均質條件對核桃乳穩定性的影響

齊 兵，趙慧博，趙慧敏，徐 姍，李喜層，吳彥兵，耿 會，葛冬雪，夏君霞,

（1.河北養元智匯飲品股份有限公司，河北衡水 053000；

2.河北省核桃飲品技術創新中心，河北衡水 053000）

核桃仁中富含優質蛋白、不飽和脂肪酸、維生素和礦物質等營養成分，具有很高的營養價值[1-3]。核桃乳是以核桃仁為主要原料，添加其他輔料、食品添加劑，經加工、調制后制成的植物蛋白飲料。由于核桃乳飲料體系主要以水為分散介質，以蛋白、脂肪為主要分散相的乳濁液，具有熱力學不穩定性，因此，在核桃乳的加工和貯藏過程中會出現脂肪上浮和蛋白沉淀[4]，影響產品的感官和質量。

Stocks定律認為，流體粒子的沉降速度與粒子的半徑有關，粒子的半徑越小，沉降速度越小，體系的穩定性越高，而高壓均質正是一種有效降低顆粒粒徑的方法[5-8]，通過對核桃仁中的脂肪、纖維、蛋白等大顆粒物質產生撞擊、爆破和剪切力等作用[9]，降低單顆粒的體積和質量，使顆粒分散，使脂肪和蛋白等微細化、均勻化，降低乳液的粒徑，解決脂肪上浮和蛋白質下沉的問題，提高產品的穩定性[10-12]。目前，企業針對核桃乳均質工藝條件的優化，大都通過目測觀察不同均質條件的產品穩定性，進行分析判斷，該方法周期長，且結果具有很強的主觀性。本研究旨在利用Mastersizer3000激光粒度分析儀和Turbiscan穩定性分析儀，通過研究核桃乳粒徑分布圖及穩定性指數曲線，更加準確、快速地篩選出適宜的均質條件，并為核桃乳產品開發、工藝優化提供更加科學高效的參考方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

核桃仁 河北養元智匯飲品股份有限公司；白砂糖 廣西農墾糖業集團；碳酸鈉 食品級，唐山三友化工股份有限公司；YY 0244復配乳化增稠劑 丹尼斯克（中國）投資有限公司；氫氧化鈉 食品級，天津坤鵬化工有限公司。

SG400型實驗室乳化機 上海尚貴流體設備有限公司；JMS-80A膠體磨 廊坊市惠友機械有限公司；GYB60-6S高壓均質機 上海市東華高壓均質機廠；TW-PB3X5L恒溫加熱水浴槽、TW-CPB3X5L恒溫冷卻水浴槽 上海沃迪自動化裝備股份有限公司；METTLER TOLED0型pH計 梅特勒-托利儀器有限公司；HENC實驗室攪拌機-HW30 上海恒川機械設備有限公司；AL204/01電子分子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；XT-FGJ100S型手動封蓋機 廣州市喜泰包裝設備有限公司；LDZM-60KCS立式壓力蒸汽滅菌器 上海市申安醫療器械廠；Turbiscan Lab分散穩定性分析儀 北京朗迪森科技有限公司；Master sizer 3000激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 核桃乳加工工藝 核桃仁→堿液去皮→磨漿→溶解輔料→調配定容→均質→灌裝→滅菌→冷卻→成品

1.2.2 操作要點 將挑揀好的核桃仁利用濃度為2.5‰～2.9‰的堿性溶液進行脫皮處理后，用自來水沖洗至水澄清；然后將去皮核桃仁倒入膠體磨上方漏斗，加入80 ℃熱水進行磨漿。核桃仁:水按質量比1:4的比例；同時將稱量好的白砂糖、復配乳化增稠劑分別用70～80 ℃的熱水溶解，在糖罐和輔料罐中攪拌10 min；再將溶解好的輔料及核桃漿液打入定容罐，定容至5 t；并利用高壓均質機在壓力20～60 MPa，溫度40～80 ℃下進行均質；最后，封蓋完成后放入滅菌鍋中，按121 ℃、15 min進行滅菌。

