不同乳化剂对牛骨白汤稳定性的影响

高浩源， 李苗云， 赵莉君， 赵改名， 朱瑶迪， 马阳阳， 林菊， 张洁

(河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002)

中国是畜禽养殖大国，畜禽肉类生产与消费的需求量十分庞大[1-2]。2019年中国全年肉类总产量7 758.78 万t，约产生2 000 万t的畜禽骨副产物[3]。畜禽骨副产物可以开发制成骨素、骨泥、骨蛋白、骨糖及骨油等骨源产品[4]。骨源产品又可以开发成以骨素为主要原料的牛骨白汤和肉味香精等深加工产品，具有较高的营养价值及市场前景[5-6]。但是，长期以来骨副产物的精深加工和高值化在中国没有得到重视，骨副产物的利用比例不足10%，造成资源浪费和环境污染[7]。因此，将畜禽骨副产物转化为深加工产品，提高其经济价值，减少其对环境的危害，已成为人们关注的重点。

以骨汤产品为例，目前市面上牛骨汤产品的形式主要有原味高汤、粉末高汤和牛骨白汤3大类，以及部分冻干后的骨汤加工产品[8-10]。牛骨白汤是通过破碎、熬煮、汤油分离、风味调配以及均质乳化或非均质乳化等不同工艺方法制作出来[11]。以白汤产品为载体，将其应用于肉类工业和调味料行业等领域，发展机遇广阔[12-13]。然而，牛骨白汤存在乳化效果差和储藏易分层等问题[14]。在骨汤生产中加入乳化剂可以使油水混合相形成均匀的乳状液，从而提高产品质量。目前，白汤类产品的研究主要集中在原料配比、加工工艺、酶解条件和风味物质等方面[15-16]，关于使用乳化剂来提高骨汤乳化稳定性的研究相对较少。曾清清等[17]研究蔗糖酯和分子蒸馏单甘酯乳化剂对鸡骨高汤乳化稳定性的影响，发现乳化剂的添加可以提高鸡骨高汤的乳化稳定性。但是，尚未见有关乳化剂对牛骨白汤乳化稳定性的研究报道。因此，本试验以牛骨素和牛油为主要原料，研究不同乳化剂(单硬脂酸甘油酯、丙二醇脂肪酸酯、Span80和阿拉伯胶)对牛骨白汤稳定性的影响，为牛骨白汤标准化、规模化生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

牛骨素和牛油购置于河南普乐泰生物有限公司；单硬脂酸甘油酯(单甘酯)、丙二醇脂肪酸酯(丙二醇)、Span80、阿拉伯胶购置于北京优嘉食品有限公司。

1.2 仪器与设备

UV-2600i 紫外分光光度计，北京瑞利分析仪器有限公司；Nanotrac wave Ⅱ纳米粒度及Zeta电位仪，美国麦奇克仪器有限公司；Discovery HR-1旋转流变仪，美国TA Instruments公司；JZ-Ⅱ型高速均质器，天津铁道部电化院四方电器设备厂。

2 试验方法

2.1 牛骨白汤的制备

工艺流程：牛骨素→真空浓缩→调配高速均质(加入其他原料)→杀菌→牛骨白汤。

以表1为基础配方，原料样品放置于烧杯，并于水浴锅中使样品升温至60 ℃，经高速均质器10 000 r·min-1均质2 min制备牛骨白汤。

表1 牛骨白汤基础配方

2.2 乳化剂单因素试验

将不同质量分数(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%)的4种乳化剂(单甘酯、丙二醇、Span80和阿拉伯胶)在均质前分别加入牛骨白汤基础配方中，以未添加乳化剂作为空白对照组。

2.3 响应面优化试验设计

在2.2的单因素试验结果基础上，利用Design-Expert 8.0.6.1软件设计3因素3水平的响应面优化试验，试验因素和试验水平如表2所示。

表2 Box-Behnken响应曲面试验设计因素和水平表

2.4 乳化度测定

参照万勇斌等[7]的方法，根据白汤吸光度与白汤乳化度的线性关系，在虐待性试验后对牛骨白汤测量其吸光度。用紫外分光光度计在波长650 nm处测定乳化稳定性，以吸光度值表示乳化稳定性程度。

2.5 粒径分布测定

参考李燕等[18]的方法，将样品在25 ℃储存24 h后使用纳米粒度仪测量白汤的液滴尺寸和粒径分布，该仪器的粒径检测范围为0.3～10 000.0 nm。相关参数：散射角90°，分散体系折光系数为1.33。样品用蒸馏水稀释100倍后测量3次。

2.6 表观黏度测定

参照ZHAO等[19]的方法，将样品取适量放置于流变仪平台上，设置剪切速率在300.0 s内从0.1～300.0 s-1线性增加，测量7、22、37、52、67、82、97、112、127、142、157、172、187、202、217、232、247、262、277、292 s共20个数据点。

