大麦饮料乳状液的稳定性*

马晓军，贾可华

(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)

大麦营养丰富［1］，产量很高。一般用于啤酒的酿造、饲料的加工以及对其中功能因子提取［2-3］。在大麦食品开发方面主要是大麦茶和麦片，如将大麦用高温淀粉酶解来制作饮料，可以提高大麦的附加值。

目前谷物饮料的制作一般通过添加植脂末来增加稳定性和改善风味，但是植脂末中反式脂肪酸的含量较高，不利于人们的身体健康，而植物油中一般含有较高的不饱和脂肪酸，富有生理活性［4］。富含可食性植物油的重要油料有大豆、油菜籽、花生、棉籽、葵花籽、芝麻、橄榄、椰子、油棕、可可豆、油茶籽、米糠等。稻米油是从稻米的米糠中提取的，脂肪酸中80%以上均为不饱和脂肪酸，其中油酸、亚油酸、亚麻酸的含量较高，稻米油不仅能提高饮料的营养价值，而且风味较好，是替代植脂末的很好的选择。

饮料乳状液是一种水包油型的乳状液，在国外的研究中一般使用蒸馏水作为水相;油相一般是风味植物油，如菜籽油、葵花籽油、哈密瓜籽油、橄榄油、橘子油等［5］。两相并不相容，通过添加乳化剂、亲水胶体来增加体系的稳定性［6］。随着现在液态快速消费品的需求急速增加［7］，这种新型的大麦稻米油饮料营养丰富，风味独特，是未来饮料的发展趋势。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

大麦，江苏丹绿米业有限公司;耐高温 α-淀粉酶，无锡昌而盛贸易有限公司;分子蒸馏单甘脂、失水山梨醇单硬脂肪酸酯、硬脂酰乳酸钠、柠檬酸单甘脂、酒石酸单双甘油酯、聚甘油脂肪酸酯、瓜尔胶、微晶纤维素、高酯果胶、卡拉胶、CMC、海藻酸钠、黄原胶，丹尼斯克公司;蔗糖酯SE-15柳州爱格富有限公司;阿拉伯树胶粉，分析纯;白砂糖，无锡市滨湖区华润万家;稻米油浙江得乐康食品股份有限公司;CFK-30G长帝调温定时型电烤箱，佛山市伟仕达电器实业有限公司;粉碎机、电动筛，新乡市金禾机械有限公司;DK-S12电热恒温水浴锅，上海森信实验仪器有限公司;RW20搅拌器，广州仪科实验室技术有限公司;GZX-GF-MBS-1电热恒温鼓风干燥箱，上海跃进医疗器械厂;YXQ-LS-18SI立式压力蒸汽灭菌锅，上海东亚压力容器制造有限公司;APV-1000实验型高压均质机，APV公司;DCAT21全自动表面张力仪，德国德菲公司;zetasizernano ZS纳米粒度及ZETA电位仪，英国马尔文公司;ND-5S数字粘度计，上海加内特机电设备公司;RJ-LDL-50G离心机，无锡瑞江分析仪器有限公司;FA25弗鲁克高速搅拌器，上海弗鲁克流体机械制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大麦饮料工艺流程

大麦→烘焙→粉碎→去皮→过筛→酶解→分离→调配→均质→灌装→灭菌→成品

1.2.2 工艺要点

烘焙:将去杂后的大麦在180℃的烘箱中烘焙15 min，大麦烤成焦黄色并有大量的香气溢出。

大麦酶解液的制备:将烘焙后的大麦使用粉碎机粉碎，过40目作为原材料。以料水比1∶14(g∶mL)、酶解温度90℃、酶解时间70 min、加酶量为60 U/g的条件酶解［8］。酶解后以3 500 r/min离心20 min。

大麦乳状液的制备:取大麦酶解液，加入白砂糖，乳化剂，亲水胶体溶于酶解液中放置过夜，再加入稻米油。先使用高速搅拌器以16 000 r/min预乳化1 min，再使用高压均质机在60℃，30 MPa条件下均质2 次［9］。

1.2.3 乳化剂的选择

(1)乳化剂对界面张力的影响。取大麦的酶解液，加入4%的白砂糖，分别加入质量分数0.1%的不同乳化剂，以不添加乳化剂为对照，以稻米油为油相，使用全自动表面张力仪在25℃测定界面张力。

