黃原膠對大豆分離蛋白乳狀液聚集穩(wěn)定性的影響

楊晉杰 邵國強 王勝男 趙玲玲 董田田 潘 楊 楊立娜 朱力杰 李 君 何余堂 韓金蓮 張 明 劉 賀

(渤海大學食品科學與工程學院1 ，錦州 121013)(盤錦宋大房食品有限公司2，盤錦 124000)(錦州億和豆業(yè)有限公司3，錦州 121013)

乳狀液由兩種互不混溶的液體相互分散形成，是一種熱力學不穩(wěn)定的多相體系[1]。食品乳狀液中常添加蛋白質(zhì)和多糖作為穩(wěn)定劑。蛋白質(zhì)和多糖可通過靜電作用或氫鍵形成復合物，多糖促進蛋白質(zhì)在界面上的吸附，提高乳狀液的穩(wěn)定性[2]。

大豆分離蛋白作為一種天然高分子乳化劑，乳化活性高，但其形成的乳狀液易受溫度、pH等因素的影響，導致乳狀液易失穩(wěn)[3]。黃原膠是一種由細菌Xanthomonascampestris產(chǎn)生的具有三糖側(cè)鏈的剛性線性陰離子多糖，其特定的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及分子間作用力，賦予了其增加乳狀液分散相黏度、形成凝膠網(wǎng)絡和良好的流變學特性(如假塑性、剪切稀化行為和高模量等)，從而抵抗油滴的布朗運動或重力引起的分層等，提高乳狀液的穩(wěn)定性，已被廣泛應用于食品乳狀液中[4]。流變學特性是研究食品最重要的性質(zhì)之一，通過測定流體食品的流變學特性，包括黏度隨剪切速率的變化，以及振蕩流變特性(儲能和損耗模量)隨溫度和頻率的變化，可用于研究不同條件下蛋白質(zhì)-多糖間相互作用的變化[5]。黏彈性等流變行為作為評估乳狀液性質(zhì)的重要手段，可以表征乳狀液液滴的聚集，廣泛用于乳狀液穩(wěn)定性的預測。Vázquez-Solorio等[6]運用流變學對冷藏期間乳蛋白-黃原膠復合水包油乳狀液的性質(zhì)進行了表征，發(fā)現(xiàn)黃原膠流變學在乳狀液流變學中占主導地位。Moschakis等[7]運用流變學研究了XG對酪蛋白酸鈉穩(wěn)定的乳狀液的相分離的時間依賴性演變，發(fā)現(xiàn)低于0.02% (m/V)的XG對乳狀液的流變性影響不顯著，而0.03%～0.05% (m/V)的XG，產(chǎn)生了具有高低應力剪切黏度的凝膠狀網(wǎng)絡，抑制了相分離。

目前，關于XG對SPI凝膠性的影響及二者水溶液間的互作的研究較多，而對XG-SPI乳化體系流變特性的研究并不多見。因此，本研究通過分析和表征乳狀液儲藏過程中流變學特性的變化，再結(jié)合粒徑和Zeta-電位，明確不同濃度的XG對SPI-XG乳狀液流變學特性及穩(wěn)定性的影響，以期為改良食品乳狀液加工工藝和功能特性方面的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

SPI；非轉(zhuǎn)基因大豆油；XG；疊氮化鈉；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

FJ-200高速分散均質(zhì)機；FB-110S高壓均質(zhì)機；DHR-1流變儀；BT-9300激光粒度分布儀；Nano-ZS90馬爾文激光粒度儀；GB-2A磁力攪拌器。

