高离心力条件下不同食品级乳化剂的水包油乳状液稳定性

《Food Hydrocolloids》：“Stability of O/W emulsions with diverse food-grade emulsifiers under high centrifugal force”

　　利用分析光离心技术对多种食品级乳化剂进行了系统比较。蛋白质稳定乳液表现出比表面活性剂稳定体系更高的临界渗透压。较小的油滴对离心引起的失稳表现出更大的抵抗性。ζ电位、流体力学尺寸和界面张力无法单独解释所观察到的排序。临界渗透压为跨乳化剂类别比较乳液稳定性提供了稳健的框架。**引言**评估乳液稳定性最常用的技术之一是施加更高的重力。加速离心测试能在短时间内诱导乳液失稳。因此，该方法已被广泛用作评估乳液稳定性的常见且快速的手段（Estanqueiro等，2014；Krebs等，2013；Navarro-Pérez等，2021；Tcholakova等，2004；Thaiwong & Thaiudom，2021）。该方法也被用于预测乳液保质期内长期重力效应（Navarro-Pérez等，2021）。在高离心力作用下，水包油乳液中的油滴会紧密堆积，并可能因连续水相中液体的排出而发生形变（Princen，2001）。油滴抵抗形变的能力强烈受杨-拉普拉斯压力的影响，该压力取决于界面张力和油滴半径（Rayner，2015）。因此，乳化剂类型和油滴大小预计会影响离心应力下的乳液稳定性。据报道，蛋白质比低分子表面活性剂形成的界面层更厚、更持久，而表面活性剂通常形成较薄且流动性更大的界面膜（Dalgleish，1993；Dickinson，1999；Herranz等，2018；Murray & Dickinson，1996；Posocco等，2016；Teo等，2016；Yan等，2024；Ye & Singh，2007）。酯化多糖如聚甘油酯硬脂酸酯（PGA）表现出与蛋白质和表面活性剂不同的界面行为。这些差异影响乳化过程中的油滴形成，并可能导致乳液在外力作用下的稳定性差异。分析光离心技术能够在离心过程中通过透光测量原位监测相分离现象（Dos Santos Pires & Mendes Da Silva，2025；Touma等，2024）。该技术此前已被用于研究蛋白质和表面活性剂稳定体系中的乳液稳定性和油滴合并现象。Tcholakova等（2006）利用离心方法研究了β-乳球蛋白稳定乳液在不同条件下的合并稳定性。Cheetangdee等（2011）使用分析光离心技术研究了含有牛血清白蛋白、β-乳球蛋白和β-酪蛋白的蛋白质稳定乳液。Touma等（2024）利用Lumisizer评估了吐温20稳定乳液的离心稳定性。以往研究还报告了油滴大小对离心乳化和合并稳定性的影响。然而，使用统一的稳定性指标和实验框架直接比较蛋白质、多糖和非离子表面活性剂的研究仍然有限，特别是在宽范围的油滴尺寸条件下。总体而言，假设乳化剂类型和油滴大小会强烈影响高离心应力下的乳液稳定性。基于以往研究报告的蛋白质比低分子表面活性剂形成更厚、更持久的界面层，预计蛋白质稳定乳液将表现出比多糖和表面活性剂稳定体系更高的稳定性。此外，预计较小的油滴由于其更高的拉普拉斯压力和更低的形变能力而表现出更大的稳定性。因此，乳液稳定性预计大致遵循以下顺序：**蛋白质稳定乳液 > PGA稳定乳液 > 非离子表面活性剂稳定乳液**，以及**小油滴 > 大油滴**。在本研究中，利用分析光离心技术系统比较了由吐温60、蔗糖单硬脂酸酯、吐温60/司盘60混合物、酪蛋白酸钠、乳清蛋白分离物、乳清蛋白聚集体、乳铁蛋白和聚甘油酯硬脂酸酯（PGA）稳定的乳液。选择T60/S60组合作为具有代表性的混合表面活性剂体系。乳液稳定性通过临界渗透压来量化，该值代表离心过程中奶油相中释放油脂所需的压力。此外，还进行了ζ电位、流体力学尺寸和界面张力测量，以研究导致所观察到的稳定性差异的因素。本研究的目标为：（i）利用分析光离心技术和临界渗透压分析，比较由多种食品级乳化剂稳定的水包油乳液的稳定性；（ii）评估油滴大小对乳液稳定性的影响；（iii）探索乳化剂的物理化学性质与其在离心应力下稳定性之间的关系。**章节摘要****临界渗透压**在离心过程中，当施加足够的力时，可能发生相分离现象，伴有油脂析出。奶油相中的渗透压与在离心加速下释放的油脂和血清达到平衡，称为临界渗透压。释放的油脂体积（%）和临界渗透压可通过公式（1）、（2）、（3）获得（Cheetangdee等，2011），临界渗透压的理论基础已由Tcholakova等（2002，2006）阐述。其中A为乳液横截面积……**材料**葵花籽油购自当地杂货店（新西兰Woolworths有限公司），用作水包油乳液的油性相。乳清蛋白分离物895（蛋白质93.8%，灰分1.8%，水分4.6%）和酪蛋白酸钠180（蛋白质92.7%，水分4.3%）以及乳铁蛋白由新西兰恒天然合作社集团提供。吐温60和聚甘油酯硬脂酸酯（供应商规格：25°C下黏度600–1200 mPa·s，浓度1.25 wt%，pH 3.3–4.1）购自Hawkins……**聚甘油酯硬脂酸酯的分子量**聚甘油酯硬脂酸酯的分子量通过静态光散射测定。两次独立测量分别得到分子量为243 ± 61.6和240 ± 54.8 kDa，表明具有良好的重复性。因此估计平均分子量约为242 kDa，处于藻酸盐报道的典型分子量范围内（100–350 kDa）（Song等，2026）。**流体力学尺寸**测得的流体力学尺寸分布见图3。乳铁蛋白表现出最小的尺寸……**结论**蛋白质稳定乳液（酪蛋白酸钠、乳清蛋白分离物、乳清蛋白聚集体和乳铁蛋白）始终表现出比非离子表面活性剂（吐温60、蔗糖单硬脂酸酯和吐温60/司盘60）稳定乳液更高的临界渗透压值，而聚甘油酯硬脂酸酯稳定乳液显示出中等稳定性。此外，含有较小油滴的乳液表现出更高的临界渗透压值，表明对离心引起的失稳具有更大的抵抗性。ζ电位、流体力学尺寸和界面张力测量表明……**CRediT作者贡献声明****Yuki Yarita：** 原稿撰写、可视化、验证、方法学、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。**Sebastian Linnenkugel：** 审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、资助获取、概念构思。**Michael Parker：** 审阅与编辑、监督。**John Bronlund：** 审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、资助获取、概念构思。**利益冲突声明**作者声明，他们不存在可能被认为会影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**数据可用性**数据应请求提供。**利益冲突声明**? 作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Yuki Yarita报告了由恒天然研究与开发中心提供的财务支持以及设备或物资供应。若有其他作者，他们声明不存在可能被认为会影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**作者衷心感谢恒天然研究与开发中心通过研究资助、材料提供以及实验室设施和仪器使用提供的支持。作者还感谢Wang Xin博士进行的有价值的科学讨论、界面张力测量方面的协助以及手稿修订过程中提供的有益意见；感谢Huyinxuan博士和Maggie Zou在界面张力测量方面的协助；感谢Graeme Gillies博士提供的技术支持和指导。Yuki Yarita | Sebastian Linnenkugel | Michael Parker | John Bronlund