◎ 黃曉玲,胡 丹,鄧穎詩,武林賀,盧嘉頡,袁 誠,曾梓軒,李 益,韓亞明,許文東
(廣州白云山漢方現(xiàn)代藥業(yè)有限公司,中藥制藥過程技術(shù)與新藥創(chuàng)制國家工程研究中心,廣東省藥用脂質(zhì)重點實驗室,廣東 廣州 510240)
特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品(簡稱特醫(yī)食品)是指為了滿足代謝紊亂、進食受限、消化吸收障礙或特定疾病狀態(tài)人群對營養(yǎng)素或膳食的特殊需要而專門加工配制的一類配方食品[1]。在歐洲、美國、日本、澳大利亞等國家或地區(qū),特醫(yī)食品在臨床中的應(yīng)用十分廣泛,能有效改善患者的營養(yǎng)狀況,提高免疫力,減少并發(fā)癥,縮短住院時間,從而減少住院費用[2-3]。我國特醫(yī)食品產(chǎn)業(yè)起步較晚,目前臨床使用的特醫(yī)食品大部分被國外企業(yè)壟斷。因此,對特醫(yī)食品的配方及生產(chǎn)工藝展開研究對推動我國特醫(yī)食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
目前,我國特醫(yī)食品主要分為粉劑和乳劑兩種劑型。與粉劑產(chǎn)品相比,乳劑產(chǎn)品使用更為便捷,具有較好的臨床適用性,在國外市場占比較大(49.6%)[4]。因此,對特醫(yī)食品乳劑產(chǎn)品的開發(fā)十分必要。特醫(yī)食品乳液產(chǎn)品營養(yǎng)成分多、體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致產(chǎn)品體系和營養(yǎng)素穩(wěn)定性較差,產(chǎn)品開發(fā)難度較大。目前,關(guān)于該類產(chǎn)品的研究主要集中于嬰幼兒配方的優(yōu)化[5]、乳化穩(wěn)定劑對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響[6-7]、貯藏條件/營養(yǎng)素對產(chǎn)品品質(zhì)特性的影響[8-9]、腸內(nèi)營養(yǎng)液對病人的營養(yǎng)支持[10-11]等方面,關(guān)于特醫(yī)食品乳劑產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝方面的研究相對較少。
特醫(yī)食品乳液產(chǎn)品通常是以碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂、維生素和礦物質(zhì)等為原料通過乳化加工形成的水包油型乳液體系,該體系不穩(wěn)定,易受到組成成分、物理因素及環(huán)境因素等的影響而發(fā)生絮凝、沉降、分層、相轉(zhuǎn)化等失穩(wěn)現(xiàn)象[12]。乳化是制備乳劑產(chǎn)品的一個重要環(huán)節(jié),是指油、水兩相體系在乳化劑存在的情況下,被混合成相對均一、穩(wěn)定體系的步驟。本研究根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品通則》(GB 29922ü 2013)[1]對10 歲以上人群營養(yǎng)素的相關(guān)要求,制備了特醫(yī)食品全營養(yǎng)乳液,研究剪切溫度、剪切轉(zhuǎn)速、剪切時間對乳化過程及產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響,以期獲得剪切條件對特醫(yī)食品全營養(yǎng)乳液生產(chǎn)過程及產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為特醫(yī)食品全營養(yǎng)乳液的加工提供理論指導(dǎo)。
1.1.1 材料
