复配稳定剂对全营养乳剂稳定性的影响

武林贺，袁诚，罗明琍，曾荣华，许文东，吴谦

广州白云山汉方现代药业有限公司，中药提取分离过程现代化国家工程研究中心（广州 510220）

随着生活节奏加快、老龄化现象日趋严重，加之人们对营养饮食认识不足，导致了营养不良患者或患有某些消化功能障碍的人群数量的增加，这些人群不能依靠正常的饮食补充营养或正常饮食不能满足营养需求，只能依靠某些流食营养液改变营养状况[1-2]。全营养乳剂是一种中性的均衡营养补充剂，因其对病人和营养不良患者有较好的适用性，受到了广泛的关注[3-4]。全营养乳剂是以牛奶为蛋白来源，麦芽糊精作为碳水化合来源，低聚果糖作为膳食纤维来源，添加多种维生素和多种矿物质等营养素，通过剪切、均质、灭菌而制备成的液体营养食品[5-7]。全营养乳剂中成分复杂，有大分子的蛋白质、碳水化合物组分，不溶于水的脂肪，可溶及不可溶的矿物质等成分，这些均会影响全营养乳剂的稳定性：蛋白质对体系环境的变化非常敏感，容易产生凝聚沉淀；不稳定的维生素因体系内外条件的变化发生分解或与其他成分发生反应导致产品稳定体系崩溃；可溶及不可溶矿物质与蛋白质结合或沉淀过程中带动蛋白质等物质沉淀，导致全营养乳剂稳定体系遭到破坏[8-9]。因此，寻找合适稳定剂、保持全营养乳剂的稳定是目前特殊食品行业迫切想要解决的问题。

卡拉胶是一种亲水胶体，能够在乳剂中与蛋白质发生作用，形成三维空间网状结构，网状结构可以结合并固定水分子和不溶颗粒，卡拉胶分子带有负电荷能够吸附在油脂分子表面，增加油脂分子的排斥力，从而起到稳定作用[10-11]。黄原胶是由微生物发酵产生的杂多糖类物质，黄原胶在水中溶解时，能形成一种共聚体，这种共聚体构成类似胶体网状结构，能够抓取乳剂中不溶颗粒和油脂分子，能够使乳液的粒度和Zeta保持不变，对乳剂中不溶性颗粒和油脂分子的液滴具有良好的稳定作用[12]。微晶纤维素是一种多糖类物质，它不能溶解在水中，但能够在水中能形成稳定的分散体系，这种分散体系能够阻止不溶颗粒的下沉，对维持乳剂的均匀性具有重要作用[13]。

试验以卡拉胶、黄原胶和微晶纤维素为稳定剂研究对象，考察了单一稳定剂和复配稳定剂对全营养乳剂稳定性的影响[14-15]，获得能够保持全营养乳剂稳定的复配稳定剂。

1 试验材料和方法

1.1 试验原料、仪器与设备

1.1.1 试验原料

麦芽糊精，中粮生化能源（公主岭）有限公司；分离牛奶蛋白，恒天然集团；粉末磷脂，北京美亚斯磷脂技术有限公司；大豆油、菜籽油，南海油脂工业（赤湾）有限公司；维生素A、D、E、K，维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、柠檬酸钾、氯化钠、硫酸铜、葡萄糖酸锌、磷酸三钙、焦磷酸铁，浙江新和成股份有限公司；卡拉胶、黄原胶、微晶纤维素，广州市凯闻食品发展有限公司。

1.1.2 试验仪器与设备

T 50剪切机，德国IKA公司；EUROSTAR搅拌机，德国IKA公司；Niro Panda PLUS均质机，德国GEA公司；NDJ-5 S黏度仪，上海精其仪器有限公司；HH-WO-5 L恒温水浴锅，上海一凯仪器设备有限公司；高压湿热旋转灭菌锅，江苏神农灭菌设备股份有限公司；LXJ-IIB飞鸽低速离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.2 试验方法

1.2.1 全营养乳剂生产工艺流程

1.2.2 试验方法

1.2.2.1 脂肪上浮率的测定

按照生产工艺流程制备的全营养乳剂，灭菌后在室温下放置12 h。取50 mL的干燥刻度离心管，编号，精确称量50 mL全营养乳剂的体积为V1（mL）。在4 000 r/min条件下离心20 min，离心完成后小心取出离心管，读出脂肪上浮层的体积，为V2（mL）。试验平行3次，计算脂肪上浮率。脂肪上浮率按式（1）计算。

