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曾友明 丁泉水
（南昌市泰康食品工業(yè)開發(fā)中心，南昌 330029）
原載<中國食品添加劑>2003年第5期(總第60期)
作者簡介：曾友明（1975-），男，食品科學碩士，從事乳品、飲料生產(chǎn)技術研究
摘 要：本文闡述了乳化劑在牛乳飲品中的作用機理，并對影響牛乳飲品乳狀液穩(wěn)定性的因素進行了分析。在此基礎上，提出了牛乳飲品中選擇和使用乳化劑的依據(jù)和原則。
關鍵詞：牛乳飲品；乳化劑
The function mechanism of emulsifier in milk drink
and Its principle to choose and use
Zeng you-ming , Ding quan-shui
(Nanchang Tellcan Food Industry Development Center, Nanchang 330029, china)
Abstract: In this paper, the function mechanism of emulsifier in milk drink was elaborated and the factors to influence stability of milk drink were analyzed. Based on these, the basis and principle to choose and use emulsifier in milk drink were given.
Key words: milk drink; emulsifier
0 引言
牛乳飲品一般是由蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、食用纖維（水溶性或水不溶性）、淀粉類、維生素類（水溶性或油溶性）、礦物質(zhì)類等物質(zhì)組成的營養(yǎng)性飲料，是一種客觀不穩(wěn)定分散體系，既有蛋白質(zhì)及果汁微粒形成的懸浮液、脂肪的乳濁液，又有以糖類、鹽類p成的真溶液。這一復雜體系即使采用最先進的加工機械和加工工藝，也很難達到飲料的質(zhì)量要求，會發(fā)生油層上浮、蛋白質(zhì)沉淀、色素凝聚等產(chǎn)品質(zhì)量問題。要解決這一問題，需要加入適量的乳化劑 、增稠劑、品質(zhì)改良劑等食品添加劑，以使飲料保持穩(wěn)定。
1 乳化劑的作用機理[1，2，3]
食品乳化劑的基本物理化學性質(zhì)是表面活性和乳化增溶性。因為乳化劑的分子內(nèi)具有親水基和親油基，易在水和油的界面形成吸附層，屬于表面活性劑的一種。其余油基如烷基（碳氫化合物長鏈）與油脂中的烷烴結構相似，因此與油脂能互溶。其親水基一般是溶于水或能被水所潤濕的原子團，如羥基。
牛乳飲品中主要的不穩(wěn)定物質(zhì)是油脂（易上?。┖偷鞍踪|(zhì)（易沉淀），我們主要從這兩方面來探討乳化劑在牛乳飲品中的作用機理。
1． 1 乳化劑對牛乳飲品中油脂的作用機理
牛乳中的油脂和其它部分經(jīng)機械攪拌混合均勻后，放置一段時間，油脂又會重新析出，在牛牛乳飲品表面形成一層乳白色油層。在該體系中加入一種乳化劑后，它就在兩種物質(zhì)間的界面發(fā)生吸附，形成界面膜。在這種界面膜中，乳化劑分子按其分子內(nèi)極性發(fā)生定向排列。即親油部分伸向油，而親水部分朝水定向排列。其結果是油分子和乳化劑的親油部分為一方，與水分子和乳化劑的親水部分為另一方的相互作用。這種相互作用使界面張力發(fā)生變化。界面張力的變化可以使一種液體液滴形式分散于另一種液體中，即形成乳狀液。界面膜具有一定的強度，對分散相液滴起保護作用，使液滴在相互碰撞中不易聚結。
