本发明涉及一种新型高效增稠剂的制备方法及其应用，属于增稠剂的制备方法及其应用技术领域。
背景技术：
对于食品行业来说，如饮料、果冻、冷冻面制品、方便面制品、罐头制品、海产品等的制作过程中，需要添加乳化剂、稳定剂、增稠剂、凝胶剂、悬浮剂等添加剂以提高食品的各项性能。
食品增稠剂是用于改善和增加食品的粘稠度，改善食品物理性状，并能使食品有润滑适口的感觉的食品添加剂。食品增稠剂在食品生产过程中应用广泛，可以赋予食品所要求的流变特性，改变食品的质构和外观，将液体、浆状食品形成特定形态，并使其稳定、均匀，提高食品质量，以使食品具有黏滑适口的感觉。
现有增稠剂中多糖类以及脂肪类物质热量较高，天然的增稠剂，例如黄明胶来源于微生物体内，酪蛋白酸钠来源于动物等，产品在原材料采集过程中源头狭窄；人工合成的增稠剂，如羧酸基纤维素钠，温度高于45℃时对于饮料的增稠并未起到作用，再如羟丙基淀粉作为增稠剂，几乎不完全溶于冷水。有些增稠剂在加热加酸后其凝胶强度和粘度都发生不同程度的下降，并且沉淀量有很大的变化。因此，开发兼有安全无害、乳化、稳定、增稠功能的“天然、营养、多功能”食品添加剂是食品行业的发展方向。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种新型高效增稠剂的制备方法及其应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种新型高效增稠剂的制备方法及其应用，步骤一、用去离子水配制质量浓度为3％(g/ml)的乳清分离蛋白溶液，并搅拌均匀；
步骤二、以3mol/l的hcl调节乳清分离蛋白溶液的ph值至2.0；
步骤三、室温条件下磁力搅拌30min使蛋白充分溶解；
步骤四、于4℃条件下，9000r/min离心15min，取上清液于0.45μm混合纤维膜真空抽滤，除去未溶解的蛋白质；得到的蛋白质溶液在恒温水浴振荡器80℃，300r/min加热24h后，取出后立即冰浴冷却，置于4℃冰箱备用。
步骤五、真空冷冻干燥，得到乳清蛋白纳米纤维高效增稠剂。
上述方法制备的增稠剂在食品饮料中的应用。
本发明制备的增稠剂以乳清分离蛋白为原料，天然营养、安全无毒、生物相容性极好，经过一系列处理形成具有一定长度的纤维状蛋白，制备成为一种新型的耐热耐酸，温度不超过80℃ph不低于2.0仍然保持很好增稠效果的食品高效增稠剂，具有水溶性好、热量低、营养丰富、使用条件广泛、增稠效果好等优点，可应用于工业化生产，在质构化食品中非常有发展前景。
附图说明
图1是浓度为0.4％(a)、0.5％(b)和3％(c)的乳清蛋白溶液在ph值为2，353k条件下热处理24h后的透射电子显微镜图。
图2是乳清分离蛋白在ph值2.0，80℃条件下分别热处理(a)2h，(b)6h，(c)10h，(d)24h得到的透射电镜图。
图3是不同浓度的乳清分离蛋白溶液形成的纤维表观粘度图。
图4是不同水解时间的乳清分离蛋白纤维化聚集溶液粘度曲线图。
图5是复溶后不同浓度的纤维增稠剂相对粘度图。
图6是复溶后不同时间的纤维增稠剂相对粘度图。
图7是乳清分离蛋白纳米纤维增稠剂-ph图。
图8是不同ph值蛋白纳米纤维增稠剂复溶后形貌图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本实施例所涉及的一种新型高效增稠剂的制备方法及其应用，包括以下步骤：
步骤一、用去离子水配制质量浓度为3％(g/ml)的乳清分离蛋白溶液，并搅拌均匀；
步骤二、以3mol/l的hcl调节乳清分离蛋白溶液的ph值至2.0；
步骤三、室温条件下磁力搅拌30min使蛋白充分溶解；
步骤四、于4℃条件下，9000r/min离心15min，取上清液于0.45μm混合纤维膜真空抽滤，除去未溶解的蛋白质；得到的蛋白质溶液在恒温水浴振荡器80℃，300r/min加热24h后，取出后立即冰浴冷却，置于4℃冰箱备用。
