国内外食品乳化剂研究现状与发展趋势

2017-04-06 11:31:47徐宝财张桂菊王肖彦
食品科学技术学报 2017年4期
关键词:甘油酯乳化剂甘油

徐宝财, 王 瑞, 张桂菊, 王肖彦

(北京工商大学 食品学院/北京市食品风味化学重点实验室, 北京 100048)

国内外食品乳化剂研究现状与发展趋势

徐宝财, 王 瑞, 张桂菊, 王肖彦

(北京工商大学 食品学院/北京市食品风味化学重点实验室, 北京 100048)

食品乳化剂是一种用量最多的食品添加剂,在食品生产和食品加工过程中占有非常重要的地位。介绍了GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》规定允许使用的49种食品乳化剂及具有乳化剂功能的食品添加剂,并概述了国内食品乳化剂在制备、性质和应用方面的研究进展;总结了联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会对114种食品乳化剂及具有乳化剂功能的食品添加剂的安全性评价意见;分析了国内外食品乳化剂行业的研究热点与发展趋势。

食品乳化剂; 安全性; 天然乳化剂; 多功能

乳化剂是指能改善乳化体中各种构成相之间的表面张力,形成均匀分散体或乳化体的物质,食品乳化剂是GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》规定的22类食品添加剂之一[1]。食品乳化剂的用量约占食品添加剂总量的1/2,是食品工业中用量最多的添加剂,在食品生产和食品加工过程中占有重要地位,几乎所有食品的生产和加工均涉及乳化剂或乳化作用。食品乳化剂是一类多功能的高效食品添加剂,除了具有典型的表面活性之外,在食品中还具有消泡、增稠、稳定、润滑、保护等作用[2]。

1 国内食品乳化剂研究现状

1.1 我国允许使用的食品乳化剂品种

我国对于食品乳化剂的研究和生产起步较晚,在品种和质量上与国外有较大的差距,1981年批准使用的食品乳化剂只有单甘酯和大豆磷脂2个品种,但是发展速度较快,到2002年允许使用的食品乳化剂为29种。目前,GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》允许使用的食品乳化剂及具有乳化功能的食品添加剂共49种,其中丙二醇脂肪酸酯2种、甘油脂肪酸酯及其衍生物9种、聚甘油脂肪酸酯2种、多元醇脂肪酸酯及其衍生物12种、磷脂及其衍生物3种、有机酸盐(乳酸盐、硬脂酸盐、硬脂酰乳酸盐)6种、多元醇类8种及其他(改性淀粉类、植物胶、可溶性大豆多糖、酪蛋白酸钠)6种,另外还新增1种(皂树皮提取物)。

49种食品乳化剂需在GB 2760—2014规定的食品分类及最大使用量范围内使用,其中可在各类食品中按生产需要适量使用的有12种,包括单,双甘油脂肪酸酯(CNS 10.006)、柠檬酸脂肪酸甘油酯(CNS 10.032)、乳酸脂肪酸甘油酯(CNS 10.031)、乙酰化单,双甘油脂肪酸酯(CNS 10.027)、磷脂(CNS 04.010)、改性大豆磷脂(CNS 10.019)、酶解大豆磷脂(CNS 10.040)、羟丙基淀粉(CNS 20.014)、辛烯基琥珀酸淀粉钠(CNS 10.030)、甘油(CNS 15.014)、酪蛋白酸钠(CNS 10.002)。其中,CNS指China Number System中国编码系统。另外,可在各类食品加工过程中使用,且残留量不需限定的有3种,即单,双甘油脂肪酸酯(CNS 10.006)、磷脂(CNS 04.010)和甘油(CNS 15.014)。

GB 2760—2014新增了10种食品添加剂新品种,其中新增1种食品乳化剂:皂树皮提取物(quillaia extract),INS 999(INS指international number system国际编码系统),每日允许摄入量(acceptable daily intake,ADI)(每天每kg体重允许摄入量,mg):0~1 mg(以每kg松香皂苷计)。GB 2760—2014规定可用于果蔬汁(浆)类饮料、蛋白饮料、碳酸饮料、特殊用途饮料及风味饮料等食品中,最大使用量为0.05 g/kg。

