大豆可溶性多糖與Fe2+對(duì)O/W乳狀液物理穩(wěn)定性及流變特性的影響

王勝男,楊晉杰,邵國(guó)強(qiáng),趙玲玲,楊立娜,何余堂,劉 賀

(渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧錦州 121013)

食品乳狀液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定的多相體系,分散度較高,在儲(chǔ)藏過(guò)程中,易發(fā)生絮凝、聚集等不穩(wěn)定現(xiàn)象,使乳液分層,影響產(chǎn)品的感官品質(zhì)[1-2]。此外,乳液在加工過(guò)程中鐵、銅等過(guò)渡金屬?；烊脒B續(xù)相,容易與乳液中油脂接觸,催化油脂氧化,增加油脂氧化速率,進(jìn)而引起乳液穩(wěn)定性降低[3-4]。

食品乳狀液中常添加蛋白質(zhì)和多糖作為乳化劑或穩(wěn)定劑[5-6]。蛋白質(zhì)能吸附在油水界面上,通過(guò)靜電或空間排斥作用穩(wěn)定乳狀液[7]。多糖分子具有乳化能力,可以吸附在界面區(qū)域,對(duì)界面性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響,產(chǎn)生空間壁壘效應(yīng),提高乳液的聚結(jié)穩(wěn)定性[8-9]。研究表明,某些類(lèi)型的多糖可與過(guò)渡金屬鐵結(jié)合,抑制油脂氧化,同時(shí)影響乳液的穩(wěn)定性。Chen等[10]發(fā)現(xiàn)高、低甲氧基果膠、R-卡拉膠和海藻酸鈉能與鐵結(jié)合,抑制O/W乳狀液的氧化,且高、低甲氧基果膠結(jié)合鐵能力較強(qiáng),可以抑制油脂氧化,但是這些多糖對(duì)乳液物理穩(wěn)定性影響較小。Salvia-Trujillo等[11]發(fā)現(xiàn),海藻酸鈉分子上的陰離子基團(tuán)螯合了水相中的過(guò)渡金屬,增加了乳液的氧化穩(wěn)定性,而且海藻酸鈉使水相增厚,延緩了液滴的運(yùn)動(dòng),提高了乳液的物理穩(wěn)定性。Qiu等[12-13]發(fā)現(xiàn)pH為3.5時(shí),黃原膠糖鏈上的陰離子丙醛酸與亞鐵離子結(jié)合,抑制了乳液的氧化,提高了乳液的物理穩(wěn)定性;果膠內(nèi)存在內(nèi)源性過(guò)渡金屬,促進(jìn)了油脂氧化,但是提高了乳液的物理穩(wěn)定性。Xu等[14]發(fā)現(xiàn),在酸性條件下,鐵的溶解性更強(qiáng),黃原膠與果膠結(jié)合鐵的能力存在差異,改變了米谷蛋白乳液液滴的聚結(jié)狀態(tài),提高了乳狀液的物理和氧化穩(wěn)定性。

本研究通過(guò)測(cè)定并分析添加大豆可溶性多糖(SSPS)和不同濃度Fe2+的大豆分離蛋白(SPI)穩(wěn)定的O/W乳狀液在儲(chǔ)藏過(guò)程中穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)指數(shù)(TSI)、流變學(xué)性質(zhì)、粒徑大小及分布和Zeta-電位這四種指標(biāo)結(jié)果的變化,探討SSPS和Fe2+對(duì)SPI穩(wěn)定的O/W乳狀液物理穩(wěn)定性及流變特性的影響,旨在為揭示SSPS及Fe2+對(duì)乳狀液性質(zhì)的影響,并為乳狀液穩(wěn)定性方面的研究提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

SPI 臨沂山生物制品有限公司;九三非轉(zhuǎn)基因大豆油 九三糧油工業(yè)集團(tuán)有限公司;SSPS 河南千志商貿(mào)有限公司;硫酸亞鐵 天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;疊氮化鈉(分析純) 北京化學(xué)試劑有限公司;其他試劑 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

