TURBISCAN分析仪评估食品乳化体系稳定性的研究进展

杨晋杰，邵国强，王胜男，曲丹妮，刘 贺

(渤海大学 食品科学与工程， 辽宁 锦州 121013)

0 引言

常见的食品乳状液有饮料、蛋糕、冰激淋、巧克力等，是一种热力学不稳定的多相体系.乳状液宏观上的不稳定现象分为两种，一种为乳状液分散相颗粒迁移，另一种为分散相颗粒粒径大小变化〔1〕.

常见的食品乳状液稳定性测定方法有光学法(激光粒度仪法、Turbsican法、Lumisizer法、透射光浊度法)、电荷分布法(ζ-电位法)、流变法、界面吸附法、微观结构法(显微镜观察法、原子力显微镜法、透射电子显微镜法)、高速离心分析法和直观观察法〔2〕.其中，激光粒度仪法和电荷分布法均需对样品进行稀释，破坏了乳状液的原有结构；透射光浊度法和流变法都是对样品的间接分析；高速离心分析法的实验结果与样品的实际稳定性存在差异；直观观察法耗时时间长；虽然这些检测方法都可以对样品的稳定性进行检测和分析，但不能较好地研究乳化体系的失稳机制和变化趋势〔3〕.

Turbsican和Lumisizer稳定分析法，二者均基于反射物理模型，是检测乳状液稳定性的一种新方法，可直观、快速、准确地反映出乳化体系的变化趋势〔4〕，目前，已广泛应用于研究乳状液的稳定性和浓缩胶体的分散性，且Turbsican应用则更为普遍.

1 Turbiscan分析仪工作原理

基于多重光散射原理的Turbsican分析仪，利用脉冲式的近红外光源和透射光、背散射光两个同步光学检测器，在无接触、无稀释和无扰动的条件下，对样品进行自下而上式地垂直扫描，样品浓度最高可达95%，粒子尺寸为50 nm～1 mm，20 s扫描一次或经一定时间连续扫描后，根据收集到的数据来判断体系变化，已广泛应用于研究乳浊液的稳定性和浓缩胶体的分散性〔5〕.

Turbiscan分析仪其测量探头收集透射光和背散射光的数据，透射光检测器用于研究清澈透明的样品，背散射光检测器用于研究高浓度样品〔6〕.其中，背散射光强度由样品的分散相浓度和粒子平均直径来决定，具体关系如(1)所示：

(1)

其中，I*为光子的平均迁移路径；g和Qs为Mie理论常数.

根据Lambert-Beer定律，透射光强度(T)与粒子的体积分数(φ)和平均粒径d的具体关系如(2)所示：

(2)

其中，l为光子平均自由程；ri为测量池的内径；φ为粒子的体积分数；d为粒子的平均粒径.可以看出，透射光强度也与粒子的体积分数(φ)和平均粒径d有关.

(3)

其中，TSI为不稳定性动力学指数；scani(h)是样品h位置第i次扫描的背散射光强度；scani-1(h)是样品h位置第i-1次扫描的背散射光强度；H是样品整体高度.

当乳化体系发生不稳定现象时，体系内粒子的体积分数和平均粒径均发生改变，由以上数学式可得出，背散射光和透射光强度也会发生相应变化.因此，可通过多次扫描所接收光强的偏差来判断样品中的粒径大小变化、粒子沉淀或上浮等情况；当样品浓度不变时，ΔBS(ΔT)将直接反映样品中粒子随时间的变化规律，ΔBS(ΔT)越小，乳化体系越稳定，反之稳定性较差〔7-8〕.

2 评估乳化体系失稳原因

利用Turbsican分析仪对样品扫描后，可通过透射光和背散射光的强度随时间变化曲线，可直观、快速、准确地反映出乳化体系的上浮、沉淀、聚集/絮凝等动态变化，还可通过内置软件对数据进行处理，得出样品粒子迁移速率、光子平均自由光程、TSI稳定性指数、液滴粒径和相厚度(沉淀层、浮油层或澄清层)随时间变化关系曲线等分散稳定性参数，定性定量分析出分散体系的稳定性，为乳化体系物理稳定性评价和产品配方优化提供可靠依据，广泛应用于食品、石油、日用化学品及农药制剂加工等领域〔9〕.

