黃原膠對酪蛋白酸鈉乳狀液穩(wěn)定性的影響

劉麗婭，趙強忠，孔 靜，趙謀明

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640）

黃原膠對酪蛋白酸鈉乳狀液穩(wěn)定性的影響

劉麗婭，趙強忠，孔 靜，趙謀明*

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640）

研究了一定pH條件下，黃原膠濃度及剪切稀化效應(yīng)對酪蛋白酸鈉乳狀液穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，在酸性條件下，黃原膠無法抑制酪蛋白的變性沉淀，乳液在制備之初，即產(chǎn)生嚴重絮凝。在中性和弱堿性條件下，黃原膠在一定濃度范圍內(nèi)，誘發(fā)了乳狀液的排斥絮凝；體系的pH顯著影響了乳狀液的穩(wěn)定性，pH6條件下，較低的黃原膠濃度（0.2wt%）便可賦予乳狀液良好的穩(wěn)定性。均質(zhì)過程大大降低了黃原膠的粘度，導(dǎo)致乳狀液的穩(wěn)定性下降，與添加未經(jīng)均質(zhì)處理的黃原膠相比，添加量增大近一倍，才能獲得穩(wěn)定的乳狀液。

黃原膠，酪蛋白酸鈉乳狀液，穩(wěn)定性，蛋白-多糖相互作用，剪切稀化

食品乳狀液通常是以蛋白質(zhì)、多糖、乳化劑、油脂為主體，經(jīng)過均質(zhì)形成的一類分散體系，是食品加工中最復(fù)雜的體系之一。其在加工過程和貨架期內(nèi)發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象是食品工業(yè)經(jīng)常遇到的問題，表現(xiàn)為脂肪上浮、蛋白沉淀、質(zhì)感粗糙等，嚴重影響到食品的外觀和口感，是食品工業(yè)中亟待解決而又難以徹底解決的重要技術(shù)問題。黃原膠（Xanthan gum），又稱黃膠、漢生膠，是由甘藍黑腐病野油菜黃單胞菌（Xanthomonas campestris）以碳水化合物為主要原料，經(jīng)發(fā)酵法生產(chǎn)的一種高分子微生物陰離子多糖，可顯著地增加乳狀液分散相的粘度或形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而減緩由于重力或布朗運動造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，并且賦予產(chǎn)品理想的質(zhì)構(gòu)特征，因此被廣泛應(yīng)用于提高乳狀液的穩(wěn)定性[1-2]。研究表明，黃原膠穩(wěn)定乳狀液的效果受膠體濃度的影響，低于某一臨界濃度時，黃原膠的添加可誘發(fā)乳狀液滴的排斥絮凝，反而加快體系相分離的速率[3-4]。此外，該臨界濃度與體系的組成、pH、離子強度、溫度和乳狀液制備工藝等因素密切相關(guān)[5]，但相關(guān)研究并不多見。本文研究了不同pH條件下，黃原膠濃度及剪切變稀效應(yīng)對酪蛋白酸鈉乳狀液穩(wěn)定性的影響，對理解蛋白-多糖交互作用與乳狀液穩(wěn)定性之間的關(guān)系、合理利用黃原膠作為食品增稠劑和穩(wěn)定劑具有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

酪蛋白酸鈉 蛋白含量91.1%，新西蘭乳制品公司；黃原膠 美國TIC膠體公司提供；金龍魚食用玉米油 購自本市超市；其他試劑 均為分析純。

高壓均質(zhì)機 APV-1000，丹麥APV公司；粒度分布儀 Mastersizer 2000，英國Malvern Instruments Ltd.；電位測定儀 Nanoseries ZS，英國Malvern Instruments Ltd.；哈克旋轉(zhuǎn)流變儀 RS600，德國HAAKE公司；電動攪拌機 JB200-D，上海標本模型廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備 將一定質(zhì)量的黃原膠和酪蛋白酸鈉分散溶于蒸餾水中，室溫下中等速率攪拌1h以上，制得為0.75wt%的黃原膠溶液及4wt%的酪蛋白酸鈉溶液。部分黃原膠溶液經(jīng)30MPa，常溫均質(zhì)一次，得到剪切稀化后的黃原膠溶液（黃原膠A）。將水化后的酪蛋白酸鈉與玉米油經(jīng)高速剪切機混合1min，得到粗乳狀液，然后經(jīng)高壓均質(zhì)機30MPa，常溫下均質(zhì)一次，制備成酪蛋白酸鈉含量2wt%、油含量20wt%的乳狀液。所得樣品用蒸餾水或配制好的黃原膠溶液稀釋，注意過程中不斷攪拌樣品，以避免乳液局部絮凝，最終制得酪蛋白酸鈉含量1wt%、油含量10wt%、黃原膠含量0～0.375wt%的乳狀液。用HCl和NaOH調(diào)節(jié)乳液的pH，得到不同pH的乳狀液。

