大豆可溶性多糖与Fe2+对O/W乳状液物理稳定性及流变特性的影响

王胜男,杨晋杰,邵国强,赵玲玲,杨立娜,何余堂,刘 贺

(渤海大学食品科学与工程学院,辽宁锦州 121013)

食品乳状液是一种热力学不稳定的多相体系,分散度较高,在储藏过程中,易发生絮凝、聚集等不稳定现象,使乳液分层,影响产品的感官品质[1-2]。此外,乳液在加工过程中铁、铜等过渡金属常混入连续相,容易与乳液中油脂接触,催化油脂氧化,增加油脂氧化速率,进而引起乳液稳定性降低[3-4]。

食品乳状液中常添加蛋白质和多糖作为乳化剂或稳定剂[5-6]。蛋白质能吸附在油水界面上,通过静电或空间排斥作用稳定乳状液[7]。多糖分子具有乳化能力,可以吸附在界面区域,对界面性质及微观结构有显著影响,产生空间壁垒效应,提高乳液的聚结稳定性[8-9]。研究表明,某些类型的多糖可与过渡金属铁结合,抑制油脂氧化,同时影响乳液的稳定性。Chen等[10]发现高、低甲氧基果胶、R-卡拉胶和海藻酸钠能与铁结合,抑制O/W乳状液的氧化,且高、低甲氧基果胶结合铁能力较强,可以抑制油脂氧化,但是这些多糖对乳液物理稳定性影响较小。Salvia-Trujillo等[11]发现,海藻酸钠分子上的阴离子基团螯合了水相中的过渡金属,增加了乳液的氧化稳定性,而且海藻酸钠使水相增厚,延缓了液滴的运动,提高了乳液的物理稳定性。Qiu等[12-13]发现pH为3.5时,黄原胶糖链上的阴离子丙醛酸与亚铁离子结合,抑制了乳液的氧化,提高了乳液的物理稳定性;果胶内存在内源性过渡金属,促进了油脂氧化,但是提高了乳液的物理稳定性。Xu等[14]发现,在酸性条件下,铁的溶解性更强,黄原胶与果胶结合铁的能力存在差异,改变了米谷蛋白乳液液滴的聚结状态,提高了乳状液的物理和氧化稳定性。

本研究通过测定并分析添加大豆可溶性多糖(SSPS)和不同浓度Fe2+的大豆分离蛋白(SPI)稳定的O/W乳状液在储藏过程中稳定动力学指数(TSI)、流变学性质、粒径大小及分布和Zeta-电位这四种指标结果的变化,探讨SSPS和Fe2+对SPI稳定的O/W乳状液物理稳定性及流变特性的影响,旨在为揭示SSPS及Fe2+对乳状液性质的影响,并为乳状液稳定性方面的研究提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

SPI 临沂山生物制品有限公司;九三非转基因大豆油 九三粮油工业集团有限公司;SSPS 河南千志商贸有限公司;硫酸亚铁 天津市风船化学试剂科技有限公司;叠氮化钠(分析纯) 北京化学试剂有限公司;其他试剂 均为国产分析纯。

FJ-200高速分散均质机 上海标本模型厂;FB-110S高压均质机 上海励途机械设备工程有限公司;Turbiscan Lab稳定分析仪 北京郎迪森科技有限公司;DHR-1流变仪 美国TA公司;BT-9300激光粒度分布仪 丹东百特仪器有限公司;90plus Zeta电位及激光粒度分析仪 美国布鲁克海文仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乳状液的制备 参考Tran等15]的方法制备乳状液,略有改动。将SPI和SSPS分别配制成0.05和0.06 g/mL的水溶液,然后取80 mL SPI溶液与20 mL大豆油混合,再取100 mL SSPS溶液，以1∶1比例与之混合均匀,制备出200 mL含2%(w/v)SPI、10%(w/v)大豆油和3%(w/v)SSPS的混合溶液,最后依次加入硫酸亚铁溶液，使其终浓度为0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mmol/L,用玻璃棒搅拌混匀后,利用高速剪切机在10000 r/min下剪切2 min,制成初级乳状液,再通过高压均质机在50 MPa下均质3次,最后添加0.02%的叠氮钠抑制微生物的生长,制成的乳状液在室温下贮存,每隔7 d对各项指标进行检测,连续检测14 d。将未添加SSPS、Fe2+的乳状液(SPI乳状液)和未添Fe2+的乳状液(SSPS-SPI乳状液)作为对照组。

