徐群英 赵锦妆

（1 武汉轻工大学食品科学与工程学院 武汉430023 2 通标标准技术服务有限公司广州分公司 广州510700）

脂肪替代物， 根据其原料来源组成可分为三大类，即：蛋白质基脂肪替代物（包括牛乳、大豆和明胶等）、脂肪基脂肪替代物（大豆卵磷脂、脂肪酸酯等）和碳水化合物基脂肪替代物（淀粉、纤维素、燕麦、果胶等）[1]。其中碳水化合物在食品中用于替代部分脂肪已有多年的历史， 特别是胶体类化合物可用于食品中作为增稠剂及胶凝剂[2]，产生类似脂肪的流变特性与口感[3]。果胶作为一种高分子质量的碳水化合物，在食品中使用可以提高黏度，并且因其良好的润滑度及口感，被广泛应用在甜品、烘焙制品、乳制品中[4-5]。 除脂质替代功能外，果胶等膳食纤维还被证实可以抑制脂类物质的吸收，起降低热量、卡路里摄入量，稳定体系等作用，因此果胶类脂肪替代物的研究已成为当前食品研究的热点[6-9]。

果胶，可根据DE 的高、低分为高甲氧基果胶（high methoxyl pectin，HMP）和低甲氧基果胶[10]（low methoxyl pectin，LMP），其中高酯果胶DE 值大于50%，低酯果胶DE 值小于50%。凝胶性是果胶最重要的性质之一， 高酯果胶和低酯果胶的凝胶形成机理、 影响因素及其在生产中的应用都不同[11]。果胶的凝胶性质与其结构有密切关系。在酸性条件下， 高酯果胶在高糖溶液中通过氢键和疏水作用力可形成凝胶。 高含量的糖会改变果胶分子间的距离，使分子间间距降低，使体系水分活度降低，果胶分子不断聚集，形成疏松的三维网状结构[12]。 而低酯果胶在钙离子存在的条件下形成凝胶[13]。 钙离子与低酯果胶分子链上电离的羧基的结合机理与海藻酸盐的“蛋盒”模式类似。 凝胶形成过程中，果胶分子先形成二聚体，随后这些二聚体之间再相互聚集[14]。

果胶凝胶的制备需要经过高速剪切， 然而高速剪切形成的凝胶颗粒经过一段时间的放置后，由于氢键、范德华力及静电引力的作用，凝胶颗粒又重新聚集，并产生脱水现象，这制约了果胶凝胶在食品生产中的应用[15]。 有研究发现生物聚合物的混合体系若能形成凝胶， 则会出现两个伴生现象并有助于该体系的构建，其一是相分离，由于热力学不相容性， 两种具有相同净电荷的聚合物的混合物会出现相分离的情况； 其二是每种聚合物的凝胶化，这取决于相互作用的类型[16]。 因此本文拟通过尝试不同产物（黄原胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、 海藻酸钠及乳清蛋白）与果胶复配的方式，摸索复配体系的相互作用机制，研究其凝胶的稳定性，解决果胶在实际应用中重聚集的问题。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

高酯果胶，Sigma 科技有限公司；蔗糖，国药集团化学试剂有限公司；柠檬酸，国药集团化学试剂有限公司；黄原胶，上海源叶生物科技有限公司；瓜尔豆胶，上海源叶生物科技有限公司；羧甲基纤维素，上海麦克林生化科技有限公司；海藻酸钠，上海源叶生物科技有限公司；乳清蛋白，上海源叶生物科技有限公司；十二烷基硫酸钠，广州赛国生物科技有限公司。

Texture Analyser TAXT.plus 型物性测试仪，英国Stable Micro Systems 公司；Kinexus pro+多功能流变仪， 英国马尔文公司； 激光力度分析仪Mastersizer3000，英国马尔文仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 共溶质的比例确定 通过前期试验已得出， 制备果胶凝胶的最佳条件为果胶质量浓度1 g/100 mL，蔗糖质量浓度70 g/100 mL，pH 2.8。由于脂肪替代物添加进食品中起到降低脂肪， 从而降低热量的作用，因此蔗糖浓度不宜过高。而就凝胶性质而言， 麦芽糊精在酸性pH 下促进高酯果胶的自缔合的效果几乎与蔗糖一样[17]，且在过去的25年里，麦芽糊精作为食品添加剂是最流行的脂肪替代物[18]。 因此可选用麦芽糊精替代部分蔗糖，进行凝胶体系的进一步优化制备。

