表面活性劑及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

張世仙 劉 焱 王正武 王修俊

（1.遵義師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 遵義 563002；2.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240；3.貴州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

表面活性劑一詞來(lái)自英文Surfactant。它實(shí)際上是短語(yǔ)Surface（表面）Active（活性）Agent（添加劑）的縮合詞。表面活性劑活躍于表面和界面上，能自組裝或與其它成分形成各種處于納米尺度的聚集體，如乳狀液、微乳液、液晶、囊泡等。加入少許表面活性劑就可以顯著降低表面和界面的張力，改變表（界）面的物理化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)［1，2］，正廣泛應(yīng)用于燃料、藥物、洗滌、鉆井、浮選、涂料、食品等傳統(tǒng)領(lǐng)域及電子印刷、生物技術(shù)、微電子等高科技領(lǐng)域。文章主要對(duì)表面活性劑的分類、作用原理及在食品工業(yè)中的應(yīng)用做一綜述。

1 表面活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與分類

水溶性表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)［3］具有不對(duì)稱的、極性的特點(diǎn)，分子同時(shí)具有親水基和親油基，見(jiàn)圖1。

圖1 表面活性劑分子結(jié)構(gòu)Figure 1 The molecular structure of the surface－active agent

1.1 按親水基分類

表面活性劑常分為離子型和非離子型兩大類。離子型表面活性劑又可分為陰離子型（如：羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽、磷酸酯鹽）和陽(yáng)離子型（如：仲胺鹽、叔胺鹽、季胺鹽）。非離子表面活性劑主要有聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯烷基酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、多元醇型。另外，還有兩性型離子表面活性劑（如：氨基酸型、甜菜堿型），混合型離子表面活性劑等。

1.2 按來(lái)源分類

天然高分子表面活性劑，如阿拉伯樹(shù)膠、皂、蛋白質(zhì)（大豆蛋白、牛乳）；部分合成高分子表面活性劑，如羧甲基纖維素、羧甲基淀粉；合成高分子表面活性劑，如聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺。

2 表面活性物質(zhì)的幾種重要功能

表面活性物質(zhì)具有潤(rùn)濕、分散、乳化、助溶、起泡、消泡、保濕、潤(rùn)滑、洗滌、滲透、殺菌、防腐等功能。下面主要介紹増溶、乳化、潤(rùn)濕功能。

2.1 助溶功能

1625年Mcbain［4］把表面活性劑在溶液中超過(guò)一定濃度時(shí)締合成膠束的過(guò)程叫作膠束化作用。一般呈球狀、柵欄、棒狀等。一些在溶液中微溶或不溶的物質(zhì)，借助于添加表面活性劑而得到溶解并成為熱力學(xué)上穩(wěn)定的、透明的溶液的現(xiàn)象叫助溶作用或分散作用。被增溶的物質(zhì)叫助溶溶解質(zhì)，助溶的形式可有4個(gè)不同的區(qū)域。

（1）助溶溶解質(zhì)（為飽和脂肪醇、環(huán)烷烴及其它不易極化的化合物）進(jìn)入膠束中心部分，助溶后膠束體積變大。分子結(jié)構(gòu)與表面活性劑類似的極性有機(jī)化合物在柵欄之間甚至拉入內(nèi)部，見(jiàn)圖2。

圖2 增溶示意圖Figure 2 Solubilization schematic diagram

（2）較長(zhǎng)碳鏈極性分子（為長(zhǎng)碳鏈醇、脂等）作為助溶溶解質(zhì)可助溶于膠束“柵欄”之中，非極性碳?xì)滏湶逵谀z束內(nèi)部，而極性頭（─OH，─NH2）則混于表面活性劑極性頭（親水基）之間，通過(guò)氫鏈或偶極作用聯(lián)系在一起。

（3）某些分子短小的化合物助溶時(shí)，吸附于膠束表面的親水區(qū)中。

（4）在聚氧乙烯類非離子表面活性劑中，芳香烴類和極性小的分子助溶于膠束的外殼。

研究［5］表明，表面活性劑的濃度達(dá)到膠體的臨界濃度時(shí)助溶作用才能發(fā)生。且含長(zhǎng)烴鏈基的表面活性劑的助溶作用比短烴鏈的助溶作用強(qiáng)，飽和烴鏈比不飽和烴鏈的助溶作用強(qiáng)，非離子表面活性劑增溶作用一般比較顯著。