步骤五、真空冷冻干燥，得到乳清蛋白纳米纤维高效增稠剂。
上述方法制备的增稠剂在食品饮料中的应用。
一、制备方法的确定：
(1)乳清蛋白溶液的浓度，对蛋白在酸性条件下热诱导的自组装有较大的影响，浓度过小，不利于纤维状结构的形成，浓度过大，溶液粘度增大，也不利于自组装的进行。图1是经过对0.3％、0.5％和3％的乳清蛋白溶液在80℃条件下加热24h后的透射电子显微镜图，如图1所示。
由图1a中可以看出，蛋白浓度为0.3％时，乳清蛋白聚集程度较小，浓度过小时乳清蛋白的水解占优势相互结合到一起的自组装进行的程度受到限制；图1b和图1c中均发生纤维状聚集，且蛋白浓度越大，形成的线性纤维聚集程度也越大。由此确定在配制时的最佳浓度为3％。
(2)不同的反应时间得到聚集体的形态是略有差异的，图2是对不同反应时间下得到的聚集体进行了透射电镜扫描，如图2所示。
图2显示了在不同加热时间(2h，6h，10h，24h)处理下，乳清蛋白淀粉样纤维聚集的微观形貌图。从图中可以看出，随着反应时间的延长，乳清蛋白纤维状聚集程度增强。图2a中时间较短，纤维的自组装不明显，随着时间的进行，图2b中可以看到少量组装好的纤维，图2c中纤维状聚集已经很明显，在加热24h后(图2d)细长的纤维相互缠绕形成团簇状。
(3)不同蛋白浓度、不同反应时间得到纳米纤维溶液与粘度的关系，采取固定剪切速率模式，蛋白质溶液的粘度反映了蛋白质体系的物理性质，粘度大说明体系的流体阻力大。
图3为不同浓度的乳清分离蛋白溶液经水解处理24h后纤维化聚集后溶液的粘度曲线图。从图中可以看出，在同一剪切速率下，乳清分离蛋白纤维的粘度随蛋白浓度的增大而增大，乳清蛋白纤维越多，蛋白质聚集纤维化程度越高，蛋白质分子之间相互作用力增大，有利于形成网状结构的形成，从而使体系的粘度增高。胶凝特性是蛋白质最重要的功能特性之一，利用蛋白质的凝胶性质对食品加工具有重要影响。本实施例得到的乳清蛋白纤维属于有序性凝胶，具有良好的透明性，可以添加到食物、饮料中以增加独特的口感。
图4为3％的乳清蛋白溶液经过不同制备时间形成的纤维状聚集溶液的粘度变化曲线图。结果表明，在相同剪切速率下，与未水解时的乳清蛋白原溶液相比，制备成纤维后的样品粘度显著提高。结合透射电镜的检测结果，可以知道蛋白纤维的成熟度越高，溶液的粘度也越高，随着纤维制备时间的延长，溶液的粘度逐渐增加。同时，随着剪切速率从0.1增加到100s-1，蛋白溶液粘度均降低，说明蛋白纤维溶液具有剪切变稀的特性。
二、不同干燥方法对乳清蛋白纤维粘度的影响分析
(1)旋转蒸发干燥法
旋转蒸发干燥法作为一种操作简单的干燥方法在试验中非常普遍，因此，首先选择使用旋转蒸发进行干燥。对乳清蛋白纤维溶液进行旋蒸，通过试验观察发现，一部分干燥后的乳清蛋白纤维非常容易贴在圆底烧瓶壁上，不易收集，且阻碍瓶内纤维的干燥。而且采用此种方法干燥的时间较长，去除水分很慢，干燥后的纤维仍成凝胶状，不易收集，故不采用此种干燥方法，但在本试验中选择其作为另外两种干燥方法的前处理步骤。
(2)真空干燥法
真空干燥的优点是速度较快，产品质松易粉碎。此外，减少了空气对产品的不良影响，对保证产品质量有一定意义。为研究纤维蛋白粉溶解后是否还具有一定的粘度，将制备好的乳清蛋白纳米纤维，首先进行旋转蒸发，旋转蒸发除去大部分水后再进行真空干燥。将干燥后样品用研钵研磨，于45℃进行复溶实验，配制成1％、2％、3％、4％、5％的溶液测定其粘度。溶液的粘度相比于原纤维聚集物的粘度稍有下降，5％的溶液相对粘度为20.437。
(3)真空冻干干燥法
冻干法全称为真空冷冻升华干燥法，是将材料冻结后，先冷却到冻结温度以下，再在低温和真空条件下使材料中冻结成冰的水分直接蒸发成水汽(升华)，是很好的冷凝除水的食品干燥方法。由于食品材料是处在低温下进行处理的，因此即使是容易受热变性的物料，其品质也不发生任何劣化，同时冻干制品具有溶解性优，复水性好的特点。因此可以选择使用冷冻法对乳清蛋白纤维溶液进行干燥。
