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食品级水包油型乳状液的研究进展

来源:个人技术集锦
第25卷第l期 宁波工程学院学报 Vo1.25 No.1 2013年3月 JOURNAL OF NINGBO UNIVERSI rY OF I'ECHN0LOGY Mar.2013 DOI:10.39696.issn.1008-7109.2013.01.009 食品级水包油型乳状液的研究进展 杨雷,仇丹,王佐杨,汤成科 (宁波工程学院,浙江宁波315016) 摘 要:本文综述了食品级水包油型乳状液的制备方法、分析评价技术以及影响乳状液稳定性的因素,结合自身研 究集中展示了学界在此领域取得的诸多进展。进而促进乳状液技术的更多应用。 关键词:水包油型乳状液;制备;分析;稳定性 中图分类号:TS236.9 文献标识码:A 文章编号:1008—7109(2013)01—0043—06 乳状液是由两种(或两种以上)完全不互溶(或部分互溶)的液体所形成的分散系统。乳状液一般分 为两种类型:一类为油分散在水中,称为水包油型,用符号O/W表示;另一类为水分散在油中,称为油包 水型。用符号W/O表示。 目前,乳状液在食品和饮料行业中的应用越来越广泛。除了常规的奶油食品、色拉调味品、蛋白酱 和肉类乳状液外,很多功能性物质(如营养素、香精、色素、抗菌剂、保健品等)也被制成O/W乳状液,用 于在食品中的稳定储存和使用。在实际的应用中,人们希望通过相对简单的工艺(混合、剪切、均质等) 将功能性物质制成微乳状液(粒径小于50nm)或纳米乳状液(粒径小于100nm),如Rao等I】]将这两类乳 状液与常规乳状液(粒径大于lOOnm)相比 发现更小的粒径会显著提高功能性物质的生物利用度,同 时由于对光散射行为的不同,导致较常规乳状液更透明。 食品级O 乳状液尽管性能卓越,但也会遇到诸多技术瓶颈。首先很多表面活性剂因安全性考虑 而不能使用,或只能使用极少的限量;其次,针对特定的油相物质和使用条件,乳状液的制备工艺和储 存稳定性有待深入研究;第三,尽管高能量的乳化过程可制成细分散的乳状液,但如果油相化学稳定性 差,就会遇到乳化过程与有效物稳定性的矛盾。 基于上述原因.本文将从食品级O/W型乳状液的制备、分析和影响稳定性的因素三个方面着手。综 述近年来学界在此领域取得的诸多进展,以助于乳状液技术的研究与应用。 1 食品级O八/\/乳状液的制备 1.1乳化剂 可用于制备食品级O/W乳状液的乳化剂大致可分为天然高分子乳化剂和小分子表面活性剂两大 类。天然高分子乳化剂主要有辛烯基琥珀酸淀粉酯(Starch Octenvlsucciniate,简称OS淀粉)、阿拉伯胶、 酪蛋白等,小分子表面活性剂主要有蔗糖酯、司盘(span)和吐温(tween)系列等。 0S淀粉是淀粉与辛烯基琥珀酸酐(Octenyl Succinic Anhydride,简称OSA)在一定条件反应制得 的,是一种具有亲水亲油性质的变性淀粉。OS淀粉在酸性、碱性溶液中均具有较好的稳定性,它稳定的 收稿日期:2012—11—13 作者简介:杨雷,男,宁波工程学院化工学院化工l15班学生;指导教师:仇丹,男,宁波工程学院化工学院副教授。 基金项目:浙江省青年自然科学基金(LQ12B06001)、浙江省大学生科技创新团队资助项目、宁波工程学院北仑科技创新基金。 宁波工程学院学报 2013年第1期 乳状液即使长时间储存在低温环境下也能表现出极高的稳定性。在乳状液体系中,它可吸附在油水界 面上,大幅降低油水的界面张力,由于空间位阻效应,使该乳化体系拥有很好的稳定性。如Dokic等 利 用OS淀粉稳定O/W乳状液时。发现OS淀粉有助于乳状液的形成和改善其稳定性,通过降低其界面张 力使油滴周围形成保护层,从而防止聚集,提高其稳定性。 阿拉伯胶有着复杂的分子结构,包括树胶醛糖、半乳糖、葡萄糖醛酸等,其核心部分是带支链的p一 (1.3)半乳糖主链。其良好的乳化特性和亲水亲油性决定了它特别适合于水包油型乳化体系,同时它具 有降低溶液表面张力的作用,因而经常被用于做乳化稳定剂。Rezvani等I3 就探究了阿拉伯胶稳定的乳 状液的性质。发现用阿拉伯胶稳定的乳状液能形成薄膜防止击穿,并且由于空间位阻效应延缓聚结,从 而提高乳状液的稳定性。 酪蛋白由ot、 、^y和K酪蛋白组成,是牛奶中的主要蛋白质。在乳状液中以酪蛋白磷酸钙络合物的形 式存在,能自行聚合成胶束。其分子中的亲水亲油基团使它具有良好的乳化特性,作为乳化剂时,由于蛋 白层水化作用及表面覆盖作用,使液滴之间的空间排斥增强进而提高乳状液的乳化稳定性。