大豆分离蛋白-蔗糖酯对不同油脂制备的乳液稳定性的影响

徐亦青，詹 伟，牛 军，王 冶，卞 丹

（正大食品研发有限公司，浙江慈溪 315300）

乳液广泛应用于多种食品，如冰淇淋、糖果以及肉制品。然而，乳液体系中的不稳定机制，如乳析、絮凝、奥斯特瓦尔德熟化等降低了乳液的稳定性[1]。因此，常在乳化过程中加入表面活性剂（乳化剂）以提高乳液的稳定性。相比于人工合成乳化剂，天然乳化剂特别是植物基乳化剂因具有生物降解性、可持续性和生物功能性等优点而备受关注[2]。其中大豆分离蛋白（SPI）已成为一种广泛使用的天然乳化剂。SPI 具有两亲性结构，可降低油水两相间的界面张力，同时具有较高的营养价值和较低的成本。然而，SPI 的分子量大、溶解度低、静电斥力弱等特点降低了SPI 向油水界面的运动和吸附速度，需要较长的乳化时间才能形成稳定的乳液[3]。有研究通过在SPI 中加入其他成分如低聚果糖、大豆磷脂、染料木黄酮等[4-6]来形成复合乳化剂，以此乳化得到更稳定的乳液。然而，乳液的稳定性还与乳化环境及油相脂肪酸组成等有关。杨凯麟等[7]研究了水相pH 和Na+浓度对乳液稳定性的影响。Jiang 等[8]和许笑男等[9]研究发现，超声对乳液的稳定性及消化性有明显影响。然而，关于油脂中脂肪酸组成对乳液稳定性的研究还很有限。

蔗糖酯（SE）是一种无毒、生物可降解的非离子型表面活性剂，大范围的亲水亲油平衡值（HLB 1-16），使其具有良好的乳化性，可显著降低溶液的表面张力和粘度[10]。有研究表明，SE 可通过范德华力和疏水作用与蛋白质发生相互作用，结合到SPI 分子上后可改变SPI 的二级结构，从而提高SPI 的乳化特性[11]。另外，Hu 等[12]研究发现，蔗糖硬脂酸酯在临界聚集浓度（CAC）为2.0×10-4wt%以上时形成囊泡，可稳定十六烷或可食用油水乳状液（0.1wt%以上），其中囊泡分散在油滴周围的水片状中，提高乳状液的稳定性。Ariyaprakai 等[13]发现相比吐温，使用蔗糖酯稳定的乳状液的冻融稳定性更好。

目前，关于SE 与其他成分复合乳化的研究还很少。因此，本研究在前人研究基础上，以SPI-SE 为复合乳化剂同时制备了四种乳液（乳液LA、乳液SO、乳液LO、乳液FO），通过对比乳液的乳化活性、粒径分布、微观结构、热特性、储藏稳定性、氧化稳定性等指标来探究四种乳液的稳定性差异，为SPI-SE 复合乳化剂在乳化油脂上的应用提供一定的理论研究依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大豆分离蛋白 纯度>98%，滨州御馨生物科技有限公司；蔗糖酯 纯度100%，日本第一工业制药株式会社；精制猪油 一级，临沂新程金锣肉制品集团有限公司；大豆油 一级，浙江益海嘉里食品工业有限公司；亚麻籽油 一级，宁夏优优食用油有限公司；鱼油（鲱鱼油）上海麦克林生化科技有限公司；10%十二烷基苯磺酸钠溶液（10%SDS）分析级，上海阿拉丁生化科技有限公司；无水乙酸、碘化钾、硫代硫酸钠、异辛烷、异丙醇等 分析级，国药集团化学试剂有限公司；实验过程所用水均为超纯水。

