黑芝麻碎米谷物乳乳化穩定劑的篩選及配比優化

郝娟，吳婕，李升鋒，馬永軒

1. 廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所/農業農村部功能食品重點實驗室/廣東省農產品加工重點實驗室（廣州 510610）；2. 廣州力衡臨床營養品有限公司（廣州 510610）

谷物乳飲料是一種健康飲料，已逐漸成為研究熱點，國內外均有相關報道[1-4]。黑芝麻的營養功效在中國古代已有記載，黑芝麻具有補中益氣、潤養五臟、利大小腸等功能[5]。研究發現，黑芝麻可降血脂、抗衰老，其富含維生素，對因身體虛弱、早衰等導致的脫發有較好改善效果，對藥物性脫發和疾病引起的脫發也有一定作用[6]。

大米營養均衡，含有豐富的維生素B1和鈣、磷、鐵等礦物質，蛋白質生物價與大豆相當，賴氨酸、蘇氨酸等含量豐富，且各種氨基酸的比例接近人體的需要[7]。碎米是稻谷加工過程中的主要副產物，在大米生產過程中會產生15%左右的碎米，其營養成分與大米接近，但一般只能廉價處理。因此，研發碎米深加工產品，既可充分利用大米的營養價值，又可提高碎米的利用率。

國內外以黑芝麻和碎米為原料研制谷物乳尚比較少見，只有少數研究做了黑芝麻飲料的初步工作[8]。谷物乳容易出現脂肪上浮、淀粉老化等現象[9-10]，嚴重影響產品品質，阻礙其市場推廣。為此，在保證產品良好口感的基礎上，分析影響谷物乳穩定性的主要因素，對其穩定劑的配方及均質工藝進行系統優化，旨在為谷物乳的研發提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

黑芝麻、碎米、白砂糖（市售）；全脂奶粉（呼倫貝爾雀巢有限公司）；蔗糖脂肪酸酯（柳州愛格富食品科技股份有限公司）；蒸餾單硬脂酸甘油酯（美晨科技實業有限公司）；羧甲基纖維素（安徽山河藥用輔料有限公司）；黃原膠（鄂爾多斯中軒生化股份有限公司）；海藻酸鈉（西安唐朝化工有限公司）；微晶纖維素（安徽山河藥用輔料有限公司）。

DS32實驗型雙螺桿擠壓膨化機（山東賽信膨化機械有限公司）；JMS膠體磨（廊坊通用機械有限公司）；高壓均質機（上海科司大均質機電設備有限公司）；TD6離心機（長沙湘智離心機儀器有限公司）；高壓殺菌鍋（江陰濱江醫療設備有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 單因素試驗

分別選用蔗糖脂肪酸酯、蒸餾單硬脂酸甘油酯、羧甲基纖維素、黃原膠、海藻酸鈉和微晶纖維素為穩定劑，其中蔗糖脂肪酸酯和蒸餾單硬脂酸甘油酯添加量為0.03%，0.06%，0.09%，0.12%和0.15%；羧甲基纖維素和海藻酸鈉添加量為0.02%，0.04%，0.06%，0.08%和0.1%；黃原膠和微晶纖維素添加量為0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.25%。分別測定谷物乳沉淀率，評價各種穩定劑的穩定效果。

1.2.3 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合試驗設計方法安排三因素三水平試驗，對穩定劑配方進行優化，試驗因素和水平見表1。

表1 響應面試驗因素和水平 %

1.2.4 均質對谷物乳穩定性影響試驗

分別設定均質壓力0，10，20，30，40和50 MPa，均質溫度30，40，50，60，70和80 ℃，均質次數0，1，2，3和4次，測定其沉淀率，確定最佳均質條件。

1.2.5 分析測定方法

沉淀率的測定參照譚鋒等[11]的方法略加修改，稱取搖勻的一定量（m0）的樣品，用臺式離心機在6 000 r/min離心15 min，棄去上層清液，稱得沉淀質量（m1）。

沉淀率按式（1）計算。

式中：m0為樣品溶液質量，g；m1為沉淀質量，g。

1.2.6 數據統計與分析

采用SPSS 17.0軟件中單因素方差分析進行組間差異比較，顯著性水平為p＜0.05。不同字母表示0.05水平上的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同穩定劑對谷物乳穩定性的影響