1．2 乳化劑對牛乳飲品中蛋白質(zhì)的作用機理
蛋白質(zhì)是一種表面具有極性結構基團的親水粒子，經(jīng)水分子的加成后形成水合物層，從而防止這些懸浮粒子聚結。在這種體系中加入乳化劑時，親水的固體表面與乳化劑的親水部分相互作用，而乳化劑的疏水部分朝著水定向排隊列。從熱力學的觀點來看，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的因此會發(fā)生絮凝作用。乳化劑分子連續(xù)嵌入，形成具有外親水結構的固體-乳化劑雙層，生成可再溶劑化的粒子，從而使懸浮液穩(wěn)定性增強。
但由于蛋白質(zhì)的顆粒較大，同時牛乳中所含的蛋白質(zhì)較高，因此牛乳飲品中的蛋白質(zhì)單靠乳化劑的乳化作用還不足以完全穩(wěn)定，一般還需與具懸浮作用的物質(zhì)（主要是各種食用膠體）配合使用，方能達到完全穩(wěn)定的效果。
2 影響牛乳飲品乳狀液穩(wěn)定的因素[3，4]
（1）乳化劑的結構
溶劑化形成的勢壘對乳狀液的穩(wěn)定性有很大影響。例如，W-O型乳狀液體系，當水粒子相接觸時，水通過界ú闃腥榛劑的親油基而結合起來。因此，乳化劑碳氫鏈為水潤濕所需的能量成為聚合勢壘。而在O-W型乳狀液體系中，乳化劑為非離子表面活性劑，油潤濕水和聚氧乙烯鏈的能量構成聚合勢壘。因此，以采用長鏈的乳化劑為宜。
一般地說，為使W-O型乳狀液穩(wěn)定，應采用親油基和親水基均大的乳化劑。為得到低溫下穩(wěn)定的W-O型乳狀液，應采用易溶于油的乳化劑。為此，最好選用含支鏈烴基和雙鏈的乳化劑。對于O-W型乳狀液來說，宜選用分子大的乳化劑。
當以甘油脂肪酸酯做乳化劑制備W-O型乳狀液時，添加降低相轉(zhuǎn)變溫度的物質(zhì)，如山梨醇、氨酸及鹽等，可提高穩(wěn)定性。
（2）乳化劑的添加量
為使乳化劑在界面上飽和吸附，需要的乳化劑量應大于臨界膠束濃度。在W-O型乳狀液的情況下，油相中形成膠束時臨界膠束濃度圈較大，并且隨溫度升高，其增大的幅度也大。因此，為使W-O乳液穩(wěn)定，必須加入較多的乳化劑。當油為極性的時，其加入量還要更大些。
由于非離子乳化劑在水相中的臨界膠束濃度非常小，所以不必擔心乳化劑的鏈長和溫度的變化是否會影響覆蓋O-W型乳狀液粒子表面所需的乳化劑的充足性。
（3）乳化劑的分散情況
為使乳化劑能充分發(fā)揮其乳化作用，乳化劑的分散一定要充分，否則非但難以起作用，而且乳化劑本身可能浮于牛牛乳飲品的表面，大大影響牛牛乳飲品的穩(wěn)定性。一般來說，W-O型的乳化劑（如單甘酯等），其分散溫度不宜過高，以70-85℃為宜，若超過90℃，則很難分散，即使再降溫，由于其本的結構已發(fā)生變化，因此也難以分散了。在乳化劑分散時，需加以適度的攪拌，同時還可以加入助分散劑，來促進其分散。
（4）牛乳飲品用水的質(zhì)量
硬度太大的水，會嚴重影響乳化劑的乳化效果。因此，用來生產(chǎn)牛牛乳飲品的用水都應經(jīng)軟化處理，讓其硬度降到8個德國度以下。同時，還可以在牛乳飲品中適量的絡合劑如三聚磷酸鹽來絡合水中的陽離子，避免其對牛乳飲品的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
（5）油脂液滴或蛋白質(zhì)顆粒的直徑大小