根据前期试验， 果胶的质量分数固定在1%，pH 值固定在2.8， 且共溶质总质量分数也保持在70%，选取5 组不同比例的麦芽糊精/蔗糖体系，分别为70%，60%，50%，35%，20%的蔗糖质量分数，即对应的麦芽糊精的质量分数为0%，10%，20%，35%，50%， 通过比较不同体系的质构特性来确定合适的麦芽糊精替代比。

1.2.2 脂肪替代物加工工艺流程 通过前期预试验[19]，确定了一个高酯果胶凝胶制备的最优条件，即取不同质量的果胶与复配产物加入到30 mL 去离子水中，配制成1.0%的果胶溶液，再添加不同比例的惰性外相， 于80 ℃恒温水浴锅中加热30 min。 用12.5%柠檬酸调pH 值为2.8，并加入蔗糖21 g，静置备用。 然后将所制备出的果胶凝胶通过高速剪切进行微粒化处理，即为成品。

1.2.3 复配产物的选取 分别选取黄原胶、 瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、海藻酸钠及乳清蛋白作为复配产物与果胶进行混合制备凝胶， 质量分数分别为0.1%，0.2%，0.5%，制备出的凝胶进行高速剪切之后对其脱水率与聚集时间进行测定。

将制备出的脂肪替代物在4 ℃条件下保存3 d，用滤纸吸去表面水分，测定前后质量差，计算得到脱水率。

1.2.4 复配体系的质构特性测定[20]采用TAXT.plus 物性测试仪对凝胶进行Texture Profile Analysis （TPA）分析。 TAXT.plus 设置为：选项：TPA 模式；探头为A∕BE；测定前探头速度：5.0 mm/s；测定时探头速度：1.0 mm/s； 测定结束探头速度：5.0 mm/s；应变：50%；触发力：1 g。

1.2.5 复配体系的流变学性质测定 静态剪切流变的测定：在5 ℃条件下，测量剪切速率为0～100 s-1，测定其过程中剪切应力和黏度的变化情况。 并根据下列幂律公式和奥斯特瓦尔德·德沃尔幂律关系对结果进行分析[21]。

式中：K（Pa·sn）为黏度系数；n 为流动指数，表征偏离牛顿流体程度的指数。

动态黏弹性的测定：在温度5 ℃条件下，扫描应变值为0.5%，振荡频率设定从0.1 到100 Hz，测定样品储能模量G′、损耗模量G″以及损耗正切角tanδ 随角频率的变化。

1.2.6 粒径分析方法 将通过不同剪切速率处理过后的果胶凝胶加入到150 mL 质量分数为0.1%的SDS 中进行稀释， 混匀后加入到激光粒度分析仪中进行测定，每个样品测定3 次。

1.3 数据统计与分析

采用Origin 分析软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同麦芽糊精添加比例对体系质构的影响

由试验可得， 不同比例的样品配比均可形成凝胶，且不同比例的体系在质构测定上差别不大。

试验结果表明，随着麦芽糊精的浓度的增大，相应的蔗糖的浓度在减小， 麦芽糊精与蔗糖比例为1 ∶6 时，体系的质构性质均略有下降，这可能是由蔗糖浓度降低引起的， 随着麦芽糊精浓度的增加，质构性质反而略有加强，但总体而言差别不大。这说明麦芽糊精在酸性条件下的高酯果胶下，与果胶有几乎同效的作用， 这是因为麦芽糊精中含有大量支链淀粉与溶解的直链淀粉[22]，促进了与果胶的交联，可形成稳定的网状结构。

在实际操作过程中， 随着麦芽糊精的添加量的增加，溶解也越困难。综合考虑试验结果与试剂操作，最终将麦芽糊与蔗糖的比例定为1∶1，即35 g 的麦芽糊精与35 g 的蔗糖。

表1 不同麦芽糊精/蔗糖比例对体系质构的影响Table 1 Effect of different maltodextrin/sucrose ratio on the texture of the system