1.2.2 ζ-電位的測定 將乳狀液在測定前稀釋50倍，采用Nanoseries ZS電位測定儀測定乳狀液滴的ζ-電位。測定溫度25℃，每個樣品重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.2.3 乳狀液粒度的測定 采用Mastersizer 2000粒度分布儀測定乳狀液滴的粒徑大小。參數(shù)設(shè)置為：分析模式：通用；進樣器名：Hydro 2000MU（A）；顆粒折射率：1.520；顆粒吸收率：0.001；分散劑：水；分散劑折射率：1.330；泵的轉(zhuǎn)速：2500r/min。實驗采用d43，即體積平均直徑（volume weighted average diameter）表征液滴粒度的大小。每個樣品重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

其中：di為乳狀液滴的直徑，ni為乳狀液滴的數(shù)量。

1.2.4 乳狀液的剪切流變特性 采用哈克流變儀測定乳狀液的粘度隨剪切速率的變化，測定溫度20℃，每個樣品重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.2.5 乳狀液的穩(wěn)定性 取10mL新配制好的乳狀液至乳析管中，添加0.02%疊氮鈉抑制微生物的生長。將乳析管靜置于室溫下進行觀察，定期測量乳狀液分層后樣品底部清液層的高度。每個樣品做兩個平行，取平均值。

乳液的分層指數(shù)（Creaming index，%）=清液層高度（HS）/樣品的總高度（HT）×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃原膠濃度和體系pH對乳狀液滴表面電位的影響

乳狀液滴的電學(xué)特性常用ζ-電位來表征[6]，對于電荷穩(wěn)定的乳狀液，一般ζ-電位絕對值越大，體系越穩(wěn)定。從圖1可以看出，在pH7和8條件下，乳狀液滴的表面電位變化不明顯，但隨著pH的進一步降低，由于蛋白表面凈負電荷減少，液滴間靜電斥力降低；當pH繼續(xù)下降到酪蛋白等電點以下時（4.6～5.2），酪蛋白表面凈電荷為正，此時它們之間的斥力勢能不夠大，導(dǎo)致蛋白聚集沉淀，無法起到穩(wěn)定乳狀液的效果。在pH6～8范圍內(nèi)，黃原膠濃度的增加并未顯著影響乳狀液滴的表面電位。在pH4條件下，由于酪蛋白和黃原膠間的熱力學(xué)不相容性及兩種帶相反電荷的高分子間發(fā)生非定向絡(luò)合作用，導(dǎo)致海綿狀物質(zhì)的生成[7]，在測定過程中，蛋白沉淀現(xiàn)象嚴重，因此該部分數(shù)據(jù)未能列出。

圖1 乳狀液滴表面電位隨體系pH和黃原膠濃度的變化Fig.1 Effect of xanthan gum concentration and pH on the ζ-potential of caseinate-stabilized emulsions

2.2 黃原膠濃度和體系pH對乳狀液粒度的影響

乳狀液滴的大小和乳狀液的穩(wěn)定性息息相關(guān)，Stokes理論指出[8]，一般情況下，若體系的粘度、分散相和連續(xù)相密度差固定，乳狀液的粒度越小，體系越穩(wěn)定。圖2顯示了乳狀液粒度大小隨體系pH和黃原膠濃度的變化情況。由圖可知，在pH4下，由于酪蛋白自身的變性沉淀，所形成的乳狀液粒度大于200μm，遠超出了一般食品乳狀液的粒度范圍（0.1～100μm）；陰離子多糖黃原膠的添加，加劇了乳狀液滴的聚集。另一方面，在pH6～8的范圍內(nèi)，體系pH和黃原膠濃度均未對乳狀液滴的粒度大小產(chǎn)生影響，乳狀液的粒徑均在1.2μm左右。這與Cao等人[3-4]報道的結(jié)論相一致，其認為在中性條件下（pH7），黃原膠的添加并未影響乳狀液的粒徑大小。

圖2 乳狀液粒度大小隨體系pH和黃原膠濃度的變化Fig.2 Effect of xanthan gum concentration and pH on the mean particle size d43of caseinate-stabilized emulsions