要得到穩(wěn)定的乳狀液，分散相的粒子必須具有適度的直徑大小。因此，在生產(chǎn)牛牛乳燈肥幣話愣夾韙哐咕質(zhì)，一方面適度細化粒子大??；同時，也可以促進乳化劑的乳化作用。對于中性牛乳飲品來說一般較適宜的均質(zhì)條件為：75-80℃，25-30Mpa。而對于酸性牛乳飲品，其較適宜的均質(zhì)條件為：60℃，20-25Mpa。
（6）液滴的電荷
乳狀液的液滴島啥勻樽匆旱奈榷ㄐ雜忻饗緣撓跋臁４蟛糠治榷ǖ娜樽匆旱囊旱味即有電荷，當使用離子型乳化劑時，吸附在界面上的乳化劑離子的非極性基團插入油相，極性基團處于水相，從而使液滴帶上電荷。由于乳狀液的液滴帶有同種電荷，當它們接近時就會相互排斥而制止液滴聚合，使乳狀液的刀ㄐ栽齦?。可?，液滴上吸附的離子乳化劑分子越多，其帶電量越大，制止液滴聚合的能力也越大，乳狀液體系就越穩(wěn)定。
（7）分散介質(zhì)的粘度
乳狀液分散介質(zhì)的粘度對乳狀液的穩(wěn)定性有一定的影響。一般地說，分散介質(zhì)的粘度越大，乳狀液的穩(wěn)定性越高。通常能溶于乳狀液的高分子物質(zhì)均能增高體系的粘度，使乳狀液的穩(wěn)定性增高。此外，高分子還能形成堅固的界面膜，使乳狀液體系更加穩(wěn)定。因此，在生產(chǎn)牛乳飲品時，乳化劑還需與食用膠體復配使用，以提高乳狀液的穩(wěn)定性。
3 牛乳飲品中常用的乳化劑及其HLB值
食品生產(chǎn)中使用的乳化劑品種繁多，總數(shù)在65種以上，按其親水親油性可分為：親水型、親油型和中間型；按其存在狀態(tài)可分為：液體狀、粘稠狀和固體狀；按其來源可分為天然乳化劑和人工合成乳化劑；按其在水中是否解離成離子可分為：離子型和非離子型。白有偷娜榛劑按其在水中電離形成離子所帶的電性又可分為：陰離子型乳化劑、陽離子型乳劑和兩性離子型乳化劑。
在乳化作用中，對乳化劑的最關鍵的要求是：1．乳化劑必須吸附或富集在兩相之間的界面上，使界面張力降低；2．乳化劑必須賦于粒子以電荷，使粒子間產(chǎn)生靜電排斥力，或者在粒子周圍形成一種穩(wěn)定的、粘度特別高的甚至是固體的保護層。因此，作為乳化劑的物質(zhì)必須具有兩親基團，才能起乳化作用。
在制備乳狀液時選擇適當?shù)母』瘎┦且粋€關鍵問題，而選擇乳化劑的基本依據(jù)是HLB值。HLB值的意義是表示乳化劑分子是親油的還是親水的，及親和程度。乳化劑的HLB值可表示如下：
HLB=[親水基重量/（憎水基重+親水基重量）]*100/5
因此，在選擇乳化劑，應對各種常用乳化劑的HLB值及其基本性質(zhì)有一定的了解。表1是一些常用乳化劑的HLB值。
表1．常用乳化劑的HLB值[4，5]
|
乳化劑名稱 |
HLB值 |
|
甘油單油酸酯 |
3.4 |
|
單甘酯 |
3.0-5.0 |
|
親水性單甘酯 |
9.0-11.0 |
|
甘油單月桂酸酯 |
5.2 |
|
聚甘油脂肪酸酯 |
6.0-15.0 |
|
蔗p脂肪酸酯 |
2.0-16.0 |
|
蔗糖甘油脂肪酸酯 |
3.0-18.0 |
|
大豆磷脂 |
3.0-11.0 |
|
乙?；视蛦斡仓狨?/DIV> |
3.8 |
|
二乙?；剖岣视王?/DIV> |
8.0 |
|
聚氧乙烯(20)甘油單硬脂酸酯 |
13.1 |
|
山梨醇單油酸酯(Span80) |
4.3 |
|
山梨醇酐單硬脂酸酯(Span60) |
4.7 |
|
山梨醇酐單月桂酸酯(Span20) |
8.9 |
|
聚氧乙烯山梨醇單油酸酯(20)(Tween80) |
14.9 |
|
聚氧乙烯(20)山梨醇酐單硬脂酸酯(Tween60) |