1.2 国内食品乳化剂的研究进展

我国允许使用的食品乳化剂主要分为四大类,分别是多元醇脂肪酸酯类、磷脂及其衍生物、盐类和其他种类,其中品种和消费量最多的是多元醇脂肪酸酯类。目前食品工业需求量较大的品种,如单脂肪酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯、失水山梨醇脂肪酸酯系列产品(司盘和吐温)、丙二醇脂肪酸酯等均属于多元醇脂肪酸酯类。天然食品乳化剂磷脂从结构上来说也属于甘油脂肪酸酯的衍生物。

多元醇脂肪酸酯主要是通过脂肪酸及脂肪酸酯与多元醇(如丙二醇、甘油、山梨醇、蔗糖等)进行酯化或酯交换反应制备,该方法的最大问题在于反应的选择性较差,产物通常为脂肪酸单酯、双酯甚至多酯的混合物,想要获得纯度较高的单酯难度较大,通常需要复杂的分离提纯过程。比如,目前工业上生产单脂肪酸甘油酯主要采用甘油解法,即在高温(220~260℃)及碱催化剂存在条件下,由甘油与动植物油脂进行甘油解反应制得。该方法反应温度高、能耗大且副反应多,所得产物为单脂肪酸甘油酯、双甘油酯和三甘油酯的混合物,单酯的含量一般为50%左右。如果要得到高纯度的单脂肪酸甘油酯,需要采用分子蒸馏进行分离纯化,得到纯度较高的分子蒸馏单甘酯。对于有8个游离羟基的蔗糖,反应更为复杂,理论上可以与多个脂肪酸发生反应生成从单酯到八酯的酯化产物,一般多为单酯、双酯和三酯的混合物。因此,该类食品乳化剂的制备研究关键在于提高反应的选择性。近年来,酶作为一种高效、专一性强的生物催化剂,采用酶催化法合成多元醇脂肪酸酯类食品乳化剂,具有反应条件温和、反应选择性高、安全无毒等优点,因此获得了科学家们的广泛关注[3-6]。如王楠等[7]采用脂肪酶催化脂肪酸甲酯与甘油进行酯交换反应制备脂肪酸单甘油酯,可获得生成单酯的较高反应选择性。

多元醇脂肪酸酯类乳化剂具有优良的乳化性能,在食品行业中应用广泛,部分品种还兼具其他功能。中长碳链脂肪酸单甘油酯还兼具良好的抑菌、抗病毒等特性,在食品中也有其独特的用途,具有广阔的应用前景[8]。月桂酸单甘油酯对芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、单核增生李斯特菌、幽门螺杆菌、空肠弯曲杆菌等细菌的生长繁殖有极强的抑制作用,同时可抑制肠毒素、毒性休克综合征毒素-1、链球菌致热外毒素和炭疽毒素等的合成并减少上皮细胞促炎性因子的分泌。蔗糖酯对蜡样芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、嗜热芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、酿酒酵母和镰刀菌等具有较广泛的抑制作用,对革兰氏阳性芽孢杆菌的抑制作用尤为显著,是一种兼具防腐和乳化作用的多功能食品添加剂[9]。磷脂类乳化剂还具有抗氧化、调节血脂、降低血清胆固醇、提高大脑记忆力、增强机体免疫力等功能。因此,食品乳化剂除了乳化性能之外的其他功能是目前科学家们研究的热点问题。

食品乳化剂在食品工业中应用非常广泛。在面包、蛋糕类食品中作为品质改良剂,防止面粉中直链淀粉产生疏水作用,从而防止面团老化、回生;促使面筋组织的形成,增强韧性;提高发泡性,并使气孔分散、致密;促进起酥油乳化、分散,改善组织和口感。在人造奶油中可使水分散到油中,制成稳定、均匀的乳液,从而改善人造奶油的组织结构。在鱼肉糜、香肠等食品中使添加的油脂乳化、分散,提高组织的均质性,并有利于该类食品表面被膜的形成,提高商品性和储存性。在糖果类食品中使所添加的油脂乳化、分散,提高口感的细腻性,同时使制品表面起霜,防止与包装纸的粘连,并防止砂糖结晶。在饮料中可起到增香、助溶、乳化分散、抗氧化等作用。在冰淇淋、巧克力等食品中可以控制脂肪晶体的大小和生长速度,改善产品组织结构等等。近年来,对于食品乳化剂的应用研究多集中在微乳液、纳米乳液、微胶囊化技术等方面。如将食用油、植物精油、鱼油等水溶性差、易发生氧化变质的动植物油脂在食品乳化剂存在条件下制备成微乳液,改善水溶性、提高其在外界环境中的稳定性,从而扩大其应用范围[10-12]。与常规乳液相比,纳米乳液具有高稳定性、高表面活性、高光学透明度等物理化学性质,对亲脂性功能组分具有高生物利用度,受到科学家们的青睐[13-14]。另外,微胶囊化技术可最大限度保持油脂原有的色香味,是防止其氧化及营养成分破坏的有效方法[15-16]。

