均质条件对核桃乳稳定性的影响

齐 兵，赵慧博，赵慧敏，徐 姗，李喜层，吴彦兵，耿 会，葛冬雪，夏君霞,

（1.河北养元智汇饮品股份有限公司，河北衡水 053000；

2.河北省核桃饮品技术创新中心，河北衡水 053000）

核桃仁中富含优质蛋白、不饱和脂肪酸、维生素和矿物质等营养成分，具有很高的营养价值[1-3]。核桃乳是以核桃仁为主要原料，添加其他辅料、食品添加剂，经加工、调制后制成的植物蛋白饮料。由于核桃乳饮料体系主要以水为分散介质，以蛋白、脂肪为主要分散相的乳浊液，具有热力学不稳定性，因此，在核桃乳的加工和贮藏过程中会出现脂肪上浮和蛋白沉淀[4]，影响产品的感官和质量。

Stocks定律认为，流体粒子的沉降速度与粒子的半径有关，粒子的半径越小，沉降速度越小，体系的稳定性越高，而高压均质正是一种有效降低颗粒粒径的方法[5-8]，通过对核桃仁中的脂肪、纤维、蛋白等大颗粒物质产生撞击、爆破和剪切力等作用[9]，降低单颗粒的体积和质量，使颗粒分散，使脂肪和蛋白等微细化、均匀化，降低乳液的粒径，解决脂肪上浮和蛋白质下沉的问题，提高产品的稳定性[10-12]。目前，企业针对核桃乳均质工艺条件的优化，大都通过目测观察不同均质条件的产品稳定性，进行分析判断，该方法周期长，且结果具有很强的主观性。本研究旨在利用Mastersizer3000激光粒度分析仪和Turbiscan稳定性分析仪，通过研究核桃乳粒径分布图及稳定性指数曲线，更加准确、快速地筛选出适宜的均质条件，并为核桃乳产品开发、工艺优化提供更加科学高效的参考方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

核桃仁 河北养元智汇饮品股份有限公司；白砂糖 广西农垦糖业集团；碳酸钠 食品级，唐山三友化工股份有限公司；YY 0244复配乳化增稠剂 丹尼斯克（中国）投资有限公司；氢氧化钠 食品级，天津坤鹏化工有限公司。

SG400型实验室乳化机 上海尚贵流体设备有限公司；JMS-80A胶体磨 廊坊市惠友机械有限公司；GYB60-6S高压均质机 上海市东华高压均质机厂；TW-PB3X5L恒温加热水浴槽、TW-CPB3X5L恒温冷却水浴槽 上海沃迪自动化装备股份有限公司；METTLER TOLED0型pH计 梅特勒-托利仪器有限公司；HENC实验室搅拌机-HW30 上海恒川机械设备有限公司；AL204/01电子分子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；XT-FGJ100S型手动封盖机 广州市喜泰包装设备有限公司；LDZM-60KCS立式压力蒸汽灭菌器 上海市申安医疗器械厂；Turbiscan Lab分散稳定性分析仪 北京朗迪森科技有限公司；Master sizer 3000激光粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 核桃乳加工工艺 核桃仁→碱液去皮→磨浆→溶解辅料→调配定容→均质→灌装→灭菌→冷却→成品

1.2.2 操作要点 将挑拣好的核桃仁利用浓度为2.5‰～2.9‰的碱性溶液进行脱皮处理后，用自来水冲洗至水澄清；然后将去皮核桃仁倒入胶体磨上方漏斗，加入80 ℃热水进行磨浆。核桃仁:水按质量比1:4的比例；同时将称量好的白砂糖、复配乳化增稠剂分别用70～80 ℃的热水溶解，在糖罐和辅料罐中搅拌10 min；再将溶解好的辅料及核桃浆液打入定容罐，定容至5 t；并利用高压均质机在压力20～60 MPa，温度40～80 ℃下进行均质；最后，封盖完成后放入灭菌锅中，按121 ℃、15 min进行灭菌。

1.2.3 均质工艺实验 在配料及其他制备工艺相同情况下，依次对均质压力、均质温度和均质次数进行优化实验，考察不同均质条件对于核桃乳粒径分布及稳定性的影响。

1.2.3.1 均质压力对核桃乳粒径分布及稳定性的影响在均质温度为70 ℃、均质次数为2次的条件下，考察均质压力20、30、40、50、60 MPa对产品粒径分布及稳定性的影响。

1.2.3.2 均质温度对核桃乳粒径分布及稳定性的影响在均质压力为40 MPa、均质次数为2次的条件下，考察均质温度40、50、60、70、80 ℃对产品粒径分布及稳定性的影响。

1.2.3.3 均质次数对核桃乳粒径分布及稳定性的影响在均质压力为40 MPa、均质温度为70 ℃的条件下，考察均质次数1、2、3、4次对产品粒径分布及稳定性的影响。

