溫度、PH和鹽對乳清蛋白乳狀液穩(wěn)定性的影響

崔 健，酈金龍，王 盼，梅雪瑩，殷麗君

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

溫度、PH和鹽對乳清蛋白乳狀液穩(wěn)定性的影響

崔 健，酈金龍，王 盼，梅雪瑩，殷麗君*

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

乳清蛋白具有一定的乳化能力，在食品工業(yè)中常作為乳化劑使用。以乳清濃縮蛋白（WPC）、乳清水解蛋白（WPH）和乳清分離蛋白（WPI）為乳化劑，經(jīng)高壓均質(zhì)制備O/W型乳狀液，以平均粒徑和分層系數(shù)為穩(wěn)定性指標(biāo)，研究了溫度、pH和鹽對乳狀液穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：WPI乳狀液具有最小的平均粒徑。各環(huán)境因素對乳狀液穩(wěn)定性的研究表明，pH是影響乳狀液穩(wěn)定性最顯著的因素，當(dāng)pH在蛋白質(zhì)等電點(diǎn)（4～6）附近時(shí)，各乳狀液中粒子均發(fā)生絮凝或聚合，乳狀液發(fā)生脫穩(wěn)。受環(huán)境因素影響，WPC乳狀液具有最好的穩(wěn)定性。這些結(jié)果為乳清蛋白作為乳化劑用于食品工業(yè)提供了重要依據(jù)。

乳狀液，乳清蛋白，穩(wěn)定性，pH，平均粒徑

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

Thermax34乳清濃縮蛋白（WPC，蛋白含量34.0%）、Thermax690水解乳清分離蛋白（WPH，蛋白含量90.0%～93.0%）、Provon290速溶乳清分離蛋白（WPI蛋白含量92.0%～95.0%） Glanbia公司；疊氮化鈉 sigma公司；金龍魚大豆油 當(dāng)?shù)爻校ㄎ醇兓?；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉 國藥集團(tuán)；其它試劑 均為分析純；蒸餾水 自制。

NS1001L高壓均質(zhì)機(jī) 意大利Niro Soavi公司；LS230激光粒度分析儀 美國貝克曼—庫爾特公司；T25高速混勻機(jī) 德國 IKA公司；PB-21酸度計(jì) 德國賽多利斯公司；恒溫磁力攪拌器 上海司樂儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳狀液的制備 水相：將1.0wt%的蛋白質(zhì)與0.02wt%的疊氮化鈉（防止微生物腐?。┤苡?0mmol/L的磷酸緩沖液中（pH7.0），室溫下磁力攪拌4～6h，使蛋白質(zhì)充分溶解。將油相（市售大豆油）與上述水相按質(zhì)量比1∶9混合（體系總質(zhì)量為200g），利用高速混勻機(jī)于19000r/min下混合1min。

將混勻后的乳液采用兩級控制高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)，一級壓力為500bar，二級壓力50bar，均質(zhì)一次。均質(zhì)后的乳液于4℃儲存。

1.2.2 穩(wěn)定性測定

通過南通地名變遷，考察南通社會的發(fā)展變遷，社會進(jìn)步，從而產(chǎn)生對社會的認(rèn)可、對社會制度的理解、對社會環(huán)境資源配置的厚重感。南通從條件惡劣轉(zhuǎn)變?yōu)椴皇軞夂蛱鞛?zāi)影響，從最偏僻唯恐避之不及的邊疆轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣酱蚬ふ邞汛粝胱分鹬?，從只能從事圍土晾曬的制鹽業(yè)發(fā)展到農(nóng)工商各行業(yè)發(fā)達(dá)；從少有文明種子播撒的蠻荒之地進(jìn)化為尊師重教已經(jīng)內(nèi)化為傳統(tǒng)習(xí)俗的文明之所，通過歷史演變激發(fā)可以民眾愛家鄉(xiāng)愛國熱情。

1.2.2.1 溫度對乳狀液穩(wěn)定性的影響 取8mL新制備乳狀液-18℃冷凍20h，分別于60、80℃加熱1h，90℃加熱15min后，降至室溫，于4℃貯藏過夜，進(jìn)行穩(wěn)定性測定。