T25 型均质机 德国IKA 集团；TQ8040 型气相色谱质谱联用仪（GC-MS）、SALD-2300 型激光衍射粒度仪、DSC-60plus 型差示扫描量热仪（DSC）日本岛津公司；UV-1800 型紫外分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；Nikon E-200 型光学显微镜日本尼康株式会社；JSM-IT100 型扫描电镜（SEM） 日本电子株式会社；CR 22N 型高速冷冻离心机日本日立公司；800 Dosino 型电位滴定计 瑞士Metrohm 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 油脂中脂肪酸组成 根据国标中食品脂肪酸的测定方法[14]对四种油脂进行甲酯化。GC-MS 条件如下：色谱柱为SH-Rtx-Wax（30 m×0.25 mm,0.25 μm），进样口温度为240 ℃，进样量1 μL，分流比为20:1；升温程序如下：100 ℃持续13 min，以10 ℃/min 升至180 ℃，保持6 min，随后以1 ℃/min升至200 ℃，保持20 min，再以4 ℃/min 升至240 ℃，保持10.5 min；载气为氮气。测试的结果定性分析根据Wiley7n.1 标准谱库检索，以各组分的色谱峰的相对峰面积计算各组分所占的比例。

1.2.2 乳液的制备 参照Tian 等[15]和Cofrades等[16]的方法并作少量修改制备乳液。准确称取一定量的大豆分离蛋白（SPI，1.50wt%）和蔗糖酯（SE，0.28wt%），物理混合后分散在去离子水中，配成SPISE 分散液，置于4 ℃环境下水化12 h。水化好的SPI-SE 分散液待其恢复至室温后转移至50 ℃水浴加热20 min，再加入20wt% 50 ℃预热好猪油（LA）、大豆油（SO）、亚麻籽油（LO）、鱼油（FO）四种油相，用高速均质机在15000 r/min 转速下乳化5 min 得到乳液LA、乳液SO、乳液LO 和乳液FO，随后立即转移至4 ℃环境下避光保存。

1.2.3 乳化活性及乳液稳定性 通过浊度法[17]测定乳液的乳化活性（EAI）及乳液稳定性（ESI）。乳液均质完成后立即从底部吸取50 μL 样品，用质量分数为0.1%的SDS 稀释至10 mL，以0.1%的SDS 溶液为空白，摇匀后测定样品在500 nm 处的吸光值，记为A0。待乳液液静置15 min 后，再次从底部吸取50 μL 样品，用质量分数为0.1%的SDS 稀释至10 mL，测定其在500 nm 处的吸光值，记为A1。样品的EAI 和ESI 根据下式计算：

式中：A0为第一次取样测定的吸光度；N 为稀释倍数，200；c 为蛋白质质量浓度，g/mL；ρ为乳液中油相体积分数，1/5；A1为15 min 时取样测得的吸光度。

1.2.4 乳液粒径 采用激光粒度衍射仪测定各乳液的平均粒径和粒度分布，每个样品在常温下测量三次，结果取平均值。平均粒径结果以D（μm）表示。

1.2.5 乳液微观结构 取50 μL 制备好的乳液用去离子水稀释至10 mL，摇匀后取20 μL 稀释液于载玻片上，在100×物镜下观察乳液液滴的颗粒结构。

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1.2.6 乳液扫描电镜（SEM）参照Zheng 等[18]方法并做部分修改制备乳液样品进行SEM 观察。准确称量10 g 乳液样品用40 g 超纯水进行稀释后用液氮进行淬冷，随后立即进行冷冻干燥（48 h）。取适量干燥好的样品自然附着在导电胶带上，然后进行喷金处理。处理好的样品转移到SEM 样品仓内，在工作电压15.0 kV，工作距离11 mm 的真空条件下对样品进行观察。

1.2.7 乳液热力学特性 通过DSC 测定油脂及其乳液的热力学特性。测试方法参考Wang 等[19]的研究并作一些修改。DSC 设备测试前用铟进行校准（熔点=156.63 ℃，焓值ΔH=28.45 J/g）。精确称取5.00 mg 冷冻干燥好的乳液样品于铝制坩埚内，立即进行密封，以密封的空铝制坩埚为空白对样品进行热特性分析。样品先在-50 ℃下平衡5 min，随后以5 ℃/min 的升温速率从-50 ℃升温至70 ℃，根据DSC 曲线计算样品的熔点及ΔH，每个样品重复三次，结果以“平均值±标准偏差”表示。