FJ-200高速分散均質(zhì)機(jī) 上海標(biāo)本模型廠;FB-110S高壓均質(zhì)機(jī) 上海勵(lì)途機(jī)械設(shè)備工程有限公司;Turbiscan Lab穩(wěn)定分析儀 北京郎迪森科技有限公司;DHR-1流變儀 美國(guó)TA公司;BT-9300激光粒度分布儀 丹東百特儀器有限公司;90plus Zeta電位及激光粒度分析儀 美國(guó)布魯克海文儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳狀液的制備 參考Tran等15]的方法制備乳狀液,略有改動(dòng)。將SPI和SSPS分別配制成0.05和0.06 g/mL的水溶液,然后取80 mL SPI溶液與20 mL大豆油混合,再取100 mL SSPS溶液，以1∶1比例與之混合均勻,制備出200 mL含2%(w/v)SPI、10%(w/v)大豆油和3%(w/v)SSPS的混合溶液,最后依次加入硫酸亞鐵溶液，使其終濃度為0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mmol/L,用玻璃棒攪拌混勻后,利用高速剪切機(jī)在10000 r/min下剪切2 min,制成初級(jí)乳狀液,再通過(guò)高壓均質(zhì)機(jī)在50 MPa下均質(zhì)3次,最后添加0.02%的疊氮鈉抑制微生物的生長(zhǎng),制成的乳狀液在室溫下貯存,每隔7 d對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),連續(xù)檢測(cè)14 d。將未添加SSPS、Fe2+的乳狀液(SPI乳狀液)和未添Fe2+的乳狀液(SSPS-SPI乳狀液)作為對(duì)照組。

1.2.2 多重光散射測(cè)定 參考Raikos等[16]研究方法進(jìn)行測(cè)定,略有改動(dòng)。利用Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀，分別對(duì)儲(chǔ)藏1、7、14 d乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,用TSI表征乳化體系的物理穩(wěn)定性。將乳液放于測(cè)量池中,裝液量為20 mL,采用掃描模式進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試溫度為25 ℃,每次測(cè)定時(shí),樣品的掃描時(shí)間為1 h,掃描間隔為15 min。

1.2.3 流變學(xué)測(cè)定 參考劉賀等[17]研究方法,利用DHR-1流變儀測(cè)定,分別取儲(chǔ)藏1、7、14 d的乳狀液各1.0 mL于測(cè)試臺(tái)上,25 ℃下采用40 mm平行板夾具,狹縫距離為0.5 mm,檢測(cè)剪切速率為0～100 s-1下的粘度并進(jìn)行分析。

1.2.4 粒徑大小及分布測(cè)定 參考萬(wàn)芝力[5]的研究方法進(jìn)行測(cè)定,略有改動(dòng)。利用BT-9300ST激光粒度分布儀，分別測(cè)定儲(chǔ)藏1、7、14 d乳狀液的粒度分布情況,取0.5 mL乳狀液于樣品池中,參數(shù)設(shè)置如下:采用通用分析模式,以水為分散劑,顆粒折射率為1.520,分散劑折射率為1.333,激光波長(zhǎng)為633 nm。本實(shí)驗(yàn)采用表面積平均直徑(d3,2)和體積平均直徑(d4,3)來(lái)表征液滴粒度的大小,一般用d3,2評(píng)估新鮮制備的乳液的比表面積,用d4,3檢測(cè)儲(chǔ)藏過(guò)程中液滴尺寸分布的變化。

1.2.5 Zeta-電位測(cè)定 參考Liang等[18]的研究方法進(jìn)行測(cè)定,略有改動(dòng)。利用90plus Zeta電位及激光粒度分析儀，分別測(cè)定儲(chǔ)藏1、7、14 d乳狀液的Zeta電位,取3 mL稀釋10000倍的乳液于樣品池中,在25 ℃條件下進(jìn)行Zeta-電位測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 Fe2+對(duì)乳狀液TSI的影響

