酪蛋白酸钠-椰奶乳液的制备及表征

宫晓玥，向东, ，李玉洁，王波

1. 热带多糖资源利用教育部工程研究中心（海口 570228）；2. 海南大学食品学院（海口 570228）

椰子是棕榈科单子叶植物，是热带地区主要的食品能源及经济作物。在中国，椰子主要生长在海南地区[1]。椰子的不同部分可以加工成多种产品，例如椰子水、椰子糖、椰奶及椰子油等[2]。

其中椰奶是通过椰肉榨汁得到的，富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、微量元素等营养物质[3]。椰奶是由椰蛋白和磷脂稳定的乳液[4]。在椰奶中，椰蛋白附着在椰油表面，阻止椰油絮凝、合并[5]。但由于椰奶中的椰蛋白的乳化性、热稳定性差，表面活性低，导致椰奶易发生分层[4]。加工后储藏一段时间，椰奶就会发生分层[6]。为了延长椰奶的货架期，所以在加工过程中会添加乳化剂来提高其稳定性[7-10]。

乳化剂是具有亲水基和亲油基两种表面活性的物质，它能够通过吸附在油滴上，形成一层界面膜，来提高乳液稳定性。在食品乳液中广泛应用的乳化剂有小分子表面活性剂、两性的生物聚合物和固体颗粒[11-15]。蛋白质是乳液形成和稳定的一类重要的两性生物高分子，包括大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白酸钠、酪蛋白、β-乳球蛋白和牛血清白蛋白等[16-20]。蛋白质作为乳化剂，由于它们的两亲性，减少了油和水之间的界面张力[21-22]。此外，吸附在界面上的蛋白质可以平衡油滴之间的静电和空间斥力，形成了稳定的乳液[23]。

酪蛋白酸钠是一种可溶性和乳化性兼并的蛋白质，在乳化过程中可以快速降低表面张力，在国内外市场上都被广泛应用[24-28]。因此试验通过测定椰奶的粒径、ζ-电位、界面张力以及乳析指数等指标，研究了酪蛋白酸钠的质量分数对椰奶表面特性及稳定性的影响，从而对乳化剂的作用机理进行分析，为椰奶加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

成熟椰子（市售）；酪蛋白酸钠（杭州瑞霖化工有限公司）。

1.2 仪器与设备

Zetasizer Nano S90激光粒度仪（ζ-电位也用此仪器测量，英国马尔文仪器有限公司）；KL-GJJ高压均质机（上海科劳机械设备有限公司）；JYZ-S6九阳榨汁机、FW177粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；HH4数显恒温水浴锅（常州澳华仪器有限公司）；LS-B50L高压灭菌锅（上海华线医用核子仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

酪蛋白酸钠溶液的配制：分别配浓度为0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%和0.8%的酪蛋白酸钠溶液，放入75 ℃水浴锅中加热2 h，使其充分溶解，备用。将成熟的椰子用专用刀去壳、削皮，保留白色新鲜的椰肉，常温椰肉现取现用，用粉碎机将不同方式处理后的椰肉粉碎成椰蓉，用榨汁机压榨取汁，两层纱布过滤，获得椰奶样品。将榨取的椰奶倒入以上各组酪蛋白酸钠溶液中，使得每组样品中椰奶含量为10%。在50 ℃水浴锅中搅拌10 min，然后将每组样品经过压力30 MPa的高压均质机均质。再将均质的样品进行高温高压灭菌15 min（121 ℃，0.1 MPa），待测。每个质量分数的样品做3个平行。

1.3.2 粒径及分散指数的测量

椰奶乳液中油滴粒径及分散指数用激光粒度仪进行测定，使用聚丙乙烯样品池，加入样品的高度约10 mm，并盖上隔热帽，根据样品的性质特征将样品折射率设为1.09，分散剂水的折射率设为1.33，测量温度设为25 ℃，平衡时间为120 s。测量粒径前样品被稀释到0.05%，脂肪质量分数约为0.01%，以减少多重散射效应。平均粒径公式为：