Tan等_4 发现 以酪蛋白为基础的乳状液因静电和空间稳定作用具有长期稳定性,油一水增容性质决定了其良好的乳 化稳定性。 蔗糖酯全称蔗糖脂肪酸酯(Sugar Esters,简称SE),以蔗糖为原料在适当的反应体系中与脂肪酸反 应而成。它是一种以蔗糖的羟基为亲水基,脂肪链的碳链部分为亲油基的乳化剂;司盘又叫失水山梨醇 脂肪酸酯,是w/o型乳化剂,具有很强的乳化作用;吐温是司盘和环氧乙烷的缩合物,常作为o/w性乳 化剂。吐温较司盘乳化性稍弱。 综上可知,乳化剂一般都具有亲水亲油基团,可被吸附在油一水界面上,从而改进界面膜的机械性 能,提高乳状液的稳定性。 1.2制备方法 对于一般的食品级o/w乳状液,制备过程通常是将乳化对象配成油相,将乳化剂溶于水成为水相, 然后将油相倾入水相中并进行各种处理,包括简单热处理、剪切分散、均质和超高压均质等。 简单热处理方法制备乳状液非常方便,但是用该方法制得的乳状液稳定性差,所以一般只在理论 中研究分析。如Wu等[ ]利用I一角叉菜胶溶液和大豆油在室温下混合,磁力搅拌3O分钟,再置于密封试 剂瓶中,按照固定温度(30、60、90和120 ̄C)的温度持续升温30min,最后利用冰水回复至室温,然后对 其zeta电位和光散射进行分析。结果显示,热处理制备的乳状液稳定性显著差于其它制备方法,说明简 单热处理过程不足以使乳化剂充分乳化稳定油相物质。 剪切分散是实验室制备乳状液的常规手段,市场上有多种不同类型的高速剪切乳化机,它们能够 高效、快速、均匀地使油相进入到水相,当外部能量输入时,两种物料重组成为均一相;乳化泵由于转子 高速旋转所产生的切线速度和高频机械效应带来的强劲动能,使物料在定、转子狭窄的间隙中受到强 烈的机械剪切、离心挤压、液层摩擦、撞击撕裂和湍流等综合作用,最终形成乳状液。如Karaman等 将 配好的混合物经13000rpm的转速下高速剪切2min制得乳状液,发现高速剪切能有效地破坏油相絮凝 作用,从而有效的提高乳状液的稳定性。不过,利用高剪切乳化机制备的乳状液的均匀性不是太好,总 会有少量未完全乳化的物料,因此,在实际使用过程中,高剪切乳化机制得的乳状液(一般称之为粗乳 液)还需进一步处理。 均质[, 是食品行业生产中另一项常用技术,通过均质将物料在挤压、强冲击与失压膨胀的j重作用 下细化,从而使物料能更均匀地相互混合,一般粗乳液经过均质处理后,就能达到实际使用的要求。高 压均质机是目前乳状液的通用设备,意大利Niro、丹麦APV等型号的均质机应用较多。均质过程一般 都可以将有效物制成常规乳状液,但遇到熔点高、难乳化的物质,或是需要粒径达到更小的水平时,就 显示出了技术的缺陷。 杨雷仇丹王佐杨汤成科:食品级水包油型乳状液的研究进展 45 超高压均质是近年来兴起的乳化技术,其典型代表就是美国MFIC高压微射流纳米均质机 (Microfluidizer)。与一般高压均质机相比,高压微射流纳米均质机利用流体高速流过交互容腔所产生的 高剪切、高碰撞和空穴效应将物料分散,而高压均质机主要是利用碰撞的效应,其剪切力很小;两者在 相同的压力条件下,微射流纳米均质机的分散效果更好,所以能得到更为均匀的颗粒。如Chen等隅 利用 Microfluidizer在62MPa的压力下循环16次制得粒度在110nm左右的维生素E乳状液.发现较普通均 质产品具有更好的透明度以及更好的稳定性。 乳状液的制备在研究过程中是必备要素,只有制得乳化完全又细分散的乳状液.才能用于其它方 面的研究,如不同因素对乳状液的影响等。 2食品级O/W乳状液的分析技术 评价食品级O/W乳状液需要用到众多分析手段,粒度、稳定性、流变性能、粘度、zeta一电位、浊度、 光学表征、界面张力等均是评价乳状液性能的重要方法。下文将重点介绍分析粒度、稳定性、流变性能 的原理和应用。 2.1粒度分析 分析乳状液的粒径分布是评价乳状液的有效手段,目前测量粒径的方法有很多种,如筛分法、沉降 法、显微镜法、激光粒度测量法、库尔特全自动颗粒粒径分析、颗粒计数器分析、电感应法等,其中激光 粒度测量法在实验室研究中应用较为广泛。 激光粒度分析仪的分析原理是利用颗粒对光的散射(衍射)现象测量颗粒大小的,即光在行进过程 中遇到障碍物偏离原方向,通过偏离量的测定得出粒径的大小,其常用型号是马尔文激光粒度分析仪。如 Kuhn等 就使用马尔文激光粒度分析仪来进行粒度的评价分析,他们将0.1ml的乳状液稀释到150ml的 水中,测试发现由高压均质制得的乳状液粒度大小在ltxm左右,并且粒度随着压力的增大而减小:孙 术国等n叫同样使用马尔文粒度分析仪来测定乳状液贮藏两周的粒度变化率。