2 JECFA对食品乳化剂的安全性评价

联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会(the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives,JECFA)是1956年建立的国际食品添加剂安全评价的权威机构,其制定的每日允许摄入量(ADI值)以及食品添加剂的相关产品规范在国际上均被广泛使用和参考[17-18]。

JECFA由各国该领域的学术专家组成,根据“食品添加剂和污染物安全评估原则”, 进行广泛深入的文献调研,对食品添加剂和污染物法典委员会(CCFAC) 提交的物质进行毒理学评价,并根据各种物质的毒理学资料制定出相应的ADI值。对于没有规定具体ADI数值的情况,给出其他安全性评价意见。

目前JECFA评价的食品乳化剂及具有乳化功能的食品添加剂一共有114种,有INS号的104种。其中种类最多的是多元醇脂肪酸酯类(33种),包括丙二醇脂肪酸酯、甘油脂肪酸酯、糖酯、聚甘油脂肪酸酯、失水山梨醇脂肪酸酯及聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯等。另外改性淀粉16种,磷酸盐、有机酸及其盐类31种,植物胶类12种,纤维素及其衍生物8种,其他如磷脂类、酪蛋白酸钠、皂树皮提取物等14种。

114种食品乳化剂中,有45种JECFA给出了确定的ADI值、MTDI(每日最大耐受摄入量)值或PMTI(每周耐受摄入量)值,这类物质可以在规定食品种类及用量范围内使用;49种食品乳化剂没有规定ADI值(not limited或not specified),说明这类物质的毒性很小,以现有的化学、生化、毒理或其他方面的资料和总膳食摄入水平,不会对人体造成健康危害,因此用一个数值表示ADI不一定是必须的,符合这一标准的添加剂必须按照GMP原则使用;17种食品乳化剂由于毒理学资料不够完善,没有制定出ADI值(no ADI allocated)及其他安全性评价意见;另外还有3种食品乳化剂因为没有提供完善的毒理学资料,JECFA委员会撤回了之前暂定的ADI值或其他安全性评价意见,以及产品规范等。

JECFA没有对GB 2760—2014中允许使用的可溶性大豆多糖(CNS 20.044)、氢化松香甘油酯(CNS 10.013)、辛,癸酸甘油酯(CNS 10.018)、木糖醇酐单硬脂酸酯(CNS 10.007)、聚氧乙烯木糖醇酐单硬脂酸酯(CNS 10.017)、改性大豆磷脂(CNS 10.019)、酶解大豆磷脂(CNS 10.040)等7种食品乳化剂品种进行安全性评价,而对其中的乳酸钙(CNS 01.310)、丙二醇(CNS 18.004)D-甘露糖醇(CNS 19.01)、麦芽糖醇(CNS 19.005)、麦芽糖醇液(CNS 19.022)、山梨糖醇(CNS 19.006)、山梨糖醇液(CNS 19.023)和乳糖醇(CNS 19.014)等8个品种没有作为食品乳化剂功能分类。

