酪蛋白酸鈉-椰奶乳液的制備及表征

宮曉玥，向東, ，李玉潔，王波

1. 熱帶多糖資源利用教育部工程研究中心（海口 570228）；2. 海南大學(xué)食品學(xué)院（海口 570228）

椰子是棕櫚科單子葉植物，是熱帶地區(qū)主要的食品能源及經(jīng)濟作物。在中國，椰子主要生長在海南地區(qū)[1]。椰子的不同部分可以加工成多種產(chǎn)品，例如椰子水、椰子糖、椰奶及椰子油等[2]。

其中椰奶是通過椰肉榨汁得到的，富含蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)[3]。椰奶是由椰蛋白和磷脂穩(wěn)定的乳液[4]。在椰奶中，椰蛋白附著在椰油表面，阻止椰油絮凝、合并[5]。但由于椰奶中的椰蛋白的乳化性、熱穩(wěn)定性差，表面活性低，導(dǎo)致椰奶易發(fā)生分層[4]。加工后儲藏一段時間，椰奶就會發(fā)生分層[6]。為了延長椰奶的貨架期，所以在加工過程中會添加乳化劑來提高其穩(wěn)定性[7-10]。

乳化劑是具有親水基和親油基兩種表面活性的物質(zhì)，它能夠通過吸附在油滴上，形成一層界面膜，來提高乳液穩(wěn)定性。在食品乳液中廣泛應(yīng)用的乳化劑有小分子表面活性劑、兩性的生物聚合物和固體顆粒[11-15]。蛋白質(zhì)是乳液形成和穩(wěn)定的一類重要的兩性生物高分子，包括大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白酸鈉、酪蛋白、β-乳球蛋白和牛血清白蛋白等[16-20]。蛋白質(zhì)作為乳化劑，由于它們的兩親性，減少了油和水之間的界面張力[21-22]。此外，吸附在界面上的蛋白質(zhì)可以平衡油滴之間的靜電和空間斥力，形成了穩(wěn)定的乳液[23]。

酪蛋白酸鈉是一種可溶性和乳化性兼并的蛋白質(zhì)，在乳化過程中可以快速降低表面張力，在國內(nèi)外市場上都被廣泛應(yīng)用[24-28]。因此試驗通過測定椰奶的粒徑、ζ-電位、界面張力以及乳析指數(shù)等指標(biāo)，研究了酪蛋白酸鈉的質(zhì)量分數(shù)對椰奶表面特性及穩(wěn)定性的影響，從而對乳化劑的作用機理進行分析，為椰奶加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

成熟椰子（市售）；酪蛋白酸鈉（杭州瑞霖化工有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

Zetasizer Nano S90激光粒度儀（ζ-電位也用此儀器測量，英國馬爾文儀器有限公司）；KL-GJJ高壓均質(zhì)機（上?？苿跈C械設(shè)備有限公司）；JYZ-S6九陽榨汁機、FW177粉碎機（天津市泰斯特儀器有限公司）；HH4數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州澳華儀器有限公司）；LS-B50L高壓滅菌鍋（上海華線醫(yī)用核子儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

酪蛋白酸鈉溶液的配制：分別配濃度為0，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%和0.8%的酪蛋白酸鈉溶液，放入75 ℃水浴鍋中加熱2 h，使其充分溶解，備用。將成熟的椰子用專用刀去殼、削皮，保留白色新鮮的椰肉，常溫椰肉現(xiàn)取現(xiàn)用，用粉碎機將不同方式處理后的椰肉粉碎成椰蓉，用榨汁機壓榨取汁，兩層紗布過濾，獲得椰奶樣品。將榨取的椰奶倒入以上各組酪蛋白酸鈉溶液中，使得每組樣品中椰奶含量為10%。在50 ℃水浴鍋中攪拌10 min，然后將每組樣品經(jīng)過壓力30 MPa的高壓均質(zhì)機均質(zhì)。再將均質(zhì)的樣品進行高溫高壓滅菌15 min（121 ℃，0.1 MPa），待測。每個質(zhì)量分數(shù)的樣品做3個平行。

1.3.2 粒徑及分散指數(shù)的測量

椰奶乳液中油滴粒徑及分散指數(shù)用激光粒度儀進行測定，使用聚丙乙烯樣品池，加入樣品的高度約10 mm，并蓋上隔熱帽，根據(jù)樣品的性質(zhì)特征將樣品折射率設(shè)為1.09，分散劑水的折射率設(shè)為1.33，測量溫度設(shè)為25 ℃，平衡時間為120 s。測量粒徑前樣品被稀釋到0.05%，脂肪質(zhì)量分數(shù)約為0.01%，以減少多重散射效應(yīng)。平均粒徑公式為：