以此来评价乳状液的稳定 性,其分析测得乳状液的粒度变化率都在1%以内,说明该乳状液具有较好的稳定性。 粒度的大小与分布对乳状液的粘度、稳定性、成膜性和应用性能均有影响,因而是控制乳状液质量 的重要指标。 2.2乳状液的稳定性分析 评价乳状液稳定性的方法有人工测定和稳定性分析仪测定等方法。 曾有文献提到过两种人工测定方法,一种为取1O毫升乳状液于管中,在5 ̄C下贮藏数月,定期用肉 眼观察,并记录存储时间以及可见的上层清油层高度,计算出其体积,再与乳状液初始体积相比[J1]。另 一种方法为取10毫升乳状液在440g下离心5分钟.记录上清液的体积_l2]。但是这些方法存在较大的 误差,不能很好地分析评价乳状液的稳定性。 在国际国内稳定性分析市场上的稳定性分析仪主要有两种。一种是法国Formulactio13公司生产的 全能稳定性分析仪(Turbsican),另一种为德国Lum公司生产的Lumi稳定性分析仪。这2种方法均为非 结构破坏性测量,其中Turbsican应用更为普遍。 Turbsican采用多重光散射原理,重力静置垂直扫描模式,定性定量的分析乳状液在非破坏、无接触 样品的情况下,垂直扫描模式的稳定性,采用Turbsican能分析最高浓度达95%.粒度在50nm到 10001.Lm之间的样品。Jourdaina等[13]通过比较马尔文激光粒度分析仪和Turbsican分析得到的粒度之间 的关系,区分油滴聚集是否可逆,从而判定乳状液的稳定性;Rao等 在研究热处理对乳状液稳定性影 响时,利用了此方法进行了稳定性的评价,在研究中,他们利用此方法直接获得了热处理前后乳状液的 稳定性数据,这表明,该方法更有利于直观的获得乳状液稳定性的相关数据,更有利于我们对乳状液的 宁波工程学院学报 2013年第1期 稳定性分析。 稳定性分析仪相对于人工测量法更准确、迅速,因而更有实际应用价值。 2.3乳状液的流变性能分析 流变性能是指物质在外界作用下变形和流动的性质。早期流变性的研究主要是经验性的测定,如 产品在自身质量下其流动性、铺展性和碎裂性的研究。随着研究活动的深入,越来越多的仪器如显微 镜、超声仪、核磁共振以及流变仪等被应用到流变性能的测量当中,其中流变仪的应用最为广泛。 流变仪主要有四种:旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪。界面流变仪的应用较 为常见,其主要作用形式是振荡剪切。如Melito等 就应用了大振幅振荡剪切(LAOS)分析评价乳状液 的流变性能。LAOS是通过施加大振幅的正弦剪切应变,得到非正弦的应力响应,然后进行Fourier变换 或应力分解等处理.较全面地反映样品的流变性能;Chanamai等n 用同心圆筒动态剪切流变仪来测量 阿拉伯胶和改性淀粉稳定的饮料乳状液的流变性能,发现在30s一1的速率下连续预剪切30秒.稳定 3min,剪切应力从0增加到3Pa,同时利用表观粘度来确定乳状液的流变性能;Lopez—Sanchez等n 利用 应力控制流变仪来测量样品流变性,整个反应控制温度在20℃的条件下,稳定5min后在100s—l的速 率下预剪切60s,随后在频率为1Hz时从0.01到300%应变力的条件下进行应变扫描。 粘度作为流体的固有物理属性,在实际应用常用此来表现乳状液的流变性,而剪切速率直接影响 乳状液的粘度.因而在研究流变性能的同时应考虑到剪切速率的重要影响。 3影响食品级O/W乳状液稳定性的因素 乳状液一般遵循相分离的斯托克斯(Stockes)公式: = 其中1J:分散液滴沉降速率,m/s;p :分散相密度,g/m ;p::连续相密度,g/m ;D:分散液滴颗粒直径, m;11:连续相粘度,cp。 由此可见,粘度、密度差和空间位阻均是影响乳化液稳定性的重要原因。此外,界面膜强度、zeta一电 位、pH值、温度、离子浓度以及不同乳化剂和乳化对象的性质也会影响乳状液的稳定,下文将重点介绍 pH值、温度以及离子浓度对食品级O/W乳状液稳定性的影响。 3.1 pH值对乳状液稳定性的影响 pH值的变化致使液滴带一定量的电荷,而带不同电荷量的液滴之间的排斥力与吸引力是不同的, 其大小关系决定了液滴的絮凝程度,粒度也将发生一定程度的变化,因此乳状液的稳定性受pH值的影 响。 