1.2.2.2 离心沉淀率测定

按照生产工艺流程制备的全营养乳剂，灭菌后在室温下放置12 h。取50 mL的干燥离心管，编号，称重离心管，为W1（g）。精确称量50 mL样品倒入离心管，称量其质量为W2（g）。将装有样品的离心管在4 000 r/min条件下离心20 min，离心完成后小心取出离心管，将液体部分完全倒出后，称量离心管和沉淀物的质量，为W3（g）。试验平行3次，计算离心沉淀率。离心沉淀率按式（2）计算。

1.2.3 卡拉胶对稳定性影响的单因素试验

考察卡拉胶添加量分别为0.01%，0.02%，0.03%，0.04%和0.05%对全营养乳剂稳定性的影响。样品灭菌后经过12 h室温放置后离心，测定其脂肪上浮率和离心沉淀率。

1.2.4 黄原胶对稳定性影响的单因素试验

考察黄原胶添加量分别为0.01%，0.02%，0.03%，0.04%和0.05%对全营养乳剂稳定性的影响。样品灭菌后经过12 h室温放置后离心，测定其脂肪上浮率和离心沉淀率。

1.2.5 微晶纤维素对稳定性影响的单因素试验

考察微晶纤维素添加量分别为0.05%，0.15%，0.25%，0.35%和0.45%对全营养乳剂稳定性的影响。样品灭菌后经过12 h室温放置后离心，测定其脂肪上浮率和离心沉淀率。

1.2.6 复配稳定剂对稳定性的影响

复配稳定剂对全营养乳剂稳定性影响的试验采用Box-Behnken试验设计，考察复配稳定剂对全营养乳剂稳定性的影响。全营养乳剂稳定性与脂肪上浮率、沉淀离心率均呈负相关，因此复配稳定剂响应面试验选择离心沉淀率值为响应值，考察复配稳定剂对全营养乳剂稳定性的影响。试验重复3次，取其平均值。

1.2.7 试验验证

确定最佳复配稳定剂添加量，制备全营养乳剂，样品灭菌后经过12 h室温放置后离心，测定其脂肪上浮率和离心沉淀率。

1.2.8 数据分析方法

利用SPASS，Origin和Excel软件对试验获得数据进行分析，并用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 卡拉胶添加量对全营养乳剂稳定性影响

图1是卡拉胶的单因素试验结果。由图1可知，卡拉胶添加量在0.01%～0.03%范围内，随着添加量的增加，全营养乳剂的脂肪上浮率和离心沉淀率减小的变化趋势比较明显；添加量在0.03%～0.05%范围内，脂肪上浮率和离心沉淀率的变化趋势减缓。主要原因是适量的卡拉胶在液体中能够吸附在油脂分子表面，使得油脂分子之间斥力增加，且卡拉胶在液体中能够形成网状结构，能够防止大分子等粒子沉降，从而提高全营养乳的稳定性。当卡拉胶用量较大时，液体黏稠度增加，油脂分子、蛋白质分子之间距离降低，使得油脂分子发生聚合，蛋白质疏水聚集成蛋白团状物，导致体系稳定性下降。

2.2 黄原胶添加量对全营养乳剂稳定性影响

图2是黄原胶的单因素试验结果。由图2可知，黄原胶的添加量在0.01%～0.02%范围内，随着添加量的增加，全营养乳剂的脂肪上浮率和离心沉淀率减小的变化趋势比较明显；添加量在0.02%～0.05%范围内，脂肪上浮率和离心沉淀率的变化趋势减缓并有上升趋势。在含有蛋白质的液体中，黄原胶的使用具有增加液体黏度、防止脂肪与水分层的作用，能够增加蛋白质稳定的作用，对液体中的固体粒子具有较好的悬浮能力。但黄原胶液体具有假塑性，当添加量逐渐增加时，全营养乳剂黏度逐渐升高，在旋转灭菌过程中，旋转摇动过程使得全营养乳黏度降低，黏度的降低使得蛋白质分子和油脂的聚集、固体粒子沉降，从而导致全营养乳体系稳定性降低。

图1 卡拉胶添加量对稳定性的影响

图2 黄原胶添加量对稳定性的影响

2.3 微晶纤维素添加量对全营养乳剂稳定性影响

图3是微晶纤维素的单因素试验结果。由图3可知，微晶纤维素添加量在0.05%～0.25%范围内，随着微晶纤维素添加量的增加，全营养乳剂的脂肪上浮率和离心沉淀率减小变化趋势明显；添加量在0.25%～0.35%范围内，随着添加量的继续增加，脂肪上浮率和离心沉淀率减小趋势变缓；继续增加微晶纤维的添加量至0.45%时，脂肪上浮率和离心沉淀率有增加的趋势。微晶纤维素不溶于水但能够吸水溶胀，能够在悬浮在液体中，其具有稳定油脂、蛋白质和固体粒子的作用，因此适量的微晶纤维素具有稳定全营养乳剂的作用。但是当增加微晶纤维素添加量时，微晶纤维素分子会吸附在蛋白质和固体粒子表面，致使蛋白质和固体粒子在液体中形成微小团状结合物，在离心过程中，团状结合物在离心力作用下沉降到离心管底部，从而增加离心沉淀率。而油脂分子失去部分蛋白质的乳化稳定作用，在离心过程中上浮到离心管表面，从而增加脂肪上浮率。

