剪切工藝對特醫食品全營養乳液穩定性的影響

◎ 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

（廣州白云山漢方現代藥業有限公司，中藥制藥過程技術與新藥創制國家工程研究中心，廣東省藥用脂質重點實驗室，廣東 廣州 510240）

特殊醫學用途配方食品（簡稱特醫食品）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人群對營養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，特醫食品在臨床中的應用十分廣泛，能有效改善患者的營養狀況，提高免疫力，減少并發癥，縮短住院時間，從而減少住院費用[2-3]。我國特醫食品產業起步較晚，目前臨床使用的特醫食品大部分被國外企業壟斷。因此，對特醫食品的配方及生產工藝展開研究對推動我國特醫食品產業發展具有重要意義。

目前，我國特醫食品主要分為粉劑和乳劑兩種劑型。與粉劑產品相比，乳劑產品使用更為便捷，具有較好的臨床適用性，在國外市場占比較大（49.6%）[4]。因此，對特醫食品乳劑產品的開發十分必要。特醫食品乳液產品營養成分多、體系結構復雜，導致產品體系和營養素穩定性較差，產品開發難度較大。目前，關于該類產品的研究主要集中于嬰幼兒配方的優化[5]、乳化穩定劑對產品穩定性的影響[6-7]、貯藏條件/營養素對產品品質特性的影響[8-9]、腸內營養液對病人的營養支持[10-11]等方面，關于特醫食品乳劑產品的生產工藝方面的研究相對較少。

特醫食品乳液產品通常是以碳水化合物、蛋白質、油脂、維生素和礦物質等為原料通過乳化加工形成的水包油型乳液體系，該體系不穩定，易受到組成成分、物理因素及環境因素等的影響而發生絮凝、沉降、分層、相轉化等失穩現象[12]。乳化是制備乳劑產品的一個重要環節，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、穩定體系的步驟。本研究根據《食品安全國家標準 特殊醫學用途配方食品通則》（GB 29922ü 2013）[1]對10 歲以上人群營養素的相關要求，制備了特醫食品全營養乳液，研究剪切溫度、剪切轉速、剪切時間對乳化過程及產品穩定性的影響，以期獲得剪切條件對特醫食品全營養乳液生產過程及產品穩定性的影響規律，為特醫食品全營養乳液的加工提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

麥芽糊精，中糧生化能源有限公司；酪蛋白，廣州市二龍景誠貿易有限公司；植物調和油（大豆油、菜籽油、玉米油），南海油脂工業（赤灣）有限公司；復合礦物質、復合維生素，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 儀器與設備

IKA T25 高速剪切機，德國IKA 公司；PANDA PLUS 2000 高壓均質機，德國GEA 公司；旋轉滅菌鍋，江蘇神農滅菌設備股份有限公司；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，上海安亭科學儀器廠。

1.2 實驗方法

根據GB 29922ü 2013 中對10 歲以上人群全營養配方食品營養素含量的要求制備特醫食品全營養乳液。將16 g 麥芽糊精、4 g 酪蛋白、3 g 植物調和油（大豆油、菜籽油、玉米油）、10 g 復合礦物質、5 g復合維生素、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 已預熱至考察溫度的純化水中，調節IKA T25 高速剪切機至考察剪切轉速，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，均質壓力30 MPa、循環2 次。將均質后的乳液進行灌裝后，置于旋轉滅菌鍋中進行滅菌，滅菌溫度121 ℃、滅菌時間20 min。滅菌結束后即得特醫食品全營養乳液終產品。

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

粗乳剪切結束后，將粗乳表面的泡沫輕輕轉移至量筒中，測量剪切過程中產生的泡沫體積。

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品的粒度分布，以粒度分布計算粒徑平均值。樣品在儀器內的平衡時間為60 s，測試溫度為25 ℃。

1.2.5 粗乳黏度的測定

然而，在室內環境中測量揮發性有機化合物更為復雜，結果更不具體。有時很難確定哪些特定的材料要對異常高的讀數負責。

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 離心管的質量，g；m1為樣品質量，g；m2為離心結束后，棄去上清液的離心管總質量，g。

1.3 數據處理

所有實驗均做3 次平行，采用SPSS 26.0 統計軟件的Duncan 法進行顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 剪切條件對物料溶解過程的影響

