应用黄金分割法确定冰淇淋专用大豆蛋白粉中乳化剂的添加量

范佳璐，江连洲，*，田娟娟，，娄 巍，高 珊，王 哲

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；2.黑龙江省双河松嫩大豆生物工程有限责任公司，黑龙江哈尔滨150008）

应用黄金分割法确定冰淇淋专用大豆蛋白粉中乳化剂的添加量

范佳璐1，江连洲1，*，田娟娟1，2，娄 巍1，高 珊1，王 哲2

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030；2.黑龙江省双河松嫩大豆生物工程有限责任公司，黑龙江哈尔滨150008）

采用紫外分光光度计法测定生产冰淇淋的专用大豆蛋白粉中乳化剂的乳化能力，从6种不同乳化剂中看出单甘酯、蔗糖酯的乳化能力较高，分别为52.05和49.34。用黄金分割法确定单一使用单甘酯的最佳添加量为0.1854%，乳化能力为48.95；单一使用蔗糖酯的最佳添加量为0.0972%，乳化能力为47.13。两者复配之后的最佳配比为10.6∶9.4，此时乳化效果最好，乳化能力可达52.67。研究结果表明，黄金分割法适用于乳化剂添加量的优选，可使实验简化，数据更具有准确性和代表性，拓宽了其应用的范围。

黄金分割法，乳化剂，添加量，大豆蛋白粉

随着社会不断进步，消费者对冰淇淋的要求不断提升，正向营养学家提出的“三低一高”方案（即低糖、低盐、低脂肪、高蛋白）的方向发展，同时也是冰淇淋行业未来的发展趋势。为满足高蛋白的需求，在生产时需添加一定量的大豆分离蛋白，一是可增加大豆蛋白的含量；二是赋予冰淇淋新的卖点，属低脂高蛋白保健型冰淇淋。利用脱脂豆粉添加适量的乳化剂的方法，可显著提高其功能性，使其可应用于冰淇淋中。本文主要研究了利用黄金分割法确定乳化剂的添加量，旨在为冰淇淋行业提供有价值的参考，具有较高的学术价值。目前，在冰淇淋产品的技术改进和新产品开发中，大多采用正交实验法，而在单因素优选问题上，多采用逐渐改变添加量［1］的方法，这两种方法都具有实验次数多，周期长，投入大的缺点。在生产实践和科学实验中，应用黄金分割法可以有效减少实验次数，快速逼近真实值，并得到更为精准的实验数据。黄金分割法是指把一条线段分成两部分，使其中一部分与全长的比例等于0.618，我们把这个分割点叫黄金分割点，这种分割方法就叫黄金分割［2］。黄金分割优选法是指在实验范围0.618处作一次实验，再在其对称点（即0.382处）作第二次实验，比较两点实验结果，去掉“劣”点部分，保留“优”点部分。然后在留下部分继续取已试点的对称点进行实验，再舍“劣”取“优”，逐步缩小实验范围，直至取得满意的结果。应用0.618法，每次可以去掉实验范围0.382。因此，可以用较少的实验次数迅速找到最佳点［3］。目前，此方法较少应用于食品领域的科研开发中，在饮料［4］，香精研发［5］和焙烤［2］等领域有少量报道，但应用黄金分割法确定乳化剂添加量方面的研究，尚未见有相关报道，具有深远的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

脱脂豆粉 河南安阳漫天雪蛋白有限公司；单甘酯 上海山浦化工有限公司；蔗糖酯SE－11 柳州齐志达食品添加剂股份有限公司；司盘60、聚甘油单硬酯、三聚甘油单酯 河南正通化工有限公司；酪蛋白酸钠 宁夏亿美乳业化工有限公司；十二烷基磺酸钠（SDS） Sigma公司；大豆色拉油 中粮福临门食用油公司。