1.2.8 储藏稳定性测定 乳层析指数（IC）可表示乳液的成乳稳定性，乳层析指数越小表明乳液相分离程度越小[20]。根据Taha 等[21]的方法并作部分修改测定乳液的储藏稳定性，均质好的乳液分别分装在50 mL 的圆柱形样品瓶中，通过吹氮气的方式排出上部空间空气后立即密封，在25 ℃下保存，根据乳液的乳层析指数（IC）来判断乳液的储藏稳定性。乳层析指数根据下式计算：

式中：Ht为底层水层的高度；H0为乳液总高度。

1.2.9 氧化稳定性测定 通过加速氧化的方式测定乳液的氧化稳定性。将制备好的乳液分装在50 mL的圆柱形样品瓶中并提供充足的氧气，避光储藏在37 ℃的烘箱中，参照Shantha 等[22]以及国标中食品中过氧化值的测定方法[23]并作一些修改，定期测定乳液的过氧化值（POV），以原油为空白对照，监测乳液的氧化稳定性。取10 mL 乳液于离心管中，加入20 mL 异辛烷异丙醇混合液（v/v=3:1），涡旋振荡5 min，然后进行离心（6000 r/min，10 min），取上层清液加入50 mL 乙酸异辛烷混合液（v/v=3:2），随后加入0.5 mL 饱和碘化钾溶液，搅拌1 min 后立即加入100 mL 去离子水进行电位滴定，记录EP1 出现时硫代硫酸钠溶液消耗的体积（V，mL），同时进行空白试验，记录消耗的硫代硫酸钠溶液的体积为V0（mL），根据下式计算油脂的过氧化值：

式中：X1为过氧化值（meq/kg）；V 为试样消耗的硫代硫酸钠标准液的体积（mL）；V0为空白试验消耗的硫代硫酸钠标准液的体积（mL）；c 为硫代硫酸钠标准溶液的浓度（0.01 mol/L）；m 为试验中油的质量（g，该试验乳液换算得到油的质量为2.00 g）；1000为换算系数。

1.3 数据处理

所有实验结果重复3 次，以“平均值±标准偏差”的方式表示。利用Origin8.5 软件作图，使用SPSS 22.0 对数据进行统计学差异分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 油脂中各脂肪酸的组成分析

表1 猪油、大豆油、亚麻籽油、鱼油中的脂肪酸组成（%）Table 1 Compositions of fatty acid in lard,soybean oil,linseed oil and fish oil (%)

2.2 乳化活性及乳液稳定性

乳化活性可以反应乳化体系中的蛋白质对脂肪分子的吸附能力，乳化活性越高说明蛋白质对油脂的乳化效率越大。乳液稳定性则可以反应蛋白质维持乳液体系相稳定的能力，乳液稳定性越高，体系中的油水乳化效果越好[25]。SPI-SE 对不同油脂的乳化活性和乳液稳定性如图1 所示。从图1 可以看出乳液LA的EAI 达到27.374±0.029 m2/g，乳液SO、乳液LO 和乳液FO 的EAI 分别为25.476±1.208、24.959±0.142、19.059±0.268 m2/g，这说明SPI-SE 乳化剂对猪油的乳化效率最大。这归因于猪油中的饱和脂肪酸比例较高（45.33%），更容易被SPI-SE 乳化剂形成的液膜所包裹[26]。相反，大豆油、亚麻籽油、鱼油中的不饱和脂肪酸比例较高（表1），影响了SPI-SE 形成的乳液液膜对油脂的吸附。各乳液的ESI 同样说明SPISE 乳化剂对猪油的乳化效果最好，乳液LA的ESI达到361.243±11.875 min，而乳液SO、乳液LO 和乳液FO 的ESI 分别为235.081±9.738、212.596±11.192、181.671±36.645 min，说明油脂的脂肪酸差异对SPISE 稳定的乳液的稳定性有显著影响（P<0.05），油脂中饱和脂肪酸比例越大，形成的乳液稳定性越高。Zhang 等[27]亦报道过，乳液体系中的不饱和脂肪酸会影响油脂与乳化剂的结合。大豆油、亚麻籽油、鱼油中的不饱和脂肪酸比例相近，然而鱼油中有C20以上不饱和脂肪酸比例较大，因此乳液FO 的稳定性最差。

