高、低?；Y(jié)冷膠的乳化活性及穩(wěn)定性

孟岳成，李朱承，徐雪姣，張 帆，房 升，李延華，陳 杰

（浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 杭州310018）

很多食品在加工過程中以乳液的形式存在，乳液具有改變食品風(fēng)味和延長食品穩(wěn)定性等優(yōu)點[1]。然而，乳液隨著時間的增長發(fā)生絮凝、沉降、分層、聚結(jié)等變化，這不僅會縮短食品的貨架期，而且嚴(yán)重影響食品風(fēng)味[2-4]。為使乳液穩(wěn)定，通常會向體系中加入乳化劑，乳化劑通過吸附在油水界面上降低界面張力，提供動力學(xué)穩(wěn)定性[5]。常用的天然乳化劑分為蛋白質(zhì)和多糖兩大類，蛋白質(zhì)類乳化劑由于來源廣、乳化性能好而廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[6]。然而，蛋白質(zhì)類乳化劑受體系的pH值、離子強度和溫度等因素限制了乳化能力，而多糖類乳化劑受這些因素的影響很小[7]。陳小松等[8]發(fā)現(xiàn)甜菜果膠乳液相比于乳清蛋白乳液而言，對溫度、pH、離子強度等不敏感。Chanamai 等[9]發(fā)現(xiàn)相比于乳清蛋白，阿拉伯膠在高溫環(huán)境中更穩(wěn)定。

結(jié)冷膠作為一種新型微生物胞外多糖，在較少的添加量下就能達(dá)到較好的懸浮效果，且不依賴于很高的黏度，在酸性、高溫條件下均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能，近年來受到廣泛關(guān)注[10-11]。結(jié)冷膠是由伊樂藻少動鞘脂單胞菌（Sphingomonas elodea）產(chǎn)生的一種線性陰離子多糖，其主鏈結(jié)構(gòu)是由 （1-3）-β-D-葡萄糖、（1-4）-β-D-葡萄糖醛酸、（1-4）-β-D-葡萄糖、（1-4）-α-L-鼠李糖組成的四糖重復(fù)單元[12]。目前國內(nèi)外關(guān)于結(jié)冷膠乳化特性的相關(guān)文獻(xiàn)較少，且制備方法主要以高壓均質(zhì)法為主。如：鄭梅霞等[13]比較了高?；Y(jié)冷膠在有機相和油相中的乳化性能，發(fā)現(xiàn)其對二甲苯?jīng)]有乳化能力，而對花生油的乳化能力達(dá)50%左右。Vilela 等[14]利用高壓均質(zhì)法制備高?；Y(jié)冷膠乳液并對其乳化特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的高?；Y(jié)冷膠足以讓乳液穩(wěn)定。相比于高壓均質(zhì)乳化法，超聲乳化法不僅能起到減小乳液粒徑以及降低乳液分散性的作用，還具有清潔高效、低耗能、低添加和操控靈活等應(yīng)用優(yōu)勢。

本文采用超聲乳化法制備高?；偷王；Y(jié)冷膠乳液。以阿拉伯膠為對照，分析其乳化特性，研究膠體類型、膠體濃度、貯藏條件對乳液乳化特性（外觀變化、平均粒徑、粒徑分布、界面張力、Zeta-電位）的影響，為其應(yīng)用開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高?；Y(jié)冷膠、低?；Y(jié)冷膠（HA、LA，食品級），美國CP-Kelco 公司；阿拉伯膠（GA，食品級），法國Nexira 公司；中鏈甘油酸酯（MCT，食品級），上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Marlvern 2000 激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；Zetasizer Nano ZS 激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；光學(xué)接觸角測量儀，法國Attension Theta 公司；超聲波細(xì)胞破碎儀，寧波新芝生物科技公司；UV/UF 系列超純水系統(tǒng)，美國Thermo Scientific Barnstead 公司；Feb-85 數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，江蘇省金壇市江南儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 乳化劑溶液的配制 將一定量的HA、LA 粉末直接與純水混合配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) （0.050%，0.100%，0.150%，0.175%，0.200%）的溶液作為水相，在磁力攪拌器加熱（HA：70 ℃；LA：80 ℃）攪拌2 h，靜置過夜。將一定量GA 粉末與純水混合配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%，5%，10%，15%，20%）的溶液，在磁力攪拌器常溫攪拌4 h，靜置過夜。

