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行业时讯
蛋白质基质脂肪模拟物制备方法及其应用的研究进展
 
所属分类:行业时讯   阅读:1082   日期:2017-06-16
字号:
 
摘要:摘要:随着人们对饮食健康的关注日益增加,脂肪摄入过多带来的负面影响渐渐被人们正视。因此,脂肪替代品应运而生。脂肪模拟物作为脂肪替代品的一部分,由于其安全可靠得到了国内外的广泛研究。脂肪模拟物的制备是生产低脂食品的关键环节,目前蛋白质基质的脂肪模拟物主要通过物理方法、化学方法或者酶解法来制备,其应用主要在肉制品、乳制品、烘焙制品以及色拉调味品中。通过总结近年来国内外对脂肪模拟物的研究,对蛋白质基质脂肪模拟物的制备方法进行了分类阐述,并对不同的方法进行了分析和展望;对蛋白质基质脂肪模拟物的原料蛋白及其应用进行了较全面的总结。

    脂肪同碳水化合物、蛋白质一样,是食物的主要组成成分,也是人体最重要的供能物质之一。同时,脂肪可以使食品形成令消费者满意的口感、色泽和风味然而随着人们对饮食健康的关注日益增加,人们也普遍认识到过度摄入脂肪带来的不良影响。脂肪摄入过多会造成肥胖症,另外心脏病、高胆固醇、冠心病及某些癌症也与过量摄入脂肪有关因此,脂肪替代品应运而生,脂肪替代品可分为脂肪代用品和脂肪模拟物两类。
     脂肪代用品是以脂肪酸为基础酯化得到的,在物理特性和化学性质方面都与天然油脂相似,理论上能一对一取代脂肪脂肪代用品不被人体消化吸收而性质上又与脂肪类似,因此可以减少人体对脂肪的摄入。但也正因为不被人体吸收,脂肪代用品也可能会导致肛漏和腹泻。
     另一种脂肪替代品为脂肪模拟物,由于其安全可靠得到了国内外的广泛研究。脂肪模拟物是用来模拟脂肪口感和质地的一类物质,它是由蛋白质或碳水化合物为原料制备的。脂肪模拟物可以吸收水分,以水包油的乳化体系模拟脂肪的油状液体系,降低食品中脂肪的含量。其中以蛋白质为基质的脂肪模拟物所提供的热量仅为脂肪所提供热量的一半,并且可以参与人体正常代谢过程,为人体提供必需的多种氨基酸,所以其更加营养安全。
     目前以蛋白质为基质的脂肪模拟物按主要原料划分,可分为动物蛋白和植物蛋白基质的脂肪模拟物,其中常用的动物蛋白有鸡蛋蛋白、牛乳蛋白、乳清蛋白、胶原蛋白、交联蛋白等;植物蛋白有大豆蛋白(包括大豆浓缩蛋白和大豆分离蛋白等)、豌豆蛋白等豆类蛋白,小麦蛋白(小麦醇溶蛋白和小麦面筋蛋白等)、玉米醇溶蛋白等谷物蛋白。动物蛋白相对于植物蛋白所含的氨基酸种类与人体所需氨基酸更接近,更易被人体吸收,其中鸡蛋蛋白和牛奶蛋白是目前研究比较多的动物蛋白。但植物蛋白不含胆固醇,饱和脂肪酸含量低,而且价格便宜,近年来也得到了广泛的研究与应用。
     一部分蛋白质基质的脂肪模拟物通过微粒化作用形成细小的微粒,在人的口腔内不会有颗粒感,口感顺滑,以此来模拟天然油脂的口感和质地;另一部分则通过改变原料的某些特性,如水合特性、乳化特性等来模拟脂肪的性质。
1 蛋白质基质脂肪模拟物的制备方法
1.1 蛋白质通过物理改性制备脂肪模拟物
     物理方法制备脂肪模拟物是指通过适度的热变性、超高压、添加增稠剂、机械处理和超声波等方法对蛋白质进行物理改性,适度的物理改性可以改变蛋白质的分子结构从而改善蛋白质的功能性质,但对蛋白质的一级结构基本不会有太大影响。
