燕麦β-葡聚糖添加对酸奶质构及流变特性的影响_黄苑怡.pdf

第 3 期第 53 卷基金项目：内蒙古自治区科技重大专项（2021ZD0002）；国家自然科学基金项目（32202054）。作者简介：黄苑怡（1998），女，硕士研究生，研究方向：食品营养与功能。E-mail：。*通信作者：管骁（1979），男，博士，教授，研究方向：食品营养与功能。Email：。燕麦-葡聚糖添加对酸奶质构及流变特性的影响黄苑怡1，劳晓1，刘勇勇1，黄凯1，管骁1*，余治权21.上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093；2.内蒙古燕谷坊全谷物产业发展有限责任公司，内蒙古自治区 010000摘要：燕麦-葡聚糖是从燕麦麸皮中提取出来的一种可溶性膳食纤维，因其吸水溶胀，有良好的持水性，溶于水后能形成高粘度的溶液，且具有增稠、稳定等效果及降血糖等生理功能，因此在食品行业中的应用日益广泛。向酸奶中添加燕麦-葡聚糖，可以提高酸奶品质，满足消费者对功能的需求。燕麦-葡聚糖添加量的不同能够显著改变酸奶的质构和流变特性，基于此，文章对燕麦-葡聚糖添加量对酸奶质构及流变特性的影响展开研究。结果发现，添加 1%的燕麦-葡聚糖能够提高酸奶的 pH，增强酸奶的凝胶强度和持水力。随着燕麦-葡聚糖添加比例的不断提高，酸奶的黏度和应力逐渐增大，添加有燕麦-葡聚糖的酸奶表现出弱凝胶状态，属于非牛顿流体。有机酸是发酵乳中重要的风味物质，当燕麦-葡聚糖的添加量为 0.5%时，酸奶中有机酸的含量显著提高，酸奶的发酵程度和风味大大增加。关键词：燕麦-葡聚糖；酸奶；稳定性；有机酸doi：10.3969/j.issn.1001-6678.2023.03.028第 53 卷第 3 期2023 年 6 月工业微生物Industrial MicrobiologyVol.53 No.3Jun.2023燕麦（Avena sativa L.）属一年生、禾本科类植物，是我国一种主要的杂粮作物。燕麦的营养价值很高，富含多种营养成分，包括蛋白质、可溶性膳食纤维、不饱和脂肪酸等。-葡聚糖是燕麦中的一种特征可溶性膳食纤维，在麸皮中含量占到约 20%，分子量在 240.02 600.0 kDa 之间1，可在人体内发挥许多生理作用，包括降低血糖、降低胆固醇、润肠、预防结肠癌以及增强免疫功能等2。然而，燕麦麸皮并不是燕麦加工的目标产品3，因此大量燕麦麸皮被用作饲料处理，难以获得较高的经济效益4。近年来，一些研究开始探索燕麦-葡聚糖优越的营养和食品应用价值。我国的乳制品生产和消费规模庞大，酸奶作为乳制品之一，因其独特口感和营养健康功能备受人们青睐，市场规模不断扩大，成为乳制品企业的明星产品，2017 年酸奶消费额首次超过牛奶5。随着国民消费水平的升级和健康意识的增强，功能性酸奶应运而生，不仅能够满足人们对口感的追求，还能实现特定的营养需求6。利用燕麦-葡聚糖开发功能性酸奶成为研究热点，当前开发功能性酸奶的研究将重点放在-葡聚糖的添加效果中，但添加燕麦-葡聚糖对酸奶体系中发酵特性和质构特性的具体影响还需进一步探讨。本文的研究目的是将燕麦-葡聚糖与酸奶相结合开发一种功能性酸奶，以期有效提高酸奶的发酵程度，改善酸奶的质构特性。通过研究燕麦-葡聚糖对酸奶的理化指标和质构特性的影响，解析添加燕麦-葡聚糖对酸奶品质的影响，最终得出酸奶中燕麦-葡聚糖的最佳添加范围，为后续燕麦-葡聚糖在酸奶中的进一步应用提供理论基础和新的思路。