1.2.3 均質工藝實驗 在配料及其他制備工藝相同情況下，依次對均質壓力、均質溫度和均質次數進行優化實驗，考察不同均質條件對于核桃乳粒徑分布及穩定性的影響。

1.2.3.1 均質壓力對核桃乳粒徑分布及穩定性的影響在均質溫度為70 ℃、均質次數為2次的條件下，考察均質壓力20、30、40、50、60 MPa對產品粒徑分布及穩定性的影響。

1.2.3.2 均質溫度對核桃乳粒徑分布及穩定性的影響在均質壓力為40 MPa、均質次數為2次的條件下，考察均質溫度40、50、60、70、80 ℃對產品粒徑分布及穩定性的影響。

1.2.3.3 均質次數對核桃乳粒徑分布及穩定性的影響在均質壓力為40 MPa、均質溫度為70 ℃的條件下，考察均質次數1、2、3、4次對產品粒徑分布及穩定性的影響。

1.2.4 粒徑分析 Mastersizer 3000激光粒度分析儀是根據顆粒能夠使激光產生散射這一物理現象來檢測樣品，樣品的粒徑分布圖由電腦分析得出，利用粒徑分布圖來預測產品的穩定性幫助分析體系結構[13]。參數設置[14]：顆粒折射率為1.52，顆粒吸收率為0.01，分散劑為去離子水，分散劑折射率為1.33；樣品的平均粒徑用D[4,3]值表示，平均粒徑越小，表明產品中蛋白質顆粒和脂肪球越小，分布越均勻，證明產品穩定性越好[15]。

1.2.5 Turbiscan穩定性分析測定 Turbsican穩定分析法基于反射物理模型，是檢測乳狀液穩定性的一種新方法，可直觀、快速、準確地反映出乳化體系的變化趨勢[16]。采用Turbiscan Lab分散穩定性分析儀對核桃乳的穩定性進行分析。通過檢測樣品的透射光和背散射光的光強值變化，反映樣品的穩定性[17]。

測試過程：將待測樣品放入測量池，裝液量為20 mL，選取背散射光對樣品進行分析，通過掃描模式進行測量，探頭從樣品池的底部到樣品池的頂部每隔40 μm測量一次，完成樣品池從底部到頂部的測量稱為1次掃描。設定樣品掃描時間為24 h，掃描間隔為1 h，測試溫度恒定為25 ℃[18]。以初次掃描數據為0起始線，隨著時間增加，樣品內體系發生變化，與原起始線偏離越大，穩定性越差，反之則穩定性越好。穩定性動力學指數（TSI）曲線反映樣品在整個掃描時間內濃度和顆粒粒徑的變化幅度的綜合情況，TSI變化幅度越小，穩定性動力學指數越小，說明體系越穩定[19-21]。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 均質壓力對核桃乳粒徑分布和穩定性的影響

2.1.1 均質壓力對粒徑分布的影響 不同均質壓力對核桃乳粒徑分布影響如圖1所示，所有樣品均呈現出雙峰分布，且隨著均質壓力的增加，粒徑分布曲線整體向低粒徑區域移動，均質壓力升高至40 MPa以上，繼續提升均質壓力，核桃乳粒徑分布曲線變化不大。從圖2可以看出，隨著均質壓力增加，核桃乳平均粒徑D[4,3]逐漸減小，均質壓力達到40 MPa時，核桃乳的平均粒徑D[4,3]達到（72.84±1.20）μm，這表明通過均質閥的剪切作用，核桃漿液中的大顆粒物質，被粉碎成較小的顆粒[22]。繼續增大均質壓力平均粒徑D[4,3]無顯著減小（P＞0.05）。

圖1 均質壓力對粒徑分布的影響Fig.1 Effect of homogenization pressure on particle size distribution