图3 微晶纤维素添加量对稳定性的影响

2.4 复配稳定剂响应面法试验设计及结果

根据卡拉胶、黄原胶和微晶纤维素单因素试验结果可知，卡拉胶、黄原胶和微晶纤维素的全营养乳剂的脂肪上浮率和离心沉淀率变化的转折点添加量分别为0.03%，0.02%和0.25%，因此选择卡拉胶、黄原胶和微晶纤维素添加量分别为0.03%，0.02%和0.25%作为考察中心点。根据Box-Behnken的中心组合设计原理，固定其他条件不变，选择卡拉胶（X1）、黄原胶（X2）、微晶纤维素（X3）3个影响显著的因素作为自变量，全营养乳剂离心沉淀率（Y）为响应值，设计三因素三水平的试验，共15组试验，其中12个为分析因子（1～12），3个为中心试验点（13～15）。试验因素水平见表1，离心沉淀率响应面分析方案及结果见表2。

2.5 响应面模型建立及显著性检验

利用响应面统计方法对离心沉淀率进行分析，建立离心沉淀率与X1、X2、X3三因素的数学二次多项式回归方程：

利用分析软件SAS对表2的数据进行回归分析，对二次多项式回归模型系数进行显著性检验，结果见表3。由表3可知，在回归方程模型中，一次项和二次项极显著（p＜0.01），表明所选择的卡拉胶、黄原胶、微晶纤维素三因素对全营养乳剂稳定性试验结果影响显著。X1和X2、X1和X3的交互项显著（p＜0.05），卡拉胶与黄原胶和微晶纤维素之间存在交互作用，复配使用能够增加全营养乳剂的稳定性。失拟项不显著（p＞0.05），回归方程模型极显著（p＜0.01），回归方程的模型校正决定系数0.984 3，相关系数R2=0.994 4，表明方程可以解释99%以上的沉淀离心率数据变异，方程的拟合性好，真实值和预测值相关性较高。二次回归模型可以用来预测离心沉淀率的变化，无需引入更高次模型，也无需引入新的变量，因此可以用该回归方程对试验的结果进行分析预测。

表1 试验因素水平

表2 离心沉淀率响应面分析

表3 二次多项式回归模型系数的显著性检验结果

2.6 复配稳定剂验证试验

设计试验验证二次回归模型得到复配稳定剂添加量对全营养乳剂的稳定性影响，试验重复三次取平均值。精确称取卡拉胶、黄原胶和微晶纤维素，分别为制备的全营养乳剂质量的0.03%，0.02%和0.25%，精确称取其他原料，然后按照工艺流程制备全营养乳剂。取50 mL刻度离心管，精确称其质量，然后将灭菌后放置12 h的样品装入50 mL刻度离心管中，并精确测定离心管中样品体积，然后称量离心管和样品质量，在4 000 r/min条件下离心20 min后取出离心管，然后精确称量脂肪上浮体积和离心后的沉淀质量，并按照式（1）和式（2）计算脂肪上浮率和离心沉淀率。通过计算分析得出验证试验结果，在验证试验条件下制备的全营养乳剂的脂肪上浮率为2.4%、离心沉淀率为4.33%，该结果的真实值接近预测值，说明该模型对稳定剂的配比优化是可行的，此时的稳定剂为全营养乳剂的最佳复配稳定剂。

3 结论

试验采用单因素试验和响应面优化法优化了稳定剂对全营养乳剂稳定性的影响，将全营养乳剂脂肪上浮率和离心沉淀率作为其稳定性考察指标，建立复配稳定剂对全营养乳剂稳定性影响的二次多项式数学模型，通过响应值分析及回归检验得出，模型的相关系数R2=0.994 4，说明该模型适用于稳定剂对全营养乳剂稳定性影响的研究。通过试验优化及验证，最终确定卡拉胶、黄原胶、微晶纤维素的添加量分别为全营养乳剂的0.03%，0.02%和0.25%；当稳定剂总添加量为0.3%时，制备的全营养乳剂最低脂肪上浮率为2.4%，最低离心沉淀率为4.33%。在此复配稳定剂作用下，全营养乳剂的脂肪上浮率和离心沉淀率均为最小值，此时全营养乳剂产品的稳定性最佳，因此该稳定剂为全营养乳剂的最佳复配稳定剂。