乳化劑的作用機理及其在飼料工業(yè)中的應用研究進展

■牛福利 郭建來 胡迎利

（1.鄭州牧業(yè)高等?？茖W校河南省無公害飼料工程技術中心，河南鄭州 450002；2.中國農業(yè)大學動物科學技術學院，北京 100094）

早在20世紀60年代開始，人們就逐漸重視安全的表面活性劑使用研究，加強了乳化劑在食品、化妝品、醫(yī)藥、化工、工程、材料等工業(yè)的研究應用，并且逐漸開發(fā)出山梨酸醇脂肪酸酯類、磷脂類、糖脂類乳化劑等新型無毒乳化劑。乳化劑在飼料工業(yè)中的運用，最早可以追溯到上世紀50年代，隨著動物脂肪使用的增加，乳化劑也逐漸被人們認識和使用。20世紀80年代以來，隨著具有生物活性的膽汁酸作為一種飼料用脂肪乳化劑被開發(fā)應用，越來越多的新型乳化劑被人們開發(fā)出來。本文就乳化劑的分類、作用機理及在畜禽飼料中的應用研究進展進行了綜述，旨在普及乳化劑應用認知，推進乳化劑在飼料工業(yè)中的應用研究及推廣。

1 乳化劑的定義及分類

1.1 乳化劑的定義

兩種原本互不相溶的液體相互分散于另一方中而互相混合成為均勻狀態(tài)形成乳化液的過程為乳化作用。乳濁液由流動相(continuous phase)和固定相(discontinuous phase)組成。乳化劑（emulsi?fier）是乳濁液的穩(wěn)定劑，是一類表面活性劑，能促使流動相和固定相形成穩(wěn)定乳濁液的物質，是一類具有親水基和親油基的表面活性劑。

1.2 乳化劑的分類

乳化劑從來源上可分為天然乳化劑（如膽汁酸等）和人工合成乳化劑（如硬脂酸聚氧乙烯酯等）兩大類；按其乳化后在兩相中形成的體系又可分為水包油（oil in water，O/W）型和油包水（water in oil，W/O）型兩類；按其存在狀態(tài)可以分為液體和固體兩類；按其在水中的解離狀態(tài)可以分為離子型和非離子型乳化劑，離子型乳化劑依據(jù)其所帶電荷不同又可分為陰離子型乳化劑、陽離子型乳化劑和兩性離子型乳化劑。

2 影響乳液形成過程及乳化效果的因素

2.1 乳液形成機理

乳化劑是表面活性劑的一種，其在化學結構上一般都由極性基團和非極性基團兩部分構成，如圖1所示。

其結構上極性基團具有親水性質，易溶于水，故謂親水基，非極性基團具有親油性質，易溶于油，故謂親油基。在油-水兩相體系中加入乳化劑后，親水基和親油基分別和水、油結合，降低了兩相界面的表面張力。根據(jù)吉布斯吸附定理（Gibbs adsorption theorem），乳化劑需在相界面上形成界面膜，降低表面張力。界面膜有一定強度，可以阻止由于布朗運動、熱對流或機械攪拌引起液滴的碰撞而誘發(fā)的液滴聚結，對液滴起機械保護作用。另外，由于吸附和摩擦作用使液滴帶電荷，帶電液滴在界面的兩側形成雙電層結構，由于雙電層的排斥作用降低了液滴的接近頻率，從而減少了液滴接觸導致的液滴聚結幾率，提高了乳化液的穩(wěn)定性，而且當乳化劑達到一定濃度時，會形成膠束，使乳液更加穩(wěn)定。簡單來講，乳液形成可以用三個機理來描述：

圖1 乳化劑結構及作用機理

①界面吸附：乳化劑在水-油兩相界面發(fā)生富集的現(xiàn)象，可分為物理吸附和化學吸附兩種類型。物理吸附主要是分子引力或靜電引力，吸附過程選擇性差、作用力小且易于解離；化學吸附則比較穩(wěn)定。

②定向排列：乳化劑分子在水-油兩相界面插入內相中，形成致密排列的現(xiàn)象。由此可見，乳化效果和劑量有很大關系，在當乳化劑使用量不足時，就有可能影響其形成最緊密定向排列，兩相可以接觸碰撞可產生聚集收縮作用，乳濁液不穩(wěn)定最后出現(xiàn)油水分層現(xiàn)象。

③膠束形成：乳化劑在水-油兩相界面吸附、定向排列的過程中，逐漸形成各種膠束。乳化劑以單一分子狀態(tài)溶于水時，親水基團的親水力大于親油基團與水的相斥力，故被水相包圍。當乳化劑分子持續(xù)增加時，乳化劑分子吸附于界面并逐漸定向排列成單分子膜，親油基團相互靠攏形成球狀膠束。