1.1.1 蛋白质经热变性后制备脂肪模拟物
     蛋白质热变性从分子水平上看是使蛋白质的螺旋结构展开,形成特殊的伸展结构,即紧密盘曲的稳定结构在热力作用下转变为不规则的疏松构象,从而使疏水性基团向外暴露。此外,水分子也会自动分散于这些疏松的网状结构中,加热会促使整个体系形成凝胶体系。在脂肪模拟物制备中热变性的主要目的一是使蛋白质疏水性基团暴露出来,二是使蛋白质凝固形成凝胶。
     南海函等采用鸡蛋蛋白与明胶为原料,将明胶水溶液与鸡蛋蛋白水溶液混合形成微珠,通过加热使蛋白质固定于微珠中,然后分离、干燥,最后用超声辅助微粒化,制备成颗粒大小在0.5~3.0 μm之间的脂肪模拟物,溶于水后形成润滑、奶油状的乳状液,类似脂肪特性。它可以在一些食品中替代部分或全部的脂肪。而且这种脂肪模拟物的水溶液色泽洁白,可以作为咖啡增白剂。
     湿热变性作为蛋白质热变性的一种,会使蛋白质暴露出更多的疏水基团,亲油性增强从而提高蛋白质的乳化特性,改善低脂食品的质构,因此能够制备蛋白质基质脂肪模拟物。
     王建辉等将一定浓度的魔芋胶添加到大豆分离蛋白中,先进行湿热处理形成松散柔软的疏水性蛋白质颗粒,再经高速剪切处理制备脂肪模拟物。其黏度和乳化稳定性与调和油相似,可模拟出脂肪良好的润滑、奶油状口感。卢蓉蓉等也利用此方法,将黄原胶与乳清蛋白复配,先进行湿热处理再通过高速剪切方式制备脂肪模拟物。
1.1.2 蛋白质不经热变性制备脂肪模拟物
     有些蛋白质,如谷物醇溶蛋白,具有特殊的氨基酸组成,其分子中存在大量的疏水性氨基酸,使其具有独特的溶解性质,成为高疏水性蛋白质。向其中添加一定量的胶类物质可使蛋白质很好地凝固形成凝胶。因此,以谷物醇溶蛋白为原料制备脂肪模拟物的过程则可以不经过热处理。
     张艳荣等将乳化剂按一定配比添加到玉米醇溶蛋白中,采用高速剪切进行了微粒化和分散乳化处理制成脂肪模拟物。最后得到的蛋白糊有很好的拟脂性,呈均匀的半固体状态,质地细腻,涂抹性好。刘婷婷等也用此方法制备了玉米醇溶蛋白脂肪模拟物,部分添加到冰淇淋中,效果良好。
     曹刘霞等将单甘酯与羧甲基纤维素钠(CMC)制备而成的复合添加剂与小麦醇溶蛋白混合制成凝胶,同样采用微粒化方法和分散乳化方法制备脂肪模拟物。制备的小麦醇溶蛋白脂肪模拟物具有良好的乳化性和乳化稳定性。
     物理改性方法较简单,操作易控制,一般不会产生有毒害的副产物。目前国外已开发的产品Simplesse(美国Nutra-Sweet公司)、Traiblazer(美国Kraft通用食品公司)和LITA(美国Opta食品配料公司)都是利用物理改性的方法制备。其中Simplesse已于1990年2月被美国FDA批准为“公认的安全物质”而进入实用阶段。物理改性方法制备脂肪模拟物适用于工厂大规模生产,较易实现商品化。
1.2 蛋白质通过酶解改性制备脂肪模拟物
     酶解改性是利用合适的蛋白酶对蛋白质进行限制性水解,将大分子蛋白质降解成不同链长的小分子肽链,同时可以暴露出更多的疏水基团,从而提高其乳化性、起泡性、凝胶性等功能性质以酶解改性蛋白为基质制备脂肪模拟物,水解度常用来衡量酶解改性的程度。在合适的水解度下蛋白质形成凝胶并且其网状结构中会吸收大量水分,凝胶质地柔和会产生类似脂肪的润滑感。但水解过度便不能形成凝胶,不能模拟半固体脂肪的特征酶解改性所采用的蛋白酶主要有胰蛋白酶、木瓜蛋白酶以及某些微生物酶等,原料主要集中在大豆蛋白、豌豆蛋白、卵清蛋白、酪蛋白等。