15.0 |
|
聚氧乙烯(20)山梨醇酐單月桂酸酯(Tween20) |
16.9 |
|
丙二醇酯 |
2.0-3.0 |
下面介紹幾種最常用的牛乳飲品乳化劑及其基本性質(zhì)[1，2，5，6]。
（1）甘油酯(Glycerin Monostearate)及其衍生物
同硬脂酸和過量的甘油在催化劑存在下加熱酯化而制得甘油酯。酯化生成物有單酯、雙酯和三酯三種。三酯就是油脂,完全沒有>化能力。雙酯的乳化性質(zhì)也較差，表面張力下降能僅為單酯的1%以下。目前工業(yè)產(chǎn)品分為單酯含量40%~50%的單雙混合酯（MDG），以及經(jīng)分子蒸餾的單酯含量60%~70%（一次蒸餾）和單酯含量大于90%（二次蒸餾）的分子蒸餾單甘酯。
單甘酯是乳化劑中應用面最廣、用量最大的品種。它具有優(yōu)良的乳化能力和耐高溫性能，添加于含油脂或蛋白質(zhì)的飲料中，可提高溶解度和穩(wěn)定性。為了改善甘油酯的性能，甘油酯可與其他有機酸反應生成甘油的衍生物聚甘油酯、二乙酰酒石酸甘油酯、乳酸甘油酯等。到目前已有13種衍生物被批準使用。這些衍生物的特點是改善了撓王サ那姿性，提高了乳化性能和與淀粉的復合性能等，在蛋白飲料加工中有獨特的用途。
（2）蔗糖脂肪酸酯（Sucrose Fatty Acid Ester）
蔗糖脂肪酸酯簡稱蔗糖酯（SE），由脂肪酸的低碳醇酯和蔗糖進行酯交換而得。蔗糖分子內(nèi)的8個羥基中有3個羥基化學性質(zhì)與伯醇類似，酯化反應主要發(fā)生在這3個羥基上。因此控制酯化程度可以得到單酯含量不同的產(chǎn)品。產(chǎn)品HLB值可以為1~16。國內(nèi)已有多家廠生產(chǎn)。SE1~SE16即代表HLB值1~16的蔗糖酯。
蔗糖脂肪酸酯的乳化能力不及聚氧乙烯型非離子乳化劑，但它對人體無害，為無毒、無А⑽蕹艫奈鎦剩進入人體后經(jīng)過消化轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅岷驼崽?，為營養(yǎng)物質(zhì)，故使用安全。與甘油酯及山梨糖醇酯乳化劑相比，其親水性最大。適于O-W型飲料的乳化穩(wěn)定，因此在蛋白飲料中應用較多。
（3）山梨醇酐脂肪酸酯
山梨醇酐脂肪酸酯商品名司盤（Span）,一般由山梨醇加熱失水成酐后再與脂肪酸酯化而得。這類乳化劑的產(chǎn)品分類是以脂肪酸構成劃分的，如Span20(月桂酸12C)，Span40（棕櫚酸14C），Span60（硬脂酸18C），Span80（油酸18烯酸）等。蛋白飲料中最常用的是Span60（HLB4.7）和Span80（HLB4.3）。
司盤呈白色,黃棕色的液體、粉末、薄片、顆粒或蠟塊狀。性質(zhì)因構成的脂肪酸種類而異。HLB值1.8~8.6。常用于乳化蛋白飲料的司盤類HLB值為4~8。司盤不溶于冷水，能分散于熱水。司盤的乳化能力優(yōu)于其他乳化劑，但有特殊氣味，風味較差，因此，很少單獨使用，一般與其他乳化劑復配使用。
（4）聚山梨酸酯
聚山梨酸酯商品名吐溫（Tween），由山梨糖醇與各種脂肪酸部分酯化而得的混合物。蛋白飲料中使用的有Tween60(HLB14.9)和Tween80(HLB15.0),為黃色至橙色油狀液體（25℃）。有輕微特殊臭味，略帶苦味。極易溶于水，形成無嗅及幾乎無色的溶V。不溶于礦物油和植物油。由于其HLB值較高，價格又遠低于等HLB值的蔗糖酯等乳化劑，。通常與低HLB值的單甘酯、司盤、蔗糖酯復配使用，以適應各類蛋白飲料的需要。
（5）大豆磷脂