将制备好的乳清蛋白纳米纤维，首先进行旋转蒸发，旋转蒸发除去大部分水后再进行冷冻干燥。采用冻干的干燥方法时间较短，水分去除完全，由于冷冻干燥是在室温以下的温度下进行的，干燥后的乳清蛋白干粉与未处理的乳清蛋白相比颜色基本上没有变化，呈乳白色，在实际生产中，通常会选择自身颜色较浅的增稠剂，这样可以保持饮料原有的颜色。因此在产品外观方面相比于真空干燥的方法，冷冻干燥法更具有优势。将冻干的纳米纤维增稠剂配制成不同的溶液测定其粘度。通过观察比较粘度图6可以看出，冻干后的干粉溶液粘度低于旋转蒸发及真空干燥的方法，5％的溶液相对粘度为17.394。
(4)不同市售饮料的粘度及ph值分析
在市面上选择一些不同粘度口感的饮料和乳制品进行粘度和ph值测定，研究纤维蛋白粉末是否能达到对饮料的增稠作用。
表1不同市售饮料的粘度和ph值
从表中可以看出，一般的运动饮料、果汁饮品及牛奶的相对粘度较低，在1到2之间，而具有一定口感的饮料例如娃哈哈ad钙奶及乳酸菌饮品的相对粘度较高，5％的纤维蛋白粉溶液的粘度介于二者之间，通过调整纳米纤维增稠剂的浓度，溶液的粘度完全可以达到一些市售饮料的要求，它不仅可以达到增稠效果还可以提高饮料的营养价值，是非常有潜力的食品添加剂。
三、ph值对纳米纤维增稠剂的粘度影响
将冷冻干燥得到的乳清蛋白纳米纤维增稠剂配制成3％的溶液，用1mol/ldhcl或naoh溶液，调节溶液的ph值，从图7中看出，溶液粘度随ph值显著变化，当体系ph值为4.0±0.1时，粘度最大。petkova等人认为反平行β-折叠结构在不同ph条件都能够存在，但是分子内部的氢键具有ph依赖性。因此，推测溶液的ph为4.0±0.1时，乳清分离蛋白纳米纤维间形成氢键，此时溶液中的蛋白质纳米纤维更加聚集，形成大面积的多孔团簇状纤维，持水性最强，溶液的粘度最大；当溶液的ph由4.0±0.1逐渐升高时可能蛋白分子内部的氢键被破坏，打断构建纳米纤维固有的分子间作用力，使溶液中形成更多小分子，这些小分子更加分散，溶液的粘度更小。由此可以推断，氢键是蛋白质纳米纤维能够形成的一个必要因素。
体系的ph值不同时，纤维也呈现不同的形貌。其中当ph为4.0±0.1时，纤维变得密实紧促，形成大面积的多孔团簇状；当ph至中性或者碱性时，纤维分散为细短的棒状颗粒，此时纤维更具灵活性。结合粘度数据表明，纤维越分散，体系的粘度越低。
通过对市售饮料ph值的测定，可以看到，一般的运动饮料、果汁饮品及牛奶的ph值较低，在3.0到4.5之间，而粘度最高的饮料例如乳酸菌饮品及娃哈哈ad钙奶等ph值范围与我们研制的乳清蛋白纳米纤维增稠剂范围一致，通过调整纳米纤维增稠剂的浓度，溶液的粘度完全可以达到一些市售饮料的要求，可以提高饮料的营养价值，是非常有潜力的食品添加剂。
本实施例的乳清分离蛋白纳米纤维乳化稳定增稠剂，采用的主要原料为乳清分离蛋白，乳清分离蛋白是牛奶制备奶酪后的副产品，具有营养价值高、易消化吸收、含有多种活性成分等特点，是公认的人体优质蛋白质补充剂之一。乳清分离蛋白浓缩了牛奶中大部分的营养成分，非常有利于促进身体健康和抵御疾病。高生物活性的乳清蛋白具有抗氧化、抗病毒等特性，帮助机体提高免疫力，提升消化及肠道功能，降低机体脂肪百分比，这对于健康及寿命有着深刻的影响。
乳清分离蛋白经过一系列处理可以得到同时具有乳化、稳定、增稠效果的食品添加剂，原料为乳清分离蛋白，来源广泛、成本低廉、天然营养；产品为固体粉末，易贮藏、运输及销售，而且加工过程容易控制，所需费用较低；同等质量的纳米纤维增稠剂加至食品、饮料中，乳化、稳定、增稠效果明显；产品性状稳定，加工性能好，无不良口感；具有成本低廉、使用方便、高效、无毒、环保等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。