2.1 以ΔBS或ΔT评估

使用Turbiscan，可快速观察到上浮、沉淀、聚集/絮凝现象.如图1A所示，左侧背散射光强度减少，说明底部样品浓度降低，出现澄清层；右侧背散射光强度增加，说明顶部样品浓度增加，出现上浮层.沉淀与上浮类似，如图1B所示，左侧ΔBS增加，右侧ΔBS减少，表明样品颗粒沉淀.聚集/絮凝现象如图1C所示，整体ΔBS降低，表明样品颗粒粒径发生改变〔10〕.

图1 上浮(A)、沉淀(B)和聚集/絮凝(C)现象〔3〕

2.1.1 失稳现象

钟秀娟等人以红枣豆奶为研究对象，采用ΔBS对添加不同乳化稳定剂的红枣豆奶的稳定效果进行了研究，结果表明，豆奶1、4稳定性较2、3好.其中，豆奶1、4均无水析，浮油、沉淀少；豆奶2、3浮油、沉淀较多，且底部有水析〔11〕.吕长鑫等人通过ΔBS对添加两种不同羧甲基纤维素(CMC)的紫苏酸性乳饮料的乳化稳定性进行了研究，结果发现CMC1的ΔBS变化较小，即稳定效果较好，而CMC2的ΔBS较大，样品底部出现沉淀层，顶部出现澄清层，稳定效果较差〔12〕.MATOS等人通过ΔBS分布曲线对含叶黄素的高浓度单分散乳液稳定性进行了表征，未发现聚结或奥式熟化现象〔13〕.REBOLLEDA等人通过监测透射光和背散射光随时间变化曲线对小麦麸皮水包油纳米乳液稳定性进行了表征，发现乳液中部由于油滴聚结，导致液滴尺寸增加，底部也出现微量沉淀，表明乳液不稳定〔14〕.DOMIAN等人通过背散射光强度分布图对8种不同OSA淀粉制备的8种乳液稳定性进行了表征，发现OSA与海藻糖复配的OSA淀粉比未添加海藻糖的OSA淀粉制备的乳液稳定性低，出现轻微澄清和分层，颗粒发生迁移〔15〕.MATSUMIYA等人采用样品中部ΔBS快速分析8种乳化剂制备的乳液的长期稳定性，发现除3外，其余7种乳液的ΔBS均增加，表明由于液滴的絮凝，导致油滴浓度随时间不断增加；样品3的脂肪球上浮至顶部或牛奶颗粒沉淀到底部，导致ΔBS降低〔16〕.YANG等人通过ΔBS研究了银杏提取物组分黄酮苷对剥离结构化制备的水包油乳液的稳定性，发现添加黄酮苷的乳液是最稳定的，表明黄酮苷对乳液稳定性确实存在一定影响〔17〕.

MARTINEZ-PADILLA等人通过ΔBS曲线对不同脱脂奶粉的气泡特性进行了研究，发现脱脂牛奶或添加乳清浓缩蛋白(WPC)的气泡顶部出现坍塌，中部发生奥式熟化，气泡直径增加；添加Na-Cas的气泡同时出现奥式熟化和气泡劈裂〔18〕.VON等人采用ΔBS对绿茶多酚乳液的分层、絮凝和聚结稳定性进行了研究，发现底部出现澄清层和顶部出现分层；多酚能使油滴间静电荷增加，互相排斥，使絮凝程度降低〔19〕.LIANG等人通过ΔBS研究了麦芽糖糊精浓度对酪蛋白酸钠稳定的乳液的物理稳定性影响，发现不含麦芽糊精时，乳液较稳定；随着麦芽糊精浓度的增大，乳液出现澄清层和上浮层，但浊度差异不明显〔20〕.