麥芽糊精,中糧生化能源有限公司;酪蛋白,廣州市二龍景誠貿(mào)易有限公司;植物調(diào)和油(大豆油、菜籽油、玉米油),南海油脂工業(yè)(赤灣)有限公司;復(fù)合礦物質(zhì)、復(fù)合維生素,普惠瑞信(常州)食品添加劑有限公司;單,雙甘油脂肪酸酯、卡拉膠、羧甲基纖維素鈉,廣東天圣生化工程有限公司。
1.1.2 儀器與設(shè)備
IKA T25 高速剪切機,德國IKA 公司;PANDA PLUS 2000 高壓均質(zhì)機,德國GEA 公司;旋轉(zhuǎn)滅菌鍋,江蘇神農(nóng)滅菌設(shè)備股份有限公司;DHR-3 流變儀,美國沃特世公司;LS 13 320 激光衍射粒度分析儀,美國貝克曼庫爾特有限公司;離心機,上海安亭科學(xué)儀器廠。
根據(jù)GB 29922ü 2013 中對10 歲以上人群全營養(yǎng)配方食品營養(yǎng)素含量的要求制備特醫(yī)食品全營養(yǎng)乳液。將16 g 麥芽糊精、4 g 酪蛋白、3 g 植物調(diào)和油(大豆油、菜籽油、玉米油)、10 g 復(fù)合礦物質(zhì)、5 g復(fù)合維生素、1 g 單,雙甘油脂肪酸酯、1.5 g 卡拉膠和1.5 g 羧甲基纖維素鈉加入1 L 已預(yù)熱至考察溫度的純化水中,調(diào)節(jié)IKA T25 高速剪切機至考察剪切轉(zhuǎn)速,剪切一段時間后,完成乳化步驟,得到粗乳。乳化過程中的剪切條件如表1 所示。隨后,對粗乳進行均質(zhì),均質(zhì)壓力30 MPa、循環(huán)2 次。將均質(zhì)后的乳液進行灌裝后,置于旋轉(zhuǎn)滅菌鍋中進行滅菌,滅菌溫度121 ℃、滅菌時間20 min。滅菌結(jié)束后即得特醫(yī)食品全營養(yǎng)乳液終產(chǎn)品。
表1 乳化過程中的剪切條件表
1.2.2 物料分散情況的測定
物料剪切結(jié)束后,將粗乳過80 目篩,觀察物料分散情況。
1.2.3 泡沫量的測定
粗乳剪切結(jié)束后,將粗乳表面的泡沫輕輕轉(zhuǎn)移至量筒中,測量剪切過程中產(chǎn)生的泡沫體積。
1.2.4 乳液粒徑的測定
采用激光衍射粒度分析儀測定粗乳及終產(chǎn)品的粒度分布,以粒度分布計算粒徑平均值。樣品在儀器內(nèi)的平衡時間為60 s,測試溫度為25 ℃。
1.2.5 粗乳黏度的測定
然而,在室內(nèi)環(huán)境中測量揮發(fā)性有機化合物更為復(fù)雜,結(jié)果更不具體。有時很難確定哪些特定的材料要對異常高的讀數(shù)負(fù)責(zé)。
采用流變儀測定粗乳的黏度,采用直徑為40 mm的平板,間距為1.0 mm,溫度為25 ℃,剪切速率為0.1~300.0 s-1。
1.2.6 離心沉淀率的測定
稱量50 mL 離心管的重量,稱取20 g 樣品于50 mL離心管中,用離心機于4 000 r·min-1條件下離心20 min,離心結(jié)束后,棄去上層清液,稱量離心管重量。離心沉淀率計算公式為
式中:m0為50 mL 離心管的質(zhì)量,g;m1為樣品質(zhì)量,g;m2為離心結(jié)束后,棄去上清液的離心管總質(zhì)量,g。
所有實驗均做3 次平行,采用SPSS 26.0 統(tǒng)計軟件的Duncan 法進行顯著性分析(P<0.05)。
不同剪切條件對物料溶解過程的影響如表2 所示。剪切條件對物料的溶解情況影響明顯,對剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量具有顯著影響。剪切溫度考察結(jié)果顯示,剪切溫度過低或過高時,均不利于物料的溶解。剪切溫度過低(40 ℃)時,物料無法溶解完全,剪切結(jié)束后,乳液中仍有較多小顆粒不溶物;剪切溫度過高(60 ℃)時,蛋白質(zhì)受熱變性絮凝,剪切結(jié)束后,乳液中有少量絮凝物。剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量隨剪切溫度的升高呈先增加后減小的趨勢。泡沫量的變化與溫度影響蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)有關(guān),加熱會使酪蛋白暴露更多的疏水基團,導(dǎo)致在水相和氣相的界面有更多的疏水基團與氣相結(jié)合、親水基團與水相結(jié)合,從而促進泡沫的形成。隨著剪切溫度的繼續(xù)升高,蛋白質(zhì)因變性而逐漸重新形成聚合物,使剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量減少[13]。
