陰離子多糖對大豆蛋白乳狀液乳析穩(wěn)定性的影響*

王才華，周雪松，曾建新，趙強忠，趙謀明

1(廣州合誠實業(yè)有限公司，廣東廣州，510530)2(華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州，510640)

以大豆為原料生產(chǎn)的豆奶飲料適口性強，營養(yǎng)豐富，具備“天然、綠色、營養(yǎng)、健康”的品類特征［1］。以豆奶為代表的植物蛋白飲料符合飲料市場發(fā)展潮流和趨勢，近年來發(fā)展很快，在國內(nèi)飲料消費市場占有重要地位。充分利用我國現(xiàn)有的大豆蛋白資源開發(fā)飲品，對于改善我國人民的膳食結(jié)構(gòu)有著重要的意義［2］。

大豆蛋白飲料體系復雜，穩(wěn)定性難以解決。因體系富含蛋白和脂肪，如果蛋白質(zhì)不能與脂肪形成穩(wěn)定的乳化體系，隨著貯存時間的延長，易發(fā)生乳析分層;另外，蛋白質(zhì)在高溫下易變性，產(chǎn)生沉淀、凝固、分層現(xiàn)象。這些均嚴重影響了產(chǎn)品的外觀品質(zhì)。目前國內(nèi)有關(guān)大豆蛋白乳狀液的研究側(cè)重于各種原輔料的復配(如乳化劑、多糖和鹽類復配等)對乳狀液穩(wěn)定性的影響，其他植物蛋白乳狀液的研究也是如此。國外有關(guān)蛋白乳狀液的研究側(cè)重于穩(wěn)定性基礎(chǔ)理論的研究，主要是以低蛋白(0.2% ～2%)高油脂(10% ～20%)為基本模型的乳狀液，且未經(jīng)過高溫熱處理。其中以乳蛋白(如酪蛋白和乳清蛋白［3-4］)乳狀液模型的研究最深入，有關(guān)植物蛋白乳狀液的穩(wěn)定性研究相對較少。因此本文以大豆蛋白乳狀液模型(經(jīng)過高溫熱處理)為基礎(chǔ)，選取3種飲料中應用最為常用的陰離子多糖包括卡拉膠、CMC和黃原膠，研究它們對大豆蛋白乳狀液乳析穩(wěn)定性的影響，并探討相關(guān)的作用機理，以期為有效解決植物蛋白飲料穩(wěn)定性提供理論和方法指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蔗糖、大豆油，市售;大豆蛋白(蛋白質(zhì)含量90%)，山東御馨蛋白有限公司;卡拉膠，海南文昌卡拉膠有限公司;羧甲基纖維素鈉FH9，蘇州依利法化工有限公司;黃原膠9290，淄博順達生物科技有限公司;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉，徐州化工三廠;疊氮鈉，天津福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

APV-1000高壓均質(zhì)機，丹麥APV;Mastersizer 2000粒度分布儀，英國 Malvern;FA1104型分析天平，上海精密科學儀器有限公司;BHW-Ⅳ型機密恒溫水箱，北京朝陽航信醫(yī)療器材廠;高速剪切機，上海標本模型廠;YX280B手提式不銹鋼壓力蒸汽滅菌器，蘇州江東精密儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 制備工藝流程

表1 大豆蛋白乳狀液的基本配方Table 1 The formula of soy protein emulsions

首先將大豆蛋白在水中均勻分散，并將陰離子多糖、乳化劑、鹽和蔗糖充分溶解，在攪拌狀態(tài)下與大豆油緩慢混合，然后將在60℃水化30 min;水化結(jié)束后，用高速剪切機于10 000 r/min將粗乳狀液剪切2 min，然后于60℃均質(zhì)，均質(zhì)壓力為20 MPa，接著將乳狀液灌裝和滅菌(121℃/15 min)，最后迅速冷卻至常溫。

1.3.2 粒度分布的測定

采用Mastersizer 2000粒度分布儀測定乳狀液粒度分布，以面積加權(quán)平均直徑(volume weighted mean diameter)d3，2表示乳狀液粒徑(單位:μm)。乳狀液樣品按1∶1 000用去離子水稀釋，測定參數(shù)設(shè)定為:分析模式:通用;進樣器名:Hydro 2000MU(A);顆粒折射率［5］:1.530;顆粒吸收率［5］:0.001;分散劑名:水;分散劑折射率:1.330。

1.3.3 乳析率的測定

向滅菌后的乳狀液中加入2%的疊氮鈉溶液，使乳狀液的疊氮鈉濃度達到0.02%，目的是抑制乳狀液中的微生物生長。然后準確吸取乳狀液10 mL于具塞刻度試管中。25℃靜置，每隔一段時間記錄乳析層的高度(mm)。