     卢蓉蓉等利用Alcalase碱性蛋白酶作用乳清蛋白制备的脂肪模拟物成功应用于冰淇淋中,最多可替代25%的脂肪,当乳清蛋白水解度为4%时,冰淇淋口感最好。蒋将等也利用酶解改性,采用木瓜蛋白酶水解豌豆蛋白制备脂肪模拟物,成功应用于奶油的添加。王玉利用耐热蛋白酶水解蛋清蛋白制备脂肪模拟物,具有较高的乳化性,成功应用于低脂蛋黄酱的生产。
     综上,酶解改性对于蛋白质的乳化性等功能性质的提升是非常显著的,这使得蛋白质基质脂肪模拟物可以很好地应用在冰淇淋等乳制品以及某些调味品中。但一方面由于酶法改性的限制条件较多,另一方面由于我国对于酶制剂的研究起步较晚,目前我国批准的用于食品工业的酶制剂比较少。因此,利用酶解改性制备脂肪模拟物的研究不多,目前还没有形成成熟的酶解改性脂肪模拟物制备技术。
1.3 蛋白质通过化学改性制备脂肪模拟物
     蛋白质化学改性是利用化学试剂与蛋白质肽链中一些氨基、羟基、巯基以及羧基进行反应,从而起到改善其功能特性的作用包括提高持水性、溶解度、黏着性等水化性质;提高乳化性、起泡性等表面性质;提高黏弹性、凝胶性等结构性质以及改善颜色、气味、口味、适口性、咀嚼度、爽滑度等感官性质。 这些功能性质的提升可帮助蛋白质制备更好的脂肪模拟物。常见的改性方法有酰化改性、去酰胺改性、磷酸化改性、糖基化改性和pH改性在脂肪模拟物制备的过程中,蛋白质化学改性后通常会与一些胶类物质复配,增强体系的凝胶性,以此来更好地模拟脂肪的流动性等感官特性。
1.3.1 酰化改性
     酰化改性是通过蛋白质分子上的氨基、羟基等亲核基团与酰化试剂上的亲电子基团相互反应,在蛋白质上引入新的化学基团的过程。酰化试剂主要有琥珀酸酐和乙酸酐等。酰化作用降低了蛋白质表面的静电荷,改变了多肽链伸展及空间结构,从而提高了蛋白质的溶解性、持水性、持油性、乳化性、起泡性。酰化改性普遍应用于大豆蛋白、玉米醇溶蛋白和小麦醇溶蛋白等。张红印等对小麦面筋蛋白的乙酰化和琥珀酰化改性进行了深入研究。发现对小麦面筋蛋白的酰化改性琥珀酰化改性明显优于乙酰化改性。在日后研究中对于某种蛋白质可用不同类型和不同量酰化试剂进行改性,逐渐改善其功能特征。张红印等将琥珀酰化的小麦面筋蛋白应用于蛋糕生产,在合适的加工方法下蛋糕的品质改良效果和普通蛋糕几乎相同。
1.3.2 去酰胺改性
     去酰胺改性可以通过酸或碱催化水解或者β-转变机制进行。多数植物来源的蛋白质含有大量的酰胺基团,去酰胺反应可使蛋白质表面静电排斥力增加,蛋白质的空间结构更加伸展,凝聚在一起的蛋白质发生解聚,从而使得蛋白质溶解性提高,乳化性增加,拓宽其应用范围但去酰胺改性中酸法改性温度高,蛋白质易变性,碱法改性虽然速度快,但会有消旋作用,可能有毒害需要进一步提升和优化。
1.3.3 糖基化改性
     食品蛋白质的糖基化修饰,目前主要通过美拉德反应和转谷氨酰胺酶催化蛋白质糖基化两种途径实现。
     其中通过美拉德反应加入糖链的应用非常普遍,目前研究的蛋白质有酪蛋白、卵清蛋白、血浆蛋白、小麦面筋蛋白、大豆蛋白等,可以显著改善蛋白质的溶解性、热稳定性、凝胶性、乳化性等性能。
     另一种基于转谷氨酰胺酶途径的蛋白质糖基化,由于酶的价格昂贵目前研究并不多见,但其反应速度快、不存在美拉德反应的副反应,因而具有很好的研究开发前景。