TSI反映樣品在儲(chǔ)藏期內(nèi)濃度和顆粒粒徑變化幅度的綜合,變化幅度越大,TSI越大,乳狀液越不穩(wěn)定[19]。SSPS和不同濃度Fe2+對(duì)SPI穩(wěn)定的O/W乳狀液的TSI影響如圖1所示。由圖1可知,在14 d儲(chǔ)藏期內(nèi),SSPS-SPI乳狀液的TSI均比SPI乳狀液低,說(shuō)明添加的SSPS可能與SPI相互作用,使油水界面層增厚,提高了乳狀液的穩(wěn)定性[15]。儲(chǔ)藏1 d時(shí),添加0.1 mmol/L Fe2+后,乳狀液的TSI最小,乳狀液穩(wěn)定性較好,可能是由于SSPS與Fe2+結(jié)合,使液滴間的靜電斥力增大[13-14,20-21];掃描時(shí)間30～60 min時(shí)，隨著Fe2+濃度的增加,乳狀液的TSI隨之增加,直到添加0.5 mmol/L Fe2+后,乳狀液的TSI降低,原因可能是Fe2+過(guò)高,使SSPS在油水界面上發(fā)生分子重排,界面層更致密,提高了乳狀液的穩(wěn)定性[9];儲(chǔ)藏1 d時(shí)，掃描時(shí)間1 h內(nèi),隨著掃描時(shí)間的增加,乳狀液的TSI逐漸增大。儲(chǔ)藏7 d時(shí),所有乳狀液的TSI變化趨勢(shì)與儲(chǔ)藏1 d的相同,TSI整體增大。與1～7 d相比，儲(chǔ)藏14 d時(shí),所有乳狀液的TSI顯著增加(p<0.05),且TSI隨Fe2+濃度的增加而增大,說(shuō)明高濃度的Fe2+降低了乳狀液的物理穩(wěn)定性,歸因于水相中過(guò)多的Fe2+增加了液滴間的范德華力和疏水吸引力,導(dǎo)致液滴聚結(jié)。以上結(jié)果表明,隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng),所有乳狀液的濃度和顆粒粒徑均發(fā)生改變,乳狀液越不穩(wěn)定，且Fe2+濃度越高,乳狀液越不穩(wěn)定。

圖1 不同儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)Fe2+對(duì)乳狀液TSI的影響Fig.1 Effects of Fe2+ on the TSI of emulsion storaged for different time

2.2 Fe2+對(duì)乳狀液流變性質(zhì)的影響

影響乳狀液流變學(xué)性質(zhì)的因素有:液滴粒徑大小、連續(xù)相的粘度及組成成分等[22]。增加連續(xù)相粘度可減小液滴擴(kuò)散速率,降低液滴間的碰撞頻率,增加乳狀液的聚結(jié)穩(wěn)定性。此外,穩(wěn)態(tài)流變中,剪切稀化行為是最常見(jiàn)的流變性質(zhì):粘度隨剪切速率的增加而降低[23]。不同剪切速率下SSPS和Fe2+對(duì)乳狀液粘度的影響如圖2所示。由圖2可知,在14 d儲(chǔ)藏期內(nèi),所有乳狀液均表現(xiàn)出剪切稀化行為。其中,儲(chǔ)藏1 d 時(shí),總體來(lái)說(shuō),添加0.1 mmol/L Fe2+的乳狀液的粘度>SSPS-SPI乳液>SPI乳液;儲(chǔ)藏7 d時(shí),總體來(lái)說(shuō),SPI乳狀液的粘度最大,添加0.4 mmol/L Fe2+的乳狀液的粘度最小;儲(chǔ)藏至14 d時(shí),添加0.1 mmol/L Fe2+的乳狀液的粘度也最大,可能是由于Fe2+與SSPS間的相互作用,使油水界面上SSPS吸附量增加或分子發(fā)生重排,導(dǎo)致粘度增大[24]。

