應(yīng)用黃金分割法確定冰淇淋專(zhuān)用大豆蛋白粉中乳化劑的添加量

范佳璐，江連洲，*，田娟娟，，婁 巍，高 珊，王 哲

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省雙河松嫩大豆生物工程有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150008）

應(yīng)用黃金分割法確定冰淇淋專(zhuān)用大豆蛋白粉中乳化劑的添加量

范佳璐1，江連洲1，*，田娟娟1，2，婁 巍1，高 珊1，王 哲2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省雙河松嫩大豆生物工程有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150008）

采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定生產(chǎn)冰淇淋的專(zhuān)用大豆蛋白粉中乳化劑的乳化能力，從6種不同乳化劑中看出單甘酯、蔗糖酯的乳化能力較高，分別為52.05和49.34。用黃金分割法確定單一使用單甘酯的最佳添加量為0.1854%，乳化能力為48.95；單一使用蔗糖酯的最佳添加量為0.0972%，乳化能力為47.13。兩者復(fù)配之后的最佳配比為10.6∶9.4，此時(shí)乳化效果最好，乳化能力可達(dá)52.67。研究結(jié)果表明，黃金分割法適用于乳化劑添加量的優(yōu)選，可使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化，數(shù)據(jù)更具有準(zhǔn)確性和代表性，拓寬了其應(yīng)用的范圍。

黃金分割法，乳化劑，添加量，大豆蛋白粉

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，消費(fèi)者對(duì)冰淇淋的要求不斷提升，正向營(yíng)養(yǎng)學(xué)家提出的“三低一高”方案（即低糖、低鹽、低脂肪、高蛋白）的方向發(fā)展，同時(shí)也是冰淇淋行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。為滿足高蛋白的需求，在生產(chǎn)時(shí)需添加一定量的大豆分離蛋白，一是可增加大豆蛋白的含量；二是賦予冰淇淋新的賣(mài)點(diǎn)，屬低脂高蛋白保健型冰淇淋。利用脫脂豆粉添加適量的乳化劑的方法，可顯著提高其功能性，使其可應(yīng)用于冰淇淋中。本文主要研究了利用黃金分割法確定乳化劑的添加量，旨在為冰淇淋行業(yè)提供有價(jià)值的參考，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值。目前，在冰淇淋產(chǎn)品的技術(shù)改進(jìn)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，大多采用正交實(shí)驗(yàn)法，而在單因素優(yōu)選問(wèn)題上，多采用逐漸改變添加量［1］的方法，這兩種方法都具有實(shí)驗(yàn)次數(shù)多，周期長(zhǎng)，投入大的缺點(diǎn)。在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用黃金分割法可以有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，快速逼近真實(shí)值，并得到更為精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。黃金分割法是指把一條線段分成兩部分，使其中一部分與全長(zhǎng)的比例等于0.618，我們把這個(gè)分割點(diǎn)叫黃金分割點(diǎn)，這種分割方法就叫黃金分割［2］。黃金分割優(yōu)選法是指在實(shí)驗(yàn)范圍0.618處作一次實(shí)驗(yàn)，再在其對(duì)稱(chēng)點(diǎn)（即0.382處）作第二次實(shí)驗(yàn)，比較兩點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，去掉“劣”點(diǎn)部分，保留“優(yōu)”點(diǎn)部分。然后在留下部分繼續(xù)取已試點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再舍“劣”取“優(yōu)”，逐步縮小實(shí)驗(yàn)范圍，直至取得滿意的結(jié)果。應(yīng)用0.618法，每次可以去掉實(shí)驗(yàn)范圍0.382。因此，可以用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)迅速找到最佳點(diǎn)［3］。目前，此方法較少應(yīng)用于食品領(lǐng)域的科研開(kāi)發(fā)中，在飲料［4］，香精研發(fā)［5］和焙烤［2］等領(lǐng)域有少量報(bào)道，但應(yīng)用黃金分割法確定乳化劑添加量方面的研究，尚未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道，具有深遠(yuǎn)的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫脂豆粉 河南安陽(yáng)漫天雪蛋白有限公司；單甘酯 上海山浦化工有限公司；蔗糖酯SE－11 柳州齊志達(dá)食品添加劑股份有限公司；司盤(pán)60、聚甘油單硬酯、三聚甘油單酯 河南正通化工有限公司；酪蛋白酸鈉 寧夏億美乳業(yè)化工有限公司；十二烷基磺酸鈉（SDS） Sigma公司；大豆色拉油 中糧福臨門(mén)食用油公司。

電動(dòng)均質(zhì)機(jī)AM－77s NIHOHSEIKI KAISHA LID ACE HOMOGENIZER；紫外分光光度計(jì)UV－2550

