第一章绪论

1.1羧甲基纤维素钠（CMC)

羧甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose，CMC)，是纤维素的羧甲基化衍生物，又

名纤维素胶，是最主要的离子型纤维素胶。CMC于1918年由德国首先制得，并于1921年获得 专利而见诸于世，此后便在欧洲实现商业化生产。当时只为粗产品，用作胶体和粘结剂。1936〜 1941年，对CMC工业应用的研究相当活跃，并发表了几个具有启发性的专利。第二次世界大战 期间，德国将CMC用于合成洗涤剂。CMC的工业化生产开始于二十世纪三十年代德国IG Farbenindustrie AG。此后，生产工艺、生产效率和产品质量逐步有了明显的改进。1947年，美 国FDA根据毒物学研究证明：CMC对生理无毒害作用，允许将其用于食品加工业中作添加剂， 起增稠作用。CMC因具有许多特殊性质，如增稠、粘结、成膜、持水、乳化、悬浮等，而得到 广泛应用。近年来，不同品质的CMC被用于工业和人们生活的不同领域中，如表1所示。

表1 CMC的等级和典型应用[1]

Table 1. CMC grades and typical applications (adopted from[1])

CMC的质量应用范围CMC的含量（°%)盐的含量（％)

技术级（technical)洗涤剂、矿物浮选等<75>25

半纯（semi-purified)天然气、石油钻井泥浆等75-8515-25

纯净（purified)造纸涂层、纺织品的上浆和印染、>98<2

陶瓷上釉、石油开采泥浆等

超纯（extra purified)食品、牙膏、药物等>99.5<0.5

1.1.1CMC的分子结构特征

纤维素是无分支的链状分子，由D-吡喃葡萄糖通过p-(1—4)-苷键结合而成。由于存在分子 内和分子间氢键作用，纤维素既不溶于冷水也不溶于热水，这使它的应用受到了限制。纤维素在 碱性条件下溶胀，如果通过特殊的化学反应，用其它基团取代葡萄糖残基上C2、C3及C6位的羟 基即可得到纤维素衍生物，其中有35%的纯纤维素被转化为纤维素酯（25%)和纤维素醚（10 %)  。  

CMC是纤维素醚的一种，通常是以短棉绒（纤维素含量高达98%)或木浆为原料，通过氢 氧化钠处理后再与氯乙酸钠（ClCH^COONa)反应而成，通常有两种制备方法：水媒法和溶媒法 [3]。也有其他植物纤维被用于制备CMC[4-10]，新的合成方法也不断地被提出来[11-15]。

CMC为阴离子型线性高分子，结构如图1。构成纤维素的葡萄糖中有3个能醚化的羟基， 因此产品具有各种取代度，取代度在0.8以上时耐酸性和耐盐性好[16]。商品CMC有食品级及工 业级之分，后者带有较多的反应副产物。CMC的实际取代度一般在0.4〜1.5之间，食品用CMC 的取代度一般为0.6〜0.95,近来修改后的欧洲立法允许将DS最大为1.5的CMC用于食品中[17]; 取代度增大，溶液的透明度及稳定性也越好。

 

图1羧曱基纤维素钠的结构（CMC)

Fig.1. Structure of caboxymethylcellulose(CMC)

取代度（Degree of Substitution，DS)决定了 CMC的性质，而取代基的分布也会对产品性质

产生影响。DS和取代基分布的准确测定是优化反应条件、确定结构性质关系的先决条件。羧甲 基可以在葡萄糖单元（AGU)的2、3、6位上发生取代，有八种可能的结构单元（无取代；Q; C3; C6;C2、C3;C2、C6;C3、C6;C2、C3、C6)构成了高分子链。不同高分子链中重复单元的

分布也可能是不同的。

1.1.1.1DS的测定

测定CMC取代度的一种常用方法是滴定法，把CMC钠盐转化为酸的形式，反之亦然。把 CMC钠盐分散在乙醇和盐酸中，用已知摩尔浓度的氢氧化钠溶液滴定。还有一种反滴定法，一 般是测定CMC取代度的标准方法：把氢氧化钠加入到未知量的CMC酸中，反滴定过量的氢氧 化钠来计算DS。电导滴定法也可以较准确地测定DS，曾晖扬等[18]提出了红外光谱法，并可直 观地大致判断出样品的纯度，以决定是否需要对样品进行提纯精制。

钠的确定比较简单，但是需要满足一些先决条件，CMC需要完全转化为钠盐的形式，而且 在合成中带来的NaCl及氯乙酸钠需要完全除去。后一种问题一般是通过透析的方法解决，但是 2

这样也存在一个问题，对于部分取代度高而分子量低的分子容易流失，这样会带来误差。

CMC可以与盐离子如铜离子作用生成沉淀，反滴定过量的铜离子也可以确定CMC的取代 度。对于CMC,用硝酸铀酰溶液使之沉淀，然后将其燃烧测定得到的氧化铀，也是一种测定取 代度的有效方法。

除此以外还有其他用于测定CMC取代度的方法，如核磁、毛细管电泳等。液相核磁测量中 存在一个问题，是由高分子溶解在D2〇中产生的高粘度引起的，随样品聚合度增加线宽也增加。 研究发现通过超声处理的方法能使高分子部分降解而羧甲基不会断裂，同时也不会有单体和二聚 体，经过超声处理的CMC的谱图得到了改善。酶降解也可以用于改善聚电解质的核磁谱图。 Saake,Homer等[19]将CMC用酸水解，经HPLC分离后，用13C NMR表征。对传统的CMC样品 用硫酸和高氯酸水解比较，发现高氯酸效率更高。对于两种水解方法来说，八种CMC构成单元 的产生均随DS升高而降低。而对于用新方法合成的CMC样品，结果则不同，如由诱导相分离 得到的CMC样品，取代度直到1.9水解程度仍不断升高，但定位选择取代的2,3-O-CMC随DS 升高而下降，对2,3-O-CMC样品来说用硫酸水解效果更好。

需要指出的是传统的方法仍是十分有用的，因为不需要昂贵的仪器，可以重复测量。

1.1.1.2取代形式的测定

目前，确定取代基分布最重要的方法是，在样品经过降解后利用13C CP/MAS NMR-和13C NMR液相核磁，1H NMR以及色谱技术（HPLC,HPAEC-PAD)、气-液色谱。

 

图 2 CMC(DS=2.4)的 13C CP/MAS 丽R 谱图[1]

Fig.2. 13C CP/MAS NMR spectrum with signal assignment of a CMC with a DS of 2.4. The spectrum was recorded with a contact time of 2ms at a spinning frequency of 5.7kHz.

通过13C CP/MAS NMR的方法，在接触时间为2ms下测量，平均取代度能通过羧基和C-1 的信号面积的比率计算得到。图2为DS为2.4的CMC样品的核磁谱图。通过13C CP/MAS NMR   方法测得的24个CMC样品的DS与用钠的重量分析法得到的结果吻合得很好（图3 )。用13C NMR 液相核磁方法可以估算确定平均取代度和在2 (X2)、3 (X3)、6 (X6)位上的部分取代度。Capitani 等[20]在90°C下对CMC水溶液进行了精确的高场（H-1,600MHz) 1D和2D实验，通过门控去偶 13CNMR谱图不仅能得到取代度也能测定取代基分布。电导滴定很好地支持了所得结果。

 

图3由13C CP/MAS丽R谱图得到的取代度（DSCP/MAS)

与钠含量分析得到的取代度（DSN.)的关系图[1]

Fig.3. DS determined by 13C CP/MAS NMR spectroscopy (DSCP/MAS) plotted against the sodium content (DSNa) of 24 CMC samples

降解样品的1H NMR谱图同样能提供在C2、C3、C6位上的取代度的信息。样品可以直接溶 解在D2O/D2SO4，16次扫描足以得到好的谱图。

毛细管电泳也是一种有效的测量方法。Oudhoff等[21]用毛细管电泳的方法确定了 CMC的取 代度和取代基分布。

1.1.1.3其他结构特征的研究

CMC的分子量及分子量分布能通过SEC方法确定[22]。

Horner等[15]用葡萄糖内切酶将两种不同DS的CMC样品分解成片断，直至降解完全，处理 后大大改善了高分子的水溶性。葡萄糖内切酶作用明显与取代度相关，当取代度增加时酶的效率 受到限制。两种CMC样品的多糖链都包含高取代和低取代的区域。Saake等[23]用酶处理的方法 研究了具有特殊取代形式的CMC的分子结构。样品通过葡萄糖内切酶处理后用SEC分析，测试 结果表明DS为1.9的样品仍能被强烈降解，从而支持了 block-like取代形式的存在。用SEC、 离子交换色谱、脉冲电流检测详细研究了酶解后的片断产物，表明所有的样品中均含有DS高于   起始样品的片断，同时也有大量降解产物是低DS或无取代的。

CMC分子的卷曲和排水程度能通过蠕虫链模型分析，研究分子在水溶液中的构象和流体力 学性质，并可确立模型参数如流体力学直径与纤维素羧甲基化程度的关系[24]。

Hoogendam等[25]用SEC和电位滴定的方法估算了 CMC的持续长度。CMC的本征持续长度 通过SEC与多角激光光散射（SEC-MALLS)联用以及电位滴定的方法确定。对于取代度从0.75 到1.25的样品，用SEC-MALLS得到了分子量与旋转半径之间的关系。不考虑取代度的情况下， 利用静电蠕虫链理论估算CMC的持续长度L-p。为16nm。而采用Odijk理论，利用聚电解质尺寸 的描述，得到一个稍低的值（12nm)。电位滴定在NaCl溶液（0.01-1mol/L)中进行，用均一电 荷圆筒模型分析得到CMC主链的半径。羧基的离解常数为3.2。DS=0.75的CMC的半径为

0.95nm，而DS=1.25的CMC为1.15nm。从电位滴定中推导出的本征持续长度L-p〇为6nm。

Kastner等[26]研究了 CMC在溶液中的结构和性质，用八种不同的CMC (Mw:9000-360000 g/mol-1、DS:0.75-1.47)。从流变学和导电双折射中，区分了四个临界浓度，依赖于CMC的分 子量、电荷密度以及溶液的离子强度。在很低的浓度时，聚电解质处于最伸展的状态，粘度与水 接近。在临界浓度C0时分子链之间的距离约等于持续长度。浓度达到ci后，伸展的链开始交迭， 样品粘度增加，遵循scaling规律(c/ci)1/2。继续增加聚电解质的浓度，卷曲的分子链开始交迭、 缠结，粘度迅速上升，与浓度的关系为(C/C2)55,与不带电荷的高分子相同。所有样品的松弛时间 开始迅速增加，聚电解质表现为类似于中性高分子，形成瞬时的网络结构。在浓度为c3,溶液开 始形成热可逆的凝胶。在不同的浓度范围内，聚电解质溶液的离子强度的改变都会引起很大的变 化。加入盐、表面活性剂，以及pH值的变化都会引起松弛时间和粘度的变化。

1.1.2CMC溶液流变性质的研究进展

Ghannam等[27]在应力控制下用Haake流变仪研究了浓度为1-5%的CMC (DS=0.7)溶液的 流变性质。在低浓度下溶液表现为近牛顿行为，高浓度下具有假塑性、触变性、粘弹性。对此浓 度范围内的CMC溶液进行稳态实验，并测定瞬态剪切应力响应、屈服应力，以及高浓度下的触 变、蠕变恢复和动态实验。随CMC浓度的升高，溶液的流变行为表现出更强的时间依赖性。触 变性与溶液的结构恢复有关，它取决于CMC的浓度以及施加的剪切速率。浓度越高，溶液具有 越强的粘弹性。Edali等[28]对5〜8%的CMC溶液作了相应的流变实验。溶液在整个浓度范围内呈 假塑性。稳态剪切实验表明在高剪切速率下，CMC溶液的粘度对浓度的依赖性减小。在很低的 剪切速率下，溶液表现出震凝性。实验没有测出屈服应力。在高剪切速率下，检测出非线性粘弹 性。在相同的浓度下，动态实验测出的复粘度比稳态剪切粘度高。

Dolz等[29]研究了高粘度CMC水凝胶的触变性，并提出了一种确定具有低触变性体系的触变

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行为的方法。流变环的面积与边界条件符合的很好。从公式推导中，能得到相关的触变面积及流 变图中的理论面积。此方法适用于高粘度的CMC水凝胶。

pH和环境的离子类型对CMC凝胶的弹性和粘性行为都有影响[30]。聚电解质凝胶的粘性行 为在磷酸缓冲液中很显著；弹性性质在酸性介质中是主要的，作为高分子中和的结果。

Cheng等[31]对由细菌纤维素制得的CMC进行了研究。细菌纤维素具有高粘度，由这种物质 得到的CMC具有剪切变稀和触变的特性。通过合适的样品处理，CMC溶液表现出类凝胶的流 变性，表明其中存在三维网络结构，与羧甲基官能团在分子链上的不均一分布有关。将细菌纤维 素经过酸或超声降解后，再转化为CMC。这样得到的CMC溶液接近于牛顿流体，仅有很小程 度的剪切变稀，没有触变性。

Westra[32]研究了具有类似黄原胶性质的CMC溶液的流变性。在这种CMC的制备过程中， 控制反应条件，生成低取代、取代不均一的CMC。未被取代的分子链仍保持纤维素的状态，通 过分子内和分子间氢键结合在一起。这种CMC溶液具有明显的假塑性、流变的温度依赖性，与 黄原胶相似。

CMC和海藻酸盐都可作为食品添加剂，当两种物质混合时，温度、浓度和两者的比例都会 对溶液的流变性质产生影响。混合溶液的性质明显偏离线性规律，在单成分溶液的粘度基础上建 立的模型可用于分析实验结果[33, 34]。

Floqancic等[35]研究了多糖混合物水溶液在剪切作用下的流变性质。将两种相容的生物大分 子如CMC和黄原胶，在破坏和非破坏的剪切条件下，用来确定混合体系有无协同作用。利用经 验分析估计零剪切粘度的偏差，以及确定所研究的二元混合物的剪切变稀强度，用于与单纯组分 溶液的流变行为的比较中。考虑到在线性粘弹区内的流变性质和粘弹特性，研究的混合物在剪切 条件下呈现出复杂的流变行为。

