食品乳狀液凍融穩定性的研究進展*

簡俊麗，毛麗娟，劉夫國，高彥祥，袁芳

(中國農業大學食品科學與營養工程學院功能配料與食品添加劑研發中心植物源功能食品北京市重點實驗室，北京，100083)

乳狀液(emulsion)是一種非均多相分散體系。常見的乳狀液由油水兩相組成，其中一相以液滴的形式分散在另一相中，被分散的一相稱為分散相或內相，分散的一相稱為連續相或外相。乳狀液通常有2種類型，即水包油(O/W)型乳狀液和油包水(W/O)型乳狀液［1］。本文主要針對食品乳狀液在冷凍-解凍過程中失穩機理，特別是油水兩相在冷凍過程中的結晶化特點進行分析，并總結了影響乳液凍融穩定性的因素及改善方法。

1 乳狀液的穩定性

乳狀液具有良好的乳化性能，其中水包油型乳狀液在食品工業中應用廣泛，如加工蛋黃醬、調味料、飲料、冰激凌等。乳狀液中加入乳化劑在油水界面形成界面膜，通過靜電或空間位阻效應阻止油滴相互靠近，進而維持乳液的穩定性。乳狀液破乳直接影響產品的外觀、質地、風味，降低消費者的接受度。受乳液組成、加工技術(加熱、冷凍和機械攪拌等)、重力和其他因素(pH、離子強度等)的影響，乳狀液常表現出絮凝、聚結、乳析或沉淀、相轉換和奧氏熟化等失穩現象(見圖 1)［2］。

圖1 乳液失穩示意圖Fig.1 Emulsion instability diagram

絮凝和聚結是指在加入的乳化劑不足或其他不利條件下，2個或多個液滴相互靠近發生絮凝、聚并或部分聚并的現象。在濃度較低的體系，絮凝使液滴粒徑變大，加速乳析或沉淀的產生。乳析/沉淀是指組成乳狀液的顆粒受顆粒大小、顆粒與水相相對密度大小及水相黏度等的影響可能會發生乳析、沉淀等現象，如油滴密度小于水相的密度，受重力作用會向上運動，而乳液中的一些其他成分如添加在乳液中的調味成分向下運動，產生不穩定現象。油脂析出:乳液液滴產生聚并的速率和程度與表面活性劑分子包裹油滴的狀態有關，若表面活性劑分子在油滴周圍形成致密且較厚的界面層，會在油滴間形成較強的斥力，防止油滴相互靠近。但當乳化劑加入不足或形成的界面層較薄，液滴間產生絮凝或聚結，并最終導致油脂析出。相轉變是其連續相和分散相發生逆轉的過程。該過程受多種因素的影響，如油水體積比、溫度、離子強度、乳化條件和表面活性劑組成等。如溫度引起的相轉變，對于某一特定的表面活性劑-油-水體系而言，存在著一個較窄的溫度范圍，在該溫度以上，表面活性劑溶于油相，而在該溫度以下，表面活性劑溶于水相;隨溫度逐漸升高，體系由O/W型乳液轉變為W/O型乳液，發生相轉變。

2 乳狀液凍融過程中的失穩機理

冷凍是保持食品營養和感官特性、抑制化學和微生物引起的腐敗以及延長食品貨架期的有效方式。但許多水包油型乳液經冷凍-解凍過程后破乳，性質受到破壞，限制了其在一些食品中的應用。乳狀液冷凍過程即油相和水相從液態到固態的轉變過程。該過程中油水兩相結晶化(晶核形成、冰晶大小和冰晶增長速率等)是影響乳狀液凍融穩定性的關鍵因素，而油水兩相的結晶化受很多因素如乳化劑類型、溶質、冷凍條件等因素的影響。

如果油相在水相之前結晶，可能會發生部分聚并，導致乳液失穩，如圖2所示。

圖2 乳狀液凍融過程失穩機理［3］Fig.2 Instability mechanism of emulsion during freezing-thawing

當有部分油相結晶時，油滴相互碰撞，結晶油滴滲透到未結晶流動區域，流動區域液態油滴會流動到其他地方，加強了油滴間的相互作用，可能形成含有部分結晶油滴的無規則聚集體，溫度繼續降低到水結晶，冰晶膨脹占據結晶油滴的位置，結晶的水越來越多，未冷凍部分油滴濃度越來越大且相互靠近，這個冷凍濃縮過程可能造成絮凝、聚并甚至是油脂析出。當體系解凍后，結晶油滴溶解，并與未結晶油滴融合到一起，會導致液滴絮凝和油脂析出。較薄的界面層、高脂肪濃度及其他機械力的施加會加速部分聚并的速率，而脂肪晶體的數量、大小、位置、脂肪濃度、界面層性質及其他施加條件影響部分聚并的程度［3］。