圖2 不同儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)Fe2+對(duì)乳狀液粘度的影響Fig.2 Effects of Fe2+ on the viscosity of emulsion storaged for different time

表1為利用冪律模型(Polwer law model)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸的參數(shù)估計(jì),方程τ=Krn，式中：τ表示剪切力；K為稠度系數(shù)；r表示剪切應(yīng)變；n為冪律指數(shù)。Polwer law model是對(duì)流體回歸最為常用的模型,粘度系數(shù)K是乳液粘稠性的表征;特性指數(shù)n=1代表牛頓流體,n<1代表剪切稀化流體,且當(dāng)0KSPI,表明SSPS的添加,使乳狀液粘度增加。儲(chǔ)藏1 d時(shí),隨著Fe2+濃度的增加,乳狀液的K值也隨之增加,當(dāng)Fe2+濃度達(dá)到0.4 mmol/L時(shí),K值減小;儲(chǔ)藏7 d時(shí),KSSPS-SPI最大;儲(chǔ)藏14 d時(shí),K0.1最大。以上結(jié)果表明,SSPS和0.1 mmol/L Fe2+提高了乳狀液的粘度。

表1 不同F(xiàn)e2+濃度下的冪律模型參數(shù)估計(jì)Table 1 Parameter estimation of power law model with different Fe2+ concentrations

2.3 Fe2+對(duì)乳狀液粒徑分布的影響

乳狀液中液滴顆粒的大小會(huì)影響乳液的物理穩(wěn)定性,液滴顆粒越小、分布越均一、峰值越高,則乳狀液越趨于穩(wěn)定[27]。SSPS和不同濃度的Fe2+對(duì)乳狀液粒徑分布的影響如圖3所示。由圖3可知,儲(chǔ)藏1 d時(shí),除SPI乳狀液粒徑分布為單峰外,其余所有乳狀液的粒徑分布均為雙峰。SPI乳狀液峰值最高,分布集中在10 μm內(nèi);添加0.1 mmol/L Fe2+的乳狀液峰值次之,其次是添加0.3 mmol/L Fe2+和SSPI-SPI乳狀液。儲(chǔ)藏7 d時(shí),所有乳狀液粒徑分布呈多峰(四峰),SPI乳狀液粒徑分布范圍明顯后移,主要集中在10～100 μm,粒徑增大。儲(chǔ)藏14 d時(shí),所有乳狀液粒徑分布曲線均向粒徑大的方向位移,主要集中在10～100 μm,而且添加0.4、0.5 mmol/L Fe2+乳狀液的粒徑部分分布在100～1000 μm。

圖3 不同儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)Fe2+對(duì)乳狀液粒徑分布的影響Fig.3 Effects of Fe2+ on the particle size distribution of emulsion storaged for different time

SSPS和不同濃度的Fe2+對(duì)乳狀液d3,2和d4,3的影響如表2所示。由表2可知,隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng),液滴發(fā)生聚集,所有乳狀液液滴的粒徑均顯著增大(p<0.05)。其中,儲(chǔ)藏1 d時(shí),SPI乳狀液的d3,2和d4,3分別為0.689、0.978 μm,SSPS-SPI穩(wěn)定的乳狀液的d3,2和d4,3分別為0.832、2.246 μm,比SPI穩(wěn)定的乳狀液粒徑顯著增大(p<0.05),可能是由于SSPS覆蓋在油滴表面,形成厚層,使液滴粒徑增大[28];添加0.1 mmol/L Fe2+乳狀液的d3,2和d4,3分別為0.686、2.136 μm,與未添加Fe2+的SSPS-SPI乳狀液相比,液滴的比表面積和尺寸降低,可能是由于低離子濃度下,SSPS與Fe2+結(jié)合,液滴間的靜電斥力大于范德華力和疏水吸引力,提高了乳狀液的聚結(jié)穩(wěn)定性[13-14,20-21];儲(chǔ)藏1 d時(shí)，隨著亞鐵離子濃度的增加,乳液(0.2、0.3、0.4和0.5 mmol/L Fe2+)的d3,2依次為0.857、0.800、0.917和0.994 μm,d4,3依次為4.066、2.895、4.981和5.347 μm,表明乳狀液液滴的比表面積和尺寸逐漸增加[8],隨著Fe2+濃度的增加,液滴間的范德華力和疏水吸引力超過(guò)靜電斥力,導(dǎo)致液滴聚結(jié),乳狀液穩(wěn)定性降低。

