乳化剂的作用机理及其在饲料工业中的应用研究进展

■牛福利 郭建来 胡迎利

（1.郑州牧业高等专科学校河南省无公害饲料工程技术中心，河南郑州 450002；2.中国农业大学动物科学技术学院，北京 100094）

早在20世纪60年代开始，人们就逐渐重视安全的表面活性剂使用研究，加强了乳化剂在食品、化妆品、医药、化工、工程、材料等工业的研究应用，并且逐渐开发出山梨酸醇脂肪酸酯类、磷脂类、糖脂类乳化剂等新型无毒乳化剂。乳化剂在饲料工业中的运用，最早可以追溯到上世纪50年代，随着动物脂肪使用的增加，乳化剂也逐渐被人们认识和使用。20世纪80年代以来，随着具有生物活性的胆汁酸作为一种饲料用脂肪乳化剂被开发应用，越来越多的新型乳化剂被人们开发出来。本文就乳化剂的分类、作用机理及在畜禽饲料中的应用研究进展进行了综述，旨在普及乳化剂应用认知，推进乳化剂在饲料工业中的应用研究及推广。

1 乳化剂的定义及分类

1.1 乳化剂的定义

两种原本互不相溶的液体相互分散于另一方中而互相混合成为均匀状态形成乳化液的过程为乳化作用。乳浊液由流动相(continuous phase)和固定相(discontinuous phase)组成。乳化剂（emulsi⁃fier）是乳浊液的稳定剂，是一类表面活性剂，能促使流动相和固定相形成稳定乳浊液的物质，是一类具有亲水基和亲油基的表面活性剂。

1.2 乳化剂的分类

乳化剂从来源上可分为天然乳化剂（如胆汁酸等）和人工合成乳化剂（如硬脂酸聚氧乙烯酯等）两大类；按其乳化后在两相中形成的体系又可分为水包油（oil in water，O/W）型和油包水（water in oil，W/O）型两类；按其存在状态可以分为液体和固体两类；按其在水中的解离状态可以分为离子型和非离子型乳化剂，离子型乳化剂依据其所带电荷不同又可分为阴离子型乳化剂、阳离子型乳化剂和两性离子型乳化剂。

2 影响乳液形成过程及乳化效果的因素

2.1 乳液形成机理

乳化剂是表面活性剂的一种，其在化学结构上一般都由极性基团和非极性基团两部分构成，如图1所示。

其结构上极性基团具有亲水性质，易溶于水，故谓亲水基，非极性基团具有亲油性质，易溶于油，故谓亲油基。在油-水两相体系中加入乳化剂后，亲水基和亲油基分别和水、油结合，降低了两相界面的表面张力。根据吉布斯吸附定理（Gibbs adsorption theorem），乳化剂需在相界面上形成界面膜，降低表面张力。界面膜有一定强度，可以阻止由于布朗运动、热对流或机械搅拌引起液滴的碰撞而诱发的液滴聚结，对液滴起机械保护作用。另外，由于吸附和摩擦作用使液滴带电荷，带电液滴在界面的两侧形成双电层结构，由于双电层的排斥作用降低了液滴的接近频率，从而减少了液滴接触导致的液滴聚结几率，提高了乳化液的稳定性，而且当乳化剂达到一定浓度时，会形成胶束，使乳液更加稳定。简单来讲，乳液形成可以用三个机理来描述：

图1 乳化剂结构及作用机理

①界面吸附：乳化剂在水-油两相界面发生富集的现象，可分为物理吸附和化学吸附两种类型。物理吸附主要是分子引力或静电引力，吸附过程选择性差、作用力小且易于解离；化学吸附则比较稳定。

②定向排列：乳化剂分子在水-油两相界面插入内相中，形成致密排列的现象。由此可见，乳化效果和剂量有很大关系，在当乳化剂使用量不足时，就有可能影响其形成最紧密定向排列，两相可以接触碰撞可产生聚集收缩作用，乳浊液不稳定最后出现油水分层现象。

③胶束形成：乳化剂在水-油两相界面吸附、定向排列的过程中，逐渐形成各种胶束。乳化剂以单一分子状态溶于水时，亲水基团的亲水力大于亲油基团与水的相斥力，故被水相包围。当乳化剂分子持续增加时，乳化剂分子吸附于界面并逐渐定向排列成单分子膜，亲油基团相互靠拢形成球状胶束。