1.3.2 乳液制備工藝 取不同濃度乳化劑溶液與MCT 混合，以MCT 為油相，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，將兩相混合均勻后用高速分散器在轉(zhuǎn)速18 000 r/min 下剪切8 min，將所得粗乳液置于超聲波破碎儀，固定探頭位置為乳液中心，于超聲功率450 W條件下處理8 min，工作間歇時間為5 s，最終得到超聲制備乳液[15]。

1.3.3 乳液外觀觀察 取制備新鮮的乳液10 mL左右裝入玻璃比色管中，放置在室溫（25 ℃±2 ℃），正常光照環(huán)境中，并拍攝圖像。

1.3.4 乳液粒徑測定 利用Marlven 2000 激光粒度儀測定乳液平均粒徑及粒徑分布，利用激光動態(tài)光散射原理來測量不同粒徑大小顆粒對光的吸收情況以獲得體系粒徑信息。平均粒徑和粒徑分布表示樣品顆粒平均直徑及分布情況?？紤]到HA 對乳液影響方式之一是增加液滴表面積，本研究平均粒徑結(jié)果統(tǒng)一采用d（3，2），即表面積平均粒徑，作為研究參數(shù)[16-17]。其條件為：溫度25 ℃；泵速2 000 r/min；顆粒折射率（RI）為1.500；顆粒吸收率（Absorption）為0；分散劑為水；分散折射率1.330，每個樣品平行測定3 次。

1.3.5 乳液ζ-電位測定 利用Nano-ZS 激光粒度及電位滴定分析儀對乳液ζ-電位 （Zeta 電位）進(jìn)行測定。為降低多重光散射效應(yīng)，測定前需將樣品稀釋200 倍，溫度25 ℃，平恒時間120 s，每個樣品平行測定3 次。

1.3.6 乳液界面張力測定 界面張力由Attension Theta 光學(xué)接觸角測量儀測量。系統(tǒng)裝置由控制單元、光學(xué)成像系統(tǒng)和電腦組成。利用連在注射器上的針頭滴出液滴，通過CCD 高速攝像系統(tǒng)采集液滴輪廓的變化情況，將圖像信息通過視頻檢測器傳到工作站中在線分析。利用Laplace 方程進(jìn)行計算所得：

式中：ΔP——液面壓強差；γ——液體表面張力系數(shù)；R1、R2——分別為兩個平面的曲率半徑。

1.3.7 乳液貯藏試驗 將HA、LA、GA 乳液置于室溫 （25 ℃±2.5 ℃）和高溫（60 ℃）環(huán)境下保存20 d，每隔5 d 取樣，測定樣品平均粒徑并采集圖像。通過粒徑大小變化和外觀來研究乳液穩(wěn)定性。

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理 所有試驗均重復(fù)3 次，取平均值，利用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行F 檢驗及方差分析，采用Duncan 分析法 （P＜0.05）對結(jié)果進(jìn)行顯著性分析。采用Origin 8 軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 HA、LA、GA 對乳液粒徑的影響

分別利用HA、LA、GA 3 種乳化劑，超聲制備不同濃度的O/W 乳液，研究乳化劑種類和乳化劑濃度對平均粒徑和粒徑分布的影響，結(jié)果如圖1所示。從微觀圖來看，在乳化劑的濃度較低時乳液顆粒較大且有絮凝現(xiàn)象，這是因為乳化劑含量低，不足以完全覆蓋油滴表面，因此部分膠體分子同時附著在多個粒子上，顆粒表面發(fā)生橋聯(lián)絮凝[17]。隨著乳化劑濃度增大，HA 和GA 乳液顆粒變小且分散均勻。LA 乳液顆粒雖然變小，但相對于HA和GA 來講還是偏大，并且部分區(qū)域出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象。從圖1a、b、c 可見，隨著乳化劑的濃度增大，平均粒徑逐漸變小，當(dāng)HA 和GA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.175%和15%時，平均粒徑達(dá)到最小值，說明該濃度為最適濃度。這是由于在此濃度下，存在足夠的膠體分子，使油滴基本上被膠體全部覆蓋且膠體使空間穩(wěn)定，阻礙顆粒聚集；另外結(jié)冷膠在最佳濃度下，在水相中形成較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致乳液中顆粒較小或不產(chǎn)生絮凝反應(yīng)。一旦乳化劑濃度超過最適濃度，HA 和GA 乳液顆粒的粒徑反而會變大，這是因為油滴的吸附量達(dá)到了飽和，過量的HA 和GA 會導(dǎo)致部分油滴發(fā)生聚集。而LA 乳液的平均粒徑一直隨著濃度的增加而減小，但是相比于HA 和GA，其整體的平均粒徑都是偏大的，一方面由于LA 酰基含量低，相對分子質(zhì)量較小，黏度也較低，無法制得較為穩(wěn)定的乳液；另一方面，缺少親油基團(tuán)（乙?；?dǎo)致乳化性能差[18]。從圖1d、e、f 可見，隨著濃度的增加，圖譜峰寬度變窄，粒徑變小。與平均粒徑一樣，HA 和GA 存在一個峰值，在最適濃度下，圖譜峰寬度最窄。這說明低添加量HA 的乳化性能高于高添加量的GA。LA 乳化性能最差。

