乳液模板法制备核桃油油凝胶——以美拉德反应改性菜豆蛋白稳定并作为焙烤产品中的固体脂肪替代品

《Food Hydrocolloids》：Emulsion-Templated Walnut Oil Oleogels Stabilized by Maillard Reaction-Treated Common Bean Protein as a Solid Fat Substitute in Bakery Products

　　

摘要：油凝胶（Oleogel）是将液态油结构化形成三维网络从而替代固体脂肪、降低反式及饱和脂肪酸含量的体系。通过浓乳液和高内相乳液（High Internal Phase Emulsion, HIPE）制备油凝胶具有储存稳定性好、表面活性剂用量低的优势。蛋白质与碳水化合物的美拉德反应（Maillard reaction）被认为是一种经济可靠的改性方法，可通过空间位阻稳定液滴聚结。本研究假设美拉德改性菜豆蛋白可通过改善溶解性及空间位阻效应，提升核桃油基油凝胶的物理及氧化稳定性。研究人员首次开发了以美拉德反应处理的菜豆蛋白稳定的乳液模板核桃油油凝胶体系，考察了美拉德共轭物的糖基化程度、乳化性能及凝胶化能力，并对所得乳液和油凝胶进行了表征（如傅里叶变换红外光谱 FTIR、气相色谱-质谱联用 GC-MS、氧化稳定性等），并将性能最优的油凝胶用作曲奇配方中人造黄油（Margarine）的替代品。结果表明，美拉德改性菜豆蛋白共轭物（Maillard conjugate, MLC）具有较高乳化稳定性（Emulsifying Stability Index, ESI：201.52 min）及较低的最低凝胶化浓度（Least Gelation Concentration, LGC：5%）。此外，水油相比30:70 (v/v) 的油凝胶（Oleogel, OL）实现了最低析油率（21.3%）及较高热稳定性。室温储藏40天后，MLC的引入使硫代巴比妥酸反应物值（Thiobarbituric Acid Reactive Substances, TBARS）由0.33降至0.26 mg MDA/g oil，K232值由0.373降至0.205，改善了油凝胶的氧化稳定性。在曲奇应用中，油凝胶基配方硬度值为39.5~69.9 N，对照为38.2 N ± 2.6。上述结果表明，MLC稳定的乳液模板油凝胶可在保留核桃油高多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acid, PUFA）含量的同时，作为健康的固体脂肪替代品使用。

论文解读：美拉德反应改性菜豆蛋白稳定乳液模板核桃油油凝胶作为焙烤产品固体脂肪替代物的研究

研究背景与意义

核桃油富含多不饱和脂肪酸（PUFA），具有心血管保护等健康功效，但因高度不饱和易氧化变质，限制了其在需固态脂肪的焙烤等产品中的应用。传统固体脂肪（人造黄油、起酥油）常含高饱和脂肪酸或部分氢化产生反式脂肪酸，不利于健康。油凝胶（Oleogel，通过油凝胶因子将液态植物油结构化形成具三维网络、可模拟固体脂肪功能的半固体体系）是理想的固体脂肪替代物。乳液模板法以油包水（W/O）或水包油（O/W）浓乳液/高内相乳液（High Internal Phase Emulsion, HIPE，内相体积分数≥74%的乳液）为模板，蒸发连续外相后水相中生物大分子形成网络包埋油相，操作简便且无需大量小分子表面活性剂。菜豆蛋白（Common bean protein, Phaseolus vulgaris）是可持续植物蛋白源，但溶解度低、乳化性与凝胶性受限。美拉德反应（Maillard reaction，蛋白质游离氨基与还原糖羰基经湿法加热形成共价蛋白-多糖共轭物）可改善蛋白溶解性、界面吸附及空间稳定能力。目前共价蛋白-多糖修饰用于乳液模板油凝胶的研究较少。本研究由 Gundogan R, Karaca AC, Walia SK, Gok R, Esatbeyoglu T（伊斯坦布尔技术大学食品工程系）完成，发表于《Food Hydrocolloids》，旨在探究美拉德共轭菜豆蛋白-麦芽糊精稳定核桃油基乳液模板油凝胶的可行性、理化/氧化/质构特性及其在曲奇中替代人造黄油的效果。