羟丙基甲基纤维素（HPMC)与CMC混合时，对流变行为产生影响，调节两者的比例可得 到最大的协同作用[36]。协同作用对粘度有影响，而弹性的变化归因于HPMC和CMC之间疏水 作用与氢键作用。协同作用的程度能通过分子量和取代形式的不同来解释。粘度的变化显示出分 子的交叠和链的伸展使具有大网眼尺寸的三维网络结构增加，以及疏水微环境的增加，有利于溶 质的迁移。

CMC可用于纸涂层中作为粘合剂。由于涂层中不同成分的相互作用，它呈现出复杂的流变 性质，这可以通过微结构的变化来解释[37]。损耗和弹性模量与应变幅度有关，超过一定的应变 幅度以后弹性模量下降，损耗模量比弹性模量小很多，开始时增长，经过一个最大值后下降。涂 层的流变行为是时间依赖性的。涂层组分按一定顺序混合可使粘度和/或粘弹性明显增加，这可 能由于发生了絮凝或聚集[38]。

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1.1.3CMC的应用及展望

(一）应用于无磷洗涤剂及制皂工业

CMC在1935年被发现有改善洗涤效果的作用，自此以来，CMC作为优良的抗再沉积剂已 有半个多世纪的历史。CMC作为洗涤助剂，主要起抗污垢再沉积的作用。一是防止重金属的无 机盐沉积；二是使因洗涤而进入水溶液中的污垢悬浮，分散在水溶液中，防止污垢沉积到织物上。 因此，加有CMC的洗衣粉、肥皂洗衣物时，去污能力增强，也使洗涤时间缩短，使白色织物保 持白度和清洁度，有色织物保持原有色泽的鲜艳度。特别是在硬水中洗涤棉织物时效果最佳。洗 后的织物有柔和感，穿着更舒适[39]。

在制皂时，加入CMC后所起的作用与在洗衣粉中起的作用一样，用时还可使肥皂柔韧，压 制出的肥皂更加光滑、美观、耐用。

(二）应用于食品中

CMC可以代替明胶、琼脂、海藻酸钠等食品胶用于食品工业中，主要起增稠、稳定、持水、 乳化、改善口感、增强韧性等作用。添加食用CMC能降低食品生产成本，同时能提高食品等级， 改善口感，延长保质期。1974年，联合国粮农组织（FAO)和世界卫生组织（WHO)经过严格 的生物学、毒理学研究和试验后，批准将纯CMC用于食品，国际标准的安全摄人量(ADI)是 25mg/kg体重/日，即大约每人一天约1.5g。詹志萍、Javier A等报道，当试验摄入量达到10g/kg 体重时也未有毒性反应。

羧甲基纤维素钠在国内最早被用于方便面的制作，随着我国食品工业的发展，CMC在食品 生产中的应用途径越来越多，不同的特性起到了不同的作用。CMC主要用于以下食品中：（1)用 于饮料中：如用于豆奶中，可起到悬浮、乳化稳定的作用；耐酸型CMC可作为稳定剂用于酸奶、 酸性中，具有防止沉淀分层、改善口感、耐高温、延长货架期等特性。使用量一般是0.3%〜0.5 %; (2) CMC用于冰淇淋中，可以提高冰淇淋的膨胀度，改进融化速度，赋予良好的形感和口 感，并可以在运输和存储过程中控制冰晶的大小和生长，使用量按总量的0.5%的配比添加；（3) 用于面包生产，可使蜂窝均匀、体积增大、减少掉渣，同时还有保温保鲜的作用；添加CMC的 面条持水性好，耐煮、口感好、有韧性；（4) CMC不会被人体消化吸收，可用于减肥食品；它 可促进胃肠蠕动，对肠道清洁有帮助，适合为高血压、动脉硬化、冠心病患者制作低热食品；（5) 其它：CMC还可用于酒类生产，使口感更为醇厚、馥郁，后味绵长；CMC可用作啤酒的泡沫稳 定剂，使泡沫丰富持久，改善口感；CMC还可用于水果、蔬菜、茶叶等的保鲜，此外还用于酱 油、果冻、果酱等一些食品生产中[16, 17]。

(三）应用于石油、天然气工业

(1)含有CMC的钻井泥浆能形成井壁薄而坚、渗透性低的滤饼，从而减少因泥浆失水引起的

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缩径、崩塌现象；（2)泥浆加入CMC后，很少受霉菌的影响，不须维持很高的pH值，也不必使 用防腐剂就能存放较长时间；（3)含有CMC的泥浆具有良好的流动性、稳定性和触变性，即使温 度在150°C以上仍能降低失水。防止大量水分从泥浆进入油层，提高了原油的产量。高粘度、高 取代度CMC适用于密度较小的泥浆，低粘度高取代度的CMC适用于密度大的泥浆。CMC还可 做油田三次化学采油的稠化剂、成胶剂，在油田压裂、堵水调剖、酸化作业中有明显的稳产增产 作用[40]。

(四）应用于建筑、涂料、陶瓷工业

(1)用作建筑混凝土的缓凝剂：在混凝土中加入CMC后，具有明显的增稠、保水作用。可延 长混凝土的凝结时间，提高混凝土初期强度，避免建筑物体出现裂纹。另外还可做混凝土的泵送 剂，保持商品混凝土拌合物不泌水、不离析，提高混凝土的匀质性；（2)用作建筑内外墙仿瓷涂 料，具有黏结、增稠、悬浮作用；（3)用于陶瓷中：坯体专用型CMC对泥料的可塑性和生坯的 抗折强度增效显著，减少生坯的破损率；CMC在釉浆中主要作为一种粘结剂使用，同时还具有 悬浮及解凝作用，作为解凝剂，可提高釉浆的流动性，控制釉浆触变性，CMC还可最为保水剂， 使釉层干燥均匀，形成平坦致密的釉面，烧后釉面平整光滑[4'CMC也被用于可作为湿度传感器 的多孔性陶瓷中[42]。

(五）应用于在造纸行业中

CMC在造纸行业用作纸张施胶剂，可明显地提高纸张的干强度和湿强度及耐油性、吸墨性和 抗水性。在抄造过程中作湿强剂，在纸浆中加入CMC能增强纸张的抗张力，增大揉性；在涂布 纸中作分散剂、胶粘剂，可使颜料及纤维充分分散；在造纸行业水处理过程中作絮凝剂。

(六）应用于纺织、印染工业

在纺织工业中用作上浆剂、印染浆的增稠剂、纺织品印花及硬挺整理,用于上浆剂能提高溶 解性及粘变,并容易退浆。CMC对大多数纤维均有粘着性,能改善纤维间的结合，其粘度的稳定性 能确保上浆的均匀性,从而提高织造的效率。还可用于纺织品的整理剂，特别是永久性的抗皱整理, 给织物带来耐久性的变化[43]。

此外，CMC还可用于一系列日用化学品中，如牙膏、洗发水、沐浴露、洗手液和鞋油等， 作为稳定剂、乳化剂，起到增稠、防止不溶性物质沉降的作用[44]；在烟草行业中，CMC在制造 香烟的再生烟叶中作为粘合剂和成膜物[45]; CMC对人体无毒副作用，还被用于医药、化妆品中， CMC在其它一些工农业生产中也有应用。如今，CMC已有两百多种应用。

随着对可再生资源的利用不断增加，CMC将变得日益重要。一方面利于可持续发展；另一 方面，纤维素拥有由自然界合成的独特结构，是高级产品的优良基础。纤维素是世界上最丰富的 可再生高聚物，据估计，每年通过光合作用生成的纤维素达到10 〜1012t,使CMC的制备得到 源源不断的原料供给[15]。CMC将具有相当广阔的发展前景。  

1.2多糖对酪蛋白的稳定作用

乳品营养丰富、易消化吸收，且富含钙质，因而增加乳及乳制品的摄入量，对于增强体质、 保持健康都是极有好处的。近年来，随着人民生活水平的提高、健康意识的加强，乳制品受到越 来越多的重视，市场也在不断扩大。其中酸奶以独特的营养和风味得到消费者的青睐，在国外占 乳制品行业80%的市场份额，但因其价格相对较高，在我国的市场占有率不到20%。酸性乳饮 料酸甜适中，爽滑可口，不仅保留了酸奶的特殊风味，还具备了酸奶的大部分营养和功能，且价 格适中，在我国液态乳市场上迅速占据了相当的份额，并且每年保持20%左右的增长速率。酸 性乳饮料(acidified milk drink，简称AMD)是以鲜奶、复原奶或豆奶为主要原料，添加甜味剂、 稳定剂、香精和色素等辅助原料，利用活性菌进行乳酸发酵或直接添加果汁、食品酸等（乳酸、 苹果酸和柠檬酸等）调配而制得的pH介于3.8到4.2之间，蛋白含量大于1%的含乳饮料[46]。在 实际生产中为了提高产品品质、延长货架期、改善口感，需要加入稳定剂。国外主要采用果胶作 为稳定剂，但因价格原因，国内常用相对便宜的CMC。对于CMC稳定酪蛋白的研究较少，国 内主要局限于产品配方和生产工艺的研究[47-50]。本课题将关注于CMC对酸性乳体系的稳定作用。

对于乳品企业来说，乳蛋白在酸性条件下的变性沉淀一直是影响酸乳及酸性乳饮料生产及开 发的一个关键性问题。因此，近年来对多糖与乳蛋白的相互作用，以及对最终产品稳定性的研究 已成为世界各国乳品科学和工程研究的一个主要方面。牛乳是一种复杂的胶体分散体系，其中水 占87%，总固体占13%。总固体主要是脂肪、蛋白质、乳糖、无机盐，此外还有微量的多种维 生素和酶类及其他有机物，其中脂肪和蛋白质占总固体物质的绝大部分。蛋白质可包裹在脂肪颗 粒的外部，具有一定的乳化作用。因此研究牛乳在酸性条件下的稳定性，主要是关注于蛋白质胶 粒在酸性条件下的稳定机理。

1.2.1酪蛋白的结构及其在乳体系中的稳定性

酪蛋白是牛乳蛋白的主要成分，占其总量的80-82%。酪蛋白是一类含磷蛋白质，由^1、 s2、P和X-酪蛋白组成，这四种酪蛋白能够通过“双键模型”结合成胶粒[51]，且〜1、心2、少 酪蛋白可通过疏水作用构成亚胶粒的核，进一步结合磷酸钙形成胶束。X-酪蛋白具有疏水的N- 端和亲水的C-端，其中C-末端不能与其它酪蛋白通过磷酸钙作用而使胶粒继续增长，因而使X- 酪蛋白位于最外层，构成胶粒的“发层”（hairy layer) [51]或“聚电解质刷’’(polyelectrolyte brnsh)[52] 结构，如图5所示。 9

 

图4酪蛋白的“双键，，模型[51]

Fig.4. The polymerization pathways followed in casein micelle assembly according to the dual model.[51]

一般认为，胶粒能在牛乳中稳定存在，是由于酪蛋白胶粒之间存在的静电排斥和空间位阻两 种作用的共同结果[52-54]。酪蛋白的等电点（pI)约为4.6,在牛乳中带有负的净电荷，因此胶粒 间具有静电排斥作用，然而这并不是使酪蛋白稳定的决定性因素。X-酪蛋白位于胶粒的表面， 它的C-端具有亲水作用，使胶粒表面带有高度浓缩的水化层，当胶粒相互碰撞时，弹性的水化层 可以阻挡其相互靠近。起主导作用的是X-酪蛋白的“发层”或“聚电解质刷”所提供的空间位阻效 应，即当胶粒相互碰撞时，在作用区域内伸展于胶粒表面的X-酪蛋白将损失构型熵并提供排斥 力，从而阻止了酪蛋白胶粒发生聚集。酪蛋白胶粒的稳定性与“毛发”密度、电荷密度、盐离子 浓度、溶剂极性有关[53]。

 

ADHESIVE HARO-SPHERE MODEL

图5酪蛋白胶粒示意图[52]

Fig.5. Schematic representation of casein micelles.[52]

1.2.2酪蛋白在酸性条件下的失稳机理

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酪蛋白的理化性质随pH值降低而发生如下变化：胶体磷酸钙发生溶解，胶粒的流体力学直 径逐渐减小，卜电位不断降低，胶粒所带的电荷随pH值下降，从而导致酪蛋白胶粒间的静电排 斥作用减弱[55];同时，位于胶粒最外层的f酪蛋白发生“塌陷”，其空间位阻作用也随之降低[56]， 酪蛋白因此倾向于聚集。

酸性乳饮料的pH大致在3.6-4.5之间，低于酪蛋白等电点，若体系中不加入稳定剂，酪蛋白 胶粒间易发生聚集而使体系失稳。

1.2.3多糖与酪蛋白的作用

在酸性条件下，酪蛋白自身会失稳，因此需要加入稳定剂，一般是食品级水溶性多糖。将稳 定剂用于酸性乳饮料中，可以提高体系粘度或与酪蛋白作用而达到稳定的效果[57-60]。对多糖和酪 蛋白共存的体系，有多种情况发生，如多糖是否在酪蛋白表面发生吸附，多糖是否具有凝胶作用， 多糖的浓度对相互作用的影响，具体如图6-8所示。

 

图6非吸附、非凝股多糖与酪蛋白股束作用的示意图[57] Fig.6. Nor-adsorbing, non-gelling polymer in colloidal dispersions.[57]

图6中，对于非吸附、非凝胶多糖，随着多糖浓度的增加，系统发生如下变化：（a)稳定、 (b)耗散絮凝（depletionflocculation)、（c)稳定。在多糖浓度低的情况下，体系是稳定的。 随多糖浓度升高，发生耗散絮凝，体系分为两相，一相为富含多糖的水溶液，另一相为酪蛋白的 聚集体。这种不稳定的状态经过一段时间后可能形成假稳定状态（b*) —重组紧密堆积的胶粒网 络结构。当多糖浓度继续升高，体系因粘度增加而稳定，但高浓度在实际体系中是不适用的。

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图7吸附、非凝股多糖与酪蛋白股束作用的示意图[57]

Fig.7. Adsorbing, non-gelling polymer in colloidal dispersions.[57]

图7中，对于吸附、非凝胶多糖，随着多糖浓度的增加，系统发生如下变化：（a)架桥絮 凝（bridge flocculation)、（b)稳定、（c)耗散絮凝（depletion flocculation)。在多糖浓度低

的情况下，多糖分子同时与几个酪蛋白胶粒作用，发生架桥絮凝，使酪蛋白聚集，体系失稳。如 果体系里存在过多的未发生吸附的多糖，会起耗散絮凝，多糖从酪蛋白胶粒之间排挤出来，导致 胶粒周围和胶粒之间的多糖存在浓度差，在渗透压的作用下，使胶粒发生聚集。