电动均质机AM－77s NIHOHSEIKI KAISHA LID ACE HOMOGENIZER；紫外分光光度计UV－2550

日本岛津有限公司；pH计 上海伟业仪器厂；KQ－100超声波清洗机 昆山市超声仪器有限公司；电子分析天平YP202N 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乳化能力测定 参照Pearce和Kinsella［6］的方法及参考文献［7］改进。取15mL 0.1%的样品溶液（样品溶于0.2mol/L pH7.0磷酸缓冲液中），加入5mL大豆色拉油，用电动均质机以10000r/min均质1min后，立即于容器底部取样50μL，用0.1%的SDS溶液稀释100倍，混匀后500nm处测定吸光值A0，以SDS溶液作为空白，室温放置10min后再次取样测定吸光值A10。重复测定三次，取平均值。

式中：C：样品浓度，g/mL；Φ：乳化液中油相的比例0.25；L：比色杯光径1cm；N：稀释倍数；A0：0min时乳化液的吸光值；A10：静置10min后乳化液的吸光值。

1.2.2 黄金分割法的基本步骤

1.2.2.1 实验点的确定 按黄金分割法安排实验，先在含优区间［a，b］的0.618处取值，做第一实验点，其公式为［9］

式中：P：分割点；b：含优区间上限；a：含优区间下限。

1.2.2.2 第二实验点的确定 以后各实验点（即对称点）的公式为［9］：

使用公式（4）时注意：随着实验范围的缩小，a，b及P的取值也是变化的，即a为所留下含优区域的下限，b为所留下含优区间的上限，P为所留下含优区间的分割点（对称点）。

1.2.2.3 第三实验点的确定 比较P1，P2两次实验效果，若P1好于P2，则舍去不包括P2点的以外部分，在留下部分再找出P1的对称点P3做第三次实验［9］。

1.2.2.4 第四实验点的确定 比较第三次和第一次实验的结果，如果仍是第一次的实验效果好，则去掉P3以外的部分，在留下的P2至P3区间内继续找出P1的对称点P4，作为第四实验点。

1.2.2.5 第五实验点的确定 如果P4点比P1点的实验效果好，则舍去P1到P3这一段，在留下的部分内继续找出P4的对称点P5，为第五实验点，按同样的方法继续下去，直到找到最优点为止。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂的筛选

测定单甘酯、蔗糖酯、酪蛋白酸钠、司盘60、聚甘油单硬酯、三聚甘油单酯的乳化能力（EAI）及乳化稳定性（ESI）。

从表1中可以看出，乳化性从高到低依次是：单甘酯＞蔗糖酯＞司盘60＞三聚甘油单酯＞聚甘油单硬酯＞酪蛋白酸钠，乳化稳定性从高到低依次是：单甘酯＞司盘60＞聚甘油单硬酯＞三聚甘油单酯＞蔗糖酯＞酪蛋白酸钠。

表1 不同乳化剂的乳化能力比较

因此，选择单甘酯进行最佳添加量的实验，虽然蔗糖酯乳化稳定性较差，但乳化性比较突出，同时做对比实验。

2.2 利用黄金分割法确定单一乳化剂的添加量

2.2.1 利用黄金分割法确定单甘酯的最佳添加量 根据单甘酯的含优区间是［0.1%，0.2%］，按上述所讲，在［0.1%，0.2%］的0.618处取值，即第一实验点为：