Tantana等 研究胶原纤维的乳化性能时发现pH值为3.5时,乳状液由于静电作用表现出较高的 稳定性,并且乳状液的稳定性随着pH值升高而增强;Rao等 发现不同pH值导致蔗糖棕榈酸酯胶体 的分散和结构存在差异,初始阶段纳米乳状液呈均匀不透明状,微乳液呈均匀透明状,随着储存时间的 延长,两种O/W乳状液在酸和碱性环境中明显地表现出不稳定性,出现平均粒径的骤增和相分离现象; Jourdaina等_13 在研究酪蛋白酸钠和硫酸葡聚糖稳定的乳状液时,发现当pH值从6降到2时粒度明显 增大且光学显微镜下可观察到明显的聚集现象,而当pH值远低于等电点时,在含有酪蛋白的系统中聚 集过程变得不可逆。 3.2温度对乳状液稳定性的影响 温度影响乳状液稳定性的原因主要有两方面,一是温度升高增加了乳化剂的溶解度,由于热运动 的增强,乳状液界面膜强度和水滴聚并阻力减小,从而稳定性降低;另一方面,分子间的内聚力随着温 杨雷仇丹王佐杨汤成科:食品级水包油型乳状液的研究进展 47 度的升高而减小,油相的粘度降低,增加了油水的密度差,利于水滴的聚结,导致乳状液稳定性下降。 Rao等i1 在利用蔗糖单棕榈酸酯与柠檬油制备食品级微乳液、纳米乳液与常规乳状液时,发现纳米 乳液在5 ̄C下储存28天,纳米乳液的平均粒度轻微改变而微乳液出现凝胶现象;在25℃下储存28天的 纳米乳状液的平均粒度由110nm增长至130nm,但微乳液的粒度未出现大量增长;40 ̄C时纳米乳状液 与微乳液均呈现高度不稳定性。 wu等_2]发现随着温度的升高.乳状液的电荷量量减小,使得乳状液的稳定性下降,尤其当温度超 过120 ̄C时稳定性急剧下降;Qian等DSI将乳状液样品在中性条件于5、20、37和55℃的条件下储存15 天,结果显示储存温度越高,乳状液中各组分的含量降低得越快,同时粒度大小增加得越明显,颜色变 化越大.乳状液的稳定性越低。 3.3离子浓度对乳状液稳定性的影响 离子浓度如氯化钠、氯化钙等均对乳状液的稳定性有一定的影响。乳化剂遇离子可能与之交联、变 性。改变其分子结构,进而导致乳化剂的乳化能力下降,使乳状液的稳定性下降;当然,离子也可能改变 乳化对象的结构变化造成乳状液的稳定性变化,如Bortnowskat 在研究双乙酰和0【一蒎烯乳状液时,发 现NaCl浓度增大使得双乙酰乳状液的稳定性下降,但对 一蒎烯乳状液的稳定性却有促进作用,且这 种现象与乳化剂种类无关。 不过在实际研究中,离子对常规乳化剂稳定的食品级O/W乳状液的影响大都并不显著。如Sang等 在控制pH值、温度相同的条件下改变NaC1的浓度,发现对于利用OS淀粉稳定的乳状液,离子浓度 对其的影响并不大;Lim等E2 在pH值为3.5的时候研究了离子浓度对以OS淀粉作为乳化剂的乳状液 稳定性的影响,通过在室温20℃的条件下添加0—500mM的NaC1后储存2天,研究发现粒度稳定在 0.191- ̄m左右.说明离子浓度对乳状液稳定性的影响不大。 4结语 目前食品级O/W乳状液的应用愈加广泛,各种研究论著层出不穷。本文主要讲述了食品级O/W乳 状液的制备方法、分析评价技术以及影响稳定性的因素,集中展示了食品级O/W乳状液技术近年来取 得的诸多研究进展,为国内外同行在这些方面提供了有益借鉴,同时希望能帮助人们更加全面地认识 乳状液。 参考文献: [1]Rao J,McClements D J.Formation of flavor oil microemulsions,nanoemulsions and emulsions:influence of composition and preparation me ̄od[J].Journal of Agriculture and Food Chemistry,2012,59:5026—5035. [2]Dokic L,Kmtonosic V,Nikolic I.Physicochemical characteristics and stability of oil-in—water emulsions stabilized by OSA starch[J].Food Hydrocolloids,2012,29:185-192. [3]Rezvani E,Schleining G,Taherian A R.Assessment of physical and mechanical properties of oil—in—water beverage emulsions using response surface methodology[J].LWT-Food Science and Technology,2012,48:82-88. [4]Tan H L,MeGrath K