剪切工艺对特医食品全营养乳液稳定性的影响

◎ 黄晓玲，胡 丹，邓颖诗，武林贺，卢嘉颉，袁 诚，曾梓轩，李 益，韩亚明，许文东

（广州白云山汉方现代药业有限公司，中药制药过程技术与新药创制国家工程研究中心，广东省药用脂质重点实验室，广东 广州 510240）

特殊医学用途配方食品（简称特医食品）是指为了满足代谢紊乱、进食受限、消化吸收障碍或特定疾病状态人群对营养素或膳食的特殊需要而专门加工配制的一类配方食品[1]。在欧洲、美国、日本、澳大利亚等国家或地区，特医食品在临床中的应用十分广泛，能有效改善患者的营养状况，提高免疫力，减少并发症，缩短住院时间，从而减少住院费用[2-3]。我国特医食品产业起步较晚，目前临床使用的特医食品大部分被国外企业垄断。因此，对特医食品的配方及生产工艺展开研究对推动我国特医食品产业发展具有重要意义。

目前，我国特医食品主要分为粉剂和乳剂两种剂型。与粉剂产品相比，乳剂产品使用更为便捷，具有较好的临床适用性，在国外市场占比较大（49.6%）[4]。因此，对特医食品乳剂产品的开发十分必要。特医食品乳液产品营养成分多、体系结构复杂，导致产品体系和营养素稳定性较差，产品开发难度较大。目前，关于该类产品的研究主要集中于婴幼儿配方的优化[5]、乳化稳定剂对产品稳定性的影响[6-7]、贮藏条件/营养素对产品品质特性的影响[8-9]、肠内营养液对病人的营养支持[10-11]等方面，关于特医食品乳剂产品的生产工艺方面的研究相对较少。

特医食品乳液产品通常是以碳水化合物、蛋白质、油脂、维生素和矿物质等为原料通过乳化加工形成的水包油型乳液体系，该体系不稳定，易受到组成成分、物理因素及环境因素等的影响而发生絮凝、沉降、分层、相转化等失稳现象[12]。乳化是制备乳剂产品的一个重要环节，是指油、水两相体系在乳化剂存在的情况下，被混合成相对均一、稳定体系的步骤。本研究根据《食品安全国家标准 特殊医学用途配方食品通则》（GB 29922ü 2013）[1]对10 岁以上人群营养素的相关要求，制备了特医食品全营养乳液，研究剪切温度、剪切转速、剪切时间对乳化过程及产品稳定性的影响，以期获得剪切条件对特医食品全营养乳液生产过程及产品稳定性的影响规律，为特医食品全营养乳液的加工提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

麦芽糊精，中粮生化能源有限公司；酪蛋白，广州市二龙景诚贸易有限公司；植物调和油（大豆油、菜籽油、玉米油），南海油脂工业（赤湾）有限公司；复合矿物质、复合维生素，普惠瑞信（常州）食品添加剂有限公司；单,双甘油脂肪酸酯、卡拉胶、羧甲基纤维素钠，广东天圣生化工程有限公司。

1.1.2 仪器与设备

IKA T25 高速剪切机，德国IKA 公司；PANDA PLUS 2000 高压均质机，德国GEA 公司；旋转灭菌锅，江苏神农灭菌设备股份有限公司；DHR-3 流变仪，美国沃特世公司；LS 13 320 激光衍射粒度分析仪，美国贝克曼库尔特有限公司；离心机，上海安亭科学仪器厂。

1.2 实验方法

根据GB 29922ü 2013 中对10 岁以上人群全营养配方食品营养素含量的要求制备特医食品全营养乳液。将16 g 麦芽糊精、4 g 酪蛋白、3 g 植物调和油（大豆油、菜籽油、玉米油）、10 g 复合矿物质、5 g复合维生素、1 g 单,双甘油脂肪酸酯、1.5 g 卡拉胶和1.5 g 羧甲基纤维素钠加入1 L 已预热至考察温度的纯化水中，调节IKA T25 高速剪切机至考察剪切转速，剪切一段时间后，完成乳化步骤，得到粗乳。乳化过程中的剪切条件如表1 所示。随后，对粗乳进行均质，均质压力30 MPa、循环2 次。将均质后的乳液进行灌装后，置于旋转灭菌锅中进行灭菌，灭菌温度121 ℃、灭菌时间20 min。灭菌结束后即得特医食品全营养乳液终产品。

