食品乳化劑的界面流變特性與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系

背景

界面的膨脹或擴(kuò)張流變描述了界面如何對(duì)面積變化（增加或減?。┳龀鲰憫?yīng)。該反應(yīng)可以是彈性的，也可以是粘性的。通過震蕩滴方法，可以相應(yīng)的得到界面流變的參數(shù)，即量粘彈性模量 E，彈性模量 E' 和粘性模量 E" [1, 2] 。

實(shí)驗(yàn)方法

樣品

用三種不同的樣品進(jìn)行測試，這些樣品在測量之前已經(jīng)根據(jù)用途準(zhǔn)備成水溶液（表1）。 這三個(gè)樣品都是食品中典型的表面活性添加劑。 水解蛋白可用作增味劑，且適用于過敏患者。 Quillaia 提取物用于非酒精飲料中，以支撐泡沫特性，而甘露酸丙二醇酯作為增稠劑，乳化劑或泡沫增強(qiáng)劑存在于冰糕，調(diào)味料或啤酒中。 

測試方法

振蕩滴法用于確定量粘彈性模量E，彈性模量E' 和粘性模量E" 。將樣品吸進(jìn)玻璃注射器中，與DSA100 的振蕩液滴模塊 ODM 相連接。 注射器活塞的自動(dòng)檢測和耦合以及ADVANCE 軟件的高度自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)高精度和出色的測量重復(fù)性。注射器下方懸掛一個(gè)特定體積的液滴，通過壓電陶瓷的方式，對(duì)液滴體積進(jìn)行正弦振蕩，由于液滴中表面活性劑的遷移，液滴的表面張力也隨之呈現(xiàn)正弦變化（圖 1）。根據(jù)表面張力，液滴面積的變化，以及相位角，即可計(jì)算出E , E’和E" ，所有這些都是使用ADVANCE 軟件自動(dòng)完成的。

圖1: DSA100 振蕩滴模塊 ODM 的實(shí)驗(yàn)裝置。 左：裝入液體的注射器插入模塊中。 右：固定注射器后即可開始測量。

在0.5、1.0 和 3.0 Hz 的頻率以及 3.6％和 4.8％的振幅（相對(duì)于初始區(qū)域的變形）下進(jìn)行測量（數(shù)據(jù)未顯示）。 諸如此類的頻率和幅度變化以前很復(fù)雜，現(xiàn)在可以借助ADVANCE 軟件輕松設(shè)置。 每個(gè)液滴執(zhí)行十個(gè)連續(xù)的振蕩周期，并用于評(píng)估。

結(jié)果

3個(gè)樣品測得的平衡時(shí)表面張力值分別為 37.8、35.5 和53.4 mN/m。圖2展示了振蕩過程中樣品1液滴表面積和表面張力正弦變化過程。ADVANCE 軟件可以直觀的查看原始數(shù)據(jù)（藍(lán)色），以及面積（黃色）和表面張力（藍(lán)色）曲線。 

圖2: 樣品 1 的面積振蕩曲線（深藍(lán)色）和得到的 表面張力（淺藍(lán)色），頻率為 0.5 Hz，頻率幅度為 3.6％。 還顯示了優(yōu)化后的正弦函數(shù)（面積曲線為黃色，表面張力為紅色）。 

圖3a和3b顯示了3個(gè)樣品的彈性模量 E' 和粘性模量E" 。誤差條對(duì)應(yīng)于兩次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并且在大多數(shù)情況下小于相應(yīng)的符號(hào)。ODM 及其測量的高度自動(dòng)化程度表明了這種高水平的可重復(fù)性。 

圖3a（上），3b（下）：所有三個(gè)樣品的彈性模量 E' 和粘性模量E”與振動(dòng)頻率的關(guān)系。表面形變幅度為3.6±0.4％。 

在所有三個(gè)樣品中，彈性部分主導(dǎo)了界面流變行為（E’>>E”）。在不同的頻率下，每個(gè)樣品的彈性模量變化較小，但是它們彼此之間結(jié)果差別很大，其中樣品2彈性模量最大，約 100 mN/m。樣品 3 的彈性模量最小，約 20 mN/m。隨著頻率的增加，3 個(gè)樣品的粘性模量E”均有所降低。

測試結(jié)果對(duì)于食品生產(chǎn)過程非常有意義。例如樣品2，可跟據(jù)彈性模量 E'和表面張力計(jì)算出比值 E'/σ = 2.8，根據(jù)Kloek 等人的模型，如果 E'/σ>1，泡沫中初始?xì)馀莩叽绲姆植挤浅７€(wěn)定，并且奧斯特瓦爾德熟化的分解過程可以減緩或甚至停止。 樣品 2，具有高 E'/σ的物質(zhì)非常適合于穩(wěn)定食品工業(yè)中的泡沫。 

最后，值得注意的是，這里提到的所有測量都是在大約兩個(gè)半小時(shí)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的?，F(xiàn)在，能夠快速，輕松且高精度地確定這些關(guān)鍵指標(biāo)的儀器，正在為研究界面流變學(xué)的用戶打開大門。

結(jié)論

經(jīng)過測試，三種乳化劑的彈性模量E’差別較大，范圍在20-110 mN/m 之間。通過新型振蕩滴模塊（ODM） 與ADVANCE 軟件相結(jié)合，可以輕松、快速和準(zhǔn)確地測定這些關(guān)鍵參數(shù)。頻率和振幅范圍內(nèi)簡單直觀的測量，以及軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)的高度自動(dòng)化，可以用來全面表征界面性質(zhì)而不僅局限于食品工業(yè)中。