2.7 动态流变性测定

参照ZHAO等[19]的方法，将白汤样品置于流变仪样品平台上，加入样品后加上盖板，刮去多余的样品，设置速率为0.5 ℃·min-1，固体应变幅度为0.5%，记录10.0 rad·s-1的弹性G′和损耗模量G″。振荡测量从0.025～10.000 Hz在识别的线性黏弹性区域内进行，测量0.025、0.040、0.063、0.100、0.158、0.250、0.396、0.628、0.995、1.577、2.500、3.962、6.280、9.953、10.000 Hz共15个数据点。

2.8 数据处理

所有测试重复3次，测试数据表示为平均值±标准差；方差分析采用SPSS 24.0软件，显著性检验P<0.05；用Origin 2018软件绘图。

3 结果与分析

3.1 不同乳化剂对牛骨白汤乳化度的影响

乳化度与乳化稳定性成正比关系，乳化度越高，乳化稳定性越强[7]。由图1可知，不同乳化剂添加后牛骨白汤乳化度与空白对照组相比均显著提高。其中，当丙二醇的添加质量分数为1.0%时，单甘酯的添加质量分数为0.6%时，阿拉伯胶的添加质量分数为0.8%和1.0%时，牛骨白汤的乳化度能够达到0.90以上，表明此时牛骨白汤的乳化稳定性较好；与其他3种乳化剂相比，Span80对牛骨白汤的乳化效果最差。

注：不同字母表示显著差异(P<0.05)。

3.2 不同乳化剂对牛骨白汤粒径的影响

乳液的粒径是评价乳液稳定的重要因素，液滴粒径分布越小，乳析速率越慢，乳液越稳定[20-21]。如图2所示，与空白对照组相比，丙二醇、单甘酯和Span80的添加均能使牛骨白汤的粒径分布变小；而阿拉伯胶的添加，既没有避免牛骨白汤液滴积聚，也没有起到抑制大颗粒形成的作用。其中，当丙二醇和单甘酯的添加质量分数均为1.0%时，牛骨白汤的粒径分布向左偏移，粒径呈现减小趋势，并且丙二醇的效果优于单甘酯。随着Span80添加质量分数的增加，牛骨白汤的粒径在添加质量分数0.8%时与空白组相比最小。因此，本研究选择添加质量分数1.0%丙二醇来降低牛骨白汤的粒径分布。

图2 不同乳化剂对牛骨白汤粒径的影响

3.3 不同乳化剂对牛骨白汤表观黏度的影响

黏度是液体流动时所表现出来的内摩擦力，样品的表观黏度与其乳化稳定性呈正相关[22]。不同乳化剂对牛骨白汤表观黏度影响的结果见图3。在低剪切速率下，随着剪切速率的增加，牛骨白汤的表观黏度急剧下降，最终趋于稳定。与空白对照组相比，丙二醇添加质量分数为0.2%、0.4%和1.0%时牛骨白汤的表观黏度较高。单甘酯添加质量分数0.4%、0.6%、0.8%和1.0%时牛骨白汤表观黏度高于空白对照组。与空白对照组相比，Span80的添加质量分数为0.2%、0.4%、0.8%和1.0%时牛骨白汤的表观黏度较高。阿拉伯胶的添加使得乳液表观黏度均低于原乳液。阿拉伯胶本身是含有多种阳离子且具有高度分支结构的球型高分子多糖，离子的存在影响了蛋白和水分子之间的相互作用，从而使牛骨素和牛油难以乳化完全，导致黏度降低[23]。综上，添加适当比例的丙二醇、单甘酯和Span80可以提高牛骨白汤的表观黏度。

图3 不同乳化剂对牛骨白汤表观黏度的影响

3.4 不同乳化剂对牛骨白汤流变特性的影响

动态流变性用来描述样品的黏弹性，对产品的加工品质判定提供参考[24]。G′是储能模量(弹性模量)，表示材料存储弹性变形能量的能力，为固体特性；G″是损耗模量(黏性模量)，表示物质阻止流动的能力，代表能量的散失，是不可逆的，为流体特性[25-26]。图4为不同乳化剂对牛骨白汤流变特性的影响。丙二醇、Span80、阿拉伯胶添加后牛骨白汤的G′和G″均随频率的增加而增加，单甘酯的添加使牛骨白汤的G′和G″先增加后趋于稳定。其中，添加质量分数1.0%丙二醇、1.0%单甘酯及0.2%Span80均可使牛骨白汤体系的G′和G″达到最大值；添加阿拉伯胶后混合体系的G′变化不明显，这与表观黏度测定结果一致。综上，添加质量分数1.0%的丙二醇、1.0%的单甘酯及0.2%Span80制备牛骨白汤的G′和G″较高，效果较好。