其中:H乳析為乳析的高度;H乳狀液為乳狀液的高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 陰離子多糖對大豆蛋白乳狀液乳析率的影響

卡拉膠對大豆蛋白乳狀液的乳析率的影響如圖1所示。由圖1可看出，在靜置過程中，添加0.03%卡拉膠的大豆蛋白乳狀液的乳析率低于空白樣;當卡拉膠濃度高于0.06%時，大豆蛋白乳狀液的乳析率明顯高于空白樣，且隨著卡拉膠濃度增加而迅速增加。這說明0.03%卡拉膠能夠有效地抑制大豆蛋白乳狀液的乳析，但隨著卡拉膠濃度進一步增加，明顯促進乳狀液乳析。

圖1 卡拉膠對大豆蛋白狀液乳析率的影響Fig.1 Efects of carrageenan on the creaming rate of soy protein emulsions

CMC對大豆蛋白乳狀液的乳析率的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨著CMC濃度的增加，乳狀液的乳析率急劇增加，且均高于空白乳狀液，這表明在實驗濃度范圍內(nèi)，CMC并不能抑制乳析。添加0.15%CMC的乳狀液在靜置的第0天乳析率為8.6%，遠遠高于其他濃度CMC的乳狀液的乳析率，隨后乳析急劇增加，到靜置第6天乳析率為13.5%，從外觀上來看，乳狀液出現(xiàn)相分離，上層為富集的脂肪球，下層則為半透明的液相。添加0.12%CMC的乳狀液在靜置第2天，也出現(xiàn)相同的相分離。

圖2 CMC對大豆蛋白乳狀液乳析率的影響Fig.2 Effects of CMC on the creaming rate of soy protein emulsions

黃原膠對大豆蛋白乳狀液的乳析率的影響如圖3所示。由圖3可以看出，0.03%黃原膠對乳析有一定的抑制作用。高濃度的黃原膠則促進大豆蛋白乳狀液的乳析，當黃原膠濃度高于0.06%后，隨著濃度的增加，大豆蛋白乳狀液的乳析率急劇增加。在靜置6 d后，黃原膠添加濃度為0.09%、0.12%和0.15%的大豆蛋白乳狀液都出現(xiàn)相分離現(xiàn)象。

圖3 黃原膠對大豆蛋白乳狀液乳析率的影響Fig.3 Effects of xanthan on the creming rate of soy protein emulsions

在這3種陰離子多糖中，當多糖濃度低于0.06%，卡拉膠有較好的乳析抑制作用，而黃原膠有一定的抑制作用，CMC不能夠抑制乳析。0.06% ～0.15%的陰離子多糖都明顯降低乳狀液的乳析穩(wěn)定性，甚至發(fā)生相分離，其中黃原膠最顯著，CMC次之，添加卡拉膠的乳狀液的乳析穩(wěn)定性相對較好，乳析率不超過1%。

2.2 陰離子多糖對大豆蛋白乳狀液粒徑的影響

卡拉膠對大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的影響如表2所示。由表2可以看出，隨著卡拉膠濃度增加，大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2呈波浪形變化，先減小然后增大，再減小，這可能與卡拉膠-大豆蛋白交互作用、乳狀液表觀粘度等因素有關(guān)。Dickinson等［6］認為，當卡拉膠濃度較低時，卡拉膠與大豆蛋白發(fā)生靜電吸引作用。當體系pH值高于大豆蛋白等電點pI時，大豆蛋白分子帶有凈負電荷，但這不是表明蛋白質(zhì)分子上的電荷完全為負電荷，在蛋白質(zhì)分子上的某些區(qū)域或分子的某些片段仍帶有正電荷。當體系中存在陰離子多糖時，蛋白質(zhì)的正電荷區(qū)域就會和多糖的陰離子基團發(fā)生靜電吸引相互作用。當多糖分子吸附到蛋白質(zhì)包被的脂肪球表面，多糖與蛋白質(zhì)分子間的靜電相互作用成為影響蛋白質(zhì)乳狀液穩(wěn)定性的重要因素［7］?？ɡz吸附到脂肪球上的蛋白質(zhì)吸附層，形成蛋白質(zhì)-卡拉膠復合吸附物，使得吸附層的負電荷大大增加，脂肪球之間靜電排斥力增強，通過靜電排斥維持乳狀液的穩(wěn)定性［6］，且卡拉膠的雙螺旋構(gòu)象使這種吸附很難發(fā)生在不同的脂肪球之間，難以發(fā)生橋連絮凝。因此，0.03%的卡拉膠能夠有效地抑制大豆蛋白乳狀液的頂部粒徑d3，2增大;當卡拉膠濃度增加到0.06%，連續(xù)相中未吸附的卡拉膠因造成滲透壓的差異，從而導致乳狀液發(fā)生排斥絮凝，使得頂部粒徑d3，2增大。但是當卡拉膠濃度增加到0.09%，頂部粒徑d3，2又下降，這是可能由于乳狀液表觀黏度增加減緩了脂肪球上浮，暫時抑制頂部粒徑d3，2。隨著靜置時間的延長，絮凝形成大的脂肪球上浮到頂部，在靜置第6 d，0.09%卡拉膠的乳狀液的頂部粒徑d3，2急劇增大，高于其他濃度的乳狀液?？ɡz-大豆蛋白交互作用是影響頂部粒徑d3，2的主要因素，表觀黏度為次要因素。