1.3 方法

1.3.1 乳狀液的制備

將SPI配制成0.067 g/mL的水溶液，然后取60 mL SPI溶液與40 mL大豆油混合，形成初級乳狀液；再將XG分別配制成0、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006 g/mL的水溶液，磁力攪拌過夜至完全水合，然后分別取100 mL XG溶液與初級乳狀液以1∶1混合后，利用高速剪切機在10 000 r/min下剪切2 min，再通過高壓均質(zhì)機在50 MPa下均質(zhì)3次，最終使乳狀液包含2%SPI、20%大豆油和0～0.3%XG，最后添加0.02%的疊氮鈉抑制微生物的生長，制成的乳狀液在4 ℃下儲藏，每7 d進行取樣分析，檢測14 d。將未添加XG的SPI乳狀液作為對照組[8]。

1.3.2 粒徑大小及分布測定

利用BT-9300ST激光粒度分布儀測定乳狀液的粒徑大小及分布情況，取0.5 mL乳狀液于樣品池中，參數(shù)設置如下：通用分析模式，以水為分散劑，顆粒折射率1.520，分散劑折射率1.333，激光波長633 nm。采用面積平均徑(d3,2)和體積平均徑(d4,3)來表征液滴粒徑大小[9]。

1.3.3 Zeta-電位測定

利用Nano-ZS90馬爾文激光粒度儀測定乳狀液的Zeta-電位，取1 mL稀釋10 000倍的乳狀液于樣品池中，測試溫度為25 ℃[10]。

1.3.4 流變學特性測定

1.3.4.1 黏度測定

利用DHR-1流變儀對乳狀液黏度進行測定，取1 mL乳狀液于樣品臺上，25 ℃下采用40 mm平行板，剪切速率為0.01～100 s-1[5]。

1.3.4.2 頻率掃描測定

取1 mL乳狀液于樣品臺上，25 ℃下采用40 mm平行板，掃描頻率為0.01～3 Hz，應力為0.8 Pa，檢測整個過程乳化體系的模量變化，實驗過程中加蓋密封圈以避免水分過度蒸發(fā)[11]。

1.3.4.3 降溫掃描測定

取1 mL乳狀液于樣品臺上，采用40 mm平行板，頻率為1 Hz，溫度以2 ℃/min由85 ℃降溫至25 ℃，檢測整個過程乳化體系的模量變化，實驗過程中加蓋密封圈以避免水分過度蒸發(fā)[12]。

1.3.5 統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑分析

一般用d3,2評估新鮮制備的乳液的比表面積，d4,3用于表征乳液儲藏過程中液滴尺寸分布的變化[9]。由表1可知，第1天時，與對照組相比，添加XG后，隨著XG濃度的增加，乳狀液的d3,2和d4,3呈現(xiàn)先增大后減小、再增大的變化趨勢，添加0.20%XG的乳狀液的d3,2和d4,3最小，可能是由于0.10%～0.15%XG與SPI交互作用產(chǎn)生的排斥絮凝作用大于靜電穩(wěn)定作用，導致粒徑顯著增加(P<0.05)[13-14]；當XG濃度達到0.20%時，水相黏度持續(xù)的增加，抑制了SPI-XG間的排斥絮凝作用，減少了液滴的運動和碰撞頻率[15]；隨著XG濃度的進一步增大，液滴間絮凝引起的聚集可能導致了粒徑的增加(P<0.05)[16]。儲藏至7 d時，所有乳狀液的d4,3均顯著增大，且隨著XG濃度的增加，乳狀液的d4,3也隨之顯著增大(P<0.05)。儲藏至14 d時，添加0.10%和0.20%XG的乳狀液的d4,3顯著降低(P<0.05)，而隨著XG濃度的增加，液滴間的聚集效應降低，絮凝效應增強，導致乳狀液的d4,3增大[16]。