2.1.2 乳状液均质处理条件

白洁等人选取ΔBS分别研究了干法筛粉处理、湿法胶体磨及高压均质处理对燕麦豆乳饮料稳定性进行了分析，结果表明，经胶体磨后再高压均质两遍处理的样品体系稳定性最高，显著优于其他微细化处理方式〔21〕.孙术国等人通过分析乳化剂、均质条件和β-胡萝卜素含量三种变量下的ΔBS在120 min内的变化，对β-胡萝卜素乳状液稳定性进行了研究，结果表明，吐温80乳化效果较好；三次均质与二次均质制备乳液稳定性均大于一次均质，且经30 MPa、50 MPa和45 MPa三次均质效果为最佳；2%的β-胡萝卜素含量为最优〔22〕.许朵霞等人选用ΔBS对β-胡萝卜素纳米乳状液的稳定性进行了研究，发现以吐温(TW)、十聚甘油单月桂酸酯(DML)、辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSS)、乳清分离蛋白(WPI)为乳化剂的四种乳液的中部BS均有不同程度升高，表明各乳液粒径均增大.其中，DML乳液的ΔBS值升高幅度最大，表明该乳液聚结明显，粒径不断增大，乳液发生分层现象(样品顶部ΔBS值显著增大)；WPI乳液的ΔBS值变化最小，表明该乳液稳定性较好〔23〕.DOMIAN等人通过ΔBS分布图对添加海藻糖的OSA淀粉、油相在三种均质压力下制备的11种水包油乳液的物理稳定性进行了研究，结果表明，均质压力过低不能将油滴均匀分散，导致乳液不稳定；添加12%的OSA淀粉在60/20 MPa下制备的乳液是最稳定的，与含油量无关〔24〕.

2.1.3 胶体选择

王蔚瑜等人通过ΔBS随时间变化情况并结合离心沉淀率和长期观察对五种灭菌型褐色饮料稳定性进行了研究，结果表明黄原胶和结冷胶方案的稳定性较好，刺槐豆胶和瓜尔豆胶最差〔25〕.BERENDSEN等人通过ΔT分布图对不同稳定剂制备的乳液稳定性进行了研究，发现WPI-多糖复合物比WPI制备的乳液稳定，且WPI-羧甲基纤维素钠(CMC)使水相粘度显著增加，乳液稳定性较高〔26〕.WANG等人利用ΔBS分布图研究了阿拉伯树胶(GA)和阿拉伯树胶十二烯基琥珀酸酐衍生物(DGA)的乳化性能，发现DGA5、DGA10比GA乳化性能好，表明改性GA可提高乳液稳定性〔27〕.

2.1.4 包封效果

BERENDSEN等人通过ΔBS曲线计算包封原花青素提取物的W1/O/W2乳液液滴的分层速率和澄清层厚度考察了O-W2界面组成如何影响W1/O/W2乳液的物理稳定性，并结合ζ-电位分析发现，由WPI-CMC和WPI-壳聚糖(chitosan，CHI)稳定的双重乳液分层速率较小(由W2粘度差异引起，CMC显着增加导致更高的跨膜压力使乳液流过SPG膜)，WPI次之，WPI-GA最大，液滴可能粘附在一起形成桥联絮凝，使粒径增加，加速乳液分层.WPI-多糖复合物比WPI能在O-W2界面间保留更多的水，界面层更厚〔26〕.LUPO等人通过分析明胶内部5 mm处的ΔBS研究了不同钙浓度下由藻酸盐2 %w/w可可粉形成的块状凝胶上的多酚释放，发现最高和最低钙浓度下的ΔBS曲线变化趋势差异较大，表明钙浓度影响海藻酸盐/可可凝胶中多酚的释放，并且由于高浓度的钙而延迟〔28〕.PANDO等人通过ΔBS对三种表面活性剂司盘60(S60)、Labrasol(Lab)和Maisine 35-1(Mai)与十二烷醇(Dod)以两种比例(1：0.5和1：1.5)混合溶解于白藜芦醇(RSV)的乙醇溶液，在不同转速下制备的脂质体稳定性进行了研究，发现S60-Dod(1：1.5，15000 rpm)与RSV混合可制备出稳定性较高的纳米脂质体〔29〕.FIORAMONTI等人通过分析ΔBS分布图研究了pH(4-7)和藻酸盐浓度(0.125和0.25 wt%)对亚麻油微胶囊化制备的多层乳液的絮凝或聚集稳定性，发现两种不同藻酸盐浓度下的乳液在pH(4-5)均表现出良好稳定性，而0.125 wt%的藻酸盐乳液在pH(6-7)时液滴尺寸显著增加，出现絮凝，随着藻酸盐浓度的增加，导致连续相粘度增加，絮凝程度较小〔30〕.

