朱振寶， 王艷斐， 易建華

(1.陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，陜西 西安　710021; 2.陜西科技大學(xué) 陜西省食品加工工程技術(shù)研究中心，陜西 西安　710021)

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影響乳清分離蛋白和酪蛋白乳液物理穩(wěn)定性因素研究

朱振寶1,2， 王艷斐1， 易建華1,2

(1.陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，陜西 西安710021; 2.陜西科技大學(xué) 陜西省食品加工工程技術(shù)研究中心，陜西 西安710021)

摘要：以乳清分離蛋白(WPI)和酪蛋白(CS)為乳化劑、以核桃油為油相，制備出了水包核桃油(O/W)乳狀液.研究了蛋白質(zhì)濃度、鹽離子種類(lèi)及其強(qiáng)度、pH等因素對(duì)乳液物理穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度為0.2～1.5 w/v%時(shí)，乳液物理穩(wěn)定性隨兩種蛋白質(zhì)濃度的增大而增強(qiáng)；pH對(duì)乳液穩(wěn)定性影響較大，在蛋白質(zhì)等電點(diǎn)(pI 4.6)附近，乳液失穩(wěn)；CaCl2較NaCl更容易使兩種蛋白乳液失穩(wěn).在pH7.0時(shí)，CS乳液在NaCl 300 mM時(shí)仍然穩(wěn)定，而WPI乳液穩(wěn)定的最大NaCl濃度為100 mM；在pH3.0時(shí)，WPI乳液為50 mM，而CS乳液為25 mM.在乳液加入CaCl2后，WPI乳液在pH分別為7.0和3.0時(shí)，穩(wěn)定的最大Ca2+濃度均為2 500 μM；而CS乳液在pH7.0時(shí)為1 000 μM、pH3.0時(shí)為500 μM.

關(guān)鍵詞：乳清分離蛋白；酪蛋白；乳狀液；物理穩(wěn)定性

0引言

水包油(O/W)乳狀液,例如牛奶、嬰幼兒食品、沙拉醬、乳飲料等是最常見(jiàn)的食品體系之一[1].但乳狀液的穩(wěn)定性易受到制備方法、乳化劑類(lèi)型和用量、溫度、電解質(zhì)離子、以及介質(zhì)pH等影響，在制備和貯存過(guò)程中容易出現(xiàn)聚結(jié)、分層、破乳等失穩(wěn)現(xiàn)象[2].

蛋白質(zhì)是天然兩親性大分子物質(zhì)，常作為乳化劑和泡沫穩(wěn)定劑而被廣泛應(yīng)用于食品乳狀液體系中[3].它可以快速吸附到油水界面形成粘彈性界面層，并通過(guò)靜電或空間立體排斥力提高乳液的穩(wěn)定性[4].在乳滴界面上，酪蛋白(CS)擁有疏松開(kāi)放的空間結(jié)構(gòu)，而乳清分離蛋白(WPI)則是較緊湊的球狀結(jié)構(gòu).這些吸附在乳滴界面的蛋白質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是控制乳液及其相關(guān)產(chǎn)品的一個(gè)主要因素[3].

核桃油中富含多不飽和脂肪酸(PUFA).有研究表明，核桃油中的ω-3脂肪酸能預(yù)防因高血壓而造成的動(dòng)脈損傷[5]，更重要的是核桃油中ω-6/ω-3脂肪酸比例符合聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織推薦的膳食比例[6].

近年來(lái)，核桃油逐漸受到消費(fèi)者的青睞.基于此，本課題用WPI和CS作為乳化劑，制備出了水包核桃油乳狀液，研究了蛋白質(zhì)濃度、鹽離子及其濃度、pH等對(duì)乳液物理穩(wěn)定性的影響，以期為乳液食品的開(kāi)發(fā)及利用提供理論依據(jù).

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1.1主要材料與試劑

乳清分離蛋白：DaviscWPI95，WPI蛋白質(zhì)含量為97.6%，乳清分離蛋白中的主要蛋白成分為55%～61% β-LG，19%～22% α-LG，6%～8%牛血清白蛋白，上海福諾食品有限公司；酪蛋白(Casein)，新疆伊犁特克斯縣科瑞乳品開(kāi)發(fā)有限公司；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、疊氮鈉：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水氯化鈣、氯化鈉、石油醚：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；核桃油：實(shí)驗(yàn)室自制.