 

图8凝股多糖与酪蛋白股束作用的示意图[57] Fig.8. Gelling polymer in colloidal dispersions. [57]

图8中，（a)非吸附、凝胶多糖在酪蛋白胶粒周围产生网络结构；（b)吸附、凝胶多糖将 胶粒包裹在凝胶结构里，这两种情况都很稳定。（c)对吸附、凝胶多糖来说，如果多糖的浓度低 于形成凝胶的临界浓度，则发生架桥絮凝使体系失稳。

综上所述，需要选择合适的多糖，并将其浓度控制在一定范围内才能对酪蛋白起到稳定作用。

1.2.4用于酸性乳饮料中的多糖

迄今为止，高酯果胶(HM pectin)、水溶性大豆多糖（soluble soybean polysaccharide)、海藻 酸丙二醇酯（PGA)和羧甲基纤维素钠（CMC)被认为是最有效的稳定酸性乳饮料的亲水胶体。

12

1.2.4.1果胶

在中性条件下，果胶与酪蛋白之间由于热力学不相容，体系将发生相分离。随着pH值的降 低，果胶与酪蛋白间通过静电作用发生吸附，形成果胶/酪蛋白复合胶粒，这些胶粒能在体系中 稳定存在[61,62]，如图9所示。Parker等[63]证明复合胶粒的卜电位很小，不足以使体系稳定，由此 可推测吸附于酪蛋白上的果胶层所提供的空间位阻作用，是体系稳定的主要因素，相当于中性条 件下K-酪蛋白所起的作用。1以〇把『等[62]系统地研究了果胶在酪蛋白上的静电吸附。通过动态光 散射法测量酪蛋白胶粒粒径的变化发现，当体系的pH值降到5时，果胶开始吸附于酪蛋白上。 若果胶浓度足够高，粒径将随pH值的进一步降低而逐渐升高，即吸附层厚度增加。Tmmer等认 为果胶在酪蛋白上发生了多层吸附。Maroaene等[64]发现将pH值由5.3升至6.7时，果胶会发生 解吸附。将果胶用于酸性乳饮料中时，一方面体系pH值要低于酪蛋白等电点，以使果胶与酪蛋 白发生充分吸附；另一方面果胶的浓度要足够高，以避免发生架桥絮凝而使体系失稳[62,64]。

除静电排斥作用和空间位阻作用以外，也有研究认为体系中存在弱凝胶网络结构对稳定性亦 有贡献。Boulenguer等[55]通过动态流变研究表明，以果胶为稳定剂的酸性乳饮料中有弱网络结构 存在，体系存在屈服值，且钙敏性果胶比非钙敏性果胶更易于形成网络结构。Tromp等[56]的研究 进一步表明，在酸乳体系中仅有不到添加量20%的果胶与酪蛋白发生相互作用，形成果胶/酪蛋 白复合胶粒，其余未吸附的果胶与果胶/酪蛋白复合胶粒形成自支持的弱网络结构。当体系中固 体含量达到一定值后，移去未吸附的果胶，体系不会失稳。但过量果胶的加入仍是必要的，可使 果胶在酪蛋白上发生有效吸附。Tromp等[56]认为除空间稳定作用外，体系的稳定性主要是由于网 络结构所决定。

 

Fig.9. Schematic picture of the ‘replacement5 of ^-caisein by pectin on lowering pH, and casein micelles ‘coated’ with adsorbed pectin molecules. [56]

1.2.4.2可溶性大豆多糖

13

可溶性大豆多糖是一种具有类果胶结构的阴离子多糖[65]，由日本不二制油公司自1993年开 始商业化生产。可溶性大豆多糖易溶于水，且不形成凝胶，其溶液具有很好的耐酸、耐热、耐盐 性[65]。1994开始被应用到酸性乳体系中作为稳定剂[66]。可溶性大豆多糖溶液的粘度低于果胶， 用于稳定酸性乳饮料时具有更清爽的口感，并且其用量少于果胶时就可以达到相同的稳定效果， 但其价格相对较高。

Nakamura等[65]用酶解法对比研究了可溶性大豆多糖和果胶对酸性乳体系的稳定作用。当酶 解掉可溶性大豆多糖的阿拉伯多糖（arabinan)或半乳聚糖（galactan)的中性支链后，其稳定作 用消失，而酶解开主链的半乳聚糖或鼠李二半乳糖醒酸聚糖（rhamnogalacturonan)时，其对酸 性乳体系仍有较好的稳定效果。相反的是，当果胶主链被酶解后其稳定作用明显减弱，而中性支 链被酶解后稳定效果没有显著变化。根据以上实验结果，Nakamura认为可溶性大豆多糖和果胶 稳定酸性乳体系的机理不同。由阿拉伯多糖或半乳聚糖构成的中性支链多糖是可溶性大豆多糖稳 定酸性乳体系的关键因素。当可溶性大豆多糖吸附到酪蛋白表面后，较长的中性支链提供很好的 空间稳定作用以稳定酸性乳体系。而果胶相对于可溶性大豆多糖来说，主要是由于吸附有果胶的 酪蛋白复合胶粒间的静电排斥作用。这一实验结果与前述的结论是不一致的，对于果胶稳定酸性 乳体系的机理还有待于进一步的探讨。

Nakamura等[65]还对可溶性大豆多糖和果胶对酸性乳体系稳定作用的差异进行了对比研究。 果胶所带的电荷较多，在果胶/乳蛋白体系刚开始酸化时，就可以吸附到酪蛋白上，在pH为5.8-5.0 的范围内，某种程度上影响了酪蛋白胶束的重排。而可溶性大豆多糖在pH大于4.6时，不与酪 蛋白发生相互作用，当pH小于4.2时，可溶性大豆多糖的稳定效果要优于果胶。这些差别是由 两者分子结构的不同所致，可溶性大豆多糖带有少量的电荷和较长的中性支链，与酪蛋白发生吸 附后，其中性支链会提供较强的相互作用。

1.2.4.3 其他

海藻酸丙二醇酯（PGA)是海藻酸的有机衍生物。PGA分子结构中同时具有亲水性和亲油 性两种基团，具有独特的胶体特性和增稠性、稳定性、乳化性、悬浮性、成膜性以及形成凝胶的 能力，而作为添加剂用于食品工业中，其中包括酸奶和酸性乳饮料[16,67]。PGA可与耐酸性CMC、 黄原胶果胶等复配使用。

实际生产中，一般采用一种稳定剂或复配来稳定酸性乳饮料产品，其中可溶性大豆多糖、果 胶的稳定效果比较好，且风味优良，但价格比较昂贵。目前，水溶性大豆多糖主要用于日本，果 胶主要用于欧美，我国目前则主要使用CMC。

14

1.3本课题的意义及内容

CMC溶液的流变性使其在许多领域得到应用。研究CMC的流变性质有益于开发新的应用 以及对已有的应用进行改进。CMC溶液的假塑性对食品工业具有指导意义，有利于搅拌、均质、 泵输送等生产过程的进行，而当剪切力停止后粘度可恢复，能使产品具有良好的稳定性，且剪切 变稀也有利于产品风味的释放。本课题将对低取代度CMC的溶液进行系统的流变学研究。

近些年我国乳品工业有了迅猛发展，液态乳已成为我国城市型乳品企业发展的重点。酸性乳 产品由于其独特的风味及营养价值而具有广阔的市场，在我国液态乳市场上占据了相当的份额， 并且每年保持20%左右的增长速率。但对乳品企业来说，乳蛋白在酸性条件下的变性沉淀一直 是影响酸乳及酸性乳饮料生产及开发的一个关键性问题。因CMC具有多功能的特性、来源丰富、 价格便宜，我国酸性乳饮料多以CMC作为稳定剂。但对CMC的研究多限于产品配方和生产工 艺的研究，本课题将关注于CMC对酸性乳体系的稳定作用，并初步探讨在酸性条件下CMC与 酪蛋白胶粒的作用机理，这将对CMC在酸性乳中的应用、提高产品的稳定性具有一定的指导意 义。论文中也对工艺参数进行了一些研究。

本课题的主要研究内容如下：

(1) CMC溶液的流变学性质研究，包括CMC的分子结构参数、浓度、pH值、离子强度、 蔗糖的影响；

(2) CMC对酸性乳体系的稳定作用，CMC的分子结构参数、浓度、pH值、蔗糖对体系稳 定性的影响，并对在酸性条件下CMC与酪蛋白胶粒的作用机理进行初步探讨；

(3)—些工艺参数对产品稳定性的影响，包括混合温度、调酸温度、搅拌速率、均质压力。

羧甲基纤维素钠（CMC)水溶液具有一系列特殊的性质，例如增稠、增稳、乳化及粘结作 用，同时还有假塑性、触变性以及持水性、成膜性等特性，因而被广泛应用于食品、药物、化妆 品，及纺织品、造纸、建筑等工业领域中。研究其溶液体系的粘弹性和流变行为有利于开发新的 应用和对已有的应用进行改进。CMC水溶液的流动行为依赖于化学结构参数如分子量、取代度 (DS)，同时也受其他因素的影响（浓度、pH、离子强度）。本章主要研究这些因素对CMC溶液 流变性质的影响。

2.2实验材料与方法

2.2.1实验试剂

羧甲基纤维素钠（CMC)美国Acros公司美国新泽西州；

表2 CMC样品的结构参数 Table 2. The structure paratmeters of CMC samples.

CMC样品CMC (I)CMC (II)CMC (III)CMC (IV)

分子量（Mw)700,000250,000250,000250,000

取代度（DS)0.90.70.91.2

柠檬酸、氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁：分析纯，中国国药（集团）上海试剂公司;

二次蒸馏水。

2.2.2实验仪器

Gemini 200 HR 旋转流变仪：Bohlin Instruments, UK;

20

弘兴超声电子仪器有限公司； 金坛市金分仪器责任有限公司; 上海天平仪器。

CQ-250超声仪：

石英亚沸高纯水SYZ-550型: FA1004 天平：

2.2.3实验方法

在室温下溶解CMC，置于磁力搅拌器上搅拌四小时以上，放置过夜，使溶液中气泡充分释 放。实验时，用滴管取CMC溶液于流变仪平行板上，在加样过程中避免带入气泡；

在配制加入盐离子的CMC溶液时，将盐配置成溶液，按一定比例加入到CMC溶液后搅拌 两小时以上，放置过夜后测量；

流变仪选用平行板：直径40mm；板间距1mm。

2.3结果与讨论

2.3.1分子结构参数的影响

高分子的结构和它在溶液中的构象对其溶液的流动行为是至关重要的。高分子在溶液中的构 象首先取决于分子的化学结构，其他的影响因素还包括浓度、温度、溶剂等。分子链的刚柔性、 链的伸展和空间需求决定了单个分子的流体力学体积，而它会影响高分子溶液的流动行为。CMC 是阴离子型线性高分子，它有两个重要的结构参数，即分子量和取代度（DS)。

2.3.1.1CMC的分子量对溶液流变性质的影响

我们分别将两种CMC样品（相同取代度、不同分子量）超声降解不同时间，得到了一系列 具有不同分子量的CMC。

超声降解是通过施加超声波，使溶液起伏产生压力。在不同的压力作用下，有气泡生成，直 径可达100ym。这些气泡达到一定尺寸后，在不到一微秒内破裂，释放出高能量（气穴现象)， 使高分子在两个破裂气泡间的拉长区域内断裂（图10)。链的断裂一般发生在重心附近。大分子 比小分子降解得快，这是由于后者有较大的流动阻力，即当分子量增加时降解速率也增加。当高 分子的分子量下降到一个临界值后，即在一定链长以下，力不足以破坏化学键，使分子链继续断 裂。支链高分子比直链高分子难降解[1]。

21 

Fig

已有研究表明，在降 解时间的增长，多分散性 程，降解产物的取代度不 分子量为70万的CMC ( 万的CMC (III)水溶液( 样品。

图11不同分 Fig.11. Viscosil in 0

图11为不同分子量1

 

图10超声降解示意图[2]

.10. Schematic representation of the polymer deg in an elongational ^ow field caused by cavitatio

解的过程中结构单元的化学结构保持不变。如 略有下降[1]。与化学降解及热降解相比，超声 会改变，多分散性也在一定范围内。因此我们 I)水溶液（1wt°%)分别降解10分钟、30分亲 〔1wt%)分别降解20分钟、40分钟，得到共计

 

radation

n

果样品是多分散的，随 降解是一个相对确定的 采用超声降解的方法，

中、60分钟，分子量为 卜七种不同分子量的CM

降

过

将

25

C

CMC( III)

CMC( III)20min

CMC( III)40min

CMC( I)

CMC( I) CMC( I)10min

30min

CMC( I)60min

*ed / U

 

0.01 0.1 1 10 100 1000

Y/s-1

■子量的CMC溶液的流变曲线（c=1.0wt%，0.0 y as a function of the shear rate for CMC with di .01M NaCl solution at a concentration of c=1% (

的CMC溶液在室温下的流变曲线。从图中，

1M NaCl，25°C) ferent molar masses T=25°C).

我们可看到，在低剪切

22

 

率范围内，高分子溶液的粘度是不随剪切速率变化的，此粘度称为零剪切粘度，n。。随着分子量 的增加，高分子链开始贯穿，不同分子链间发生缠结，导致升高。粘度的变化在零切粘度范 围内最为明显，随着剪切速率的升高，变化减小，这使分子量的大小在高剪切速率范围内不能区 分开来。达到临界剪切速率•以后，粘度随剪切速率增大而降低，表现出非牛顿性，呈现剪切 变稀行为，此范围被称为非牛顿区或幂律范围。临界剪切速率随浓度、分子量的增加向低值移动， 见图11、图18。剪切变稀是由高分子链在溶液中解缠结，或是分子链拉伸、在流动方向上取向 多重作用的结果。

rod/ --°-0

 

0.01 0.1 1 10 Frequency / Hz

*ed /v

—0min G' —口一 0min G'' 来 0min n* —10min G' —O— 10min G'' 10min n* —A— 30min G' —A— 30min G'' 来 30min n* —60min G' 60min G'' 60min n*

在低分子量时，零剪切粘度n〇与分子量M成一次方关系；随分子量进一步增加，达到临界 分子量Mc，n〇随M34增长。可以设想，M依赖性的改变是分子链缠结的结果，缠结不仅仅是相 邻分子间的重叠，因为在相当低的分子量下也发生重叠。在高于临界分子量的区域内，溶液是高 弹性的。

0.01

图12不同分子量的CMC的动态测试结果（y=10%,c=1%,T=25°C)

Fig.12. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC with di^erent molar masses in aquenous solutions at a concentration of 1% (y=10%,T=25^).