2.1.5 网络结构

ZHAO等人通过ΔBS分布图和TSI研究了脱脂山羊凝乳酶在不同时间超声处理下的特性，发现经10 min和15 min超声处理后的凝乳酶凝胶更加均匀，且TSI值较高，表明样品中聚集程度高，超声处理可能引起凝胶网络中不同分子的重构〔31〕.XUEXIN等人通过ΔBS扫描图对添加不同浓度尿素和酪蛋白酸钠制备的乳液稳定性进行了研究，发现未添加尿素的2 wt%和4 wt%酪蛋白酸钠乳液24 h后快速分层，且添加4 wt%酪蛋白酸钠乳液澄清层较透明，归因于耗竭絮凝；添加6 wt%酪蛋白酸钠乳液稳定性更高，归因于强化颗粒间的相互作用使液滴絮凝网络增强.随着尿素含量的增加，亚微胶粒解离，降低了2 wt%和4 wt%酪蛋白酸钠乳液的澄清层厚度，而添加6 wt%的乳液稳定性降低，归因于亚微胶粒体积分数的减少，降低了连续相粘度，增加了液滴形成絮凝网络的流动性〔32〕.SANTOS等人通过ΔBS并结合分层高度随时间变化分布图考察了不同浓度的瓜尔豆胶(GG)对土豆蛋白乳液稳定性的影响，发现所有乳液底部与中部均发生不同程度的变化，且随着GG浓度的增加，分层时间延长，归因于分散的油滴固定在聚集液滴的弱凝胶状网络中〔33〕.DEGRAND等人通过ΔBS和ΔT在24 h内的变化考察了4 wt%葡聚糖硫酸酯(DS)对1 wt%吐温20乳液和1 wt%乳清浓缩蛋白(WPC)乳液的稳定性影响，发现吐温20乳液与WPC乳液稳定性差异显著，虽然DS使体相粘度增加，但DS与吐温20间无静电吸引力，DS可在液滴上引起渗透压，导致耗竭絮凝；DS和WPC间发生的缔合相互作用，克服重力使液滴网络结构稳定，但是底部澄清层较混浊，可能存在诸多不涉及网络结构的液滴〔34〕.

2.2 以Turbiscan稳定性指数(TSI)评估

ΔBS(ΔT)虽然能直观反映乳化体系局部的不稳定现象，但不能量化比较多个样品的不稳定程度.TSI是用于估计乳化体系物理稳定性的重要参数，可方便比较出不同样品间的稳定性差异〔35〕.

ASNTDS等人采用TSI对花生牛乳、微晶纤维素(MCC)悬浮的花生牛乳和HM-B结冷胶悬浮的花生牛乳的稳定性及原因进行了表征，发现添加HM-B的牛乳稳定性最好，MCC和对照组次之.其中，HM-B依靠C-O共价键双螺旋结构并盘曲折叠形成复杂三维网状结构，与MCC借助其自身斥力以及和CMC间的静电斥力形成的结构，前者形成悬浮能力较强，且对沉淀现象改善显著，更适合花生牛乳体系的悬浮〔36〕.钟秀娟等人以红枣豆奶为研究对象，采用TSI对添加四种乳化稳定剂的红枣豆奶的稳定效果进行了研究，结果表明，豆奶1、4稳定性明显优于2、3，但样品底部稳定性均不好，顶部较好〔11〕.王蔚瑜等人通过TSI对五种灭菌型褐色饮料稳定性进行了研究，结果表明结冷胶方案最优，黄原胶次之，魔芋胶水析较多，瓜尔豆胶和刺槐豆胶最差〔25〕.

