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胡椒油树脂乳液的制备

2021-05-19陈星星宋丽谷风林吴桂苹陶锐

热带作物学报 2021年3期

陈星星 宋丽 谷风林 吴桂苹 陶锐

摘  要:胡椒油树脂具有粘度大、色泽深、易结晶、不溶于水等缺点,限制了其工业化生产及应用。为解决胡椒油树脂的应用问题,本文选择单甘酯与蔗糖酯为乳化剂、阿拉伯胶为增稠剂,研究单甘酯与蔗糖酯的比例、乳化剂添加量、阿拉伯胶添加量、胡椒油树脂与去离子水的比例对胡椒油树脂乳化性及乳液稳定性的影响,并通过正交实验优化胡椒油树脂的乳化条件。得到的最优乳化条件为:单甘酯与蔗糖酯比例3∶7、乳化剂添加量2%、阿拉伯胶添加量4%、油水比例1∶8。在此條件下,乳液不分层且流动性较好,乳液稳定性达95%。本研究对胡椒油树脂进行乳化,有利于提高胡椒油树脂的稳定性,扩大其应用范围,促进胡椒产品由初级加工向高附加值精深加工转变。

关键词:胡椒油树脂;乳化活性指数;乳液稳定指数;乳液稳定性;正交实验

中图分类号:Q949.732.3      文献标识码:A

Preparation of Pepper Oleoresin Emulsion

CHEN Xingxing1,2, SONG Li2,3, GU Fenglin2,4,5*, WU Guiping2,4,5, TAO Rui6

1. College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei 430070, China; 2. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Science, Wanning, Hainan 571533, China; 3. School of Liquor and Food Engineering, Guizhou University / Guizhou Province Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Processing and Storage, Guiyang, Guizhou 550025, China; 4. National Center of Important Tropical Crops Engineering and Technology Research, Wanning, Hainan 571533, China; 5. Hainan Provincial Engineering Research Center of Tropical Spice and Beverage Crops, Wanning, Hainan 571533, China; 6. Hainan Haiken Pepper Industry Co., Ltd, Haikou, Hainan 571100, China

Abstract: Due to high viscosity, deep color, easily crystallize, insoluble in water and other shortcomings, pepper oleoresin is of inconvenience to the industrial production and application. In order to emulsify the pepper oleoresin for solving the problems, Glyceryl Monostearate (GM) and sucrose esters (SE) were selected as the emulsifiers and gum arabic (GA) as the thickener in this paper. The effects of the ratio of GM to SE, the amount of emulsifier, the amount of GA, the ratio of pepper oleoresin to water on the emulsifying activity index (EAI), emulsion stability index (ESI) and emulsion stability were studied. In addition, the emulsification of pepper oleoresin was optimized by the orthogonal

experiment. The optimal emulsification conditions were as follows: the ratio of GM to SE 3∶7, the amount of emulsi

fier 2%, the amount of GA 4%, and the ratio of pepper oleoresin to water was 1∶8. Under the conditions, the emulsion

was not layered and had good fluidity, and the emulsion stability could reach 95%. The emulsification of pepper oleoresin in this study is helpful to improve the stability of pepper oleoresin, expand its scope of application, and promote the transformation of pepper products from primary processing to high value-added deep processing.

Keywords: pepper oleoresin; EAI; ESI; emulsion stability; orthogonal test

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.03.034

胡椒油树脂(pepper oleoresin)是指采用有机溶剂将胡椒中的风味活性物质提取出来,然后将有机溶剂除去后得到的粘稠、颜色较深的膏状物。胡椒油树脂将胡椒中全部有效成分完整的提取出来,是一种高浓缩产物,其中既包含了胡椒中的挥发性成分——胡椒挥发油,还包含一些不挥发的脂肪、色素、胡椒碱和其他溶于有机溶剂的物质[1],其中不挥发性成分不仅能够起到逼真的呈香作用,而且对挥发油也起到了天然的定香作用,具有浓烈逼真的香味,能够最大限度的保持香辛料的风味[2]。胡椒油树脂被中华人民共和国卫生部批准为一种食品添加剂(FEMA∶ 2846、2852)(中华人民共和国卫生部公告2003年 第4号)。

