超聲波處理對酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液乳化穩定性的影響

趙穎穎，李 可，王 鵬，康壯麗，徐幸蓮,*，白艷紅

（1.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，食品生產與安全河南省協同創新中心，河南 鄭州 450001；2.南京農業大學國家肉品質量安全控制工程技術研究中心，江蘇 南京 210095；3.河南科技學院食品學院，河南 新鄉 453003）

超聲波處理對酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液乳化穩定性的影響

趙穎穎1，李 可1，王 鵬2，康壯麗3，徐幸蓮2,*，白艷紅1

（1.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，食品生產與安全河南省協同創新中心，河南 鄭州 450001；2.南京農業大學國家肉品質量安全控制工程技術研究中心，江蘇 南京 210095；3.河南科技學院食品學院，河南 新鄉 453003）

為改善預乳化液的乳化穩定性，本研究應用超聲波技術制備酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液，研究不同時間（0、3、6、9、12 min）超聲波處理（20 kHz，450 W）對預乳化液的pH值、電導率、乳液分層指數、液滴粒度分布和平均粒徑大小以及黏度的影響。結果表明，不同超聲波處理時間對酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液pH值和電導率沒有顯著影響（P＞0.05）。在0 h時，各超聲波處理組和對照組的乳析率差異不顯著（P＞0.05），在貯藏12、24、36 h時，各超聲波處理組的乳析率顯著低于對照組（P＜0.05）。超聲波時間對預乳化液的粒徑分布范圍和粒徑大小影響顯著（P＜0.05），隨著超聲波時間的延長，D4,3、D3,2和D50顯著變小（P＜0.05）。在剪切速率0.1 s－1時，超聲波時間對酪蛋白酸鈉-植物油預乳化液的黏度有顯著影響，各組超聲波預乳化液的黏度均顯著高于對照組（P＜0.05）。因此，應用超聲波處理酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液，可以延長貯藏期，減小乳化液粒徑，提高黏度，有效改善乳化穩定性。

超聲波；預乳化；乳化穩定性；粒度分布

低溫乳化型肉糜制品是消費者最喜愛的肉制品之一，是乳化理論應用實踐的代表產品。該類產品包含蛋白質、水和脂肪等多種成分，加工過程中形成復雜的水-蛋白質-脂肪肉糜乳化體系。其中脂肪對乳化型肉制品的流變、結構特性和口感等起著重要作用。但是，大部分乳化型肉糜制品包含20%以上脂肪，是高能量肉制品，過量食用容易影響消費者的身體健康[1]。為了降低乳化型肉制品中脂肪的含量，一般通過添加不同種類的植物油、膳食纖維、非肉蛋白成分和低聚木糖等[2-4]。而在乳化型肉制品中替代動物脂肪較好的方法是應用預乳化技術，即使用植物蛋白替代動物蛋白包裹脂肪球，然后使用預乳化植物油替代豬背膘，如預乳化橄欖油、菜籽油等，經前人的研究，該方法取得了良好的效果[5]。然而，實際生產過程中制備的預乳化液存在不穩定現象，需要及時使用預乳化液加工到肉糜體系。解決這一問題是肉制品企業和研究人員進一步應用推廣預乳化技術所面臨的關鍵技術難題。

高強度（＞1 W/cm2）超聲波技術在食品加工工業中的應用十分廣泛。其通過空化效應、動態振動和剪切應力等生成的理化作用可以用來修飾各種食品體系在加工處理過程中的理化性質、改善品質和提高加工效率，給食品工業帶來巨大的經濟價值[6]。其中超聲波空化效應在兩種不相容液體（水和油）界面形成微射流，促進乳化。與機械振蕩相比，超聲波法能產生更小更穩定的液滴，所需能量少，有效分解乳脂肪球，均質乳化牛奶[7-8]。因而超聲波乳化制備穩定的乳化液方法具有可行性[6,9]。然而，超聲波技術在肉制品加工中預乳化液的應用方面仍鮮見報道[10]。