CMC(I)经过超声降解后得到的一系列不同分子量的CMC，图12为其动态测试结果。由图 可见，复粘度n*随CMC超声降解时间的增长，即分子量的降低而降低，与稳态剪切粘度n—致， n*和n的值在同一个数量级内，n*随频率升高而逐渐降低。储能模量和损耗模量一般在线性粘弹 区内以固定振幅做频率扫描得到。在低频率下，损耗模量G”高于储能模量G'。这是因为频率低 时，松弛时间足够长，形变缓慢发生，大部分能量通过粘性流动而损耗，分子处于能量较低的状 态中。松弛是通过分子链间的缠结点滑移而进行的。当频率升高时，有效松弛时间减少。分子链 间没有足够的时间发生滑移，这些缠结点越来越类似于固定的网络点。这种临时网络结构储存能

23

某一特征 间。分子 I长增加，

rod / b ■0

0.01

0.01

 

来米

-ed /v

—0min G' —0min G'' —0min n* —60min G' —60min G''

60min n*

0.1 1 Frequency / Hz

10

图13 CMC(I)、CMC(I)-60min的动态测试结果 Fig.13. Storage modulus and loss modulus as functions with di^erent molar masses in aquenous solutions at a concei

Y=

5°C).

图14给出了分子量对损耗角正切tan5的影响，tan5随分 降低时，储能模量比损耗模量下降地快，溶液中的粘性成分升

于流动。

当分子量 '粘性，易

 

量的能力不断升高，溶液趋向于弹性体。储能模量G'迅速 频率时，两条模量曲线相交，交点G’(《)=G’’(u)的倒数对 量的变化导致交点沿着频率轴移动，几乎在一条水平线上。 松弛能力减弱，交点向低频移动，见图13。

图14不同分子量的CMC的损耗角正切与角频率的关系 Fig.14. tan S as a function of the angular frequency for CMC with different molar masses.

24

*ed / p

2.3.1.2CMC的取代度（DS)对溶液流变性质的影响

SampleDS

CMC( II)0.7

CMC( III)0.9

CMC( IV)1.2

 

0.1 f

0.01 0.1 1 10 100

Y/S-1

图15不同取^代度的CMC溶液的粘度与剪切速率的关系（c=1%,T=25C)

Fig.15. Viscosity as a function of the shear rate for CMC at a constant malor mass and constant concentration (c=1%) and different DS in aqueous solution (T=25^)

除分子量外，CMC分子上取代形式的不同也会使溶液的流变行为发生变化。图15为不同 CMC溶液的流变曲线，CMC (II)、CMC (III)、CMC (IV)的分子量为25万，取代度分别为

*ed / 厂

0.1

0.1

CMC( IV) CMC( III)

 

10

100

0.7、0.9、1.2。由于仪器灵敏度所限，在CMC浓度为1%时，对于低分子量的CMC只得到较高

Y / S-

图16不同取代度的CMC溶液的粘度与剪切速率的关系（c=1.5%,T=25°C)

Fig.16. Viscosity as a function of the shear rate for CMC at a constant malor mass and constant concentration (c=1.5%) and different DS in aqueous solution (T=25^)

25

剪切速率下的数据。但从图中仍可看出，随取代度增加，溶液的粘度升高，从图16中（c=1.5%) 也可看出。这要归因于溶液结构的变化。CMC是阴离子型高分子，取代度增加，分子链间的静 电斥力作用增大，分子更趋向于伸展，同时与水分子作用增加，使CMC的流体力学体积增大。 而实际上，溶液粘度是大分子流体力学体积的衡量标准，所以取代度的增加会引起溶液粘度的升

高。

£

〇

 

DS=0.7 G' DS=0.7 G'' DS=0.7 n* DS=0.9 G' DS=0.9 G'' DS=0.9 n* DS=1.2 G' DS=1.2 G'' DS=1.2 n*

图17为不同取代度的CMC溶液的动态实验结果。其中复粘度n*随取代度（DS)的升高而 增加。取代度升高，储能模量G'和损耗模量G”都相对上升，两者的交点略微升高，这是因为取 代度不同，使分子在溶液中的构象也有差异。

图17不同取代度的CMC溶液的动态测量结杲（（c=1.5%,y=10%,T=25°C ))

Fig.17. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC with different DS in aquenous solutions at a concentration of 1.5% (y=10%,T=25^).

2.3.2 CMC的浓度对溶液流变性质的影响

粘度同样也依赖于浓度，图18给出了分子量为70X 104、DS为0.9的CMC(I)在不同浓度下 的流变曲线。浓度对溶液粘度的影响类似于分子量。浓度的升高使链段密度增加，与分子量升高 作用相同，通过分子间作用力的增强使零剪切粘度升高，如图19所示。即使在高剪切速率区， 不同浓度的CMC溶液的粘度仍可区别开，这与分子量的影响不同。

26

*ed / p

 

0.4 wt% —4— 0.5 wt% 0.6 wt% —0.8 wt% -A- 1.0 wt% —1.5 wt% 2.0 wt%

*ed A

 

图18 CMC(I)在不同浓度下的流变曲线（T=22°C)图19n〇与浓度的关系（^22°C)

Fig.18 Viscosity as a function of the shear rate for CMC(I)Fig.19. Zero-shear viscosity as a function

for various concentrations in aqueous solution (T=22^).of concentration of CMC (I) ( T=22〇C ).

 

Fig.20. Scheme of the concentration of the polyelectrolyte for the different critical concentrations[3].

U.Kasner等[3]将CMC在溶液中的构象分为四种状态，对应于四个临界浓度，如图20。在低 浓度时，分子链间因静电作用呈伸展状态。C=C。时，分子间的距离等于分子链的持续长度；C=Ci 时，伸展的分子链开始发生交迭；C=C2时，卷曲的分子链开始发生交迭，浓度达到C2后，聚电 解质行为类似于不带电荷的高分子；C=Q时，分子链缠结开始形成凝胶。临界浓度的确定受分 子量影响很大。本实验中所用CMC浓度在C2〜C3之间，溶液具有粘弹性。在CMC浓度为3 % 时，已形成凝胶。

[3]

图20不同浓度的聚电解质在溶液中的构象示意图：（a) C=C〇;(b) C=Ci;(c) C=C2;(d) C=C

CMC溶液具有假塑性的。Power-law定律（公式（1))即幂率模型适用于流动曲线近似于中 央的区域，即在第一牛顿区和第二牛顿区之间。图21为CMC (I)在不同浓度下的应力与剪切

27

速率的关系。在剪切速率为0.1s-1以后用幂率模型，与曲线符合度较好，算得的参数列于表3中。 从图22中可看出，流动指数n随浓度的升高而下降，表明CMC溶液的假塑性随浓度升高而愈 加明显。

100-：

1〇1

1

0.1

 

-►-0.4 wt% -4- 0.5 wt% -♦-0.6 wt% —0.8 wt% -A- 1.0 wt% —1.5 wt% 2.0 wt%

001 

0.01 0.1 1 10 100

Y / s-1

 

T=K^Y⑴

图21 CMC(I)在不同浓度下的应力与剪切速率关系图22 CMC(I)的流动指数与浓度的关系

Fig.21. Stress as a function of the shear rate for CMC (I)Fig.22. Flow index as a function of

at different concentrations.concentration for CMC(I).

表3幂率关系式的参数（0.1s-1以后的数值） Table 3. The patameters of the power-law model

浓度（％)0.40.50.60.811.52

n0.72960.71380.67180.61320.57490.47580.3754

K0.3720.60370.99442.0523.84913.2635.96

r0.99830.99430.99250.99180.98650.98650.988

图23为CMC (I)在浓度为1 %和2%时的触变循环曲线。触变循环是对材料施加线性增大 或减小的稳态剪切速率。触变行为描述了在受负荷时结构的退化，因此当施加剪切时，粘度会减 小。在负荷去除后，初始粘度可以恢复。结构恢复的程度取决于恢复的时间。因此当施加不断增 加的剪切时，触变材料会表现出剪切变稀行为，这是因为结构分子或粒子的取向会转到流动方向。 当外力去除后，经过一段时间后，其初始结构可以恢复。初始结构的恢复存在一个时间滞后。触 变循环曲线表示了一种材料的形变历史，并且提供了其对时间依赖性的定性信息。循环曲线的面

28

150

0

1 wt% —2 wt%

rod / ssa-s

 

Y / S-'

积表示在负荷去除后，样品结构恢复的速度，它取决于样品的本质和负荷去除后所经历的时间。

图23 CMC(I)在不同浓度下的触变循环曲线

Fig.23. Thixothropic response of 1-2% CMC solutions.

 

*rad/v

0.01 0.1 1 10 Frequency / Hz

2.0% G' -□-2.0% G''

-米一2.0% n*

1.5% G' -〇- 1.5% G'' -米一1.5% n* 1.0% G' -A- 1.0% G'' -米一1.0% n*

对于图23所测的触变循环曲线，剪切速率分为三个阶段，先由0升到100 s—1，时间为60s， 在剪切速率达到100s-1后，剪切60s，使溶液结构充分破坏，再使剪切速率逐渐降为0,这个过 程也为60s。对不具有时间依赖性的流体来说，向下的曲线应和向上的曲线重合。CMC (I)在 浓度为1 %时几乎重合，相对而言浓度为2%的CMC溶液具有一定程度的触变性。

图24 CMC(I)在不同浓度下的动态测试结杲（y=10%,T=25°C)

Fig.24. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC in aqueous solution at different concentrations (y=10%,T=25^)

29

图24为CMC (I)在不同浓度下的动态测试结果。如图所示，溶液的复粘度随浓度的增力口 而升高。当CMC的浓度升高时，即链段密度增加，松弛变得困难，G'与G''的交点，G’(《)=G’’(《)， 向低频移动。此外，因为链段密度升高，缠结点增多，使模量上升，因此储能模量和损耗模量的 交点也升高。

2.3.3离子强度对溶液流变性质的影响

CMC带有羧基基团，是一种聚电解质。在水溶液中，由于同性电荷的静电排斥作用，分子 链以伸展的状态存在于溶液中。这样会引起本征粘度的升高，即与不带电荷的高分子相比粘度较 高，这种作用称为聚电解质效应[2,4]。当溶液中的离子强度改变时，粘度也随之发生变化。取代 度高的CMC对离子强度的变化更为敏感[3]。

*ed / 厂

 

■ pH7.60

pH6.08

PH5.08

PH4.04

PH3.15

PH2.56

 

2.3.3.1pH值对溶液流变性质的影响

0.01 0.1 1 10 100

Y / s-1

图25 CMC(I)在不同pH值下的流变曲线（c=1%,T=25°C)

Fig.25. Viscosity as a function of the shear rate for CMC (I) at different pH ( c=1%,T=25 °C ).

lwt%的CMC溶液，pH值一般在7〜8.5之间[5,6]。pH值降低，分子链上所带的负电荷被中 和，趋向于卷曲，使溶液粘度下降，如图25、图26所示。CMC的pKa约为3.2,在pH低于此 值时，溶液粘度略有升高，如图25。当CMC溶液的pH值过低时，最终形成CMC游离酸而沉 淀，所以CMC不能用于酸度过大的食品当中[6]。

30

0.1 -

ed/--u-9

 

*ed/v

0.01 0.1 1 1_0 Frequency / Hz

图26 CMC(I)溶液在pH值为7.60、6.08时的动态测试结果（y=10%,c=1%,T=25°C) Fig.26. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC( I) in aqueous solution at different pH (y=10%,c=1%,T=25^)

图26为1%的CMC (I)溶液在pH值为7.60、6.08时的动态实验曲线，在这两个pH值下， 复粘度以及储能模量、损耗模量基本上是重合的，与稳态的实验的结果是一致的。

s*ed /*-厂

 

0.01 0.1 1 10 100 Y / s-1, w / rad*s

〕n* 〕n

根据Cox和Merz的经典公式，对于熔体和均一溶液来说，复粘度n*和剪切粘度n分别对 角频率和剪切速率作图是基本重合的，如图27所示。如果溶液中存在超结构，那么在剪切力的 作用下，会与Cox-Merz模型发生偏离。随着剪切速率增加，剪切粘度将会比复粘度小。

图27 CMC(I)溶液的剪切粘度、复数粘度与剪切速率、角频率的关系（c=1%,T=25°C) Fig.27. Complex oscillation viscosity as a function of the angular frequency as well as the shear viscosity as a function of the shear rate for CMC( I ) ( c=1%,T=25^ ).