1.2.2.2 pH對乳狀液穩(wěn)定性的影響 用濃度為1mol/L的鹽酸、氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)乳狀液的pH至3～11，于4℃貯藏過夜，進(jìn)行穩(wěn)定性測定。

1.2.2.3 鹽對乳狀液穩(wěn)定性的影響 取8mL新制備的乳狀液（pH=7），加入2.5mol/L的氯化鉀溶液或0.5mol/L的氯化鈣溶液，使乳狀液中氯化鉀濃度為0～500mmol/L，氯化鈣的濃度為0～20mmol/L，于4℃貯藏過夜，進(jìn)行穩(wěn)定性測定。

1.2.3 穩(wěn)定性指標(biāo)［3］

1.2.3.1 粒徑檢測（Particle size measurement） 利用LS230激光粒度分析儀進(jìn)行乳狀液中粒子的粒徑測定。粒徑采用體積分?jǐn)?shù)表示的平均粒徑（d4，3）或粒徑分布圖表示。實(shí)驗(yàn)中大豆油的折射率為1.436，蒸餾水的折射率為1.33，粒子的吸收值為0.001。

1.2.3.2 分層系數(shù)（Creaming index） 取8mL處理后的乳狀液于離心管中，在4℃貯藏24h后，乳狀液發(fā)生分層現(xiàn)象，上相渾濁，下相澄清。

分層系數(shù)（%）=下相的高度HS/乳狀液總高度HT×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 乳狀液的成粒特性

圖1和表1列出了分別采用乳清濃縮蛋白（WPC）、乳清水解蛋白（WPH）以及乳清分離蛋白（WPI）制備乳狀液的粒徑及分布。結(jié)果表明，乳清分離蛋白（WPI）制備的乳狀液粒徑最小，這可能是由于其具有較高的蛋白質(zhì)含量，當(dāng)用作乳化劑時(shí)，有足夠多的蛋白質(zhì)吸附到油滴表面，降低界面張力，形成穩(wěn)定的乳狀液［4］。

另外，WPH雖然具有較高的蛋白質(zhì)含量，但在本研究中其乳化能力最差，形成的乳狀液中粒子平均粒徑大，這個結(jié)果與Chu等人采用乳清蛋白及其水解物制備納米乳液不符［1］，這可能是與蛋白質(zhì)的水解程度不同有關(guān)。乳清蛋白的過度水解產(chǎn)生了較多的小分子量多肽片段，可以降低水解蛋白的乳化能力［5］。此外，界面張力測定結(jié)果也表明本文選用的WPH界面張力大于WPI和WPC，也說明其乳化能力不如大分子蛋白質(zhì)。

圖1 不同乳清蛋白制備的乳狀液粒子的粒徑分布圖

表1 不同乳化劑制備的乳狀液粒子的粒徑特性

2.2 溫度對乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖2是幾種乳清蛋白制備乳狀液的熱穩(wěn)定特性。由圖可見，幾種乳清蛋白制備的乳狀液表現(xiàn)出了不同的穩(wěn)定特性。其中，WPC穩(wěn)定的乳狀液受溫度影響變化較小，高溫和冷凍-解凍處理下平均粒徑都保持穩(wěn)定；盡管加熱處理對WPI穩(wěn)定的乳狀液粒徑無明顯影響，但冷凍-解凍處理對該乳狀液的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，乳狀液粒子平均粒徑從1.26μm增加到2.29μm；WPH乳狀液表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性，特別是冷凍-解凍處理對其粒徑影響也很小，但是溫度升高仍然會導(dǎo)致該乳狀液粒子的平均粒徑逐漸增大，并且90℃下處理15min后乳狀液產(chǎn)生明顯的絮凝或聚結(jié)現(xiàn)象，粒徑也從2.65μm增加到3.48μm。在本文的各種溫度處理?xiàng)l件下，所有乳狀液都沒有產(chǎn)生明顯的乳狀液分層現(xiàn)象。