图1 乳液乳化活性（EAI）及乳液稳定性（ESI）Fig.1 Emulsifying activity index (EAI) and emulsifying stability index (ESI) of emulsion

2.3 粒径分析

乳液液滴的颗粒大小与粒径分布影响乳液的稳定性。利用激光衍射式粒度仪测定了不同油脂制备的乳液的粒径分布，结果如表2 所示。从数据中可以看出，乳液LA 的平均粒径（8.411±0.670 μm）最小，乳液FO 的平均粒径（14.919±1.363 μm）最大。乳液的双峰分布图如图2 所示，四种乳液的主峰值呈现乳液LA（10.04 μm）<乳液SO（14.49 μm）<乳液LO（15.37 μm）<乳液FO（19.01 μm）的趋势。根据粒径分布图（图2）可以看出，随着油脂中不饱和脂肪酸比例的升高，乳液的粒径分布趋势逐渐靠右。乳液颗粒的粒径越小，颗粒的沉降速度越慢，乳液体系也越稳定。这表明乳液LA 的稳定性最好，这与乳液的ESI结果相一致。它们大小之间的差异可能由于油脂中饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例以及各脂肪酸的结构差异[28]。相比饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸的线性程度更低，所制备的乳液液滴尺寸更大。

图2 不同油脂制备的乳液的粒径分布图Fig.2 Particle size distribution of emulsions which prepared by different oils

表2 不同油脂制备的乳液的平均粒径（μm）Table 2 Mean diameters of emulsion which prepared by different oils (μm)

2.4 微观结构分析

不同油脂制备的乳液的液滴显微结构图3 所示。在相同显微视野下，乳液LA 的液滴大小较为均匀，且数量较多（图3a），主要呈现较小的球形颗粒结构。随着油脂中不饱和脂肪酸比例的增加，视野中乳液液滴的数量逐渐减少，且液滴大小呈现逐渐增大的趋势，尤其在乳液FO 中，出现较大乳液液滴。相比大豆油和亚麻籽油，鱼油中的不饱和脂肪酸的比例与两种油脂接近，然而鱼油中不饱和脂肪酸的不饱和程度更高，因此形成的乳液液滴尺寸更大。Dafna 等[29]也报道过相似的结果，石榴籽油（富含共轭亚麻酸）与三油酸甘油酯形成的乳液液滴尺寸大于橄榄油（富含油酸）与三油酸甘油酯形成的乳液液滴。另外，各乳液中均包含部分小颗粒乳液液滴（图3b～图3d），归因于各油脂（大豆油、亚麻籽油、鱼油中）包含一定比例的饱和脂肪酸，可以在SPI-SE 作用下形成较小的乳液液滴，这一现象与乳液粒径分布的结果相吻合。

图3 不同油脂制备的乳液液滴的微观结构图Fig.3 Optical microstructure of emulsion which prepared by different oil