表1 乳狀液儲藏期間內(nèi)粒徑的變化

注：同列不同小寫字母表示同一時間不同樣品間的差異顯著性，同列不同大寫字母表示不同時間下同一樣品的差異顯著性，P<0.05。余同。

表2 乳狀液儲藏期間內(nèi)Zeta-電位的變化

2.2 Zeta-電位分析

Zeta-電位通過反映液滴間的帶電性質(zhì)表征乳狀液的穩(wěn)定性，Zeta-電位絕對值越高，液滴間斥力越大，乳狀液的聚集穩(wěn)定性越高[17]。由表2可知，第1天時，對照組乳狀液的Zeta-電位絕對值最小，為17.60 mV；添加XG后，乳狀液的Zeta-電位絕對值顯著增大(P<0.05)，表明XG的添加提高了乳狀液的聚集穩(wěn)定性，可能原因是XG與SPI間的排斥絮凝作用，阻礙了液滴的聚集[13]。其中，添加0.10%XG的乳狀液的Zeta-電位絕對值最大，為45.70 mV，表明其所形成的乳狀液的穩(wěn)定性較高；隨著XG濃度的增加，乳狀液的Zeta-電位絕對值呈先減小后增大的變化趨勢，可能是因為過多的XG與SPI間的熱力學不相容，隨著聚合物濃度的增加，分子間的靜電斥力逐漸增大[14]。隨著儲藏時間的延長，添加0.10%XG的乳狀液的Zeta-電位絕對值雖然降低，但均比添加0.15%～0.30%XG的乳狀液的Zeta-電位絕對值大，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

2.3 流變學特性分析

2.3.1 黏度分析

由圖1可知，對照組乳狀液黏度較低(0.1 Pa·s)。而在低剪切速率下，添加XG的所有乳狀液的黏度增加，應力較低；隨著剪切速率的增加，克服了液滴間的布朗運動，降低了流動阻力，乳狀液的黏度均逐漸減小，應力均逐漸增加。第1天時，與對照組(黏度接近于0)相比，添加XG的乳狀液的黏度均明顯增大，且隨著XG濃度的增加，乳狀液的黏度也隨之增大，歸因于XG處于分散狀態(tài)時，其可能通過氫鍵和聚合物形成聚集體，產(chǎn)生高度有序的結(jié)構(gòu)，因此在低剪切速率下表現(xiàn)出較高的黏度；隨著剪切速率的增加，聚集體逐漸被破壞，乳狀液表現(xiàn)出高度假塑性[18-19]。但第7天時，添加0.10%XG的乳狀液在0.01～100 s-1內(nèi)表現(xiàn)出較高的黏度，可能歸因于0.10%XG引發(fā)的乳狀液液滴間的排斥絮凝，表現(xiàn)出較高的屈服應力，導致其黏度更大，減緩了液滴間的聚集速率，乳狀液形成的粒徑相對較小[13]。隨著儲藏期的延長，添加XG乳狀液的黏度均有所降低，可能是由于液滴聚集在乳狀液儲藏前期占主導地位，后期液滴絮凝增強的結(jié)果[16]。

注：正方形、三角形、菱形、圓形、五角星、五邊形對應的XG質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。實心符號為黏度，空心符號為應力。圖1 XG濃度對乳狀液黏度和應力的影響

2.3.2 掃描頻率分析

不同掃描頻率下XG濃度對乳狀液G′和G″ 的影響如圖2所示。由圖2可知，對照組乳狀液的G′和G″基本為0；添加XG后，乳狀液的G′和G″明顯增大，乳狀液的G′和G″均呈頻率依賴性，且儲能模量(G′)大于損耗模量(G″)， 顯示出黏彈性，表明一種高絮凝的液滴網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)或XG自身在連續(xù)相中凝膠結(jié)構(gòu)的形成[5]；隨著XG濃度的增加，乳狀液的G″穩(wěn)定增長，但G′增長較快，表明凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的提高[20]，這一現(xiàn)象可能是由于多糖網(wǎng)絡的形成，也可能是因為蛋白與多糖間的相互作用[16]。其中，第1天時，隨著XG濃度的增加，乳狀液的G′和G″之間的差距明顯增加，表明乳狀液的彈性行為逐漸改善，這一結(jié)果遵循XG自身分散體顯著的黏彈性行為，或在連續(xù)相中形成凝膠狀結(jié)構(gòu)[21]。隨著儲藏時間的延長，添加0.10%XG的乳狀液的G′呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢，而G″基本保持不變，可能歸因于乳狀液儲存過程中促進了XG弱凝膠網(wǎng)絡中的分子重排[21]；添加0.15%～0.25%XG的乳狀液的G′和G″表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，可能歸因于乳狀液的相分離導致了其凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的破壞；添加0.30%XG的乳狀液的G′和G″卻不斷增加，表明其高度絮凝的液滴網(wǎng)絡的形成，每個液滴上的小浮力不足以克服周圍弱凝膠網(wǎng)絡的有效屈服應力[16]。