胡椒油树脂具有以下优点:风味接近胡椒原料;香味浓郁,可以均匀分布在调味品、饮品中,少量使用即可达到增香调味的目的;避免胡椒颗粒及残渣对口感的影响,提高食用性;具有抗腐蚀的功能,不易氧化降解,风味损失较慢,货架期长,稳定且耐储藏[3-4]。鉴于胡椒油树脂的诸多优点,在食品行业中,人们逐渐用胡椒油树脂代替胡椒粉和胡椒粒等初级加工产品。

但胡椒油树脂粘稠且流动性太差,易结晶,不易计量称重,在水中几乎不溶,将装有胡椒油树脂的烧瓶放置在60~70 ℃水中仍需要15~20 min才能由固态转为流动态,温度一旦降低,油树脂马上由液态转变为固态且出现大量结晶。将胡椒油树脂溶于有机溶剂乙醇需要经过超声处理或加热处理,溶于乙醇后静置片刻又出现粒状沉淀[5]。油树脂的这些特性大大降低了其利用率,但目前研究多集中在油树脂的提取方面,针对油树脂的后续加工利用的研究则较少。

乳液是指一种或几种液体以液滴的形式分散在与之不相溶的另一种或者几种液体中组成的分散体系[6]。乳液通常由两相组成,水相是指水溶液或水,油相是指一切与水互不相溶的有機液体,乳化剂添加到油水混合液中,在混合液中紧密排列,亲水相面向水相,疏水相面向油相,在外力搅拌的作用下迅速降低油水界面的表面张力,形成均一稳定的乳液[7]。选择合适的乳化剂是制备乳液的重要决策之一[8]。乳化剂在乳液形成过程中起着不可或缺的作用,即促进乳液的形成及乳液的稳定性[9]。单硬脂酸甘油酯简称单甘酯(glyceryl monostearate,GM),是含有C16和C18的长链脂肪酸油脂与甘油反应而制得,是一种非离子型的表面活性剂[10]。蔗糖脂肪酸酯简称蔗糖酯(sucrose esters,SE),是蔗糖与正羧酸反应生成的一大类有机化合物的总称[11]。单甘酯与蔗糖酯是食品中常见的乳化剂,将乳化剂组合使用比单独使用可以显著改善乳液的形成、稳定性和功能特性[12]。

本研究选择单甘酯和蔗糖酯作为乳化剂,选择食品中常见的增稠剂(明胶、果胶、琼脂、黄原胶、阿拉伯胶),研究单甘酯与蔗糖酯比例、乳化剂添加量、增稠剂添加量、胡椒油树脂与去离子水的比例对胡椒油树脂乳液形成的影响,并通过正交实验优化乳化的工艺,目的是制得状态均一、有较好的稳定性且流动性良好的胡椒油树脂乳液。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  材料与试剂  黑胡椒油树脂,来自中国热带农业科学院香料饮料研究所。

分子蒸馏单甘酯(食品级)、蔗糖酯(食品级)、明胶(食品级)、琼脂(食品级)、果胶(食品级)、黄原胶(食品级)、阿拉伯胶(食品级)、食用酒精(食品级),河南万邦实业有限公司;十二烷基硫酸钠(化学纯),西陇化工股份有限公司。

1.1.2  仪器与设备   AL04电子天平,上海梅特勒-托利多仪器有限公司;SY11型电热恒温水浴锅,常州恒隆仪器有限公司;Z36HK全能台式高速冷冻离心机,德国Hermle公司;Specord250plus紫外分光光度计,德国Analyticjena公司;UVF全自动超纯水系统,上海和泰仪器有限公司;FJ200高速分散均质机,沧州科兴仪器设备有限公司;FRQ-1008HT小型超声波清洗机,杭州法兰特超声波科技有限公司。

