高、低酰基结冷胶的乳化活性及稳定性

孟岳成，李朱承，徐雪姣，张 帆，房 升，李延华，陈 杰

（浙江工商大学食品与生物工程学院 杭州310018）

很多食品在加工过程中以乳液的形式存在，乳液具有改变食品风味和延长食品稳定性等优点[1]。然而，乳液随着时间的增长发生絮凝、沉降、分层、聚结等变化，这不仅会缩短食品的货架期，而且严重影响食品风味[2-4]。为使乳液稳定，通常会向体系中加入乳化剂，乳化剂通过吸附在油水界面上降低界面张力，提供动力学稳定性[5]。常用的天然乳化剂分为蛋白质和多糖两大类，蛋白质类乳化剂由于来源广、乳化性能好而广泛应用于食品工业中[6]。然而，蛋白质类乳化剂受体系的pH值、离子强度和温度等因素限制了乳化能力，而多糖类乳化剂受这些因素的影响很小[7]。陈小松等[8]发现甜菜果胶乳液相比于乳清蛋白乳液而言，对温度、pH、离子强度等不敏感。Chanamai 等[9]发现相比于乳清蛋白，阿拉伯胶在高温环境中更稳定。

结冷胶作为一种新型微生物胞外多糖，在较少的添加量下就能达到较好的悬浮效果，且不依赖于很高的黏度，在酸性、高温条件下均表现出良好的稳定性能，近年来受到广泛关注[10-11]。结冷胶是由伊乐藻少动鞘脂单胞菌（Sphingomonas elodea）产生的一种线性阴离子多糖，其主链结构是由 （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-鼠李糖组成的四糖重复单元[12]。目前国内外关于结冷胶乳化特性的相关文献较少，且制备方法主要以高压均质法为主。如：郑梅霞等[13]比较了高酰基结冷胶在有机相和油相中的乳化性能，发现其对二甲苯没有乳化能力，而对花生油的乳化能力达50%左右。Vilela 等[14]利用高压均质法制备高酰基结冷胶乳液并对其乳化特性进行研究，发现添加质量分数为0.05%的高酰基结冷胶足以让乳液稳定。相比于高压均质乳化法，超声乳化法不仅能起到减小乳液粒径以及降低乳液分散性的作用，还具有清洁高效、低耗能、低添加和操控灵活等应用优势。

本文采用超声乳化法制备高酰基和低酰基结冷胶乳液。以阿拉伯胶为对照，分析其乳化特性，研究胶体类型、胶体浓度、贮藏条件对乳液乳化特性（外观变化、平均粒径、粒径分布、界面张力、Zeta-电位）的影响，为其应用开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高酰基结冷胶、低酰基结冷胶（HA、LA，食品级），美国CP-Kelco 公司；阿拉伯胶（GA，食品级），法国Nexira 公司；中链甘油酸酯（MCT，食品级），上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Marlvern 2000 激光粒度仪，英国马尔文仪器公司；Zetasizer Nano ZS 激光粒度仪，英国马尔文仪器公司；光学接触角测量仪，法国Attension Theta 公司；超声波细胞破碎仪，宁波新芝生物科技公司；UV/UF 系列超纯水系统，美国Thermo Scientific Barnstead 公司；Feb-85 数显恒温磁力搅拌器，江苏省金坛市江南仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 乳化剂溶液的配制 将一定量的HA、LA 粉末直接与纯水混合配制不同质量分数 （0.050%，0.100%，0.150%，0.175%，0.200%）的溶液作为水相，在磁力搅拌器加热（HA：70 ℃；LA：80 ℃）搅拌2 h，静置过夜。将一定量GA 粉末与纯水混合配制不同质量分数（1%，5%，10%，15%，20%）的溶液，在磁力搅拌器常温搅拌4 h，静置过夜。

1.3.2 乳液制备工艺 取不同浓度乳化剂溶液与MCT 混合，以MCT 为油相，质量分数为10%，将两相混合均匀后用高速分散器在转速18 000 r/min 下剪切8 min，将所得粗乳液置于超声波破碎仪，固定探头位置为乳液中心，于超声功率450 W条件下处理8 min，工作间歇时间为5 s，最终得到超声制备乳液[15]。

1.3.3 乳液外观观察 取制备新鲜的乳液10 mL左右装入玻璃比色管中，放置在室温（25 ℃±2 ℃），正常光照环境中，并拍摄图像。

1.3.4 乳液粒径测定 利用Marlven 2000 激光粒度仪测定乳液平均粒径及粒径分布，利用激光动态光散射原理来测量不同粒径大小颗粒对光的吸收情况以获得体系粒径信息。平均粒径和粒径分布表示样品颗粒平均直径及分布情况。考虑到HA 对乳液影响方式之一是增加液滴表面积，本研究平均粒径结果统一采用d（3，2），即表面积平均粒径，作为研究参数[16-17]。其条件为：温度25 ℃；泵速2 000 r/min；颗粒折射率（RI）为1.500；颗粒吸收率（Absorption）为0；分散剂为水；分散折射率1.330，每个样品平行测定3 次。

