復配穩定劑對全營養乳劑穩定性的影響

武林賀，袁誠，羅明琍，曾榮華，許文東，吳謙

廣州白云山漢方現代藥業有限公司，中藥提取分離過程現代化國家工程研究中心（廣州 510220）

隨著生活節奏加快、老齡化現象日趨嚴重，加之人們對營養飲食認識不足，導致了營養不良患者或患有某些消化功能障礙的人群數量的增加，這些人群不能依靠正常的飲食補充營養或正常飲食不能滿足營養需求，只能依靠某些流食營養液改變營養狀況[1-2]。全營養乳劑是一種中性的均衡營養補充劑，因其對病人和營養不良患者有較好的適用性，受到了廣泛的關注[3-4]。全營養乳劑是以牛奶為蛋白來源，麥芽糊精作為碳水化合來源，低聚果糖作為膳食纖維來源，添加多種維生素和多種礦物質等營養素，通過剪切、均質、滅菌而制備成的液體營養食品[5-7]。全營養乳劑中成分復雜，有大分子的蛋白質、碳水化合物組分，不溶于水的脂肪，可溶及不可溶的礦物質等成分，這些均會影響全營養乳劑的穩定性：蛋白質對體系環境的變化非常敏感，容易產生凝聚沉淀；不穩定的維生素因體系內外條件的變化發生分解或與其他成分發生反應導致產品穩定體系崩潰；可溶及不可溶礦物質與蛋白質結合或沉淀過程中帶動蛋白質等物質沉淀，導致全營養乳劑穩定體系遭到破壞[8-9]。因此，尋找合適穩定劑、保持全營養乳劑的穩定是目前特殊食品行業迫切想要解決的問題。

卡拉膠是一種親水膠體，能夠在乳劑中與蛋白質發生作用，形成三維空間網狀結構，網狀結構可以結合并固定水分子和不溶顆粒，卡拉膠分子帶有負電荷能夠吸附在油脂分子表面，增加油脂分子的排斥力，從而起到穩定作用[10-11]。黃原膠是由微生物發酵產生的雜多糖類物質，黃原膠在水中溶解時，能形成一種共聚體，這種共聚體構成類似膠體網狀結構，能夠抓取乳劑中不溶顆粒和油脂分子，能夠使乳液的粒度和Zeta保持不變，對乳劑中不溶性顆粒和油脂分子的液滴具有良好的穩定作用[12]。微晶纖維素是一種多糖類物質，它不能溶解在水中，但能夠在水中能形成穩定的分散體系，這種分散體系能夠阻止不溶顆粒的下沉，對維持乳劑的均勻性具有重要作用[13]。

試驗以卡拉膠、黃原膠和微晶纖維素為穩定劑研究對象，考察了單一穩定劑和復配穩定劑對全營養乳劑穩定性的影響[14-15]，獲得能夠保持全營養乳劑穩定的復配穩定劑。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗原料、儀器與設備

1.1.1 試驗原料

麥芽糊精，中糧生化能源（公主嶺）有限公司；分離牛奶蛋白，恒天然集團；粉末磷脂，北京美亞斯磷脂技術有限公司；大豆油、菜籽油，南海油脂工業（赤灣）有限公司；維生素A、D、E、K，維生素B1、維生素B2、維生素B6、維生素B12、檸檬酸鉀、氯化鈉、硫酸銅、葡萄糖酸鋅、磷酸三鈣、焦磷酸鐵，浙江新和成股份有限公司；卡拉膠、黃原膠、微晶纖維素，廣州市凱聞食品發展有限公司。

1.1.2 試驗儀器與設備

T 50剪切機，德國IKA公司；EUROSTAR攪拌機，德國IKA公司；Niro Panda PLUS均質機，德國GEA公司；NDJ-5 S黏度儀，上海精其儀器有限公司；HH-WO-5 L恒溫水浴鍋，上海一凱儀器設備有限公司；高壓濕熱旋轉滅菌鍋，江蘇神農滅菌設備股份有限公司；LXJ-IIB飛鴿低速離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 全營養乳劑生產工藝流程

1.2.2 試驗方法

1.2.2.1 脂肪上浮率的測定

按照生產工藝流程制備的全營養乳劑，滅菌后在室溫下放置12 h。取50 mL的干燥刻度離心管，編號，精確稱量50 mL全營養乳劑的體積為V1（mL）。在4 000 r/min條件下離心20 min，離心完成后小心取出離心管，讀出脂肪上浮層的體積，為V2（mL）。試驗平行3次，計算脂肪上浮率。脂肪上浮率按式（1）計算。

1.2.2.2 離心沉淀率測定

按照生產工藝流程制備的全營養乳劑，滅菌后在室溫下放置12 h。取50 mL的干燥離心管，編號，稱重離心管，為W1（g）。精確稱量50 mL樣品倒入離心管，稱量其質量為W2（g）。將裝有樣品的離心管在4 000 r/min條件下離心20 min，離心完成后小心取出離心管，將液體部分完全倒出后，稱量離心管和沉淀物的質量，為W3（g）。試驗平行3次，計算離心沉淀率。離心沉淀率按式（2）計算。