其他理化過程也會導致冷凍乳液的失穩。例如，水相中部分冰晶形成時，未冷凍部分沒有足夠的自由水水合吸附在油滴上的蛋白分子，引起界面蛋白和表面活性劑脫水，產生構象和表面活性的改變，這會增加液滴間的反應，使乳液失穩。另外，未凍結的水相中的溶質濃度和離子強度增大、pH的變化等因素會增強帶電油滴間的靜電作用，產生絮凝，降低乳液穩定性［4］。

3 影響乳狀液凍融穩定性的因素和改善方法

3.1 水相組成

3.1.1 糖

乳液中加入多糖可以減少其在冷凍過程中形成的冰晶的量，增加乳液中未冷凍的水的量和水相的粘度，使油滴運動變得困難，且能在油滴周圍形成界面層，降低油滴聚結現象的發生［2-3，5-6］，因而可以有效提高乳狀液的凍融穩定性。Mun等［7］研究了多糖(果膠或卡拉膠)和麥芽糖糊精對乳液凍融穩定性的影響。結果表明加入果膠或卡拉膠的乳液比未加的乳液凍融穩定性好，且當乳液中有麥芽糖糊精存在時，乳液凍融穩定性得到提高。Zhao等再次驗證了麥芽糖糊精對乳狀液凍融穩定性的提高作用［8］。雙糖的加入也能起到類似作用，如 Degner［9］加入150 mmol/L的蔗糖于乳液調料，發現蔗糖能抑制冰晶生長，防止液滴聚集和相分離。

3.1.2 鹽和多元醇

鹽和多元醇能改變凍融乳液中冰晶的形成狀態，提高乳液凍融穩定性。如研究幾種不同的鹽(LiCl、NaCl、KCl，RbCl和 CsCl)在乳液凍融循環中的作用，發現500 mmol/L的LiCl和 NaCl能夠有效抑制雞蛋磷脂(12 mg/mL)穩定的大豆油(200 mg/mL)乳液的聚結現象的產生。5種鹽提高乳液凍融穩定性的效果依次是:Li+=Na+＞Rb+～Cs+～K+［10］。乳液中加入多元醇能降低水的冰點，減少冰晶的生成量，從而提高乳液凍融穩定性。Donsì等［11］研究表明，卵磷脂乳液體系凍融后不穩定，加入100 mg/g聚乙二醇后體系的凍融穩定性顯著提高，乳液經10次凍融循環液滴粒徑未發生顯著變化。可能是由于聚乙二醇可能與磷脂分子形成氫鍵而吸附在液滴表面，減少液滴間的相互作用。

3.1.3 抗凍蛋白

抗凍蛋白(antifreeze protein，AFP)是一類抑制冰晶生長的蛋白質，能降低水溶液的冰點，改變晶核形態，防止小的冰晶凝結變大，使形成的晶粒體積小且均勻［12］。抗凍蛋白來源于一些極區魚類、昆蟲、耐寒的植物、真菌和細菌。目前發現的抗凍蛋白種類主要有抗凍糖蛋白(AFGPs)、I型抗凍蛋白(AFPI)、Ⅱ型抗凍蛋白(AFPⅡ)、Ⅲ型抗凍蛋白(AFPⅢ)和Ⅳ型抗凍蛋白(AFPⅣ)［13］。Regand 等［14］研究發現，冬小麥草提取物中的AFP添加到冰激凌中能有效抑制冰晶增長。在冰激凌中添加AFP的量為0.025～0.037 mg/g時，冰晶重結晶的速率降低40% ～46%，并且加入AFP的冰激凌更加細膩，口感較好。

3.1.4 乳化劑

乳化劑可能通過不同的機制提高乳液的穩定性:(1)改變油相和水相中晶核生成和冰晶的增長速率;(2)使脂肪滴之間產生斥力，不會相互靠近發生聚集;(3)在油滴周圍生成界面膜，維持界面膜的完整性［3］。