2.1.2 均質壓力對核桃乳穩定性的影響 背散射光譜圖反映的是不同掃描時間變化下，背散射光強度隨樣品高度的變化關系，以樣品初始值為對照，樣品與之的差值（變化率，ΔBS）可以反映體系濃度的變化，ΔBS值隨著體系濃度的增加而變大，由于ΔBS值越小，體系越穩定，ΔBS值越大，體系越不穩定[23-25]。

圖2 均質壓力對平均粒徑大小的影響Fig.2 Effect of homogenization pressure on average particle size

圖3 不同均質壓力樣品背散射光譜圖Fig.3 Backscatter spectra of different homogenization pressure samples

從背散射光譜圖（圖3）可以看出，靜置掃描過程中，樣品頂部38～42 mm處出現高峰，底部0～5 mm處出現凹峰，說明核桃乳體系頂部有聚集層，底部有少量析水層。均質壓力由20 MPa增加到40 MPa時，底部ΔBS值逐步由-10%減小到-5%，繼續增加壓力底部ΔBS值基本不再變化。均質壓力超過40 MPa后，樣品頂部高峰寬度明顯減小，峰寬越小，說明聚積層厚度越小[18]，這主要是由于提高均質壓力，有效減小了脂肪球的粒度，進而改善了頂部脂肪的聚集情況。

圖4 不同均質壓力整體TIS指數曲線Fig.4 Stability index curves of different homogenization pressure samples

圖5 均質溫度對粒徑分布的影響Fig.5 Effect of homogenization temperature on particle size distribution

圖6 均質溫度對平均粒徑大小的影響Fig.6 Effect of homogenization temperature on average particle size

圖7 不同均質溫度樣品背散射光譜圖Fig.7 Backscatter spectra of different homogenization temperature samples

從整體TIS指數曲線（圖4）可看出，在測試周期內，隨著均質壓力的增加，TSI指數逐漸減小，核桃乳穩定性也越好。均質壓力達到40 MPa后，TSI指數曲線的斜率明顯變小，掃描22 h時，均質壓力由20 MPa增加至40 MPa，整體TSI由3.1減小到1.9，繼續增加壓力，TSI變化不大。結合背散射光譜圖及粒徑分析結果，選擇均質壓力為40 MPa。

2.2 均質溫度對核桃乳粒徑分布和穩定性的影響

2.2.1 均質溫度對粒徑分布的影響 從圖5可以看出，所有樣品均呈現雙峰分布。均質溫度在40和50 ℃時，粒徑主要分布在0.6～8和20～300 μm范圍內；當溫度升至60 ℃時，粒徑分布曲線整體向低粒徑區域移動，粒徑分布主要范圍為0.1～0.6和20～200 μm，由此說明，均質溫度對樣品的粒徑分布有一定影響。從圖6可以看出，核桃乳的平均粒徑D[4,3]隨著溫度的升高，呈逐漸減小的趨勢，溫度由60 ℃升高至70 ℃時，平均粒徑D[4,3]由59.69±0.95 μm下降至47.41±0.78 μm，溫度再繼續升高至80 ℃，平均粒徑D[4,3]與70 ℃時無顯著性差異（P＞0.05）。

2.2.2 均質溫度對核桃乳穩定性的影響 從背散射光譜圖（圖7）可以看出，均質溫度升高底部凹峰的ΔBS峰值變化不明顯，說明均質溫度對于核桃乳底部吸水層無明顯影響。隨著由均質溫度40 ℃升高至80 ℃，頂部高峰ΔBS值呈明顯減小趨勢，均質溫度80 ℃，頂部高峰ΔBS值下降至22%，從背散射光圖片頂部呈現的高峰可以看出，均質溫度由40 ℃升高至70 ℃，頂部峰寬呈顯著減小趨勢，表明隨著均質溫度的升高，頂部聚積脂肪層厚度和濃度明顯減小，而均質溫度80 ℃時，頂部高峰峰寬與70 ℃相比差異不明顯。