因此，為了使預乳化液達到良好的乳化穩定狀態，更適應加工貯藏，本研究在已應用超聲波預乳化方法降低乳化類肉糜制品的脂肪添加量的基礎上[11-12]，以超聲波技術改善預乳化液穩定性作為切入點，進一步探究超聲波技術對酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液的乳化穩定性的影響，為開發超聲波處理的預乳化液作為乳化型肉制品的脂肪替代物提供理論參考和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酪蛋白酸鈉 蒙牛乳業有限公司；金龍魚大豆油（16%飽和脂肪、25%單不飽和脂肪、59%多不飽和脂肪）益海（泰州）糧油工業有限公司；NaCl、Na2HPO4、NaH2PO4均為分析純 天津市永大化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Ultra Turrax T-25 Basic高速勻漿機、C-MAG HS7加熱磁力攪拌器 德國IKA公司；VC-750超聲波細胞破碎儀 美國SONICS公司；TASI-601-K型溫度計 蘇州特安斯電子有限公司；Mastersizer 3000激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司；Physica MCR301流變儀奧地利Anton Paar公司；AUY120分析天平 日本島津公司；FE20實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；Orion 3-Star手持式電導率儀 美國賽默飛世爾科技公司；SIM-F124制冰機 日本三洋公司；冷庫操作間 上海銳歐公司。

1.3 方法

1.3.1 制備預乳化液

首先將酪蛋白酸鈉、磷酸鹽緩沖液A（0.6 mol/L NaCl、50 mmol/L Na2HPO4/NaH2PO4，pH 6.25）和大豆油按照質量比0.09∶4.00∶5.00的比例混合[11,13]。用Ultra Turrax T-25 Basic高速勻漿機在6 000 r/min條件下進行乳化均質20 s，均質3 次，得到預乳化液。

1.3.2 超聲波處理預乳化液

將預乳化液（每次150 mL）放入超聲波細胞破碎儀的雙層套管玻璃燒杯中進行超聲波處理，超聲波過程中用循環冰水或制冷液通過冷卻套管保持樣品溫度為4～8 ℃。超聲波發生器頻率為20 kHz，振幅為60%，功率450 W，所用探頭直徑13 mm，脈沖持續4 s，停2 s，總的超聲波時間梯度為0、3、6、9、12 min，制備的各組預乳化液，分別命名為C、T1、T2、T3、T4。在0～4 ℃條件下保存過夜。

1.3.3 檢測指標

1.3.3.1 超聲波強度

超聲波強度（P）通過熱電偶進行測定計算[14-15]，單位W/cm2。因為超聲波是機械能，在通過介質時部分能量以熱量形式消耗。超聲波分散液體時產生熱量，因此通過記錄溫度隨時間的變化來測定空化功率/W。

式中：m表示超聲波液體的質量/g；Cp表示恒壓條件下介質的比熱容/（J/（g·K）），取決于介質的組分和體積；表示曲線開始的斜率。

1.3.3.2 pH值的測定

pH計測定乳化液在室溫條件下的pH值，每組樣品重復3 次。

1.3.3.3 電導率的測定

將Orion 3-Star手持式電導率儀插入到樣品中，記錄乳化液的電導率，測定溫度為室溫。

1.3.3.4 預乳化液乳析率的測定

參考Chen Lin等[16]的方法，將10 mL新鮮的預乳化液樣品，立即倒入10 mL帶刻度的透明玻璃試管（高120 mm，直徑13 mm）中。隨后用試管蓋密封，防止蒸發，迅速將預乳化液在0～4 ℃條件下靜置，貯藏36 h觀察乳化液的分層情況。乳液分層后形成兩部分，上面白色部分為油脂層，下面為清液層。分別在0、12、24、36 h時，通過公式（2）計算預乳化液的乳液分層指數（creaming index，CI）/%。

式中：HS表示的是清液層高度/cm；HE表示的是乳液樣品的總高度/cm。

1.3.3.5 油滴粒度分布和平均粒徑大小的測定

采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀測定預乳化液中油滴的平均粒徑和粒度分布。分析模式設定為：進樣器為大容量自動濕式樣品分散裝置（large volume automatic wet dispersion unit）；顆粒折射率為1.520，顆粒吸收率為0.1；分散劑為水；分散劑折射率為1.330；傳感器閾值為100；背景測試持續時間為15 s；攪拌轉速為2 000 r/min。

測試前取1.3.1節中所制備的酪蛋白酸鈉-植物油預乳化液，按照0.1 g/100 mL的劑量向其中加入十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS），以防止乳化液中油滴微粒發生凝聚。每次測定3 次重復取平均值。測定的結果可以表示為D10、D50、D90、D3,2和D4,3。其中，D10、D50和D90分別表示粒徑積累值達到體積百分比的10%、50%和90%時的粒徑大小。

乳化液中油滴的平均粒徑可以通過公式（3）和（4）計算得出。

式中：di表示的是測定的第i個油滴的粒徑/μm；ni表示的是粒徑為di的液滴數；D3,2表示體積表面積等效平均粒徑（即粒徑對表面積的加權平均值）/μm；D4,3表示體積質量等效平均粒徑（即粒徑對體積的加權平均值）/μm[17]。