(2)乳化剂对乳状液PDI及ESI的影响。取大麦的酶解液，加入4%的白砂糖，分别加入不同的乳化剂，然后加入1%的稻米油，制备乳液。测定PDI及ESI。

1.2.4 增稠剂的选择

(1)增稠剂对ESI的影响。取大麦的酶解液，加入4%白砂糖、乳化剂，分别加入0.1%的不同胶体，放置12 h后，加入1%的稻米油，制备乳液。测定ESI。

(2)增稠剂对体系流变特性的影响。取大麦的酶液解加入4%的白砂糖、乳化剂，然后分别加入0.1%的不同胶体，放置12 h后，加入1%的稻米油，制备乳液后测定。

1.2.5 响应面分析稳定剂的复配

选择合适的乳化剂、增稠剂、油、白砂糖，乳化均质后，以电位、ESI、PDI为响应值，利用响应面优化方法(RSM)中的Box-Behnken Design(BBD)分析法建立模型。

表1 中心组合设计因素水平表Table 1 Variables and levels in central composite design

1.3 分析方法

1.3.1 界面张力的测定

使用全自动表面张力仪在25℃条件下测定。

1.3.2 多分散系数PDI及电位的测定

制备乳液稀释100倍后使用纳米粒度及ZETA电位仪测定［10］。

1.3.3 流变学性质的测定

均质后放置4 h后，25℃下使用流变仪测定，剪切速率范围为0.1 ～25(s-1)［11］

1.3.4 乳化稳定系数ESI的测定

吸取25mL大麦饮料乳状液置于50 mL的离心管中，静置2周后测定［12］

ESI%={［HE-(HS+HC)］/HE}×100

式中:HE，初始乳状液高度;HS，沉淀层高度;HC，乳油层高度。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂的选择

2.1.1 乳化剂对界面张力及ESI的影响

从图1中可以看出，添加乳化剂后界面张力都明显降低，分子蒸馏单甘脂、失水山梨醇单硬脂肪酸酯、SSL与柠檬酸单甘脂的界面张力较低，形成的乳状液的稳定性也比较好。乳状液是高度分散的不稳定体系，因为它有巨大的界面，所以体系的能量较高，是热力学不稳定的，放置一段时间过后，出现上浮、下沉、聚集、联结等现象，乳状液的稳定性取决于分子间的相互吸引和相互排斥，水包油型乳状液一般是通过带有相同电荷颗粒之间的相互排斥力来稳定的，一般通过加入乳化剂来增加稳定性。合适的乳化剂能够显著的降低两相间的界面张力，在界面上形成界面膜阻止颗粒相互接近。界面张力较低时均质后形成的粒径也会较均一［13-14］。

图1 不同乳化剂对界面张力及ESI的影响Fig.1 Effect of different emulsifiers on the interfacial tension and ESI of barley beverage emulsion

2.1.2 乳化剂PDI的影响

从图2中可以看出，加入乳化剂后，体系的多分散系数PDI有所降低，体系内颗粒大小分布比不添加乳化剂均一。自然界中大多数的乳状液是多分散体系，体系中粒子的大小不是单一的，或者它们的形状或电荷也不是相同的。体系的PDI越大，分布也就越不均一。所以要使体系的PDI小一些［15］。其中亲水性的柠檬酸单甘脂、蔗糖酯SE-15、硬脂酰乳酸钠SSL与亲油性的失水山梨醇单硬脂肪酸酯形成的体系的PDI较低。

图2 不同乳化剂对PDI的影响Fig.2 Effect of different emulsifiers on the PDI of barley beverage emulsion

2.1.3 乳化剂单体质量分数的确定

从图3中可以看出4种乳化剂的稳定性随着添加量的增加先上升后降低，说明乳化剂的添加量并不是越多越好，可以看到失水山梨醇单硬脂酸酯质量分数为0.1%。

图3 四种不同乳化剂对ESI的影响Fig.3 Effect of four different emulsifiers on the ESI of barley beverage emulsion