圖1 HA、GA、LA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳液平均粒徑（a）、（b）、（c）和粒徑分布（d）、（e）、（f）的影響Fig.1 Effect of HA，GA，LA concentration on the mean particle size （a），（b），（c）and droplet size distribution （d），（e），（f）of emulsion

2.2 HA、LA、GA 對乳液電位的影響

Zeta 電位主要是用來表征體系的帶電情況。帶電量情況可通過影響分子間的靜電斥力來影響乳液體系的穩(wěn)定性。Henry[19]方程描述了在施加電場下，Zeta 電位與帶電粒子電泳遷移率UE間的關(guān)系：

式中：ζ——體系ζ-電位，mV；η——分散體系黏度，Pa·s；ε——分散體系介電常數(shù)；f（ka）——Henry 函數(shù)。乳液電位絕對值越大，顆粒之間的靜電相互作用則越強，乳液穩(wěn)定性較好，這與張芬芬等[20]發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致。如圖2所示，LA 的電位值在-40 mV 至-25 mV 之間，HA 的電位值在-60 mV至-50 mV 之間，GA 的電位值在-49 mV 至-43 mV 之間。從整體來看，LA 乳液的電位絕對值一直較低，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。由于LA ?；枯^低，相對分子質(zhì)量小，體系黏度低，無法有效阻止乳液顆粒因相互碰撞而聚集，靜電斥力小，導(dǎo)致ζ-電位絕對值較低。

隨著濃度的增加，GA 和LA 乳液靜電相互作用變強，乳液顆粒間靜電斥力變大，電位絕對值變大。HA 和油滴表面發(fā)生作用，其帶有的大量電荷有助于顆粒之間形成靜電排斥作用，形成帶電穩(wěn)定層，從而降低范德華力，抑制脂滴的聚集，增強乳液的穩(wěn)定性[21-22]。且隨著濃度的增加，HA 乳液電位絕對值先上升后下降，這與HA 乳液不同濃度粒徑變化規(guī)律相一致。從圖2a 中可以看出HA 乳液電位絕對值達(dá)到最大時其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.175%，此濃度下HA 乳液最為穩(wěn)定。

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對HA （a）、LA （a）、GA （b）乳液電位的影響Fig.2 Effect of concentration on the ξ-potential in the HA（a），LA（a），GA（b）-stabilized emulsion

2.3 HA、LA、GA 對界面張力的影響

乳液體系的界面特性是乳化劑的乳化能力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[23]。因此測量了不同濃度的HA、LA、GA 乳液界面張力，測量結(jié)果如圖3所示。對于這3 種膠體來講，乳液的界面張力都是隨著膠體濃度的增大而變小。這是因為吸附在油滴界面上的親水膠體乳化劑能夠包裹油滴形成吸附層，從而降低體系的界面張力，擴大乳液液滴的表面積，產(chǎn)生界面張力梯度以減少乳液顆粒的聚集[24]。但是不同乳化劑降低界面張力的能力有明顯的差異，HA 和GA 的界面張力（約49 mN/m）在濃度較高的條件下較為接近。另一方面，在乳化劑濃度較高時，LA 乳液的界面張力依舊很高 （約52 mN/m），說明LA 對降低界面張力的效果較差。有文獻(xiàn)報道，比起蛋白質(zhì)類乳化劑，多糖在降低乳液的界面張力方面效果較差，因為多糖無法防止非極性基團(tuán)與水相的接觸[23，25]。

總而言之，通過測試表明，HA 和GA 具有相似的界面特性，在降低油水界面張力方面HA＞GA＞LA。

2.4 HA、LA、GA 乳液貯藏穩(wěn)定性

圖3 濃度對HA、LA、GA 乳液界面張力的影響Fig.3 Effect of concentration on the surface tension in the HA，LA，GA-stabilized emulsion

