淀粉基食品乳化剂及其应用

方 芳 顾正彪 洪 雁 李兆丰 程 力

(江南大学食品学院 食品科学与技术国家重点实验室，无锡 214122)

食品乳化剂是食品中最重要的添加剂之一，不仅具有典型的表面活性，还能与淀粉结合防止老化，与蛋白质作用增进面团网络结构，提高制品的防潮性，增加淀粉与蛋白质的润滑作用，促进液体的分散，降低液体和固体的表面张力，稳定气泡并且能够改良脂肪晶体[1]。由于食品成分较为复杂，参与形成乳状液的食品乳化剂常被要求具有安全可食用以及与其他食品成分有良好的配伍性等特点。淀粉分子是一种由脱水葡萄糖单位构成的天然有机高分子化合物，通过酶法改性(如葡萄糖基转移酶)和化学改性(如酯化和醚化)可改变淀粉的亲水性和疏水性，使其具有作为乳化剂应用的潜力，如葡萄糖基转移酶法改性生成的β-环糊精具有内疏水外亲水结构，醚化生成的羟丙基淀粉和羧甲基淀粉以及酯化生成的醋酸酯淀粉(也称乙酰化淀粉)、淀粉磷酸酯和辛烯基琥珀酸淀粉酯均具有一定的表面活性，并且较大的分子质量使其易在油水界面形成强度较大的薄膜以增强乳状液的乳化稳定性[2]。由于具有成本低廉和配伍性好等优点[3]，淀粉基乳化剂的开发在一定程度上迎合了人们对营养和多功能食品的需求，已广泛应用于食品行业中作为乳化剂、稳定剂和增稠剂。

1 淀粉基食品乳化剂的分类及性质

1.1 醚化淀粉

1.1.1 羧甲基淀粉钠

羧甲基淀粉钠是淀粉在碱性条件下与一氯醋酸或其钠盐进行醚化反应生成的一种阴离子淀粉醚[4]。羧甲基淀粉中含有亲水性的羧基，并且带有负电荷，淀粉分子与水分子的结合力增强，具有较好的水溶性能[5]。高黏度羧甲基淀粉钠是一种冷水可溶性的阴离子型淀粉衍生物，具有增稠、乳化、分散、粘合等优良性能，与许多亲水性高分子化合物有很好的混溶性[6]。由于高黏度羧甲基淀粉钠可被用来作为原料生产辛烯基琥珀酸淀粉酯，以期引入的羧甲基增强辛烯基琥珀酸淀粉酯的亲水性。

1.1.2 羟丙基淀粉

羟丙基淀粉是淀粉在强碱性条件下与环氧丙烷进行醚化反应生成的一种非离子变性淀粉[7-8]。亲水性羟丙基的引入破坏了淀粉颗粒的内部结构，弱化了分子间的氢键作用力，增强了淀粉亲水保水能力，使淀粉更易糊化且糊透明度和稳定性增加[9-10]。由于具有较好的pH耐受性，羟丙基淀粉的加入可使酸性食品具有较好的稳定性，并在低温保藏过程中具有良好的持水性[7-8]。

1.2 酯化淀粉

1.2.1 辛烯基琥珀酸淀粉酯

辛烯基琥珀酸淀粉酯是淀粉与辛烯基琥珀酸酐经过酯化反应生成的一种淀粉酯[11-12]，通常以淀粉酯或淀粉钠的形式出现，是一种性能优良的乳化增稠剂。辛烯基琥珀酸淀粉酯为白色粉末，无毒无臭无异味，冷水可溶，在酸、碱性的溶液中都有好的稳定性，分子质量大，具有优良的自由流动疏水性，与其它的表面活性剂有很好的协同增效作用[13]。由于具有良好的乳化稳定性，辛烯基琥珀酸淀粉酯即使在较少添加量的情况下也不会对油滴大小、悬浮效力有负面影响，并抑制沉淀、油分离或者分层现象的产生[14]，并且具有较好的起泡性和泡沫稳定性[15]。邱立忠等[16]，邓林伟等[17]分别用氧化和酶解的方法对淀粉进行预处理后制备辛烯基琥珀酸淀粉酯，以期增加淀粉的亲水性和表面活性。