M.Na-easeinate/oil/water systems:Emulsion morphology dia ̄ams[J].Journal of Colloid and Interface Science,2012,381:48-58. [5]Wu N N,Huang X,Yang X Q,Guo J,Zheng E L,Yin S W,Zhu J H,Qi J R,He X T,Zhang J B. Stabilization of soybean oil body emulsions using i-carrageenan:Effect of salt,thermal treatment and freeze—thaw cycling[J].Food Hydrocolloids,2012,28:110-120. [6]Karaman S,Yilmaz M T,Doqan M,Yetim H,Kayacier A.Dynamic oscillatory shear properties of O/W model system meat emulsions:Linear viscolastic analysis for effect of temperature and oil concentration On protein network 宁波工程学院学报 2013年第1期 formation[J].Journal of Food Engineering,2011,107:241—252. [7]Rao J J,McClements D J.Food-grade mieroemulsions,nanoemulsions and emulsions:Fabrication from sucrose monopalmitate&lemon oil[J].Food Hydrocolloids.2011,25:1413—1423. [8]Chen C C,Wagner G.Vitamin E nanoparticle for beverage applications [J 3.Chemical Engineering Research& Design,2004,82:1432-1437. [9]Kuhn K R,Cunha R L.Flaxseed oil—Whey protein isolate emulsion:Effect of high pressure homngenization[J]. Journal of Food Engineering.2012.1l 1:449—457. [10]孙术国,高彦祥,尹红,麻成金,王小虎.橙汁饮料以8一胡萝 素乳状液的稳定性[J].食品科学,2012,33:99—103. [11]Varona S,Martin丘,Cocero M J.Formulation of a natural biocide based on lavandin essential oil by emulsiifcation using modiifed starches[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensiifcation,2009,48:1121—1128. [12]Drusch S,Schwarz K.Mieroencapsulation properties of two different types of n-octenylsuccinate—derivatised starch [J].European Food Research and Technology,2009,222:155—164. [13]Jourdaina L,Leser M E,Schmitt C,Michelb M,Dickinson E.Stability of emulsions containing sodium caseinate and dextran sulfate:Relationship to eomplexation in solution[J].Food Hydrocolloids,2008,22:647—659. [14]Melito H S,Daubert C R.Rheological innovations for characterizing food material properties[J 3.Annual Review of Food Science and