食品界

《食品科学》：北京工商大学刘斌副教授等：大豆分离蛋白超声乳化作用机理

大豆分离蛋白（SPI）因富含人体所需的营养物质、具有优异的功能特性而备受关注。SPI乳化是指在剪切力或破碎力等作用下破坏水-油平衡，将油滴以极小的液滴均匀分散在互不相溶的水中，形成均匀稳定的水-油乳浊液体系的过程，乳化性是SPI重要的功能性质之一。

超声技术能够改善SPI乳化液功能性质，具有乳化液粒径小且均匀、稳定性强、所需表面活性剂量少、工艺简单、成本相对较低等优点。由于超声波的机械和空化效应，乳化液中空化气泡在溃灭瞬间产生高温、高压及局部微射流等极端现象，对分散相大分子产生剪切作用，同时释放的能量有利于提高声化学反应活性，达到乳化的目的。

北京工商大学人工智能学院的齐冬、王骁、刘 斌*等人本研究通过分析超声功率对超声空化分布特性的影响，应用有限元的分析方法并结合声致化学发光实验，探究较高功率声场中空化破碎场和声流流场的分布特性。从超声的空化效应、声流的空化增强以及声流对乳化液的分散混合作用出发，对SPI超声乳化的作用机理进行探讨，并对不同超声功率下SPI乳化液的乳化效果进行研究和分析。

1、超声空化效应的破碎机理分析

结合不同超声输入功率数值仿真可得料腔内声能密度分布。如图3所示，料腔内声能密度较高区域位于变幅杆端部附近，当远离变幅杆端部时，声能密度逐渐减小并趋近于零，说明空化效应的发生区域位于变幅杆端部高声能密度处。随着超声输入功率的增大，变幅杆端部高声能密度区域扩大（即超声空化效应区域扩大），利于乳化过程中油相和水相的破碎，促使水/油液滴之间相互作用。同时也可以直接作用于SPI，对蛋白分子进行破碎，破坏蛋白质的刚性区域结构，将SPI内部的疏水性基团暴露于外部环境，从而提高蛋白质的乳化性能。

2、声流作用下空化增强效应的机理分析

不同超声输入功率处理时空化破碎分布与声流流场分布如图4所示。料腔内的空化破碎分布存在明显差异。声流作用下的流体在变幅杆端部出发形成射流，促使空化气泡沿着轴向运动。流体在接触料腔底部时运动方向发生偏转，沿着料腔底部向壁面运动，最终在料腔底部与侧壁交界处形成稳定的往复运动涡流。超声输入功率的变化能够影响声流速度分布，射流作用下的声流对空化气泡产生的分散效应促使空化破碎分布区域扩大，而涡流作用下的声流随功率变化产生的分散效应增效不明显。根据仿真结果可以预测，反应料腔内的SPI随空化破碎分布区域的扩大，微细化效果增强，同时声流效应可使破碎后的SPI实现较大程度的分散，更均匀地分布在料腔内，有利于SPI的乳化。

3、声流作用对乳化液分散混合的机理分析

结合声流仿真及粒子追踪数值分析，可获得超声输入功率为88 W时圆柱形料腔内声流作用下粒子运动轨迹与分散情况。如图5所示，声流能够在较短时间内将料腔中的乳化颗粒进行有效的搅拌、分散和均匀混合。不同时刻（t）粒子在声流作用下从变幅杆端部向料腔底部运动，此时变幅杆端部产生的声辐射力直接作用于流体并形成射流，声流速率峰值为1.046 m/s。由于受变幅杆侧壁固体边界层的影响，料腔的壁面边界处形成一个回旋涡流，此时粒子运动轨迹发生偏转，随流体向上回旋流动，致使粒子沿料腔侧壁向上分散，与轴向运动的粒子进行分散混合，当输入功率稳定时，声流速率稳定在0.1 m/s左右。声流效应产生的运动会使粒子出现类似于搅拌的功能特性，带动料腔内颗粒的运动，使得乳化液中的颗粒能够更加均匀稳定地得到搅拌、分散和混合。

4、乳化液粒径处理效果分析

超声处理对SPI乳化液粒径的影响如图6所示。SPI乳化液D[3,2]和D[4,3]随超声输入功率的增加呈减小的趋势。与未经超声处理的SPI乳化液相比，超声功率为28 W处理得到的乳化液D[3,2]和D[4,3]降低，分别减小87.5%和53.0%；增大输入功率乳化液平均粒径进一步降低；输入功率为88 W时，D[3,2]和D[4,3]达到最小值；输入功率到109 W时，D[3,2]和D[4,3]略有增大（图6A）。增大超声功率，SPI乳化液粒径分布曲线呈现向粒径减小的方向移动，横向跨度减小；28 W超声处理组乳化液粒径分布曲线较原样曲线向左发生小幅度移动，且曲线由两个峰减少到一个峰；继续增大超声功率，粒径分布曲线继续左移，横向跨度持续减小；输入功率为88 W时，粒径分布范围接近极限值，粒径大部分位于0.5～1.3 μm之间；超声功率为109 W时，粒径分布曲线开始右移，粒径有增大的趋势（图6B）。