2.2 影响乳化效果的因素

2.2.1 乳化剂的类型

乳化剂种类众多，且各种性能都不一样，选择合适的乳化剂对于乳化效果至关重要。我国卫生部在“食品安全国家标准-食品添加剂使用标准”(GB 2760—2011)批准了单、双甘油脂肪酸酯等34种乳化剂可以用于食品加工，其中单、双甘油脂肪酸酯（油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈酸、山梨酸、硬脂酸、月桂酸）、改性大豆磷脂，酪蛋白酸钠（酪朊酸钠）等可以按需要量添加，使用量不受限制。

2.2.2 乳化剂的用量

乳化剂的用量会影响乳液形成中定向排列和胶束形成的过程，当乳化剂浓度很低的时候，界面上吸附的分子数较少，膜强度较差，乳液的稳定性较差。只有乳化剂达到一定浓度后，界面膜由紧密排列的定向吸附分子所组成，形成胶束，膜强度高，粒子聚合受到较大阻力，乳液稳定性良好。但是乳化剂的用量并非越多越好。临界胶团浓度在胶束的最低浓度（Critical Micelle Concentration，CMC）以下，乳化能力随着乳化剂用量的增加而增加；在CMC以上，乳化能力的增加缓慢，受乳化剂量影响小。CMC是表征表面活性剂结构与性能的一个最重要的物理量，根据表面活性剂CMC值大小可以设计表面活性剂加入量以得到胶束大小、形状可控的溶液。

2.3 HLB值对乳化效果的影响

衡量乳化性能最常用的指标之一是亲水亲油平衡值(Hydrophilic Lipophilic Balance，HLB)。1949年,格里菲（Griffin）提出用HLB值表征表面活性剂的亲水亲油性。HLB值是一个相对值，规定亲油性强的石蜡（完全无亲水性）的HLB值为0，亲水性强的聚乙二醇（完全是亲水基）的HLB值为20，以此标准制定出其他表面活性剂的HLB值。HLB值越小，亲油性越强，易形成油包水（W/O）型体系；反之，亲水性越强，易形成水包油（O/W）型体系。

任何物质在广义上都存在其自身的相对亲水亲油平衡值，其亲水亲油平衡值决定了其物质的亲水或亲油性，亲水亲油平衡值在物理化学及工业上有重大的意义。乳化剂的亲水亲油平衡值与其应用有着密切的关系。亲水亲油平衡值在3～6的表面活性剂适合用作W/O型(油包水型，油为外连续相）乳剂，亲水亲油平衡值在8～18的表面活性剂适合用作O/W（水包油型，水为外连续相）型乳剂。亲水亲油平衡值在13～18的表面活性剂适合用作增溶剂、润湿剂、分散剂，亲水亲油平衡值在7～9的表面活性剂适合做润湿剂、乳化剂等。

2.4 其他因素对乳化效果的影响

除了上述因素以外，其他诸如温度、pH值、离子浓度等都会对乳化剂的乳化能力产生一定的影响，因为乳化剂的类型不同而有一定的差异。

3 乳化剂在畜禽饲料中的应用

乳化剂在焙烤制品、冰淇淋、人造奶油、巧克力、糖果、口香糖、植物蛋白饮料、乳化香精和调味品等众多食品门类有极其广泛的应用。在国外饲料工业中也有很长的应用历史，但在国内人们对乳化剂的研究、认识和接受仅仅是近年的事情。以下就其在畜禽饲料的应用研究进展简述如下。

3.1 乳化剂在动物生产中应用的必要性

现代畜牧业的快速发展，造成动物品种不断改善，饲料报酬高的品种逐渐占领了集约化养殖的高地。这些动物对营养密度尤其对能量有更高的要求，常规饲料一般难以满足其营养需要，脂肪作为高能量的饲料原料，经常被添加于配合饲料中以提高日粮能量。但是，由于幼龄动物内源性乳化剂分泌不足、动物生理应激严重、亚健康状态等，严重影响了日粮中脂肪的消化吸收，甚至脂肪未经完全乳化，未能形成脂肪微粒，直接通过肠道排出，从而严重影响了饲粮消化吸收。乳化剂的出现，为解决这些问题打开了一条有意义的思路。乳化剂在畜禽饲料中的研究已经较多，但在水产养殖中还比较少见，国内更少。

