一般认为粒径越小的乳液越不容易发生分层现象,但是从外观结构来看油相比例为30%的乳液分层现象明显,其原因是较低的油相比例会使得乳液体系中的MCC 颗粒利用率较低,因此在形成乳液时乳液粒径虽较小但体系并不稳定,进而使得MCC 颗粒在乳液放置的过程中出现蓄积和沉淀现象[21]。随着油相比例的增大,乳液粒径也由28.76 µm 增加到了37.24µm,经过一周的放置液滴体积及粒径显著增大,这是由于油相比例的增加使得油水单位界面膜上的MCC 颗粒质量浓度减小,导致MCC 颗粒维持乳液稳定性的能力下降,进而造成乳液粒径增大的结果[22]。
2.2.3 不同油相比例对乳液Zeta 电位的影响
MCC 颗粒浓度为1.0% 时,不同油相比例制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的电位值如图12 所示。
图12 不同油相比例乳液的Zeta 电位值变化
Fig.12 Changes in Zeta potential of emulsions with different oil phase proportions
从图12 可以看出,随着乳液油相比例的增加,Zeta 电位绝对值先增加后减小,且在油相比例为40%时达到最大值。尽管数据表明不同处理组的电位绝对值都会在贮藏期内下降,但各处理组的乳液在放置一周后,其电位绝对值仍高于35 mV,这表明MCC 颗粒浓度为1.0%的乳液可以在贮藏过程中保持较好的稳定性。
2.2.4 不同油相比例对乳液流变学性质的影响
MCC 颗粒浓度为1.0% 时,不同油相比例制备出的MCC-猪油Pickering 乳液的流变学性质如图13 和图14 所示。
图13 不同油相比例乳液的黏度
Fig.13 Changes in viscosity of emulsions with different oil phase proportions
图14 不同油相比例乳液的储能模量(G')与损耗模量(G″)
Fig.14 Changes in storage module(G')and loss module(G″)of emulsions with different oil phase proportions
从图13 可以看出,乳液的黏度随着油相比例的增加而增大。这是因为油相比例的提高可以增加乳液中液滴的密集程度,减少了液滴的活动空间,增加了液滴间相互作用的可能性,从而提高了乳液的黏度。此外,各处理组的乳液在剪切速率增加时黏度会呈现显著下降的情况。Filho 等[8]在研究木质微晶纤维素时也发现了类似的现象,并指出乳液黏度变化的原因主要与乳液颗粒间的堆叠现象有关。
从图14 可以看出,乳液的G′明显高于G″。结果表明,油相比例越高液滴间的相互作用越强,形成的网络结构也越紧密[23],这将更有利于乳液的抗分层和抗聚集作用,由此提高乳液的稳定性。
本试验主要探究微晶纤维素(MCC)与猪油形成的Pickering 乳液在不同MCC 颗粒浓度和油相比例条件下外观和微观结构、粒径、Zeta 电位值以及流变性质的变化情况。研究表明,当MCC 颗粒浓度在0.4%~1.0%的试验范围内时,乳液的乳析指数、Zeta 电位绝对值和黏度随着颗粒浓度的增加而增大,粒径随着颗粒浓度的增加而减小。当MCC 颗粒浓度为1.0% 时,乳液的乳化稳定性最佳。当油相比例在30%~60% 时,乳液的粒径和黏度随着油相比例的增大而增大,油相比例为40% 时乳液Zeta 电位绝对值达到最大值。乳液的CI 在油相比例为50% 和60% 时最大,并且在贮藏1周后CI 变化不明显,表明在该条件下乳液的稳定性较好。综上所述,采用MCC 颗粒浓度为1.0%、油相比例为50%~60% 的处理方法制备出的MCC-猪油Pickering 乳液效果最好。
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