表2 剪切條件對物料溶解過程的影響表
剪切轉(zhuǎn)速考察結(jié)果顯示,物料的溶解效率隨著剪切轉(zhuǎn)速的增大而提高,當(dāng)剪切轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1時,物料能充分溶解。但隨著剪切轉(zhuǎn)速的升高,剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量顯著增加,這是因為剪切轉(zhuǎn)速的提高會導(dǎo)致更多的氣體注入乳液中并包埋在蛋白質(zhì)中形成泡沫[14]。剪切時間考察結(jié)果顯示,剪切時間對物料溶解過程的影響規(guī)律與剪切轉(zhuǎn)速考察結(jié)果一致,當(dāng)剪切時間為20 min 時,所有物料能充分溶解,且不會產(chǎn)生過多泡沫。
剪切條件對物料的溶解效率有明顯的影響,對剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量有顯著影響。過多的泡沫不利于后續(xù)均質(zhì)工藝的開展且會造成物料損失,因此在保證物料充分溶解的前提下,應(yīng)通過控制剪切條件減少剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量。
粒徑分布可以評估乳液的穩(wěn)定性,粒徑越小,乳液體系越穩(wěn)定。不同剪切條件對混合乳化結(jié)束后粗乳粒徑分布的影響如圖1~圖3 所示。由圖1 可知,剪切結(jié)束后的粗乳粒徑隨著剪切溫度的升高呈先減小后增大的趨勢,這是因為在較低剪切溫度條件下(40 ℃),物料無法充分溶解,導(dǎo)致乳液粒徑較大;當(dāng)剪切溫度過高時(60 ℃),部分蛋白質(zhì)變性絮凝,導(dǎo)致乳液粒徑增大。由圖2、圖3 可知,隨著剪切轉(zhuǎn)速的增加或剪切時間的延長,乳液的粒徑減小,但是當(dāng)剪切轉(zhuǎn)速高于3 000 r·min-1或剪切時間高于20 min 時,乳液的粒徑變化并不明顯。
圖1 剪切溫度對粗乳粒徑分布的影響圖
圖2 剪切轉(zhuǎn)速對粗乳粒徑分布的影響圖
圖3 剪切時間對粗乳粒徑分布的影響圖
可能是因為隨著剪切轉(zhuǎn)速的增加或剪切時間的延長,乳液液滴變小,液滴間的布朗運動速度加劇,增加了顆粒間的碰撞次數(shù),導(dǎo)致乳液中的液滴重新聚結(jié),阻礙了液滴被剪切打破。另外,隨著乳液液滴粒徑的減小,顆粒的比表面積增大,從而增高了液滴的表面能,乳液液滴更易聚集,最終導(dǎo)致當(dāng)剪切轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1或剪切時間為30 min 時,乳液粒徑的變化不明顯[15]。
不同剪切條件下乳液黏度隨流變儀剪切速率的變化趨勢如圖4~圖6 所示。隨著流變儀剪切速率的增加,乳液的表觀黏度先急劇下降后趨于平衡,所有樣品均表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性流體特性。