柠檬酸单甘脂质量分数为0.3%时稳定性较好。柠檬酸单甘脂是阴离子水包油型乳化剂，在热水中可溶解，酯化时失去的自由羟基由酯化柠檬酸分子的羟基取代，甘油单酸酯与柠檬酸进行部分酯化反应时，保留下的甘油单酸酯的羟基与由柠檬酸基团带入的羟基以及自由羟基构成亲水部分，柠檬酸酯的HLB值比原料甘油酯的高，能够使油水界面张力大大降低。失水山梨醇单硬脂肪酸酯是以脂肪酸基团为疏水部分和以失水山梨醇为亲水部分的非离子亲油性乳化剂［14］。亲水性与亲油性，离子型与非离子型的混合乳化剂可以形成特别稳定的界面膜，具有较高的强度，从而能够很好地防止聚结，对增加乳状液的稳定性有很大的作用。因此选择的单体乳化剂及用量为0.1%的失水山梨醇单硬脂酸酯SMS，0.3%的柠檬酸单甘脂。

2.2 增稠剂的选择

2.2.1 增稠剂对ESI及流变性质的影响

对放置4 h的乳状液进行流变学的测定，从图4中可以看出，不同增稠剂对体系的稳定作用是不一样的，其中黄原胶的稳定性最好，其次是卡拉胶。在图5、图6中，在剪切速率为0.1～25(s-1)内，不同胶体均表现为溶液黏度随剪切速率变小的典型非牛顿流体的假塑性流动行为。实际的非牛顿流体，当施加压力时，就会产生流动，它们要在大于某一个固定值时，才开始流动，大部分液态食品0＜n＜1，n值越小，液体内部的构造越弱，随着剪切速率的增大，其内部分子结合而形成的阻力由于构造破坏而减小的缘故［16］。经拟合后黄原胶的屈服应力较大，稳定性较好。这也与图4中ESI相对应。单独使用黄原胶会使体系的粘度较大，因此选用黄原胶与卡拉胶复配。

图4 不同胶体对大麦饮料乳状液ESI的影响Fig.4 Effect of different colloids on ESI of barley beverage emulsion

图5 不同胶体对大麦饮料乳状液的流变行为影响Fig.5 Effect of different colloids on the rheological behavior of barley beverage emulsion

2.2.2 卡拉胶与黄原胶单体添加量的确定

图7～图9分别为不同质量分数的黄原胶与卡拉胶对ESI，PDI以及黏度的影响。卡拉胶在中性和碱性介质中很稳定，即使加热也不易水解，且能形成高黏度的溶液，这是由它们无分支的直链型大分子结构和聚电解质的性质造成的。黄原胶具有独特的流变特性、良好的水溶性、低浓度时的高黏性、对高温、酸和碱的稳定性，以及与各种盐类有良好的相容性等优点，应用面很广［17］。而从图6中也可以看出，卡拉胶添加量在0.2%以上时，ESI变化不大，且PDI与黏度开始显著增加;黄原胶的含量达到0.1%时，稳定性基本不变，且含量增加会导致黏度与PDI的显著增加，因此黄原胶与卡拉胶的单体用量分别为0.1%，0.2%。

图7 卡拉胶与黄原胶对ESI的影响Fig.7 Effect of xanthan gum and carrageen on the ESI of barley beverage emulsion

图8 卡拉胶与黄原胶对PDI的影响Fig.8 Effect of xanthan gum and carrageen on the PDI of barley beverage emulsion

2.3 响应面分析确定稳定剂的复配比例

在单因素实验的基础上，以电位、ESI与PDI为响应值，利用响应面优化方法［18-19］(RSM)中的Box-Benhnken分析方法建立模型进行优化。每组实验重复3次，试验结果用响应面因素水平和分析结果如表2所示。

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Process variables and levels in response surface central composite design and experimental results

续表2

结果表3显示，对于响应面是显著的，回归系数P＜0.05是显著的，失拟项P＞0.05是不显著的，符合响应面的设计，R2从0.886～0.957并且86%以上的数据可以用这个模型来解释，最优的配方为柠檬酸单甘脂0.20%，失水山梨醇单硬脂肪酸酯0.1%，稻米油0.9%，黄原胶0.07%，卡拉胶0.30%，此时能得到较高的ESI，较低的PDI与电位。得到的乳状液的电位为-43.5 mV，ESI为100%，PDI为0.419。验证试验的电位为(-42.7±0.9)mV，ESI为(100±0.0)，PDI为0.414±0.023。