超声功率变化引起的声流空化增强效应可对SPI乳化液的粒径变化产生影响。超声功率较小时，声流速度小，无声流现象产生，空化分布范围小、强度弱，聚集在变幅杆端部空化气泡产生的能量对乳化液中SPI分子和油滴的作用有限，破碎效应不明显；增大超声输入功率，空化气泡数量增多，气泡聚集会造成空化屏蔽现象。高输入功率下声流产生的空化增强效应即使能够增大超声空化分布范围，但对SPI乳化液作用有限，所以在超声输入功率为109 W时，SPI乳化液平均粒径和粒径分布出现相反效果，粒径不降反升。

5、乳化活性、乳化稳定性及乳化液表观稳定性效果分析

超声处理对乳化液乳化活性和乳化稳定性的影响如图7所示。乳化活性随超声功率增大而升高，在109 W时达到最大值，而乳化稳定性随超声功率的增大呈现先升高后下降的趋势，在88 W时达到最大值。超声功率为28 W时，空化气泡聚集在变幅杆端部，无声流现象产生，超声空化强度和分布范围较小，空化效应对SPI乳化液作用较弱，乳化稳定性增幅较小；功率为47 W时出现声流现象。同时，声流作用下的冲击、回旋、涡流运动可使蛋白质的疏水性基团沿声流流线方向分散并快速运动，从而使乳化液反应区域扩大，并干扰液滴、SPI分子聚集，乳化体系更加均质稳定，乳化液乳化活性和乳化稳定性提高。随着超声功率的继续增大，声流的分散效应进一步增强，乳化活性和乳化稳定性持续升高；超声功率高于88 W后，乳化液乳化稳定性降低，可能是功率过大时，乳化液中蛋白质分子由于静电作用、疏水作用力等相互吸引，使蛋白质分子发生聚合，蛋白质稳定性更强，较难吸附在油-水界面上，导致乳化液稳定性降低。

不同超声功率处理后乳化液静置表观稳定效果如图8所示。随着超声处理功率的增大，SPI乳液的静置分层现象明显减弱；当超声功率到88 W时，乳化液静置表观稳定性达较佳状态，静置24 h后无明显的分层现象产生；当继续增大超声功率，乳化液静置表观稳定性无明显变化。综上，随超声功率增大，超声空化及声流分散混合效应对于保持SPI乳液的均匀稳定性具有显著的作用。

结论

本实验应用声场有限元仿真，对超声空化分布特性结果进行分析，预测了声流效应下空化气泡的运动情况，结合声流条件下粒子追踪仿真，对乳化液中颗粒的分散混合进行了分析，探究SPI超声乳化中空化效应、声流的空化增强及声流对乳化液分散混合的作用机理，并采用不同超声输入功率研究了SPI超声乳化效果。结果表明：增大超声功率可扩大反应料腔中的高声能密度区域，使远离声源区域的空化效应明显增强，SPI分子微细化效果和乳化性能得到提升；超声功率较高时会形成由射流和回旋涡流作用产生的声流，促使空化气泡沿轴向运动，到达料腔底部后回旋并向上分散，扩大空化破碎区域，达到空化增强的效果，并且超声功率的变化能够影响声流速度场分布，对射流作用下的声流影响较大，而对涡流作用下的声流影响较小；声流产生的分散效应可使SPI疏水性基团沿声流流线方向分散并快速运动，扩大乳化液反应区域，干扰液滴、SPI分子聚集，使乳液中的颗粒能够更加均匀稳定地分散，并在较短时间内带动料腔中的物料实现充分搅拌、分散和混合。不同超声功率对SPI乳化液乳化特性影响如下：随着超声功率的提升，SPI乳化液的粒径减小，乳化活性、乳液稳定性和乳化液表观稳定性有效提高，功率为88 W时效果较佳。本研究利用仿真分析和实验测量相结合的方法，对SPI超声乳化作用机理和效果进行分析和研究，可为解决传统超声乳化效果不佳，实现超声乳化应用中场能高效转换、节约成本、提高可靠性等方面提供新思路。

本文《大豆分离蛋白超声乳化作用机理》来源于《食品科学》2023年44卷第9期32-38页，作者：齐冬，王骁，刘斌等。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220412-139。