1.1.2主要儀器

精密pH計(jì)：PB-10型，賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司；電子天平：BS323S型，賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司；磁力攪拌器：84-1型，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；超細(xì)勻漿器：F6/10-10G型，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；超高壓均質(zhì)機(jī)：HP-4L科研型，喜高精密流體機(jī)械有限公司；激光粒度儀：Mastersizer2000 型，英國(guó)Malvern儀器有限公司；納米粒度表面電位分析儀：ZetasizerNANO-ZS90型，英國(guó)Malvern儀器有限公司；正置式顯微鏡(目鏡放大倍數(shù)10×，物鏡放大倍數(shù)100×)：DM2500M型，德國(guó)徠卡儀器有限公司.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1核桃油的制備

參考文獻(xiàn)[7]進(jìn)行制備，有所改動(dòng).將新鮮無(wú)病害核桃去殼后，用0.6 M的NaOH溶液于55 ℃的熱水中浸泡核桃仁15 min，然后手工去皮；將去皮后的核桃仁置于40 ℃的烘箱中烘干，用粉碎機(jī)打成粉狀，然后以核桃仁粉：石油醚為1∶6的比例加入石油醚，攪拌使其充分浸提核桃油，通過(guò)抽濾進(jìn)行固液分離，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收石油醚，即得到核桃油. [8]進(jìn)行制備，略有改動(dòng).將乳清分離蛋白和酪蛋白按照一定濃度溶解于10 mM pH3.0或7.0的磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖液中，加入0.02%的疊氮鈉防腐；室溫下磁力攪拌2 h，放入4 ℃冰箱中冷藏過(guò)夜；將5%的油相與95%的水相通過(guò)手持式超細(xì)勻漿機(jī)攪拌混合形成粗乳，攪拌速率為20 000 r/min，攪拌時(shí)間為1 min；然后在50 MPa條件下高壓均質(zhì)3次，得到乳化均勻的乳狀液.

1.2.2乳液的制備

1.2.3不同蛋白質(zhì)及其濃度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

pH高于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)pI時(shí)，乳滴帶負(fù)電荷；pH低于pI時(shí)，乳滴帶正電荷[9].而電荷的差異會(huì)對(duì)乳液的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，所以，本實(shí)驗(yàn)對(duì)帶有兩種不同電荷的乳液進(jìn)行研究.

參照章節(jié)1.2.2所述方法，分別配制pH7.0不同濃度為0.2w/v%、0.3w/v%、0.5w/v%、0.7w/v%、0.9w/v%、1.0w/v%的WPI和CS溶液，制備乳液；pH3.0不同濃度為0.3w/v%、0.5w/v%、0.7w/v%、0.9w/v%、1.2w/v%、1.5w/v%的WPI和CS溶液，制備乳液.將乳液置于50 ℃的烘箱中放置15天，觀察乳液是否分層，同時(shí)在0天、7天、14天時(shí)分別測(cè)定乳滴的粒徑和ζ-電位[10]，并用顯微鏡觀察乳滴的形貌，以表征乳液的穩(wěn)定情況，從而研究WPI和CS及其不同濃度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響.

1.2.4pH對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

將0.7%WPI和1.5%CS分別溶于pH7.0的緩沖液中，用0.1M的HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)成多個(gè)pH梯度，最終為pH3、4、5、6、7、8，參照章節(jié)1.2.2所述方法，制備一系列乳液，其物理穩(wěn)定性的表征如章節(jié)1.2.3所述，研究pH對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響.

1.2.5鹽離子種類(lèi)及其強(qiáng)度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

將0.3%WPI和0.9%CS溶于pH7.0緩沖液中；0.7%WPI和1.5%CS溶于pH3.0緩沖液中.pH7.0WPI和CS水相中NaCl濃度均為0mM、50mM、100mM、200mM、300mM、400mM；pH3.0WPI水相中NaCl濃度同上，CS水相中為0mM、10mM、25mM、50mM、100mM，在磁力攪拌時(shí)緩慢加入，參照章節(jié)1.2.2所述方法，制備一系列乳液.同樣，WPI水相中CaCl2濃度在pH7.0和3.0時(shí)均為0 μM、100 μM、500 μM、1 000 μM、2 500 μM、5 000 μM，CS均為0 μM、100 μM、500 μM、1 000 μM、2 500 μM，制備一系列乳液.其物理穩(wěn)定性的表征如章節(jié)1.2.3所述，研究Na+和Ca2+及其濃度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響.