2.5 SEM 分析

SPI-SE 制备的各乳液的扫描电镜结果如图4 所示。从图中可以看出，各乳液经冷冻干燥后，乳液颗粒呈现近似球形，部分乳液颗粒表现出变形、及凹进的表面形态，这是蛋白质外壳形成的特征[30]。另外部分颗粒出现孔洞或裂纹特征（红色箭头处），这可能是由冰晶或冷冻过程中保留的气泡留下的空洞形成的。Mohammed 等[31]以SPI-阿拉伯胶为乳化剂乳化花青素制备的乳液经冷冻干燥得到相似的结果。此外，与乳液SO、乳液LO 和乳液FO 相比（图4b～图4d），乳液LA 的颗粒大小更为均匀且聚集的更为紧密，这与光学显微镜下观察到的液滴状态的结果相一致，说明冷冻干燥很好的保持了乳液的形态。油脂中不饱和脂肪酸比例的升高，制备的乳液的液滴间隙较大，且出现不规则粘连，部分颗粒表层可见蛋白膜（绿色箭头处），说明并非所有SPI 参与包裹油脂[18]。在乳液LA 中并未观察到相似的现象，说明SPI-SE 对猪油的乳化效果较好。

图4 不同油脂制备的乳液的SEM 结构图Fig.4 SEM micrographs of emulsions prepared by different oils

2.6 DSC 分析

通过DSC 对不同油脂制备的乳液的热特性进行了研究，各乳液的DSC 热流曲线如图5 所示。从图5 中可以看出猪油在从-50～70 ℃的升温过程中出现两个明显的熔融峰，其熔融温度范围均较广（-19.32～11.78 ℃，17.96～35.86 ℃），分别对应于猪油中不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸的融化温度。大豆油的熔融温度分别在-26.63±0.04 ℃和-19.12±0.36 ℃处，该结果与Ishibashi 等[32]结果相近。亚麻籽油和鱼油在整个熔融过程中均只出现一个明显的熔融峰，然而，鱼油的熔融峰在-16.26±0.01 ℃处且熔融温度范围较宽，而亚麻籽油的熔融峰在-24.87±0.02 ℃处，峰较为尖锐。这可能是因为鱼油中不饱和脂肪酸的种类较多，且其饱和脂肪酸整体比例稍高于亚麻籽油，导致鱼油的熔融峰值温度高于亚麻籽油。当各油脂在SPI-SE 作用下形成乳液后，其熔融温度发生明显变化。乳液LA 的熔融峰变得更加尖锐，且其饱和脂肪酸的熔融温度偏移至29.79±0.30 ℃，说明猪油形成乳液后需要更多的热量才能融化。乳液SO 的熔融温度点与空白大豆油相差不大。与空白亚麻籽油相比乳液LO 的熔融温度点偏移至-28.85±0.27 ℃，说明乳液在冷却过程中出现了过冷效应[19]，然而乳液LO的峰型更加尖锐，熔融温度范围更宽（包含-24.87±0.02 ℃），说明蛋白质外壳对内部油脂结晶有保护作用。乳液FO 在整个熔融温度范围内出现两个吸收峰（-26.34±0.48 ℃，-13.75±0.39 ℃），这可能是因为乳液中的鱼油在降温过程中出现均相成核作用，鱼油中组分分开熔融。Wang 等[19]研究乳清分离蛋白-卵磷脂乳化橄榄油得到相似研究结果。根据DSC 热流曲线计算了各乳液的ΔH（表3）。从表3 中可以看出乳液LA 的总ΔH>乳液SO>乳液LA>乳液FO（-57.67±1.28>24.19±0.83>17.05±1.06>10.18±0.10 J/g），进一步表明乳液LA 的热稳定性高于其他三种油脂。不饱和脂肪酸引起SPI 结构的展开、构象重排和交联，降低了蛋白质外壳对油脂的保护作用，从而降低了不饱和脂肪酸含量高的乳液的稳定性[25]。