2.2 影響乳化效果的因素

2.2.1 乳化劑的類型

乳化劑種類眾多，且各種性能都不一樣，選擇合適的乳化劑對于乳化效果至關重要。我國衛(wèi)生部在“食品安全國家標準-食品添加劑使用標準”(GB 2760—2011)批準了單、雙甘油脂肪酸酯等34種乳化劑可以用于食品加工，其中單、雙甘油脂肪酸酯（油酸、亞油酸、亞麻酸、棕櫚酸、山梨酸、硬脂酸、月桂酸）、改性大豆磷脂，酪蛋白酸鈉（酪朊酸鈉）等可以按需要量添加，使用量不受限制。

2.2.2 乳化劑的用量

乳化劑的用量會影響乳液形成中定向排列和膠束形成的過程，當乳化劑濃度很低的時候，界面上吸附的分子數(shù)較少，膜強度較差，乳液的穩(wěn)定性較差。只有乳化劑達到一定濃度后，界面膜由緊密排列的定向吸附分子所組成，形成膠束，膜強度高，粒子聚合受到較大阻力，乳液穩(wěn)定性良好。但是乳化劑的用量并非越多越好。臨界膠團濃度在膠束的最低濃度（Critical Micelle Concentration，CMC）以下，乳化能力隨著乳化劑用量的增加而增加；在CMC以上，乳化能力的增加緩慢，受乳化劑量影響小。CMC是表征表面活性劑結構與性能的一個最重要的物理量，根據(jù)表面活性劑CMC值大小可以設計表面活性劑加入量以得到膠束大小、形狀可控的溶液。

2.3 HLB值對乳化效果的影響

衡量乳化性能最常用的指標之一是親水親油平衡值(Hydrophilic Lipophilic Balance，HLB)。1949年,格里菲（Griffin）提出用HLB值表征表面活性劑的親水親油性。HLB值是一個相對值，規(guī)定親油性強的石蠟（完全無親水性）的HLB值為0，親水性強的聚乙二醇（完全是親水基）的HLB值為20，以此標準制定出其他表面活性劑的HLB值。HLB值越小，親油性越強，易形成油包水（W/O）型體系；反之，親水性越強，易形成水包油（O/W）型體系。

任何物質在廣義上都存在其自身的相對親水親油平衡值，其親水親油平衡值決定了其物質的親水或親油性，親水親油平衡值在物理化學及工業(yè)上有重大的意義。乳化劑的親水親油平衡值與其應用有著密切的關系。親水親油平衡值在3～6的表面活性劑適合用作W/O型(油包水型，油為外連續(xù)相）乳劑，親水親油平衡值在8～18的表面活性劑適合用作O/W（水包油型，水為外連續(xù)相）型乳劑。親水親油平衡值在13～18的表面活性劑適合用作增溶劑、潤濕劑、分散劑，親水親油平衡值在7～9的表面活性劑適合做潤濕劑、乳化劑等。

2.4 其他因素對乳化效果的影響

除了上述因素以外，其他諸如溫度、pH值、離子濃度等都會對乳化劑的乳化能力產生一定的影響，因為乳化劑的類型不同而有一定的差異。

3 乳化劑在畜禽飼料中的應用

乳化劑在焙烤制品、冰淇淋、人造奶油、巧克力、糖果、口香糖、植物蛋白飲料、乳化香精和調味品等眾多食品門類有極其廣泛的應用。在國外飼料工業(yè)中也有很長的應用歷史，但在國內人們對乳化劑的研究、認識和接受僅僅是近年的事情。以下就其在畜禽飼料的應用研究進展簡述如下。

3.1 乳化劑在動物生產中應用的必要性

現(xiàn)代畜牧業(yè)的快速發(fā)展，造成動物品種不斷改善，飼料報酬高的品種逐漸占領了集約化養(yǎng)殖的高地。這些動物對營養(yǎng)密度尤其對能量有更高的要求，常規(guī)飼料一般難以滿足其營養(yǎng)需要，脂肪作為高能量的飼料原料，經常被添加于配合飼料中以提高日糧能量。但是，由于幼齡動物內源性乳化劑分泌不足、動物生理應激嚴重、亞健康狀態(tài)等，嚴重影響了日糧中脂肪的消化吸收，甚至脂肪未經完全乳化，未能形成脂肪微粒，直接通過腸道排出，從而嚴重影響了飼糧消化吸收。乳化劑的出現(xiàn)，為解決這些問題打開了一條有意義的思路。乳化劑在畜禽飼料中的研究已經較多，但在水產養(yǎng)殖中還比較少見，國內更少。