主要关键技术方法

研究人员从土耳其获得菜豆（Phaseolus vulgaris），碱溶酸沉法提取菜豆分离蛋白（Bean Protein Isolate, BPI）；BPI与麦芽糊精按蛋白:糖=1:2 (w/v) 于pH 9.0、70℃湿法加热2 h制备美拉德共轭物（MLC）。采用邻苯二甲醛（o-phthalaldehyde, OPA）法测糖基化度（Degree of Glycation, DG）；测定乳化活性指数（Emulsifying Activity Index, EAI）与ESI；试管加热法测最低凝胶化浓度（LGC）；SDS-PAGE验证共价交联。以MLC水溶液与商品核桃油按水:油=60:40、50:50、40:60、30:70、20:80 (v/v) 均质制乳液，分型（滴水试验）、光镜测液滴粒径（Sauter平均直径 d_3,2、De Brouckere平均直径 d_4,3、Span）、14天分层指数（Creaming Index）、界面蛋白吸附率评价乳液。乳液50℃鼓风干燥24 h蒸发水相制得油凝胶（OL），按对应比例命名为60:40 OL等。对油凝胶测析油率（Oil Loss，离心法）、FTIR、流变学（应力/频率/温度扫描，储能模量 G′、损耗模量 G″）、差示扫描量热（DSC）、K₂₃₂（共轭二烯）与TBARS（丙二醛当量）评估40天25℃下氧化稳定性，INFOGEST 2.0体外消化测游离脂肪酸（Free Fatty Acid, FFA）释放。从油凝胶提取油做甲酯化后经GC-MS定性、GC-FID定量脂肪酸组成。曲奇以30:70 OL按0%、25%、50%、75%、100%质量替换人造黄油（分别记为C0、C25、C50、C75、C100），测烘焙损失、直径、厚度、延展比、水分/油脂含量、水活度(a_w)、色度(L* a* b*)、质构（硬度 Hardness、碎裂性 Fracturability）。

研究结果

3.1. Degree of Glycation of Protein–Carbohydrate Conjugates（蛋白-碳水化合物共轭物糖基化程度）

OPA法测得MLC糖基化度为18.2 ± 1.0%，表明菜豆蛋白与麦芽糊精发生有效共价接枝，接枝率在文献报道理想范围（15%~30%），有利于后续界面功能提升。

3.2. Emulsifying Properties of Bean Protein and Maillard Conjugates（菜豆蛋白及美拉德共轭物乳化特性）

MLC的EAI为69.1 m2/g、ESI为201.5 min，显著高于未改性BPI（EAI 60.0 m2/g，ESI 57.6 min，p<0.05），说明美拉德接枝的亲水多糖提升了蛋白两亲性及界面吸附膜的空间位阻，增强乳状液抗聚结能力。

3.3. The Least Gelation Concentration（最低凝胶化浓度）

BPI的LGC为8.5% (w/v)，物理混合BPI+麦芽糊精为7.5% (w/v)，MLC降至5% (w/v)。表明共价交联提高蛋白水合与柔顺性，促进低浓度下三维网络形成，有利于油凝胶基质构建。

3.4. SDS-Page Analysis（SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳分析）

BPI主带为20~60 kDa（菜豆11S球蛋白及豌豆球蛋白亚基 Vicilin），MLC该区域条带减弱并在>200 kDa出现高分子量聚集带，证实美拉德反应引起蛋白-麦芽糊精共价交联形成大分子量共轭物。

3.5. Emulsion Characterization（乳液表征）

显微观察：水:油=60:40~40:60为O/W型浓乳液，30:70开始出现W/O倾向并具较均匀密堆积液滴（Span 0.89），20:80因乳化剂不足液滴不均(Span 0.94)。分层实验：40:60与30:70乳液14天分层指数最低，达Jamming transition（堵塞转变，分散相体积超过随机密堆积分数φ≈0.64形成类凝胶网络抵抗重力分层），其中30:70为HIPE凝胶。界面蛋白吸附率随水相减少由60:40的59.6%降至20:80的32.6%，30:70仍具足够界面覆盖(45.6%)维持稳定。