3.2 乳化剂在猪料中的应用

在猪饲料中添加外源乳化剂可以明显提高饲料脂肪及能量的消化率，促进猪增重，国内外很多学者对此也从各个角度综述过。艾琴等采用全收粪法研究了乳化剂对生长猪能量利用效率的影响，试验采用4×4拉丁方设计，8头健康公猪，共试28 d，结果显示，乳化剂能显著提高生长猪日粮干物质、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和能量的粪消化率(P＜0.05),其中脂肪消化率提高幅度最大，提高了15.2%～22.4%；消化能降低幅度(80或100 kcal/kg DE)和乳化剂添加剂量(500或700 g/t)对养分消化率(除灰分)和消化能的提高幅度均无显著影响(P＞0.05)。冯杰的研究也表明，外源添加乳化剂，对断奶仔猪在采食量、日增重和料肉比上都有明显的改观，其中采食量比对照组提高了9.61%，差异显著（P＜0.05），日增重提高了13.05%，差异显著（P＜0.05），表明试验组颗粒饲料在改善采食量的同时，还能提高仔猪对颗粒饲料营养物质的消化和吸收，从而表现出日增重的提高。

3.3 乳化剂在禽料中的应用

近年来国内外对禽料中添加乳化剂的应用不断增多，尤其是在肉鸡养殖中。张青青等选用爱拔益加（Arbor Acre）雄性肉鸡，研究等能和等蛋白情况下，在高油脂含量日粮中添加不同剂量的外源性乳化剂对肉鸡饲料营养物质表观和真实代谢率的影响。结果表明：高油脂饲料中添加不同水平的外源性乳化剂不同程度地提高了能量、粗脂肪和干物质的表观和真实代谢率以及表观和真实代谢能，并且随着乳化剂添加水平的提高而呈上升的趋势。Vos S研究证实，肉鸡饲料中添加乳化剂，在前期1～26日龄，随着乳化剂的使用量增加，肉鸡增长明显(相对于对照组分别为103.6%，105.2%和106.3%，P＜0.01)；后期27～39日龄各组影响不大，但是对于对照组增长明显（相对于对照组分别为102.1%、102.1%和102.5%）。对鸡只的采食量、饲料转化率和死亡率没有明显影响。陈跃平等研究了不同水平乳化剂对肉鸭胴体品质、肌肉营养物质含量以及组织胆固醇含量的影响，结果显示，添加乳化剂对肉鸭肌间脂肪厚度和皮下脂肪厚度均无显著影响，肉鸭胸肌肌内脂肪含量分别有所提高；对肉鸭胸肌粗蛋白质、胸肌、腿肌水分含量影响差异不显著；但是可以降低肉鸭肝脏胆固醇和胸肌胆固醇含量。

3.4 乳化剂对饲料加工性能的影响

乳化剂作为一种成熟使用的功能性食品添加剂，对食品有很多加工性质的改善和帮助，如乳化剂可有效地改善面粉的流变学特性及面包、馒头等发酵食品的品质。饲料中的水分有结合水、体相水和吸润水三种存在形态。改善配合全价颗粒饲料的含水量不但关系到饲料霉变的问题，也直接关系到饲料厂的经济利益和饲料的适口性问题。饲料中的结合水包括结构水、单分子层水以及多分子层水，结构水被非水物质整体部分牢牢地吸附着,很难用蒸发的方法将其分离掉。单分子层结合水与非水组分的亲水基团相缔合，这种结合十分紧密,呈单分子层。结构水和单分子层结合水是不能被微生物利用的。有效控制饲料水分活度是保证饲料质量、改善其贮存性能的有效措施。李建文等的研究显示，添加水分子乳化剂后，可改变饲料的水分等温吸附线，当饲料水分含量增加到一定程度时，添加水分子乳化剂可大幅下降水分活度。乳化剂对饲料加工性能的影响研究相对较少，这可能是今后乳化剂研究的一个增长点。

4 乳化剂的选择及前景展望

综上所述，影响乳状液稳定性的因素是非常复杂的，甚至很多机理至今尚不是十分清楚，随着科学的发展，无疑会有更多机理被揭示，也会有更多的新型乳化剂被开发出来。在选用乳化剂时，需要具体问题具体分析，并不是所有这些因素在同一体系中都存在，更不能说各种因素同等重要。尤其是在饲料工业中，有关研究尚不透彻，更需要我们以试验为基本依据，综合考虑各种情况进行选择。随着世界经济的发展，能源危机日益凸显。玉米发酵生产乙醇等生产活动还会继续，且油料作物增产乏力的趋势仍会延续。从世界范围看，相当长的时间，能量饲料仍将总体短缺，价格居高不下。因此，合理利用现有的能量饲料，提高动物的转化能力，无疑为能量饲料匮乏提供了一个解决思路。随着研究的进一步深入以及广大生产推广人员的不懈努力，乳化剂将来在饲料中的应用会越来越广，通过提升畜牧产业的转化能力，造福亿万消费者。

（参考文献35篇，刊略，需者可函索）