3.2 乳化劑在豬料中的應用

在豬飼料中添加外源乳化劑可以明顯提高飼料脂肪及能量的消化率，促進豬增重，國內外很多學者對此也從各個角度綜述過。艾琴等采用全收糞法研究了乳化劑對生長豬能量利用效率的影響，試驗采用4×4拉丁方設計，8頭健康公豬，共試28 d，結果顯示，乳化劑能顯著提高生長豬日糧干物質、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和能量的糞消化率(P＜0.05),其中脂肪消化率提高幅度最大，提高了15.2%～22.4%；消化能降低幅度(80或100 kcal/kg DE)和乳化劑添加劑量(500或700 g/t)對養(yǎng)分消化率(除灰分)和消化能的提高幅度均無顯著影響(P＞0.05)。馮杰的研究也表明，外源添加乳化劑，對斷奶仔豬在采食量、日增重和料肉比上都有明顯的改觀，其中采食量比對照組提高了9.61%，差異顯著（P＜0.05），日增重提高了13.05%，差異顯著（P＜0.05），表明試驗組顆粒飼料在改善采食量的同時，還能提高仔豬對顆粒飼料營養(yǎng)物質的消化和吸收，從而表現(xiàn)出日增重的提高。

3.3 乳化劑在禽料中的應用

近年來國內外對禽料中添加乳化劑的應用不斷增多，尤其是在肉雞養(yǎng)殖中。張青青等選用愛拔益加（Arbor Acre）雄性肉雞，研究等能和等蛋白情況下，在高油脂含量日糧中添加不同劑量的外源性乳化劑對肉雞飼料營養(yǎng)物質表觀和真實代謝率的影響。結果表明：高油脂飼料中添加不同水平的外源性乳化劑不同程度地提高了能量、粗脂肪和干物質的表觀和真實代謝率以及表觀和真實代謝能，并且隨著乳化劑添加水平的提高而呈上升的趨勢。Vos S研究證實，肉雞飼料中添加乳化劑，在前期1～26日齡，隨著乳化劑的使用量增加，肉雞增長明顯(相對于對照組分別為103.6%，105.2%和106.3%，P＜0.01)；后期27～39日齡各組影響不大，但是對于對照組增長明顯（相對于對照組分別為102.1%、102.1%和102.5%）。對雞只的采食量、飼料轉化率和死亡率沒有明顯影響。陳躍平等研究了不同水平乳化劑對肉鴨胴體品質、肌肉營養(yǎng)物質含量以及組織膽固醇含量的影響，結果顯示，添加乳化劑對肉鴨肌間脂肪厚度和皮下脂肪厚度均無顯著影響，肉鴨胸肌肌內脂肪含量分別有所提高；對肉鴨胸肌粗蛋白質、胸肌、腿肌水分含量影響差異不顯著；但是可以降低肉鴨肝臟膽固醇和胸肌膽固醇含量。

3.4 乳化劑對飼料加工性能的影響

乳化劑作為一種成熟使用的功能性食品添加劑，對食品有很多加工性質的改善和幫助，如乳化劑可有效地改善面粉的流變學特性及面包、饅頭等發(fā)酵食品的品質。飼料中的水分有結合水、體相水和吸潤水三種存在形態(tài)。改善配合全價顆粒飼料的含水量不但關系到飼料霉變的問題，也直接關系到飼料廠的經濟利益和飼料的適口性問題。飼料中的結合水包括結構水、單分子層水以及多分子層水，結構水被非水物質整體部分牢牢地吸附著,很難用蒸發(fā)的方法將其分離掉。單分子層結合水與非水組分的親水基團相締合，這種結合十分緊密,呈單分子層。結構水和單分子層結合水是不能被微生物利用的。有效控制飼料水分活度是保證飼料質量、改善其貯存性能的有效措施。李建文等的研究顯示，添加水分子乳化劑后，可改變飼料的水分等溫吸附線，當飼料水分含量增加到一定程度時，添加水分子乳化劑可大幅下降水分活度。乳化劑對飼料加工性能的影響研究相對較少，這可能是今后乳化劑研究的一個增長點。

4 乳化劑的選擇及前景展望

綜上所述，影響乳狀液穩(wěn)定性的因素是非常復雜的，甚至很多機理至今尚不是十分清楚，隨著科學的發(fā)展，無疑會有更多機理被揭示，也會有更多的新型乳化劑被開發(fā)出來。在選用乳化劑時，需要具體問題具體分析，并不是所有這些因素在同一體系中都存在，更不能說各種因素同等重要。尤其是在飼料工業(yè)中，有關研究尚不透徹，更需要我們以試驗為基本依據(jù)，綜合考慮各種情況進行選擇。隨著世界經濟的發(fā)展，能源危機日益凸顯。玉米發(fā)酵生產乙醇等生產活動還會繼續(xù)，且油料作物增產乏力的趨勢仍會延續(xù)。從世界范圍看，相當長的時間，能量飼料仍將總體短缺，價格居高不下。因此，合理利用現(xiàn)有的能量飼料，提高動物的轉化能力，無疑為能量飼料匱乏提供了一個解決思路。隨著研究的進一步深入以及廣大生產推廣人員的不懈努力，乳化劑將來在飼料中的應用會越來越廣，通過提升畜牧產業(yè)的轉化能力，造福億萬消費者。

（參考文獻35篇，刊略，需者可函索）