2結(jié)果與討論

2.1WPI、CS及其濃度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

不同濃度的WPI和CS乳液在50 ℃的烘箱中放置15天，采用視覺(jué)、顯微形貌觀察以及測(cè)定微滴粒徑、ζ-電位等，研究了蛋白質(zhì)種類(lèi)及其濃度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響.乳狀液油滴粒徑大小并非均一，一般呈現(xiàn)一定的分布趨勢(shì)，因此，常用粒徑分布曲線來(lái)反映乳狀液液滴的分布情況[11].研究發(fā)現(xiàn)，WPI與CS形成乳液，其乳滴的ζ-電位無(wú)顯著性差異(數(shù)據(jù)未顯示)，這與Hu等[12]的研究結(jié)果一致.研究同時(shí)顯示，蛋白質(zhì)濃度對(duì)乳滴的ζ-電位也無(wú)明顯影響.

乳液的視覺(jué)觀察如圖1所示.圖1表明，WPI、CS濃度對(duì)乳液物理穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，總體表現(xiàn)為隨著蛋白質(zhì)濃度的增大乳液穩(wěn)定性增強(qiáng).如當(dāng)pH3.0時(shí)，WPI濃度<0.5w/v%，乳液存放15天時(shí)失穩(wěn)；而WPI濃度≥0.5w/v%，乳液無(wú)分層現(xiàn)象；相同pH及存放時(shí)間，CS濃度<1.2w/v%，乳液失穩(wěn)；而CS濃度≥1.2w/v%，乳液無(wú)分層現(xiàn)象.

圖1同時(shí)顯示，乳液pH較低時(shí)，乳液物理穩(wěn)定性較差.當(dāng)pH7.0時(shí)，WPI一系列濃度乳液無(wú)明顯分層，而pH3.0時(shí)，制備穩(wěn)定乳液WPI的最低濃度為0.5w/v%；同樣，當(dāng)pH7.0時(shí)，制備穩(wěn)定乳液CS的最低濃度為0.5w/v%，當(dāng)pH3.0時(shí)，CS濃度達(dá)1.2w/v%，才能獲得穩(wěn)定的乳液.對(duì)比圖1(a)、1(b)、1(c)、1(d)可發(fā)現(xiàn)，WPI乳液的穩(wěn)定性高于CS.

如果已完工工序任務(wù)集合中的最后一個(gè)工序任務(wù)pthk∈pts1∪pts2∪∪ptsc，則pts1,pts2,,ptsc的相對(duì)完成工時(shí)量可表示為

(a)pH7.0 WPI乳液穩(wěn)定性　(b)pH7.0 CS乳液穩(wěn)定性

(c)pH3.0 WPI乳液穩(wěn)定性　(d) pH3.0 CS乳液穩(wěn)定性圖1　 乳液存放15天的照片

粒徑分布如圖2～3所示.由圖2可看出，經(jīng)過(guò)15天高溫存放，乳滴粒徑無(wú)增大趨勢(shì)，且隨WPI濃度的提升，粒徑趨于集中分布，表明乳液穩(wěn)定性增強(qiáng)，與圖1結(jié)果一致；由圖3顯示，CS濃度較低時(shí)，乳滴粒徑分布疏散無(wú)規(guī)律，表明乳液已失穩(wěn).而濃度較大時(shí)，乳液粒徑分布范圍變窄，說(shuō)明穩(wěn)定性增強(qiáng).對(duì)比圖2和圖3，同樣可以看出，WPI乳液較CS乳液的穩(wěn)定性更好，這進(jìn)一步驗(yàn)證了圖1的結(jié)果.

(a)pH7.0時(shí)0.2%WPI乳滴粒徑的分布

(b)pH7.0時(shí)0.3%WPI乳滴粒徑的分布

(c)pH3.0時(shí)0.3%WPI乳滴粒徑的分布

(d)pH3.0時(shí)0.7%WPI乳滴粒徑的分布圖2　WPI乳液存放15天后的粒徑分布

(a)pH7.0時(shí)0.7%CS乳滴粒徑的分布

(b)pH7.0時(shí)0.9%CS乳滴粒徑的分布

(c)pH3.0時(shí)1.2%CS乳滴粒徑的分布

(d)pH3.0時(shí)1.5%CS乳滴粒徑的分布圖3　CS乳液存放15天后的粒徑分布

顯微形貌觀察如圖4～5所示.對(duì)比圖4(a)、4(b)、4(c)、4(d)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乳液為中性時(shí)，較低濃度的WPI可形成穩(wěn)定的乳液，而乳液為酸性時(shí)，WPI濃度較低時(shí)，乳液微滴聚集成團(tuán)，表明乳液穩(wěn)定性較差(如圖4(c)所示).分析圖5，可獲得與圖4相同的結(jié)論，即提高乳液pH可提升乳液穩(wěn)定性.圖4～5同時(shí)顯示，蛋白質(zhì)濃度越大，乳化能力越高，在乳化過(guò)程中減少界面張力，可促進(jìn)乳液的穩(wěn)定性，這與Wan等[13]的研究一致.