2.1.1 蔗糖脂肪酸酯

由蔗糖脂肪酸酯對谷物乳沉淀率的影響（圖1）可知，谷物乳沉淀率隨蔗糖脂肪酸酯添加量的增加呈先下降后上升趨勢，在添加量0.09%時其沉淀率最小，這可能是因為蔗糖脂肪酸酯添加量0.09%時體系達到親水親油平衡，谷物乳穩定性最好。但試驗中蔗糖脂肪酸酯添加0.06%與添加0.09%時體系沉淀率差異不顯著（p＞0.05）。因此，選用0.06%蔗糖脂肪酸酯添加量對谷物乳進行乳化。

圖1 蔗糖脂肪酸酯對谷物乳沉淀率的影響

2.1.2 蒸餾單硬脂酸甘油酯

蒸餾單硬脂酸甘油酯對谷物乳沉淀率的影響見圖2，谷物乳的沉淀率隨著蒸餾單硬脂酸甘油酯添加量增加呈先下降后上升趨勢，添加量為0.12%時體系沉淀率最小，蒸餾單硬脂酸甘油酯添加量大于0.12%時，谷物乳的沉淀率顯著增大。但是，蒸餾單硬脂酸甘油酯各添加量時谷物乳的沉淀率均較高，說明蒸餾單硬脂酸甘油酯不適宜作為谷物乳的穩定劑。

圖2 蒸餾單硬脂酸甘油酯對谷物乳沉淀率的影響

2.1.3 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素對谷物乳沉淀率的影響見圖3，谷物乳的沉淀率隨著羧甲基纖維素添加量增加先下降后上升，在羧甲基纖維素添加量為0.06%時，谷物乳的沉淀率最小。添加量大于0.06%時，谷物乳的沉淀率顯著增大。但是，不同羧甲基纖維素添加量的谷物乳沉淀率均很高，說明羧甲基纖維素不適宜作為谷物乳的穩定劑。

圖3 羧甲基纖維素對谷物乳沉淀率的影響

2.1.4 黃原膠

由黃原膠對谷物乳沉淀率的影響（圖4）可見，谷物乳的沉淀率隨著黃原膠添加量增加先下降后上升。在黃原膠添加量為0.15%時沉淀率最小，添加量分別為0.10%和0.15%的體系沉淀率差異不顯著（p＞0.05）。添加量大于0.15%時，谷物乳沉淀率顯著增大（p＜0.05），這可能是因為黃原膠添加量過大時，谷物乳的穩定平衡被破壞，導致沉淀率增加。綜合考慮穩定性效果和成本，選取黃原膠添加量0.1%。

2.1.5 海藻酸鈉

由海藻酸鈉對谷物乳沉淀率的影響（圖5）可知，谷物乳的沉淀率隨海藻酸鈉添加量增加呈下降趨勢。添加量為0.10%時，谷物乳的沉淀率最小，但添加量分別為0.10%和0.06%的差異不顯著（p＞0.05）。不同海藻酸鈉脂添加量的谷物乳沉淀率均很高，這可能是由于殺菌溫度過高，導致海藻酸鈉分解，從而使谷物乳沉淀率增大，說明海藻酸鈉不適宜作為谷物乳的穩定劑。

圖4 黃原膠對谷物乳沉淀率的影響

圖5 海藻酸鈉對谷物乳沉淀率的影響

2.1.6 微晶纖維素

由微晶纖維素對谷物乳沉淀率的影響（圖6）可見，谷物乳沉淀率隨著微晶纖維素添加量增加呈先下降后上升趨勢。在添加量為0.10%時，谷物乳的沉淀率最小為5.31%，且添加量0.1%與其他添加量差異顯著（p＜0.05）。因此，選取微晶纖維素添加量為0.10%。

圖6 微晶纖維素對谷物乳沉淀率的影響

2.2 復合穩定劑對谷物乳穩定性的影響

在單因素試驗的基礎上選用中心組合模型，開展三因素三水平的響應面分析試驗，其中5個中心試驗用來估計試驗誤差。以沉淀率為響應值，采用Design-Expert 9.0軟件對試驗數據進行回歸分析，對復合穩定劑對谷物乳穩定性的影響進行更深入研究和優化，試驗結果見表2。