31

*ed /v

pH6.08 G'

pH6.08 G''

pH6.08 n*

pH5.08 G'

pH5.08 G''

pH5.08 n*

-A-pH4.04 G'

—A-pH4.04 G''

pH4.04 n*

rod/ --°-0

 

0.01 0.1 1 10 Frequency / Hz

图28 CMC(I)溶液在不同pH值下的动态测试结果（y=10%,c=1%,T=25°C)

Fig.28. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC( I) in aqueous solution at different pH (y=10%,c=1%,T=25^)

图28、29为CMC (I)溶液在不同pH值下的动态测试结果。由图29中可看出，随pH值 的降低，溶液的n*、G'和G''均下降，且G'和G''的交点略向高频移动。低于pKa时，见图30, pH值为2.56的样品比3.15的n*、G'和G"均升高，G'和G''的交点略向低频移动，可能CMC在

溶液中的构象发生了变化。

-pH3.15 G'

-pH3.15 G''

-pH3.15 n*

pH2.56 G'

pH2.56 G''

pH2.56 n*

 

*ed /v

0.01 0.1 1 10 Frequency / Hz

图29 CMC(I)溶液在不同pH值下的动态测试结杲（丫=10%，c=1%,T=25°C) Fig.29. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC( I) in aqueous solution at different pH (y=100%，c=10/〇，T=25°C)

2.3.3.2钠离子对溶液流变性质的影响

32

100 "q

1.2 Wt %

-■-H2〇0.01M NaCl 0.10M NaCl 1.00M NaCl

1.0 Wt %

H2〇0.01MNaCl0.10M NaCl1.00M NaCl

0.8 wt %

-^4- H2〇0.01MNaCl0.10M NaCl1.00M NaCl

0.6 wt %

H2〇0.01MNaCl0.10M NaCl1.00M NaCl

0.4 wt %

■ H2〇0.01MNaCl0.10M NaCl1.00M NaCl

 

0.01

0.1

10

100

聚电解质在离子化溶剂中，不仅和普通高分子的溶液性质不同，而且表现出在低分子电解质 中也看不到的特殊行为。溶液中的聚电解质和中性聚合物一样，呈无规线团状，离解作用产生的 抗衡离子分布在高分子离子周围。然而，随溶液浓度和抗衡离子浓度的不同，聚电解质的尺寸也 会发生变化。如CMC,在浓度较稀时，由于钠阳离子远离高分子链，高分子链上的阴离子互相 产生排斥作用，使链的构象与中性高分子相比更为舒展，尺寸较大。当溶液的浓度增加，由于高 分子离子链相互靠近，构象变得不太舒展。而且，钠阳离子的浓度增加，在聚阴离子链的外部和 内部进行扩散，使部分阴离子静电场得到平衡，以致其排斥作用减弱，链发生卷曲，尺寸缩小。 如果在溶液中加入强电解质如Na+，相当于增加了抗衡离子的浓度，其中一部分进入高分子离子 链中而屏蔽了有效电荷，由阴离子间静电排斥引起的链的扩展作用减弱，强化了卷曲作用，使尺 寸更为缩小。所以加入单价阳离子(Na+)，会使聚电解质效应下降。从图30中可看到，在CMC 浓度较低时，这种聚电解质效应的变化最为明显，溶液粘度随所加入的NaCl浓度的增加而降低。 当CMC浓度升高，分子链相互靠近，分子间作用力增强，使聚电解质效应的变化减弱。

1000

Y /s-1

图30 CMC(I)溶液在不同浓度下加入不同浓度的NaCl的流变曲线（7 =25°C) Fig.30. Viscosity as a function of the shear rate for CMC( I ) in different saline solutions and at different concentrations ( T =25°C ).

33 

 

0M NaCI G' 0M NaCI G'' 0M NaCl n* 0.2M NaCl G' -O- 0.2M NaCl G'' -X- 0.2M NaCl n*

*ed / V

0.1 1 10 Frequency / Hz

液在不同NaCl浓度下的动态测试结杲（c=0.8%,T=25°C) ilus and loss modulus as functions of the frequency for CMC( I ) ferent saline solutions (y=10%,c=0.8%,T=25^).

3钾离子的影响

溶液中

动。

2.3.3.

N

 

 

0M KCl 0.001M KCl -nA.- 0.01M KCl 0.05M KCl 0.10M KCl 0.20M KCl

red / 厂

 

]

图32 CMC(] Fig.32. Viscosity as a func

34

:)在不同K浓度下的流变曲线（c=0.8%,T=25°C)

:tion of the shear rate for CMC( I) in different kalium solutions (c=0.8%，T=25〇C).

G••下降，且G’和G•的交点向高频移动，如图32。Na+使CMC在 连趋向于卷曲，分子间的内摩檫减小，溶液的粘度下降，更易于流

CMC溶液的粘度随加入的钾呙子浓度的升高而降低，当钾呙子浓度到一定值时，如图32 所示，在浓度为0.05M〜0.2M，CMC溶液的粘度变化很小，此时，CMC所带的负电荷几乎被屏 蔽，聚电解质效应消除，与钠离子的作用相同。

2.3.3.4钙离子对溶液流变性质的影响

增模

 

Y / S_，

10

100

—0M

0.0005M -AT- 0.001M -Y- 0.002M 0.004M -4- 0.006M 0.010M 0.015M 0.020M -0- 0.030M -口一 0.040M -0- 0.060M -A- 0.100M

 

0.040.08

[CaCy / M

0.00

加入Ca2+也会影响聚合电解质链的伸展，它对CMC溶液6 34所示，首先Ca2+浓度的增加导致粘度下降，因为抵消了聚 分子链上不同羧基作用，使分子链卷曲，也会使粘度降低。当 上的负电荷接近中和时，聚合电解质效应完全抵消，粘度达到 粘度降至一定值后反而上升。这是因为在剩余电荷的作用下， 加。更进一步地说，通过Ca2+形成超结构从而引起粘度增加。 型)，高分子间会通过Ca2+发生鳌合作用（如图37)。

0.01

图34粘度（0.14 s-1)对CaCl2浓度 的曲线（T=25°C)

图33 CMC(I)溶液中加入不同浓度的CaCl2的流变 曲线（c=0.8%,T=25°C)

different calcium solutions (c=0.8%,T=25〇C).

function of concentration of Ca

2+

Fig.33. Viscosity as a function of the shear rate for CMC( I ) in Fig.34. Zero-shear viscosity as a

CMC并未像低酯果胶和海藻酸钠那样，在Ca2+作用下形成凝胶。这与分子结构有关，低酯 果胶中的半乳糖醛酸和海藻酸钠中的古洛糖醛酸及其分子中的糖苷键使之具有接受Ca2+的空间 构型[7-10]，而CMC的分子链趋向于带状，不易于接受Ca2+，形成三维网络结构，生成凝胶。

35

 

图35 CMC与Ca2+鳌合的示意图[2]

Fig.35. Formation of associates according to the ‘egg-box5 model by chelation of calcium ions21.

sled / 厂

0M CaCl2 0.002M CaCl2 0.005M CaCl2 0.01M CaCl2 0.02M CaCl2 0.035M CaCl2 0.08M CaCl2 0.10M CaCl2

 

*ed A

 

0.000.050.100.150.200.25

[CaCy / M

为了比较CMC的取代度（亦即电荷密度）对Ca2+的影响，我们用1.5%的CMC (III)、CMC (IV)溶液做了比较。图36为分子量为25X 104、DS为1.2的CMC溶液在加入不同浓度的钙离 子后的流变曲线，图37给出了溶液的零剪切粘度随钙离子浓度的变化；图38、39为分子量为 25X 104、DS 为 0.9 的 CMC 溶液。

10 100

Y / s"'

图36 CMC(IV)溶液中加入不同浓度的CaCl2的流 图37零切粘度对CaCh浓度的曲线 变曲线（c=1.5%,T=25°C)(T=25°C)

Fig.36. Viscosity as a function of the shear rate for CMC(IV) Fig.37. Zero-shear viscosity as a in different calcium solutions (c=1.5%,7=25^).function of concentration of Ca2+.

当CMC (IV)溶液中加入0.2MCaCl2后，溶液呈乳白色，搅拌的过程中，可明显观察到粘 度下降，放置过夜后，溶液发生相分离，上层澄清、下层为乳白色松散沉淀，如图39 (a)所示， 其中图39 (c)为CMC (IV)水溶液。CMC (III)样品的行为与之不同，如图38所示，在CaCl2

36 

的浓度为0.2M时，溶液呈现明显的剪切变稀行为。此时，溶液呈淡乳白色，如图39 (b)，溶液 中可能存在超结构，有微观相分离。

*ed / 厂

 

 

■ 0M CaCl2 0.002M CaCl2 -A- 0.005M CaCl2 0.01M CaCy 0.02M CaCl2 -4- 0.03M CaCl2 一口一 0.05M CaCy -O- 0.08M CaCl2 0.10M CaCl2 0.20M CaCl22

0.1 -

0.01

0.1 1 10 100

Y / s-1

图38 CMC(III)溶液中加入不同浓度的CaCl2的流变曲线（c=1.5%,T=25°C) Fig.38. Viscosity as a function of the shear rate for CMC(III) in different calcium solutions

(c=1.5%，T=25°C).

g§g

(a)(b)(c)

图 39 不同的 CMC 溶液：（a)CMC(IV)+0.2M CaCl2;

(b)CMC(V)+0.2M CaCl2;(c) CMC(IV)水溶液 Fig.39. Different CMC solutions:(a) CMC(IV)+0.2M CaCl2；

(b) CMC(V)+ 0.2M CaCl2； (c) CMC(IV) aqueous solution.

当钙离子的浓度低于化学计量点（CMC与CaCl2的电荷中和）时，复粘度n*随钙离子的加 入而降低，同时G’、G”下降，交点向高频移动。随钙离子浓度的进一步增加，复粘度反而上升， 同时G’、G”明显升高，而储能模量G'比损耗模量G"上升更为明显，交点向低频移动，如图40。 DS为0.9的CMC,当钙离子浓度为0.2M时，溶液变得不透明，呈淡乳白色。tan5随钙离子的 加入先升高后降低，如图41,当钙离子浓度达到0.2M时，tan5接近于1,类似于凝胶的行为。

37

10

0.01

0.01

 

0.1 1 Frequency / Hz

*ed / V

0M CaCl2 G'

0M CaCl2 G"

0M CaCl2 n* 0.015M CaCl2 G' -O- 0.015M CaCl2 G'' -)K- 0.015M CaCl2 n* -i 0.2M CaCy G' -A- 0.2M CaCl2 G'' 0.2M CaCl2 n*

 

0MCaCl2

0.015M CaCl2 -A- 0.2M CaCl2

图40 CMC(I)溶液在不同CaCl2浓度下的动态测试结果（y=10%,c=0.8%,T=25°C) Fig.40. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC( I ) in different calcium solutions (y=10%,c=0.8%,T=25^).

图41 CMC(I)在不同CaCl2浓度下的损耗角正切tan5与频率的关系 Fig.41. tanS as a function of the frequency for CMC(I) in different calcium solutions.

2.3.3.5镁离子对溶液流变性质的影响

镁离子对CMC溶液的影响类似于钙离子，随离子浓度的升高，使溶液的粘度先下降而后上 升，如图42、图43。但是粘度的变化相对钙离子较小，这是因为镁离子的半径小，鳌合作用弱 于钙离子。

38

 

 

图42 CMC(I)溶液中加入不同浓度的MgCl2的流变图43粘度（0.37 s-1)对MgCl2浓度的 曲线（c=0.8%,T=25°C)曲线（T=25°C)

Fig.42. Viscosity as a function of the shear rate forFig.43. Viscosity (0.37 s-1) as a function

 

0M MgCl2 G'

-口_ 0M MgCl2 G"

0M MgCl2 n*

—0.015M MgC^ G' -O- 0.015M MgCl2 G'' 0.015M MgCl2 n* 0.2M MgCy G' -A- 0.2M MgCl2 G'' 0.2M MgCl2 n*

Fig.44. Storage modulus and loss modulus as functions of the frequency for CMC( I ) in different magnesium solutions (y=100%，c=0.80%，T=25〇C).

CMC(I) in different calcium solutions (c=0.8%,7=25^). of concentration of Ca2+.

图44 CMC(I)溶液在不同MgCl2浓度下的动态测试结杲（y=10%,c=0.8%,T=25°C)

镁离子与钙离子的作用相似，但在化学计量点之后，随镁离子浓度增加，复粘度的上升不如 钙离子明显。G’、G”先随镁离子的加入下降，交点向高频移动，后随镁离子浓度的进一步增加而 升高，交点向低频移动。

2.3.4蔗糖对溶液流变性质的影响

39

*ed /r

no sucrose —2% sucrose —4% sucrose ♦ 6% sucrose —4— 8% sucrose

 

0.01 0.1 1 10 100

Y / s'1

图45 CMC(I)溶液中加入不同浓度的蔗糖的流变曲线（c=1%,T=22°C)

Fig.45. Viscosity as a function of the shear rate for CMC( I ) at the concentration of 1% in different sucrose solutions (T=22°C).

 

concentration of sucrose / %

加入蔗糖，CMC溶液的粘度升高，如图45。蔗糖是一种强需水剂，与CMC竞争结合溶液 中的水分子，等同于提高了 CMC的浓度，从而使溶液粘度升高。随蔗糖浓度升高，流动指数 (<0.1s-1)下降，溶液的假塑性提高。

图46流动指数对蔗糖浓度的曲线 Fig.46. The flow index as a function of the sucrose concentration.

2.3.5溶解方法对溶液的影响

图47为在不同条件下溶解的CMC( I)溶液的稳态流动曲线，其中曲线1、2、3分别表示在 室温下溶解、75°C下溶解、室温下溶解后在75°C下恒温一小时的CMC(I)溶液。CMC是水溶性 纤维素衍生物，易溶于冷、热水中。在本实验中，用不同溶解方法制备的CMC溶液得到的流变

40

曲线是一致的，本章以上实验均米用在室温下溶解的方法。

 

*ed / 厂

CMC( I) -1 CMC( I) -2 CMC( I) -3

 

一00

10-

图 47 CMC(I)的流动曲线（c=1%,T=25°C)

Fig.47. Viscosity as a function of the shear rate for different CMC solutions ( c=1 % ,T=25°C ).

2.4本章小结

CMC溶液一般是假塑性的，溶液的粘度随剪切速率的升高而降低。CMC分子的结构参数、 浓度、溶液的pH值、离子强度、蔗糖含量都会对溶液的流变行为产生影响，所得结果如下：

(1)溶液的零剪切粘度随CMC的分子量、取代度的升高而增加。分子量升高即分子链增 长，分子链间易缠结而使溶液粘度升高。取代度高的CMC分子在溶液中以较伸展的状态存在， 流体力学体积相对较大，粘度较高；

(2)CMC溶液的粘度随浓度增加，溶液具有粘弹性。当CMC的浓度达到一定值时可形成

凝胶；

(3)溶液的粘度随pH降低，当低于pKa后，粘度略有上升，最终形成游离酸而发生沉淀。 CMC为聚阴离子型高分子，当加入一价盐离子Na+，K+后，粘度随之降低。二价阳离子Ca2+的 加入使溶液的粘度先降低而后升高，当Ca2+的浓度高于化学计量点后，CMC分子与Ca2+作用， 溶液中存在超结构。电荷密度（DS)影响盐离子的作用，CMC的DS高时，溶液中加入大量Ca2+ 易产生沉淀。Mg2+对CMC溶液的作用与Ca2+相似，但弱于Ca2+;

(4)蔗糖的加入使CMC溶液的粘度升高。

第三章CMC对AMD稳定性的研究

3.1引言

酪蛋白能稳定存在于牛乳中，一般认为是胶粒之间的静电排斥和空间位阻共同作用的结果 [1-3]。在酸性条件下（低于等电点时），酪蛋白胶粒倾向于聚集而使体系失稳[4, 5]。因此在酸性乳 饮料（acidified milk drinks, AMD)的生产过程中，需要加入稳定剂以提高体系的稳定性。酸性 乳饮料是以鲜奶、复原奶或豆奶为主要原料，添加甜味剂、稳定剂、香精和色素等辅助原料，利 用活性菌进行乳酸发酵或直接添加果汁、食品酸等（乳酸、苹果酸和柠檬酸等）调配而制得的 pH介于3.8到4.2之间，蛋白含量大于1%的含乳饮料[6]。酸性乳饮料一般分为两类，分别为调 酸型和发酵型，本章中会探讨两种样品稳定性的差异。

CMC可作为稳定剂用于酸性乳饮料中。CMC的分子结构参数、浓度及体系的pH值、蔗糖 含量均对AMD的稳定效果产生影响。本章将讨论这些参数对样品稳定性的作用，并对在酸性条 件下CMC与酪蛋白的作用机理进行初步探讨。

3.2实验材料与方法

3.2.1实验试剂

表4 CMC的样品信息

Table 4. Information for different CMC samples.