1材料与方法1.1材料与试剂燕麦-葡聚糖(分子量：50.4 kDa)：江苏南通振华生物工程有限公司；雀巢全脂奶粉、白砂糖：市售；酸奶发酵剂（12 菌型，包含嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、长双歧杆菌、乳双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双113-第 3 期第 53 卷工业微生物歧杆菌、青春双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、罗伊氏乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌）：安琪酵母股份有限公司；氢氧化钠、甲醇、磷酸：国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备FE28 pH 计、ME 分析天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；SPX-150C 恒温恒湿箱：上海博讯实业有限公司医疗设备厂；MYP11-2 磁力搅拌器：上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；HWS 电热恒温水浴锅：上海恒生化仪器有限公司；LDT-5T低速离心机：上海卢湘仪离心机仪器有限公司；TA-XT2i 质构仪：上海保圣实业发展有限公司；DHR-3流变仪：美国 TA 公司。1.3实验方法1.3.1酸奶制作称取 1 g 燕麦-葡聚糖溶解至 100 mL 纯净水中，60 下搅拌 3 4 h，直至燕麦-葡聚糖完全溶解，溶液呈澄清透明状。燕麦-葡聚糖溶液最终浓度为 0.01 g/mL（忽略溶液体积变化），存放于 4 冰箱中备用。称取 37.5 g 奶粉（12.5%，W/V）和 12 g 白砂糖（4%，W/V）至烧杯中，分别加入燕麦-葡聚糖溶液（0、30、150、300 mL）和纯净水（300、270、150、0mL），配制成 300 mL 奶液。将其在 350 r/min 的转速下充分搅拌 40 min 后，分装至 100 mL 酸奶瓶中，分为三份平行样。奶液 90 水浴灭菌 20 min，灭菌后取出酸奶瓶，室温下自然冷却至 40 45。取相应比例的无菌水，溶解发酵剂，再将发酵剂接种到已灭菌的牛奶中，42 恒温条件下发酵 8 h。发酵完成后从培养箱中取出，立即放入 4 冰箱中后熟 12 h以上，得到成品。1.3.2酸碱值（pH）及滴定酸度的测定将酸奶成品搅拌均匀，测定混匀后酸奶的 pH值。滴定酸度的测定方法参照之前的报道7-8，并做些许改变。称取 10.000 g 酸奶加入 150 mL 锥形瓶中，再加入 20 mL 蒸馏水，混匀。用 0.1 mol/L 的NaOH 标准溶液滴定锥形瓶中的液体至 pH 达到8.3，记录滴定所需 NaOH 标准溶液的体积为 V。空白实验使用 10 mL 蒸馏水作为样品，将所需 NaOH标准溶液的体积记为 V0。将以上数据代入下式中进行计算，滴定酸度数值以（T）表示，公式如式（1）所示：X=c（V-V0）100m0.1（1）式中：X 为样品的滴定酸度，T；c 为滴定使用的NaOH 标准溶液浓度，即 0.1 mol/L；m 为称取样品的质量，g；0.1 为滴定所用的 NaOH 浓度，mol/L。1.3.3有机酸的分析测试样品预处理：发酵后的酸奶，以 10 000 r/min 的转速离心 10 min，经 0.45 m 膜过滤后保存作为测试样品。HPLC 色谱条件：色谱柱 C18，4.6mm，250 mm，5 m；流动相 0.1%磷酸溶液甲醇=97.52.5（体积比）等流速洗脱 10 min，然后甲醇相达到 100%，短时间梯度洗脱 5 min。将流动相改为0.1%磷酸溶液甲醇=97.52.5（体积比），平衡 5min。柱温为 40，进样量为 20 L，检测波长为 210nm。将 HPLC 测定得到的样品峰面积与标准品峰面积做相应换算，从而得出酸奶样品中有机酸的种类及其相应含量。1.3.4持水力的测定持水力的测定参照田鑫9论文中的方法，并做些许改变。