3.6. Oleogels and Cookie Characterization（油凝胶及曲奇表征）

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  3.6.1. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)（傅里叶变换红外光谱）：MLC在3300 cm?1附近O-H/N-H伸缩振动宽化，酰胺I/II带保留，证实蛋白-多糖氢键网络形成。除20:80 OL外，各油凝胶在~1750 cm?1处核桃油酯羰基C=O特征峰被掩盖，说明油被MLC三维网络成功包埋；20:80 OL因MLC不足未形成连续网络，仍现油特征峰。
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  3.6.2. Identification of Fatty Acid Methyl Esters（脂肪酸甲酯鉴定）：核桃油及油凝胶PUFA占比约77.8%~79.5%（以亚油酸C18:2为主，约66%），油凝胶与原油脂肪酸谱无显著差异，表明50℃ 24 h干燥未引起明显脂质初级氧化。
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  3.6.3. Oil Loss in Oleogels（油凝胶析油率）：30:70 OL析油率最低(21.3%)，40:60 OL为28.5%，二者显著低于其他组(p<0.05)；20:80 OL几无凝胶结构(96.5%析油)。证明适宜水油比且MLC形成致密界面膜可有效锁油。
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  3.6.4. Rheological Properties of Oleogels（油凝胶流变学特性）：除20:80 OL(G′低于检测限、呈黏性)外，其余OL G′>G″且呈弱频率依赖性，具类固体行为。温度扫描中30:70 OL在升温至80℃时G′下降幅度最小，冷却阶段略降，说明其氢键主导网络经烤箱干燥后具高热稳定性及强界面膜刚性，其他比例OL冷却时G′回升反映未完全巩固网络重排。
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  3.6.5. Textural Properties of Emulsions and Oleogels（乳液及油凝胶质构特性）：30:70乳液 firmness最高；成胶后50:50 OL与40:60 OL firmness较高，与低析油率及高G′相符。
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  3.6.6. In vitro Lipid Release of Oleogels During Digestion（油凝胶体外消化脂质释放）：CWO及20:80 OL FFA释放率高（分别接近及68.8%），而30:70 OL FFA释放最低(7.9%)，MLC三维网络阻碍胰脂酶/胆盐接触油滴，延缓脂质消化。
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  3.6.7. Oxidation Stability During Storage of Oleogels（油凝胶储存期氧化稳定性）：40天储藏，30:70与40:60 OL K₂₃₂（初级氧化产物共轭二烯）及TBARS（次级氧化产物丙二醛）增幅最小，MLC网络物理阻隔氧扩散并可能具一定自由基清除辅助，显著提升富PUFA核桃油抗氧化稳定性。
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  3.6.8. Physical Properties of Cookies（曲奇理化性质）：选30:70 OL替代人造黄油。随替代比增加烘焙损失降低（C100: 6.8%；C0: 14.15%），直径无显著差异，厚度减小、延展比增大(p<0.05)，水分含量与a_w降低，油脂含量升高（因人造黄油含水~20%而油凝胶基本全油）。C75/C100 a_w处于单层水分区(0.20~0.30)有利抑制脂质氧化。
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  3.6.9. Textural Properties of Cookies（曲奇质构特性）：硬度与碎裂性随油凝胶替代增加而升高（C0: 38.2 N；C100: 69.9 N，p<0.05），MLC蛋白网络强化曲奇骨架但使质地偏硬脆，不同于饱和脂肪起酥软化效果。
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  3.6.10. Color Characteristics of Cookies（曲奇色泽特性）：全替代组(C100)L值最低(67.3)、a与b*略升，因MLC含美拉德中间产物(Maillard Reaction Products, MRPs，如类黑精 Melanoidins)及烘焙中进一步非酶褐变，人造黄油中饱和脂肪对褐变有物理遮蔽作用。

讨论与结论总结

本研究证实湿法美拉德反应可在菜豆分离蛋白与麦芽糊精间形成共价共轭物(糖基化度18.2%)，显著改善其乳化稳定性(ESI提升至201.5 min)及降低LGC至5%。以此MLC为唯一乳化/结构化剂，按水:油=30:70 (v/v)制备的O/W浓乳液可过渡为HIPE，干燥后得具最低析油率(21.3%)、高G′及较好氧化稳定性的核桃油油凝胶，体外消化FFA释放受抑(7.9%)，保留核桃油高PUFA特征。将其按质量等价替代人造黄油制曲奇，使产品硬度适度增加、延展性改善、色泽微深，脂质总含量略升但嵌入MLC网络降低氧化风险。局限性为等质量替换改变面团水脂比，未来需调整配方平衡。结论：美拉德改性菜豆蛋白稳定的乳液模板核桃油油凝胶可作为清洁标签植物基固体脂肪替代品应用于焙烤食品，在降低饱和/反式脂肪摄入的同时保留多不饱和必需脂肪酸。