超声波处理对大豆油预乳化效果的影响

赵紫悦，张伊侬，彭松林，李懿璇，康梦瑶，尚永彪,2,3 *

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(农业部农产品贮藏保鲜质量安全评估实验室(重庆)，重庆，400715)3(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

乳化型香肠以及肉丸、午餐肉等肉糜类产品在肉制品中占比越来越大，已经成为人们日常生活中的主要消费品。在乳化型香肠等肉糜类产品的加工过程中，添加植物油或以植物油替代动物油脂能够起到改善产品风味、降低胆固醇含量等作用[1]。但是，直接在斩拌的过程中加入植物油，可能会导致蒸煮时有较多的油和水的析出、产品的组织结构不佳、口感较差等缺陷。

近年来，预乳化的工艺渐被应用于这一领域，即先将油脂、蛋白质以及水等配制为预乳化液，然后再将其与肉糜混匀。普通的预乳化操作方法是采用均浆设备将油相和水相混合，该方法使产品出油的问题得以缓解，但乳化及乳化液的应用效果还不够理想。油脂预乳化的效果会直接影响肉糜制品的保油性，而这一效果又与预乳化的条件和方法有关，通过体系条件的优化及辅以适当的处理措施有可能会增加外加油脂微粒表面蛋白质的吸附量以及结合的稳定性。

超声波在食品领域的应用十分广泛，如食品生产、食品改性以及食品分析等方面，受到越来越多研究学者的关注[2-3]。已有许多文献表明，超声波有促进乳化的作用，并且已经广泛应用在各个行业[4]。超声波乳化技术在食品领域多应用于制备纳米乳液，使分散剂具有良好的包埋效果，提高乳化产率及产品储存稳定性[5-6]。超声波乳化还应用于针对牛奶中脂肪球大小不均而导致的牛奶分层问题，其空化效应及高强度的剪切作用能够降低脂肪球大小，使其均匀分散，减少牛奶表面形成奶油层的现象[7]。除此之外，超声波乳化也在果汁、蛋黄酱、调味番茄酱等产品中得以应用[8]，但是，目前该技术在肉制品预乳化液中的应用还鲜有报道。

本研究在常规的匀浆操作的基础上对预乳化液做进一步的超声波处理，考察不同超声功率下预乳化液的乳化活性及乳化稳定性、表观稳定性、表面蛋白吸附量、乳液黏度、乳化液滴粒径及分布、zeta-电位和拉曼光谱等指标的变化情况，分析不同功率的超声波处理对预乳化效果的影响并阐释超声波处理的作用机理，以期为超声波处理的预乳化液在肉糜制品中的应用提供一定理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酪蛋白酸钠(万利达生物科技有限公司，蛋白质含量≥90.00%)，大豆油(九三非转基因一级大豆油)，纯净水，其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

XHF-D内切式匀浆机，宁波新芝生物科技股份有限公司；SYNERGYH1MG全波长酶标仪，美国基因公司；BX53荧光正置显微镜，日本Olympus公司；ZEN3690马尔文激光粒度分析仪，英国马尔文仪器公司；DXR2拉曼光谱仪，美国Thermo Fisher Scientific公司；JY99-IIDN超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；5810型台式高速离心机，德国Eppendorf公司；MCR302流变仪，奥地利安东帕公司。

1.3 方法

1.3.1 试验设计

取烧杯，将纯净水与大豆油按1∶1(体积比)混合，酪蛋白酸钠添加量为2 g/L，采用内切式匀浆机以6 000 r/min进行乳化均质，时间为30 s，间隔30 s，匀浆2次，得到粗乳液。取200 mL样品进行超声波处理，超声波频率为20 kHz，超声功率分别设定为0、240、360、480、600 W，处理总时长3 min，每次处理超声持续3 s，停3 s。超声波处理过程中将样品烧杯进行冰浴降温，处理完毕后乳液样品温度均在40 ℃以下。

1.3.2 乳化活性的测定

采用浊度法[9]进行测定。取适量新鲜制得的各组乳化液于25 mL的小烧杯中，保证整个操作环境温度为0～4 ℃，然后立即从管底取50 μL乳化液，加入5 mL 1 g/L SDS溶液中，混合均匀后立即用酶标仪在500 nm处测定其吸光值记作A0，用1 g/L SDS溶液作为空白对照。通过公式(1)计算出乳化液的乳化活性(emulsifying activity index， EAI)，即每克蛋白质乳化油的表面积：