常用的乳化劑有乳蛋白和小分子表面活性劑。酪蛋白和乳清蛋白是牛奶中兩種主要蛋白，具有良好的乳化性。Thanasukarn等［15］研究表明，加入乳清分離蛋白和酪蛋白的乳液穩定性很好，蛋白吸附在油滴周圍形成較厚的界面膜，通過空間阻力和靜電排斥防止油滴相互靠近，維持乳液穩定性。且添加乳清分離蛋白的乳液比加入酪蛋白的乳液穩定性稍好，不同的蛋白乳化劑由于結構的不同，對乳液凍融穩定性的影響存在差異，如乳清分離蛋白是典型的球蛋白，而酪蛋白為無序蛋白。Palazolo［16］等研究不同蛋白濃度(5，10和20 mg/g)的天然和熱變性的大豆分離蛋白(NSI和DSI)作為單一乳化劑，使用葵花子油制備的乳液的凍融穩定性，并與酪蛋白酸鈉乳液比較。結果發現，5 mg/g的 NSI和 DSI很不穩定，油脂析出，乳液穩定性隨蛋白濃度(5～20 mg/g)升高而增加，而加入酪蛋白酸鈉的乳液絮凝程度和粒徑都較小，穩定性較好。

3.2 油相組成

脂肪結晶特點影響乳液凍融穩定性。脂肪晶體形成的大小和形狀與冷凍條件和油脂種類等有關。油脂可能導致乳液不穩定的方式如下:(1)脂肪結晶可能導致油滴周圍界面層的破壞，使得油滴相互靠近，乳液解凍后發生部分聚結;(2)油滴結晶可能發生形狀的改變，使總的表面積變化，可能使乳液中沒有足夠的乳化劑穩定油滴而發生聚結［3-4］。

不同的油脂種類，因其含有的脂肪酸種類和比例存在差異，對乳液凍融穩定的影響也不一樣。如不同植物油(葵花籽油、菜籽油和中鏈甘油三酯)組成的油相對蛋黃醬乳液凍融穩定性的影響不同。菜籽油和中鏈甘油三酯制備的乳液凍融穩定性低，經一次凍融循環發生嚴重的油相分離，因為這2種油中含有較高的單不飽和脂肪酸，且在-25℃結晶甘油三酯含量高。葵花籽油制備的乳液穩定性最好，兩次凍融循環后粒徑沒有顯著增加［17］。Cramp［18］等采用同系列正構烷烴(C10～C18)制備 (40 wt%)水包油乳液，凍融后只有當油相不凍結而水相凍結時才穩定，使用正十六烷制備乳液經凍融后發現約27%正十六烷液滴失穩。

3.3 冷凍速率

溫度低于水相的冰點時，會生成晶核，隨之冰晶增長，冷凍速率影響晶核形成和增長的速率。不同的冷凍速率對乳液穩定性的影響存在差異。一般而言，速凍要比慢凍的效果好，速凍生成冰晶小而均勻，慢凍則形成較大冰晶，易造成乳液絮凝和相分離，造成乳液凍融穩定性下降，對食品品質產生不利影響。Degner［5］發現慢凍(-0.015 ℃ /min)可能造成脂肪滴絮凝和聚結，比速凍(-0.11℃/min)產生的液滴平均粒徑大。

除了上述控制油相和水相組成、調控冷凍速率外，還可以通過設計乳液組成結構及其他物理、化學方法提高乳液穩定性。

3.4 設計乳液組成結構

3.4.1 層層自組裝形成多層乳液

層層自組裝(Layer-by-Layer)技術制備多層乳液，是提高乳液穩定性的有效方式。首先在均質過程使離子型乳化劑吸附在油滴表面形成單層乳液。然后往體系中加入帶相反電荷的聚合電解質，使其吸附在液滴表面，此時油滴被雙層界面乳化劑-電解質包裹，即形成雙層乳液。該過程可以重復進行，制備3層甚至多層乳液［19］。如圖3所示過程。

圖3 層層自組裝技術制備水包油乳液［20］Fig.3 Oil-in-water emulsion prepared by layer-by-layer self-assembly technique

一些電解質(如表面活性劑、生物大分子、大分子復合物和膠體粒子)可以通過層層自組裝技術，對油滴實現多層包裹［19］。實驗證明雙層或3層的多組份乳液有較好的穩定性，可耐受不利環境(加熱、凍融、高離子強度、脂質氧化等)［20-21］。