圖2 溫度對乳狀液粒子平均粒徑的影響

從上述結(jié)果可知，在本文所研究的加熱和冷凍處理?xiàng)l件下，WPH乳狀液對熱處理表現(xiàn)較為敏感，而WPI乳狀液對冷凍-解凍處理比較敏感。蛋白質(zhì)在乳化過程中通過自身結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)吸附在乳化界面上降低表面張力，然而加熱過程可以改變蛋白質(zhì)原有的吸附狀態(tài)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)伸展，其內(nèi)部非極性的基團(tuán)更多地暴露在水相中，從而降低其穩(wěn)定性。對于乳清蛋白來講，其主要成分為球形蛋白α-乳白蛋白和β-乳球蛋白，加熱可以使得展開的α-乳白蛋白和β-乳球蛋白將帶二硫鍵的氨基酸片段和非極性端也暴露于水相中［6］，這些活性氨基酸的暴露促進(jìn)了蛋白質(zhì)之間的疏水作用和二硫鍵作用，導(dǎo)致聚合［7］。本文中WPH表現(xiàn)出來的熱穩(wěn)定性較差，可能原因在于WPH自身的乳化能力較低，另外蛋白質(zhì)的水解也暴露了更多的疏水基團(tuán)，從而導(dǎo)致了較低的熱穩(wěn)定性。

冷凍處理可以在乳狀液水相中形成冰晶，使得乳狀液粒子濃度和水相中的離子強(qiáng)度升高，粒子間距縮小，蛋白質(zhì)分子間相互作用力增強(qiáng)，從而引起乳狀液在冷凍解凍過程中液滴的聚合，這可能是WPI乳狀液對冷凍非常敏感的原因［8］。本文中WPC的蛋白質(zhì)濃度較低，受蛋白質(zhì)分子間作用力和離子強(qiáng)度升高的影響更小，而WPI和WPH具有較高的蛋白質(zhì)含量，但是WPH大多為蛋白質(zhì)的水解肽，具有更好的溶解能力，因此也表現(xiàn)出一定的蛋白質(zhì)凝集現(xiàn)象。另外，形成的冰晶可以劃破粒子界面乳化薄膜，引發(fā)乳狀液的破乳，從而導(dǎo)致粒徑的增大［9］。

2.3 pH對乳狀液穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，在乳清蛋白的等電點(diǎn)附近（pH4～6），各蛋白穩(wěn)定的乳狀液均表現(xiàn)出粒徑增大、分層等脫穩(wěn)現(xiàn)象；在pH=3和pH6～11時(shí)，各乳狀液具有高的穩(wěn)定性。這是由于在等電點(diǎn)附近，蛋白質(zhì)的溶解度降低，形成乳狀液的能力下降；而且此時(shí)蛋白質(zhì)粒子表面的電荷量較低，粒子間的靜電排斥力降低，易發(fā)生絮凝或聚合，表現(xiàn)為乳狀液的粒子粒徑增大。但當(dāng)pH遠(yuǎn)離等電點(diǎn)時(shí)，液滴帶負(fù)電荷（如pH=3）或帶正電荷（pH≥6），帶電液滴間排斥力大于相互吸引的范德華力，液滴不會相互凝聚，乳狀液具有高度的穩(wěn)定性［10］。

圖3 pH對乳狀液粒子平均粒徑的影響

圖4 pH對乳狀液分層系數(shù)的影響

乳狀液穩(wěn)定性變化過程中，分層和粒徑增大往往都是脫穩(wěn)的表現(xiàn)，分層雖然使乳狀液的均勻性受到破壞，但是乳狀液并沒有真正被破壞；粒徑增大根據(jù)其表現(xiàn)會有不同的區(qū)分，絮凝通常表現(xiàn)為粒子的相互靠近，這個變化通常是可逆的，可以通過攪動重新分散；而聚合往往表現(xiàn)為粒子的相互融合導(dǎo)致不可逆的粒徑增大，這些變化往往是由于不同的機(jī)理產(chǎn)生的。本文中乳狀液經(jīng)pH處理后，在等電點(diǎn)附近發(fā)生的聚合是乳狀液真正的破壞。

WPC穩(wěn)定的乳狀液受pH處理后平均粒徑變化幅度小，這可能也與其蛋白質(zhì)含量低有關(guān)，乳化劑中存在的其它成分減小乳狀液液滴對pH變化的敏感性，使粒徑受pH影響小。