记录空离心管恒重为 mL，称取约 20 g 的样品，将其质量记为 W1，以 4 000 r/min 的速度将样品离心 30 min，然后排出上层乳清，称量离心管和剩余沉淀的总质量为 m2。持水力计算公式如式（2）：WHC=m2-m1W1100%（2）式中：WHC 为酸奶的持水力，%；m2为离心管和剩余沉淀的总质量，g；m1为空离心管的质量，g；W1为离心前样品的质量，g。1.3.5质构特性分析皞本实验的质构特性分析参考车祺等10论文中的方法，并做些许改变。采用 TA touch TextureAnalyser 进行分析，分析条件：测定前探头速率：5.00mm/s；测定时探头速率：1.00 mm/s；测定后探头速率：5.00 mm/s；目标位移：15 mm；探头两次测试时间间隔：5 s；采用 35 mm 圆柱形探头；接触点数值：5gf；每个添加比例设置三个平行样品，每个样品重复测量 5 次，最终数据取 5 次测量的平均值。1.3.6流变特性的测定所有酸奶样品均于 4 环境中冷藏 24 h。流变特性的测定方法参考车皞祺等10论文，并做些许改变。使用 Discover HR-3（TA）流变仪，不锈钢平板系114-第 3 期第 53 卷黄苑怡等：燕麦-葡聚糖添加对酸奶质构及流变特性的影响统的直径为 40 mm，板间距为 1 000 m，测量温度为 4。选用 Flow Sweep 程序测量黏度特性，剪切速率为（0.01100）s-1（对数形式递增）。采用 Frequencysweep 程序测量动态黏弹性，频率范围为（0.01100）Hz，strain 值设为 2%（属线性黏弹区范围）。1.3.9统计分析实验数据使用 GraphPad Prism 8 和 Origin Pro2022 软件绘图，数据显著性分析采用 SPSS 22.0 统计分析，显著性检验采用单因子方差分析法（ANOVA，Duncan 检验），P0.05），但可以发现随着燕麦-葡聚糖溶液浓度的逐渐升高，滴定酸度呈现出减小的趋势。当燕麦-葡聚糖添加量达到 1%时，酸奶的 pH 显著增加。这种现象可能与乳酸菌利用燕麦-葡聚糖产生有机酸等物质有关。表 1燕麦-葡聚糖添加量对酸奶滴定酸度和 pH的影响2.1.2燕麦-葡聚糖添加量对酸奶酸奶体系有机酸的影响酸奶在发酵过程中会产生独特的风味，而有机酸是使酸奶产生风味的一种重要物质。酸奶中含有乳酸、柠檬酸、延胡索酸等有机酸，这些有机酸可能是乳糖、蔗糖等碳源代谢的中间产物，如丙酮酸、琥珀酸；也可能是某些风味物质的前体物质13。有机酸含量与酸奶发酵程度密切相关14。表 2 展示了燕麦-葡聚糖酸奶样品中的有机酸种类和含量。从表 2 可以看出，在酸奶样品中检测出了酒石酸、乳酸、柠檬酸、丁二酸和丙酸等有机酸的存在。其中丁二酸含量最高，大约为 8 mg/mL，其次是乳酸和柠檬酸，酒石酸和丙酸含量较少。表 2添加燕麦-葡聚糖酸奶中的有机酸（单位：mg/mL）丁二酸又名琥珀酸，是三羧酸循环的一种中间产物15。发酵剂中含有多种菌种，可以利用乳液中的碳源，如蔗糖、乳糖等进行代谢产酸。葡聚糖是葡萄糖单元由糖苷键相连形成的多糖，发酵剂可以分解代谢葡聚糖进行三羧酸循环，产生丁二酸。然而当燕麦-葡聚糖含量继续升高时丁二酸的含量并没有增加，这可能是因为发酵过程已经到达了阈值，增加碳源浓度并不能提高发酵程度。酸奶中的脂类和蛋白质在发酵过程中被水解，经过乳糖和柠檬酸转化，营养成分发生了改变，产生了一些特有的有机酸，能够增加酸奶的风味13。发酵剂中的嗜热链球菌同型发酵产乳酸，赋予酸奶独特的酸味和清爽口感16。添加燕麦-葡聚糖后乳酸菌可以利用的碳源增加，产酸量得以提高。酸奶发酵剂中还含有保加利亚乳杆菌，保加利亚乳杆菌同型乳酸发酵代谢乳糖，产生乳酸、丙酸等风味物质17。酒石酸和柠檬酸在燕麦-葡聚糖添加前后，没有明显变化。