(1)

式中：φ，油相体积分数(油的体积/乳化液的体积)；ρ，乳化之前蛋白质浓度，g/mL；A0，均质后迅速被稀释的乳化液在500 nm处的吸光值；稀释倍数，101。

1.3.3 乳化稳定性的测定

待测过A0值后，将乳化液在0～4 ℃条件下分别静置10、30、60和120 min，用与测定乳化活性相同的方法测定其在500 nm处的吸光值At，通过公式(2)计算出乳化液的乳化稳定性(emulsifying stability index，ESI)，即蛋白质维持乳化液分散体系而不被破坏的能力：

(2)

式中：A0，均质后迅速被稀释的乳化液在500 nm处的吸光值；At，乳化液静置tmin后在500 nm处的吸光值。

1.3.4 乳化表观稳定性的测定

每组预乳化液各取10 mL于相同试管中，在4 ℃下分别静置0、6、12、24、36 h后，拍照记录乳液的分层情况。

1.3.5 乳液黏度的测定

用流变仪进行测定。吸取适量样品均匀分布在50 mm平板上，防止产生气泡。参数设定参考Picotti[10]：测试温度25 ℃，剪切速率从1 s-1到1 000 s-1，总的剪切时间为310 s。

1.3.6 油滴粒径大小与分布的测定

参照赵颖颖[11]并稍作修改。从装有乳化液的试管底部吸取200 μL加入5 mL 10 g/L SDS溶液中进行稀释，充分混匀后，油滴颗粒的分布用马尔文激光粒度分析仪进行测定。设定乳液液滴折射率为1.520，水分散剂折射率为1.330。

1.3.7 zeta-电位的测定

采用马尔文激光粒度分析仪对乳化液表面电位进行测定。参考孔静[12]的方法，测定前先用10 mmol/L pH 7的磷酸缓冲液将样品稀释。上样体积为1 mL，测量温度25 ℃，平衡时间为1 min，每个样品重复测定3次，取平均值。

1.3.8 界面蛋白吸附量的测定

界面蛋白吸附量(adsorption of protein，AP)的测定参照李超[13]并稍作修改。将制好的新鲜乳液立即倒入50 mL离心管中，然后置于4 ℃条件下以10 000 r/min的转速离心30 min。用注射器将下层清液取出，测定清液中的蛋白浓度。乳液蛋白吸附量计算如公式(3)所示：

(3)

式中：Cinitial，蛋白溶液的初始浓度；Caq，离心后下层清液中的蛋白浓度。

1.3.9 拉曼光谱的测定

对预乳化液在600～1 800 cm-1光谱采集范围内进行拉曼光谱扫描，具体设定参数如下：激发波长785 nm，曝光时间3 s，光栅400 g/mm，光阑50 μm狭缝，物镜10倍，激光能量15.0 mW。参考ALIX等[14]的方法，通过将酰胺I带组分的整体强度除以所有酰胺I带组分的总强度来估算各乳液中不同蛋白质二级结构的含量。

1.3.10 数据处理

实验设计为重复3次，每次实验每个处理有3个平行样。结果采用SPSS 10.0软件进行处理，为3次重复的平均值±标准偏差。用Excel 2016进行数据处理，用Origin 8.1软件进行绘图，用SPSS Statistics 17.0进行显著性分析，P<0.05表明结果具有差异显著性。

2 结果与分析

2.1 超声波处理对预乳化液乳化特性的影响

2.1.1 超声波处理对预乳化液乳化活性及乳化稳定性的影响

图1为不同功率的超声波处理后的预乳化液乳化性的变化情况，包括乳化活性与乳化稳定性两方面。由图1可知，经过超声波处理后的乳化液，其乳化性均显著提升。随着超声功率的增加，EAI值呈先增加后降低的趋势。未经处理的对照组EAI值仅为20.18 m2/g，功率360 W的超声波处理之后达到最大值59.95 m2/g，约为对照组的3倍。随后超声功率继续增加，各组乳化液的乳化活性有所降低，但EAI值均保持在48 m2/g以上，仍显著高于对照组(P<0.05)。对照组预乳化液在静置60 min后ESI值仅为20%左右，乳化体系十分不稳定；而经超声波处理后的各组乳液乳化稳定性均显著提高(P<0.05)；功率在240～480 W的3组样品虽然差异不大，但ESI值均较对照组提高了40%以上，乳液稳定了许多；功率提高到600 W时，乳液稳定性达到最大值87.21%。总之，超声波对蛋白乳液乳化特性的促进作用毋庸置疑，许多其他相关研究也都证实了这一点[15-16]。