式中：d43為椰奶油滴的平均粒徑，nm；ni為粒徑為di的油滴的個數(shù)，個。

分散指數(shù)（Polydisper dispersion index，PDI）的計算公式為：

式中：PDI為油滴粒徑的分散指數(shù)；MW為重均分子質(zhì)量，單位為1；Mn為數(shù)均分子質(zhì)量，單位為1。

1.3.3 ζ-電位的測量

待測樣品中油滴帶的電荷用激光粒度儀測量，使用聚丙乙烯樣品池，加入樣品的高度約10 mm，并插入電極，根據(jù)樣品的性質(zhì)特征將樣品折射率設(shè)為1.09，分散劑水的折射率設(shè)為1.33，測量溫度設(shè)為25℃，平衡時間為120 s。

1.3.4 界面張力檢測

使用全自動Drop MeterTMProfessional A-200光學(xué)接觸角/表面張力測量儀懸滴法測定待考察體系的界面張力。測量原理：配制不同濃度的酪蛋白酸鈉溶液，利用儀器的自動加液系統(tǒng)，形成一相液體在另一相（椰油）流體中的液滴（懸滴），通過儀器自帶的LED燈光源從背面照射液滴，從而獲得液滴的軸截面輪廓圖像。儀器本身自帶的軟件依靠高速視頻攝像系統(tǒng)周期性地獲取液滴的輪廓圖像，并對其進行全自動的分析、檢測和計算。通過檢測到的液滴輪廓擬合到Y(jié)oung-Laplace方程，軟件可以準(zhǔn)確地確定組成液滴體系的Bond number β和懸滴底端（apex）的曲率半徑b：

式中：β為體系的Bond number，是液滴的形狀因子（Shape parameter）；b為懸滴底端的曲率半徑，nm；Δρ為兩相之間的密度差，kg/m3；g為測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋琺/s2；γ為界面張力，mN/m。

1.3.5 乳析指數(shù)的測量

將每組經(jīng)過均質(zhì)（30 MPa、50 ℃）1 min的樣品稱取25 mL放入具蓋的玻璃試管中，放入高溫高壓（121 ℃、0.1 MPa）滅菌鍋中滅菌15 min。靜置72 h，測量上浮高度，每組樣品做3個平行，按式（4）計算乳析指數(shù)：

式中：h為試管中椰奶上浮的高度，mm；H為試管中椰奶的總高度，mm。

1.4 統(tǒng)計分析

所有的數(shù)據(jù)均做3個平行，并用Minitab統(tǒng)計軟件進行顯著性分析，Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酪蛋白濃度對椰奶粒徑及分散指數(shù)的影響

由圖1可知，椰奶油滴的平均粒徑隨著酪蛋白酸鈉質(zhì)量分數(shù)的增加而減少，當(dāng)未加入酪蛋白酸鈉時，椰奶的油滴平均粒徑為1 600 nm；當(dāng)加入了0.1%的酪蛋白時，椰奶中油滴的平均粒徑降低，約為991 nm；當(dāng)濃度為0.2%時，平均粒徑約為355 nm；當(dāng)濃度增大到0.3%～0.6%時，油滴粒徑隨著酪蛋白濃度的增加而沒有明顯的變化，均在200～300 nm之間；當(dāng)酪蛋白的濃度增加到0.7%以上時，椰奶的粒徑稍有增大。在圖2中，粒徑的分散指數(shù)也隨著酪蛋白濃度的增加而降低，當(dāng)酪蛋白的濃度為0和0.1%時，粒徑的分散指數(shù)約等于1和0.848，說明樣品中椰油的粒徑分布不均勻；當(dāng)酪蛋白的濃度到達0.2%時，分散指數(shù)已經(jīng)降低到0.4以下；當(dāng)酪蛋白濃度為0.2%～0.8%時，粒徑的分散指數(shù)雖然有所波動，但均在0.2～0.4之間，這說明當(dāng)酪蛋白的濃度為0.2%～0.8%時，椰奶油滴大小的分布較均勻。