表1 乳化过程中的剪切条件表

1.2.2 物料分散情况的测定

物料剪切结束后，将粗乳过80 目筛，观察物料分散情况。

1.2.3 泡沫量的测定

粗乳剪切结束后，将粗乳表面的泡沫轻轻转移至量筒中，测量剪切过程中产生的泡沫体积。

1.2.4 乳液粒径的测定

采用激光衍射粒度分析仪测定粗乳及终产品的粒度分布，以粒度分布计算粒径平均值。样品在仪器内的平衡时间为60 s，测试温度为25 ℃。

1.2.5 粗乳黏度的测定

然而，在室内环境中测量挥发性有机化合物更为复杂，结果更不具体。有时很难确定哪些特定的材料要对异常高的读数负责。

采用流变仪测定粗乳的黏度，采用直径为40 mm的平板，间距为1.0 mm，温度为25 ℃，剪切速率为0.1～300.0 s-1。

1.2.6 离心沉淀率的测定

称量50 mL 离心管的重量，称取20 g 样品于50 mL离心管中，用离心机于4 000 r·min-1条件下离心20 min，离心结束后，弃去上层清液，称量离心管重量。离心沉淀率计算公式为

式中：m0为50 mL 离心管的质量，g；m1为样品质量，g；m2为离心结束后，弃去上清液的离心管总质量，g。

1.3 数据处理

所有实验均做3 次平行，采用SPSS 26.0 统计软件的Duncan 法进行显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 剪切条件对物料溶解过程的影响

不同剪切条件对物料溶解过程的影响如表2 所示。剪切条件对物料的溶解情况影响明显，对剪切过程中产生的泡沫量具有显著影响。剪切温度考察结果显示，剪切温度过低或过高时，均不利于物料的溶解。剪切温度过低（40 ℃）时，物料无法溶解完全，剪切结束后，乳液中仍有较多小颗粒不溶物；剪切温度过高（60 ℃）时，蛋白质受热变性絮凝，剪切结束后，乳液中有少量絮凝物。剪切过程中产生的泡沫量随剪切温度的升高呈先增加后减小的趋势。泡沫量的变化与温度影响蛋白质的空间结构有关，加热会使酪蛋白暴露更多的疏水基团，导致在水相和气相的界面有更多的疏水基团与气相结合、亲水基团与水相结合，从而促进泡沫的形成。随着剪切温度的继续升高，蛋白质因变性而逐渐重新形成聚合物，使剪切过程中产生的泡沫量减少[13]。

表2 剪切条件对物料溶解过程的影响表

剪切转速考察结果显示，物料的溶解效率随着剪切转速的增大而提高，当剪切转速为3 000 r·min-1时，物料能充分溶解。但随着剪切转速的升高，剪切过程中产生的泡沫量显著增加，这是因为剪切转速的提高会导致更多的气体注入乳液中并包埋在蛋白质中形成泡沫[14]。剪切时间考察结果显示，剪切时间对物料溶解过程的影响规律与剪切转速考察结果一致，当剪切时间为20 min 时，所有物料能充分溶解，且不会产生过多泡沫。

剪切条件对物料的溶解效率有明显的影响，对剪切过程中产生的泡沫量有显著影响。过多的泡沫不利于后续均质工艺的开展且会造成物料损失，因此在保证物料充分溶解的前提下，应通过控制剪切条件减少剪切过程中产生的泡沫量。

2.2 剪切条件对粗乳粒径分布的影响

粒径分布可以评估乳液的稳定性，粒径越小，乳液体系越稳定。不同剪切条件对混合乳化结束后粗乳粒径分布的影响如图1～图3 所示。由图1 可知，剪切结束后的粗乳粒径随着剪切温度的升高呈先减小后增大的趋势，这是因为在较低剪切温度条件下（40 ℃），物料无法充分溶解，导致乳液粒径较大；当剪切温度过高时（60 ℃），部分蛋白质变性絮凝，导致乳液粒径增大。由图2、图3 可知，随着剪切转速的增加或剪切时间的延长，乳液的粒径减小，但是当剪切转速高于3 000 r·min-1或剪切时间高于20 min 时，乳液的粒径变化并不明显。