式中：d43为椰奶油滴的平均粒径，nm；ni为粒径为di的油滴的个数，个。

分散指数（Polydisper dispersion index，PDI）的计算公式为：

式中：PDI为油滴粒径的分散指数；MW为重均分子质量，单位为1；Mn为数均分子质量，单位为1。

1.3.3 ζ-电位的测量

待测样品中油滴带的电荷用激光粒度仪测量，使用聚丙乙烯样品池，加入样品的高度约10 mm，并插入电极，根据样品的性质特征将样品折射率设为1.09，分散剂水的折射率设为1.33，测量温度设为25℃，平衡时间为120 s。

1.3.4 界面张力检测

使用全自动Drop MeterTMProfessional A-200光学接触角/表面张力测量仪悬滴法测定待考察体系的界面张力。测量原理：配制不同浓度的酪蛋白酸钠溶液，利用仪器的自动加液系统，形成一相液体在另一相（椰油）流体中的液滴（悬滴），通过仪器自带的LED灯光源从背面照射液滴，从而获得液滴的轴截面轮廓图像。仪器本身自带的软件依靠高速视频摄像系统周期性地获取液滴的轮廓图像，并对其进行全自动的分析、检测和计算。通过检测到的液滴轮廓拟合到Young-Laplace方程，软件可以准确地确定组成液滴体系的Bond number β和悬滴底端（apex）的曲率半径b：

式中：β为体系的Bond number，是液滴的形状因子（Shape parameter）；b为悬滴底端的曲率半径，nm；Δρ为两相之间的密度差，kg/m3；g为测量当地的重力加速度，m/s2；γ为界面张力，mN/m。

1.3.5 乳析指数的测量

将每组经过均质（30 MPa、50 ℃）1 min的样品称取25 mL放入具盖的玻璃试管中，放入高温高压（121 ℃、0.1 MPa）灭菌锅中灭菌15 min。静置72 h，测量上浮高度，每组样品做3个平行，按式（4）计算乳析指数：

式中：h为试管中椰奶上浮的高度，mm；H为试管中椰奶的总高度，mm。

1.4 统计分析

所有的数据均做3个平行，并用Minitab统计软件进行显著性分析，Origin软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同酪蛋白浓度对椰奶粒径及分散指数的影响

由图1可知，椰奶油滴的平均粒径随着酪蛋白酸钠质量分数的增加而减少，当未加入酪蛋白酸钠时，椰奶的油滴平均粒径为1 600 nm；当加入了0.1%的酪蛋白时，椰奶中油滴的平均粒径降低，约为991 nm；当浓度为0.2%时，平均粒径约为355 nm；当浓度增大到0.3%～0.6%时，油滴粒径随着酪蛋白浓度的增加而没有明显的变化，均在200～300 nm之间；当酪蛋白的浓度增加到0.7%以上时，椰奶的粒径稍有增大。在图2中，粒径的分散指数也随着酪蛋白浓度的增加而降低，当酪蛋白的浓度为0和0.1%时，粒径的分散指数约等于1和0.848，说明样品中椰油的粒径分布不均匀；当酪蛋白的浓度到达0.2%时，分散指数已经降低到0.4以下；当酪蛋白浓度为0.2%～0.8%时，粒径的分散指数虽然有所波动，但均在0.2～0.4之间，这说明当酪蛋白的浓度为0.2%～0.8%时，椰奶油滴大小的分布较均匀。

由此可以得出，加入酪蛋白酸钠可以减小椰奶的粒径及其分散指数，在高压均质过程中，椰奶体系会发生复杂的变化，椰油形成极小的油滴，酪蛋白酸钠快速附着在油滴表面，阻止油滴聚合、絮凝；低浓度的酪蛋白酸钠只能附着在部分油滴表面，而椰蛋白的乳化性差，因此油滴之间就很容易相互吸引聚合。椰奶中的油滴分布不均匀并且平均粒径较大，但随着椰奶中酪蛋白酸钠浓度的增大，酪蛋白酸钠覆盖在油滴表面，阻止小的油滴聚合，因此椰奶的粒径及分散指数呈减小趋势。结果表明，当酪蛋白酸钠的浓度为0.3%时，椰奶的粒径及分散指数达到理想效果。