图1 超声功率对预乳化液乳化性的影响

超声波会对作为分散相的油脂、作为乳化剂的蛋白质以及乳液的黏度、温度、内部压力等多种因素产生作用，进而对整个乳化体系产生影响，而这种影响又会随着超声波的强度大小、作用时间的不同而不断变化。综合EAI与ESI 2个指标来看，功率为360 W超声波处理后的预乳化液具有最高的乳化活性，提高了蛋白质的利用率，且乳化体系也比较稳定。功率超过360 W后，预乳化液稳定性虽然最高，但乳化活性相对较低，可能是因较高的功率造成了体系中部分蛋白质变性所致，而其稳定性高可能与超声波处理能显著增加乳液黏度有关，这一点我们将在2.2.1中进行验证。

2.1.2 超声波处理对预乳化液表观稳定性的影响

图2为不同功率超声波处理后的预乳化液在静置0～36 h过程中的宏观变化情况。由图2可见，在上述观察时间内，对照组乳化体系失稳现象严重，随静置时间的延长乳析率一直持续上升。而经过超声波处理过的预乳化液在放置36 h后依然没有显著变化，未有分层的情况出现。高稳定性的预乳化液在实际生产过程中能够适应工厂批量处理原材料所需要的较长耗时，在储藏期间保证预乳化液的稳定，有利于其在与肉糜混合之后起到相应的乳化作用，从而达到保油保水的效果。因此，超声波处理能使预乳化液在长时间内保持体系的稳定以适应生产，并且仅需240 W功率的超声波处理3 min即可达到稳定的效果。

LEONG等[17]认为乳化液在静置的过程中外观没有发生明显变化，说明其分散性较低，即体系中的分散相分布较密集，因此油滴进行迁移或者布朗运动的空间相对缩小，甚至在紧密排列下会形成致密网络结构，在各种相互作用力下维持乳化体系的稳定。

图2 超声功率对预乳化液分层情况的影响

2.2 超声波处理对预乳化液乳化特性的影响机理

2.2.1 乳液黏度

超声功率对预乳化液黏度的影响如图3所示。对照组乳液在剪切速率为1 s-1时的黏度为73.72 mPa·s，随着超声功率的增加，预乳化液的初始黏度呈逐渐上升趋势，分别提高至201.91、226.62、233.41和279.56 mPa·s，均显著高于对照组。乳液黏度的变化对乳化状态的影响很大，较高的黏度有利于减缓乳滴运动维持体系稳定，这一点毋庸置疑，也证实了2.1.1中超声波处理后的预乳化液获得较高的稳定性是因为乳液黏度起了重要作用。

另外，剪切变稀的状态说明超声波处理后的乳液仍保持着假塑性[18]，并且乳滴间发生不同程度的絮凝。经分析，乳滴间的絮凝程度与乳液初始黏度应该是呈正相关的，这也从侧面证明了乳滴排列越紧密，乳液所呈现的黏度越大。

图3 超声功率对预乳化液黏度的影响

2.2.2 超声波处理对预乳化液粒径及分布的影响

超声波对预乳化液平均粒径的影响如图4所示。未经超声波处理的粗乳液其平均粒径在30 μm以上，而用超声波制备的预乳化液，其油滴平均粒径直接降低至纳米级别，变化极其显著。PONGSAWATMANIT等[19]与本研究有相似的结论，他们认为延长超声波时间或增强超声波强度，能增加分散相体积，降低液滴大小，并且这些效应与油相黏度和表面张力密切相关。但本研究中，除了功率480 W样品组粒径相对稍大一些，其他组的平均粒径均保持在530 nm左右，超声功率的变化对其影响不显著(P>0.05)，能是因为处理时间较短(3 min)，超声波强度变化给粒径所带来的差异还未凸显出来。