1.3.3.6 黏度特性的測定

黏度的測定參考Picotti等[18]的方法，并進行適當修改。采用Physica MCR301流變儀，測定樣品的黏度大小。將樣品置于50 mm平板上，使其分布均勻并防止氣泡產生，平衡30 s，達到測試溫度25 ℃。剪切速率從0.1 s－1到1 000 s－1，總的剪切時間為330 s。記錄剪切初始速率0.1 s－1的黏度值。

1.4 統計分析

采用SAS 8.12統計軟件進行方差分析。方差分析采用單因素ANOVA分析（P＜0.05），多重比較采用Duncan’s法。

2 結果與分析

2.1 超聲波處理時間對超聲波強度和能量的影響

表1 應用于各組預乳化液的超聲波處理時間、超聲波強度和能量Table1 Ultrasonic intensity and energy as a function of irradiation time (450 W and 20 kHz)

如表1所示，4 個超聲波處理組（T1、T2、T3和T4）在頻率為20 kHz的探頭和輸出功率450 W條件下分別超聲3、6、9、12 min，作用于預乳化液的超聲波強度分別為50.98、50.54、50.84、50.10 W/cm2，各個處理組之間的超聲波強度沒有顯著差異性（P＞0.05）；而各個處理組之間的超聲波能量之間存在顯著差異性（P＜0.05），隨著超聲波時間延長，超聲波能量顯著增加。

2.2 超聲波處理時間對pH值的影響

圖1 不同超聲波時間處理組的預乳化液pH值Fig.1 Effect of ultrasound irradiation time on the pH of soybean oil emulsions

酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液經過超聲波處理，各組之間的pH值差異不顯著（P＞0.05），說明延長超聲波處理時間對預乳化液pH值沒有顯著影響。Jambrak等[19]研究發現，20 kHz超聲波處理乳清蛋白溶液，對照組和超聲波處理組的pH值差異不顯著（P＞0.05）。這與本研究結果一致。也有研究發現牛乳經過超聲波處理后pH值下降[8]。這可能跟超聲波作用的體系不同有關，Walstra等[20]認為牛乳pH值的下降是磷脂類的酶水解作用所致。

2.3 超聲波處理時間對電導率的影響

由圖2可知，酪蛋白酸鈉-大豆油乳化液經過超聲波處理，各處理組之間的電導率差異不顯著（P＞0.05），說明延長超聲波處理時間對預乳化液電導率沒有顯著影響。

電導率是表示物質導電性能的物理參數，取決于物質的固有屬性、電荷類型和數量[21]。乳化液屬于熱力學不穩定系統，酪蛋白酸鈉的親水親油平衡（hydrophilelipophilic balance，HLB）值是23.25，適合作為水包油型乳化劑（oil-in-water emulsion，O/W）[22]。Arzeni等[23]研究發現高強度超聲波處理乳清蛋白、大豆分離蛋白和卵清蛋白溶液，均未引起電導率的顯著變化（P＞0.05）。Jambrak等[19]對乳清分離蛋白、濃縮蛋白和水解蛋白分別進行40 kHz和500 kHz超聲波清洗機處理，電導率反而下降。超聲波處理對電導率的影響結果不同，除超聲波設備因素外，還與超聲波處理時間和溶液體積有關，也可能是傳導過程中離子聚集物引起的。

圖2 超聲波處理時間對預乳化液電導率的影響Fig.2 Effect of ultrasound irradiation time on the conductivity of soybean oil emulsions

2.4 超聲波處理時間對貯藏穩定性的影響

圖3 超聲波處理時間對預乳化液穩定性的影響Fig.3 Effect of ultrasound irradiation time on the stability of oil-inwater emulsions

乳析率通常被用來分析乳化液的宏觀穩定性[24]。由圖3可知，對照組從起初0 h貯藏至12 、24 h和36 h時，分層現象越來越嚴重。而所有超聲波處理組在貯藏至36 h時未出現分層現象。由乳析率計算得出，在貯藏12、24 h和36 h時，各超聲波處理組的乳析率分別顯著低于對照組（P＜0.05）。

在觀察乳化時間對O/W穩定性的影響實驗中發現，乳化3 min即可形成非常穩定的O/W，在36 h內不分層。延長乳化時間，不再明顯提高預乳化液穩定性，說明乳化時間對此O/W穩定性的影響較小。能夠在0～4 ℃條件下貯藏至少36 h，而不引起外觀的顯著變化，說明超聲波處理制得的預乳化液具有低分散性[7]。這表明超聲波處理預乳化液能夠適應于現有的生產線，應用于肉制品生產加工中。在批處理食品工業中，產品能夠在冷庫中貯藏至少36 h，用于最終產品下游生產過程的預混合等工序。