1.2  方法

1.2.1  胡椒油树脂乳液的制备  从胡椒中提取到的胡椒油树脂流动性较差,不利于后续乳化,为便于胡椒油树脂的使用,先将胡椒油树脂用少量食用酒精稀释,超声处理一定时间使之充分溶解后,制成50%(W/V)油树脂乙醇溶液,溶液含有少量颗粒状或树脂状沉淀,使用前要充分摇匀。为简化工业化生产胡椒油树脂乳液的步骤,按胡椒油树脂与去离子水的比例称取一定质量的水,以胡椒油树脂为参照,在水中加入一定浓度的乳化剂、增稠剂,60~70 ℃水浴锅中搅拌使之充分溶解。冷却至室温后胡椒油树脂乙醇溶液倒入水中,搅拌均匀后,12000 r/min下乳化均质3 min使之形成均匀分散的胡椒油树脂乳液。

1.2.2  确定乳化剂的比例  在乳化剂添加量为油树脂的3%、阿拉伯胶添加量为油树脂3%、油水比为1∶10的条件下,考察乳化剂比例对乳液的影响。乳化剂选择单甘酯与蔗糖酯,单甘酯与蔗糖酯的比例为0∶10、1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1、10∶0时,通过比较其乳化活性指数(Emulsifying activity index,EAI)和乳液稳定指数(Emulsion stability index,ESI)、乳液稳定性来确定最佳的乳化剂比例。其中单甘酯与蔗糖酯比例为0∶10表示单独添加蔗糖酯,单甘酯与蔗糖酯比例为10∶0表示单独添加单甘酯。

1.2.3  确定乳化剂的添加量  在单甘酯与蔗糖酯的比例为3∶7、油水比为1∶10、阿拉伯胶添加量为油树脂3%的条件下,考察乳化剂添加量对乳液的影响。乳化剂的添加量为油树脂的1%、2%、3%、4%、5%、6%,通过比较其EAI、ESI、乳液稳定性来确定乳化剂的最佳添加量。

1.2.4  确定合适的增稠剂  选择常见的食品添加剂,明胶、果胶、琼脂、黄原胶、阿拉伯胶,考察不同增稠剂对乳化体系的稳定效果。在单甘酯与蔗糖酯的比例为3∶7、乳化剂添加量为油树脂的3%,油水比为1∶10的条件下,分别加入不同浓度的上述增稠剂,即油树脂量的1、2、3%,通过比较乳液稳定性选出适宜增稠剂。

1.2.5  增稠剂最佳添加量的确定  在确定增稠剂种类基础之上,在单甘酯与蔗糖酯的比例为3∶7、油水比为1∶10、乳化剂添加量为油树脂的3%的条件下,分别加入不同浓度的最佳增稠剂,即油树脂量的1、2、3、4、5、6 %添加到乳液中,通过比较其EAI、ESI、乳液稳定性来确定增稠剂的最佳添加量。

1.2.6  确定合适的油水比  在单甘酯与蔗糖酯的比例为3∶7、乳化剂添加量为油树脂的3%、阿拉伯胶添加量为油树脂3%的条件下,考察油水比对乳液的影响。胡椒油树脂与去离子水的比例为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12时,通过比较其EAI、ESI、乳液稳定性来确定最佳的乳化剂比例。

1.2.7  正交试验  选择单甘酯与蔗糖酯比例、乳化剂添加量、阿拉伯胶添加量、油水比进行四因素三水平正交试验L9(34),以乳液稳定性为指标,以确定最佳复配条件。

1.2.8  乳液乳化性的测定方法  乳液乳化性包括EAI和ESI,参考孙禹凡等的方法进行测定[13]。取l mL均质的乳液置于100 mL容量瓶中并用0.1% SDS溶液定容,摇匀后立即于500 nm下测其吸光度A0,静置30 min后取1 ml乳液按上法稀释,测其在500 nm下的吸光度A30。按下列公式(1)计算EAI。静置30 min 后测定吸光度,按公式(2)计算ESI。

(1)

(2)

其中,N为稀释倍数(100);C为乳液形成前乳化剂浓度(g/mL);φ为乳液中油相体积分数(%);A0为0 min 时的吸光度值;A30为30 min时的吸光度值;t30–t0为时间差30 min。

1.2.9  乳液稳定性的评价方法  将均质后的乳液倒入带有刻度的50 mL离心管中,在离心机转速为3000 r/min下离心15 min,取出后观察乳液的分层情况,按公式(3)计算乳液稳定性。