表3 回归方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for regression model

3 结论

本研究以大麦为原料，酶解离心后，通过添加白砂糖、乳化剂、增稠剂、稻米油制备大麦饮料乳状液，在因素试验的基础上，以电位、ESI、PDI为响应值，通过响应面分析得到的最优配方为柠檬酸单甘脂0.20%，失水山梨醇单硬脂肪酸酯0.1%，稻米油0.9%，黄原胶0.07%，卡拉胶0.30%，目前通过添加稻米油来增加营养风味的大麦饮料研究还很少，此类大麦饮料具有很大的发展潜力。

［1］ Byung-KeeBaik，Steven E Ullrich.Barley for food:Characteristics，improvement，and renewed interest［J］.Journal of Cereal Science，2008，48:233-242.

［2］ 袁亚，周利亘，龚启明，等.大麦麦绿素提取技术研究［J］. 食品工业科技，1999，20(2):22-29.

［3］ Benito-Román E，Alonso S Lucas.Optimization of β-glucan extraction conditions from different waxy barley cultivars［J］.Journal of Cereal Science，2011，53:271-276.

［4］ 王兴国.油料科学原理［M］.北京:中国轻工业出版社，2011，27-44.

［5］ Ail R Taherian，Patrick Fustier，Hosahalli S Ramaswamy.Effect of added oil and modified starch on rheological properties，droplet size distribution，opacity and stability of beverage cloud emulsion［J］.Journal of Food Engineering ，2006，77:687-696.

［6］ David Juliann McClements.Food EmulsionsPrinciples，Practices，and TechniquesSecond Edition［M］.NY:CRC press，2004:128-208.

［7］ 程朝阳，莫树平，柏建玲，等.我国谷物饮料研究进展与生产概况［J］. 饮料工业，2012，15(6):6-9.

［8］ 贾可华，马晓军.高温淀粉酶法制备大麦饮料的工艺研究［J］. 食品工业科技，2013，34(22):183-187.

［9］ Hamed Mirhosseini，Chin Ping Tan，ArezouAghlara.Influence of pectin and CMC on physical stability，turbidity loss rate，cloudiness and flavor release of orange beverage emulsion during storage［J］.Carbohydrate Polymers，2008，73:83-91.

［10］ Hamed Mirhosseini，Chin Ping Tan，Nazaimah S.A，etal.Effect of Arabic gum，xanthan gum and orange oil contents on potential，conductivity，stability，size index，and pH of orange beverage emulsion［J］.Colloids and surfaces，2008，315:47-56.

［11］ 吴金鋆.复合全豆植物蛋白饮料的稳定性及流变特性研究［D］.广州:华南理工大学，2010.

［12］ Bylaite E，Nylander T，Venskutonis R.Emulsification of carway essential oil in water by lecithin and β-lactoglobulin:Emulsion stability and properties of the formed oil aqueous interface［J］.Colloids Surf.B:Biointerf，2001，20:327-340.

［13］ 陈宗淇，王光信，徐桂英.胶体与界面化学［M］.北京:高等教育出版社，2003:79-295.

［14］ 张万福.食品乳化剂［M］.北京:中国轻工业出版社，1993:47-54，157-164，254-262.

［15］ Hamed Oirhosseini，Chin Ping Tan，Nazimah S A Hamid，et al.Optimization of the contents of Arabic gum，xanthan gum and orange oil affecting turbidity，average partical size，polydispersity index and density in orange beverage emulsion［J］.Food Hydrocolloids，2008，22:1 212-1 223.

［16］ 李里特.食品物性学［M］.北京:中国农业出版社，2001:10-24.

［17］ 金征宇，顾正彪，童群义，等.碳水化合物化学-原理与应用［M］.北京:化学工业出版社，2008:258-280.

［18］ Gallagher，E O'Brien C M，Ssann A G M，et al.Use of response surface methodology to produce functional short dough biscuits［J］.Journal of Food Engineering ，2003，56:269-271.

［19］ Giovanni M.Response surface methodology and product optimization［J］.Food Technology，1983，37:41-45.