2.2燕麦-葡聚糖对酸奶稳定性的影响燕麦-葡聚糖添加量/%滴定酸度/TpH069.002.004.500.04a0.170.330.584.480.02a注:表中数据均以平均值标准偏差（n=3）形式表示，同一指标字母不同表示差异显著（P0.05）。0.567.672.084.510.02a168.001.004.550.02b注:表中数据均以平均值标准偏差（n=3）形式表示，同一指标字母不同表示差异显著（P0.05），但是从实验结果可以看到：随着燕麦-葡聚糖浓度增加到 0.5%以上，酸奶的硬度更优，说明燕麦-葡聚糖提高酸奶的凝胶强度；添加-葡聚糖后酸奶的粘性存在极值，口感更稠厚，燕麦-葡聚糖对于维持酸奶体系稳定具有促进作用。此外，添加 0.1%的燕麦-葡聚糖能够使酸奶的咀嚼性降低，赋予酸奶更丝滑的口感，当浓度增加至 1%时，酸奶胶着性和咀嚼性提高，说明需要用更大的能量才能将酸奶压碎、咀嚼至可吞咽程度，这可能是由于燕麦-葡聚糖溶于水后形成高黏度溶液，从而影响了酸奶体系，使酸奶口感更醇厚。燕麦-葡聚糖添加后弹性、黏聚性、回复性三个指标均没有发生变化，说明对体系的影响可以忽略。对质构特性的研究表明，添加适量燕麦-葡聚糖有助于稳定酸奶的结构，增强胶凝状态，改善口感。但蛋白质凝胶网络对于稳定酸奶结构起到主要作用，而燕麦-葡聚糖的添加量较少，对蛋白质凝胶网络的影响较小。表 3燕麦-葡聚糖添加量对酸奶质地的影响2.2.3燕麦-葡聚糖添加量对酸奶流变特性的影响酸奶应呈现出一种具有一定强度、质地均匀的半固体状态25，但这种理想状态在机械运动中很容项目0%0.1%0.5%1%硬度（gf）43.8860.76343.6370.77044.3490.47744.5650.363粘性（gf s）-0.0010.001-0.0090.004-0.0920.124-0.0490.051回复性0.141 20.004 90.137 00.003 40.127 40.010 50.130 10.005 5注：表中数据均以平均值标准偏差（n=3）形式表示，同一指标字母不同表示差异显著（P0.05）。胶着性（gf）40.7950.55140.4120.49440.5630.58041.1220.312咀嚼性（gf）36.3270.36435.7000.56836.0530.80536.5070.333弹性0.890 40.003 10.883 30.005 30.888 70.008 00.887 70.002 5黏聚性0.929 60.003 70.923 10.001 30.914 70.008 30.922 80.005 42520151050bbaa添加 0%添加 0.1%添加 0.5%添加 1%116-第 3 期第 53 卷易被破坏21。本实验从静态流变和动态流变两方面出发，研究燕麦-葡聚糖对酸奶流变特性的影响，基于酸奶的流动特征来描述和控制产品的质地。黏性指的是流体受到力的作用，阻止流体的质点之间产生相对运动的性质，可以用于描述流体的流动性质，用黏度来表示26。酸奶有剪切变稀的特性，如图 2 所示，未添加燕麦-葡聚糖的酸奶初始黏度最大，所有样品的黏度均随剪切速率的增大而减小，这是一种非牛顿流体剪切变稀行为。出现这种现象的原因是，较高的剪切速率会破坏酸奶中的部分蛋白质结构，表现为体系的黏度降低27。剪切速率增加时，没有添加燕麦-葡聚糖的酸奶的黏度减小最为明显。在较大剪切速率处，增加燕麦-葡聚糖添加量，会使酸奶的黏度增大。燕麦-葡聚糖属于黏性多糖，已有研究表明-葡聚糖是一种理想的食品增稠剂，在较低的浓度下能产生很大的黏性28。由图 3 可知，剪切速率增大，应力增加。在剪切速率较大处，体系中燕麦-葡聚糖浓度越高，酸奶的应力越大。图 2不同燕麦-葡聚糖浓度酸奶黏度随剪切速率的变化图 3不同燕麦-葡聚糖浓度酸奶应力随剪切速率的变化为了进一步研究酸奶的内部结构，本实验测定了酸奶的动态流变参数，包括储能模量（G）和损耗模量（G）。