2.3 黃原膠濃度和體系pH對乳狀液粘度的影響

黃原膠屬于典型的假塑性流體，其粘度隨剪切速率的增加呈現(xiàn)降低的趨勢[2]。在本研究中，由于酪蛋白在酸性條件下的變性沉淀，pH4乳狀液在制備之初已出現(xiàn)嚴重的分層現(xiàn)象，故不再討論黃原膠濃度對乳液剪切粘度的影響。且由于黃原膠具有優(yōu)越的pH穩(wěn)定性，在pH6～8范圍內(nèi)，黃原膠自身及相應(yīng)乳狀液的粘度隨pH變化均不顯著（數(shù)據(jù)未列出），因此，此處以pH6的乳狀液為例，考察黃原膠濃度對乳液剪切粘度的影響。由圖3可知，未添加黃原膠的酪蛋白乳狀液粘度很低（0.1Pa·s），且隨剪切速率的增加變化不明顯，表現(xiàn)出牛頓流體的特征。添加0.05wt%黃原膠的乳狀液，體系粘度增加不明顯；隨著黃原膠濃度的進一步增加，乳狀液的粘度迅速增加，并呈現(xiàn)出強烈的剪切稀化效應(yīng)。當剪切速率達到10s-1時，不同黃原膠濃度下，乳液粘度幾乎相等。

圖3 乳狀液剪切粘度隨黃原膠濃度的變化Fig.3 Effect of xanthan gum concentration on the viscosity of caseinate-stabilized emulsions

2.4 黃原膠濃度和體系pH對乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖4 乳狀液穩(wěn)定性隨黃原膠濃度和體系pH對黃原膠濃度的變化Fig.4 Effect of xanthan gum concentration and pH on the creaming index of caseinate-stabilized emulsions

圖4為乳狀液在室溫下，靜置30d后，乳狀液穩(wěn)定性隨黃原膠濃度和體系pH的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，由于在等電點下酪蛋白的變性沉淀，致使pH4乳狀液分層現(xiàn)象非常嚴重，并出現(xiàn)大塊的絮凝物，黃原膠的添加并未改善體系的穩(wěn)定性。研究指出[3-4]，在中性條件下，黃原膠分子不會吸附到酪蛋白酸鈉穩(wěn)定的乳狀液滴的表面，此時，在乳狀液滴周圍形成排斥多糖分子的區(qū)域，在兩個乳狀液滴相互接近時，排斥區(qū)相互重疊，液滴間的多糖分子濃度遠高于體相，由此產(chǎn)生的滲透壓梯度致使乳狀液滴間溶劑流出排斥區(qū)，乳狀液滴更加接近，從而造成排斥絮凝，宏觀的表現(xiàn)為樣品底部出現(xiàn)透明的富含多糖的水析層。本實驗中，在pH7～8條件下，低濃度的黃原膠（0.05wt%）加劇了乳狀液的失穩(wěn)，其后，隨著黃原膠濃度增加，乳狀液的穩(wěn)定性略有增加，但是當黃原膠添加量達到0.25wt%時，仍不能有效地抑制排斥絮凝的發(fā)生。然而，值得注意的是，在pH6的條件下，添加0.2wt%的黃原膠，即可有效地穩(wěn)定乳狀液?？赡艿臋C理是，在pH6條件下，雖然乳狀液滴表面電位有所降低，但由于酪蛋白酸鈉和黃原膠通過疏水或靜電相互作用結(jié)合形成弱的非共價復(fù)合物，改變了體相及乳狀液滴界面層的性質(zhì)，從而抑制了排斥絮凝的發(fā)生。

2.5 黃原膠剪切稀化效應(yīng)對乳狀液穩(wěn)定性的影響

在乳液制備過程中，高壓均質(zhì)、微射流等加工工藝具有強烈的剪切作用，對黃原膠粘度產(chǎn)生顯著的影響。據(jù)報道，剪切稀化效應(yīng)可使黃原膠配料的粘度下降約30%，從而影響乳液的穩(wěn)定性[2]。

圖5 乳狀液粒度和ζ-電位隨黃原膠A濃度的變化（pH6）Fig.5 Effect of xanthan gum A concentration on the d43and ζ-potential of caseinate-stabilized emulsions

圖5顯示了經(jīng)添加高壓均質(zhì)（30MPa）預(yù)處理的黃原膠A后，pH6酪蛋白酸鈉乳狀液的粒徑大小和表面電位隨膠體濃度的變化情況。可見，剪切稀化效應(yīng)未對乳狀液粒徑大小和ζ-電位產(chǎn)生影響，其大小與添加黃原膠的乳狀液相近；并且黃原膠A濃度對乳液的粒度和ζ-電位也沒有顯著的影響。

