磷酸化菊粉添加对鸭油基打发奶油工艺特性的影响

《Foods》：Effects of Phosphorylated-Inulin Addition on the Technological Properties of Duck-Fat-Based Whipped Cream

　　

本研究对天然菊粉进行磷酸化处理，并将其作为稳定剂应用于鸭油基打发奶油中，以考察其对乳化稳定性、流变特性、打发性能及感官品质的影响。磷酸化菊粉的表征结果显示其磷含量为0.38%，取代度（DS）为0.020。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，在约1220和992 cm^-1处出现与磷酸基团相关的吸收带，分别归属于P=O和P–O–C伸缩振动，证实菊粉成功实现了磷酸化修饰。在磷酸化菊粉（PI）系列中，平均粒径随磷酸化菊粉添加量的增加而减小，PI-12中达到629 ± 5 nm，与共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察结果一致。负zeta电位绝对值总体上随磷酸化菊粉添加量的增加而增大。所有乳液均表现出剪切稀化行为，储能模量（G′）大于损耗模量（G″）。磷酸化菊粉添加量越高，打发时间越长，膨胀率越低。PI-6、PI-9和PI-12均未检测到可测量的血清析出。在较高磷酸化菊粉添加量下，气泡呈现更小且更均匀的分布。初步感官评价显示，含12 g/批配方的质地和光滑度平均评分较高。在磷酸化菊粉系列中，PI-6（6 g/批）是在22 °C下放置3 h后未检测到可测量血清析出的最低测试添加量，尽管更高的添加量进一步提高了粘度和粘弹模量。将磷酸化菊粉添加量提高至PI-6以上进一步延长了打发时间并降低了膨胀率。后续研究应评估贮藏稳定性和氧化稳定性，以验证长期性能。

**磷酸化菊粉在鸭油基打发奶油中的应用研究解读**

**一、研究背景与问题提出**

打发奶油是一种复杂的三相乳液体系，经搅打后形成具有一定塑性的泡沫体系，其组成包括脂肪、蛋白质、稳定剂、甜味剂和表面活性剂等。脂肪通过在气-水界面吸附形成稳定的固体结构，为打发奶油提供必要的塑性，同时促进风味和香气的释放，满足消费者的感官期望。目前多数打发奶油类似物采用结构化植物脂肪以获得打发和泡沫稳定所需的固体脂肪特性。本研究选用分提鸭油作为替代脂相，评估其在打发奶油体系中的工艺适用性。然而，由于未对其脂肪酸组成与常用结构化脂肪的差异进行营养质量、消化率、脂质生物利用度和健康结局方面的评价，因此不宣称其具有营养优越性。

打发奶油存在的主要稳定性问题包括血清析出、气泡聚并、歧化以及脂肪介导的结构网络发育不足等。脂肪球与血清相之间的密度差异以及界面膜的不稳定性可能促进这些缺陷的产生，导致质地劣变和货架期缩短。为应对这些挑战，研究者已尝试使用多种亲水胶体作为结构化剂，包括黄原胶、种子来源胶体、卡拉胶-多糖复配物以及羟丙基甲基纤维素等。这些稳定剂主要通过提高连续相粘度、减少泡沫失稳和改善持水性来发挥作用。然而，常规亲水胶体虽可在相对较低浓度下有效，但其效果取决于聚合物类型、浓度及与其他配方组分的相互作用。过度结构化连续相可能阻碍空气混入、延长打发时间、降低膨胀率并对口感产生不利影响。因此，技术挑战在于如何在不过度增加粘度或损害打发性能的前提下实现充分的泡沫稳定性。