样品来源简称分子量1°%水溶液粘度取代度（DS)

美国Acros公司CMC⑴700,00011420.9

CMC(II)250,0001450.7

CMC(III)250,0001710.9

CMC(IV)250.0002411.2

CMC(V)90,00042.20.7

日本第一工业制 药株氏会社FBSH-5-7680.7

FBSH-6-19700.7

FBSH-12-38070.7

江苏威仪RJC04119-950.7

43

表4 CMC的样品信息（续）

Table 4. Information for different CMC samples.

样品来源简称分子量1%水溶液粘度取代度（DS)

江苏威仪RJC04120-9890.7

丹尼斯克（中国）FH9-3520.7

这里1%水溶液粘度为在lOOrpm下Brookfield粘度（25°C)

新西兰 Fonterra, Co., Ltd.

脱脂奶粉 果胶AMD783 白砂糖 柠檬酸 菌种MY105 叠氮化钠

3.2.2实验仪器

丹尼斯克（中国）有限公司 太古糖业有限公司 上海试剂一厂，分析纯 丹尼斯克（中国）有限公司 上海科旺化学试剂有限公司

IKA，LABORTECHNIK RaNVIE,丹麦哥本哈根 Metrohm，瑞士 上海安亭科学仪器厂 Brookfield，美国 Formulation,法国 马尔文仪器有限公司，英国

搅拌器（RW20D2M.n)

均质机（二级） pH 计（744 型）

大容量低速离心机（DL-5)

粘度计（DV-I+)

垂直扫描宏观分析仪（Turbiscan，MA2000) 激光粒径分析仪（Mastersizer 2000)

3.2.3实验方法 3.2.3.1酸性乳饮料（AMD)的制备方法

(1)调酸型酸性乳饮料AMD(A) (4%乳固体，0.4%CMC，8%蔗糖)

1.溶8%的脱脂奶粉（45C)

2.溶0.8%CMC和16%的蔗糖混合物（75C)

3.将溶液冷至室温下，等量混合搅拌

44

4.将混合后的溶液温度降至20°C以下，用柠檬酸将pH值调到4.00

5.将溶液升温至65°C，在200bar下均质

6.溶液分装至小瓶中，在90C下巴氏灭菌30分钟

(2)发酵型酸性乳饮料AMD(F) (4%乳固体，0.4%CMC，8%蔗糖）

1.溶12%的脱脂奶粉（45 °C)

2•在90C下巴氏灭菌

3.将牛奶冷却到40C以下，加入相应量的菌种 4•在42C下发酵至pH4.2 5 •溶0.8%CMC和16%的蔗糖混合物（75C)

6•将发酵后的牛奶，CMC、蔗糖水溶液冷却后混合，并加入相应量的水，使乳固体含量为4%， CMC为0.4%，蔗糖含量为8%

7•溶液冷却至20C以下，用柠檬酸将pH值调到4.00 8 •将溶液升温至65C，在200bar下均质 9•溶液分装至小瓶中，在90C下巴氏灭菌30分钟

3.2.3.2沉降量的测试方法

称量离心机专用试管的重量Wi，在试管中加入40gAMD样品，放入离心机中在4696r/min 下离心20mm，将试管中样品倒出，试管倒立5mm后称其重量为W2,沉降量用下式计算：

沉降量=(W2-W1) /40X100%

每个样品进行三次平行实验，取其平均值。

3.2.3.3Turbiscan 的测试方法

垂直扫描宏观分析仪（Turbiscan)的核心部分是一个能沿着圆柱型测试管轴向移动从而扫描 整个样品高度的读数头，读数头内置有一个脉冲近红外光源和两个同步的光探测器(透射光探测 器和背散射光探测器）。透射光探测器接收透射过样品的光，背散射光探测器接收从样品1350处 背散射的光，如图48(a)。读数头在最大80mm的样品高度上每隔40ym捕获透射光和背散射光 的数据，读数头的工作周期等可以由程序设定。用背散射光（Back Scattering，BS)或透射光 (Transmission，T)的百分率对样品高度作图显示在仪器的屏幕上，这些数据表征产品的均一性、 颗粒的浓度和直径，如图48(b)。

45

 

图48 Turbiscan的测试原理图 Fig.48. Conformation of Turbiscan.

每隔一段时间对样品做一次数据采集，采集的曲线叠加在一张图中，曲线的变化反映出产品 的稳定情况，如图49所示。如果体系稳定，颗粒尺寸或者体积分数不发生变化，则每次测得的 BS和T曲线重合；如果颗粒发生移动（顶部或底部的浓度变化），相应位置上的透射光和背散射 光强度也就地变化；若粒子大小增加，如在样品中的粒子（在样品的整个高度上）全部变化，测 得的透射光强度和背散射光强度也全面变化。在分析Turbiscan扫描仪的图形时，一般将曲线图分 割成三个部分：底部、中部和顶部。在样品的底部和顶部的变化是和迁移现象相关的，而中部的 变化是由粒子尺寸大小的变化引起的。

 

图49不同样品的Turbiscan测试结果 Fig.49. Results of different kinds of samples by Turbiscan.

对于乳品体系，在贮藏过程中出现的不稳定现象，如絮凝或凝聚，可在产品贮藏初期通过 Turbisan进行动态分析。一方面，Turbisan的精确度远高于肉眼观测，并可作出样品的沉降速率 曲线；而另一方面，它能非破坏性地测试未稀释乳状液（特别是不透明和浓稠的体系）的不稳定

现象。

在Turbiscan的玻璃管中，加入5克样品，每隔一段时间对样品进行一次扫描，曲线叠加在同 一张图中。样品的沉降速率通过该仪器附带的软件进行分析。

46

3.2.3.4Brookfield粘度的测试方法

粘度通过Brookfield VI+测试，转速为100r/min，停留时间为30s，测量温度为25°C。测量 不同来源的1%CMC水溶液的粘度时，根据其粘度范围，选用1〜5#不同转子；而对于酸性乳饮 料样品，贮藏一天后用1#转子进行测量。

3.2.3.5粒径的测试方法

样品在贮藏一天后，利用激光粒径分析仪测其粒径分布情况。激光粒径分析仪是基于米氏光 散射理论设计，以波长为633nm的He-Ne激光器为主光源，波长为466nm的蓝光固体光源为辅 光源，检测限为：0.02〜2000^m。测试参数如下：蛋白质的折光指数为1.529,水的折光指数为 1.33,吸光度为0,转速为2000r/mm。测试结果通过该仪器附带的软件进行分析。

3.3实验结果与讨论

3.3.1CMC的分子结构参数对AMD稳定性的影响

3.3.1.1CMC的分子量对AMD稳定性的影响

我们将不同来源的CMC (取代度基本相同、约为0.7)用于酸性乳饮料（AMD)中。在相 同浓度下，CMC水溶液的粘度主要是由其分子量决定的，本章实验以1%水溶液的粘度来确定不 同来源CMC的分子量顺序，以研究分子量对CMC稳定AMD的影响。

图50的横坐标为1%的CMC水溶液的粘度，此顺序基本可以反映CMC分子量的大小。图 50表明了 AMD的Brookfield粘度随CMC分子量的变化。AMD的粘度基本随CMC分子量的增 加而升高，特别是对于同一系列的CMC样品，如：F-BSH5<F-BSH6<F-BSH12，RJC04119< RJC04120，CMC (V) <CMC (IV)。分子量对AMD粘度的影响与在CMC溶液的流变实验中 是一致的，即当CMC分子量高时，溶液的粘度也相对较高。所以将分子量大的CMC作为稳定 剂时，AMD的粘度高。图51是AMD样品的沉降量随CMC分子量的变化，沉降量是一种粗略 的表示产品稳定性的方法，从图中我们可以大致看出总体的趋势，随CMC分子量的增加，沉降 量逐渐降低，特别对于分子量差别较大的CMC而言，在CMC分子量较小时，几种CMC样品 的1%水溶液粘度基本相近，以其为稳定剂的AMD的沉降量有波动，没有很好的规律，这也和

47

由图 51，

C有利于

40

1.6

F-BSH12 .

35

0 5 0 3 2 2

Id-/'l-scos-APIIS-soo-mQSV

15

RJC04120F-BSH6 |

■ F-BSH5|

RJC04119 |

CMC(IV) |

■ — |CMC(V)|

0.9-

1.5

1.4

(％) uols—u»EIP»s

 

01000200030004000

1 %CMC Brookfield viscosity (cp)

沉降量的测量方法有关，在以下的Turbiscan的测试中，能更好地反映产品的稳定性。但 我们也可得到一个大概的结论，粘度高的CMC稳定效果要好一些，即分子量高的CM 产品的稳定。

01000200030004000

1%CMC Brookfield viscosity (cp)

of

图50 Brookfield粘度随CMC分子量的变化图51沉降量随CMC分子量的变化 Fig.50. Brookfield viscosity as a function of the Fig.51. Sedimentation as a function

CMC molar mass.

20

15

10

5

參 〇 -5

 

1015

t / day

CMC(V) CMC(V) RJC04119 RJC04119 CMC(IV) CMC(IV) F-BSH5 F-BSH5 RJC04120 RJC04120 F-BSH6 F-BSH6 F-BSH12 F-BSH12

the CMC molar mass.

图52以不同CMC稳定的AMD样品的Turbiscan分析图 Fig.52. Analysis of Turbiscan for AMD samples stabilized by different CMC.

中实心点 图中可以 的过程存

图52是由Turbiscan分析得到的样品的沉降和上层澄清的百分比随时间的变化，羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸性乳体系的稳定作用，其 代表沉降、空心点代表上层澄清的百分比，图标中由上到下以粘度增加的顺序排列。从 看出，不同系列的CMC样品难以得到一个统一的规律，这是因为不同厂家生产CMC

48

在差异，纤维素的来源和加工方法对CMC会有很大影响，所以不容易比较。对于CMC (IV) 和CMC (V)两者没有太大差别，因为两者的分子量差别不大，粘度相对其它系列的样品来说 相差较小，而在AMD样品制备过程中难以精确控制各个步骤，有误差存在，所以最后反映在稳 定性上没有太大差别。在这些CMC样品中，RJC系列的稳定效果要差一些，RJC04120的沉降 量和上层澄清量始终较小，稳定效果好于RJC04119。F-BSH系列的稳定效果如下： F-BSH5<F-BSH6<F-BSH12。我们将着重分析F-BSH系列的稳定作用。

36-

3 / sf^^^sawv

20

F-BSH12

1.10

&

F-BSH5

sedimentation sedimentation fraction - serum fraction —^

10

F-BSH6

%/ U0=e—U9EIP9S

厶

%/(po-ue3s!qJni

F-BSH5

F-BSH6

▲

F-BSH12

0.90

1000

2000

3000

4000

1000

2000

3000

4000

1% CMC Brookfield viscosity / cp

1% CMC溶液的布氏粘度/ cp

1.15

图53 AMD粘度随CMC分子量的变化图54沉降量^urbiscan随CMC分子量的变化

Fig.53. Viscosity of AMD as a function Fig.54. Sedimentation and Turbiscan as functions of the CMC molar mass.of the CMC molar mass.

图53给出了以F-BSH5、F-BSH6、F-BSH12为稳定剂的AMD样品的粘度和粒径，可以看 出，分子量对粒径的影响如下：F-BSH5>F-BSH6>F-BSH12，以分子量大的CMC为稳定剂的

AMD，其微粒粒径相对较小，而粘度较大。根据Stocks定律：

V〇 = D2 (PS-P) g / 18n

这里V。--沉降速率m/s;D —颗粒粒径m;pS--流体密度kg/m3;p—颗粒密度kg/m3; n --粘度 kg/m ■ s。

粘度的升高可降低微粒的沉降速率（由粒径仪测得的微粒粒径相差不大)，由此定律可知， 分子量大的CMC可以使V。减小，从而使体系稳定性提高。图54为样品的沉降量和根据Turbiscan 软件分析得到的样品在第20天时的沉降百分比及上层澄清液百分比。需指出的是，沉降量是一 种粗略的测试方法，Turbiscan的测定相对精确，也可提供更多的信息。本研究中这两种实验手 段得到的结果是一致的，也与上述分析结果相吻合，亦即分子量高的CMC对酸性乳饮料的稳定 性好。在实际应用中，为了使产品具有爽滑的口感、不过于稠厚，需要将CMC的分子量控制在 一定范围内，并非越大越好。

49 

6-5-4-3-2'-:-0 (0/0) uollB—ua,Elpa,s

100

CMC(II)

CMC(III

)

CMC(IV)

-■ particle size ▲ sedimentation fraction- A serum fraction —-

150

200

1%CMC Brookfiel

_250

°-0-0-0-0- E^/^-asisal-lJed

%/(po-ue3s!qJni

图56粒径/Turbiscan随CMC取代度的变化 Fig.56. Particle size/Turbiscan as a function of DS for CMC approaching a constant molar mass.

代度的变化 on as a function of field viscosity.