(3)

2  结果与分析

2.1  确定乳化剂的比例

2.1.1  乳化剂的比例对乳化性的影响  由图1可知,与单独添加单甘酯或蔗糖酯相比,单甘酯与蔗糖酯复配使用制备乳液可明显提高其乳化特性。并且,随着单甘酯添加量的增加,胡椒油树脂乳液的乳化性呈先升高后降低的趋势,当单甘酯与蔗糖酯的比例为3∶7时,乳液的EAI和ESI均最高,分别为6.97 m2/g、147.90 min,單独添加单甘酯时EAI和ESI分别为4.29 m2/g、72.65 min,单独添加蔗糖酯时EAI和ESI分别为3.94 m2/g、102.04 min。

单甘酯与蔗糖酯复配比为3∶7时的EAI与ESI大于单独添加单甘酯或蔗糖酯,原因可能是因为蔗糖酯的亲水基团为环状的蔗糖基,单甘酯的亲水基团为线性的甘油基,环状和线性的亲水基团与水相互作用时产生构象互补,当单甘酯与蔗糖酯复配时,互补效应增大,降低界面张力的作用增强,因此将单甘酯与蔗糖酯复配更有利于胡椒油树脂乳液的形成[14]。

与单甘酯相比,蔗糖酯对胡椒油树脂乳液的乳化性影响更大,可能是因为蔗糖酯分子结构中含有较多的亲水基团,亲水性高于单甘酯,能更有效结合乳液中的水,进一步降低油水界面的表面张力[15];但蔗糖酯相对比例过大,乳化剂分子就会在乳液内部聚集,构成亲油基向内,亲水基向外的球状胶束,导致蔗糖酯相对比例过大反而降低乳液的乳化性[16]。

2.1.2  乳化剂的比例对乳液稳定性的影响  由图2可知,随着单甘酯与蔗糖酯比例的增加,乳液稳定性呈先升高后降低的趋势,单甘酯与蔗糖酯的比例为3∶7时,亲水基团构象互补达到最佳,乳液稳定性最高,可达到88.11%。单独添加单甘酯乳液稳定性最低,仅为28.65%,单独添加蔗糖酯乳液稳定性为57.29%。说明单甘酯与蔗糖酯配合使用可以显著提高乳液稳定性,且蔗糖酯贡献更大。

随着乳化剂中单甘酯和蔗糖酯的复配比例增加,乳化剂迅速吸附在油水界面上,在一定范围内乳液稳定性增大,当复配比例大于3∶7时,蔗糖酯相对比例减少,降低表面张力的能力下降,减少了界面粘弹性,促使乳液中油脂粒子聚结速度加快,在离心力的作用下向下沉降,形成沉淀,乳液稳定性降低[17]。

2.2  确定乳化剂的添加量

2.2.1  乳化剂添加量对乳化性的影响  由图3可以看出,随着乳化剂添加量的增多,乳液的EAI和ESI先上升后下降。在乳化剂添加量为油树脂用量3%时达到最大,分别为8.19 m2/g、146.45 min。乳化剂添加量小于3%时,增加乳化剂的添加量,EAI和ESI缓慢上升,是因为乳化剂的浓度越大,表面张力随乳化剂浓度增加而迅速减小,吸附到油水界面的乳化剂分子越多,形成的界面膜强度越大,增强了乳液的乳化性[18]。

乳化剂添加量大于3%,乳液EAI和ESI下降,当乳化剂浓度上升到一定程度时,每50到200个乳化剂分子彼此靠在一起形成聚集团,称为胶束,此时胶束的形成是可逆的。随着乳化剂浓度的继续增加,能形成稳定胶束的乳化剂最低浓度称为临界胶束浓度(CMC)。胶束的形成有利于乳化性的提高,但乳化液达到临界胶束浓度后,油水界面上的乳化剂不随浓度增加而增多,以至乳化活性(EAI)和乳化稳定性(ESI)不再升高[19],且在食品行业中添加过量的乳化剂不利于人体健康。