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，對剪切過程中產生的泡沫量具有顯著影響。剪切溫度考察結果顯示，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，蛋白質受熱變性絮凝，剪切結束后，乳液中有少量絮凝物。剪切過程中產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的空間結構有關，加熱會使酪蛋白暴露更多的疏水基團，導致在水相和氣相的界面有更多的疏水基團與氣相結合、親水基團與水相結合，從而促進泡沫的形成。隨著剪切溫度的繼續升高，蛋白質因變性而逐漸重新形成聚合物，使剪切過程中產生的泡沫量減少[13]。

表2 剪切條件對物料溶解過程的影響表

剪切轉速考察結果顯示，物料的溶解效率隨著剪切轉速的增大而提高，當剪切轉速為3 000 r·min-1時，物料能充分溶解。但隨著剪切轉速的升高，剪切過程中產生的泡沫量顯著增加，這是因為剪切轉速的提高會導致更多的氣體注入乳液中并包埋在蛋白質中形成泡沫[14]。剪切時間考察結果顯示，剪切時間對物料溶解過程的影響規律與剪切轉速考察結果一致，當剪切時間為20 min 時，所有物料能充分溶解，且不會產生過多泡沫。

剪切條件對物料的溶解效率有明顯的影響，對剪切過程中產生的泡沫量有顯著影響。過多的泡沫不利于后續均質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，應通過控制剪切條件減少剪切過程中產生的泡沫量。

2.2 剪切條件對粗乳粒徑分布的影響

粒徑分布可以評估乳液的穩定性，粒徑越小，乳液體系越穩定。不同剪切條件對混合乳化結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，導致乳液粒徑較大；當剪切溫度過高時（60 ℃），部分蛋白質變性絮凝，導致乳液粒徑增大。由圖2、圖3 可知，隨著剪切轉速的增加或剪切時間的延長，乳液的粒徑減小，但是當剪切轉速高于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，導致乳液中的液滴重新聚結，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，最終導致當剪切轉速為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]。

2.3 剪切條件對粗乳黏度的影響

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，所有樣品均表現出剪切變稀的假塑性流體特性。當各組樣品的黏度達到穩定狀態后，在不同剪切參數考察條件下，隨著剪切溫度/剪切轉速/剪切時間的增加，乳液的黏度均呈現出先增大后減小的趨勢。這是因為在乳液體系中，適當提高剪切溫度、剪切轉速或適當延長剪切時間，均有利于減小乳液體系中的液滴粒徑，粒徑減小，導致相同分散相體積分數下的液滴數目增多，液滴間的距離減小，液滴間的相互牽引力增強，最終導致液滴位移困難，乳液的表觀黏度增大[16]。而當剪切溫度、剪切轉速過高，或剪切時間過長時，體系中的脂肪球簇發生形變或破碎，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重影響乳液中蛋白質、親水膠體等成分的原始結構，最終導致乳液體系的黏度下降。當剪切溫度為50 ℃、剪切轉速為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定性具有重要影響，黏度增大，顆粒在連續相中運動受到的黏制力增加，分散相液滴的運動速度下降，乳液的穩定性則相對穩定[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因重力作用而發生沉降的現象。

圖4 剪切溫度對粗乳黏度的影響圖

圖5 剪切轉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

2.4 剪切條件對特醫食品全營養液終產品乳液性質的影響

平均粒徑和離心沉淀率可用于表征乳液穩定性，平均粒徑和離心沉淀率越小，乳液越穩定。不同剪切條件對終產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，粗液還需要經過均質，均質過程中的撞擊、空穴和剪切作用的劇烈程度遠高于物料溶解階段的剪切作用，粗乳中的大顆粒物質在均質過程中被進一步破碎成小顆粒物質，由不同剪切溶解條件造成的粗乳性質的差異也在均質過程中消除。由此可見，不同剪切條件僅影響粗乳性質，而對終產品的穩定性沒有顯著影響。

表3 剪切條件對特醫食品全營養液終產品乳液性質的影響表

3 結論

本研究考察了剪切溫度、剪切轉速、剪切時間對物料溶解情況、剪切過程中產生的泡沫量、粗乳粒徑分布及黏度、終產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品乳液穩定性的影響規律。結果表明，不同剪切條件僅影響物料溶解情況、剪切過程中產生的泡沫量及粗乳乳液性質，而對終產品的乳液性質沒有顯著影響，這說明在選擇剪切條件時，主要考慮生產的可行性、效率、節能等因素。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生過多的泡沫，可以避免由于泡沫過多而對生產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，表明現出較好的穩定性，避免粗乳在均質前發生沉淀、分層等不穩定現象，且能夠延長粗乳的放置時間。本研究結果可為特醫食品全營養乳液的工業化生產提供一定的理論依據。