图55沉降量随取 Fig.55. Sedimentati the 1% CMC Brool

3.3.1.2取代度的影响

CMC分子的取代度对; 以取代度不同而分子量相同 溶液的粘度随取代度的增加 当不同取代度的CMC用于 代度对粘度的影响比较小， 其中以取代度大的CMC为 样品的粒径分布。

其水溶液的粘度有影响，取代度高的CMC的水溶液粘度相对较高。

I的 CMC (CMC (II)、CMC (III)、CMC (IV))为稳定剂，CMC 水

7 6 5 4 3 2

s

 

丨而略有升高，如图55 (横坐标)，与第二章的流变学实验结果一致。 稳定AMD时，得到的AMD粘度接近，没有太大差别。这是因为取 同时CMC的添加量较低，仅为0.4°%。对AMD样品进行粒径测试， 稳定剂的AMD的微粒粒径相对较小，如图56所示。图57为AMD

以

o

6

图

MC(II)、CMC(III)和CMC(IV)为稳定剂的AMD粒径分布图 Particle size distribution for AMD samples stabilized by CMC(II)，CMC(m) and CMC(IV).

4

201

94

9

?1

Al

let

El

50

对样品进行稳定性分析，将用Turbiscan分析的20天时的沉降及上层澄清的百分比列于图 56中，可以看出随CMC取代度的增加，沉降和上层澄清百分比均减小，沉降量的实验结果与之 一致，表明将取代度高的CMC用于AMD中稳定性稍好。AMD的pH值为4.00,其中的酪蛋白 胶粒处于等电点以下（pI=4.6)，所带净电荷为正，与加入的CMC发生静电吸附，CMC在酪蛋 白胶粒表面提供静电排斥和空间位阻的作用，使蛋白质稳定，不发生聚集[1，7]。当CMC的取代 度高时，所带电荷密度大，更易于与酪蛋白发生吸附，使体系稳定。

3.3.2浓度、pH、蔗糖对AMD稳定性的影响

 

CMC F-BSH6 pectin100CMC F-BSH6 pectin

 

0

% / UOISSEIPas

 

0.00.10.20.30.40.50.6

concentration / %

0

do / Ailsoos5pl-s00Jm

 

0.00.10.20.30.40.50.6

concentration / Q/〇

3.3.2.1CMC浓度对AMD稳定性的影响

图58沉降量随CMC/杲胶浓度的变化 Fig.58. Sedimentation as a function of CMC/pectin concentration.

图59 Brookfield粘度随CMC/杲胶浓度的变化 Fig.59. Brookfield viscosity as a function of CMC/pectin concentration.

用F-BSH6作为稳定剂，以不同的添加量用于AMD中，浓度在0〜0.6°%范围内，所测得的样 品的沉降量列于图58中。可以看出，当AMD中不含CMC时，沉降量很高，体系失稳，酪蛋白 发生聚集，当加入的CMC为0.05%时，沉降量反而升高，这是因为发生了架桥絮凝[8,9]，所加入 的CMC不足以覆盖酪蛋白胶粒，在这种情况下，一个CMC分子连接两个或以上的酪蛋白，从 而促进了聚集的发生，使沉降量升高，继续添加CMC,沉降量不断降低，当CMC的含量达到 0.3%后，随浓度的增加，沉降量没有太大改变，可以推测CMC在酪蛋白上的吸附存在一个临界 吸附量，当达到这个浓度后体系趋于稳定。果胶相对于CMC来说，是一种更好的稳定剂。在果

51

胶浓度为0.2%时，沉降量比相同条件下CMC作稳定剂的AMD要低很多，即果胶可以在较低的 浓度下使AMD体系稳定。果胶的分子链上，在C2、C3的羧基位置上常带有乙酰基和其他中性 (多）糖支链，如L-鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等[9,10];而CMC是线性多糖，当果胶与 酪蛋白作用，它的空间位阻作用要较CMC大。

图59为AMD的Brookfield粘度随所加的CMC浓度的变化，在0.3%以下，体系是不稳定 的，制得的样品已经发生了分层，失稳样品的粘度是经乳化（使体系均一）后测得的。当CMC 的浓度达到0.3%以后，随浓度的升高，AMD的粘度也明显增加。相对而言，果胶对粘度的影响 较小。在加入量为0.2%和0.4%时，果胶和CMC稳定的AMD粘度几乎相同，但当浓度达到0.6% 时，以CMC稳定的AMD粘度明显高于果胶。

图60、61分别为以果胶和CMC为稳定剂的AMD的粒径分布图，从图中我们可以看出，当 加入的稳定剂浓度到一定值后，随浓度增加，粒径分布基本相同，如CMC的浓度为0.4%、0.5%、 0.6%时，果胶浓度为0.4%和0.6%时。表明当稳定剂的浓度达到一定时，足以覆盖酪蛋白的表面， 使之稳定不发生聚集。

 

Fig.60. Particle size distribution for AMD samples stabilized by pectin at different concentrations.

 

Fig.61. Particle size distribution for AMD samples stabilized by CMC at different concentrations.

52

从Turbiscan的分析及长时间放置后的宏观观察可以得知，含CMC浓度高的AMD稳定性相 对好。由此也可以看出，CMC除具有静电排斥和空间位阻作用外，它本身提供的粘度，即增稠 性，对体系的稳定性也有贡献。

3.3.2.2CMC的浓度与pH对AMD稳定性的影响

以FH9作为稳定剂，其添加量不同，浓度为0〜0.6%，分别在每个浓度下配制不同pH的AMD 样品，pH从4.6〜3.6，每隔0.2取一个值，共计42个样品。

图62为调酸型AMD样品的Brookfield粘度，每个浓度下有7个不同pH的样品。其中未表 示在图中的样品已经失稳、发生分层，故未测其Brookfield粘度。

 

pH

图62含不同浓度CMC的AMD (调酸型）在不同pH值下的布氏粘度 Fig.62 Brookfield viscosity as a function of pH for AMD(A) with different concentrations of CMC.

在不加FH9时，当pH调至4.6时，体系不稳定，发生沉淀分层。随加入的FH9量的增加， 体系开始在较高的pH下稳定。当加入0.1%的FH9时，在pH为4.6时是稳定的（体系没有立即 分层）。FH9的添加量继续增加，所能稳定的pH范围也逐渐扩大。0.2%的FH9可以稳定到pH 为4.2，0.3%稳定到3.8，而当CMC的浓度达到0.4%以后即可稳定整个pH范围（4.6~3.6)。这 是因为，在CMC浓度较低时，当体系的pH低于酪蛋白的等电点，pH继续降低，酪蛋白所带正 电荷增加，这样CMC与酪蛋白的作用增强，而加入的CMC又不足以覆盖所有的酪蛋白胶粒， 这样会引起架桥絮凝，加速体系的失稳。

53

05050505050

76655443322

d°/ A-so°sl> plesOOJg

 

_-6

I 4

_4-

_-2 _ q

8

■3-

体系的粘度随加入的CMC的浓度而增加，因为CMC本身具有增稠作用。pH降低使体系粘 度降低，如第二章所述，CMC溶液的粘度亦随pH下降，而CMC对体系的粘度贡献很大，因此 体系的粘度同样随pH而降低；另一方面，随pH值降低，有更多的CMC吸附于酪蛋白上，因 而体系中游离的CMC减少，同样会引起粘度的降低。调酸型AMD在相同条件下的粘度低于发 酵型AMD。发酵型AMD在制样的过程中经过发酵，酪蛋白凝聚后形成凝胶，然后将凝胶破坏 形成“gel particle” [11-15]。经发酵制得的样品粘度稍高，如图63。

% / uollelueElpes

 

_-6 _4-

I 4

_4-

_-2 _4-

_ q

_4-

I 8

■3-

图63含不同浓度CMC的AMD (发酵型）在不同pH值下的布氏粘度 Fig.63 Brookfield viscosity as a function of pH for AMD(F) with different concentrations of CMC.

图64含不同浓度CMC的AMD (调酸型）在不同pH值下的沉降量 Fig.64 Sedimentation as a function of pH for AMD(A) with different concentrations of CMC.

54

图64为调酸型AMD的沉降量随CMC浓度和pH的变化。在不加CMC时，体系不稳定、 分层，沉降量大。在低pH值下，当加入0.1%、0.2%的CMC时，因架桥絮凝加剧体系的失稳， 沉降量增加；若pH升高，酪蛋白所带净正电荷减少，CMC与酪蛋白的作用减弱，沉降量降低。 pH越低使体系稳定所需要的CMC越多，如图所示。CMC的浓度达到0.4%后，在各个pH下沉 降量几乎没有太大变化，体系是稳定的。在稳定的情况下，CMC浓度相同时，粒径随pH值升 高而略有下降，总体来说，体系在pH值稍高时较易稳定。

发酵型AMD相对于调酸型来说更不易于稳定，沉降量相比较大。羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸性乳体系的稳定作用，调酸型的AMD中微粒是 酪蛋白胶束，而在发酵型酸奶中，是gelparticle，粒径较大，如图66。沉降量在低pH值时较大， 0.2%除外，可能因为实验本身误差所致。加入少量的CMC更不利于体系的稳定，如CMC的含 量为0.1%、0.2%时沉降量大于不加CMC (0%)的情况。随后，沉降量随CMC浓度的升高而下 降，稳定性增强。

% / uollelueElpes

 

3.6

4.24.4

4.6

3.8

4.0

11

0

pH

 

Fig.66. Particle size distribution for di^erent kinds of AMD with 0.6% CMC at pH4.60.

图65含不同浓度CMC的AMD (发酵型）在不同pH值下的沉降量 Fig.65 Sedimentation as a function of pH for AMD(F) with different concentrations of CMC.

55

3.3.2.3体系状态图

当多糖与蛋白质胶粒发生吸附后，如果多糖浓度过低，则不足以完全覆盖蛋白质的表面；对 多糖而言，有一个“full coverage”的浓度，使蛋白质胶粒表面达到“饱和”，达到这个临界浓度 后，才能使蛋白质稳定。在临届浓度以下，一个多糖分子会吸附两个或更多个蛋白质胶粒，使之 聚集，即发生架桥絮凝，这样体系失稳，发生相分离，其中一相为多糖和蛋白质的复合物，一相 为溶剂。当多糖不发生吸附时，加入过多不吸附的多糖会引起热力学不稳定，导致相分离，使一 相富含蛋白质胶粒，另一相富含多糖。

8

3

7-

6-

5

4

CMC(I)

1thermodynamic incompitability

1 〇 o〇phase

separation

• t、。〇〇〇〇〇〇〇〇 〇 〇 <

bridging、、、、 stabilization

 

adsorption

I 1 I 1 I

0.10.20.30.4

CMC concentration (wt%)

0.0

0.5

在这里，我们研究了酪蛋白与CMC的相行为。图67是以CMC (I)浓度和pH值所做的 状态图。此实验是经过简化的实验，不同于前面的制备过程，而是将一定量的脱脂奶粉溶于水中， 再加入相应量的CMC溶液，使体系中CMC的浓度在0〜0.5%范围内，每隔0.02%取点，在每个 浓度下取三个pH值：羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸性乳体系的稳定作用，体系为中性（未经过调酸）、4.7±0.15、3.8±0.15。溶液配制好后放置一 天，观察其稳定性（其中实心圆点代表体系失稳、空心圆点为体系稳定），记录于下图中。

图67 AMD样品在不同CMC(I)浓度与pH值下的状态图 Fig.67. State diagram of mixture of skim milk-CMC dispersion in the (pH,CMC concentration) plane.

牛奶在自身pH下（接近中性）是稳定的，此时酪蛋白带净负电荷，胶粒间有静电排斥作用， 同时胶粒最外层的K-酪蛋白提供空间位阻作用，体系保持稳定。当加入少量CMC时，体系放 置一天后仍是稳定的，而继续添加CMC,则发生分层，下层为乳白色的沉淀，上层为CMC溶 液，热力学不稳定，表明在中性条件下CMC与酪蛋白不发生吸附。当体系的pH降低至酪蛋白 的等电点附近（pI=4.6)时，CMC开始与酪蛋白吸附，在CMC浓度较低的情况下，不足以使体

56

系稳定而发生架桥絮凝。随CMC浓度增加，体系逐渐稳定。pH继续降低至3.8时，酪蛋白所带 负电荷增多，与CMC作用增强，与pH=4.7的情况下相比，不发生架桥絮凝的浓度向高值移动， 即CMC达到较高浓度后才能使体系稳定，如图所示。

3.3.2.4蔗糖的影响

--------------¬

08642086

43333322

(do) Ailsoos5pl-s00Jm

 

CMC

我们用F-BSH5和RJC04120两种样品分别作稳定剂，在加糖（S)和不加糖（NS)的情况 下，做了四组平行实验，得到四种样品。加糖后，AMD的粘度明显升高，如下图所示。

 

t / day

 

t / day

图 70 AMD(RJC04120 )的Turbiscan分析图 Fig.70. Turbiscan results for AMD stabilized by RJC04120 with/without sucrose.

图 69 AMD(F-BSH5)的Turbiscan分析图 Fig.69 Turbiscan results for AMD stabilized by F-BSH5 with/without sucrose.

57

图68 Brookfield粘度在加糖和不加糖情况下的变化 Fig.68. Brookfield viscosity for different CMC with/without sucrose.

 

 

'布图

5 with/without sucrose.