表2 卡拉膠對大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的影響Table 2 Effects of carrageen on the d3，2in the top of soy protein emulsions during storage

由表2還可以看出，隨著靜置時間的延長，乳狀液頂部粒徑d3，2增大，增幅最大的是在靜置的前15 d，這在宏觀上表現(xiàn)為乳析。在靜置期間，添加0.03%卡拉膠的乳狀液頂部粒徑d3，2一直小于空白乳狀液，這表明低濃度的卡拉膠能夠有效地抑制頂部粒徑 d3，2。

本文選取添加0.06%卡拉膠的大豆蛋白乳狀液頂部粒度分析其變化規(guī)律，粒度分布頻率如圖4所示。

圖4 0.06%濃度卡拉膠的大豆蛋白乳狀液頂部粒度分布在靜置過程中的變化Fig.4 Change of size distribution in the top of soy protein emulsions of 0.06%carrageenan during storage

通過對比粒度分布頻率圖可以發(fā)現(xiàn)，在靜置的前期，脂肪球的粒徑分布在0.1～10 μm;粒度分布的峰值(最頻值)為0.35 μm，絕大部分脂肪球粒徑在1 μm以下，這說明絕大部分脂肪球以單個形式存在，脂肪球之間可能發(fā)生可逆性的聚集，但很少發(fā)生不可逆性的聚結(jié)，因此乳析層經(jīng)過震蕩，乳狀液可以恢復到均一的狀態(tài)。隨著時間的延長，在靜置15 d時，脂肪球的粒徑分布區(qū)間在0.1～40 μm;呈雙峰分布，一個峰值在0.30 μm，另一個則大約在15 μm，小粒徑脂肪球減少，大粒徑脂肪球增多，這表明由部分小粒徑脂肪球通過聚結(jié)成大的脂肪球，即使劇烈的震蕩也不能夠打碎。在靜置60 d后，乳狀液頂部粒徑急劇增大，脂肪球的粒徑分布范圍0.20～70 μm;呈非常明顯雙峰分布，且2個峰都向右移動，一個峰值在0.7 μm，另一個峰值在 20 μm;對比靜置 0 d 的粒度分布頻率曲線，靜置60 d后原先以單個形式存在的脂肪球大部分都聚結(jié)成更大的脂肪球。聚結(jié)是不可逆的過程，在小脂肪球聚結(jié)成更大的脂肪球的過程中，往往伴隨著油脂析出(即油析)，嚴重的油析將在試管口留下一道油析圈，極大影響了食品乳狀液的外觀品質(zhì)。乳析是一個可逆的過程，而油析是不可逆的過程。

表3 CMC對大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的影響Table 3 Effects of CMC on the d3，2in the top of soy protein emulsions during storage

CMC對大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的影響分別如表3所示。由表3可以看出，在靜置第0天，隨著CMC濃度增加，頂部粒徑d3，2急劇增大。隨著靜置時間的延長，頂部粒徑d3，2增大，且在前15d增加幅度最大。當CMC濃度為0.12% ～0.15%時，乳狀液在宏觀上已經(jīng)發(fā)生相分離，頂部出現(xiàn)明顯的乳析層，底部呈半透明的液相。這表明CMC與大豆蛋白之間發(fā)生強烈的交互作用，當CMC濃度較低時，CMC與大豆蛋白之間發(fā)生較強的靜電吸附作用，CMC分子連接不同脂肪球界面膜上的蛋白質(zhì)分子，從而形成橋連絮凝;當CMC濃度高于發(fā)生絮凝的臨界濃度(CFC)時，乳狀液可能發(fā)生排斥絮凝。由于頂部的d3，2急劇增大，使得相應的乳狀液乳析十分嚴重。

表4 黃原膠對大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的影響Table 4 Effects of xanthan on the d3，2in the top of soy protein emulsions during storage