1.2.2 多重光散射测定 参考Raikos等[16]研究方法进行测定,略有改动。利用Turbiscan Lab稳定性分析仪，分别对储藏1、7、14 d乳状液的稳定性进行分析,用TSI表征乳化体系的物理稳定性。将乳液放于测量池中,装液量为20 mL,采用扫描模式进行测量,测试温度为25 ℃,每次测定时,样品的扫描时间为1 h,扫描间隔为15 min。

1.2.3 流变学测定 参考刘贺等[17]研究方法,利用DHR-1流变仪测定,分别取储藏1、7、14 d的乳状液各1.0 mL于测试台上,25 ℃下采用40 mm平行板夹具,狭缝距离为0.5 mm,检测剪切速率为0～100 s-1下的粘度并进行分析。

1.2.4 粒径大小及分布测定 参考万芝力[5]的研究方法进行测定,略有改动。利用BT-9300ST激光粒度分布仪，分别测定储藏1、7、14 d乳状液的粒度分布情况,取0.5 mL乳状液于样品池中,参数设置如下:采用通用分析模式,以水为分散剂,颗粒折射率为1.520,分散剂折射率为1.333,激光波长为633 nm。本实验采用表面积平均直径(d3,2)和体积平均直径(d4,3)来表征液滴粒度的大小,一般用d3,2评估新鲜制备的乳液的比表面积,用d4,3检测储藏过程中液滴尺寸分布的变化。

1.2.5 Zeta-电位测定 参考Liang等[18]的研究方法进行测定,略有改动。利用90plus Zeta电位及激光粒度分析仪，分别测定储藏1、7、14 d乳状液的Zeta电位,取3 mL稀释10000倍的乳液于样品池中,在25 ℃条件下进行Zeta-电位测定。

2 结果与分析

2.1 Fe2+对乳状液TSI的影响

TSI反映样品在储藏期内浓度和颗粒粒径变化幅度的综合,变化幅度越大,TSI越大,乳状液越不稳定[19]。SSPS和不同浓度Fe2+对SPI稳定的O/W乳状液的TSI影响如图1所示。由图1可知,在14 d储藏期内,SSPS-SPI乳状液的TSI均比SPI乳状液低,说明添加的SSPS可能与SPI相互作用,使油水界面层增厚,提高了乳状液的稳定性[15]。储藏1 d时,添加0.1 mmol/L Fe2+后,乳状液的TSI最小,乳状液稳定性较好,可能是由于SSPS与Fe2+结合,使液滴间的静电斥力增大[13-14,20-21];扫描时间30～60 min时，随着Fe2+浓度的增加,乳状液的TSI随之增加,直到添加0.5 mmol/L Fe2+后,乳状液的TSI降低,原因可能是Fe2+过高,使SSPS在油水界面上发生分子重排,界面层更致密,提高了乳状液的稳定性[9];储藏1 d时，扫描时间1 h内,随着扫描时间的增加,乳状液的TSI逐渐增大。储藏7 d时,所有乳状液的TSI变化趋势与储藏1 d的相同,TSI整体增大。与1～7 d相比，储藏14 d时,所有乳状液的TSI显著增加(p<0.05),且TSI随Fe2+浓度的增加而增大,说明高浓度的Fe2+降低了乳状液的物理稳定性,归因于水相中过多的Fe2+增加了液滴间的范德华力和疏水吸引力,导致液滴聚结。以上结果表明,随着储藏时间的延长,所有乳状液的浓度和颗粒粒径均发生改变,乳状液越不稳定，且Fe2+浓度越高,乳状液越不稳定。