2.2.2  乳化剂添加量对乳液稳定性的影响  由图4可以看出,随着乳化剂添加量的增多乳液稳定性先增加后减小,乳化剂添加量为3%时乳液稳定性最好,可达到82.31%。乳化剂添加量小于3%时,随着乳化剂浓度的增加,乳液稳定性随之增加,继续增加乳化剂添加量,其乳液稳定性显著降低,因为乳化剂浓度在油水界面上已经达到饱和,继续增加浓度,稳定性反而下降。实验中当乳化剂添加量大于3%后,均质后乳液经离心后可出现白色沉淀,推测其可能为已饱和的乳化剂[15]。

2.3  确定合适的增稠剂

乳液中添加增稠剂可以提高乳液稳定性,原理在于:增稠剂可以增大乳液粘度,使液滴在运动过程中受到的阻力增大,减慢了粒子的相互碰撞,从而达到维持乳液稳定性的作用[20]。但乳液的粘度并不是越大越好,乳液粘度过大不利于乳液的流动。所以为了提高乳液的稳定性且保证乳液流动性,需要选择合适的增稠剂。

由图5可以看出,对于同一种增稠剂,随着添加量的增多,乳液稳定性也随之增大。在明胶、果胶、琼脂、黄原胶、阿拉伯胶几种常见食品增稠剂中,阿拉伯胶对于提高乳液稳定性所起的作用最大,黄原胶次之。乳液中添加明胶、果胶、琼脂乳液稳定性最低。实验过程中发现,乳液中添加增稠剂明胶、果胶、琼脂,经均质后乳液立即出现絮凝且分层。添加黄原胶和阿拉伯胶的乳液经均质后没有出现絮凝和分层,离心机离心之后出现分层。综上本研究选择阿拉伯胶作为增稠剂添加到胡椒油树脂乳液中。

2.4  增稠剂最佳添加量的确定

2.4.1  阿拉伯胶添加量对乳化性的影响  由图6可以看出,随着阿拉伯胶添加量的增多,EAI和ESI均呈先增加后趋于稳定的趋势。阿拉伯胶添加量为1%时,乳液EAI和ESI仅为3.94 m2/g、61.17 min,增稠剂用量太少,不能起到稳定乳液的作用。阿拉伯胶添加量为6%时,乳液EAI和ESI最高,分别为8.34 m2/g、145.69 min,与阿拉伯胶添加量为5%时无显著差异(P>0.05)。

2.4.2  阿拉伯胶添加量对乳液稳定性的影响  由图7可知,随着阿拉伯胶添加量的增多,乳液稳定性呈先增加后趋于稳定的趋势。阿拉伯胶添加量为4%,乳液稳定性为91.75%,阿拉伯胶添加量为5%时,乳液稳定性达到最大96.88%。阿拉伯胶添加量越多,乳液粘度越大,液滴之间絮凝的速度越慢,分散相液滴运动的速度越慢,越有利于乳液的稳定。阿拉伯胶添加量大于5%时乳液粘度过大,乳液结块严重,流动性较差。在实验中,在12000 r/min下乳化均质3 min未能将乳液均质完全,故增加均质时间为5 min,但此时形成的乳液仍存在结块严重的问题。

2.5  确定合适的油水比

2.5.1  油水比对乳化性的影响  由图8可以看出,当胡椒油树脂与水的比例从1∶6变化到1∶14时,乳液的EAI和ESI逐渐下降。油水比越小,乳液体系中油树脂所占份额越大,乳化剂和增稠剂在水中所占份额越大,乳液过于粘稠,吸光度值大,EAI和ESI值大;油水比越大,乳液体系中水占份额越大,乳液吸光度越小,EAI和ESI小。

2.5.2  油水比对乳液稳定性的影响  由图9可得,油水比为1∶8时乳液稳定性最高,为81%,与油水比为1∶6时差异不显著(P>0.05)。油水比大于1∶8,乳液稳定性下降,在油水比为1∶14时乳液稳定性最低为45.74%。在实验中,胡椒油树脂与水的比例小于1∶8时,乳液中乳化剂和增稠剂浓度相对较大,乳液稳定性较高但粘度过大,乳液存在结块现象,流动性较差。油水比大于1∶12时乳液中乳化剂和增稠剂浓度相对较低,无法对胡椒油树脂进行乳化,经均质后即可观察到絮凝。