2.4 鹽對乳狀液穩(wěn)定性的影響

圖5為K+添加對乳狀液穩(wěn)定性影響的研究結(jié)果，加入K+對乳清蛋白乳狀液穩(wěn)定性沒有明顯的影響，乳狀液的粒子粒徑、分布均無明顯變化（圖未示），乳狀液也仍保持較好的分層穩(wěn)定性。

圖5 KCl濃度對乳狀液粒子平均粒徑的影響

圖6和圖7為添加Ca2+對乳狀液穩(wěn)定性影響的研究結(jié)果。當(dāng)CCaCl2≥15mmol/L時(shí)，各乳清蛋白穩(wěn)定的乳狀液均發(fā)生脫穩(wěn)現(xiàn)象；具體表現(xiàn)在：WPI穩(wěn)定的乳狀液粒子平均粒徑顯著增加，發(fā)生明顯的絮凝或聚合現(xiàn)象，而WPC和WPH穩(wěn)定的乳狀液粒徑雖然沒有明顯增大，但是卻發(fā)生了明顯的分層現(xiàn)象。

圖6 CaCl2濃度對乳狀液粒子平均粒徑的影響

圖7 CaCl2濃度對乳狀液分層系數(shù)的影響

以前的研究已經(jīng)表明，增加離子濃度可以提高乳狀液中水相的離子強(qiáng)度，增加離子強(qiáng)度可以在乳狀液中產(chǎn)生靜電屏蔽，這些都降低粒子間的靜電排斥力，誘發(fā)粒子絮凝或者聚合［12］。本文制備的乳狀液為蛋白質(zhì)穩(wěn)定的乳狀液，帶電荷多的二價(jià)Ca2+與一價(jià)K+相比，是乳狀液更有效的失穩(wěn)劑。

3 結(jié)論

乳狀液的穩(wěn)定性對于產(chǎn)品的外觀、貨架期和質(zhì)構(gòu)都有很大影響，高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)取決于對影響乳狀液穩(wěn)定性因素的理解。本文主要研究了幾種乳清蛋白穩(wěn)定乳狀液的制備特性以及溫度、pH和離子強(qiáng)度變化對幾種乳清蛋白穩(wěn)定乳狀液穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明高蛋白含量的乳清蛋白（WPI）制得的乳狀液粒徑雖然最小，但是穩(wěn)定性較差；外界環(huán)境因素變化可以誘發(fā)不同機(jī)理的乳狀液脫穩(wěn)，WPC穩(wěn)定的乳狀液粒徑增大較小，但是體系容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象；相反，WPI穩(wěn)定的乳狀液不容易分層，但是粒徑分布對環(huán)境變化最為敏感。比較結(jié)果顯示W(wǎng)PC穩(wěn)定的乳狀液具有最好的穩(wěn)定性。

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Influence of temperature，pH and salts on the stability of emulsions stabilized by whey protein

CUI Jian，LI Jin-long，WANG Pan，MEI Xue-ying，YIN Li-jun*
（College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

Whey protein has certain emulsifying ability in the food industry，often used as emulsifiers.Whey protein concentrate（WPC），whey protein hydrolysate（WPH）and whey protein isolate（WPl）were as emulsifier to prepare O/W emulsion by high pressure homogenization.With average particle size and layered coefficient as stability index，effects of temperature，pH and salt on emulsion stability were studied.pH was the most significant factor.Appreciable droplet flocculation occurred near the isoelectric point of whey protein（pH4～6）.Near the isoelectric point of pH4～6，particles in emulsion occurred flocculation or aggregation to become unstable.WPC had the best stability of the emulsion.These results provided an important basis for the whey protein as an emulsifier for the food industry.

emulsion；whey protein；stability；pH；mean particle size

TS201.2+1

A

1002-0306（2010）11-0084-04

2009-11-18 *通訊聯(lián)系人

崔健（1987-），女，在讀碩士研究生，研究方向：食品材料的微細(xì)化加工及相關(guān)評價(jià)技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20776151）。