從整體TIS指數曲線（圖8）可看出，在測試周期內，隨著均質溫度的升高，TSI指數逐漸減小。均質溫度達到70 ℃后，掃描22 h時，整體TSI減小到1.5；均質溫度80 ℃，TSI指數為1.5，且均質溫度80 ℃的整體TSI曲線斜率逐漸增大，說明其穩定性呈現變差趨勢。因此，選擇適宜的均質溫度為70 ℃。

圖8 不同均質溫度整體TIS指數曲線Fig.8 Stability index curves of different homogenization temperature samples

2.3 均質次數對核桃乳粒徑分布和穩定性的影響

2.3.1 均質次數對粒徑分布的影響 從圖9可以看出，與1次均質相比，2次均質的粒徑分布曲線整體向低粒徑分布區域移動，并且粒徑分布在800 μm處的峰已經消失，說明通過2次均質，對于核桃乳中大顆粒細化作用明顯，這是由于均質對核桃乳中的脂肪、纖維、蛋白等大顆粒物質產生撞擊、爆破和剪切力等作用，會使其顆粒直徑減小，降低單顆粒的體積和質量，使顆粒分散[26]。均質3次和均質4次的粒徑分布曲線與2次均質基本重合。

圖9 均質次數對粒徑分布的影響Fig.9 Effect of homogenization times on particle size distribution

如圖10所示，經1次均質核桃乳產品平均粒徑D[4,3]為（49.12±1.02）μm，經過2次均質后，平均粒徑D[4,3]達到（26.18±0.75）μm，顯著減小（P＜0.05）。繼續增加均質次數，產品的平均粒徑D[4,3]變化不顯著（P＜0.05）。這表明2次均質可以達到通過均質工藝降低產品顆粒大小的目的[27]。

圖10 均質次數對平均粒徑大小的影響Fig.10 Effect of homogenization times on average particle size

2.3.2 均質次數對核桃乳穩定性的影響 從背散射光譜圖（圖11）可以看出，經過2次均質工藝的核桃乳頂部高峰ΔBS值下降到18%，明顯低于均質1次的核桃乳樣品，這主要是因為均質可以使核桃乳中蛋白質和脂肪顆粒大小及分布更加均一[28]。均質3次，頂部高峰ΔBS值與2次均質一致，均質4次，頂部高峰ΔBS值下降至17%，但峰寬變大，說明產品頂部脂肪濃度降低減小，但厚度增加。

從整體TIS指數曲線（圖12）可看出，均質次數增加，整體TSI指數曲線整體下移，相比較于1次均質，經過2次均質的核桃乳樣品整體TSI由1.5減小到0.8，但繼續增加均質次數，TSI指數減小不明顯，且均質4次的TSI指數曲線的斜率反而變大，說明體系穩定性有變差的趨勢，這可能是由于過度均質造成脂肪球粒徑過小，總界面積較大，使脂肪球容易發生互相聚集而產生上浮現象，綜上所述，均質次數2次較佳。

圖11 不同均質次數樣品背散射光譜圖Fig.11 Backscatter spectra of different homogenization times samples

圖12 不同均質次數整體TIS指數曲線Fig.12 Stability index curves of different homogenization time samples

3 結論

通過利用Mastersizer 3000激光粒度分析儀和Turbiscan穩定性分析儀，研究了均質壓力、溫度、次數等不同均質條件對核桃乳粒徑分布和穩定性的影響，優化得到的均質條件為：均質壓力40 MPa、均質溫度70 ℃、均質2次，且在該工藝條件下，測定得到的平均粒徑D[4,3]達到（26.18±0.75）μm，整體穩定性指數TSI為0.8。采用Turbiscan穩定性分析儀，結合激光粒度分析儀，通過分析產品的粒徑分布、背散射光譜圖以及穩定性指數曲線，能夠快速準確地判斷出產品體系的穩定性，為優化核桃乳工藝條件和判定體系穩定性的研究提供了參考方法。