P1=（0.2%－0.1%）×0.618+0.1%=0.1618%

第二实验点为：

P2=0.2%+0.1%－0.1618%=0.1382%

测得P1的乳化能力值高于P2，则舍弃不包括P2点的以外部分，在留下部分再找出P1的对称点P3。第三实验点为：

P3=0.2%+P2－P1=0.2%+0.1382%－0.1618% =0.1764%

测得P3的乳化能力好于P1，则舍弃不包括P1点的以外部分，再留下的部分中找到P3的对称点P4。第四实验点为：

P4=0.2%+P1－P3=0.2%+0.1618%－0.1764% =0.1854%

测得P4的乳化能力好于P3，则舍弃不包括P3点的以外部分，在剩余区间内找到P4的对称P5。第五实验点为：

P5=0.2%+P3－P4=0.2%+0.1764%－0.1854% =0.1910%

测得P5的乳化能力明显低于P4，则舍不包括P5点的以外的部分，在P3至P5的区间内找到P4的对称点P6。第六实验点为：

P6=P3+P5－P4=0.1764%+0.1910%－0.1854% =0.1820%

P6的乳化能力高于P5，但仍低于P4，则可以确定P4是单甘酯的最佳添加量，为0.1854%。对照图1可看到单甘酯对乳化能力的影响趋势图。

图1 不同添加量的单甘酯和蔗糖酯的乳化能力比较

2.2.2 利用黄金分割法确定蔗糖酯的最佳添加量蔗糖酯的含优区间是［0.05%，0.15%］，先在［0.05%，0.15%］的0.618处取值，即第一实验点为：

P1=（0.15% －0.05%） ×0.618 +0.05% =0.1118%

第二实验点为：

P2=0.05%+0.15%－0.1118%=0.0882%

P2的乳化能力明显好于P1，则舍掉不包含P1点的以外部分，在留下的部分里找到P2的对称点P3。第三实验点：

P3=0.05% +P1－P2=0.1118% +0.05%－0.0882%=0.0736%

P2的乳化能力仍然好于P3，则舍弃不包括P3点的以外部分，在留下的P1到P3区间内继续找出P2的对称点P4。第四实验点为：

P4=P1+P3－P2=0.0736%+0.1118%－0.0882% =0.0972%

P4的乳化能力明显好于P2，继续舍弃不包括P2点的以外部分，在留下的P1到P2区间之内找到P4的对称点P5。第五实验点为：

P5=P1+P2－P4=0.0882%+0.1118%－0.0972% =0.1028%

P4是蔗糖酯的最佳添加量，为0.0972%。对照图1可看到蔗糖酯对乳化能力的影响趋势图。

2.3 利用黄金分割法确定复合乳化剂的添加量

由于单甘酯是一种油包水（W/O）型乳化剂，但它在分散相中却起水包油（O/W）型乳化剂的作用，其原因是单甘酯以α－晶型的水合物存在于分散相中，α－晶型对于提高乳化活性极为有利；蔗糖酯是一种多元醇脂肪酸酯，从分子结构上看，亲水部分蔗糖基占优势，因此其具有水包油型乳化剂性能［8］，提高了乳化活性。为了考察其复合使用效果，应用黄金分割法确定两者复配使用时的最佳添加量。

选取单甘酯和蔗糖酯两种乳化剂总添加量为0.2%。设实验总量为1，取区间［0.5，1.0］实验确定这两种乳化剂的最佳配比。由于单甘酯的价格要低于蔗糖酯的价格，所以从生产成本出发，选A为单甘酯，B为蔗糖酯。