3 国内外食品乳化剂的研究热点和发展趋势

3.1 食品乳化剂的安全性研究

食品乳化剂的安全性是食品工业以及大众普遍关注的问题,也是科学家们永恒的研究主题[19-21]。JECFA对于食品乳化剂的安全性评价也不是一成不变的,随着研究的逐步深入以及毒理学资料的逐步完善,食品乳化剂的安全性评价意见也在持续更新。例如:食品乳化剂松香甘油酯,INS号为445(i),可在非酒精饮料及浑浊型饮料中用作乳化剂和密度调节剂。在2009年JECFA第71次会议中,JECFA委员会审查了化学性质和毒理学数据,建立了木质松香甘油酯(GEWR)和松香甘油酯(GEGR)ADI值(0~25 mg/kg),并为GEGR制定了新的暂定规范。但是GEGR的毒理学数据不完善,大鼠90 d口服毒性研究的关键数据仅提供了摘要,委员会要求在2010年底前提供完整的研究报告。到2011年JECFA第74次会议时还没有收到完整的毒理学数据,因此委员会将0~25 mg/kg的ADI值撤回,暂定了0~12.5 mg/kg的ADI值。同时,委员会还指出,如果2012年底之前还没有提交完整的大鼠90 d口服毒性研究报告,那么暂定的组ADI值也将会被撤回。2013年JECFA第77次会议仍然没有收到组成信息及毒理学数据,委员会决定撤回0~12.5 mg/kg的ADI值,并要求补充产品规范相应的信息。2015年JECFA第80次会议,委员会在审查了提交的相关资料后没有发现完成评估所需要的数据,一致同意撤回暂定的GEGR产品规范[22]。

3.2 天然、营养、多功能的食品乳化剂

我国食品添加剂行业在20 世纪90 年代提出了大力开发“天然、营养、多功能”食品添加剂的发展方针,与国际上提倡“回归大自然、天然、营养、低热能、低脂肪”的发展趋势一致。

目前人们越来越关注食品安全问题,对于贴有“清洁标签”的食品及饮料产品的需求持续增加。因此,在保证发挥乳化剂作用的同时,食品工业及科学家们试图寻求以天然来源的优质高效食品乳化剂替代化学合成的食品乳化剂,以生产天然食品成分组成的新产品[23-24]。天然乳化剂大多为植物来源,主要包括蛋白质类、多糖类、磷脂类以及皂苷类等[25]。近年来,以蔗糖为基础原料的蔗糖脂肪酸酯[26],其他糖基乳化剂如葡萄糖脂肪酸酯[27],以蛋黄、大豆、葵花籽、小麦、谷物、甜菜等为原料的磷脂类和蛋白质类乳化剂[28-32],以及淀粉基乳化剂[33]等引起了食品工业以及科学家们的极大兴趣。目前的研究报道主要是关于天然食品乳化剂的鉴定、表征和应用,以及它们的结构与形成和稳定乳液的能力的关系,pH值、离子强度、温度等环境因素对其乳化性能的影响等[34-35]。

啤酒糟是啤酒酿造工艺过程中的主要副产物,Negi等[36]通过分馏的方法分离了小麦啤酒糟中的非醇溶谷蛋白和醇溶谷蛋白,并研究它们在乳化方面的潜在应用。研究结果表明,来源于小麦啤酒糟的非醇溶谷蛋白组分可以作为一种新型的植物基乳化剂,在食品工业中具有较高的应用价值。

牛油果是一种富含油脂的热带水果,其脂质中磷脂含量非常高,但是在工业上广泛采用的酶法萃取油脂过程中,磷脂通常与残留的纸浆一起被丢弃,没有得到很好的利用。Züge等[37]从牛油果废纸浆油中分理出磷脂,并将其用于制备乳液。研究结果表明,牛油果磷脂可以形成并稳定乳液,在食品、化妆品以及医药等领域具有很高的潜在应用价值。

食品乳化剂是一种多功能的食品添加剂,除了乳化作用以外,其他功能的开发是食品乳化剂的另一大发展趋势。对于传统的食品乳化剂,如甘油脂肪酸酯类乳化剂,在面包、豆腐等的生产过程中使用量最大,但是目前有需求量减少的趋势,必须努力研发新产品和开发新用途,以开拓新的市场。不饱和脂肪酸(如亚油酸、EPA、DHA等)具有独特的营养保健功能,可以开发含多不饱和脂肪酸甘油酯等具有营养、保健功能的食品乳化剂[38-39]。含有羟基的脂肪酸(如蓖麻油酸)甘油酯具有丰富的药理作用,在药妆、医药等领域具有潜在的应用价值[40]。中碳链脂肪酸(如辛癸酸、月桂酸)甘油酯除了具有乳化性能之外,还具有优良的抑菌防腐功能[41-45]。

3.3 食品乳化剂的复配研究

在实际应用过程中,单一食品乳化剂对产品功能性质改善存在一定局限性,因此经常对单一的食品乳化剂进行复配。两种或两种以上食品乳化剂复配使用,可以充分发挥乳化剂的作用,其协同增效效应可以赋予产品以更好的品质。