2.2 不同复配产物对脂肪替代物稳定性的影响

通过前期预试验显示， 单独的果胶凝胶在进行高速剪切处理之后会重新聚集， 并产生脱水的现象， 这充分说明了单独的果胶凝胶制备出的脂肪替代物稳定性较差，不适宜后续的产品应用。为解决脂肪替代物重聚集的现象， 选择不同的惰性外相作为复配产物与果胶进行混合制备脂肪替代物。通过查阅相关文献资料与预试验，选择了羧甲基纤维素、黄原胶、瓜尔豆胶、海藻酸钠与乳清蛋白作为复配产物，选择的添加量为0.1%，0.2%，0.5%， 制备出的凝胶进行高速剪切之后测定其脱水率与聚集时间。

表2 不同复配产物对脂肪替代物脱水率及稳定性的影响Table 2 Effects of different compound product on the water loss and stability of the pectic fat mimetics

制备出的果胶凝胶经过高速剪切之后形成果胶凝胶颗粒，但是在放置一段时间后，由于氢键、范德华力及静电引力的作用， 凝胶颗粒又重新聚集，并产生脱水现象[15]，由表1 可得，随着各惰性外相浓度的增加，聚集越来越慢，同时脱水率也越来越低。其中高浓度的黄原胶与CMC 可以防止凝胶颗粒的重聚集，并缓解脱水现象的发生，可以很好地保证脂肪替代物的凝胶颗粒状态。

黄原胶在较低浓度时也能具有较高的黏度，同时具有优良的悬浮性、 乳化性、 温度稳定性和pH 值稳定性等特性[23]。 CMC 是一种纤维素衍生物，也是最主要的离子型纤维素胶，具有独特的增稠、悬浮、粘合及持水等特性[24]。 试验结果表明，高浓度的黄原胶与CMC 都适合做果胶为基质的脂肪替代物的惰性外相，考虑到成本，选用0.2%的CMC 作为惰性外相与果胶进行复配，制备脂肪替代物。

2.3 复配体系的质构分析

通过不同浓度CMC 对脂肪替代物的稳定性影响结果，选取0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%一系列不同质量分数的CMC 与果胶进行复配，测定其凝胶质构特性。

表3 CMC/果胶凝胶复配体系的质构特征参数Table 3 Parameters of texture profile of CMC/pectin gel mixed systems

试验结果表明， 复配体系呈现较为规律的变化，随着CMC 添加量的增加，硬度、稠度、黏性在0.1%～0.4%的范围内先增大后减小， 而在0.4%到0.5%的时候又呈上升的趋势，但当CMC 的添加量为0.5%时，总体的硬度、稠度及黏性均比0.4%的时候小。 这可能是因为适当比例的复配体系中大分子之间形成了非常紧密的结构， 从而提高了整个体系的硬度、稠度及黏性，而在CMC 的比例持续增大时， 过多的CMC 导致分子间产生剧烈碰撞，从而导致整个结构的空隙增大，即结构变得相对松散。

通过增加体系的硬度与稠度可以改善最终产品的咀嚼性， 同时考虑到复配体系的稳定性及最终产品的成本，因此应用中选择的CMC 添加比例为0.3%较为适宜。

2.4 复配体系的流变学性质测定

图1 为不同浓度的CMC 与果胶进行复配的产物在流动过程中其黏度随剪切速率的变化曲线。 由图可得，当CMC 的质量分数从0.1%增加至0.5%时， 体系的黏度随浓度的增大呈先增大后减小的趋势， 且不同浓度的复配体系均能表现出假塑性流体行为。 利用OriginPro 软件对不同浓度凝胶体系的流变曲线进行Ostwald-de Waele 方程的拟合，得到相应的流体幂律方程及相关参数（见表3）。

图1 CMC/果胶凝胶体系的流动曲线Fig.1 Flow curves of CMC/pectin gel systems

表4 不同浓度CMC/果胶凝胶体系的幂律方程Table 4 Power law equations of CMC/pectin gel with different concentrations

由表3 可得，CMC 质量分数为0.3%时， 有最大的稠度系数与最小的流体指数， 其中稠度系数K 代表的是体系的表观黏度， 而流体指数n 表示的是CMC 浓度对体系流体与牛顿流体偏离程度的影响。 随着CMC 浓度的增大，复配体系的稠度系数呈现先增大后减小的趋势， 即表观黏度呈现先增大后减小的趋势， 这是因为适当比例的复配体系，在分子间作用力的作用下，分子间交联逐渐紧密，分子间彼此缠结达到最稳定的状态。而在比例再增大时，复配体系凝胶性质出现恶化，可能是由于纤维大分子在较大浓度时不能得到舒展，限制了果胶凝胶分子的伸展， 从而影响复配体系的流变特性。