RAIKOS采用ΔBS、峰厚度及TSI研究了热处理(63、80和90 ℃)对包封维生素E(VE)的食用橙水包油乳液饮料在28 d、4 ℃冷藏期间内物化稳定性的影响，发现63 ℃时，乳液颗粒尺寸发生明显增量变化，TSI显著增加，且其显著降低VE含量，归因于油滴界面和油相(未吸附蛋白)上的变性蛋白间的相互作用(疏水吸引力和硫醇-二硫化物交换作用)导致液滴絮凝或聚结.但其余所有乳液均较稳定，且VE含量保持不变〔37〕.TRUJILLO等人通过背散射光和TSI研究了乙氧基化脂肪酸链烷醇酰胺浓度和均质速率对15种D-柠檬烯乳液物理稳定性的影响，发现M8乳液(C=3 wt%，V=10000 rpm)稳定性最高，M1(C=2 wt%，V=2000 rpm)稳定性最差，且TSI随均质速率增加而下降，C≥3.5 wt%的乳液比C<3.5 wt%乳液稳定性差，归因于耗竭絮凝引发了高浓度C乳液油滴的聚结〔38〕.

2.3 以乳析指数评估

FIORAMONTI等人通过ΔBS分布图计算出澄清层厚度进而求出乳析指数，研究了冻结温度和麦芽糖糊精(MDX)浓度对亚麻油水包油多层乳液稳定性的影响，发现在两种温度下MDX浓度增加，使连续相粘度增加， MDX水结合性质和水相中未冻结水量增加，使乳液更稳定；而未添加MDX的乳液在两种温度下均出现分层〔30〕.PAXIMADA等人通过BS扫描分布图计算乳析指数(SI)考察了pH、温度和离子力对四种纤维素制备的O/W乳液稳定性，pH和温度对BC稳定的乳液稳定性影响较小，离子力越强，乳液越稳定，归因为BC絮凝物在液滴间水相中形成凝胶网络结构；pH、温度和离子力对低黏度羟丙甲纤维素(HPMCL)乳液稳定性影响较显著，在中性条件下更稳定，温度越高，乳液越不稳定，归因为HPMCL分子从液滴表面的解吸，导致分层和絮凝；离子力越强，HPMCL、高黏度羟丙甲纤维素(HPMCH)和CMC稳定的乳液SI值越低，且HPMCH黏度更高，在油滴间形成更粘稠的网络结构，乳液稳定性更高〔39〕.KALTSA等人通过BS强度计算乳析指数(CI)对添加不同浓度果胶的和WPI：吐温20比例的乳液的储存稳定性进行了研究，发现果胶不存在时，CI较低，乳液较稳定，不同WPI：吐温20比例对其无影响；而果胶的存在，特别在低浓度下，CI较高，加速了乳液的分层，归因于其桥联相互作用使油滴聚集.添加0.6 wt%果胶后，使WPI比例较高的乳液的CI降低，归因于其使连续相粘度增加或使液滴完全覆盖，进而稳定乳液；而使吐温20比例较高的乳液的CI升高，果胶不能吸附在油滴上而发生相分离，发生聚集〔40〕.

2.4 以粒径评估

MARTINEZ等人通过将背散射光值转化为奥式熟化动力学随时间变化函数(线性拟合后，其斜率为气泡直径增加速率)，研究了黄原胶对乳清蛋白浓缩物发泡性能的影响，结果表明，弹性膜的空气扩散导致气泡平均直径增加，但随着WPI和黄原胶(XG)含量的增加而降低，且奥式熟化速率也随WPI和XG含量的增加而降低，所以WPI和XG含量最高的气泡直径最小，奥式熟化速率最低，气泡更稳定〔18〕.TOMCZYNSKA等人研究了由Mg2+、Ca2+和Fe2+制备的乳清蛋白充气凝胶的平均气泡直径，发现只有Mg2+制备的气泡直径较大且41 d后显著降低，再经过透射光和背散射光对Mg2+制备的乳清蛋白充气凝胶进行了扫描，发现气泡直径降低导致BS不断减少，T增加；而Ca2+和Fe2+制备的乳清蛋白充气凝胶的平均气泡直径相似，且41 d后没有显著改变.以上结果说明三种离子制备的凝胶粘度对平均气泡直径有影响〔41〕.

3 结论与展望

基于多重光散射技术的Turbsican分析仪是目前评估食品乳化体系稳定性较好的仪器之一，具有直观、快速、准确的优点.可通过ΔBS或ΔT快速检测出乳状液的上浮、下沉、絮凝等失稳现象，并结合TSI、乳析指数和粒径等分析方法用于食品乳状液的配方研发，快速准确地判断出体系的稳定性，明显缩短产品的研发周期及研发成本，更好地为食品乳化体系的研发提供参数.