菊粉是一种天然存在的β-(2→1)键连接的果聚糖多糖，因其技术功能性而受到广泛关注，常被用作乳制品和低脂食品中的脂肪替代剂、质地改良剂和持水剂。菊粉的稳定效率主要归因于其与水分子的相互作用以及在连续相中形成结构化网络的能力。然而，天然菊粉在低浓度下的增稠和凝胶形成能力有限。与高效亲水胶体不同，菊粉主要作为持水和本体相结构化成分，可能需要在较高浓度下才能形成足够强的连续相网络，这会增加配方成本，并可能因过度网络形成而对打发性能或质地产生不利影响。

研究人员前期研究已在鸭油基打发奶油中评价了天然菊粉在0–15 g/批添加量下的效果，发现其改善了流变特性、短期泡沫稳定性、塑形能力和感官属性。含12 g/批天然菊粉（约12.1%，w/w）的配方在抗血清析出、流变特性、打发性能和感官品质之间达到了最佳平衡。然而，该前期研究结果仅用于支持NI-12的选择，并非与磷酸化菊粉的同步剂量-效应比较。

多糖的化学修饰为改善其功能特性提供了有效途径。磷酸化通过取代羟基将磷酸基团引入天然菊粉链，从而增加水合能力、增强极性和引入额外带电位点。这些结构变化可能改善连续相结构化作用、强化聚合物-水相互作用，并增强菊粉稳定多相食品体系的能力。尽管已有研究表征了改性菊粉的结构和凝胶特性及其在馒头、面团和小麦淀粉中的应用，但其在鸭油基充气体系中作为稳定剂的应用尚未得到充分阐明。

**二、研究目的与主要技术方法**

本研究旨在考察不同磷酸化菊粉添加量（3–12 g/批，相当于最终配方的3.34–12.15 g/100 g）对鸭油基打发奶油技术稳定性和品质特性的影响。研究人员以磷酸化菊粉（PI）为实验变量，设置PI-3、PI-6、PI-9和PI-12四个添加水平，同时设置含12 g/批天然菊粉的NI-12和未添加菊粉的阴性对照（NC）作为实验参照，并以乳基商业打发奶油（CWC）作为外部商业基准。主要技术方法包括：采用改性干热法制备磷酸化菊粉，通过钼蓝分光光度法测定磷含量并计算取代度（DS），利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征磷酸化结构；使用BeNano 90 Zeta分析仪测定乳液平均粒径和zeta电位；采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察乳液微观结构；使用TA DHR-2流变仪进行稳态剪切粘度测量、应变扫描和频率扫描；通过行星式搅拌机进行打发实验并记录打发时间、计算膨胀率；采用筛网法测定血清析出率；使用光学显微镜观察打发奶油的气泡形态与分布；通过塑形实验和截面观察评估结构稳定性；采用20名志愿评估者（22–45岁）进行实验室感官接受度评价。所有配方均独立制备三个批次（n=3），采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较检验进行统计分析（p<0.05）。原料来源包括：分提鸭油（河南华英樱桃谷食品有限公司，信阳，中国）、菊苣根来源天然菊粉（Cosucra，比利时）、商业乳基打发奶油（恒天然商贸有限公司，上海，中国）。

**三、主要研究结果**

**3.1 取代度与FTIR表征**

磷酸化菊粉的磷含量为0.38%，据此计算取代度（DS）为0.020，表明菊粉分子中相对较小比例的羟基被磷酸基团取代。FTIR分析显示，与天然菊粉（NI）相比，磷酸化菊粉（PI）在约1220和992 cm^-1处出现显著吸收特征，分别归属于P=O和P–O–C伸缩振动。菊粉果聚糖骨架和β-(2→1)糖苷键的特征峰（约1044和928 cm^-1）在PI中得以保留，表明磷酸化处理未明显破坏菊粉的基本结构。磷酸盐相关吸收带、磷含量和DS值共同支持磷酸基团成功引入菊粉分子。然而，研究人员明确指出，由于未对最终粉末中残留的游离磷酸盐和尿素进行定量分析，总磷含量和FTIR光谱不应被解释为产品纯度的证据。

