乳化剂的作用机理

乳化剂的作用机理

牛乳饮品一般是由蛋白质、脂肪、糖类、食用纤维（水溶性或水不溶性）、淀粉类、维生素类（水溶性或油溶性）、矿物质类等物质组成的营养性饮料，是一种客观不稳定分散体系，既有蛋白质及果汁微粒形成的悬浮液、脂肪的乳浊液，又有以糖类、盐类形成的真溶液。这一复杂体系即使采用最先进的加工机械和加工工艺，也很难达到饮料的质量要求，会发生油层上浮、蛋白质沉淀、色素凝聚等产品质量问题。要解决这一问题，需要加入适量的乳化剂、增稠剂、品质改良剂等食品添加剂，以使饮料保持稳定。

1 乳化剂的作用机理

食品乳化剂的基本物理化学性质是表面活性和乳化增溶性。因为乳化剂的分子内具有亲水基和亲油基，易在水和油的界面形成吸附层，属于表面活性剂的一种。其余油基如烷基（碳氢化合物长链）与油脂中的烷烃结构相似，因此与油脂能互溶。其亲水基一般是溶于水或能被水所润湿的原子团，如羟基。牛乳饮品中主要的不稳定物质是油脂（易上浮）和蛋白质（易沉淀），我们主要从这两方面来探讨乳化剂在牛乳饮品中的作用机理。

1.1 乳化剂对牛乳饮品中油脂的作用机理

牛乳中的油脂和其它部分经机械搅拌混合均匀后，放置一段时间，油脂又会重新析出，在牛牛乳饮品表面形成一层乳白色油层。在该体系中加入一种乳化剂后，它就在两种物质间的界面发生吸附，形成界面膜。在这种界面膜中，乳化剂分子按其分子内极性发生定向排列。即亲油部分伸向油，而亲水部分朝水定向排列。其结果是油分子和乳化剂的亲油部分为一方，与水分子和乳化剂的亲水部分为另一方的相互作用。这种相互作用使界面张力发生变化。界面张力的变化可以使一种液体以液滴形式分散于另一种液体中，即形成乳状液。界面膜具有一定的强度，对分散相液滴起保护作用，使液滴在相互碰撞中不易聚结。

1．2 乳化剂对牛乳饮品中蛋白质的作用机理

蛋白质是一种表面具有极性结构基团的亲水粒子，经水分子的加成后形成水合物层，从而防止这些悬浮粒子聚结。在这种体系中加入乳化剂时，亲水的固体表面与乳化剂的亲水部分相互作用，而乳化剂的疏水部分朝着水定向排队列。从热力学的观点来看，这种状态是不稳定的因此会发生絮凝作用。乳化剂分子连续嵌入，形成具有外亲水结构的固体-乳化剂双层，生成可再溶剂化的粒子，从而使悬浮液稳定性增强。

但由于蛋白质的颗粒较大，同时牛乳中所含的蛋白质较高，因此牛乳饮品中的蛋白质单*乳化剂的乳化作用还不足以完全稳定，一般还需与具悬浮作用的物质（主要是各种食用胶体）配合使用，方能达到完全稳定的效果。

2 影响牛乳饮品乳状液稳定的因素

（1）乳化剂的结构

溶剂化形成的势垒对乳状液的稳定性有很大影响。例如，w-o型乳状液体系，当水粒子相接触时，水通过界面层中乳化剂的亲油基而结合起来。因此，乳化剂碳氢链为水润湿所需的能量成为聚合势垒。而在o-w 型乳状液体系中，乳化剂为非离子表面活性剂，油润湿水和聚氧乙烯链的能量构成聚合势垒。因此，以采用长链的乳化剂为宜。

一般地说，为使w-o型乳状液稳定，应采用亲油基和亲水基均大的乳化剂。为得到低温下稳定的w-o型乳状液，应采用易溶于油的乳化剂。为此，最好选用含支链烃基和双链的乳化剂。对于o-w型乳状液来说，宜选用分子大的乳化剂。当以甘油脂肪酸酯做乳化剂制备w-o型乳状液时，添加降低相转变温度的物质，如山梨醇、氨基酸及盐等，可提高稳定性。

（2）乳化剂的添加量

为使乳化剂在界面上饱和吸附，需要的乳化剂量应大于临界胶束浓度。在w-o型乳状液的情况下，油相中形成胶束时临界胶束浓度圈较大，并且随温度升高，其增大的幅度也大。因此，为使w-o乳液稳定，必须加入较多的乳化剂。当油为极性的时，其加入量还要更大些。