1.2.2 醋酸酯淀粉

醋酸酯淀粉是淀粉与醋酐经过酯化反应生成的一种非离子淀粉酯[5]。以淀粉为原料经过乙酰化反应在淀粉分子链上引入了亲水性的乙酰基基团，增加了淀粉分子的空间位阻作用，可维持淀粉体系的稳定，扩大淀粉体系的流体学体积，并且降低了分子链之间的氢键作用力[18]，从而增加了淀粉糊的黏度、溶解度、透明度和冻融稳定性，得到的产品水溶性、稳定性和安全性较好[19-20]，在食品中主要用作稳定剂、成膜剂、增稠剂和保型剂[21-22]。研究表明醋酸酯淀粉可降低十六烷烃-水的界面张力，可作为一些乳化剂和高分子涂层更为经济的可降解替代物[23]。

1.2.3 淀粉磷酸酯钠

淀粉磷酸酯钠是淀粉与磷酸钠经过酯化反应生成的一种阴离子淀粉酯[24]，具有分散液透明、黏度高、强抗回生性等特点，并且具有较好的保水性能、冻融稳定性、冷水溶解性和抗老化稳定性，特别适合于冷冻食品，是植物油分散于水中的良好乳化剂，能代替明胶用作稳定剂，代替阿拉伯树胶作增稠剂[25]。

1.3 β-环糊精

β-CD是由7个吡喃葡萄糖单元分子构成的具有外亲水、内疏水结构的环状低聚糖[26, 27]，由环糊精葡萄糖基转移酶对淀粉分子进行改性制得。β-环状糊精作为食品乳化剂不同于常用的食品表面活性剂，它内部空腔疏水，外部空腔亲水，可根据其空腔大小，利用范德华力、氢键和疏水作用力进行分子识别，与食品中的多种有机物相结合，形成环糊精包合物，从而改善被包埋物的特性。在食品工业中，环糊精主要作用为：作为风味物质载体；作为食品组分的保护剂；掩饰或减少异味；改进食品的物理性质；作为防腐剂的载体以延长防腐效果；乳化剂和起泡剂：β-CD能使乳浊液保持稳定[28]。

2 淀粉基乳化剂在食品工业中的应用

淀粉基乳化剂可用在米面制品、冷冻食品、饮料、乳制品、果酱、可可制品、巧克力和巧克力制品、肉罐头、调味品和果冻等食品中，起到乳化、增稠、稳定等作用，其中米面制品、冷冻食品和饮料中淀粉基乳化剂的应用最为广泛。

2.1 淀粉基乳化剂在米面制品中的应用

米面制品主要由淀粉、蛋白质构成，容易因天然淀粉的老化而丧失其商品属性，乳化剂的加入不仅可与直链淀粉作用形成疏水性螺旋形络合物以延缓淀粉的老化[29]，而且可增大发酵面制品的体积并改善其冻融稳定性和机械耐受性[30]。辛烯基琥珀酸淀粉酯用于焙烤食品中可起到乳化、保鲜和保湿的作用[13]。羧甲基淀粉钠用于面包和糕点中可通过改善面制品的增稠性、稳定性和保水性，提高面粉的弹性和粉力[31]，改善制成品的形状、味道和色泽[32]。淀粉磷酸酯钠用于面制品中可提高其烘烤性质、增加保鲜期和改善口感[25]。醋酸酯淀粉能提高方便面的面筋强度、成品率和复水性而不糊汤，可增强挂面的爽口性和延展性并改善口感，用在不干燥的方便湿面中能降低淀粉回生程度并保持良好的口感[33]。

2.2 淀粉基乳化剂在冷冻食品中的应用

在冰淇淋中加入乳化剂能使油水界面形成具有一定机械强度的界面膜，改善脂肪分散性和空气泡的稳定性，使冰晶粒度细小，质地光滑[34]。在速冻发酵面制品中加入乳化剂能使面团形成良好的网络结构，改善面团的持气性、机械忍耐性弹性冻融稳定性，并可赋予面团柔软的质地，防治面团的老化[30]。