图1 不同储藏时间内Fe2+对乳状液TSI的影响Fig.1 Effects of Fe2+ on the TSI of emulsion storaged for different time

2.2 Fe2+对乳状液流变性质的影响

影响乳状液流变学性质的因素有:液滴粒径大小、连续相的粘度及组成成分等[22]。增加连续相粘度可减小液滴扩散速率,降低液滴间的碰撞频率,增加乳状液的聚结稳定性。此外,稳态流变中,剪切稀化行为是最常见的流变性质:粘度随剪切速率的增加而降低[23]。不同剪切速率下SSPS和Fe2+对乳状液粘度的影响如图2所示。由图2可知,在14 d储藏期内,所有乳状液均表现出剪切稀化行为。其中,储藏1 d 时,总体来说,添加0.1 mmol/L Fe2+的乳状液的粘度>SSPS-SPI乳液>SPI乳液;储藏7 d时,总体来说,SPI乳状液的粘度最大,添加0.4 mmol/L Fe2+的乳状液的粘度最小;储藏至14 d时,添加0.1 mmol/L Fe2+的乳状液的粘度也最大,可能是由于Fe2+与SSPS间的相互作用,使油水界面上SSPS吸附量增加或分子发生重排,导致粘度增大[24]。

图2 不同储藏时间内Fe2+对乳状液粘度的影响Fig.2 Effects of Fe2+ on the viscosity of emulsion storaged for different time

表1为利用幂律模型(Polwer law model)对数据进行非线性回归的参数估计,方程τ=Krn，式中：τ表示剪切力；K为稠度系数；r表示剪切应变；n为幂律指数。Polwer law model是对流体回归最为常用的模型,粘度系数K是乳液粘稠性的表征;特性指数n=1代表牛顿流体,n<1代表剪切稀化流体,且当0KSPI,表明SSPS的添加,使乳状液粘度增加。储藏1 d时,随着Fe2+浓度的增加,乳状液的K值也随之增加,当Fe2+浓度达到0.4 mmol/L时,K值减小;储藏7 d时,KSSPS-SPI最大;储藏14 d时,K0.1最大。以上结果表明,SSPS和0.1 mmol/L Fe2+提高了乳状液的粘度。

表1 不同Fe2+浓度下的幂律模型参数估计Table 1 Parameter estimation of power law model with different Fe2+ concentrations

2.3 Fe2+对乳状液粒径分布的影响

乳状液中液滴颗粒的大小会影响乳液的物理稳定性,液滴颗粒越小、分布越均一、峰值越高,则乳状液越趋于稳定[27]。SSPS和不同浓度的Fe2+对乳状液粒径分布的影响如图3所示。由图3可知,储藏1 d时,除SPI乳状液粒径分布为单峰外,其余所有乳状液的粒径分布均为双峰。SPI乳状液峰值最高,分布集中在10 μm内;添加0.1 mmol/L Fe2+的乳状液峰值次之,其次是添加0.3 mmol/L Fe2+和SSPI-SPI乳状液。储藏7 d时,所有乳状液粒径分布呈多峰(四峰),SPI乳状液粒径分布范围明显后移,主要集中在10～100 μm,粒径增大。储藏14 d时,所有乳状液粒径分布曲线均向粒径大的方向位移,主要集中在10～100 μm,而且添加0.4、0.5 mmol/L Fe2+乳状液的粒径部分分布在100～1000 μm。

图3 不同储藏时间内Fe2+对乳状液粒径分布的影响Fig.3 Effects of Fe2+ on the particle size distribution of emulsion storaged for different time