1.3.5 乳液ζ-电位测定 利用Nano-ZS 激光粒度及电位滴定分析仪对乳液ζ-电位 （Zeta 电位）进行测定。为降低多重光散射效应，测定前需将样品稀释200 倍，温度25 ℃，平恒时间120 s，每个样品平行测定3 次。

1.3.6 乳液界面张力测定 界面张力由Attension Theta 光学接触角测量仪测量。系统装置由控制单元、光学成像系统和电脑组成。利用连在注射器上的针头滴出液滴，通过CCD 高速摄像系统采集液滴轮廓的变化情况，将图像信息通过视频检测器传到工作站中在线分析。利用Laplace 方程进行计算所得：

式中：ΔP——液面压强差；γ——液体表面张力系数；R1、R2——分别为两个平面的曲率半径。

1.3.7 乳液贮藏试验 将HA、LA、GA 乳液置于室温 （25 ℃±2.5 ℃）和高温（60 ℃）环境下保存20 d，每隔5 d 取样，测定样品平均粒径并采集图像。通过粒径大小变化和外观来研究乳液稳定性。

1.3.8 数据统计与处理 所有试验均重复3 次，取平均值，利用SPSS 19.0 软件进行F 检验及方差分析，采用Duncan 分析法 （P＜0.05）对结果进行显著性分析。采用Origin 8 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 HA、LA、GA 对乳液粒径的影响

分别利用HA、LA、GA 3 种乳化剂，超声制备不同浓度的O/W 乳液，研究乳化剂种类和乳化剂浓度对平均粒径和粒径分布的影响，结果如图1所示。从微观图来看，在乳化剂的浓度较低时乳液颗粒较大且有絮凝现象，这是因为乳化剂含量低，不足以完全覆盖油滴表面，因此部分胶体分子同时附着在多个粒子上，颗粒表面发生桥联絮凝[17]。随着乳化剂浓度增大，HA 和GA 乳液颗粒变小且分散均匀。LA 乳液颗粒虽然变小，但相对于HA和GA 来讲还是偏大，并且部分区域出现絮凝现象。从图1a、b、c 可见，随着乳化剂的浓度增大，平均粒径逐渐变小，当HA 和GA 的质量分数达到0.175%和15%时，平均粒径达到最小值，说明该浓度为最适浓度。这是由于在此浓度下，存在足够的胶体分子，使油滴基本上被胶体全部覆盖且胶体使空间稳定，阻碍颗粒聚集；另外结冷胶在最佳浓度下，在水相中形成较为稳定的三维网络结构导致乳液中颗粒较小或不产生絮凝反应。一旦乳化剂浓度超过最适浓度，HA 和GA 乳液颗粒的粒径反而会变大，这是因为油滴的吸附量达到了饱和，过量的HA 和GA 会导致部分油滴发生聚集。而LA 乳液的平均粒径一直随着浓度的增加而减小，但是相比于HA 和GA，其整体的平均粒径都是偏大的，一方面由于LA 酰基含量低，相对分子质量较小，黏度也较低，无法制得较为稳定的乳液；另一方面，缺少亲油基团（乙酰基）导致乳化性能差[18]。从图1d、e、f 可见，随着浓度的增加，图谱峰宽度变窄，粒径变小。与平均粒径一样，HA 和GA 存在一个峰值，在最适浓度下，图谱峰宽度最窄。这说明低添加量HA 的乳化性能高于高添加量的GA。LA 乳化性能最差。

图1 HA、GA、LA 质量分数对乳液平均粒径（a）、（b）、（c）和粒径分布（d）、（e）、（f）的影响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 对乳液电位的影响

Zeta 电位主要是用来表征体系的带电情况。带电量情况可通过影响分子间的静电斥力来影响乳液体系的稳定性。Henry[19]方程描述了在施加电场下，Zeta 电位与带电粒子电泳迁移率UE间的关系：

式中：ζ——体系ζ-电位，mV；η——分散体系黏度，Pa·s；ε——分散体系介电常数；f（ka）——Henry 函数。乳液电位绝对值越大，颗粒之间的静电相互作用则越强，乳液稳定性较好，这与张芬芬等[20]发现结果一致。如图2所示，LA 的电位值在-40 mV 至-25 mV 之间，HA 的电位值在-60 mV至-50 mV 之间，GA 的电位值在-49 mV 至-43 mV 之间。从整体来看，LA 乳液的电位绝对值一直较低，呈现不稳定状态。由于LA 酰基含量较低，相对分子质量小，体系黏度低，无法有效阻止乳液颗粒因相互碰撞而聚集，静电斥力小，导致ζ-电位绝对值较低。

随着浓度的增加，GA 和LA 乳液静电相互作用变强，乳液颗粒间静电斥力变大，电位绝对值变大。HA 和油滴表面发生作用，其带有的大量电荷有助于颗粒之间形成静电排斥作用，形成带电稳定层，从而降低范德华力，抑制脂滴的聚集，增强乳液的稳定性[21-22]。且随着浓度的增加，HA 乳液电位绝对值先上升后下降，这与HA 乳液不同浓度粒径变化规律相一致。从图2a 中可以看出HA 乳液电位绝对值达到最大时其质量分数为0.175%，此浓度下HA 乳液最为稳定。

