复合乳化剂在栀子蓝色素乳化中的应用
食用色素是食品添加剂，它能美化食品、增进食欲、增强食品的销售能力。随着食品工业的迅速发展，其用量越来越大。但目前，在食品工业中应用的多为人工合成色素，这些色素不仅没有营养价值，而且含有不同程度的毒性，对人类健康有着潜在的危害，因而在使用方面受到限制。而天然食用色素安全性高，色调自然，大部分都具有一定的营养价值和药理作用，这是合成色素不可比拟的。因此，开发利用天然色素，对发展食品工业，提高食品质量都有重要意义［1－2］。栀子色素是栀子的主要开发产品，它们均是纯天然的色素，无毒、安全性高，具有一定的营养价值和保健作用，在世界市场上，尤其美、日等国颇受欢迎［3］。栀子蓝色素年需要量45t，栀子色素作为染料在民间应用已久，在我国云南少数民族有用栀子染色年糕的习俗，日本民间用栀子提取液染色寿面等［4］。但栀子蓝色素是一种分子极性较强的水溶性色素，在水和70% 浓度以下的乙醇中有较好的溶解性，这就决定了栀子蓝色素只能添加到部分水溶性产品中，如硬糖、果胶、饮料、化妆品等，而不能很好的与油溶性物质混溶，大大限制了其在食品、化工等方面的应用。且现有的研究主要集中在制备、分离及纯化水溶性栀子蓝色素方面［5－8］，也有对水溶性栀子蓝色素进行化学改性制备醇溶性栀子蓝色素衍生物的报道［9－10］，但还未见制备油溶性栀子蓝色素的研究，因此对栀子蓝色素乳化的研究很有必要，这将进一步拓宽栀子蓝色素的适用范围，对其应用于生产、生活中的各领域有着重要的理论和现实意义。
1· 材料与方法
1.1 材料与仪器
栀子蓝色素武汉九辰生物工程有限公司; 油酸湖北省江北化学试剂厂; 单硬脂酸甘油酯天津市四通化工厂; 司盘、吐温上海山浦化工有限公司。
RW20 数显机械搅拌器德国IKA; DF－101S 恒温水浴锅巩义市予华仪器有限公司; TD5A 管式离心机湖南凯达仪器有限公司; AL204 电子天平瑞士METTLER TOLEDO。
1.2 实验方法
1.2.1 栀子蓝色素最佳乳化HLB 值的测定
表面活性剂的HLB 值具有加和性，在使用两种以上表面活性剂的时候，可以用式( 1) 计算混合表面活性剂的HLB 值［11］。
式中，HLBA，HLBB－分别为表面活性剂A 和B 的HLB 值; WA，WB－ 分别为表面活性剂A 和B 的质量;HLBAB－混合表面活性剂的HLB 值。每种表面活性剂试样都有其固定的HLB 值，用吐温和司盘两种不同的表面活性剂配制不同HLB 值的溶液，配方见表1。通过对试样的乳化程度大致判定试样的HLB 值。
本实验固定油和水的用量，分别为油200mL，水5mL，即总质量一定。为了判定乳化效果的好坏，将乳液置于3000r /min 离心机中离心10min。离心后沉淀量越大，则表明乳化效果越差，反之，乳化效果越好。
1.2.2 复合乳化剂配方的确定
配方实验设计又称混料实验设计，其目的就是合理地选择少量的实验点，通过一些不同配比的实验，得到实验指标与成分百分比之间的回归方程，并进一步讨论组成与实验指标之间的内在规律。为了提高产品质量，就要通过配方实验设计得出各种成分与指标的关系，以确定最佳的产品方案［12］。
由实验确定的HLB 值，按照配方设计要求配制复合乳化剂。先将复合乳化剂溶解于油中，将栀子蓝色素溶于水中，并将栀子蓝色素溶液缓慢加入到油溶液中，制成W/O 型乳化液，在65℃的恒温水浴中乳化40min，搅拌器转速1200r /min。后将溶液置于3000r /min 离心机中离心10min，沉淀量越少，乳化效果越好。
1.2.3 单因素实验
分别选择乳化剂的用量，乳化温度，乳化时间，转速为研究对象，将乳化后的试样置于4000r /min 离心机中离心15min，以沉淀量为目标值，进行栀子蓝色素乳化的的单因素实验。
1.2.4 正交实验
在单因素实验基础上，进行4 因素3 水平的正交实验，确定最优的乳化条件。正交实验表见表2。
2 ·结果与讨论
2.1 乳化最佳HLB 的确定
图1 是不同HLB 值乳化剂对试液乳化效果的关系图。从图中可以看出，乳化液HLB 值在3.5 左右时沉淀量最少，即乳化效果最好，可初步判定乳化最佳的HLB 值为3.5 左右。
2.2 复合乳化剂配方的确定
栀子蓝为水溶性色素，同时根据已经确定的乳化最佳HLB 值，利用单甘酯( HLB 值为3.8) ，油酸( HLB 值为1.0) ，司盘60 ( HLB 值为4.7) ，司盘80( HLB 值为4.3) ，司盘85 ( HLB 值为1.8) ，吐温65( HLB 值为10.5) ，吐温81( HLB 值为10.0) ，吐温85( HLB 值为11.0) 来配制7 种HLB 值在3.5 左右的复合乳化剂。图2 为各种复合乳化剂对试液乳化效果的影响，由图可见单甘酯、油酸和司盘60 组成的复合乳化剂乳化效果最好。