1.2.4 粒径分析 Mastersizer 3000激光粒度分析仪是根据颗粒能够使激光产生散射这一物理现象来检测样品，样品的粒径分布图由电脑分析得出，利用粒径分布图来预测产品的稳定性帮助分析体系结构[13]。参数设置[14]：颗粒折射率为1.52，颗粒吸收率为0.01，分散剂为去离子水，分散剂折射率为1.33；样品的平均粒径用D[4,3]值表示，平均粒径越小，表明产品中蛋白质颗粒和脂肪球越小，分布越均匀，证明产品稳定性越好[15]。

1.2.5 Turbiscan稳定性分析测定 Turbsican稳定分析法基于反射物理模型，是检测乳状液稳定性的一种新方法，可直观、快速、准确地反映出乳化体系的变化趋势[16]。采用Turbiscan Lab分散稳定性分析仪对核桃乳的稳定性进行分析。通过检测样品的透射光和背散射光的光强值变化，反映样品的稳定性[17]。

测试过程：将待测样品放入测量池，装液量为20 mL，选取背散射光对样品进行分析，通过扫描模式进行测量，探头从样品池的底部到样品池的顶部每隔40 μm测量一次，完成样品池从底部到顶部的测量称为1次扫描。设定样品扫描时间为24 h，扫描间隔为1 h，测试温度恒定为25 ℃[18]。以初次扫描数据为0起始线，随着时间增加，样品内体系发生变化，与原起始线偏离越大，稳定性越差，反之则稳定性越好。稳定性动力学指数（TSI）曲线反映样品在整个扫描时间内浓度和颗粒粒径的变化幅度的综合情况，TSI变化幅度越小，稳定性动力学指数越小，说明体系越稳定[19-21]。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 均质压力对核桃乳粒径分布和稳定性的影响

2.1.1 均质压力对粒径分布的影响 不同均质压力对核桃乳粒径分布影响如图1所示，所有样品均呈现出双峰分布，且随着均质压力的增加，粒径分布曲线整体向低粒径区域移动，均质压力升高至40 MPa以上，继续提升均质压力，核桃乳粒径分布曲线变化不大。从图2可以看出，随着均质压力增加，核桃乳平均粒径D[4,3]逐渐减小，均质压力达到40 MPa时，核桃乳的平均粒径D[4,3]达到（72.84±1.20）μm，这表明通过均质阀的剪切作用，核桃浆液中的大颗粒物质，被粉碎成较小的颗粒[22]。继续增大均质压力平均粒径D[4,3]无显著减小（P＞0.05）。

图1 均质压力对粒径分布的影响Fig.1 Effect of homogenization pressure on particle size distribution

2.1.2 均质压力对核桃乳稳定性的影响 背散射光谱图反映的是不同扫描时间变化下，背散射光强度随样品高度的变化关系，以样品初始值为对照，样品与之的差值（变化率，ΔBS）可以反映体系浓度的变化，ΔBS值随着体系浓度的增加而变大，由于ΔBS值越小，体系越稳定，ΔBS值越大，体系越不稳定[23-25]。

图2 均质压力对平均粒径大小的影响Fig.2 Effect of homogenization pressure on average particle size

图3 不同均质压力样品背散射光谱图Fig.3 Backscatter spectra of different homogenization pressure samples

从背散射光谱图（图3）可以看出，静置扫描过程中，样品顶部38～42 mm处出现高峰，底部0～5 mm处出现凹峰，说明核桃乳体系顶部有聚集层，底部有少量析水层。均质压力由20 MPa增加到40 MPa时，底部ΔBS值逐步由-10%减小到-5%，继续增加压力底部ΔBS值基本不再变化。均质压力超过40 MPa后，样品顶部高峰宽度明显减小，峰宽越小，说明聚积层厚度越小[18]，这主要是由于提高均质压力，有效减小了脂肪球的粒度，进而改善了顶部脂肪的聚集情况。

图4 不同均质压力整体TIS指数曲线Fig.4 Stability index curves of different homogenization pressure samples

图5 均质温度对粒径分布的影响Fig.5 Effect of homogenization temperature on particle size distribution

图6 均质温度对平均粒径大小的影响Fig.6 Effect of homogenization temperature on average particle size

图7 不同均质温度样品背散射光谱图Fig.7 Backscatter spectra of different homogenization temperature samples

从整体TIS指数曲线（图4）可看出，在测试周期内，随着均质压力的增加，TSI指数逐渐减小，核桃乳稳定性也越好。均质压力达到40 MPa后，TSI指数曲线的斜率明显变小，扫描22 h时，均质压力由20 MPa增加至40 MPa，整体TSI由3.1减小到1.9，继续增加压力，TSI变化不大。结合背散射光谱图及粒径分析结果，选择均质压力为40 MPa。