图2 质量分数对HA （a）、LA （a）、GA （b）乳液电位的影响Fig.2 Effect of concentration on the ξ-potential in the HA（a），LA（a），GA（b）-stabilized emulsion

2.3 HA、LA、GA 对界面张力的影响

乳液体系的界面特性是乳化剂的乳化能力的重要标准之一[23]。因此测量了不同浓度的HA、LA、GA 乳液界面张力，测量结果如图3所示。对于这3 种胶体来讲，乳液的界面张力都是随着胶体浓度的增大而变小。这是因为吸附在油滴界面上的亲水胶体乳化剂能够包裹油滴形成吸附层，从而降低体系的界面张力，扩大乳液液滴的表面积，产生界面张力梯度以减少乳液颗粒的聚集[24]。但是不同乳化剂降低界面张力的能力有明显的差异，HA 和GA 的界面张力（约49 mN/m）在浓度较高的条件下较为接近。另一方面，在乳化剂浓度较高时，LA 乳液的界面张力依旧很高 （约52 mN/m），说明LA 对降低界面张力的效果较差。有文献报道，比起蛋白质类乳化剂，多糖在降低乳液的界面张力方面效果较差，因为多糖无法防止非极性基团与水相的接触[23，25]。

总而言之，通过测试表明，HA 和GA 具有相似的界面特性，在降低油水界面张力方面HA＞GA＞LA。

2.4 HA、LA、GA 乳液贮藏稳定性

图3 浓度对HA、LA、GA 乳液界面张力的影响Fig.3 Effect of concentration on the surface tension in the HA，LA，GA-stabilized emulsion

乳液的稳定性是影响产品货架期的主要因素之一。另外通过稳定性可以判断不同乳化剂稳定乳液的效果，因此本研究对比了HA、GA 在室温（25 ℃±2.5 ℃）下制备的乳液贮藏稳定性，由于LA 乳液制备当天出现分层所以不加入对比。同时，为快速比较HA 与GA 乳化稳定性，选择最适质量分数 （HA 0.175%，GA 15.0%）在高温（60℃）下进行加速试验。

如图4所示，所有的乳液外观都是均匀的乳白色，经过10 d 的贮藏，质量分数为0.050%的HA 乳液上层出现了明显的白色油状物，这是由于HA 浓度较低，不能完全包裹油滴，乳液颗粒之间易发生絮凝，引起乳液的不稳定。而其它浓度HA乳液在整个20 d 贮藏期内仅有质量分数为0.100%的乳液在20 d 时发生不明显分层，其它浓度均无分层现象发生。其原因是高浓度下的HA 黏度相对于GA 较高，提供了液滴分散阻力使乳液油滴之间的迁移、碰撞情况减少，另外在此浓度时，油滴被胶体全部覆盖，增大了乳液液滴的表面积，防止了液滴的聚集，而对于GA 乳液，在1.0%和5.0%两个较低质量分数时，于15 d 开始出现分层，在微观图中可知此浓度下的GA 颗粒较大，分散性差，易发生絮凝。在20 d 时，较高浓度的GA乳液也开始出现不同程度的分层。所以HA 的乳化稳定性高于GA。

图4 HA（a）、GA（b）乳液在贮藏期的外观变化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 ℃高温均使HA、GA 乳液粒径变化增大，HA 对高温适应性相对于GA 稍差，但HA 乳液在常温和60 ℃下平均粒径变化率为（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，稳定性更好。同时由图5也可以看出，HA 与GA 乳液在20 d 贮藏期内，平均粒径随贮藏时间的增加而增加，但两者变化量均不大，对高温的抵抗性也较好，而从整体来看，HA 乳液的粒径变化小于GA 乳液，表明HA 乳液稳定性更佳。

3 结论

研究了高、低酰基结冷胶的乳化特性，结果表明：随着结冷胶浓度的增加，高酰基结冷胶乳液平均粒径和界面张力逐渐变小，Zeta-电位值变高至稳定。而低酰基结冷胶乳液整体粒径和界面张力偏大，Zeta-电位值较低，乳液体系不稳定。当HA质量分数为0.175%时乳化活性最高，而LA 整体浓度乳化效果差。

表1 HA、GA 乳液在常温（25 ℃±2.5 ℃）和高温（60 ℃）下20 d 粒径变化情况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

图5 不同时间HA（a）和GA（b）乳液在常温（25 ℃±2.5 ℃）和高温（60 ℃）下粒径变化情况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

贮藏试验结果显示，当HA 质量分数小于等于0.100%，GA 质量分数小于等于10.0%时，乳液于20 d 发生不同程度分层，表现出不稳定性。LA乳液均于当日分层，不具有良好的稳定性。对比HA 和GA 在25 ℃和60 ℃下的贮藏结果，HA 乳液在两种条件下粒径变化率均小于GA 乳液。综上所述，相比于GA，HA 整体具有良好乳化活性和稳定性，而LA 整体不具有良好的乳化活性和稳定性。