图5 不同油脂制备的乳液的热流曲线Fig.5 DSC curves of emulsion which prepared by different oils

表3 不同油脂制备的乳液的焓值Table 3 Enthalpy of lotion prepared with different oils

2.7 储藏稳定性分析

乳层析指数可以表示乳液中油相在水相中的稳定程度，乳层析指数越低说明乳液体系越稳定。不同储藏时间下各乳液的乳层析指数如图6 所示。由图6 可知，储藏1 d 后的乳液均出现层析现象，这说明均质完的乳液并未立即达到稳定状态，乳液稳定性的结果亦证实这一点。随着储藏时间的延长，各乳液的乳层析指数逐渐增加，其中乳液FO 的乳层析指数大于其他三种乳液，层析实际情况如图7 所示。储藏7 d 后乳液FO 的乳层析指数达到11.67%，乳液LO、乳液SO、乳液LA 的乳层析指数分别为10.80%、10.00%、8.60%，这表明乳液FO 的稳定性最差，乳液LA 的稳定性最好。储藏9 d 后，各乳液逐渐趋于稳定，对应的乳层析指数相较于第7 d 变化不大。通过表面乳化剂稳定的乳液体系仍会发生分层和聚集的现象[33]，尽管SPI 和SE 共同作用下形成的界面蛋白膜有助于提高油相在水相中的稳定性，但对于不同油脂的稳定效果存在明显差异。

图7 不同油脂制备的乳液的储藏稳定性实际图Fig.7 Storage stabilities images of the emulsions which prepared by different oils

2.8 氧化稳定性

油脂中的由于不饱和脂肪酸的存在，因此暴露在空气环境中容易被氧化。已有相关研究报道通过形成乳液的形式可以提高油脂的氧化稳定性[34]。因此，本文研究了四种油脂制备成乳液后的氧化稳定性。从图8 可以看出，四种油脂未被乳化时，在37 ℃加速氧化的环境下油脂的过氧化值逐渐上升，且随着储藏时间的延长，油脂的过氧化值增大的越明显。猪油氧化至第9 d 时，其过氧化值达到8.05±0.08 meq/kg，超过了国家限量标准[35]。同样大豆油、亚麻籽油、鱼油的过氧化值也在不同时间段超出相应国家限定标准[36-37]。从中可以看出油脂中不饱和脂肪酸的含量越高、不饱和程度越大越容易被氧化。然而，当猪油、大豆油、亚麻籽油、鱼油四种油脂以乳液的形式存在时，油脂的氧化稳定性得到明显提升。随着储藏时间的延长，乳液中各油脂的过氧化值呈现缓慢上升的趋势。油脂以水包油的形式存在可有效降低油脂于外界环境的可及性[38]。朱波等[17]利用豌豆蛋白乳化亚麻籽油后其氧化稳定性亦得到明显提高。另外，相比于其它三种乳液，乳液LA 的过氧化值变化趋势最缓，这也表明SPI-SE 复合乳化剂对猪油的乳化效果最好。该结果与乳液的储藏稳定性结果相一致。

图8 不同油脂制备的乳液的氧化稳定性Fig.8 Oxidation stabilities of the emulsions prepared by different oils

3 结论

本文通过SPI-SE 复合乳化剂同时乳化LA、SO、LO 和FO 四种油脂制备乳液，对比了四种乳液稳定性之间的差异。发现SPI-SE 作用下的乳液LA 稳定性最佳，相同条件乳液LA 的粒径最小（8.411±0.670 μm），颗粒大小分布最均匀。相反，随着油脂中不饱和脂肪酸的比例增加，所制备的乳液的稳定性呈现降低的趋势（乳液SO>乳液LO>乳液FO）。另外，四种油脂经乳化后，其氧化稳定性均得到一定提高。油脂不饱和脂肪酸的比例以及不饱和程度对SPI-SE所制备乳液的稳定性有很大影响，这与Dafna 等[29]的研究结果相似。该研究可为油脂的乳化研究及保存应用上提供理论参考。然而，关于油脂乳液的稳定性受多种因素的影响如在食品加工中存在的加热、冷冻等应用，因此温度条件对乳液稳定性的影响如冻融稳定性等还需做进一步的研究。

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