2.2 乳化作用

乳狀液是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的體系［6－9］，要得到內(nèi)、外相分明的穩(wěn)定的乳狀液，須加入乳化劑，常用的乳化劑是能起如下作用的表面活性劑：

（1）降低表面能：若在一個(gè)體系內(nèi)，加入表面活性劑，在降低表面張力r的同時(shí)，也降低了界面能W。若ΔA 為乳化增加的面積，則根據(jù)界面能W ＝rΔA 計(jì)算可知，界面能大為減少，使乳液穩(wěn)定。

（2）增加界面膜強(qiáng)度：表面活性劑在界面吸附形式增加了界面膜的強(qiáng)度，對(duì)分散相液珠有保護(hù)作用，使其不易凝聚。

（3）界面電荷的產(chǎn)生：大部分穩(wěn)定的乳狀液微粒都帶有電荷。若用離子型表面活性劑作乳化劑或分散劑時(shí)，乳化液帶電是必然的。由于表面雙電層的產(chǎn)生，靜電排斥的作用，防止了乳液凝聚，使原來(lái)熱力學(xué)上不穩(wěn)定的體系保持為準(zhǔn)穩(wěn)定體系。

2.3 潤(rùn)濕作用

潤(rùn)濕是指液體在固體表面鋪展的過(guò)程。如圖3所示，當(dāng)θ＜90°時(shí)，液體對(duì)固體潤(rùn)濕；當(dāng)θ＞90°時(shí)，液體對(duì)固體不潤(rùn)濕；當(dāng)θ＝0°時(shí)，液體對(duì)固體完全潤(rùn)濕。添加表面活性物質(zhì)可以使液體表面張力下降，導(dǎo)致接觸角θ下降，促進(jìn)液體在固體表面上鋪展。比如，機(jī)器零件表面常常黏附一層疏水性的蠟、油脂等物質(zhì)使得零件不易被水潤(rùn)濕，當(dāng)水溶液中含有表面活性劑時(shí)，零件上的水珠容易散開(kāi)，使零件的表面張力明顯降低而被潤(rùn)濕。

圖3 潤(rùn)濕過(guò)程Figure 3 Wetting process

3 表面活性劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 在飲料、調(diào)味品、奶糖、糕點(diǎn)等中的應(yīng)用

表面活性劑在飲料［10］生產(chǎn)中，作乳化劑、增稠劑、澄清劑、發(fā)泡劑，增溶劑和消泡劑。在調(diào)味品［11］生產(chǎn)中，主要作乳化劑、增稠劑、消泡劑；在人造奶油［12］中，使水分散于油，乳液穩(wěn)定，還可作為晶體改良劑控制人造奶油結(jié)構(gòu)；在冰淇淋中，改善混合料的攪拌質(zhì)量，減少攪拌時(shí)間，改善冰淇淋性狀；在面包、餅干和糕餅［13－15］中，主要作面團(tuán)調(diào)整劑，改善加工性質(zhì)和增大面包體積，提高烘烤食品的結(jié)構(gòu)細(xì)度。

3.2 在脂肪替代品中的應(yīng)用

脂肪替代品的制作原理是基于表面活性物質(zhì)可以與蛋白質(zhì)多肽鏈的側(cè)鏈上的氨基酸發(fā)生作用：在有水條件下，表面活性劑的烴鏈與非極性蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)產(chǎn)生疏水結(jié)合，并使烴鏈固定在蛋白質(zhì)上，而表面活性劑的極性基結(jié)合在粒子表面，形成脂肪。如趙全等［16］將酪蛋白鈉添加于肉糜中，探討了肉糜脂肪／蛋白質(zhì)／水體系的穩(wěn)定性，證明了酪蛋白鈉是一種有效的肉制品乳化劑。司俊玲等［17］用植物油、乳化劑、蛋白質(zhì)和水等經(jīng)過(guò)一定的工藝研制了一種既兼顧營(yíng)養(yǎng)與感官性狀，又能降低脂肪含量的脂肪替代品（O1／W／O2 乳狀液），介紹了脂肪替代品的研究現(xiàn)狀及其脂肪替代品的性狀，提出了選用天然物料，添加劑用量符合有關(guān)規(guī)定的低營(yíng)養(yǎng)、無(wú)熱量、價(jià)廉、安全的脂肪替代品是今后發(fā)展的方向。