(a)pH7.0時(shí)0.2%WPI乳滴形貌　(b)pH7.0時(shí)0.3%WPI乳滴形貌

(c)pH3.0時(shí)0.3%WPI乳滴形貌　(d)pH3.0時(shí)0.7%WPI乳滴形貌圖4　WPI乳液存放15天后的顯微形貌觀察

(a)pH7.0時(shí)0.7%CS乳滴形貌　(b)pH7.0時(shí)0.9%CS乳滴形貌

(c)pH3.0時(shí)1.2%CS乳滴形貌　(d)pH3.0時(shí)1.5%CS乳滴形貌圖5　CS乳液存放15天后的顯微形貌觀察

2.2不同pH對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

以上研究顯示，pH可能影響乳液的穩(wěn)定性.基于此，制備了一系列不同pH乳液，于50 ℃烘箱中放置15天，進(jìn)一步探究pH對(duì)乳液穩(wěn)定性的具體影響.視覺(jué)觀察如圖6所示，顯微鏡形貌觀察如圖7所示(部分圖片)，乳滴的ζ-電位如圖8所示.

圖6顯示了WPI乳液分別在pH4.0、pH5.0時(shí)分層，CS乳液分別在pH4.0、pH5.0、pH6.0時(shí)分層，可見(jiàn)pH對(duì)CS乳液的影響大于WPI乳液；圖7表明pH7.0時(shí)，WPI和CS乳液存放15天后乳滴均勻分布，乳液穩(wěn)定；從圖8可看出，當(dāng)pH3.0、4.0時(shí)，乳滴帶正電荷，當(dāng)pH7.0、8.0時(shí)帶負(fù)電荷，這與章節(jié)1.2.3所述相符合.

由于WPI和CS的等電點(diǎn)pI為4～6，在等電點(diǎn)附近，蛋白質(zhì)的溶解度較小，形成乳狀液的能力下降，而且此時(shí)蛋白質(zhì)粒子表面電荷量較低，粒子間的靜電排斥力降低，易發(fā)生絮凝或聚合，表現(xiàn)為乳狀液乳滴粒徑增大.但當(dāng)pH遠(yuǎn)離等電點(diǎn)時(shí)，帶電液滴間排斥力大于相互吸引的范德華力，液滴不會(huì)相互凝聚，乳狀液具有高度的穩(wěn)定性[14].

圖6　乳液存放15天后的照片

(a)pH7.0 WPI乳滴形貌　(b)pH7.0 CS乳滴形貌圖7　乳液存放15天后的顯微形貌觀察

(a)WPI

(b)CS圖8　pH對(duì)乳液ζ-電位的影響

2.3鹽離子種類(lèi)及其強(qiáng)度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響

在WPI和CS乳液中，加入不同濃度的Na+和Ca2+于50 ℃烘箱放置15天后，其視覺(jué)觀察如圖9～10所示，加入Na+后乳滴粒徑的分布如圖11所示.

圖9顯示，隨著NaCl濃度的增大，乳液穩(wěn)定性逐漸降低.對(duì)比圖9(a)、9(b)可看出，當(dāng)pH7.0時(shí)，WPI乳液含300mMNaCl已分層，而含一系列濃度NaCl的CS乳液尚未分層.這表明在中性條件下NaCl對(duì)WPI乳液的影響大于CS乳液；當(dāng)pH3.0時(shí)，WPI乳液含300mMNaCl時(shí)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而CS乳液NaCl濃度為50mM已分層.這表明在酸性條件下NaCl對(duì)CS乳液的影響大于WPI乳液.對(duì)比圖9(b)和9(d)可看出，若pH不同，NaCl對(duì)同一種蛋白乳液影響的差異較大，這表明pH與NaCl對(duì)蛋白質(zhì)乳液的穩(wěn)定性有影響.