Technology,201 1,2:153-179. [15]Chanamai R,Mcclements D J.Depletion flocculation of beverage emulsions by gum arabic and modiifed starch [J].Journal of Food Science,200l,66:457—463. [16]Lopez—Sanchez P,Chapara V,Schumm S,Farr R.Shear elastic deformation and particle packing in plant cell dispersions[J].Food Biophysics,2012,7:1-14. [17]Tantana R C,Perrechil F A,Sato A C K,Cunha R L.Emulifying properties of collagen fibers:Effect of pH, protein concentration and homogenization pressure[J].Food Hydrocolloids,2011,25:604-612. [18]Qian C,Decker E A,Xiao H,McClements D J.Physical and chemical stability of 13一carotene—enriched nanoemulsions:Influence of pH,ionic strength temperature,and emulsifier type [J].Food Chemisty,2012,132:r 1221—1229. [19]Bortnowska G.Effect of pH and ionic strength of NaC1 on the stability of diacetyl and(一)-alpha-pinene in oil— in-water emulsions formed with food-grade emulsiifers[J].Food Chemisty,2012,135:r2021—2028. [20]Sang S L,Moo Y B,Eric A D,IJu1u H,Michael P,David J M,Seung J C.Stabilization of orange oil-in-water emulsions:A new role for ester gum as an Ostwald ripening inhibitor[J].Food Chemistry,2011,128:1023-1028. [21]Liar S S,Baik M Y,Decker E A,Henson L,Popplewell L M,McClements D J,Choi S J.Stabilization of orange oil—in—water emulsion:A new role for ester gum as an Ostwald ripening inhibitor [J].Food Chemistry,2011, 128:1023-1028. Research Progress in Food-grade Oil-in-water Emulsion YANG Lei,QIU Dan,WANG Zuo-Yang,TANG Cheng-Ke (Ningbo University of Technology,Ningbo,Zhejiang,315016,China) Abstracts:This paper reviews the preparation,analysis and evaluation of food-grade oil-in-water emulsion and the factors affecting the stability of emulsion and introduces the research progress in this field so as to promote the further application of emulsion technology. Keywords:oil-in-water emulsion;preparation;analysis;stability 

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