2.5 超聲波處理時間對油滴微粒粒度分布和粒徑大小的影響

圖4 不同超聲波處理時間對預乳化液中油滴微粒粒度分布的影響Fig.4 Effect of ultrasound irradiation time on droplet size distribution of pre-emulsif i ed soybean oil

圖4 顯示了不同超聲波處理的預乳化液油滴的粒度分布。經過超聲波處理，從0 min的兩個峰減少為一個峰，粒度分布范圍顯著變窄，這表明超聲波處理產生大量多元分散顆粒。在超聲波作用影響下，聚集體經過劇烈攪拌和撞擊，導致顆粒破裂[25]，粒度分布變窄。粒度分布范圍變窄和初始顆粒的粒徑大小相關。Gülseren等[26]研究發現，隨著超聲波處理時間延長（＞40 min），牛血清白蛋白粒徑增加，表明可能有小聚集體的形成。超聲波處理時間影響粒度分布范圍和粒徑大小狀態。

表2 不同超聲波處理時間對預乳化液中油滴平均粒徑大小的影響Table2 Effect of ultrasound irradiation time on droplet mean diameters of pre-emulsi fi ed soybean oil

D50代表樣品的平均粒徑[21]。經過超聲波處理12 min，預乳化液油滴的D50值從73.63 μm降低到1.58 μm（表2），延長超聲波處理時間能顯著降低D50（P＜0.05）。Jambrak等[14]研究發現超聲波（20 kHz）處理15 min和30 min降低了大豆蛋白溶液的粒徑。粒徑的降低是由于超聲波處理過程中超微束和紊流作用力，以及超聲波探頭的空化效應所致。

乳化液的粒度分布與表面積平均粒徑D3,2可表征樣品的乳化特性[16]。其中粒度分布在一定程度上可反映乳化液的穩定性；乳化液表面積平均粒徑D3,2的大小可反映樣品的乳化活性，一般D3,2較小則乳化活性較好。不同超聲

波處理組的D3,2顯著低于未經超聲波處理的對照組，隨著超聲波處理時間的延長，呈遞減的趨勢，但在6～12 min間遞減程度不顯著（P＞0.05）。

2.6 超聲波處理時間對黏度的影響

圖5 不同超聲處理時間對酪蛋白酸鈉-植物油預乳化液黏度的影響Fig.5 Effect of ultrasound irradiation time on viscosity at a shear rate of 0.1 s-1of pre-emulsif i ed soybean oil at 25 ℃

液體乳化液的流動性可以通過測定表觀黏度來表征，表觀黏度是影響許多食品原料質構、口感、貨架期和下游加工過程的重要特性之一[27]。不同超聲波處理時間在25 ℃、剪切速率為0.1 s－1時，對酪蛋白酸鈉-植物油預乳化液黏度的影響如圖5所示，結果表明，超聲波處理時間對酪蛋白酸鈉-植物油預乳化液的黏度有顯著影響（P＜0.05）。各組超聲波預乳化液的黏度從30.53 mPa?s到37 mPa?s，均顯著高于對照組的18.13 mPa?s（P＜0.05）。隨著超聲時間的延長，預乳化液黏度呈增大的趨勢。

高強度超聲波處理能有效改變食品體系中例如蛋白質、淀粉、水油乳化液等的黏度[28]。其中，超聲波處理修飾蛋白質的構象，增加蛋白質中氨基酸側鏈的親水基團暴露，促進與水分子的結合，進而增加體系的黏度[29]。超聲波處理均質乳化牛奶，不僅降低脂肪球顆粒大小，而且有助于改善發酵奶酪制品的黏性，增加奶酪的出品率[28]。另外，Gaikwad等[30]研究表明延長超聲波處理時間或增強超聲波功率，能增加分散相體積，降低液滴大小，這些效應與油相的黏度和表面張力密切相關。本研究中各組黏度的差異很可能是由于超聲波強烈的剪切應力而產生的均勻乳化的油滴顆粒所致[27]。

3 討 論

乳化液形成后容易受到各種不穩定因素的影響，例如奧斯特瓦爾德熟化（Ostwald ripening）、乳化液分層、絮凝和聚結。而乳化液的分層、絮凝和聚結是研究工作中最關注的問題，這跟乳化液的乳化穩定性密切相關[31]。經過均質O/W形成過程中，油滴在強層流（剪切和外圍形變）和慣性（紊流和空化作用）的影響下被打碎成小液滴。表面活性劑吸附到新形成的表面保護顆粒抵抗絮凝和再聚結。蛋白質通過降低界面張力和在水包油界面形成物理障礙來防止顆粒的絮凝和再聚結，有助于油滴的形成[32]。乳化穩定性受乳化液的油滴形成和油滴粒徑大小的影響[33-34]。