**3.2 平均粒径与Zeta电位**

在磷酸化菊粉系列中，平均粒径从PI-3的915.66 ± 7.02 nm降至PI-12的629 ± 5 nm。粒径随磷酸化菊粉添加量增加而减小的现象可能部分归因于连续相粘度增加，限制了液滴迁移和碰撞聚并。NI-12的平均粒径（1106 ± 27.87 nm）大于PI-12，表明在本实验条件下磷酸化菊粉产生的平均粒径小于天然菊粉。zeta电位方面，负zeta电位绝对值总体上随磷酸化菊粉添加量增加而增大，PI-12与NI-12的负zeta电位绝对值相近。但研究人员强调，由于未直接测量磷酸化菊粉的界面吸附量，观察到的趋势不应仅归因于磷酸化菊粉在液滴界面的吸附。所有乳液均经1000倍稀释后进行测量，因此所测粒径应视为稀释条件下的比较值而非原乳液的直接表征。

**3.3 CLSM乳液微观结构**

CLSM观察显示，蛋白质（绿色）分布在脂肪液滴（红色）周围，可能有助于限制液滴聚并。随着磷酸化菊粉添加量增加，脂肪液滴总体上呈现更小外观，PI-12的液滴明显小于PI-3、PI-6和NI-12。PI-12中液滴排列更为密集。定性观察表明，磷酸化菊粉作为连续相结构化成分影响乳液微观结构，而非作为乳化剂发挥作用。

**3.4 流变特性**

**3.4.1 粘度**：所有样品在0.1–100 s^-1剪切速率范围内均表现出剪切稀化行为。幂律模型可良好描述稳态剪切行为（R² = 0.963–0.994），所有流动行为指数均小于1（n = 0.259–0.426），定量证实了剪切稀化现象。在磷酸化菊粉系列中，稠度系数从PI-3的1.586 ± 0.175 Pa·sⁿ增至PI-12的49.296 ± 1.113 Pa·sⁿ。在12 g/批的等效添加量下，PI-12的粘度高于NI-12，这可能与磷酸化引起的分子特性和水合行为改变有关。NC的粘度最低，CWC的粘度介于实验室配方范围内，但仅作为商业参照。

**3.4.2 应变扫描**：在线性粘弹区（LVR）内，所有配方的G′均大于G″，呈弹性主导的凝胶样响应。基于G′降低5%的判据，LVR上限从PI-3的0.880%降至PI-12的0.064%，NC的LVR最窄（0.169%）。尽管高添加量配方在较低应变下进入非线性区，但其G′和G″绝对值随磷酸化菊粉添加量增加而增大，表明形成了更显著的凝胶样响应。在等效添加量下，NI-12的G′和G″低于PI-12，表明磷酸化配方的粘弹响应更强。

**3.4.3 频率扫描**：所有样品在所测频率范围内G′均大于G″，未观察到模量交叉，呈弹性主导响应。磷酸化菊粉添加量越高，G′和G″值越高，总体顺序为PI-12 > PI-9 > PI-6 > PI-3。NC的模量最低且频率依赖性更强。但研究人员指出，磷酸化菊粉添加量的增加同时提高了总固形物含量并改变了各成分的相对比例，因此流变差异不能仅归因于磷酸化菊粉本身。

**3.5 打发时间与膨胀率**

打发时间随磷酸化菊粉添加量增加而延长，PI-12的打发时间最长（390 ± 6 s），可能因其较高粘度增加了流动阻力并限制了打发过程中的空气混入。NC的打发时间最短（105 ± 3 s），NI-12为226 ± 6 s，与PI-9相近，CWC为181 ± 3 s。膨胀率随磷酸化菊粉添加量增加而降低，从PI-3的287 ± 8%降至PI-12的192 ± 5%。PI-6的膨胀率为253 ± 8%，NI-12为219 ± 5%，CWC为210 ± 5%，NC最高（331 ± 8%）。添加亲水胶体可增加连续相的流变强度，从而限制空气混入、延长打发时间并降低膨胀率。