表2 Fe2+對(duì)乳狀液表面積平均直徑(d3,2)和體積平均直徑(d4,3)的影響Table 2 Effects of Fe2+ on the surface area average diameter and volume average diameter

2.4 Fe2+對(duì)乳狀液Zeta-電位的影響

在乳狀液儲(chǔ)藏期間,Fe2+的吸附或解吸、多糖分子的吸附都能使乳液液滴表面的帶電特性發(fā)生改變[11]。SSPS和不同濃度的Fe2+對(duì)乳狀液Zeta-電位的影響如圖4所示。由圖4可知,1 d時(shí),SPI乳狀液的Zeta-電位為-54.69 mV,SSPS-SPI乳狀液的Zeta-電位為-40.69 mV,可能是由于SSPS的陰離子基團(tuán)結(jié)合至SPI穩(wěn)定乳狀液的陽(yáng)離子液滴的表面,中和了部分電荷,使Zeta-電位降低[29-30]。添加Fe2+后，F(xiàn)e2+與SSPS鏈段上的羧基相互作用，導(dǎo)致乳狀液的Zeta-電位呈正電荷，且隨著Fe2+濃度的增加，水相中的Fe2+濃度增加，導(dǎo)致液滴帶正電且電荷不斷增大[31]。隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，SPI和SSPS-SPI穩(wěn)定的乳狀液液滴間的靜電斥力降低，導(dǎo)致Zeta-電位絕對(duì)值逐漸降低[28]；添加0.1～0.2 mmol/L Fe2+的乳狀液的Zeta-電位逐漸遞增，而添加0.3～0.5 mmol/L Fe2+的乳狀液的Zeta-電位呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，可能與Fe2+和SSPS二者在界面上的吸附有關(guān)[11]。

圖4 不同儲(chǔ)藏時(shí)間內(nèi)Fe2+濃度對(duì)乳狀液Zeta-電位的影響Fig.4 Effects of Fe2+ on the zeta of emulsion storaged for different time

3 結(jié)論

本研究明確了SSPS及不同濃度的Fe2+對(duì)SPI穩(wěn)定的水包油乳狀液物理穩(wěn)定性及流變特性的影響。結(jié)果表明,SSPS的添加,通過(guò)吸附至液滴表面,使乳液粘度增加,粒徑增大,Zeta-電位降低,TSI值降低,提高了乳狀液的聚結(jié)穩(wěn)定性。0.1 mmol/L Fe2+的添加,顯著降低了液滴的比表面積直徑(p<0.05),K值增加,TSI值降低;隨著Fe2+濃度的增加,乳液的TSI值、Zeta-電位、d3,2和d4,3也隨之增加。綜上所述,SSPS和0.1 mmol/L Fe2+的添加,提高了SPI穩(wěn)定的水包油乳狀液的物理穩(wěn)定性,0.2～0.5 mmol/L的Fe2+降低了乳狀液的物理不穩(wěn)定性,具體的作用機(jī)制有待進(jìn)一步的研究。本研究對(duì)提高乳狀液的穩(wěn)定性具有重要意義。