3.3 在功能食品中的應(yīng)用

功能食品［18］是對(duì)人體有特定功能的食品總稱。如α－亞麻酸［19］具有健腦促智、改善睡眠、提高免疫力等諸多保健功能。功能食品的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，其中第3代是指功能因子含量明確、結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理清楚，在食品配方中物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的真正意義上的功能食品。處于納米態(tài)的表面活性劑聚集體（微乳液、液晶等）作為食品功能因子載體具有穩(wěn)定、增溶、緩釋等特殊功能，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已在功能食品制劑中初步使用。Leser等［20］報(bào)道了極性脂質(zhì)甘油一酸酯和磷脂形成的微乳液、液晶功能食品。張獻(xiàn)偉等［21］介紹了食品膠具有膠凝、增稠、乳化、穩(wěn)定澄清、充當(dāng)膳食纖維等功能特性及其在肉制品、糖果、飲料食品中的應(yīng)用。劉華杰等［22］制備Span80／Tween80／甜橙油／H2O 的W／O／W 型多重乳液時(shí)，發(fā)現(xiàn)單一乳化劑體系中乳化劑含量為5%，復(fù)合乳化體系中乳化劑占乳液總量的6.67%時(shí)多重乳液 的 穩(wěn) 定 性 較 好。顏 秀 花 等［23］制 備β－胡 蘿 卜 素 的Tween80／乙醇／丁酸乙酯／H2O 的O／W 型微乳液，考察了溫度、鹽度、pH 和防腐劑對(duì)微乳區(qū)域的影響，發(fā)現(xiàn)鹽度、防腐劑對(duì)微乳區(qū)基本無(wú)影響，溫度升高和pH 值降低使微乳區(qū)稍有減小，筆者研究表面活性劑在共軛亞油酸［24］、α－亞麻酸［25］中的應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)乳化劑的用量及親水－親油平衡值是影響多重乳液穩(wěn)定性的主要因素。