图4 超声功率对液滴平均粒径的影响

超声波对乳化液粒径的影响，首先是基于超声波在液体中的空化效应，换能器将电能量通过变幅杆在工具头顶部液体中产生高强度剪切力，形成高频的交变水压强，使用空腔膨胀、爆炸将分散的油滴击碎得更小。与此同时，适当的超声波处理能够使蛋白质结构展开，从而改善其溶解性、乳化性等特性。蛋白质溶解性提高，体系中可用于乳化的蛋白量相对增加，才能充分吸附在被击碎的小油滴表面形成蛋白膜，维持体系的稳定。另外，油滴粒径的减小以及蛋白质溶解度的提高，又会间接增加乳液的黏度，为乳化体系的稳定提供了另一层保障。

图5为不同功率超声波处理的预乳化液粒径分布情况。由于对照组乳化液粒径分布范围与处理组相差甚远，因此未将其列于同一图表中。由图5可见，各组预乳化液中的微粒粒径均呈单峰分布，说明油滴大小相对均一。功率240 W的处理组，粒径分布范围最宽，约为250～1 700 nm。超声功率增大至360 W，粒径分布范围变窄，缩小到400～1 000 nm，说明该功率的超声波较240 W功率更有利于粒径集中分布，使乳液中的分散相更加均匀。但是，随着超声功率进一步增大，粒径分布范围又变宽，并呈现向左移动的趋势，说明超声波功率增大，能量也变强，剧烈的扰动作用使乳液中的油滴粒径进一步被击碎，形成更小的油滴，因此粒径分布范围的下限有向左移动。但由于功率过大，强烈的扰动作用使乳滴产生很大的加速度，从而互相碰撞或与器壁碰撞，可能会造成部分界面蛋白膜遭到破坏，从而聚合形成粒径较大的油滴，粒径分布范围也相应变宽。

A-粒径分布图；B-粒径分布放大图

2.2.3 超声功率对乳化液zeta-电位的影响

超声功率对预乳化液zeta-电位的影响如图6所示。zeta-电位变化可能是由蛋白质分子重排引起的。蛋白质之所以带电，与其组成氨基酸的结构有关。极性氨基酸含有极性侧链基团，如—OH，—SH，—COOH，—NH2等，也因此易溶于水。其中，如果氨基酸R基上有羧基，则其带负电荷，有氨基则带正电荷。非极性氨基酸因其不易溶于水而多分布在蛋白质分子内部，其R基也基本是由C、H两元素组成。由图6可见，超声波处理后，蛋白质分子内的非共价键作用减弱，内部的非极性氨基酸暴露在分子表面，而带电的亲水基团在表面的分布则减少，因此净电荷量下降。随着超声功率的增加，乳化液zeta-电位绝对值呈显著减小后又有所上升的趋势，因此我们推测是超声波使蛋白质的结构发生了变化，具体变化情况我们通过拉曼光谱的测定结果来进行说明。

图6 超声功率对预乳化液zeta-电位的影响

2.2.4 超声波处理对预乳化液界面蛋白吸附量的影响

超声波对预乳化液界面蛋白吸附量的影响如图7所示。超声波处理后的预乳化液，其蛋白吸附量显著增加(P<0.05)。对照组的AP仅为31.3%，而各处理组较对照组界面蛋白吸附量增加了40%以上。随着超声功率的增加，各乳化液AP值呈先增长后降低的趋势，360 W和480 W处理组差别不大，均能够将乳化液蛋白吸附量提高至85%左右，但功率进一步提高到600 W时，蛋白吸附量又有所降低，为77.5%。但总体来说，超声波处理后有更多的蛋白质吸附到油水界面上，乳化体系中蛋白质的利用率得以大幅提升。

图7 超声功率对预乳化液蛋白吸附量的影响

超声波对乳化体系中蛋白吸附量的影响机理，可以从以下几个方面进行分析：首先，超声波作用下，空穴气泡的产生与破裂不可避免的会带来一定的热效应，乳化液整体的温度会有一定升高，而温度的升高能够促进蛋白质聚合物的解体，分散大分子蛋白颗粒数量的同时提高蛋白质与水间的相互作用，从而有利于蛋白质的溶解[20]，因此体系中可利用蛋白增多，蛋白浓度相对增加；其次，超声波处理后分散相液滴的数量大大增加，相应的油水界面面积增加，为蛋白质发挥其乳化作用，吸附到界面上来提供了更多的机率；另外，超声波使蛋白质的结构适度展开，内部疏水基团暴露，蛋白质的表面疏水性提高，加强了其在油水界面的迁移速率及吸附趋势[21]；除此之外，王中江等[5]通过结合对乳液的浊度分析，认为超声处理可部分诱导纳米乳液液滴表面蛋白聚集，因此增加了界面蛋白含量。