由此可以得出，加入酪蛋白酸鈉可以減小椰奶的粒徑及其分散指數(shù)，在高壓均質(zhì)過程中，椰奶體系會發(fā)生復(fù)雜的變化，椰油形成極小的油滴，酪蛋白酸鈉快速附著在油滴表面，阻止油滴聚合、絮凝；低濃度的酪蛋白酸鈉只能附著在部分油滴表面，而椰蛋白的乳化性差，因此油滴之間就很容易相互吸引聚合。椰奶中的油滴分布不均勻并且平均粒徑較大，但隨著椰奶中酪蛋白酸鈉濃度的增大，酪蛋白酸鈉覆蓋在油滴表面，阻止小的油滴聚合，因此椰奶的粒徑及分散指數(shù)呈減小趨勢。結(jié)果表明，當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度為0.3%時，椰奶的粒徑及分散指數(shù)達到理想效果。

圖1 不同酪蛋白酸鈉濃度對椰奶粒徑的影響

圖2 不同酪蛋白酸鈉濃度對椰奶分散指數(shù)的影響

2.2 不同酪蛋白酸鈉濃度對椰奶ζ電位的影響

由于油滴之間的摩擦以及椰蛋白中氨基酸的組成，純椰奶中的椰油本身帶有負電荷，其電荷約為-16 mV[29]。如表2所示，ζ-電位隨著酪蛋白濃度的增加而增大，酪蛋白酸鈉是一種離子型乳化劑，當(dāng)它附著在油滴表面時，可改變油滴表面的電位。酪蛋白酸鈉濃度越大，所形成的油滴粒徑越?。▓D1），附著在油滴表面的酪蛋白酸鈉越多，油滴表面的負離子越多，所帶電荷越大。當(dāng)酪蛋白的濃度為0和0.1%時，椰奶的ζ電位為-13.71和-18.03 mV，與表1對照可知，椰奶處于極其不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度為0.2%～0.6%時，ζ電位在-31.56～-38.56 mV之間，椰奶處于穩(wěn)定性一般的狀態(tài)；當(dāng)酪蛋白的濃度為0.7%和0.8%時，ζ電位為-41.23和-46.23 mV，椰奶的穩(wěn)定性較好。由于油滴帶的負電荷量大，油滴之間的排斥力大于吸引力，因此在椰奶中很難發(fā)生聚合。

表1 ζ-電位與體系穩(wěn)定性之間的關(guān)系

表2 不同酪蛋白酸鈉濃度對椰奶ζ-電位的影響

2.3 酪蛋白濃度對椰油與水之間界面張力的影響

圖3表示酪蛋白酸鈉濃度對椰油和水之間界面張力的影響。可以看出，當(dāng)沒有添加酪蛋白酸鈉時，水與椰油之間的界面張力最大，約為30 mN/m；當(dāng)加入酪蛋白酸鈉后，兩相的界面張力顯著降低，且均小于13 mN/m；當(dāng)加入酪蛋白酸鈉的濃度為0.1%時，兩相之間的界面張力約為12.4 mN/m；酪蛋白酸鈉的濃度繼續(xù)增加，兩相之間的界面張力持續(xù)降低，其中當(dāng)濃度為0.4%和0.5%時，界面張力為10.7和10.2 mN/m；換擋酪蛋白酸鈉濃度為0.6%時，此時界面張力降到最低，約9.5 mN/m。而酪蛋白酸鈉的濃度繼續(xù)上升，兩相之間的界面張力顯著增大，當(dāng)濃度為0.7%和0.8%時，兩相之間的界面張力為11.7 mN/m，無顯著差異（p＜0.05）。

因此可以得出，當(dāng)體系中加入酪蛋白酸鈉時，可以降低兩相之間的界面張力。但當(dāng)加入的濃度較少時，酪蛋白酸鈉不能完全覆蓋油水界面，導(dǎo)致部分油水界面的界面張力依然很大。當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度增大時，酪蛋白酸鈉分子增多，在水油界面之間形成一層致密的界面膜，這層界面膜的親水親油基團分別連接水相和油相，從而降低了兩相之間的界面張力。而酪蛋白酸鈉的濃度繼續(xù)增加時，界面張力反而有上升趨勢。酪蛋白酸鈉濃度過高，會在油水界面產(chǎn)生多層吸附，破壞酪蛋白酸鈉與兩相之間的平衡，因此界面張力上升。由此得出0.6%為酪蛋白酸鈉的臨界濃度。

圖4為不同濃度的酪蛋白酸鈉與椰油之間的界面張力圖（在液滴形成60 s時通過全自Drop MeterTMProfessional A-200界面張力儀自帶的攝像機進行拍照），懸滴的形狀越趨于圓形，兩相間的界面張力越大，反之則張力越小。由圖4可知，當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度為0和0.1%時，兩相間的界面張力較大；當(dāng)濃度從0.2%開始逐漸增大時，界面張力呈下降趨勢，且到0.6%時，界面張力最低，且液滴有往下掉的趨勢；當(dāng)濃度為0.7%～0.8%時，液滴又重新趨于圓形，證明界面張力增大。