图1 不同酪蛋白酸钠浓度对椰奶粒径的影响

图2 不同酪蛋白酸钠浓度对椰奶分散指数的影响

2.2 不同酪蛋白酸钠浓度对椰奶ζ电位的影响

由于油滴之间的摩擦以及椰蛋白中氨基酸的组成，纯椰奶中的椰油本身带有负电荷，其电荷约为-16 mV[29]。如表2所示，ζ-电位随着酪蛋白浓度的增加而增大，酪蛋白酸钠是一种离子型乳化剂，当它附着在油滴表面时，可改变油滴表面的电位。酪蛋白酸钠浓度越大，所形成的油滴粒径越小（图1），附着在油滴表面的酪蛋白酸钠越多，油滴表面的负离子越多，所带电荷越大。当酪蛋白的浓度为0和0.1%时，椰奶的ζ电位为-13.71和-18.03 mV，与表1对照可知，椰奶处于极其不稳定的状态。当酪蛋白酸钠的浓度为0.2%～0.6%时，ζ电位在-31.56～-38.56 mV之间，椰奶处于稳定性一般的状态；当酪蛋白的浓度为0.7%和0.8%时，ζ电位为-41.23和-46.23 mV，椰奶的稳定性较好。由于油滴带的负电荷量大，油滴之间的排斥力大于吸引力，因此在椰奶中很难发生聚合。

表1 ζ-电位与体系稳定性之间的关系

表2 不同酪蛋白酸钠浓度对椰奶ζ-电位的影响

2.3 酪蛋白浓度对椰油与水之间界面张力的影响

图3表示酪蛋白酸钠浓度对椰油和水之间界面张力的影响。可以看出，当没有添加酪蛋白酸钠时，水与椰油之间的界面张力最大，约为30 mN/m；当加入酪蛋白酸钠后，两相的界面张力显著降低，且均小于13 mN/m；当加入酪蛋白酸钠的浓度为0.1%时，两相之间的界面张力约为12.4 mN/m；酪蛋白酸钠的浓度继续增加，两相之间的界面张力持续降低，其中当浓度为0.4%和0.5%时，界面张力为10.7和10.2 mN/m；换挡酪蛋白酸钠浓度为0.6%时，此时界面张力降到最低，约9.5 mN/m。而酪蛋白酸钠的浓度继续上升，两相之间的界面张力显著增大，当浓度为0.7%和0.8%时，两相之间的界面张力为11.7 mN/m，无显著差异（p＜0.05）。

因此可以得出，当体系中加入酪蛋白酸钠时，可以降低两相之间的界面张力。但当加入的浓度较少时，酪蛋白酸钠不能完全覆盖油水界面，导致部分油水界面的界面张力依然很大。当酪蛋白酸钠的浓度增大时，酪蛋白酸钠分子增多，在水油界面之间形成一层致密的界面膜，这层界面膜的亲水亲油基团分别连接水相和油相，从而降低了两相之间的界面张力。而酪蛋白酸钠的浓度继续增加时，界面张力反而有上升趋势。酪蛋白酸钠浓度过高，会在油水界面产生多层吸附，破坏酪蛋白酸钠与两相之间的平衡，因此界面张力上升。由此得出0.6%为酪蛋白酸钠的临界浓度。

图4为不同浓度的酪蛋白酸钠与椰油之间的界面张力图（在液滴形成60 s时通过全自Drop MeterTMProfessional A-200界面张力仪自带的摄像机进行拍照），悬滴的形状越趋于圆形，两相间的界面张力越大，反之则张力越小。由图4可知，当酪蛋白酸钠的浓度为0和0.1%时，两相间的界面张力较大；当浓度从0.2%开始逐渐增大时，界面张力呈下降趋势，且到0.6%时，界面张力最低，且液滴有往下掉的趋势；当浓度为0.7%～0.8%时，液滴又重新趋于圆形，证明界面张力增大。