1.3.4 磷酸化改性
     磷酸化改性的主要试剂有三氯氧磷、五氧化二磷、磷酸、三聚磷酸钠等磷酸化试剂。磷酸化试剂选择性地与蛋白质侧链的活性基团反应,加入了大量磷酸根。磷酸根的引入增加了体系中的负电荷,使分子间的静电斥力增强、乳状液表面张力降低,从而更容易形成乳状液滴。大量研究结果表明,磷酸化改性可以降低蛋白质的等电点,使改性蛋白的应用更加宽泛。目前常进行磷酸化改性的蛋白质有玉米蛋白和大豆分离蛋白等,磷酸化改性使蛋白质的溶解性、持水性、乳化性和乳化稳定性均得到一定程度的提高,使之能在一些乳制品、奶糖、糕点食品以及肉制品中可以广泛应用。磷酸化改性还增强了蛋白质对钙离子的螯合能力,因此有望作为一种促进钙吸收的功能食品添加剂使用。
1.3.5 pH改性
     pH改性即酸碱改性,它是一种比较温和的改性方式。在酸性和碱性的条件下,蛋白质分子会产生大量净电荷,诱导蛋白质的部分分子结构展开,从而暴露出更多的疏水基团。pH改性增强了溶液的乳化性、起泡性和凝胶强度,同时还赋予了泡沫良好的稳定性和较强的界面稳定性。
     目前对于蛋白质化学改性的研究很多,但用于制备脂肪模拟物的应用研究却少见报道。化学改性具备成本低、改性效果明显等优点,但同时也存在诸多的弊端,例如化学改性的操作周期长、产率低;易产生有毒害的副产物并且难于提纯等。今后对于蛋白质化学改性的研究应朝着绿色高效的方向发展。
2 蛋白质基质脂肪模拟物的应用
     以蛋白质为基质的脂肪模拟物高温下蛋白质的性质会发生改变,丧失滑腻的口感,因此不能被用在油炸食品中。但作为原料依然可以被烹调、蒸煮,以及一些极度高温的加工过程(如高温灭菌等过程)。目前以蛋白质为基质的脂肪模拟物主要应用在肉制品、乳制品、烘焙制品以及色拉调味品中。
2.1 在肉制品中的应用
     肉制品的质构、风味、多汁性和鲜嫩度都与脂肪含量有关,单纯地减少脂肪含量会导致口感变差。而一些蛋白质基质脂肪模拟物具有良好的持水性、乳化性和凝胶性,不仅可以提高肉制品的持水性和蛋白质含量,还能降低脂肪含量并能改善口感。因此,蛋白质基质的脂肪模拟物在肉制品中得到了很好的应用。添加到肉制品中的蛋白质原料主要有大豆蛋白、鸡蛋蛋白、乳清蛋白和胶原蛋白。
     目前已有将脂肪模拟物应用到火腿肠、法兰克福香肠、牛肉馅饼、汉堡肉饼等的研究。Angor等将卡拉胶、大豆蛋白脂肪模拟物和磷酸钠添加到牛肉馅饼中,部分替代牛肉中的脂肪,对加工前后牛肉的质构、口感及其他理化指标进行检测,发现将卡拉胶、大豆蛋白脂肪模拟物和磷酸钠按0.5%、1.5%和0.5%的比例添加得到的牛肉馅饼质量风味最好。
2.2 在乳制品中的应用
     乳制品中的脂肪对于乳制品独特的风味、质构和口感的形成有重要作用,简单地减少配料中乳脂含量会降低产品的感官品质。蛋白质为基质的脂肪模拟物能够结合水并且改善质构,具有良好的乳化性和乳化稳定性,可以改善乳制品的口感,增加稠度、爽滑度。添加到乳制品中的蛋白质原料主要有乳清蛋白、牛奶蛋白、鸡蛋蛋白、大豆蛋白、玉米醇溶蛋白等。