日本島津有限公司；pH計(jì) 上海偉業(yè)儀器廠；KQ－100超聲波清洗機(jī) 昆山市超聲儀器有限公司；電子分析天平Y(jié)P202N 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳化能力測(cè)定 參照Pearce和Kinsella［6］的方法及參考文獻(xiàn)［7］改進(jìn)。取15mL 0.1%的樣品溶液（樣品溶于0.2mol/L pH7.0磷酸緩沖液中），加入5mL大豆色拉油，用電動(dòng)均質(zhì)機(jī)以10000r/min均質(zhì)1min后，立即于容器底部取樣50μL，用0.1%的SDS溶液稀釋100倍，混勻后500nm處測(cè)定吸光值A(chǔ)0，以SDS溶液作為空白，室溫放置10min后再次取樣測(cè)定吸光值A(chǔ)10。重復(fù)測(cè)定三次，取平均值。

式中：C：樣品濃度，g/mL；Φ：乳化液中油相的比例0.25；L：比色杯光徑1cm；N：稀釋倍數(shù)；A0：0min時(shí)乳化液的吸光值；A10：靜置10min后乳化液的吸光值。

1.2.2 黃金分割法的基本步驟

1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的確定 按黃金分割法安排實(shí)驗(yàn)，先在含優(yōu)區(qū)間［a，b］的0.618處取值，做第一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其公式為［9］

式中：P：分割點(diǎn)；b：含優(yōu)區(qū)間上限；a：含優(yōu)區(qū)間下限。

1.2.2.2 第二實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的確定 以后各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（即對(duì)稱(chēng)點(diǎn)）的公式為［9］：

使用公式（4）時(shí)注意：隨著實(shí)驗(yàn)范圍的縮小，a，b及P的取值也是變化的，即a為所留下含優(yōu)區(qū)域的下限，b為所留下含優(yōu)區(qū)間的上限，P為所留下含優(yōu)區(qū)間的分割點(diǎn)（對(duì)稱(chēng)點(diǎn)）。

1.2.2.3 第三實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的確定 比較P1，P2兩次實(shí)驗(yàn)效果，若P1好于P2，則舍去不包括P2點(diǎn)的以外部分，在留下部分再找出P1的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P3做第三次實(shí)驗(yàn)［9］。

1.2.2.4 第四實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的確定 比較第三次和第一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如果仍是第一次的實(shí)驗(yàn)效果好，則去掉P3以外的部分，在留下的P2至P3區(qū)間內(nèi)繼續(xù)找出P1的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P4，作為第四實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。

1.2.2.5 第五實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的確定 如果P4點(diǎn)比P1點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)效果好，則舍去P1到P3這一段，在留下的部分內(nèi)繼續(xù)找出P4的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P5，為第五實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，按同樣的方法繼續(xù)下去，直到找到最優(yōu)點(diǎn)為止。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑的篩選

測(cè)定單甘酯、蔗糖酯、酪蛋白酸鈉、司盤(pán)60、聚甘油單硬酯、三聚甘油單酯的乳化能力（EAI）及乳化穩(wěn)定性（ESI）。

從表1中可以看出，乳化性從高到低依次是：?jiǎn)胃术ィ菊崽酋ィ舅颈P(pán)60＞三聚甘油單酯＞聚甘油單硬酯＞酪蛋白酸鈉，乳化穩(wěn)定性從高到低依次是：?jiǎn)胃术ィ舅颈P(pán)60＞聚甘油單硬酯＞三聚甘油單酯＞蔗糖酯＞酪蛋白酸鈉。

表1 不同乳化劑的乳化能力比較

因此，選擇單甘酯進(jìn)行最佳添加量的實(shí)驗(yàn)，雖然蔗糖酯乳化穩(wěn)定性較差，但乳化性比較突出，同時(shí)做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.2 利用黃金分割法確定單一乳化劑的添加量

2.2.1 利用黃金分割法確定單甘酯的最佳添加量 根據(jù)單甘酯的含優(yōu)區(qū)間是［0.1%，0.2%］，按上述所講，在［0.1%，0.2%］的0.618處取值，即第一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P1=（0.2%－0.1%）×0.618+0.1%=0.1618%

第二實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P2=0.2%+0.1%－0.1618%=0.1382%

測(cè)得P1的乳化能力值高于P2，則舍棄不包括P2點(diǎn)的以外部分，在留下部分再找出P1的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P3。第三實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P3=0.2%+P2－P1=0.2%+0.1382%－0.1618% =0.1764%