值得注意的是，超声功率升高到600 W时，预乳化液的蛋白吸附量有所下降。猜测可能是因为超声强度太大，剧烈的扰动作用使蛋白质的吸附作用受到破坏从而造成部分脱落，也有可能是高功率的超声波使部分蛋白质严重变性，因此其功能特性受到影响无法发挥作用。但是，高志明[22]的研究发现添加磷脂酰胆碱可增加超声处理制备的油体蛋白在油水界面的吸附量。

2.2.5 超声功率对拉曼光谱的影响

通过分析拉曼光谱图的频率和强度，我们可以得出信息以反映预乳化液中蛋白质构象变化。不同超声功率处理后的预乳化液在波数600～1 800 cm-1范围内的拉曼光谱扫描结果如图8所示。其中1 200～1 350 cm-1称为酰胺Ⅲ带，N—H面内弯曲振动和C—N伸缩振动的主要区域；1 400～1 550 cm-1是C—H的伸缩振动区域，即酰胺Ⅱ带；1 600～1 700 cm-1是酰胺Ⅰ带，是分析蛋白质二级结构最常用、也最可靠的谱带区间，主要是C—O和C—N 2种官能团的伸缩振动[23]。由偏移堆积图可以看出，超声波处理对预乳化液拉曼光谱的出峰位置基本没有影响，但是每组样品在各区域的震动强度发生了明显的变化。随着超声功率的增加，各组样品的拉曼强度呈先增长后下降的趋势，在功率为360 W处理组时峰值达到最高，说明超声波处理及其功率的变化对乳化层蛋白质的结构产生了一定的影响，从而进一步影响整个乳化体系的相关特性。

A-拉曼光谱图；B-偏移堆积图

拉曼光谱酰胺Ι带中的α-螺旋、β-折叠、β-转角以及无规则卷曲4种二级结构的波数划分区间如表1所示[24]，参照Alix对各二级结构具体含量的计算方法得到的结果如图9。对照组经计算得出，其α-螺旋结构含量为74.51%，β-折叠结构含量为7.25%，β-转角结构含量为2.38%，无规则卷曲结构含量为15.86%。随着超声波处理功率的增加，各组α-螺旋结构逐渐减少，β-折叠与无规则卷曲结构则呈逐渐增多的趋势，说明在超声波的作用下，解螺旋后的蛋白链发生了向其他二级结构的转化，且超声功率越大，对蛋白质α-螺旋结构的破坏就越多。而蛋白质结构的变化，可能有利于蛋白快速迁移到油脂表面，并因为疏水基团及巯基等的暴露形成更加坚实的疏水相互作用或共价键，从而有利于界面的稳定[25]。比如，就有研究表明，β-折叠结构与乳化液维持自身稳定性有关，其含量越多，乳化体系越趋于稳定，这与本文的研究结果也是一致的。

表1 蛋白质二级结构拉曼光谱频率及归属

图9 超声功率对预乳化液蛋白二级结构含量的影响

3 结论

超声波处理能够显著增加预乳化液的乳化活性及稳定性(P<0.05)。随着超声功率的增加，乳化活性呈先增长后降低的趋势，并360 W时达到最大值，且各超声处理组的乳化液在36 h内均未发生分层现象。

不同超声波功率对预乳化液相关特性的变化的影响如下：随着超声功率的升高，预乳化液的初始黏度显著增加，可高达对照组黏度值的3～4倍。超声波的空化作用使油滴进一步被击碎，乳液液滴的平均粒径直接从对照组的微米级降低至纳米级，粒径分布范围变窄。其中，除480 W样品组粒径稍大，其他处理组之间差异不显著(P>0.05)。超声功率的增加使各组乳液界面蛋白吸附量呈先增长后降低的趋势，并在360 W和480 W时达到最大值，蛋白质的利用率大大提高。而蛋白吸附量的显著提高可能与超声波处理后蛋白质结构的变化有关：拉曼光谱的测定结果表明，随着超声功率的增加，乳液中所含的α-螺旋结构可能越来越多的转变为无规则卷曲，柔性的增加有利于其在油水界面的吸附。同时，蛋白结构的变化也导致了zeta-电位的变化，随着超声功率的增加，预乳化液所带净电荷量有减少的趋势，但当功率达到360 W后电荷量趋于稳定。