图3 酪蛋白酸钠浓度对油水两相界面张力的影响

图4 不同浓度酪蛋白酸钠油水两相界面张力图

2.4 酪蛋白酸钠浓度对椰奶稳定性的影响

图5 表示酪蛋白酸钠的浓度对椰奶乳析指数的影响。当酪蛋白酸钠的浓度为0～0.2%时，乳析指数为71.43%～68.57%；当酪蛋白酸钠浓度为0.3%时，乳析指数减少，为7.14%；当酪蛋白酸钠浓度增加到0.4%～0.8%时，椰奶的乳析指数非常低，均为2.14%，椰奶稳定性较好。

由椰奶的油滴粒径、ζ-电位、界面张力的测量结果得出，酪蛋白的浓度越大，吸附在椰奶油滴表面的酪蛋白越多，这会阻止油滴之间发生聚合，因此椰奶中椰油的粒径越小，椰油与水之间的界面张力越小，ζ-电位越大，分散指数越小，油滴之间的排斥力大于吸引力，因此椰奶较稳定。

2.5 椰奶乳析指数与粒径、界面张力和ζ-电位的相关性讨论

研究结果发现，随着酪蛋白酸钠浓度的增加，乳析指数减小，椰奶稳定性增强。当酪蛋白酸钠的浓度增加到0.2%时，此时椰奶的粒径显著减小，但是乳析指数为68.57%，椰奶并不稳定；而当酪蛋白酸钠的浓度增加到0.3%以上时，其乳析指数显著降低，但粒径无显著变化，这表明粒径大小不是影响椰奶稳定性的唯一因素。当酪蛋白酸钠的浓度增加时，两相之间的界面张力持续降低；当酪蛋白酸钠质量分数为0.6%时，两相之间的界面张力降到最低；而当酪蛋白酸钠的浓度增加到0.7%和0.8%时，界面张力显著增大，这也表明界面张力不是影响椰奶稳定性的唯一因素。通过测定ζ-电位发现，椰奶中的油滴所带电荷随着酪蛋白酸钠浓度的增大而增大，当酪蛋白酸钠浓度≥0.7%，ζ-电位≥-40 mV时，乳析指数降低至10%以下，此时椰奶稳定性较好。

通过Excel软件中的Correl函数对粒径和乳析指数，界面张力和乳析指数，ζ-电位和乳析指数这三组数据分别进行相关性分析，结果表明，粒径和乳析指数的相关系数为0.780 0，界面张力和乳析指数的相关系数为0.567 9，ζ-电位和乳析指数的相关系数为0.887 4，明显高于其他两组的相关系数，因此ζ-电位对椰奶的稳定性影响更大。

图5 蛋白质浓度对椰奶乳析指数的影响

3 结论

试验通过研究酪蛋白酸钠的质量分数对椰奶的油滴粒径、ζ-电位、界面张力以及乳析指数的影响，得出：当酪蛋白酸钠质量分数≥0.2%时，椰奶的粒径为300～400 nm，且分散指数为0.2～0.4，说明粒径较小，且分布均匀；当酪蛋白酸钠质量分数≥0.4%时，ζ-电位在-38～-42 mV之间，油滴之间的排斥力较大，椰奶的稳定性较好；当酪蛋白酸钠质量分数为0.6%时，界面张力最低，为9.5 mN/m。而根据乳析指数，酪蛋白酸钠的质量分数在0.4%～0.8%的乳析指数较小，稳定性较好。综合GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》中的规定，酪蛋白酸钠通常在饮料中可以按生产需要量添加，考虑经济效益，酪蛋白酸钠的最适添加量为0.6%[30]。

综上所述，酪蛋白酸钠的加入可以通过减小椰奶粒径、增大ζ-电位、减少界面张力来增加椰奶的稳定性。并且通过相关性分析得知，在高压均质条件下，对椰奶的稳定性起主要影响的可能是ζ-电位，这为椰奶的加工生产提供了参考依据。