图4 不同乳化剂对牛骨白汤流变特性的影响

3.5 响应面试验结果及分析

3.5.1 响应面试验结果及显著性分析 根据Box-Benhnken中心组合试验设计原理[27]，在Design-Expert 8.0.6软件中进行设计，试验方案及试验数据拟合二次多元回归结果见表3。二次多项式回归模拟方程为：

表3 试验方案与结果

表4 回归模型的方差分析

3.5.2 响应面试验图形分析 丙二醇添加质量分数(X1)、单甘酯添加质量分数(X2)和阿拉伯胶添加质量分数(X3)3个因素之间交互作用对牛骨白汤的乳化度影响如图5所示。响应面结果显示的斜率越陡，因子质量分数的变化对响应值影响越大，变化越明显，反之则表明该因素的改变对感官评分的影响越小[28]。阿拉伯胶添加质量分数、单甘酯添加质量分数的曲线比较陡峭，表明阿拉伯胶和单甘酯对乳化度的影响较为显著。通过响应面设计优化得到不同乳化剂的最佳工艺为添加质量分数0.8%丙二醇、质量分数0.7%单甘酯和质量分数0.8%阿拉伯胶，此时牛骨白汤乳化度为0.92。使用上述条件进行了3次验证试验，牛骨白汤的乳化度实测值为0.91，与预测值相对误差为1.1%，表明本研究建立的原料配比回归方程可靠，适用于提高牛骨白汤的稳定性。

图5 不同因素对牛骨白汤乳化作用的响应面

4 结论与讨论

提高产品稳定性并改善产品品质，是目前骨类高汤的发展趋势之一。本研究以牛骨素、牛油为原料，添加不同种类和质量分数的乳化剂，在单因素试验的基础上，采用响应面优化乳化剂的种类和添加质量分数。不同乳化剂的最佳工艺为添加质量分数0.8%丙二醇、质量分数0.7%单甘酯和质量分数0.8%阿拉伯胶，此时牛骨白汤乳化度为0.92，与空白组进行比较，发现该产品表现出较好的稳定性。

骨类高汤尤其是白汤的品质稳定性与其乳化度、粒径和流变特性有着紧密联系。在本研究中，使用了不同种类的乳化剂来提高乳液稳定性。乳化剂分为人工合成乳化剂和天然乳化剂2大类。在食品乳液制作中，人工合成的乳化剂包括小分子表面活性剂等，天然乳化剂包括磷脂、蛋白质和多糖等。丙二醇是小分子醇类，随着丙二醇添加质量分数增加，牛骨白汤的乳化度显著提高；当添加质量分数达到1.0%时，牛骨白汤粒径显著减小，表观黏度提高，这与贾果禧等[29]研究结果一致。添加质量分数1.0%丙二醇使全蛋液的乳化能力显著提高，推测是由于丙二醇中的羟基通过氢键与蛋白质进行非共价结合，增强蛋白质分子之间的交联，且作为溶于水和缓冲液的有机试剂，可以提高蛋白质在整个体系的溶解度，同时增加了体系的黏度[30-31]。单甘酯属于多元醇系非离子型乳化剂，白汤的乳化度随着单甘酯的添加呈现先增加后减小的趋势，推测是由于单甘酯在加热后会降低乳液稳定性[32]；当添加质量分数为1.0%时对乳液稳定性的抑制作用较强，这与楼盛明等[33]研究结果不同。乳液表观黏度增加，推测与其对蛋白质肽链亲水性的影响有关。骨素中蛋白质含量较高，影响牛骨素的乳化效果。Span80是多元醇表面活性剂，即多元醇的部分脂肪酸酯。作为非离子表面活性剂，Span80乳化度随着添加质量分数增加无明显变化，这与张志秋等[34]研究结果不同，推测是由于Span分子亲水端存在环状结构，在油水界面排列受空间位阻影响导致亲水端基亲水性变弱。随着Span分子碳链长度的增加，亲油性增加，Span分子溶解于油中，作用效果减弱[34]。阿拉伯胶是含有多种阳离子且具有高度分支结构的球型高分子多糖，离子的存在影响了蛋白和水分子之间的相互作用，从而使牛骨素和牛油难以乳化完全，导致粒径分布往右偏移、粒度增加、黏度降低且储能模量无显著变化，这与万刘静等[35]的研究结果一致，阿拉伯胶的添加质量分数超过0.2%会导致乳液粒径再次增大。通过研究乳化剂对牛骨白汤的乳化稳定性的影响，确定了高稳定性、品质良好的牛骨白汤的制备工艺，为进一步建立乳化稳定体系、研究稳定机理以及畜禽骨工业化的应用提供理论基础和参考依据。