乳液的穩(wěn)定性是影響產(chǎn)品貨架期的主要因素之一。另外通過穩(wěn)定性可以判斷不同乳化劑穩(wěn)定乳液的效果，因此本研究對比了HA、GA 在室溫（25 ℃±2.5 ℃）下制備的乳液貯藏穩(wěn)定性，由于LA 乳液制備當(dāng)天出現(xiàn)分層所以不加入對比。同時，為快速比較HA 與GA 乳化穩(wěn)定性，選擇最適質(zhì)量分?jǐn)?shù) （HA 0.175%，GA 15.0%）在高溫（60℃）下進(jìn)行加速試驗。

如圖4所示，所有的乳液外觀都是均勻的乳白色，經(jīng)過10 d 的貯藏，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050%的HA 乳液上層出現(xiàn)了明顯的白色油狀物，這是由于HA 濃度較低，不能完全包裹油滴，乳液顆粒之間易發(fā)生絮凝，引起乳液的不穩(wěn)定。而其它濃度HA乳液在整個20 d 貯藏期內(nèi)僅有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.100%的乳液在20 d 時發(fā)生不明顯分層，其它濃度均無分層現(xiàn)象發(fā)生。其原因是高濃度下的HA 黏度相對于GA 較高，提供了液滴分散阻力使乳液油滴之間的遷移、碰撞情況減少，另外在此濃度時，油滴被膠體全部覆蓋，增大了乳液液滴的表面積，防止了液滴的聚集，而對于GA 乳液，在1.0%和5.0%兩個較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，于15 d 開始出現(xiàn)分層，在微觀圖中可知此濃度下的GA 顆粒較大，分散性差，易發(fā)生絮凝。在20 d 時，較高濃度的GA乳液也開始出現(xiàn)不同程度的分層。所以HA 的乳化穩(wěn)定性高于GA。

圖4 HA（a）、GA（b）乳液在貯藏期的外觀變化Fig.4 Change in the image of the HA-stabilized emulsion （a）and GA-stabilized emulsion （b）during storage period

由表1可知，60 ℃高溫均使HA、GA 乳液粒徑變化增大，HA 對高溫適應(yīng)性相對于GA 稍差，但HA 乳液在常溫和60 ℃下平均粒徑變化率為（29.18±2.12）%和（45.16±1.6）%，小于GA 的（47.06±2.26）%和（53.98±1.98）%，表明HA 乳液液滴聚集程度低，穩(wěn)定性更好。同時由圖5也可以看出，HA 與GA 乳液在20 d 貯藏期內(nèi)，平均粒徑隨貯藏時間的增加而增加，但兩者變化量均不大，對高溫的抵抗性也較好，而從整體來看，HA 乳液的粒徑變化小于GA 乳液，表明HA 乳液穩(wěn)定性更佳。

3 結(jié)論

研究了高、低?；Y(jié)冷膠的乳化特性，結(jié)果表明：隨著結(jié)冷膠濃度的增加，高酰基結(jié)冷膠乳液平均粒徑和界面張力逐漸變小，Zeta-電位值變高至穩(wěn)定。而低?；Y(jié)冷膠乳液整體粒徑和界面張力偏大，Zeta-電位值較低，乳液體系不穩(wěn)定。當(dāng)HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.175%時乳化活性最高，而LA 整體濃度乳化效果差。

表1 HA、GA 乳液在常溫（25 ℃±2.5 ℃）和高溫（60 ℃）下20 d 粒徑變化情況Table 1 Change in mean diameter of HA-stabilized emulsion and GA-stabilized emulsion at room temperature of 25 ℃and 60 ℃for 20 d storage

圖5 不同時間HA（a）和GA（b）乳液在常溫（25 ℃±2.5 ℃）和高溫（60 ℃）下粒徑變化情況Fig.5 Particle size changes of HA （a）and GA （b）emulsion at room temperature （25 ℃±2.5 ℃）and high temperature （60 ℃）during different time

貯藏試驗結(jié)果顯示，當(dāng)HA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.100%，GA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于10.0%時，乳液于20 d 發(fā)生不同程度分層，表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。LA乳液均于當(dāng)日分層，不具有良好的穩(wěn)定性。對比HA 和GA 在25 ℃和60 ℃下的貯藏結(jié)果，HA 乳液在兩種條件下粒徑變化率均小于GA 乳液。綜上所述，相比于GA，HA 整體具有良好乳化活性和穩(wěn)定性，而LA 整體不具有良好的乳化活性和穩(wěn)定性。