2.6  正交实验结果及分析

在单因素实验的基础上,以单甘酯与蔗糖酯比例、乳化剂添加量、阿拉伯胶添加量、油水比进行四因素三水平L9(34)的正交实验,以乳液稳定性为指标,确定各成分的最佳添加量。因素水平见表1,正交试验设计及结果见表2。

由正交试验各因素极差分析发现,对于乳液稳定性影响的主次顺序为D(油水比)>A(单甘酯与蔗糖酯比例)>C(阿拉伯胶添加量)>B(乳化剂添加量),最优因素水平组合为A2B2C3D1,即最佳条件为:单甘酯与蔗糖酯比例为3∶7、乳化剂添加量为2%、阿拉伯胶添加量为5 %、油水比例为1∶8。

在实际操作中,该条件下稳定性达98%,但乳液粘度偏大,存在结块现象,流动性较差。故修改条件为单甘酯与蔗糖酯比例3∶7、乳化剂添加量2%、阿拉伯胶添加量4%、油水比例1∶8,该条件下乳液稳定性达95%且流动性较好。

3  讨论

胡椒油树脂浓缩了胡椒全部的香气成分,因此近年来胡椒油树脂作为广大学者研究胡椒的一个新方向,多数学者研究方向多集中在胡椒油樹脂的提取方面,对于胡椒油树脂的后续加工及应用研究较少。

宋美娜等对胡椒油树脂的乳化及其稳定性进行了研究,结果表明,乳化方法为W/O/W型、在黄原胶添加量为1.5‰、单甘酯添加量5‰、硬脂酸钠添加量为25‰的条件下可制得状态均匀、不分层的胡椒油树脂乳液[21],但制得的胡椒油树脂乳液粘度过大、流动性较差。发明专利“一种胡椒油树脂乳化液及其制备方法”[22]公开了一种胡椒油树脂的水包油型(O/W)乳化液的制备方法,采用以明胶与麦芽糊精为固形保护物、单硬脂酸甘油酯和蔗糖酯为乳化剂,制得状态均一的胡椒油树脂乳化液。但该条件下制得的胡椒油树脂乳液稳定性较差。中国热带农业科学院香料饮料研究所研发了“一种胡椒调味油及其制备方法”[23],在胡椒油树脂中添加单甘酯作为乳化剂后制备胡椒调味油。郭媛[3]以桂皮、八角茴香、花椒、小茴香和生姜的油树脂产品为原料,制备乳化型复合香辛调味料,选择单甘酯和蔗糖酯作为乳化剂,明胶为增稠剂,在油树脂添加量5%、明胶添加量0.15%、乳化剂添加量0.5%、体系HLB为11的条件下制得的乳液呈灰棕色,稳定性良好、调味均匀透彻、无渣滓口感。

本研究的目的是制得状态均匀、不分层且流动性较好的胡椒油树脂乳液。乳化剂选择单甘酯与蔗糖酯,增稠剂选择阿拉伯胶时乳化效果好。研究单甘酯与蔗糖酯的比例、乳化剂添加量、阿拉伯胶添加量、胡椒油树脂与水的比例对乳液的EAI、ESI和乳液稳定性的影响,并通过正交实验优化乳化的工艺,得出在单甘酯与蔗糖酯比例为3∶7、乳化剂添加量为2%、阿拉伯胶添加量为4%、胡椒油树脂与水的比例为1∶8的条件下,制得的胡椒油树脂乳液状态均匀、不分层且流动性好,乳液稳定性可达到95%。对胡椒油树脂进行乳化有利于胡椒油树脂的工业生产使用,便于使其走进千家万户,成为餐桌上的一种调味品,也有利于胡椒产品从初加工向深加工的转变。

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责任编辑:崔丽虹

收稿日期  2020-03-10;修回日期  2020-05-12

基金项目  海南省重大科技计划项目(No. zdkj201814)。

作者简介  陈星星(1995—),女,硕士研究生,研究方向:食品加工與安全。*通信作者(Corresponding author):谷风林(GU Fenglin),E-mail:xiaogu4117@163.com。