3.4 在食品微膠囊技術(shù)中的應(yīng)用

將壁材溶解于非水溶劑中，再將芯材水溶液分散于壁材溶液，混勻制得W／O 乳液。將該乳液分散到含有表面活性劑的水溶液，制成W／O／W 復(fù)合乳液，加熱使溶劑揮發(fā)，使壁材逐漸固化，形成微膠囊［26］。應(yīng)用這一技術(shù)，許多食品，比如茶葉中的VC、VB、茶多酚、芳香物和色素等組分被包埋，避免了茶飲料在萃取、殺菌和貯藏中發(fā)生不利的反應(yīng)，使茶飲料原有的風(fēng)味和色澤得以最大限度的保持和緩釋。何東平等［27］以玉米胚芽油為芯材，用可溶性淀粉／大豆分離蛋白／β－環(huán)糊精為壁材，探討了采用復(fù)合乳化劑（蔗糖酚和單甘酯）的HLB值、乳化劑用量、乳化溫度及時(shí)間、均質(zhì)壓力、噴霧干燥的溫度等因素對(duì)微膠囊制備的影響，得到含油量為38%～43%，含水量為1.5%～2.1%，顆粒粒徑在30～140nm，包埋率為86.5%～95%的微膠囊化玉米胚芽油。微膠囊化玉米胚芽油的抗氧化穩(wěn)定性明顯提高，在常溫下貯存10d，過(guò)氧化值僅上升0.25～0.29meq／kg。吳雪等［28］以大豆蛋白與麥芽精的比例為1∶2，姜油樹(shù)脂添加量為2.11%，原料固形物含量為20%，均質(zhì)壓力30 MPa，噴霧進(jìn)風(fēng)溫度100 ℃，出口溫度70～80 ℃的條件制得了溶解性和釋放性能均能滿足調(diào)味要求的姜油樹(shù)脂微膠囊。趙曉燕等［29］研究了番茄紅素微膠囊在不同時(shí)間、光、熱及微波條件下的穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)微膠囊化的番茄紅素，在低溫（4 ℃）、避光條件下貯藏，其色素保存率受溫度影響較小，保質(zhì)期明顯延長(zhǎng)，為番茄制品的護(hù)色與安全貯藏提供了參考和依據(jù)。胡小明等［30］采用噴霧干燥法探討微膠囊化β－胡蘿卜素的最佳工藝條件。β－胡蘿卜素微膠囊化后穩(wěn)定性得到明顯改善，其抗氧化、抗熱、抗光破壞的能力顯著增強(qiáng)。Kirby等［31］將防腐劑通過(guò)微膠囊技術(shù)將其包埋制成長(zhǎng)效制劑，以減少防腐劑在食品中的用量要求。陸強(qiáng)［32］將KI顆粒在一定溫度條件下加入環(huán)己烷／乙基纖維素／聚乙烯蠟壁材中開(kāi)發(fā)了穩(wěn)定性好、加工成本低、碘劑使用效率高的新型加碘劑——微膠囊碘劑，應(yīng)用于制鹽、食品等行業(yè)。張子德等［33］以抗氧化劑二丁基羥基甲苯（BHT）為芯材，以阿拉伯膠、麥芽糊精、海藻酸鈉作為壁材，用噴霧干燥法制備微膠囊化BHT 產(chǎn)品。結(jié)果表明，BHT／壁材為20%、阿拉伯膠／麥芽糊精為1∶3、海藻酸鈉含量為0.6%、乳化溫度為70 ℃、一級(jí)均質(zhì)壓力為20 MPa、二級(jí)均質(zhì)壓力為45 MPa、噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為200 ℃、出風(fēng)溫度為90 ℃時(shí)，BHT 的微膠囊化效果最好，包埋率達(dá)到98.98%?？傊?，微膠囊技術(shù)主要應(yīng)用于：酶或細(xì)胞的固定化；傳統(tǒng)液體產(chǎn)品如液體香精、香料、油脂、醬油、醋等固體粉末化；營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑和生物活性物質(zhì)的微膠囊化［34］。顯而易見(jiàn)傳統(tǒng)的食品加工技術(shù)逐漸被微膠囊技術(shù)取代，微膠囊技術(shù)已成為當(dāng)前食品工業(yè)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的高新技術(shù)之一［35，36］。

3.5 糧食作物中金屬元素的檢測(cè)

將大米、高粱等糧食作物與表面活性劑混合制成懸浮液樣品，再通過(guò)原子吸收法可測(cè)定其中的營(yíng)養(yǎng)元素，是目前正在興起的一種新方法。如劉立行，杜維貞等［37，38］運(yùn)用該法成功地建立快速測(cè)定大米、高梁米及玉米面中鉀、鋅和鐵的新方法。

3.6 其它應(yīng)用

表面活性劑可作為蔬菜、水果等表面的去農(nóng)藥殘留、殺菌等的表面處理劑，也應(yīng)用于食品工業(yè)設(shè)備器具洗滌劑［39］等等。

4 展望

研究表面活性劑結(jié)構(gòu)與性能的定量相關(guān)關(guān)系，認(rèn)識(shí)各個(gè)層次的分子結(jié)構(gòu)因素對(duì)分子功能的影響，是表面活性劑最受關(guān)注的研究領(lǐng)域，而從植物、水果等天然原料中提取表面活性物質(zhì)是表面活性劑應(yīng)用的重要發(fā)展方向。

同國(guó)外的發(fā)展相比，中國(guó)對(duì)微膠囊技術(shù)的理論和實(shí)踐研究起步較晚，又由于生產(chǎn)成本較高，所用壁材中很大一部分不屬于食品添加劑范圍，因此，在開(kāi)發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)高效的壁材，改善微膠囊產(chǎn)品的應(yīng)用性能等方面是中國(guó)食品微膠囊技術(shù)面臨的重要課題。

制備穩(wěn)定性較好的多重乳液，開(kāi)發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)高效的微膠囊產(chǎn)品仍然是今后食品業(yè)技術(shù)開(kāi)展的重要課題。

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