測(cè)得P3的乳化能力好于P1，則舍棄不包括P1點(diǎn)的以外部分，再留下的部分中找到P3的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P4。第四實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P4=0.2%+P1－P3=0.2%+0.1618%－0.1764% =0.1854%

測(cè)得P4的乳化能力好于P3，則舍棄不包括P3點(diǎn)的以外部分，在剩余區(qū)間內(nèi)找到P4的對(duì)稱(chēng)P5。第五實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P5=0.2%+P3－P4=0.2%+0.1764%－0.1854% =0.1910%

測(cè)得P5的乳化能力明顯低于P4，則舍不包括P5點(diǎn)的以外的部分，在P3至P5的區(qū)間內(nèi)找到P4的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P6。第六實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P6=P3+P5－P4=0.1764%+0.1910%－0.1854% =0.1820%

P6的乳化能力高于P5，但仍低于P4，則可以確定P4是單甘酯的最佳添加量，為0.1854%。對(duì)照?qǐng)D1可看到單甘酯對(duì)乳化能力的影響趨勢(shì)圖。

圖1 不同添加量的單甘酯和蔗糖酯的乳化能力比較

2.2.2 利用黃金分割法確定蔗糖酯的最佳添加量蔗糖酯的含優(yōu)區(qū)間是［0.05%，0.15%］，先在［0.05%，0.15%］的0.618處取值，即第一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P1=（0.15% －0.05%） ×0.618 +0.05% =0.1118%

第二實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P2=0.05%+0.15%－0.1118%=0.0882%

P2的乳化能力明顯好于P1，則舍掉不包含P1點(diǎn)的以外部分，在留下的部分里找到P2的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P3。第三實(shí)驗(yàn)點(diǎn)：

P3=0.05% +P1－P2=0.1118% +0.05%－0.0882%=0.0736%

P2的乳化能力仍然好于P3，則舍棄不包括P3點(diǎn)的以外部分，在留下的P1到P3區(qū)間內(nèi)繼續(xù)找出P2的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P4。第四實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P4=P1+P3－P2=0.0736%+0.1118%－0.0882% =0.0972%

P4的乳化能力明顯好于P2，繼續(xù)舍棄不包括P2點(diǎn)的以外部分，在留下的P1到P2區(qū)間之內(nèi)找到P4的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)P5。第五實(shí)驗(yàn)點(diǎn)為：

P5=P1+P2－P4=0.0882%+0.1118%－0.0972% =0.1028%

P4是蔗糖酯的最佳添加量，為0.0972%。對(duì)照?qǐng)D1可看到蔗糖酯對(duì)乳化能力的影響趨勢(shì)圖。

2.3 利用黃金分割法確定復(fù)合乳化劑的添加量

由于單甘酯是一種油包水（W/O）型乳化劑，但它在分散相中卻起水包油（O/W）型乳化劑的作用，其原因是單甘酯以α－晶型的水合物存在于分散相中，α－晶型對(duì)于提高乳化活性極為有利；蔗糖酯是一種多元醇脂肪酸酯，從分子結(jié)構(gòu)上看，親水部分蔗糖基占優(yōu)勢(shì)，因此其具有水包油型乳化劑性能［8］，提高了乳化活性。為了考察其復(fù)合使用效果，應(yīng)用黃金分割法確定兩者復(fù)配使用時(shí)的最佳添加量。

選取單甘酯和蔗糖酯兩種乳化劑總添加量為0.2%。設(shè)實(shí)驗(yàn)總量為1，取區(qū)間［0.5，1.0］實(shí)驗(yàn)確定這兩種乳化劑的最佳配比。由于單甘酯的價(jià)格要低于蔗糖酯的價(jià)格，所以從生產(chǎn)成本出發(fā)，選A為單甘酯，B為蔗糖酯。

第一次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)配比為：

X1=0.5+0.618×（1.0－0.5）=0.806

A1=0.2% ×0.806=0.1612%

B1=0.2% ×（1.0－0.806）=0.0388%

第二次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)配比為：

X2=0.50+1.0－0.806=0.694

A2=0.2% ×0.694=0.1388%

B2=0.2% ×（1.0－0.694）=0.0612%

從表2中看出，X2的乳化能力明顯優(yōu)于X1，舍棄不包括X1的以外部分，找到X2的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)X3，則第三實(shí)驗(yàn)點(diǎn)配比為：

X3=0.5+X1－X2=0.5+0.806－0.694=0.612

A3=0.2% ×0.612=0.1224%

B3=0.2% ×（1.0－0.612）=0.0776%

由表2可見(jiàn)，X3的乳化能力好于X2，舍棄不包含X2的以外部分，找到X3的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)X4，則第四實(shí)驗(yàn)配比為：

