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. 海南大學食品學院（海口 570228）

椰子是棕櫚科單子葉植物，是熱帶地區主要的食品能源及經濟作物。在中國，椰子主要生長在海南地區[1]。椰子的不同部分可以加工成多種產品，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、脂肪、碳水化合物、微量元素等營養物質[3]。椰奶是由椰蛋白和磷脂穩定的乳液[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、熱穩定性差，表面活性低，導致椰奶易發生分層[4]。加工后儲藏一段時間，椰奶就會發生分層[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，它能夠通過吸附在油滴上，形成一層界面膜，來提高乳液穩定性。在食品乳液中廣泛應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]。蛋白質是乳液形成和穩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可以平衡油滴之間的靜電和空間斥力，形成了穩定的乳液[23]。

酪蛋白酸鈉是一種可溶性和乳化性兼并的蛋白質，在乳化過程中可以快速降低表面張力，在國內外市場上都被廣泛應用[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等指標，研究了酪蛋白酸鈉的質量分數對椰奶表面特性及穩定性的影響，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。

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高壓均質機（上海科勞機械設備有限公司）；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，常溫椰肉現取現用，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，然后將每組樣品經過壓力30 MPa的高壓均質機均質。再將均質的樣品進行高溫高壓滅菌15 min（121 ℃，0.1 MPa），待測。每個質量分數的樣品做3個平行。

1.3.2 粒徑及分散指數的測量

椰奶乳液中油滴粒徑及分散指數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，根據樣品的性質特征將樣品折射率設為1.09，分散劑水的折射率設為1.33，測量溫度設為25 ℃，平衡時間為120 s。測量粒徑前樣品被稀釋到0.05%，脂肪質量分數約為0.01%，以減少多重散射效應。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，個。

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

式中：PDI為油滴粒徑的分散指數；MW為重均分子質量，單位為1；Mn為數均分子質量，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，根據樣品的性質特征將樣品折射率設為1.09，分散劑水的折射率設為1.33，測量溫度設為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，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Young-Laplace方程，軟件可以準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為測量當地的重力加速度，m/s2；γ為界面張力，mN/m。

1.3.5 乳析指數的測量

將每組經過均質（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：

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 統計分析

所有的數據均做3個平行，并用Minitab統計軟件進行顯著性分析，Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同酪蛋白濃度對椰奶粒徑及分散指數的影響

由圖1可知，椰奶油滴的平均粒徑隨著酪蛋白酸鈉質量分數的增加而減少，當未加入酪蛋白酸鈉時，椰奶的油滴平均粒徑為1 600 nm；當加入了0.1%的酪蛋白時，椰奶中油滴的平均粒徑降低，約為991 nm；當濃度為0.2%時，平均粒徑約為355 nm；當濃度增大到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，粒徑的分散指數也隨著酪蛋白濃度的增加而降低，當酪蛋白的濃度為0和0.1%時，粒徑的分散指數約等于1和0.848，說明樣品中椰油的粒徑分布不均勻；當酪蛋白的濃度到達0.2%時，分散指數已經降低到0.4以下；當酪蛋白濃度為0.2%～0.8%時，粒徑的分散指數雖然有所波動，但均在0.2～0.4之間，這說明當酪蛋白的濃度為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，在高壓均質過程中，椰奶體系會發生復雜的變化，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呈減小趨勢。結果表明，當酪蛋白酸鈉的濃度為0.3%時，椰奶的粒徑及分散指數達到理想效果。

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小（圖1），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，椰奶處于極其不穩定的狀態。當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，椰奶處于穩定性一般的狀態；當酪蛋白的濃度為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生聚合。

表1 ζ-電位與體系穩定性之間的關系

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增加，兩相之間的界面張力持續降低，其中當濃度為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上升，兩相之間的界面張力顯著增大，當濃度為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。但當加入的濃度較少時，酪蛋白酸鈉不能完全覆蓋油水界面，導致部分油水界面的界面張力依然很大。當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定性的影響

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

由椰奶的油滴粒徑、ζ-電位、界面張力的測量結果得出，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，分散指數越小，油滴之間的排斥力大于吸引力，因此椰奶較穩定。

2.5 椰奶乳析指數與粒徑、界面張力和ζ-電位的相關性討論

研究結果發現，隨著酪蛋白酸鈉濃度的增加，乳析指數減小，椰奶穩定性增強。當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，但是乳析指數為68.57%，椰奶并不穩定；而當酪蛋白酸鈉的濃度增加到0.3%以上時，其乳析指數顯著降低，但粒徑無顯著變化，這表明粒徑大小不是影響椰奶穩定性的唯一因素。當酪蛋白酸鈉的濃度增加時，兩相之間的界面張力持續降低；當酪蛋白酸鈉質量分數為0.6%時，兩相之間的界面張力降到最低；而當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定性的唯一因素。通過測定ζ-電位發現，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，當酪蛋白酸鈉濃度≥0.7%，ζ-電位≥-40 mV時，乳析指數降低至10%以下，此時椰奶穩定性較好。

通過Excel軟件中的Correl函數對粒徑和乳析指數，界面張力和乳析指數，ζ-電位和乳析指數這三組數據分別進行相關性分析，結果表明，粒徑和乳析指數的相關系數為0.780 0，界面張力和乳析指數的相關系數為0.567 9，ζ-電位和乳析指數的相關系數為0.887 4，明顯高于其他兩組的相關系數，因此ζ-電位對椰奶的穩定性影響更大。

圖5 蛋白質濃度對椰奶乳析指數的影響

3 結論

試驗通過研究酪蛋白酸鈉的質量分數對椰奶的油滴粒徑、ζ-電位、界面張力以及乳析指數的影響，得出：當酪蛋白酸鈉質量分數≥0.2%時，椰奶的粒徑為300～400 nm，且分散指數為0.2～0.4，說明粒徑較小，且分布均勻；當酪蛋白酸鈉質量分數≥0.4%時，ζ-電位在-38～-42 mV之間，油滴之間的排斥力較大，椰奶的穩定性較好；當酪蛋白酸鈉質量分數為0.6%時，界面張力最低，為9.5 mN/m。而根據乳析指數，酪蛋白酸鈉的質量分數在0.4%～0.8%的乳析指數較小，穩定性較好。綜合GB 2760—2014《食品添加劑使用標準》中的規定，酪蛋白酸鈉通常在飲料中可以按生產需要量添加，考慮經濟效益，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定性。并且通過相關性分析得知，在高壓均質條件下，對椰奶的穩定性起主要影響的可能是ζ-電位，這為椰奶的加工生產提供了參考依據。