1.2.3 卡拉膠對穩定性影響的單因素試驗

考察卡拉膠添加量分別為0.01%，0.02%，0.03%，0.04%和0.05%對全營養乳劑穩定性的影響。樣品滅菌后經過12 h室溫放置后離心，測定其脂肪上浮率和離心沉淀率。

1.2.4 黃原膠對穩定性影響的單因素試驗

考察黃原膠添加量分別為0.01%，0.02%，0.03%，0.04%和0.05%對全營養乳劑穩定性的影響。樣品滅菌后經過12 h室溫放置后離心，測定其脂肪上浮率和離心沉淀率。

1.2.5 微晶纖維素對穩定性影響的單因素試驗

考察微晶纖維素添加量分別為0.05%，0.15%，0.25%，0.35%和0.45%對全營養乳劑穩定性的影響。樣品滅菌后經過12 h室溫放置后離心，測定其脂肪上浮率和離心沉淀率。

1.2.6 復配穩定劑對穩定性的影響

復配穩定劑對全營養乳劑穩定性影響的試驗采用Box-Behnken試驗設計，考察復配穩定劑對全營養乳劑穩定性的影響。全營養乳劑穩定性與脂肪上浮率、沉淀離心率均呈負相關，因此復配穩定劑響應面試驗選擇離心沉淀率值為響應值，考察復配穩定劑對全營養乳劑穩定性的影響。試驗重復3次，取其平均值。

1.2.7 試驗驗證

確定最佳復配穩定劑添加量，制備全營養乳劑，樣品滅菌后經過12 h室溫放置后離心，測定其脂肪上浮率和離心沉淀率。

1.2.8 數據分析方法

利用SPASS，Origin和Excel軟件對試驗獲得數據進行分析，并用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 卡拉膠添加量對全營養乳劑穩定性影響

圖1是卡拉膠的單因素試驗結果。由圖1可知，卡拉膠添加量在0.01%～0.03%范圍內，隨著添加量的增加，全營養乳劑的脂肪上浮率和離心沉淀率減小的變化趨勢比較明顯；添加量在0.03%～0.05%范圍內，脂肪上浮率和離心沉淀率的變化趨勢減緩。主要原因是適量的卡拉膠在液體中能夠吸附在油脂分子表面，使得油脂分子之間斥力增加，且卡拉膠在液體中能夠形成網狀結構，能夠防止大分子等粒子沉降，從而提高全營養乳的穩定性。當卡拉膠用量較大時，液體黏稠度增加，油脂分子、蛋白質分子之間距離降低，使得油脂分子發生聚合，蛋白質疏水聚集成蛋白團狀物，導致體系穩定性下降。

2.2 黃原膠添加量對全營養乳劑穩定性影響

圖2是黃原膠的單因素試驗結果。由圖2可知，黃原膠的添加量在0.01%～0.02%范圍內，隨著添加量的增加，全營養乳劑的脂肪上浮率和離心沉淀率減小的變化趨勢比較明顯；添加量在0.02%～0.05%范圍內，脂肪上浮率和離心沉淀率的變化趨勢減緩并有上升趨勢。在含有蛋白質的液體中，黃原膠的使用具有增加液體黏度、防止脂肪與水分層的作用，能夠增加蛋白質穩定的作用，對液體中的固體粒子具有較好的懸浮能力。但黃原膠液體具有假塑性，當添加量逐漸增加時，全營養乳劑黏度逐漸升高，在旋轉滅菌過程中，旋轉搖動過程使得全營養乳黏度降低，黏度的降低使得蛋白質分子和油脂的聚集、固體粒子沉降，從而導致全營養乳體系穩定性降低。

圖1 卡拉膠添加量對穩定性的影響

圖2 黃原膠添加量對穩定性的影響

2.3 微晶纖維素添加量對全營養乳劑穩定性影響

圖3是微晶纖維素的單因素試驗結果。由圖3可知，微晶纖維素添加量在0.05%～0.25%范圍內，隨著微晶纖維素添加量的增加，全營養乳劑的脂肪上浮率和離心沉淀率減小變化趨勢明顯；添加量在0.25%～0.35%范圍內，隨著添加量的繼續增加，脂肪上浮率和離心沉淀率減小趨勢變緩；繼續增加微晶纖維的添加量至0.45%時，脂肪上浮率和離心沉淀率有增加的趨勢。微晶纖維素不溶于水但能夠吸水溶脹，能夠在懸浮在液體中，其具有穩定油脂、蛋白質和固體粒子的作用，因此適量的微晶纖維素具有穩定全營養乳劑的作用。但是當增加微晶纖維素添加量時，微晶纖維素分子會吸附在蛋白質和固體粒子表面，致使蛋白質和固體粒子在液體中形成微小團狀結合物，在離心過程中，團狀結合物在離心力作用下沉降到離心管底部，從而增加離心沉淀率。而油脂分子失去部分蛋白質的乳化穩定作用，在離心過程中上浮到離心管表面，從而增加脂肪上浮率。

