食品乳化劑的界面流變特性與泡沫穩定性的關系

背景

界面的膨脹或擴張流變描述了界面如何對面積變化（增加或減小）做出響應。該反應可以是彈性的，也可以是粘性的。通過震蕩滴方法，可以相應的得到界面流變的參數，即量粘彈性模量 E，彈性模量 E' 和粘性模量 E" [1, 2] 。

實驗方法

樣品

用三種不同的樣品進行測試，這些樣品在測量之前已經根據用途準備成水溶液（表1）。 這三個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，乳化劑或泡沫增強劑存在于冰糕，調味料或啤酒中。 

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。 注射器活塞的自動檢測和耦合以及ADVANCE 軟件的高度自動化，可以實現高精度和出色的測量重復性。注射器下方懸掛一個特定體積的液滴，通過壓電陶瓷的方式，對液滴體積進行正弦振蕩，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正弦變化（圖 1）。根據表面張力，液滴面積的變化，以及相位角，即可計算出E , E’和E" ，所有這些都是使用ADVANCE 軟件自動完成的。

圖1: DSA100 振蕩滴模塊 ODM 的實驗裝置。 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（相對于初始區域的變形）下進行測量（數據未顯示）。 諸如此類的頻率和幅度變化以前很復雜，現在可以借助ADVANCE 軟件輕松設置。 每個液滴執行十個連續的振蕩周期，并用于評估。

結果

3個樣品測得的平衡時表面張力值分別為 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據（藍色），以及面積（黃色）和表面張力（藍色）曲線。 

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

圖3a和3b顯示了3個樣品的彈性模量 E' 和粘性模量E" 。誤差條對應于兩次測量的標準偏差，并且在大多數情況下小于相應的符號。ODM 及其測量的高度自動化程度表明了這種高水平的可重復性。 

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

在所有三個樣品中，彈性部分主導了界面流變行為（E’>>E”）。在不同的頻率下，每個樣品的彈性模量變化較小，但是它們彼此之間結果差別很大，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 個樣品的粘性模量E”均有所降低。

測試結果對于食品生產過程非常有意義。例如樣品2，可跟據彈性模量 E'和表面張力計算出比值 E'/σ = 2.8，根據Kloek 等人的模型，如果 E'/σ>1，泡沫中初始氣泡尺寸的分布非常穩定，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的物質非常適合于穩定食品工業中的泡沫。 

最后，值得注意的是，這里提到的所有測量都是在大約兩個半小時的時間內進行的。現在，能夠快速，輕松且高精度地確定這些關鍵指標的儀器，正在為研究界面流變學的用戶打開大門。

結論

經過測試，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 軟件相結合，可以輕松、快速和準確地測定這些關鍵參數。頻率和振幅范圍內簡單直觀的測量，以及軟硬件結合實現的高度自動化，可以用來全面表征界面性質而不僅局限于食品工業中。