     目前已有将脂肪模拟物部分替代酸奶、奶酪中乳脂肪以及直接替代冰淇淋中的奶油的应用。Koca等对添加蛋白质基质脂肪模拟物Simplesse和Dairy-Lo(两者均为国外已经商品化的蛋白质基质脂肪模拟物)的低脂奶酪进行了溶解性、结构表征和感官性能的检测,与不含脂肪模拟物的低脂奶酪相比,其质构和感官性能方面得到了显著的提升。刘婷婷等将玉米醇溶蛋白脂肪模拟物应用到冰淇淋中,结果表明当其添加量为8%,明胶、单甘酯、麦芽糊精添加量分别为0.2%、0.4%和4%时,生产的冰淇淋品质最佳,其风味清香,口感细腻,膨胀率理想,具有很强的抗融化性。王宇等将豌豆、大豆蛋白脂肪模拟物应用到植脂奶油中,增加了奶油界面膜的黏弹性,奶油的起泡性和泡沫稳定性也得到了一定程度的提高,并获得了较好的感官品质。
2.3 在烘焙制品中的应用
     烘焙制品中的脂肪有乳化、嫩化、作为香味物质载体、防止干硬、淀粉老化、保湿等作用,蛋白质基质的脂肪模拟物可以使食品达到一定的黏度并且通过提高乳化性能来模拟脂肪柔软润滑的口感。主要的蛋白质原料有鸡蛋蛋白、牛奶蛋白、小麦面筋蛋白等。
     Aggarwal等将Simplesse和聚葡萄糖(一种碳水化合物基质的脂肪模拟物)应用到低卡路里饼干中代替部分油脂。O’Brien等也将Simplesse和菊粉凝胶添加到小麦面包中替代部分脂肪。蛋白质基质脂肪模拟物可以提高食品的回弹性和黏性。但上述研究表明,当应用在烘焙制品中时,碳水化合物基质脂肪模拟物的效果要优于蛋白质基质的脂肪模拟物。因此,蛋白质基质脂肪模拟物在烘焙制品中的应用还有待优化和研发。
2.4 在色拉调味品中的应用
     蛋白质基质脂肪模拟物可以使色拉调味品达到一定稠度,增强了可塑性、提供涂抹性,此外还能改善色拉调味品的口感和香味。目前研究较多的蛋白质有胶原蛋白、鸡蛋蛋白、乳清蛋白和玉米醇溶蛋白等。
     石岱丽将玉米醇溶蛋白脂肪模拟物应用到蛋黄酱中,并得到蛋黄酱的最佳配方为玉米醇溶蛋白脂肪模拟物用量为16%。Liu等对以乳清蛋白脂肪模拟物替代脂肪的蛋黄酱(最高替代量为50%)进行了流变学、质构和感官性能的研究。添加脂肪模拟物的低脂蛋黄酱水分含量增加,能量显著少于全脂蛋黄酱。感官评价显示低脂蛋黄酱是可被接受的。因此,蛋白质基质脂肪模拟物在蛋黄酱等色拉调味品中的应用有很大潜力。
3 展 望
     目前国外已有商品化的脂肪模拟物,但国内的研究起步较晚,尚无商品化的脂肪模拟物。蛋白质基质脂肪模拟物的制备目前主要采用物理方法,用于制备的蛋白质的种类比较局限,以动物蛋白居多。而植物蛋白具有价格相对便宜,营养丰富,且不含胆固醇等优势。一些谷物和豆类产品加工后的废水残渣中都含有大量的蛋白质,玉米醇溶蛋白可以从玉米深加工后的废渣中提取,豌豆蛋白可以从加工粉丝后的废水中提取。在日后的研究中,可以将这部分的蛋白质很好地利用起来。有些植物蛋白的功能性质比动物蛋白稍差,如大米蛋白溶解性较差,豆类蛋白有一些豆腥味等,单纯的物理改性无法制备良好的脂肪模拟物。在今后的研究中可利用物理、化学改性或者物理、生物改性相结合的方法将这类蛋白质制备成脂肪模拟物。例如可以先通过化学改性方法将一些功能性质较差或有一些缺陷的蛋白质的性质提升,再进行物理改性,以此制备比较完美的脂肪模拟物。相信在今后的研究中一定可以研制出能广泛商品化的脂肪模拟物。

文章摘自《中国油脂》2017年第5期,作者:杨 扬,张玲玲,李永祥,刘雁红,转载请注明出处!

来源:《中国油脂》2017年第5期   编辑:中国油脂网编辑
 
关键词:蛋白质 基质 脂肪 模拟物 制备方法 应用 研究 进展
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