储能模量指的是在振荡测试期间存储在每个变形循环中的能量29，此能量的大小与凝胶网络的强度有关。储能模量是弹性模量，可以表征酸奶的类固相特性，弹性模量越大，酸奶受到力的作用时变形程度越小。而损耗模量检测的是流体的黏性，是黏性模量，用于表征酸奶的类流体特性。当受到力的作用时，黏性模量越大，酸奶越不容易发生流动。储能模量和损耗模量的结合利用可以描述酸奶内在结构的稳定性30。不同燕麦-葡聚糖浓度酸奶其储能模量 G 和损耗模量 G随角频率的变化如图 4 所示。从图中可以看出，随着角频率逐渐增大，储能模量和损耗模量均在增加，并且储能模量 G 大于损耗模量 G，两者之间没有交叉，表现出弱凝胶行为。这说明酸奶的网络结构稳定，具有坚固的固体状结构，不会被高频率的环境所破坏，在储存期间稳定性更好。图 4不同燕麦-葡聚糖浓度酸奶储能模量 G 和损耗模量 G随角频率的变化随着燕麦-葡聚糖添加浓度的不断增大，储能模量和损耗模量均呈现出先减小后增大的趋势。在浓度为 1%时达到最大，说明燕麦-葡聚糖的添加提高了酸奶体系的黏弹性。添加了 1%燕麦-葡聚糖，酸奶的储能模量提高，说明此时酸奶的弹性大、凝胶结构紧密，在受到力的作用时，变形程度更小，更表现出固体的性质。当酸奶受到应力时，储能模量和损耗模量之间会产生相位差，它们的关系可以用 tan=G/G 表示，由此可以看出，tan 能用来描述酸奶体系中弹性和粘性的相对强弱。此外，tan 还可以反映流体能量消耗的特征31，因此又叫做损耗角。损耗角越大，说10310210110010-10%0.1%0.5%1%10-210-1100101102剪切速率（1/s）G0%G0.1%G0.5%G1%G0%G0.1%G0.5%G1%10-210-1100101102剪切速率（1/s）0%0.1%0.5%1%10210110010210110010-1100101102角频率/（rad s-1）102101100黄苑怡等：燕麦-葡聚糖添加对酸奶质构及流变特性的影响117-第 3 期第 53 卷工业微生物明酸奶在被剪切的过程中能量损耗越大21。在燕麦-葡聚糖浓度酸奶体系中，损耗角 tan随角频率的变化趋势如图 5 所示。可以看出，添加燕麦-葡聚糖后，酸奶体系的损耗角增大。当角频率小于 10 rad/s 时，0.1%-葡聚糖添加量酸奶的损耗角最大，0.5%和 1%添加量酸奶的损耗角相差不大，但都高于未添加燕麦-葡聚糖的样品。这说明0.1%添加量的-葡聚糖并不能增强酸奶的抗剪切能力；在酸奶中添加-葡聚糖对其体系中抗剪切能力的提高没有明显的促进作用。图 5不同燕麦-葡聚糖浓度酸奶损耗角 tan 随角频率的变化燕麦-葡聚糖是由葡萄糖单元组成的线性聚合物32，本实验使用的燕麦-葡聚糖分子量较大。研究表明，在交变应力作用下，高分子聚合物的形变与应力变化不同步，因此存在相位差。损耗角 tan越大，说明高分子聚合物分子链进行链段运动越困难，滞后现象越严重33。这也许就是添加 0.1%燕麦-葡聚糖使酸奶体系的损耗角增加的原因。值得注意的是，当高分子聚合物分子链的链段运动困难到一定程度时，受到交变应力作用的链段根本来不及运动，这时损耗角反而有所减小33。随着燕麦-葡聚糖浓度的增大，分子链纠缠程度加深，酸奶体系损耗角反而减小。3结语本研究通过在酸奶中添加不同浓度的燕麦-葡聚糖，探究其对酸奶质构及流变特性的影响，从而为开发功能性酸奶提供参考。结果显示添加 1%燕麦-葡聚糖能够提高酸奶发酵后的 pH。在 0.5%燕麦-葡聚糖的添加量下，酸奶中的有机酸含量均得到提高，提高了酸奶发酵程度，增加了酸奶的风味。燕麦-葡聚糖可以显著提高酸奶持水力，并增加酸奶的硬度、胶着性和体系凝胶强度，使酸奶拥有更稠厚的口感。燕麦-葡聚糖添加量为 1%时酸奶黏度达到最大；燕麦-葡聚糖酸奶表现出弱凝胶状态，网络结构稳定；在酸奶中添加-葡聚糖并没有显著提高其体系的抗剪切能力。