圖3 微晶纖維素添加量對穩定性的影響

2.4 復配穩定劑響應面法試驗設計及結果

根據卡拉膠、黃原膠和微晶纖維素單因素試驗結果可知，卡拉膠、黃原膠和微晶纖維素的全營養乳劑的脂肪上浮率和離心沉淀率變化的轉折點添加量分別為0.03%，0.02%和0.25%，因此選擇卡拉膠、黃原膠和微晶纖維素添加量分別為0.03%，0.02%和0.25%作為考察中心點。根據Box-Behnken的中心組合設計原理，固定其他條件不變，選擇卡拉膠（X1）、黃原膠（X2）、微晶纖維素（X3）3個影響顯著的因素作為自變量，全營養乳劑離心沉淀率（Y）為響應值，設計三因素三水平的試驗，共15組試驗，其中12個為分析因子（1～12），3個為中心試驗點（13～15）。試驗因素水平見表1，離心沉淀率響應面分析方案及結果見表2。

2.5 響應面模型建立及顯著性檢驗

利用響應面統計方法對離心沉淀率進行分析，建立離心沉淀率與X1、X2、X3三因素的數學二次多項式回歸方程：

利用分析軟件SAS對表2的數據進行回歸分析，對二次多項式回歸模型系數進行顯著性檢驗，結果見表3。由表3可知，在回歸方程模型中，一次項和二次項極顯著（p＜0.01），表明所選擇的卡拉膠、黃原膠、微晶纖維素三因素對全營養乳劑穩定性試驗結果影響顯著。X1和X2、X1和X3的交互項顯著（p＜0.05），卡拉膠與黃原膠和微晶纖維素之間存在交互作用，復配使用能夠增加全營養乳劑的穩定性。失擬項不顯著（p＞0.05），回歸方程模型極顯著（p＜0.01），回歸方程的模型校正決定系數0.984 3，相關系數R2=0.994 4，表明方程可以解釋99%以上的沉淀離心率數據變異，方程的擬合性好，真實值和預測值相關性較高。二次回歸模型可以用來預測離心沉淀率的變化，無需引入更高次模型，也無需引入新的變量，因此可以用該回歸方程對試驗的結果進行分析預測。

表1 試驗因素水平

表2 離心沉淀率響應面分析

表3 二次多項式回歸模型系數的顯著性檢驗結果

2.6 復配穩定劑驗證試驗

設計試驗驗證二次回歸模型得到復配穩定劑添加量對全營養乳劑的穩定性影響，試驗重復三次取平均值。精確稱取卡拉膠、黃原膠和微晶纖維素，分別為制備的全營養乳劑質量的0.03%，0.02%和0.25%，精確稱取其他原料，然后按照工藝流程制備全營養乳劑。取50 mL刻度離心管，精確稱其質量，然后將滅菌后放置12 h的樣品裝入50 mL刻度離心管中，并精確測定離心管中樣品體積，然后稱量離心管和樣品質量，在4 000 r/min條件下離心20 min后取出離心管，然后精確稱量脂肪上浮體積和離心后的沉淀質量，并按照式（1）和式（2）計算脂肪上浮率和離心沉淀率。通過計算分析得出驗證試驗結果，在驗證試驗條件下制備的全營養乳劑的脂肪上浮率為2.4%、離心沉淀率為4.33%，該結果的真實值接近預測值，說明該模型對穩定劑的配比優化是可行的，此時的穩定劑為全營養乳劑的最佳復配穩定劑。

3 結論

試驗采用單因素試驗和響應面優化法優化了穩定劑對全營養乳劑穩定性的影響，將全營養乳劑脂肪上浮率和離心沉淀率作為其穩定性考察指標，建立復配穩定劑對全營養乳劑穩定性影響的二次多項式數學模型，通過響應值分析及回歸檢驗得出，模型的相關系數R2=0.994 4，說明該模型適用于穩定劑對全營養乳劑穩定性影響的研究。通過試驗優化及驗證，最終確定卡拉膠、黃原膠、微晶纖維素的添加量分別為全營養乳劑的0.03%，0.02%和0.25%；當穩定劑總添加量為0.3%時，制備的全營養乳劑最低脂肪上浮率為2.4%，最低離心沉淀率為4.33%。在此復配穩定劑作用下，全營養乳劑的脂肪上浮率和離心沉淀率均為最小值，此時全營養乳劑產品的穩定性最佳，因此該穩定劑為全營養乳劑的最佳復配穩定劑。