**3.6 血清析出**

在22 °C下放置3 h后，NC（10.06 ± 1.03%）、CWC（8.77 ± 0.95%）和PI-3（3.23 ± 0.31%）检测到可测量的血清析出，而PI-6、PI-9、PI-12和NI-12均未检测到可测量血清析出。在磷酸化菊粉系列中，PI-6是未检测到可测量血清析出的最低添加量。这一稳定性可能归因于磷酸化菊粉的高持水能力，以及较高粘度促进形成更结构化的连续相，从而增强水分固定并限制血清析出。

**3.7 打发奶油微观结构**

光学显微分析显示，随着磷酸化菊粉添加量增加，气泡的空间分布更加均匀。NC和PI-3样品中含有更大、排列更松散且分布更不均匀的气泡，这可能增加聚并和泡沫失稳的倾向，与NC和PI-3较高的血清析出率一致。PI-6、PI-9和PI-12中的气泡比低添加量配方更小且分布更均匀。较小且更均匀分布的气泡通常与改善的泡沫稳定性相关。

**3.8 塑形能力与截面观察**

塑形能力随磷酸化菊粉添加量增加而改善。NC和PI-3的形状定义最差，与其较高的血清析出率、粗糙的泡沫外观和较大的可见气泡一致。PI-6、PI-9和PI-12比PI-3具有更清晰的边缘和更光滑的表面。PI-12和NI-12具有相当的塑形特性。截面观察显示，低或未添加磷酸化菊粉的样品表面质地粗糙，随着添加量增加，截面表面更光滑、更精细。

**3.9 感官评价**

初步感官评价显示，PI-3和NC的质地平均评分最低，因其结构弱、塑形特性差。在磷酸化菊粉系列中，PI-6、PI-9和PI-12的质地评分高于PI-3，与流变结果中高添加量配方具有更高粘度和G′值一致。总体风味品质方面，PI-3和NC得分最低，PI-6、PI-9和PI-12的评分高于PI-3。CWC的甜度评分最高，因实验室配方未添加蔗糖。高添加量PI配方的光滑度评分也较高。总体而言，初步感官观察与流变和微观结构结果一致，但不应被解释为消费者接受度存在显著或群体水平差异的证实性证据。由于未对残留游离磷酸盐和尿素进行定量分析，感官结果应视为初步观察。

**四、讨论与结论**

本研究证明了磷酸化菊粉作为鸭油基打发奶油结构化与稳定化成分的潜力。磷酸化的成功通过磷含量0.38%、取代度0.020以及约1220和992 cm^-1处的磷酸盐相关FTIR吸收带得到支持。增加磷酸化菊粉添加量与更高的粘度和粘弹模量、较高添加量下更小的表观乳液液滴以及改善的短期抗血清析出能力相关。PI-6（6 g/批）是在22 °C下3 h后未检测到可测量血清析出的最低测试添加量，PI-9和PI-12同样未检测到血清析出。更高的添加量进一步增强了多项流变、微观结构、塑形和感官特性，但伴随更长的打发时间和更低的膨胀率，表明连续相结构化与打发性能之间存在权衡关系。在12 g/批等效添加量下，PI-12在所测条件下表现出比NI-12更强的粘弹响应和更小的平均粒径。总体而言，磷酸化菊粉在改善鸭油基打发奶油技术性能（特别是短期物理稳定性）方面显示出应用前景。研究人员明确指出，本研究仅评价磷酸化菊粉作为结构化和稳定化成分的技术角色，益生元活性和其他生理特性不在研究范围内；未对营养品质、消化率、脂质生物利用度和健康结局进行评价，因此不宣称营养优越性。后续研究应评估冷藏贮藏稳定性、氧化稳定性、分子量变化、残留磷酸化试剂、消费者接受度及放大生产性能，以确立其更广泛的应用可行性。