圖6 乳狀液剪切粘度隨黃原膠A濃度的變化Fig.6 Effect of xanthan gum A concentration on the shear viscosity of caseinate-stabilized emulsions

然而由于剪切稀化效應(yīng)降低了黃原膠A的粘度，致使最終形成的酪蛋白酸鈉乳狀液的粘度大大下降。如圖6所示，與添加黃原膠的酪蛋白酸鈉乳狀液相比，當黃原膠A的濃度增加到0.375wt%時，體系的粘度才略高于添加0.2wt%黃原膠的乳狀液（圖3）。室溫下靜置觀察一個月后，黃原膠A含量低于0.375wt%的乳狀液均發(fā)生排斥絮凝，某些樣品底部出現(xiàn)透明的水析層，而含0.375wt%黃原膠A的乳狀液穩(wěn)定性良好，在觀測期間內(nèi)未發(fā)生相分離（圖7）。

3 結(jié)論

通過研究可得到以下結(jié)論：對于含有黃原膠的中性乳狀液，在酸化過程中，雖然攪拌使相分離呈現(xiàn)暫時的均勻狀態(tài)，但是隨著pH的降低，酪蛋白呈不斷聚集趨勢，黃原膠保持對它的排斥絮凝的同時，與其分子中帶有正電荷的片段發(fā)生非定向絡(luò)合作用，這幾種因素的共同作用導(dǎo)致體系最終分別得到一個包含酪蛋白凝聚物和締合的黃原膠的海綿狀物質(zhì)的一個水相，從而無法通過帶有負電荷的多糖與等電點下的酪蛋白形成靜電復(fù)合物來穩(wěn)定乳狀液。

圖7 乳狀液穩(wěn)定性隨黃原膠A濃度的變化Fig.7 Effect of xanthan gum A concentration on the creaming index of caseinate-stabilized emulsions

在中性和弱堿性條件下，黃原膠濃度對酪蛋白乳狀液的粒度大小并沒有明顯影響。但當黃原膠添加量較少時，體系的粘度不足以抑制由于排斥絮凝而引起的乳液分層現(xiàn)象，體系發(fā)生相分離。pH6乳狀液的穩(wěn)定性優(yōu)于pH7和8的乳狀液，當黃原膠濃度達到0.2wt%時，即可抑制宏觀的相分離現(xiàn)象，這可能是由于隨著pH的降低，酪蛋白酸鈉和黃原膠通過疏水或靜電相互作用結(jié)合形成弱的非共價復(fù)合物，改變了體相及乳狀液滴界面層的性質(zhì)，從而抑制了排斥絮凝的發(fā)生。

均質(zhì)過程顯著降低了黃原膠A的粘度，且在剪切力消失以后，黃原膠A的粘度損失顯著，因此對乳狀液的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利的影響。在pH6條件下，由于剪切稀化效應(yīng)的影響，黃原膠A的添加量由0.2wt%增加至0.375wt%，才能賦予乳狀液一定的穩(wěn)定性。

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Effect of xanthan gum on the stability of sodium caseinate emulsion

LIU Li-ya，ZHAO Qiang-zhong，KONG Jing，ZHAO Mou-ming*
（College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

The aim was to study the influence of xanthan gum on the stability of sodium caseinate emulsions at different pH.The results showed that xanthan gum was inefficient to protect sodium caseinate emulsions from acid induced flocculation.The addition of xanthan gum was proved to accelerate unfavorable creaming of sodium caseinate emulsions at pH6～8，which was apparently due to the depletion flocculation of dispersed droplets.However，the emulsion prepared at pH6 showed an improvement in the stability，which might be attributed to the interactions between xanthan gum and caseinate.The effect of shear-thinning made a significant influence on the viscosity of xanthan gum，and led to a decrease in emulsion stability.Depletion flocculation can be suppressed only when the concentration of xanthan gum reached 0.375wt%，which was nearly two times compared with the gum without homogenization.

xanthan gum；sodium caseinate emulsions；stability；protein-polysaccharide interactions；shear thinning

TS201.7

A

1002-0306（2012）05-0083-04

2011－03－25 *通訊聯(lián)系人

劉麗婭（1982-），女，博士，研究方向：食品大分子交互作用及蛋白乳濁體系穩(wěn)定化技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金（20806030）；華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（2009ZM0286）。