羧甲基淀粉钠应用于冰淇淋中能提高其膨胀率并改善其口感和外观，能替代食品胶类以降低生产成本[31]，应用于面制品中能提高其冻融稳定性。淀粉磷酸酯钠能与微量的金属离子形成复合体而保护油脂不被氧化，可应用于冷冻食品中以缩短陈化时间并可取代部分油脂以及明胶和阿拉伯胶以降低生产成本[25]。羟丙基淀粉糊黏度稳定，低温保藏时具有良好的保水性，适用于冷冻食品和方便食品[7]。

2.3 淀粉基乳化剂在饮料中的应用

乳化剂在无酒精饮料中可起到降低界面张力的效果，并且能形成界面膜以防止分散相粒子因相互碰撞而发生的聚集，以达到稳定体系的效果[35]。低黏度的辛烯基琥珀酸淀粉酯对无酒精饮料中的调味剂具有稳定作用，并能替代阿拉伯胶以降低成本。

用乳化剂将具有一定香气强度的风味油乳化分散在水相中而形成的乳化香精主要应用于浑浊饮料[36]，其中乳化剂的作用主要是减少浮油和沉淀，并且能使产品获得均一稳定的浊度[37]。辛烯基琥珀酸淀粉酯可用于桔子乳化香精中制得较为稳定的乳化体系[38]，在无醇饮料中可稳定香料香味，在碳酸饮料中可代替阿拉伯胶起稳定作用[13]，并可作为微胶囊的壁材封装风味调料、芳香剂和维生素[39]。β-CD以其内疏水外亲水的特殊结构可在食品工业中作为风味物质和防腐剂的载体、食品组分的保护剂、乳化剂和起泡剂，并可改进食品物理性质和掩饰或减少异味[28]，应用在茶饮料中可起到提高澄清度、遮蔽异味和防止产品色泽褐变等作用[40]，也可用于保护薄荷油和肉桂油组分中的光和热不稳定性物质及易挥发物质[41]。羟丙基淀粉受电解质和pH变化的影响较小，可使酸性饮料(如橙汁)具有较好的流动性和稳定性[7]。磷酸酯淀粉可在橙汁饮料色素的生产中用作乳化剂以代替阿拉伯胶[25]。

3 淀粉基食品乳化剂存在的问题及展望

尽管淀粉基食品乳化剂已经取得了较为广泛的应用，但是现有的淀粉基乳化剂在生产和应用过程中所产生的问题限制了其在食品工业中的进一步发展。羧甲基淀粉具有合成条件苛刻、稳定性较差(不耐酸和高温、抗剪切差)[42-43]以及缺乏亲脂性等缺点，常被用来作为原料通过进一步的醚化、酯化的疏水化改性而提高其表面活性[44-45]。羟丙基淀粉在生产过程中易有可毒性致癌的氯丙醇残留，对人体的血液、肝脏、肾脏和神经系统都具有一定的毒害效应。淀粉磷酸酯钠在制备过程中会有磷酸盐残留，医学研究表明人体内最佳的钙磷比值是1:1[46]，长期摄入过量的磷可能改变骨质结构而导致骨质疏松[47-48]。辛烯基琥珀酸淀粉酯的原料(辛烯基琥珀酸酐)主要依赖进口，并且生产工艺路线复杂、反应效率较低且副反应较多[49-50]，因而具有较高的生产成本。由于原材料差异对醋酸酯淀粉糊的特性影响较大，食品安全许可的制备方法产生的乙酰基有限以及乳化性能相关研究的缺乏限制了醋酸酯淀粉作为食品乳化剂的应用。水溶性较差导致了β-CD在应用过程中具有较差的量效关系[51]，高昂的价格和过量食用对人体造成的危害限制了其在食品工业中的广泛应用。

综上所述，较为低廉的生产成本和良好的配伍性增强了淀粉基乳化剂在食品领域的应用潜力，而解决现存淀粉基食品乳化剂在生产和应用过程中出现的问题，并进一步开发成本低廉、制备容易且具有良好水溶性、安全性和储藏稳定性的淀粉基食品乳化剂具有重要的现实意义和实际应用价值。

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