圖3 酪蛋白酸鈉濃度對油水兩相界面張力的影響

圖4 不同濃度酪蛋白酸鈉油水兩相界面張力圖

2.4 酪蛋白酸鈉濃度對椰奶穩(wěn)定性的影響

圖5 表示酪蛋白酸鈉的濃度對椰奶乳析指數(shù)的影響。當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度為0～0.2%時，乳析指數(shù)為71.43%～68.57%；當(dāng)酪蛋白酸鈉濃度為0.3%時，乳析指數(shù)減少，為7.14%；當(dāng)酪蛋白酸鈉濃度增加到0.4%～0.8%時，椰奶的乳析指數(shù)非常低，均為2.14%，椰奶穩(wěn)定性較好。

由椰奶的油滴粒徑、ζ-電位、界面張力的測量結(jié)果得出，酪蛋白的濃度越大，吸附在椰奶油滴表面的酪蛋白越多，這會阻止油滴之間發(fā)生聚合，因此椰奶中椰油的粒徑越小，椰油與水之間的界面張力越小，ζ-電位越大，分散指數(shù)越小，油滴之間的排斥力大于吸引力，因此椰奶較穩(wěn)定。

2.5 椰奶乳析指數(shù)與粒徑、界面張力和ζ-電位的相關(guān)性討論

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著酪蛋白酸鈉濃度的增加，乳析指數(shù)減小，椰奶穩(wěn)定性增強。當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度增加到0.2%時，此時椰奶的粒徑顯著減小，但是乳析指數(shù)為68.57%，椰奶并不穩(wěn)定；而當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度增加到0.3%以上時，其乳析指數(shù)顯著降低，但粒徑無顯著變化，這表明粒徑大小不是影響椰奶穩(wěn)定性的唯一因素。當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度增加時，兩相之間的界面張力持續(xù)降低；當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分數(shù)為0.6%時，兩相之間的界面張力降到最低；而當(dāng)酪蛋白酸鈉的濃度增加到0.7%和0.8%時，界面張力顯著增大，這也表明界面張力不是影響椰奶穩(wěn)定性的唯一因素。通過測定ζ-電位發(fā)現(xiàn)，椰奶中的油滴所帶電荷隨著酪蛋白酸鈉濃度的增大而增大，當(dāng)酪蛋白酸鈉濃度≥0.7%，ζ-電位≥-40 mV時，乳析指數(shù)降低至10%以下，此時椰奶穩(wěn)定性較好。

通過Excel軟件中的Correl函數(shù)對粒徑和乳析指數(shù)，界面張力和乳析指數(shù)，ζ-電位和乳析指數(shù)這三組數(shù)據(jù)分別進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，粒徑和乳析指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.780 0，界面張力和乳析指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.567 9，ζ-電位和乳析指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.887 4，明顯高于其他兩組的相關(guān)系數(shù)，因此ζ-電位對椰奶的穩(wěn)定性影響更大。

圖5 蛋白質(zhì)濃度對椰奶乳析指數(shù)的影響

3 結(jié)論

試驗通過研究酪蛋白酸鈉的質(zhì)量分數(shù)對椰奶的油滴粒徑、ζ-電位、界面張力以及乳析指數(shù)的影響，得出：當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分數(shù)≥0.2%時，椰奶的粒徑為300～400 nm，且分散指數(shù)為0.2～0.4，說明粒徑較小，且分布均勻；當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分數(shù)≥0.4%時，ζ-電位在-38～-42 mV之間，油滴之間的排斥力較大，椰奶的穩(wěn)定性較好；當(dāng)酪蛋白酸鈉質(zhì)量分數(shù)為0.6%時，界面張力最低，為9.5 mN/m。而根據(jù)乳析指數(shù)，酪蛋白酸鈉的質(zhì)量分數(shù)在0.4%～0.8%的乳析指數(shù)較小，穩(wěn)定性較好。綜合GB 2760—2014《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，酪蛋白酸鈉通常在飲料中可以按生產(chǎn)需要量添加，考慮經(jīng)濟效益，酪蛋白酸鈉的最適添加量為0.6%[30]。

綜上所述，酪蛋白酸鈉的加入可以通過減小椰奶粒徑、增大ζ-電位、減少界面張力來增加椰奶的穩(wěn)定性。并且通過相關(guān)性分析得知，在高壓均質(zhì)條件下，對椰奶的穩(wěn)定性起主要影響的可能是ζ-電位，這為椰奶的加工生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。