图1 剪切温度对粗乳粒径分布的影响图

图2 剪切转速对粗乳粒径分布的影响图

图3 剪切时间对粗乳粒径分布的影响图

可能是因为随着剪切转速的增加或剪切时间的延长，乳液液滴变小，液滴间的布朗运动速度加剧，增加了颗粒间的碰撞次数，导致乳液中的液滴重新聚结，阻碍了液滴被剪切打破。另外，随着乳液液滴粒径的减小，颗粒的比表面积增大，从而增高了液滴的表面能，乳液液滴更易聚集，最终导致当剪切转速为4 000 r·min-1或剪切时间为30 min 时，乳液粒径的变化不明显[15]。

2.3 剪切条件对粗乳黏度的影响

不同剪切条件下乳液黏度随流变仪剪切速率的变化趋势如图4～图6 所示。随着流变仪剪切速率的增加，乳液的表观黏度先急剧下降后趋于平衡，所有样品均表现出剪切变稀的假塑性流体特性。当各组样品的黏度达到稳定状态后，在不同剪切参数考察条件下，随着剪切温度/剪切转速/剪切时间的增加，乳液的黏度均呈现出先增大后减小的趋势。这是因为在乳液体系中，适当提高剪切温度、剪切转速或适当延长剪切时间，均有利于减小乳液体系中的液滴粒径，粒径减小，导致相同分散相体积分数下的液滴数目增多，液滴间的距离减小，液滴间的相互牵引力增强，最终导致液滴位移困难，乳液的表观黏度增大[16]。而当剪切温度、剪切转速过高，或剪切时间过长时，体系中的脂肪球簇发生形变或破碎，液滴间的定向排布阻力减小。此外，过于剧烈的剪切作用也会严重影响乳液中蛋白质、亲水胶体等成分的原始结构，最终导致乳液体系的黏度下降。当剪切温度为50 ℃、剪切转速为3 000 r·min-1、剪切时间为20 min 时，乳液的黏度最大。而乳液的黏度对其稳定性具有重要影响，黏度增大，颗粒在连续相中运动受到的黏制力增加，分散相液滴的运动速度下降，乳液的稳定性则相对稳定[17]。此外，黏度增大也会减少乳液中一些不溶性的大颗粒物质因重力作用而发生沉降的现象。

图4 剪切温度对粗乳黏度的影响图

图5 剪切转速对粗乳黏度的影响图

图6 剪切时间对粗乳黏度的影响图

2.4 剪切条件对特医食品全营养液终产品乳液性质的影响

平均粒径和离心沉淀率可用于表征乳液稳定性，平均粒径和离心沉淀率越小，乳液越稳定。不同剪切条件对终产品乳液的平均粒径和离心沉淀率的影响如表3 所示。不同剪切条件对终产品乳液的平均粒径及离心沉淀率没有显著影响。这可能是因为物料剪切溶解后，粗液还需要经过均质，均质过程中的撞击、空穴和剪切作用的剧烈程度远高于物料溶解阶段的剪切作用，粗乳中的大颗粒物质在均质过程中被进一步破碎成小颗粒物质，由不同剪切溶解条件造成的粗乳性质的差异也在均质过程中消除。由此可见，不同剪切条件仅影响粗乳性质，而对终产品的稳定性没有显著影响。

表3 剪切条件对特医食品全营养液终产品乳液性质的影响表

3 结论

本研究考察了剪切温度、剪切转速、剪切时间对物料溶解情况、剪切过程中产生的泡沫量、粗乳粒径分布及黏度、终产品乳液平均粒径和离心沉淀率的影响，获得了剪切条件对粗乳及终产品乳液稳定性的影响规律。结果表明，不同剪切条件仅影响物料溶解情况、剪切过程中产生的泡沫量及粗乳乳液性质，而对终产品的乳液性质没有显著影响，这说明在选择剪切条件时，主要考虑生产的可行性、效率、节能等因素。在本研究体系下，最佳剪切条件是剪切温度50 ℃、剪切转速3 000 r·min-1、剪切时间20 min，在该剪切条件下，所有物料能完全溶解且不会产生过多的泡沫，可以避免由于泡沫过多而对生产过程带来的不利影响。此外，在该剪切条件下，粗乳粒径最小、黏度最大，表明现出较好的稳定性，避免粗乳在均质前发生沉淀、分层等不稳定现象，且能够延长粗乳的放置时间。本研究结果可为特医食品全营养乳液的工业化生产提供一定的理论依据。