當(dāng)各組樣品的黏度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,在不同剪切參數(shù)考察條件下,隨著剪切溫度/剪切轉(zhuǎn)速/剪切時間的增加,乳液的黏度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是因為在乳液體系中,適當(dāng)提高剪切溫度、剪切轉(zhuǎn)速或適當(dāng)延長剪切時間,均有利于減小乳液體系中的液滴粒徑,粒徑減小,導(dǎo)致相同分散相體積分?jǐn)?shù)下的液滴數(shù)目增多,液滴間的距離減小,液滴間的相互牽引力增強,最終導(dǎo)致液滴位移困難,乳液的表觀黏度增大[16]。而當(dāng)剪切溫度、剪切轉(zhuǎn)速過高,或剪切時間過長時,體系中的脂肪球簇發(fā)生形變或破碎,液滴間的定向排布阻力減小。此外,過于劇烈的剪切作用也會嚴(yán)重影響乳液中蛋白質(zhì)、親水膠體等成分的原始結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致乳液體系的黏度下降。當(dāng)剪切溫度為50 ℃、剪切轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1、剪切時間為20 min 時,乳液的黏度最大。而乳液的黏度對其穩(wěn)定性具有重要影響,黏度增大,顆粒在連續(xù)相中運動受到的黏制力增加,分散相液滴的運動速度下降,乳液的穩(wěn)定性則相對穩(wěn)定[17]。此外,黏度增大也會減少乳液中一些不溶性的大顆粒物質(zhì)因重力作用而發(fā)生沉降的現(xiàn)象。
圖4 剪切溫度對粗乳黏度的影響圖
圖5 剪切轉(zhuǎn)速對粗乳黏度的影響圖
圖6 剪切時間對粗乳黏度的影響圖
平均粒徑和離心沉淀率可用于表征乳液穩(wěn)定性,平均粒徑和離心沉淀率越小,乳液越穩(wěn)定。不同剪切條件對終產(chǎn)品乳液的平均粒徑和離心沉淀率的影響如表3 所示。不同剪切條件對終產(chǎn)品乳液的平均粒徑及離心沉淀率沒有顯著影響。這可能是因為物料剪切溶解后,粗液還需要經(jīng)過均質(zhì),均質(zhì)過程中的撞擊、空穴和剪切作用的劇烈程度遠(yuǎn)高于物料溶解階段的剪切作用,粗乳中的大顆粒物質(zhì)在均質(zhì)過程中被進一步破碎成小顆粒物質(zhì),由不同剪切溶解條件造成的粗乳性質(zhì)的差異也在均質(zhì)過程中消除。由此可見,不同剪切條件僅影響粗乳性質(zhì),而對終產(chǎn)品的穩(wěn)定性沒有顯著影響。
表3 剪切條件對特醫(yī)食品全營養(yǎng)液終產(chǎn)品乳液性質(zhì)的影響表
本研究考察了剪切溫度、剪切轉(zhuǎn)速、剪切時間對物料溶解情況、剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量、粗乳粒徑分布及黏度、終產(chǎn)品乳液平均粒徑和離心沉淀率的影響,獲得了剪切條件對粗乳及終產(chǎn)品乳液穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,不同剪切條件僅影響物料溶解情況、剪切過程中產(chǎn)生的泡沫量及粗乳乳液性質(zhì),而對終產(chǎn)品的乳液性質(zhì)沒有顯著影響,這說明在選擇剪切條件時,主要考慮生產(chǎn)的可行性、效率、節(jié)能等因素。在本研究體系下,最佳剪切條件是剪切溫度50 ℃、剪切轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1、剪切時間20 min,在該剪切條件下,所有物料能完全溶解且不會產(chǎn)生過多的泡沫,可以避免由于泡沫過多而對生產(chǎn)過程帶來的不利影響。此外,在該剪切條件下,粗乳粒徑最小、黏度最大,表明現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,避免粗乳在均質(zhì)前發(fā)生沉淀、分層等不穩(wěn)定現(xiàn)象,且能夠延長粗乳的放置時間。本研究結(jié)果可為特醫(yī)食品全營養(yǎng)乳液的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。