如采用層層自組裝法制備含不同界面組成的50 mg/g的乳液:單層乳液(β-乳球蛋白)、雙層乳液(β-乳球蛋白-ι-卡拉膠)和 3 層乳液(β-乳球蛋白-ι-卡拉膠-明膠)，3種類型的乳液進行3次凍融循環(-20℃，22 h;40℃，2 h)。結果表明，單層和雙層乳液一次凍融后不穩定，發生液滴聚集和乳析現象;3層乳液由于在油滴表面有較厚的界面膜，凍融后穩定性更好。該研究使用的層層自組裝技術可以有效提高食品乳液的凍融穩定性［22］。Thanasukarn［23］等的研究結果也表明，SDS-殼聚糖-果膠3層乳液要比 SDS、SDS-殼聚糖的單層和雙層乳液凍融穩定性更好。多層乳液形成較厚的界面膜包裹在油滴周圍，增加了油滴間的斥力，抑制聚結的產生，提高乳液穩定性［22-24］。

3.4.2 酶交聯形成多層乳液

靜電作用進行層層組裝形成多層乳液，當環境條件如pH或離子強度發生改變時會導致蛋白-多糖之間的靜電作用減弱，破壞界面膜，降低乳液穩定性。通過酶交聯(漆酶、谷氨酰胺轉移酶等)形成共價結合的界面膜能克服環境改變對其的破壞作用。酶交聯技術是提高多層乳液功能特性和穩定性的重要方法，特別對于含有蛋白和糖類的多層體系，通過交聯作用能形成具有彈性和抗性的界面膜，對提高乳液熱穩定性、凍融穩定性及抵抗其他不利環境條件pH、離子強度有重要意義［25-27］。

Zeeb［25］等采用漆酶研究酶交聯甜菜果膠-魚明膠形成雙層乳液的凍融穩定性。發現與未進行酶處理的單層乳液相比，酶交聯的雙層乳液經2次凍融循環(-8℃、22 h;25℃、2h)后穩定性較高。

3.5 糖基化反應

通過糖基化，蛋白分子共價結合多糖可以增加乳液界面膜的厚度，在一定程度防止界面膜被破壞，抑制乳液凍融過程出現聚結和油脂析出，提高乳液的凍融穩定性［28-29］。

竇超然等［28］以麥芽糊精和大豆分離蛋白為原料，通過糖基化反應制備凍融穩定性很好的糖基化大豆分離蛋白。結果表明，經過糖基化處理的大豆分離蛋白乳液的抗乳化分層能力，要明顯高于未經處理的大豆分離蛋白乳液。Xu等［29］采用乳清分離蛋白和葡聚糖通過干熱法制備糖基化反應產物Ⅰ(80℃，2h)和產物Ⅱ(60℃，5d)，并研究2種產物制備的乳液的凍融穩定性。結果發現與乳清分離蛋白、乳清分離蛋白和葡聚糖混合物制備的乳液相比，糖基化反應產物制備的乳液凍融穩定性顯著提高，且產物Ⅱ由于接枝程度高，比產物Ⅰ的凍融穩定性好。作者推測由于葡聚糖疊加在油滴周圍的界面層，增加了油滴間的靜電斥力，提高了乳液穩定性。

4 結論與展望

乳狀液在冷凍、貯藏及解凍過程中，穩定性受多種因素的影響，可能出現不穩定現象，從而造成食品感官、營養價值下降或縮短食品貨架期等，可以通過控制產品組成(水相和油相)、冷凍條件(冷凍速率、溫度)及解凍條件提高其凍融穩定性，使乳狀液在食品中得到良好應用。提高乳狀液凍融穩定性對改善某些食品的品質具有重要作用，如冰激凌、乳液調料、蛋黃醬等，可以使產品具有更細膩口感和保留更多的營養成分。目前關于加工條件對乳狀液冷凍過程的研究較少，因此今后研究中應深入探究加工條件對乳狀液穩定性的影響，例如高壓冷凍技術，該方法能產生較小結冰顆粒，對食品破壞小，是一種提高乳狀液凍融穩定性的有效方式［30-31］。此外，通過合理的結構設計來提高乳液的凍融穩定性也將成為研究熱點。

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