本研究實驗結果中超聲波處理的酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液，粒度分布范圍變窄，粒徑大小狀態、D50和D3,2遞減。超聲波處理時間的延長形成了較小的預乳化液顆粒，而顆粒的大小對預乳化液分散相的分離速率有很大的影響，高黏度能夠降低預乳化液顆粒的移動速度，避免了由于碰撞而造成油滴的聚集，使預乳化液更加穩定。高品質的肉制品通常是由高黏度的乳化液制成的，這樣產品的乳化液狀態不容易被破壞。有研究表明添加膳食纖維和米粉等物質，肉糜的乳化穩定性和黏度會顯著提高[35-36]，而肉糜乳狀液中黏度增加與添加劑的持水性密切相關[36-37]。Kim等[38]研究表明肉糜乳化液黏度的提高，能增強保水性，同時與蒸煮損失的降低密切相關。通過超聲波物理方式處理，而不是添加非肉成分以達到改善肉糜中預乳化液的乳化穩定性，符合盡量少添加非肉成分生產高品質肉制品的發展趨勢。

4 結 論

應用超聲波處理影響預乳化液的穩定性。不同時間的超聲波處理對酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液的pH值和電導率沒有影響，而超聲波處理影響了預乳化液的粒度分布范圍，顯著降低粒徑大小，增加預乳化液的黏度，延長預乳化液的貯藏期，這些結果表明超聲波處理有效改善預乳化液的乳化穩定性。

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Effect of Ultrasound Treatment on the Emulsion Stability of Pre-emulsif i ed Soybean Oil with Sodium Caseinate

ZHAO Yingying1, LI Ke1, WANG Peng2, KANG Zhuangli3, XU Xinglian2,*, BAI Yanhong1
(1. Collaborative Innovation Center for Food Production and Safety, College of Food and Bioengineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China; 2. National Center of Meat Quality and Safety Control, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3. School of Food Science, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)

The objective of this study was to use ultrasound treatment to improve the emulsion stability of pre-emulsif i ed soybean oil with sodium caseinate. The effect of ultrasound irradiation at 20 kHz and 450 W for different times (0, 3, 6, 9 and 12 min) on pH, conductivity, creaming index, mean droplet diameters and size distribution and viscosity of preemulsif i ed soybean oil was investigated. Our results illustrated that there was no signif i cant difference in pH or conductivity among all treatment groups (P ＞ 0.05). All treatment groups showed no signif i cant difference in terms of creaming index at 0 h of storage (P ＞ 0.05); however, they were signif i cantly lower than the control at 12, 24 and 36 h (P ＜ 0.05). With prolonged ultrasound irradiation, D4,3, D3,2and D50of soybean oil emulsion droplets decreased, and viscosity at a shear rate of 0.1 s-1increased signif i cantly (P ＜ 0.05). These fi ndings showed that the application of ultrasound treatment to pre-emulsif i ed soybean oil with sodium caseinate could extend the storage period, reduce the particle size, increase the viscosity, and thus improve the emulsion stability.

ultrasound; pre-emulsif i ed; emulsion stability; size distribution

10.7506/spkx1002-6630-201703013

TS251.1

A

1002-6630（2017）03-0075-06

趙穎穎, 李可, 王鵬, 等. 超聲波處理對酪蛋白酸鈉-大豆油預乳化液乳化穩定性的影響[J]. 食品科學, 2017, 38(3)：75-80. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201703013. http：//www.spkx.net.cn

ZHAO Yingying, LI Ke, WANG Peng, et al. Effect of ultrasound treatment on the emulsion stability of pre-emulsified soybean oil with sodium caseinate[J]. Food Science, 2017, 38(3)： 75-80. (in Chinese with English abstract)

10.7506/ spkx1002-6630-201703013. http：//www.spkx.net.cn

2016-03-23

國家自然科學基金青年科學基金項目（31601492）；河南省高等學校重點科研計劃項目（16A550006）；鄭州輕工業學院博士科研啟動基金項目（2015BSJJ038）；河南省高校科技創新人才支持計劃項目（15HASTIT033）

趙穎穎（1988—），女，助理實驗師，碩士，研究方向為肉品加工與質量安全控制。E-mail：zhaoying0823@163.com

*通信作者：徐幸蓮（1962—），女，教授，博士，研究方向為畜產品加工與質量控制。E-mail：xlxu@njau.edu.cn