由于非离子乳化剂在水相中的临界胶束浓度非常小，所以不必担心乳化剂的链长和温度的变化是否会影响覆盖o-w型乳状液粒子表面所需的乳化剂的充足性。

（3）乳化剂的分散情况

为使乳化剂能充分发挥其乳化作用，乳化剂的分散一定要充分，否则非但难以起作用，而且乳化剂本身可能浮于牛牛乳饮品的表面，大大影响牛牛乳饮品的稳定性。一般来说，w-o型的乳化剂（如单甘酯等），其分散温度不宜过高，以70-85℃为宜，若超过90℃，则很难分散，即使再降温，由于其本身的结构已发生变化，因此也难以分散了。在乳化剂分散时，需加以适度的搅拌，同时还可以加入助分散剂，来促进其分散。

（4）牛乳饮品用水的质量

硬度太大的水，会严重影响乳化剂的乳化效果。因此，用来生产牛牛乳饮品的用水都应经软化处理，让其硬度降到8个德国度以下。同时，还可以在牛乳饮品中适量的络合剂如三聚磷酸盐来络合水中的阳离子，避免其对牛乳饮品的稳定性产生影响。

（5）油脂液滴或蛋白质颗粒的直径大小

要得到稳定的乳状液，分散相的粒子必须具有适度的直径大小。因此，在生产牛牛乳饮品时一般都需高压均质，一方面适度细化粒子大小；同时，也可以促进乳化剂的乳化作用。对于中性牛乳饮品来说一般较适宜的均质条件为：75-80℃，25-30mpa。而对于酸性牛乳饮品，其较适宜的均质条件为：60℃，20-25mpa。（6）液滴的电荷

乳状液的液滴电荷对乳状液的稳定性有明显的影响。大部分稳定的乳状液的液滴都带有电荷，当使用离子型乳化剂时，吸附在界面上的乳化剂离子的非极性基团插入油相，极性基团处于水相，从而使液滴带上电荷。由于乳状液的液滴带有同种电荷，当它们接近时就会相互排斥而制止液滴聚合，使乳状液的稳定性增高。可见，液滴上吸附的离子乳化剂分子越多，其带电量越大，制止液滴聚合的能力也越大，乳状液体系就越稳定。

（7）分散介质的粘度

乳状液分散介质的粘度对乳状液的稳定性有一定的影响。一般地说，分散介质的粘度越大，乳状液的稳定性越高。通常能溶于乳状液的高分子物质均能增高体系的粘度，使乳状液的稳定性增高。此外，高分子还能形成坚固的界面膜，使乳状液体系更加稳定。因此，在生产牛乳饮品时，乳化剂还需与食用胶体复配使用，以提高乳状液的稳定性。

3 牛乳饮品中常用的乳化剂及其hlb值

食品生产中使用的乳化剂品种繁多，总数在65种以上，按其亲水亲油性可分为：亲水型、亲油型和中间型；按其存在状态可分为：液体状、粘稠状和固体状；按其来源可分为天然乳化剂和人工合成乳化剂；按其在水中是否解离成离子可分为：离子型和非离子型。离子型的乳化剂按其在水中电离形成离子所带的电性又可分为：阴离子型乳化剂、阳离子型乳剂和两性离子型乳化剂。

在乳化作用中，对乳化剂的最关键的要求是：1．乳化剂必须吸附或富集在两相之间的界面上，使界面张力降低；2．乳化剂必须赋于粒子以电荷，使粒子间产生静电排斥力，或者在粒子周围形成一种稳定的、粘度特别高的甚至是固体的保护层。因此，作为乳化剂的物质必须具有两亲基团，才能起乳化作用。

在制备乳状液时选择适当的浮化剂是一个关键问题，而选择乳化剂的基本依据是hlb值。hlb值的意义是表示乳化剂分子是亲油的还是亲水的，及亲和程度。乳化剂的hlb值可表示如下：

hlb=[亲水基重量/（憎水基重亲水基重量）]*100/5

因此，在选择乳化剂，应对各种常用乳化剂的hlb值及其基本性质有一定的了解。下面是一些常用乳化剂的hlb值。

表1．常用乳化剂的hlb值

乳化剂名称hlb值

甘油单油酸酯3.4

单甘酯3.0-5.0

亲水性单甘酯9.0-11.0

甘油单月桂酸酯5.2

聚甘油脂肪酸酯6.0-15.0