2.2 均质温度对核桃乳粒径分布和稳定性的影响

2.2.1 均质温度对粒径分布的影响 从图5可以看出，所有样品均呈现双峰分布。均质温度在40和50 ℃时，粒径主要分布在0.6～8和20～300 μm范围内；当温度升至60 ℃时，粒径分布曲线整体向低粒径区域移动，粒径分布主要范围为0.1～0.6和20～200 μm，由此说明，均质温度对样品的粒径分布有一定影响。从图6可以看出，核桃乳的平均粒径D[4,3]随着温度的升高，呈逐渐减小的趋势，温度由60 ℃升高至70 ℃时，平均粒径D[4,3]由59.69±0.95 μm下降至47.41±0.78 μm，温度再继续升高至80 ℃，平均粒径D[4,3]与70 ℃时无显著性差异（P＞0.05）。

2.2.2 均质温度对核桃乳稳定性的影响 从背散射光谱图（图7）可以看出，均质温度升高底部凹峰的ΔBS峰值变化不明显，说明均质温度对于核桃乳底部吸水层无明显影响。随着由均质温度40 ℃升高至80 ℃，顶部高峰ΔBS值呈明显减小趋势，均质温度80 ℃，顶部高峰ΔBS值下降至22%，从背散射光图片顶部呈现的高峰可以看出，均质温度由40 ℃升高至70 ℃，顶部峰宽呈显著减小趋势，表明随着均质温度的升高，顶部聚积脂肪层厚度和浓度明显减小，而均质温度80 ℃时，顶部高峰峰宽与70 ℃相比差异不明显。

从整体TIS指数曲线（图8）可看出，在测试周期内，随着均质温度的升高，TSI指数逐渐减小。均质温度达到70 ℃后，扫描22 h时，整体TSI减小到1.5；均质温度80 ℃，TSI指数为1.5，且均质温度80 ℃的整体TSI曲线斜率逐渐增大，说明其稳定性呈现变差趋势。因此，选择适宜的均质温度为70 ℃。

图8 不同均质温度整体TIS指数曲线Fig.8 Stability index curves of different homogenization temperature samples

2.3 均质次数对核桃乳粒径分布和稳定性的影响

2.3.1 均质次数对粒径分布的影响 从图9可以看出，与1次均质相比，2次均质的粒径分布曲线整体向低粒径分布区域移动，并且粒径分布在800 μm处的峰已经消失，说明通过2次均质，对于核桃乳中大颗粒细化作用明显，这是由于均质对核桃乳中的脂肪、纤维、蛋白等大颗粒物质产生撞击、爆破和剪切力等作用，会使其颗粒直径减小，降低单颗粒的体积和质量，使颗粒分散[26]。均质3次和均质4次的粒径分布曲线与2次均质基本重合。

图9 均质次数对粒径分布的影响Fig.9 Effect of homogenization times on particle size distribution

如图10所示，经1次均质核桃乳产品平均粒径D[4,3]为（49.12±1.02）μm，经过2次均质后，平均粒径D[4,3]达到（26.18±0.75）μm，显著减小（P＜0.05）。继续增加均质次数，产品的平均粒径D[4,3]变化不显著（P＜0.05）。这表明2次均质可以达到通过均质工艺降低产品颗粒大小的目的[27]。

图10 均质次数对平均粒径大小的影响Fig.10 Effect of homogenization times on average particle size

2.3.2 均质次数对核桃乳稳定性的影响 从背散射光谱图（图11）可以看出，经过2次均质工艺的核桃乳顶部高峰ΔBS值下降到18%，明显低于均质1次的核桃乳样品，这主要是因为均质可以使核桃乳中蛋白质和脂肪颗粒大小及分布更加均一[28]。均质3次，顶部高峰ΔBS值与2次均质一致，均质4次，顶部高峰ΔBS值下降至17%，但峰宽变大，说明产品顶部脂肪浓度降低减小，但厚度增加。

从整体TIS指数曲线（图12）可看出，均质次数增加，整体TSI指数曲线整体下移，相比较于1次均质，经过2次均质的核桃乳样品整体TSI由1.5减小到0.8，但继续增加均质次数，TSI指数减小不明显，且均质4次的TSI指数曲线的斜率反而变大，说明体系稳定性有变差的趋势，这可能是由于过度均质造成脂肪球粒径过小，总界面积较大，使脂肪球容易发生互相聚集而产生上浮现象，综上所述，均质次数2次较佳。

图11 不同均质次数样品背散射光谱图Fig.11 Backscatter spectra of different homogenization times samples

图12 不同均质次数整体TIS指数曲线Fig.12 Stability index curves of different homogenization time samples

3 结论

通过利用Mastersizer 3000激光粒度分析仪和Turbiscan稳定性分析仪，研究了均质压力、温度、次数等不同均质条件对核桃乳粒径分布和稳定性的影响，优化得到的均质条件为：均质压力40 MPa、均质温度70 ℃、均质2次，且在该工艺条件下，测定得到的平均粒径D[4,3]达到（26.18±0.75）μm，整体稳定性指数TSI为0.8。采用Turbiscan稳定性分析仪，结合激光粒度分析仪，通过分析产品的粒径分布、背散射光谱图以及稳定性指数曲线，能够快速准确地判断出产品体系的稳定性，为优化核桃乳工艺条件和判定体系稳定性的研究提供了参考方法。