(a)pH7.0時(shí)WPI乳液穩(wěn)定性　(b)pH7.0時(shí)CS乳液穩(wěn)定性

(c)pH3.0時(shí)WPI乳液穩(wěn)定性　(d)pH3.0時(shí)CS乳液穩(wěn)定性圖9　NaCl對(duì)蛋白質(zhì)乳液物理穩(wěn)定性的影響

(c)pH3.0時(shí)WPI乳液穩(wěn)定性　(d)pH3.0時(shí)CS乳液穩(wěn)定性圖10　CaCl2對(duì)蛋白質(zhì)乳液物理穩(wěn)定性的影響

預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，WPI乳液的CaCl2濃度高于10mM時(shí)，乳液出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而CS乳液的CaCl2濃度高于4mM時(shí)，乳液失穩(wěn)，這表明CaCl2對(duì)乳液穩(wěn)定性影響明顯大于NaCl.pH與CaCl2對(duì)蛋白質(zhì)乳液穩(wěn)定性影響關(guān)系甚微，如圖10(a)和10(c)所示，WPI乳液在相同濃度下均未分層.

pH7.0時(shí)WPI和CS乳液穩(wěn)定最高鈣鹽濃度分別為2 500 μM和1 000 μM；pH3.0時(shí)分別為2 500 μM和500 μM(圖未顯示).Ca2+對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響比Na+大，更容易使乳液失穩(wěn).已有研究表明，增加離子強(qiáng)度可以提高乳狀液中水相離子強(qiáng)度，可以在乳狀液中產(chǎn)生靜電屏蔽，從而降低粒子間靜電排斥力，誘發(fā)粒子絮凝或者聚合[14].

(a)pH7.0時(shí)NaCl濃度100 mM WPI乳滴粒徑分布

(b)pH7.0時(shí)NaCl濃度300 mM CS乳滴粒徑分布

(c)pH3.0時(shí)NaCl濃度50 mM WPI乳滴粒徑分布

(d)pH3.0時(shí)NaCl濃度25 mM CS乳滴粒徑分布圖11　NaCl對(duì)乳液粒徑分布的影響

3結(jié)論

以蛋白質(zhì)為乳化劑制備了水包核桃油乳液，隨著蛋白濃度的增大，乳液穩(wěn)定性逐漸增大；pH對(duì)乳液穩(wěn)定性具有較大影響，在蛋白質(zhì)等電點(diǎn)附近，乳液出現(xiàn)失穩(wěn)分層現(xiàn)象；二價(jià)Ca2+對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響大于一價(jià)Na+，pH7.0時(shí)WPI和CS乳液穩(wěn)定的最高鈉鹽濃度分別為100mM和300mM，最高鈣鹽濃度分別為2 500 μM和1 000 μM；pH3.0時(shí)WPI和CS乳液穩(wěn)定的最高鈉鹽濃度分別50mM和25mM，最高鈣鹽濃度分別為2 500 μM和500 μM.

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【責(zé)任編輯：晏如松】

Factorsaffectingphysicalstabilityofemulsionsstabilizedbywheyproteinisolateandcasein

ZHUZhen-bao1,2，WANGYan-fei1，YIJian-hua1,2

(1.SchoolofFoodandBiologicalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 2.ShaanxiProvinceResearchCenterofFoodProcessEngineeringandTechnology,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Abstract:In the present study oil-in-water (O/W) emulsions were prepared with whey protein isolate (WPI) and casein (CS) as emulsifiers,and walnut oil as oil phase.The effects of protein concentration,salt ions and their concentrations,and pH on the physical stability of emulsions were investigated.The results showed that at the concentrations of 0.2～1.5 w/v%,the physical stability of emulsions increased with the increase of the concentration.pH had great effects on physical stability of emulsions with emulsions instability near the protein isoelectric point(PI 4.6).CaCl2 had greater effects on physical stability of emulsions than NaCl.At pH7.0,CS emulsions was stable at 300 mM NaCl,whereas WPI emulsions was stalble at 100 mM NaCl.At pH3.0,the highest concentrations of NaCl for stable emulsions containing WPI and CS were 50 mM and 25 mM,respectively.However,the highest concentration of CaCl2 for WPI emulsions was 2 500 μM at both pH7.0 and pH3.0,while they were 1 000 μM and 500 μM for CS emulsions at pH7.0 and pH3.0,respectively.

Key words:whey protein isolate；casein；emulsions；physical stability

*收稿日期:2016-03-21

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015JM3085)

作者簡(jiǎn)介:朱振寶(1971-)，男，陜西商洛人，副教授，博士，研究方向：功能食品與人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)

文章編號(hào)：1000-5811(2016)04-0125-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TS202.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A