按照配方设计的要求，大致确定单甘酯( x1) 用量大于50%，油酸( x2) 用量大于20%，Span 60( x3)大于20%，即确定a1 = 0.5，a2 = 0.2，a3 = 0.2，从而可以确定自然变量x 和规范变量z 的关系为: x1 = 0.1z1+ 0.5，x2 = 0.1z2 + 0.2，x3 = 0.1z1 + 0.2。选择{ 3，2} 单纯形格子点设计，实验方案和实验结果见表3。
经计算得回归方程为y = 1.21z1 + 1.08z2 + 0.78z3－1.38z1 z2 + 0.58z2 z3 + 1.36z1 z3。利用Excel 中的“规划求解”工具，根据上述回归方程和有关约束条件，得到该回归方程在z1 = 0.5，z2 = 0.3，z3 = 0.2 时指标y取得最小值1.02。由x 和z 的关系式，得x1 = 0.55，x2= 0.23，x3 = 0.22。将此计算所得的结果用实验验证，结果y 为1.05。综合比较取最佳结果x1 = 0.5，x2 =0.2，x3 = 0.3，即单甘酯50%，油酸20%，司盘60 30%。
2.3 乳化剂用量的确定
不同用量的乳化剂其乳化效果也不同，由图3可知，乳化剂的添加量在小于1% 时，乳化效果随着添加量的增加，乳化效果越来越好; 添加量大于1%时，乳化剂的添加量越大，乳化效果越来越差; 乳化剂的添加量在1% 左右时，沉淀量最少，乳化效果最好。这是因为乳化剂用量过小，乳化剂分子不足以覆盖整个油水界面，而且在界面上排列松散，造成界面张力达不到最低，乳液体系不稳定。乳化剂用量过大，虽然界面张力降到最低，得到了稳定的乳液，但是可能会引起泡沫增多，影响乳液质量。因此，只有适量的乳化剂才能制出经济合理的稳定乳液。
2.4 乳化温度的确定
乳化物料的温度对于乳化的好坏有着非常大的影响，由图4 可以看出乳化温度对乳化效果的影响如下: 温度小于65℃时，随着温度的增加乳化效果越来越好; 大于65℃时，温度增加，乳化效果下降。出现这种情况是因为在一定温度范围内，乳化剂的加入才能使乳化液的分散度明显增加，或者说乳化剂的活性才能显示出来［13］。在低温时，乳化剂分子只能在有限空间内缓慢运动，因此对乳化的影响很小;在高温时，乳化剂分子运动剧烈，与粒子之间的相互作用势能相比，拥有更大的热动能，也不能影响乳化。只有在适当的温度范围内，乳化剂与水油粒子的相互作用才能够支配热动能，才能在乳化过程中起到明显的活性作用。
2.5 乳化时间的确定
由图5 可知，随着乳化时间的增加，乳化效果越来越好，但当时间超过30min 时，乳化效果开始下降; 当时间超过40min 时，乳化效果趋近平稳。这是因为乳化时间过短，乳化剂未能与油水均匀混合形成稳定体系; 而乳化时间过长，剪切过度，则会破坏已经形成的稳定体系。且乳化时间涉及到能耗问题，所以取乳化时间30min 为宜。
2.6 搅拌速度的确定
从图6 中可以看出，搅拌速度在1200r /min 时，乳化效果最好，当速度低于或者高于1200r /min 时，乳化效果均不理想。这是因为搅拌速度合适就能使油相与水相充分地混合分散，搅拌速度过低，则达不到高分散度的目的，而搅拌速度过高，则会将气泡带入体系，使之成为三相体系，均不利于乳化形成均一体系。
2.7 乳化正交实验优化
选取乳化剂添加量、乳化温度、乳化时间和搅拌速度进行4 因素3 水平正交实验。正交实验设计及结果见表4。
从表4 可以看出，各因素的主次顺序为: 乳化温度＞ 乳化剂添加量＞ 转速＞ 乳化时间。因目标值越小越好，乳化最佳条件确定为B2A2D2C2，即乳化温度: 65℃，乳化剂添加量: 1%，转速: 1200r /min，乳化时间: 30min。按B2A2D2C2条件进行3 次重复实验验证，得沉淀量为1.02g。经过验证实验，该条件沉淀量优于实验B2A1 D2C2和B2A2 D1C3的结果，即选取的条件最佳。
3· 结论
合成色素因其副作用大，易危害人类健康，国内外均在逐步禁止使用，而对天然色素的推宠已形成主流。乳化后的栀子蓝色素乳液可以溶解在油溶性的食品中，拓宽了栀子蓝色素的应用范围。本研究通过配制不同HLB 值的乳化液，作乳化效果图，初步确定栀子蓝色素乳化最佳HLB 值为3.5 左右。配方设计实验得出最佳复合乳化剂配方为单甘酯50%，油酸20%，司盘60 30%。通过单因素实验和L9( 34 )正交实验确定最佳乳化条件乳化温度65℃，乳化剂添加量1%，转速1200r /min，乳化时间30min，验证实验结果表明该条件下乳化效果最好。但怎样使用简单的工艺，制备高浓度油溶性色素还有待进一步研究。