X4=0.5+X2－X3=0.5+0.694－0.612=0.582

A4=0.2% ×0.582=0.1164%

B4=0.2% ×（1.0－0.582）=0.0836%

由表2可見(jiàn)，X4的乳化能力優(yōu)于X3，則可舍掉除X3點(diǎn)的以外部分，找到X4的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)X5。第五實(shí)驗(yàn)配比為：

X5=0.5+X3－X4=0.5+0.612－0.582=0.530

A5=0.2% ×0.530=0.1060%

B5=0.2% ×（1.0－0.530）=0.0940%

從表2可看出，X5的乳化能力比X4乳化能力好，故舍棄X4點(diǎn)的以外部分，找到X5的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)X6。第六實(shí)驗(yàn)配比為：

X6=0.5+X4－X5=0.5+0.582－0.530=0.552

此時(shí)，X6值高于X5，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有代表性，故舍棄，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。確定X5為最佳配比。

表2 不同配比的復(fù)合乳化劑乳化能力比較

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證復(fù)配乳化劑使用效果優(yōu)于單一乳化劑使用效果，故做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 單一乳化劑與復(fù)合乳化劑的乳化能力比較

從圖2可以看出，單甘酯與蔗糖酯復(fù)配之后的乳化性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一使用時(shí)的乳化性，其最佳配比為10.6∶9.4，此時(shí)親水基團(tuán)構(gòu)象互補(bǔ)達(dá)到最佳，乳狀液乳化能力也最高。乳化劑的分子內(nèi)通常具有親水基（羥基）和親油基（烷基），易在水與油的界面形成吸附層［10］。蔗糖酯的親水基團(tuán)為環(huán)狀的蔗糖基，單甘酯的親水基團(tuán)為線性的甘油基，將這2種乳化劑同時(shí)混合使用時(shí)，環(huán)狀和線性的親水基團(tuán)與水相互作用時(shí)產(chǎn)生構(gòu)象互補(bǔ)，當(dāng)復(fù)配比例在一定范圍時(shí)，互補(bǔ)效應(yīng)增大，降低界面張力的作用增強(qiáng)［11］，它們?cè)诮缑嫔衔叫纬伞皬?fù)合物”，定向排列緊密，從而能很好地防止聚結(jié)，增加穩(wěn)定性［12］，使其形成均勻的乳化體，乳化效果大大提高。

3 結(jié)論

利用黃金分割法確定冰淇淋專(zhuān)用大豆蛋白粉中乳化劑的添加量，有效地減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有代表性與精確性，并最接近真實(shí)值。應(yīng)用此方法確定了單一使用單甘酯和蔗糖酯對(duì)配粉的乳化能力的影響，該方法確定單甘酯的最佳添加量為0.1854%，乳化能力為48.95。蔗糖酯的最佳添加量為0.0972%，乳化能力為47.13。兩者復(fù)配之后的最佳配比為10.6∶9.4，此時(shí)乳化效果最好，乳化能力可達(dá)52.67。實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用此方法確定某一物料的添加量方面是可行的，并可推廣到食品行業(yè)的其它領(lǐng)域，為食品科學(xué)的研究引入了一種新的科學(xué)研究方法。

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Application of the golden section in choosing the dose of the emulsifiers for soybean protein flour in ice cream

FAN Jia－lu1，JIANG Lian－zhou1，*，TIAN Juan－juan1，2，LOU Wei1，GAO Shan1，WANG Zhe2
（1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Heilongjiang Shuanghe Songnen Soybean Bio－engineering Co.，Ltd.，Harbin 150008，China）

Emulsification capacities of different emulsifiers for soybean protein flour in ice cream were measured by ultraviolet spectrophotometer.The results indicated that the emulsifying capacities of monoglyceride and sucrose ester were higher than others in six different emulsifiers，were 52.05 and 49.34 respectively.Then the golden section method was used to determine the optimal dosage of single emulsifier：the optimal dosage of monoglyceride was 0.1854%，the emulsifying capacity was 48.95.The optimal dosage of sucrose ester was 0.0972%，and the emulsifying capacity was 47.13.About mixed emulsifiers，the optimal mix ratio of monoglyceride and sucrose ester was 10.6∶9.4，the emulsifying capacity was up to 52.67.The study verified that the golden section method suited for the optimization of dosage of emulsifiers，simplified the test and made the data more accurate and representative，also broaden the application scope.

golden section method；emulsifier；dosage；soybean protein flour

TS202.3

A

1002－0306（2010）12－0294－04

2009－12－25 *通訊聯(lián)系人

范佳璐（1984－），女，碩士研究生，研究方向：植物（大豆）蛋白工程。

農(nóng)業(yè)部大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目（nycytx－004）。