黃原膠對大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的影響如表4所示。由表4可以看出，隨著黃原膠濃度的增加，大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2先減小后增大，添加0.03%黃原膠的大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2的最小。這可能是由于當黃原膠濃度為0.03%時，主要通過靜電穩(wěn)定機制抑制脂肪球的絮凝;當黃原膠濃度進一步增加，黃原膠與大豆蛋白交互作用產(chǎn)生的排斥絮凝作用增強。隨著靜置時間的延長，乳狀液頂部粒徑d3，2增大，在靜置0～6 d，增幅最大。添加黃原膠乳狀液頂部粒徑d3，2明顯小于相同濃度的CMC乳狀液，而高于添加相同濃度的卡拉膠乳狀液，這說明CMC與大豆蛋白的交互作用最強。

2.3 乳狀液的粒徑與乳析率之間的關(guān)系

乳析是由于脂肪球與連續(xù)相之間的密度差引起的脂肪球的上浮。在普通的乳狀液體系中，脂肪球上浮速度可通過Stockes方程描述。根據(jù)Stock原理，脂肪球上浮速度與體系的表觀粘度成反比，與粒徑的平方成正比。Grotenhuis等人［7］也認為，脂肪球的聚集和蛋白質(zhì)的聚集不僅影響到乳狀液的流變學性質(zhì)，還影響到體系的穩(wěn)定性如乳析和沉淀。通過SPSS 13.0 for windows分析大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2與對應的乳析率之間的相關(guān)性，結(jié)果表明在靜置期間，添加卡拉膠的乳狀液頂部粒徑d3，2與乳析率的相關(guān)系數(shù)R=0.857(P＜0.01);添加CMC的乳狀液頂部粒徑d3，2與乳析率的相關(guān)系數(shù)R=0.961(P＜0.01);添加黃原膠的乳狀液頂部粒徑d3，2與乳析率的相關(guān)系數(shù)R=0.878(P＜0.01)。由上述分析可知，通過頂部粒徑d3，2可以解釋大豆蛋白乳狀液85.7%以上的乳析率變化，脂肪球粒徑是影響乳析的主要因素，而體系表觀粘度是次要因素。0.03%卡拉膠或黃原膠能夠有效地抑制大豆蛋白乳狀液的頂部粒徑d3，2的增大，從而抑制乳析;而0.03%的CMC可能發(fā)生橋連絮凝，促進乳析。高濃度的卡拉膠、CMC和黃原膠都能使乳狀液發(fā)生排斥絮凝，促進乳狀液頂部粒徑d3，2增大，加速乳析。更高濃度的CMC和黃原膠導致體系強烈的絮凝，此時體系表現(xiàn)嚴重乳析現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)相分離。

3 結(jié)論

(1)添加0.03%卡拉膠的大豆蛋白乳狀液乳析穩(wěn)定性較好，而添加黃原膠或CMC的大豆蛋白乳狀液乳析穩(wěn)定性則較差，高濃度的陰離子多糖都有促進大豆蛋白乳狀液的乳析作用。

(2)隨著陰離子多糖濃度的增加，添加CMC的乳狀液頂部粒徑d3，2增大，添加卡拉膠或黃原膠的大豆蛋白乳狀液頂部粒徑d3，2先減小后增大;隨著靜置時間的延長，頂部粒徑d3，2增大，且前15 d增加幅度最大，增加幅度由大到小依次為CMC、黃原膠和卡拉膠。

(3)添加陰離子多糖的大豆蛋白乳狀液的頂部粒徑d3，2與乳析率呈較好的正相關(guān)性，脂肪球越大，上浮速度越快，乳析率越高。

［1］ 羅建.大豆蛋白質(zhì)及副產(chǎn)物的功能與應用［J］.江蘇食品與發(fā)酵，2001(1):31-32.

［2］ 宋國安.大豆蛋白在食品及乳品工業(yè)中的應用［J］.食品科技，1996(1):2-4.

［3］ Euston S，F(xiàn)innigan S，Hirst R，et al.Aggregation kinetics of heated whey protein stabilized emulsions［J］.Food Hydrocolloids，2000，14:155-161.

［4］ Hunt J，Dalgleish D.Heat stability of oil-in-water emulsions containing milk proteins:effect of ionic strength and pH［J］.Journal of Food Science，1995，60:1 120-1 123.

［5］ Erix P Schokker，Douglas G Dalgleish.The shear-induced destabilization of oil-in-water emulsions using caseinate as emulsifier［J］.Colloids and Surfaces A，1998，145:51-69.

［6］ Dickinson E，Pawlowsky K.Effect of ι-carragenan on flocculation，creaming，and rheology of a protein-stabilized emulsion ［J］.Journal of Agriculture and Food Chemistry，1997，45:3 799-3 806.

［7］ Grotenhuis E T，Paques Marcel，Van Aken G A，et al.The application of diffusing-wave spectroscopy to monitor the phase behavior of emulsion-polysaccharide systems［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2000，227:495-504.