SSPS和不同浓度的Fe2+对乳状液d3,2和d4,3的影响如表2所示。由表2可知,随着储藏时间的延长,液滴发生聚集,所有乳状液液滴的粒径均显著增大(p<0.05)。其中,储藏1 d时,SPI乳状液的d3,2和d4,3分别为0.689、0.978 μm,SSPS-SPI稳定的乳状液的d3,2和d4,3分别为0.832、2.246 μm,比SPI稳定的乳状液粒径显著增大(p<0.05),可能是由于SSPS覆盖在油滴表面,形成厚层,使液滴粒径增大[28];添加0.1 mmol/L Fe2+乳状液的d3,2和d4,3分别为0.686、2.136 μm,与未添加Fe2+的SSPS-SPI乳状液相比,液滴的比表面积和尺寸降低,可能是由于低离子浓度下,SSPS与Fe2+结合,液滴间的静电斥力大于范德华力和疏水吸引力,提高了乳状液的聚结稳定性[13-14,20-21];储藏1 d时，随着亚铁离子浓度的增加,乳液(0.2、0.3、0.4和0.5 mmol/L Fe2+)的d3,2依次为0.857、0.800、0.917和0.994 μm,d4,3依次为4.066、2.895、4.981和5.347 μm,表明乳状液液滴的比表面积和尺寸逐渐增加[8],随着Fe2+浓度的增加,液滴间的范德华力和疏水吸引力超过静电斥力,导致液滴聚结,乳状液稳定性降低。

表2 Fe2+对乳状液表面积平均直径(d3,2)和体积平均直径(d4,3)的影响Table 2 Effects of Fe2+ on the surface area average diameter and volume average diameter

2.4 Fe2+对乳状液Zeta-电位的影响

在乳状液储藏期间,Fe2+的吸附或解吸、多糖分子的吸附都能使乳液液滴表面的带电特性发生改变[11]。SSPS和不同浓度的Fe2+对乳状液Zeta-电位的影响如图4所示。由图4可知,1 d时,SPI乳状液的Zeta-电位为-54.69 mV,SSPS-SPI乳状液的Zeta-电位为-40.69 mV,可能是由于SSPS的阴离子基团结合至SPI稳定乳状液的阳离子液滴的表面,中和了部分电荷,使Zeta-电位降低[29-30]。添加Fe2+后，Fe2+与SSPS链段上的羧基相互作用，导致乳状液的Zeta-电位呈正电荷，且随着Fe2+浓度的增加，水相中的Fe2+浓度增加，导致液滴带正电且电荷不断增大[31]。随着储藏时间的延长，SPI和SSPS-SPI稳定的乳状液液滴间的静电斥力降低，导致Zeta-电位绝对值逐渐降低[28]；添加0.1～0.2 mmol/L Fe2+的乳状液的Zeta-电位逐渐递增，而添加0.3～0.5 mmol/L Fe2+的乳状液的Zeta-电位呈先减小后增大的变化趋势，可能与Fe2+和SSPS二者在界面上的吸附有关[11]。

图4 不同储藏时间内Fe2+浓度对乳状液Zeta-电位的影响Fig.4 Effects of Fe2+ on the zeta of emulsion storaged for different time

3 结论

本研究明确了SSPS及不同浓度的Fe2+对SPI稳定的水包油乳状液物理稳定性及流变特性的影响。结果表明,SSPS的添加,通过吸附至液滴表面,使乳液粘度增加,粒径增大,Zeta-电位降低,TSI值降低,提高了乳状液的聚结稳定性。0.1 mmol/L Fe2+的添加,显著降低了液滴的比表面积直径(p<0.05),K值增加,TSI值降低;随着Fe2+浓度的增加,乳液的TSI值、Zeta-电位、d3,2和d4,3也随之增加。综上所述,SSPS和0.1 mmol/L Fe2+的添加,提高了SPI稳定的水包油乳状液的物理稳定性,0.2～0.5 mmol/L的Fe2+降低了乳状液的物理不稳定性,具体的作用机制有待进一步的研究。本研究对提高乳状液的稳定性具有重要意义。