2.5 复配体系的频率扫描

从复配体系的动态黏弹性测定也可以看出同样的结果，G′与G″随频率的增大而上升， 表现出了很明显的弱凝胶动态流变学性质。 而随着CMC添加量的提高， 增长趋势从快变慢。 高比例的CMC 添加量限制了凝胶体系的结构，这与静态剪切流变的结果一致。

凝胶体系的动态黏弹性与其实际应用息息相关，当CMC 添加比例为0.3%时，凝胶的网络结构最为稳定，同时拥有最高的弹性模量与黏性模量，当比例再提高时， 复配体系的弹性与黏性都有所下降，而弹性、黏性增强这一特性可改善体系的加工性能，更好地运用在产品当中。

图2 CMC/果胶凝胶体系的动态黏弹性曲线Fig.2 Dynamic viscoelastic curve of CMC/pectin gel system

2.6 复配体系粒径分析结果

好的脂肪替代物需要能模拟脂肪滑润细腻的口感， 这样才能减少因脂肪降低而产生的口感变粗糙的问题， 因此对于体系的微粒大小即粒径有要求。 对于碳水化合物基的脂肪替代物一般需要做微粒化处理，减小颗粒的大小。而对于以果胶为基质的脂肪替代物而言， 由于果胶本身具有一定的黏稠性，因此其要求较低，但也要保证50%以下的粒径在100 μm 以下。

图3 不同剪切速率下体系粒径的分布图Fig.3 Distribution of system particle size at different shear rates

由图表可得，当剪切速率为1 000 r/min 时，其50%以下的粒径为69.8 μm，满足脂肪替代物的工艺要求，所以脂肪替代物的剪切速率定为1 000 r/min。

3 结论

试验结果表明， 麦芽糊精与蔗糖的效果几乎一样，都可以在酸性pH 下促进高酯果胶凝胶的形成，因此为使脂肪替代物起到降低脂肪，降低热量的效果， 凝胶的制备条件优化为果胶质量浓度1 g/100 mL、蔗糖质量浓度35 g/100 mL、麦芽糊精质量浓度35 g/100 mL，pH 2.8。 将制备出的凝胶进行高速剪切之后进行微粒化处理， 即得到以果胶为基质的脂肪替代物， 但此时制备出的脂肪替代物在放置一段时间之后会发生重聚集及脱水的现象，对于后续在食品中的生产应用不利，因此，在体系中添加惰性产物，阻碍其重聚集现象的产生。

表5 不同剪切速率对体系粒径的影响Table 5 Effect of different shear rates on system particle size

分别选取黄原胶、瓜尔豆胶、羧甲基纤维素、海藻酸钠及乳清蛋白作为惰性产物与果胶进行复配制备凝胶，其中考虑到生产成本与试验结果，0.2%的羧甲基纤维素与果胶进行复配的结果较为理想。确定了复配产物为羧甲基纤维素之后，将一系列浓度的羧甲基纤维素与果胶复配， 测定其质构、 流变特性。 结果可知，CMC 质量分数为0.3%时，有最大的稠度系数与最小的流体指数。即此时凝胶的网络结构最为稳定， 同时拥有最高的弹性模量与黏性模量， 因此最终惰性产物选择羧甲基纤维素，比例定为0.3%。

脂肪替代物需要能模拟脂肪滑润细腻的口感， 因此要保证复配体系50%以下的粒径在100 μm 以下。因此探究了不同剪切速率对于复配体系粒径的影响。 试验结果表明， 当剪切速率在1 000 r/min 时，其50%以下的粒径为69.8 μm，满足脂肪替代物的工艺要求。 因此脂肪替代物的工艺流程在果胶质量浓度1 g/100 mL、 羧甲基纤维素质量浓度0.3 g/100 mL、蔗糖质量浓度35 g/100 mL、麦芽糊精质量浓度35 g/100 mL，pH 2.8 的条件下制备出的果胶凝胶在1 000 r/min 的情况下进行剪切，所得的产品即为以果胶为基质的脂肪替代物。接下来是将脂肪替代物添加进人造奶油中， 确定最佳的替代比例。