植物蛋白 — 食品乳化剂乳化和稳定特性

背景

植物蛋白因其来源可持续、纯素饮食、高性价比和有益健康的优势，近几年被越来越广泛的使用。从可持续获得的蛋白质，性能与传统乳化剂相比存在差异，随着供应量的增加，如何选择正确的蛋白质可能会成为研发新产品的瓶颈。

本文展示了TURBISCAN DNS在单次实验中研究植物蛋白乳化和稳定性的能力。

植物蛋白制剂

用植物蛋白部分代替或完全代替传统乳化剂非常复杂：蛋白质的选择（包括其来源）、可能含有的功能性、最佳浓度等……其中必须考虑的三个参数：蛋白质的溶解度、蛋白质的乳化性和产品稳定性。

目前有几种方法可以表征蛋白的功能特性，但通常需要多种设备，多次繁琐的实验和样品制备。TURBISCAN技术提供了一种完整的解决方案，只需一个设备就可以研究所有特性并快速做出决策。

本文中，将使用TURBISCAN DNS的功能，在线检测两种植物蛋白的溶解情况，乳化性和稳定性将在单独的应用说明中介绍。

TURBISCAN：工作原理

TURBISCAN（稳定性分析仪）技术，基于静态多重光散射（SMLS）原理，向样品发射880nm的光脉冲，检测器沿样品瓶垂直扫描，每20μm采集一次数据。系统持续记录，因样品的稳定性变化而引起的，随时间变化的背散射光和透射光强度变化。根据光散射理论，信号与粒子浓度 (φ) 和粒径(d)变化直接相关。该技术可以在无损的前提下，直接测量颗粒浓度在10-4到95%（v/v）和粒径在10nm到1000um间的样品。

图1. TURBISCAN检测器（具有同步背散射光和透光双检测器）

TURBISCAN可以检测物理稳定性（团聚、乳化、沉淀、分层等）的变化，无需任何稀释或外力，且遵循ISO TR13097，GB/T38431等相关标准。

TURBISCAN DNS有两种模块，可用于测量分散性和稳定性：

T-MIX用于自动快速筛选配方和颗粒分散性研究，颗粒可以在样品瓶内直接使用适配的搅拌棒分散，并自动化控制，且实现连续在线监测。

T-LOOP是一款在线测量和放大/过程优化的设备，内置蠕动泵。产品从反应器中泵入/流出样品瓶，形成循环回路。

图2. TURBICSCAN DNS T-LOOP模块的特写

如何使用TURBISCAN鉴别蛋白质乳化性能

本文研究了两种植物蛋白（豌豆和大豆）的乳化性和稳定性。首先将30g/L的蛋白溶解到500ml的水中，pH=7，25℃，保持30min。加入20%（v/v）的葵花籽油，并通过Ultraturrax以13500rpm进行乳化3分钟。为进行准确的乳化性能研究，通过TURBISCAN对乳化过程连续在线监测。

通过TLOOP模块，无需任何稀释或取样即可进行测量，从而在线研究液滴尺寸及其变化。

图3. smls技术与t-loop模块结合的说明

背散射光强值与粒径大小直接相关，因此其随时间的变化与蛋白质乳化效率直接相关。在Ultraturrax乳化3分钟后，停止样品循环，并使用扫描模式检测稳定性5小时。在乳化后直接进行稳定性测量，依然无需任何稀释或样品制备。

研究结果

乳化性-在线乳液液滴大小

下图展示了根据背散射光确认的液滴尺寸（dSMLS）随乳化时间的变化。和预期一致，液滴大小随时间变小。高频测量结果突出了乳化处理第一分钟的重要性。最终的液滴大小接近，豌豆蛋白展示出了更快的尺寸缩减速度，因此其乳化性能更优异。

图4. 乳化3分钟内乳液粒径的演变

乳化稳定性-不稳定性的鉴别

当乳化完成，将TURBISCAN设置为扫描模式，检测乳液稳定性。通过该扫描，在第一分钟，两种乳液就发生了液滴迁移（上浮）的现象。顶部有乳滴迁移，瓶底有未溶解的豌豆蛋白。

图6. 豌豆蛋白失稳曲线

稳定性-快速稳定性检测

通过评估整体稳定性，绘制随时间变化的TURBISCAN动力学不稳定指数（TSI）。TSI综合反映了整个采样高度范围内的所有变化（团聚，分层等），因此TSI越大，稳定性越差。

图7. 乳液整体动力不稳定指数

大豆蛋白乳液比豌豆蛋白乳液更稳定。经过1小时后，受蛋白沉淀影响，豌豆蛋白乳液的不稳定指数会增高。

蛋白质乳化效果

下表总结了两种蛋白质的不同参数。

表1. 基于不同参数的乳液比较

在该配方和工艺中，相比于大豆蛋白，豌豆蛋白有更好的乳化性。最终的粒径尺寸更小（23.5μm），达到最终液滴大小的时间（约1min）也远快于大豆蛋白乳液。

然而，豌豆蛋白的溶解性较差会有沉淀产生，并对最终的稳定性有较大的影响。因此，大豆蛋白的稳定性更好（TSI更低）。

结论

TURBISCAN DNS技术可以在单个仪器中，跟踪实验的多个参数。DNS平台提供了一种快速、省时的表征方法，用于选择最合适的乳化剂替代品。

稳定性分析仪（多重光散射仪）

Turbiscan 系列

TURBISCAN使用静态多重光散射(SMLS)技术提供快速、客观和可定量的稳定性分析方法，在无损的前提下，快速分析样品的稳定性及其变化过程（分散/团聚/分层等变化）。