食品乳化剂复配一般有以下几种思路:1)高、低HLB值的乳化剂复配使用,可以在界面上形成紧密排列的“复合物”,界面膜具有较高的强度,从而可以有效地防止聚结,增强乳液稳定性。2)结构相似的乳化剂复配使用,具有明显的协同增效效应,可获得性能优良的复配乳化剂,比如司盘和吐温类乳化剂。3)一般来说,单一非离子型乳化剂的乳化能力较强,离子型乳化剂和非离子型乳化剂复配使用,效果优于单一非离子型乳化剂。4)亲水基团构象互补的乳化剂复配使用,如单甘酯的亲水基团是线性的,而蔗糖酯的亲水基团为环状,将它们混合使用可获得较好的效果[46]。

Schantz等[47]研究发现,将磷脂和聚甘油蓖麻醇酯(PGPR)复配作为制备巧克力产品的乳化剂,通过适当调整两种乳化剂的配比以及乳化剂的添加量,可以按特定的要求调节熔化巧克力体系的屈服应力和黏度。Radujko等[48]研究聚甘油蓖麻醇酯、柠檬酸单/双甘油酯以及二合一复合乳化剂对可食用脂肪的物理性质和结晶特性的影响。结果表明,添加二合一复合乳化剂的脂肪样品具有较低的结晶速率,形成了较少量的晶体,说明样品具有更好的铺展性。

实践证明,食品添加剂复配使用可产生协同增效作用,使用复配食品乳化剂已经成为潮流和方向,不但可以降低食品乳化剂的用量,而且可以进一步改善食品的品质,提高食品的安全性,产生良好的经济效益和社会效益。目前食品乳化剂的复配技术多数靠经验,盲目性较大,需要辅以系统的理论研究,以获得高效、多功能的复配乳化剂。

4 结束语

食品乳化剂作为一类食品添加剂,在食品加工过程中起着非常重要的作用,是现代食品工业的重要组成部分。如何安全、有效地使用食品乳化剂是国内外食品行业广泛关注的问题,各个国家或地区对于允许使用的食品乳化剂品种及最大使用量都有明确的规定。近年来,国内在食品乳化剂制备方面,主要研究绿色、安全、高效的合成方法与工艺;在性质方面,除了乳化性能之外的其他功能是科学家们关注的热点问题;在应用方面,除了传统的应用之外,主要研究食品乳化剂在微乳液及纳米乳液、微胶囊化技术等方面的应用。开发安全、天然、营养、多功能的食品乳化剂以及乳化剂复配技术的研究是国内外食品乳化剂行业目前的研究热点以及未来的发展趋势。

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(责任编辑:叶红波)

ResearchProgressandProspectinFoodEmulsifiers

XU Baocai, WANG Rui, ZHANG Guiju, WANG Xiaoyan

(SchoolofFoodandChemicalEngineering/BeijingKeyLaboratoryofFlavorChemistry,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China)

Food emulsifier is one of the most consumable food additives, which occupies a very important position in food production and food processing. 49 kinds of food emulsifiers and food additives with emulsifying function approved by National Standard for Food Safety-Standard for the Use of Food Additives (GB 2760—2014) are introduced. The preparation, properties, and application research progress of domestic food emulsifiers are overviewed. Safety evaluation about 114 kinds of food emulsifiers and food additives with emulsifying function by the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives (JECFA) is summarized. The research hot issues and development trend of global food emulsifiers are prospected.

food emulsifier; safety; natural emulsifier; multi-function

10.3969/j.issn.2095-6002.2017.04.001

2095-6002(2017)04-0001-07

徐宝财,王瑞,张桂菊,等. 国内外食品乳化剂研究现状与发展趋势[J]. 食品科学技术学报,2017,35(4):1-7. XU Baocai, WANG Rui, ZHANG Guiju, et al. Research progress and prospect in food emulsifiers[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(4):1-7.

2017-06-25

国家重点研发计划项目(2017YFB0308701);国家自然科学基金资助项目(21676003;21403010);北京市教委科技计划重点项目(KZ201510011010);北京市教委市属高校创新能力提升计划项目(TJSHG201510011020)。

徐宝财,男,教授,博士生导师,主要从事表面活性剂的设计、合成、性质与应用研究。

TS202.3

: A

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