综合实验结果，燕麦-葡聚糖添加对酸奶品质的提高具有积极作用，添加量在 0.5%1%之间时效果较好。参考文献1 任长忠,闫金婷,董锐,等.燕麦营养成分、功能特性及其产品的研究进展 J.食品工业科技,2022,43(12):438-446.2 闫雅岚.燕麦-葡聚糖研究进展J.粮油食品科技,2009,17(05):5-7.3 黄莲燕,王红娜,张小爽,等.燕麦麸皮添加量对面团流变特性及面筋蛋白结构的影响 J.食品工业科技,2018,39(06):71-76,91.4 柴继宽,胡凯军,赵桂琴,等.燕麦-葡聚糖研究进展J.草业科学,2009,26(11):57-63.5 李军霞.国内酸奶品牌的内容营销策略研究 D.沈阳:辽宁大学,2020.6 侯彩云.芦笋粉和三叶木通果胶的制备及其对酸奶品质的影响研究 D.成都:成都大学,2020.7 唐立伟,李想,左晨旭,等.乳杆菌在发酵乳饮料中的应用 J.工业微生物,2020,50(01):44-48.8 徐致远,艾连中.嗜热链球菌 S-3 对发酵乳品质的影响J.工业微生物,2018,48(04):1-4.9 田鑫,夏永军,艾连中,等.复原乳中营养成分比例对酸奶品质的影响 J.工业微生物,2020,50(06):1-6.10 车皞祺,艾连中,夏永军,等.嗜热链球菌胞外多糖EPS333 对酸乳品质的影响 J.工业微生物,2019,49(02):25-31.11 张波.石化企业循环冷却水提高浓缩倍数的研究 D.大庆:大庆石油学院,2008.12 蔡超.酸奶在贮存期间参数的变化和对货架寿命预测模型的研究 D.武汉:华中农业大学,2012.13 王柳,吕嘉枥,沈文.HPLC 法分析酸奶发酵过程中的有机酸 J.食品工业,2014,35(04):197-200.14 陈永福,王记成,云振宇,等.高效液相色谱法测定传统发酵乳中的有机酸组成 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gel strength and water holding capacity.With a higher addition of Oat-glucan,the viscosity and stress ofyogurt increased gradually.Yoghurt added with Oat-glucan behaved weak gel state and belonged to non-Newtonian fluid.Organicacid is a vital flavor substance in fermented milk.The content of organic acids in yogurt significantly increased when the amount ofOat-glucan was 0.5%,so the fermentation degree and flavor of yogurt was raised.Key wordsoat-glucan;yogurt;stability;organic acidOn the Effect of Oat-Glucan Supplement on the Texture and Rheological Properties ofYogurtHUANG Yuanyi1，LAO Xiao1，LIU Yongyong1，HUANG Kai1，GUAN Xiao1，YU Zhiquan21.School of Health Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 2000932.YanGuFang International Group Co.,Ltd.,Inner Mongolia 010000黄苑怡等：燕麦-葡聚糖添加对酸奶质构及流变特性的影响119-