大豆磷脂又稱卵磷脂、磷脂，其主要成分有磷酸膽堿、磷酸膽胺、磷脂酸V磷酸肌醇。為淺黃色至棕色透明的粘稠狀液態(tài)物質(zhì)，或白色至淺棕色粉末或顆粒。無嗅或略帶堅果類氣味及滋味。純品不穩(wěn)定，遇空氣或光線則顏色加深，成為不透明。部分溶于水，但易形成水合物而成膠體乳狀液。大豆磷脂為兩性離子表面活性劑，乳化能力較強，在熱水中或PH在8以上時乳化作用更強。若添加乙醇或乙二醇，則它們會與大豆磷脂形成加成物，乳化性能提高。酸式鹽可破壞乳化而析出沉淀。大豆磷脂不僅是一種乳化劑，同時還是一種營養(yǎng)強化劑，可增加磷酸膽堿、膽胺、肌醇及有機磷。食用磷脂還可降低人體的膽固醇。但一般大豆磷脂的價格較高，一般在鋇檔娜櫓破分惺褂謾
（6）酪蛋白酸鈉（Sodium Caseinate）
酪蛋白酸鈉又稱酪朊酸鈉，商品酪蛋白酸鈉含蛋白質(zhì)（干基）大于90%，為白色至淡黃色粘狀、粉末或片狀。無臭、無味或稍有特異香氣和味道。易溶于水。PH中性，其水溶液加酸產(chǎn)生酪蛋白沉淀。酪卑姿崮憑哂辛己玫娜榛作用和穩(wěn)定作用，能增進脂肪和水分的親和性，使各成分均勻混合分散。在蛋白飲料中常作乳化劑、增稠劑和蛋白質(zhì)強化劑。
4 牛乳飲品中乳化劑的選擇和使用原則
對于簡單的油-水體系而言，對乳化劑的選擇和應用的判定根據(jù)其是W-O，O-W乳狀液，再根據(jù)各種乳化劑的HLB值來選擇就可以了。然而，對于復雜體系如牛乳飲品這樣含有碳水化合物和蛋白質(zhì)的食品，HLB值就只能作為一個選擇乳化劑的重要依據(jù)，而不是唯一的依據(jù)。在牛牛乳飲品中選擇乳化劑還需考慮以下幾方面的情況：
（1）牛乳飲品的含乳量
一般來說，牛乳飲品中的含乳量越高，所需使用的乳化劑的量越大，同時對所用乳化劑的種類及其配比的要求也愈為嚴格。
（2）飲料的PH值
中性牛乳飲品和酸性飲料應根據(jù)不同乳化劑在不同條件下的作用效果，區(qū)別選擇。
（3）牛乳飲品中添加的其它物質(zhì)對乳狀液體系的影響
如在生產(chǎn)特濃純奶時，有時需添加奶油或其它油脂，此時，乳化劑的使用量需增加。同時，對其種類及配比也應作相應調(diào)整。
（4）牛乳飲品的熱處理情況
對于采用不同條件進行滅/的牛乳飲品其乳化劑使用的種類、配比及其量都會有所不同。一般說來，滅菌的溫度越高，時間越長，所需添加的乳化劑的量越大。
總而言之，一個理想的牛乳飲品乳化劑配方，應與水相和油相均有較強的親和力，能夠?qū)εＨ轱嬈分械母鞣N不穩(wěn)定因子（主要是油脂和蛋白質(zhì)）都有較好的乳化穩(wěn)定作用。而單一的乳化劑很難達到這種理想狀態(tài)。一般都應將HLB值大的乳化劑與HLB值小的乳化劑復配使用，同時還要與適當?shù)哪z體同時使用，方能取得最佳的乳化效果。
參 考 文 獻
[1] Taylor RJ. Food Additives,[s.l.]:John Wiley & Sons,1980.
[2] The Chemical Rubber Co.,Handbook of Food Additives (2nd edition),Vol,2,1980.
[3] 黃梅麗，江小梅．食品化學．北京：中國人民大學出版社，1986
[4] 張萬福編譯．食品乳化劑．北京：中國輕工業(yè)出版社，1993．
[5] 劉程等．表面活性劑應用手冊（第２次印刷）．北京：化學工業(yè)出版社，1993．
[6] 凌關庭．食品添加劑手冊（第二版）．北京：化學工業(yè)出版社，2003．
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