注：圓形、正三角形、菱形、五角星、倒三角形、五邊形對應的XG質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。實心符號為G′，空心符號為G″，下同。圖2 XG濃度對乳狀液儲能模量和損耗模量的影響

2.3.3 降溫過程流變特性分析

由圖3可知，在降溫過程中，對照組G′和G″接近0，而添加XG的乳狀液的G′和G″明顯增大，且乳狀液的G′明顯大于G″，與掃描頻率測量結(jié)果一致。第1天時，隨著溫度的降低，添加0.10%～0.20%XG的乳狀液的G′逐漸降低，G″基本保持不變；而添加0.25%～0.30%XG的乳狀液的G′呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，G″緩慢升高，可能是因為在65 ℃以上，初始階段形成的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)易被破壞，出現(xiàn)“凝膠弱化”現(xiàn)象，當溫度降至65 ℃以下時，較高濃度的XG形成相對較強的凝膠網(wǎng)絡，表現(xiàn)出較強的黏彈性行為[5]。儲藏至7 d時，在降溫過程中，添加0.10%～0.15%XG乳狀液的G′和G″保持相對穩(wěn)定；而添加0.20%～0.30%XG的乳狀液的G′呈先減小后增大的變化趨勢，G″呈緩慢增大的趨勢。隨著儲藏時間的進一步延長，14 d時，添加0.10%～0.15%XG乳狀液的G′和G″還是保持相對穩(wěn)定的變化趨勢，但是有所降低，表明凝膠網(wǎng)絡強度降低；添加0.20%XG的乳狀液的G′呈緩慢降低的趨勢，G″呈緩慢上升的趨勢；而添加0.25%和0.30%XG的乳狀液的G′和G″均呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。因此，在降溫過程中，添加0.10%和0.15%XG的乳狀液在14 d儲藏期內(nèi)表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的黏彈性行為；隨著XG濃度的增加，雖然提高了凝膠網(wǎng)絡強度，但是在相對較高的溫度下，表現(xiàn)出相對降低的黏彈性行為，出現(xiàn)“凝膠弱化”效，可能是因為油滴的可逆絮凝，導致凝膠網(wǎng)絡經(jīng)歷重組或局部塌陷[7]。

圖3 XG濃度對乳狀液降溫程序中儲能模量的影響

3 結(jié)論

本研究通過測定并分析XG濃度對SPI穩(wěn)定的水包油乳狀液在14 d儲藏期內(nèi)流變學特性、粒徑和Zeta-電位的變化。結(jié)果表明，XG的添加，提高了乳狀液的黏度，使乳狀液表現(xiàn)出高度假塑性和良好的黏彈性行為，促進了凝膠類乳液的形成。其中，XG濃度為0.10%時，乳狀液的Zeta-電位絕對值較高，粒徑較小，在14 d儲藏期內(nèi)乳狀液的G′和G″表現(xiàn)出較好的頻率依賴性和在降溫過程中相對穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，賦予了乳狀液良好的儲藏穩(wěn)定。XG濃度對SPI乳狀液流變學特性的具體作用機制及二者之間的關系有待進一步研究。