当体系中加入庶糖后，AMD的稳定性增强，从Turbiscan的分析图中可看出，当加入庶糖后， 沉降量和上层澄清量均降低。蔗糖的加入对粒径并无太大影响，如图71所示。蔗糖之所以可以 提高体系的稳定性，是因为蔗糖的加入可增加体系的粘度，有增稠的作用，根据Stocks定律， 在其余条件不变的情况下，粘度增大，粒子的沉降速率降低，有利于体系稳定。

本章主要论述了 CMC的结构参数包括分子量和取代度，及浓度、pH值，还有蔗糖对酸性 乳饮料的稳定性的影响，得到如下结论：

(1)分子量大的CMC可使体系的粘度增加，AMD的微粒粒径也相对较小，以分子量大的 CMC为稳定剂的AMD稳定性较好。CMC的取代度对体系的稳定性也有一定的影响，CMC取 代度高时，电荷密度大，有利于与酪蛋白发生吸附，从而使体系稳定；

(2)AMD的沉降量随CMC的浓度先增加后迅速降低，当到达一定浓度后，沉降量几乎保 持不变。低浓度CMC的加入使酪蛋白胶粒发生架桥絮凝，加剧体系的失稳，随CMC浓度的增 加，吸附于酪蛋白的表面，通过静电排斥作用和空间位阻作用使体系的稳定性增强。当CMC浓 度达到一定值后，体系趋于稳定，CMC浓度的增加引起体系粘度的升高，对稳定性有贡献；

(3)在pH值处于3.6〜4.6之间时，浓度为0.1-0.3°%的CMC使酸性乳体系在高pH值范围 内易于稳定。在低pH值下，更容易发生架桥絮凝，随浓度的升高，CMC所能稳定的AMD的 pH值范围增加。当CMC的浓度达到0.4°%以后，可以在整个pH范围内（3.6〜4.6)稳定AMD;

(4)蔗糖的加入使体系的粘度升高，使其稳定性增强；

(5)在相同条件下，调酸型AMD的稳定性好于发酵型AMD。

第四章工艺参数对AMD稳定性的影响

4.1引言

酸性乳饮料（AMD)在制备的过程中，工艺参数的设置对最终产品的稳定性会产生一定的 影响。羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸性乳体系的稳定作用，陈躬瑞等[1]认为控制调酸混合顺序、混合温度、搅拌速度、混合液浓度等条件，有可能形 成粒径足够小的羧甲基纤维素-酪蛋白胶粒的复合体，以确立胶体体系稳定的基础，提高产品的稳 定性。Wicker等[2]研究了在高压下果胶对酪蛋白的稳定作用，以高酯/低酯果胶为稳定剂的酸性 乳粘度下降，一方面是因为酪蛋白和果胶的聚集体颗粒被打碎变成更小的粒子，另一方面果胶发 生了降解或是解缠结。Corredig等[3]发现果胶的分子量和分子量分布受均质压力的影响，即使是 用于食品中，浓度较低的情况下，溶液粘度亦在高压作用下降低，分子量下降，其中分子量分布 较宽的果胶受均质的影响较小，而分布窄的果胶易受均质压力的影响，经高压均质后分子量分布 增加。

本章主要讨论了一些工艺参数的变化，包括混合温度、调酸温度、调酸速率及均质压力，对

样品稳定性的影响。

4.2实验材料与方法

4.2.1实验试剂

F-BSH6日本第一制药株氏会社；

CMC江苏威怡；

脱脂奶粉新西兰 Fonterra, Co., Ltd.;

白砂糖太古糖业有限公司；

柠檬酸上海试剂一厂，分析纯；

叠氮钠上海科旺化学试剂有限公司。

4.2.2实验仪器

60

搅拌器（RW20D2M.n)

IKA，LABORTECHNIK； RaNVIE,丹麦哥本哈根； Metrohm，瑞士；

上海安亭科学仪器厂； Brookfield，美国； Formulation,法国；

马尔文仪器有限公司，英国。

均质机（二级） pH 计（744 型）

大容量低速离心机（DL-5)

粘度计（DV-I+)

垂直扫描宏观分析仪（Turbiscan，MA2000) 激光粒径分析仪（Mastersizer 2000)

4.2.3实验方法

调酸型酸性乳饮料（AMD)的制备：

1.溶8°%的脱脂奶粉（45°C)

2.溶0.8°%CMC和16°%的蔗糖混合物（75°C)

3.将溶液冷至室温下，等量混合搅拌

4.将混合后的溶液温度降至20C以下，用柠檬酸将pH值调到4.00

5.将溶液升温至65C，在200bar下均质

6.溶液分装至小瓶中，在90C下巴氏灭菌30分钟

4.3实验结果与讨论

4.3.1均质压力对AMD稳定性的影响

酸性乳饮料在制备过程中需要经过均质这一步骤。均质可以将牛奶中的脂肪进一步粉碎，使 之充分溶解到蛋白质和水中，以减少脂肪上浮。均质牛奶相对于不均质牛奶有两大优点：一是经 过细加工把脂肪球打碎的牛奶利于人体的消化、吸收；二是被打碎的脂肪球溶入乳中会产生脂肪 香，使乳味更加浓郁淳厚。在我们的实验中，酸性乳饮料的原料采用的是脱脂奶粉，不存在脂肪 上浮的问题，但是均质也会对体系的稳定性带来影响。我们以F-BSH6为稳定剂，在不同均质压 力下得到一批AMD样品，以研究均质压力对其稳定性的影响。

图72为AMD的布氏粘度随均质压力的变化。如图所示，当均质压力升高，AMD的粘度不 断下降，在0 MPa (不均质）与5 MPa之间，粘度的变化最为明显。这是因为在均质作用下奶粉 颗粒被打碎，而另一方面稳定剂CMC的可能发生了降解。在下面的实验中会继续讨论这个问题。

通过沉降量的测试发现，未经过均质的样品沉降量达到2.34%，其他不同均质压力下的样品 的沉降量在1%附近。结果表明均质有利于提高酸性乳体系的稳定性，基于沉降量是粗糙的实验 方法，我们对样品分别进行了 Turbiscan扫描。图73为Turbiscan的分析结果（14d)，未均质样 品的上清液百分比接近60%,从样品管中同样观察到，虽然底部没有明显沉淀，沉降百分比近 于0%,但是样品的上层是澄清液，稳定性差。在均质作用下，上清液量迅速下降，然后随压力 的升高而略有上升，同时沉降量亦随均质压力的升高而增加。由此可见，均质可以有效地提高样 品的稳定性，但是均质压力并不是越大越好。

0.6

0

0

■ ■ sedimentation fraction 口 serum fraction —-

o o o o o

4 3 2 1

〇/〇 / uol-l-oroJiuoi=rolu,uLUIP,us

□ □

%/ uolpejimmss o o o o

4 3 2 1 0

图71 AMD的Brookfield粘度随均质压力的变化 图72沉降量随均质压力的变化 Fig.71 Brookfield viscosity as a function of pressure. Fig.72. Sedimentation as a function of pressure.

1 I 1 I 1 i 1 i 1 i ■ i

051015202530

pressure / MPa 图73不同均质压力下Turbiscan(14天）的沉降及上清液量百分比 Fig.73. Sedimentation/serum fraction as functions of pressure by Turbisean for AMD after 14 days

62

 

图74未均质和在20MPa下均质的AMD粒径分布图

Fig.74. Particle size distribution for AMD without homogenization or homogenized at 20 MPa.

均质使颗粒被打碎，粒径减小，如图74所示。未均质和在20MPa下均质的样品的粒径相差 了四个数量级。未均质的样品中的微粒粒径大，易于发生沉降。

AMD的粘度随均质压力升高而下降，CMC在均质作用下可能发生了降解。 我们将CMC (FH9)水溶液在不同压力下均质，测其粘度。图75、76分别为0.4%、1%的FH9 水溶液。从两图中均可看出，溶液的粘度随均质压力的增加而呈下降趋势。在5MPa、8MPa时 略有波动，可能存在误差，因为在实际操作当中压力难以精确控制。从CMC溶液的均质实验中， 我们认为CMC在均质作用下发生了降解，因而溶液粘度下降。

051015202530

pressure / MPa

图75 0.4%CMC溶液的粘度随均质压力的 Fig.75 Brookfield viscosity as a function of for 0.4% CMC aqueous solution.

变化

图76 1%CMC溶液的粘度随均质压力的变化 pressure Fig.76 Brookfield viscosity as a function of pressure for 1% CMC aqueous solution.

63

随均质压力的升高，微粒粒径下降，而AMD的粘度同时也降低。CMC在均质作用下发生 降解，即分子链链长减小，对于高分子量的CMC更为明显。CMC的降解使体系粘度下降，同 时在酪蛋白表面可提供的空间稳定作用亦降低。因而在实际当中，均质可有效提高体系的稳定性， 但是均质压力并不是越高越好。

4.3.2混合温度对AMD稳定性的影响

我们在酸性乳饮料的制备过程中，首先将CMC与蔗糖在75°C下溶解，羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸性乳体系的稳定作用，脱脂奶粉在45°C下 溶解，然后将两者冷却至室温约25°C后混合，再经过调酸、均质等过程。为了研究混合温度对 体系稳定性的影响，我们分别制备了在1〇、20、35、45、55、75°C下混合的酸性乳饮料样品并 测定其性质。

在不同温度下调酸所得样品的粒径分布图，调酸温度升高，粒径逐渐增大。样品的 粘度随调酸温度升高而略为下降，如图80所示。根据stocks定律，当微粒的粒径增大、体系的 粘度减小时，沉降速率增加即稳定性下降，和沉降量实验的分析结果一致。

调酸温度对体系的稳定性有很大影响，在低温下调酸有利于体系的稳定。

4.4.4搅拌速率对AMD稳定性的影响

在调酸的过程中需要搅拌，使CMC均匀分散与酪蛋白发生吸附，搅拌速率的不同也会使酸 性乳饮料的稳定性发生变化。我们在不同的搅拌速率下进行调酸，得到一系列样品，并对其性质 进行测试，结果如下。搅拌速率对AMD的粘度影响较小，如图84所示。图87为在不同的搅拌 速率下所得样品的粒径分布图，随搅拌速率的增加粒径略有降低。

图85为沉降量随搅拌速率的变化，当搅拌速率增加时，样品的沉降量降低。图86为Turbiscan 的分析结果，与沉降量结果一致。由此，我们得到如下结论：较高搅拌速率下所得样品的稳定性 较好。这是因为在高搅拌速率下，CMC的分散更为均匀，与酪蛋白充分接触并发生吸附，有利 于形成酪蛋白-CMC复合胶粒使体系更为稳定。

67 

9

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图84 Brookfield粘度随调酸速率的变化 Fig.84 Brookfield viscosity as a function of the acidified stir rate.

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图85沉降量随调酸速率的变化 Fig.85. Sedimentation as a function of the acidified stir rate. 

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图 86 Turbis Fig.86. Analysis result of Turbiscan fc

can的分析图

)r AMD acidified at different stir rates.

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图87不同调酸温度下的AMD粒径分布图（FH9)

Fig.87. Particle size distribution for AMD acidified at different stir rates.

4.4本草小结

(1)均质可有效提高酸性乳体系的稳定性，但是均质压力并不是越大越好。在高均质压力 下，CMC可能发生降解，使体系的稳定性降低，尤其在CMC的分子量较高的情况下；

(2)酸性乳体系的稳定性受混合温度的影响不大，一般酪蛋白和CMC在常温下进行混合;

(3)调酸温度对酸性乳体系的稳定性有很大影响，在低温下调酸利于体系的稳定；

(4) 在高的搅拌速率下CMC可以均匀分散有利于与酪蛋白发生吸附作用，因而提高搅拌 速率有利于体系的稳定。

参考文献

1.陈躬瑞,陈儒明,饶平凡，嚴匆麥供基//■缓翁稳定酸性乳沈觀费体体系福州大学学报(自 然科学版)，1996. 24(1): p. 115-120.

2.Wicker, L., et al., High pressure throttling of acidified pect~^^-case~^^ dispersions from 310 MPa to atmospheric pressure. Milchwissenschaft-Milk Science International, 2000. 55(1): p. 10-13.

3.Corredig,M. and h. Wicker, Changes in the molecular weight distribution of three commercial pectins after valve homogenization. Food Hydrocolloids, 2001. 15(1): p. 17-23.

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第五章全文总结

羧甲基纤维素钠（CMC)是水溶性纤维素衍生物、最主要的离子型纤维素胶。CMC水溶液 一般呈假塑性，粘度随剪切速率的升高而降低。CMC的分子结构参数包括分子量、取代度均影 响CMC溶液的流变行为。零剪切粘度，n。，随分子量升高而上升。取代度增加，即分子链的电 荷密度增大，引起CMC的流体力学体积的增加，粘度也随之升高。相对而言，分子量的影响大 于取代度。溶液的粘度随浓度的增加而升高，溶液具有粘弹性，G’与G''的交点向低频移动，同 时模量升高。当浓度达到一定值后，CMC分子之间相互缠结，形成凝胶。

CMC是阴离子型线性高分子，具有聚电解质效应。CMC溶液的粘度随pH值而下降，当低 于CMC的pKa时，粘度略有上升。若pH值继续下降，CMC则形成游离酸而沉淀。溶液中的 离子强度对粘度亦有影响。当CMC溶液中加入一价阳离子，如Na+、K+，溶液的粘度随离子浓 度的增加而降低，对于低浓度的CMC溶液更为明显。二价阳离子Ca2+的加入，使CMC溶液的 粘度先下降而后升高。粘度的下降是因为Ca2+屏蔽了 CMC分子中的负电荷，使分子链由伸展趋 向于卷曲；升高可能因为溶液中存在超结构，Ca2+与CMC分子链发生鳌合，溶液由透明变为乳 白色，储能模量G'、损耗模量G”亦升高。取代度升高即电荷密度增加，CMC溶液在Ca2+的浓度 高时生成沉淀。Mg2+与Ca2+作用相似，但影响小于Ca2+，随Mg2+的继续加入，溶液粘度的升高 较小。

蔗糖是强需水剂，加入蔗糖使CMC溶液的粘度升高。羧甲基纤维素钠溶液的流变性质及其对酸性乳体系的稳定作用，溶液的流动指数随蔗糖的加入而下降， 溶液的假塑性提高。

CMC可用于酸性乳体系中作为稳定剂，稳定机理如下：低于酪蛋白等电点时，CMC通过静 电作用吸附于酪蛋白胶粒上，在其表面提供静电排斥和空间位阻作用使胶粒稳定；CMC的粘度， 即增稠作用对体系的稳定性亦有贡献。CMC的分子量升高，体系的沉降量低、稳定性好。CMC 的取代度升高，也利于体系的稳定。但相对而言，分子量是主要的影响因素。当CMC的浓度过 低时，CMC与酪蛋白发生架桥絮凝使体系失稳。当CMC浓度升高，在酪蛋白表面达到“full coverage”后，体系趋于稳定。在酪蛋白等电点（pI=4.6)附近及以下时，CMC可以与酪蛋白发 生吸附，达到一定浓度后可使酸性乳体系稳定。CMC的浓度增加，可稳定的pH范围亦增加。 体系中加入蔗糖可提高粘度，增加稳定性。

在酸性乳饮料的制备过程中，工艺参数也会对产品的稳定性产生影响。均质可有效提高体系 的稳定性。但在均质作用下，CMC分子链发生降解，粘度下降，因而当均质压力过高时，体系 的稳定性反而降低，对于分子量高的CMC更为明显。复原乳与CMC溶液的混合温度对体系的

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稳定性影响不大。调酸温度对体系的稳定性有很大影响：在高温下调酸时，样品沉降量大、稳定 性差，低温下调酸利于体系的稳定。在调酸的过程中，搅拌可使酪蛋白与CMC间充分接触，以 发生吸附，在高搅拌速率下得到的样品稳定性稍好。