表2 響應面試驗設計與結果

2.2.1 回歸模型的建立與方差分析

以蔗糖脂肪酸酯添加量X1、黃原膠添加量X2、微晶纖維素添加量X3為試驗因素，沉淀率Y為考察指標的回歸模型為：Y=5.69-0.22X1-0.29X2-1.73X3-0.022X1X2-0.38X1X3+0.14X2X3+1.391.22+0.54。

回歸模型方差分析見表3。模型為回歸極顯著型（p＜0.01），各因素中一次項X2、X3極顯著，X1顯著，二次項、、均極顯著，交叉項X1X3顯著。結果表明，3個因素中黃原膠和微晶纖維素對谷物乳的沉淀率具有極顯著性影響，蔗糖脂肪酸酯對谷物乳的沉淀率具有顯著性影響，影響程度從強到弱依次為：微晶纖維素＞黃原膠＞蔗糖脂肪酸酯。

表3 回歸模型方差分析

2.2.2 各因素間的交互影響

根據回歸方程作響應曲面及等高圖，考察所擬合的響應曲面的形狀，對蔗糖脂肪酸酯、黃原膠、微晶纖維素兩兩因素交互對谷物乳沉淀率的影響進行分析與評價，以確定其最佳配比。

圖7～圖9顯示，蔗糖脂肪酸酯和微晶纖維素交互作用顯著，蔗糖脂肪酸酯和黃原膠及黃原膠和微晶纖維素交互作用均不顯著。微晶纖維素是影響體系穩定性的主要因素，黃原膠次之，蔗糖脂肪酸酯對其穩定性影響最小。

圖9 黃原膠和微晶纖維素對谷物乳沉淀率影響的響應面圖

2.2.3 穩定劑最佳配方的確定

由回歸方程求得最佳配方，蔗糖脂肪酸酯添加量0.07%、黃原膠添加量0.09%、微晶纖維素添加量0.13%，在此條件下，得到沉淀率最小理論值為4.65%。采用優化配方及試驗相同的其他條件，實際測得沉淀率為4.78%，與理論值偏差小于5%。因此，響應面優化得到的穩定劑配方準確可靠。

2.3 均質工藝對谷物乳穩定性的影響

2.3.1 均質壓力

均質壓力對谷物乳沉淀率的影響見圖10。谷物乳的沉淀率隨均質壓力增大先下降后上升。均質壓力20 MPa時，谷物乳的沉淀率最小，但均質壓力20 MPa時與均質壓力30和40 MPa時，谷物乳的沉淀率差異不顯著（p＞0.05）。均質壓力50 MPa時，體系的沉淀率顯著增加（p＜0.05），這可能是由于均質壓力過大使得體系中懸浮顆粒的半徑變小，表面積變大，導致懸浮顆粒聚合，最終使得谷物乳的沉淀率變大[11]。因此，選取均質壓力20 MPa。

圖10 均質壓力對谷物乳沉淀率的影響

2.3.2 均質溫度

由均質溫度對谷物乳沉淀率的影響（圖11）可知，谷物乳的沉淀率隨均質溫度的增大呈先下降后上升的趨勢。均質溫度60 ℃時，谷物乳的沉淀率最小，但與70 ℃相比，谷物乳的沉淀率差異不顯著（p＞0.05）。這可能是由于體系中的蛋白質分子在60～70 ℃時適當展開，疏水基團適當暴露，更容易與穩定劑相互作用生成各種絡合物，從而提高谷物乳的穩定性。因此，選取均質溫度60 ℃。

圖11 均質溫度對體系沉淀率的影響

2.3.3 均質次數

由均質次數對谷物乳沉淀率的影響（圖12）可知，谷物乳的沉淀率隨均質次數增多呈下降趨勢。均質2次時體系的沉淀率顯著低于不均質和均質1次（p＜0.05），但繼續增加均質次數不能顯著降低谷物乳的沉淀率（p＞0.05）。這可能是因為均質2次時微粒的粒徑已經很小，達到較高穩定性，繼續均質不能進一步降低體系的沉淀率。因此，選取均質次數為2次。

圖12 均質次數對體系沉淀率的影響

3 結論

通過單因素試驗并結合Box-Behnken中心組合試驗，確定谷物乳的穩定劑最佳配方為：蔗糖脂肪酸酯0.07%、黃原膠0.09%和微晶纖維素0.13%。通過測定不同均質工藝處理后谷物乳的沉淀率，確定最佳均質條件為：均質壓力20 MPa、均質溫度60 ℃、均質次數2次。