第一次实验点配比为：

X1=0.5+0.618×（1.0－0.5）=0.806

A1=0.2% ×0.806=0.1612%

B1=0.2% ×（1.0－0.806）=0.0388%

第二次实验点配比为：

X2=0.50+1.0－0.806=0.694

A2=0.2% ×0.694=0.1388%

B2=0.2% ×（1.0－0.694）=0.0612%

从表2中看出，X2的乳化能力明显优于X1，舍弃不包括X1的以外部分，找到X2的对称点X3，则第三实验点配比为：

X3=0.5+X1－X2=0.5+0.806－0.694=0.612

A3=0.2% ×0.612=0.1224%

B3=0.2% ×（1.0－0.612）=0.0776%

由表2可见，X3的乳化能力好于X2，舍弃不包含X2的以外部分，找到X3的对称点X4，则第四实验配比为：

X4=0.5+X2－X3=0.5+0.694－0.612=0.582

A4=0.2% ×0.582=0.1164%

B4=0.2% ×（1.0－0.582）=0.0836%

由表2可见，X4的乳化能力优于X3，则可舍掉除X3点的以外部分，找到X4的对称点X5。第五实验配比为：

X5=0.5+X3－X4=0.5+0.612－0.582=0.530

A5=0.2% ×0.530=0.1060%

B5=0.2% ×（1.0－0.530）=0.0940%

从表2可看出，X5的乳化能力比X4乳化能力好，故舍弃X4点的以外部分，找到X5的对称点X6。第六实验配比为：

X6=0.5+X4－X5=0.5+0.582－0.530=0.552

此时，X6值高于X5，所以实验结果不具有代表性，故舍弃，实验结束。确定X5为最佳配比。

表2 不同配比的复合乳化剂乳化能力比较

2.4 验证实验

为了验证复配乳化剂使用效果优于单一乳化剂使用效果，故做验证实验。实验结果如图2所示。

图2 单一乳化剂与复合乳化剂的乳化能力比较

从图2可以看出，单甘酯与蔗糖酯复配之后的乳化性要远远高于单一使用时的乳化性，其最佳配比为10.6∶9.4，此时亲水基团构象互补达到最佳，乳状液乳化能力也最高。乳化剂的分子内通常具有亲水基（羟基）和亲油基（烷基），易在水与油的界面形成吸附层［10］。蔗糖酯的亲水基团为环状的蔗糖基，单甘酯的亲水基团为线性的甘油基，将这2种乳化剂同时混合使用时，环状和线性的亲水基团与水相互作用时产生构象互补，当复配比例在一定范围时，互补效应增大，降低界面张力的作用增强［11］，它们在界面上吸附形成“复合物”，定向排列紧密，从而能很好地防止聚结，增加稳定性［12］，使其形成均匀的乳化体，乳化效果大大提高。

3 结论

利用黄金分割法确定冰淇淋专用大豆蛋白粉中乳化剂的添加量，有效地减少了实验次数，使实验结果更具有代表性与精确性，并最接近真实值。应用此方法确定了单一使用单甘酯和蔗糖酯对配粉的乳化能力的影响，该方法确定单甘酯的最佳添加量为0.1854%，乳化能力为48.95。蔗糖酯的最佳添加量为0.0972%，乳化能力为47.13。两者复配之后的最佳配比为10.6∶9.4，此时乳化效果最好，乳化能力可达52.67。实验证明应用此方法确定某一物料的添加量方面是可行的，并可推广到食品行业的其它领域，为食品科学的研究引入了一种新的科学研究方法。

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Application of the golden section in choosing the dose of the emulsifiers for soybean protein flour in ice cream

FAN Jia－lu1，JIANG Lian－zhou1，*，TIAN Juan－juan1，2，LOU Wei1，GAO Shan1，WANG Zhe2
（1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Heilongjiang Shuanghe Songnen Soybean Bio－engineering Co.，Ltd.，Harbin 150008，China）

Emulsification capacities of different emulsifiers for soybean protein flour in ice cream were measured by ultraviolet spectrophotometer.The results indicated that the emulsifying capacities of monoglyceride and sucrose ester were higher than others in six different emulsifiers，were 52.05 and 49.34 respectively.Then the golden section method was used to determine the optimal dosage of single emulsifier：the optimal dosage of monoglyceride was 0.1854%，the emulsifying capacity was 48.95.The optimal dosage of sucrose ester was 0.0972%，and the emulsifying capacity was 47.13.About mixed emulsifiers，the optimal mix ratio of monoglyceride and sucrose ester was 10.6∶9.4，the emulsifying capacity was up to 52.67.The study verified that the golden section method suited for the optimization of dosage of emulsifiers，simplified the test and made the data more accurate and representative，also broaden the application scope.

golden section method；emulsifier；dosage；soybean protein flour

TS202.3

A

1002－0306（2010）12－0294－04

2009－12－25 *通讯联系人

范佳璐（1984－），女，硕士研究生，研究方向：植物（大豆）蛋白工程。

农业部大豆产业技术体系资助项目（nycytx－004）。