基于β-環(huán)糊精穩(wěn)定的Pickering乳液微觀結(jié)構(gòu)與流變性質(zhì)研究

袁繼鳳， 徐化能， 王周平

（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

乳液是由兩種互不相溶的液體相所組成的分散體系，在食品、化工、農(nóng)業(yè)以及醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。乳液為一種多尺度、復(fù)雜的熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，通常需要加入乳化劑來予以穩(wěn)定。常用乳化劑包括表面活性劑、聚合物和固體顆粒，其中以固體顆粒穩(wěn)定的乳液被稱為Pickering乳液[1]。與傳統(tǒng)乳液相比，Pickering乳液具有更好的聚結(jié)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。目前，公認(rèn)的Pickering乳液的穩(wěn)定機(jī)理主要為固體顆粒吸附于油/水界面并形成固體顆粒單層/多層膜，從而穩(wěn)定乳液[2]。

環(huán)糊精（cyclodextrins，CDs）是一類環(huán)狀低聚糖，常見的有 α-、β-和 γ-環(huán)糊精，聚合度分別為 6、7和8。環(huán)糊精具有空腔結(jié)構(gòu)，可以掩蔽特殊氣味和緩釋有效成分，因此被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和日用化學(xué)品工業(yè)中[3]。近年來，環(huán)糊精開始被應(yīng)用于Pickering乳液的制備和研究中。研究結(jié)果表明，β-環(huán)糊精與油相分子的部分結(jié)構(gòu)包合形成絡(luò)合物，這種絡(luò)合物可在油水界面形成一種穩(wěn)定的膜，因此可將其界定為Pickering乳液[4-6]。乳狀液的穩(wěn)定性主要取決于體系中顆粒與顆粒之間、顆粒與液滴之間形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Inoue等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)β-環(huán)糊精與油相形成的乳劑隨著β-環(huán)糊精的加入量的增加，成乳范圍增加，乳液液滴粒徑減小。

盡管以往研究考察了環(huán)糊精在油水分散體系的特性及其穩(wěn)定乳液的能力，而對(duì)其與常規(guī)表面活性劑分散體系性質(zhì)及其穩(wěn)定乳液能力的差異尚未進(jìn)行比較。通過測定β-環(huán)糊精穩(wěn)定的乳液的微觀結(jié)構(gòu)和剪切粘度等特性，考察β-環(huán)糊精濃度、油水體積比等對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響，并比較其與非離子表面活性劑吐溫-80穩(wěn)定乳液能力的差異，進(jìn)而闡明兩者對(duì)乳液的不同穩(wěn)定機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

β-環(huán)糊精、吐溫-80：均為化學(xué)純，購于上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；大豆油：購于中糧福臨門公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

IKA T8高剪切分散乳化機(jī)：德國IKA公司產(chǎn)品；AR-G2流變儀：美國TA公司產(chǎn)品；BX51光學(xué)顯微鏡：日本Olympus公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 乳液的制備 油水體積比1∶9乳液：離心管中分別加 入 0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0 g β-環(huán)糊精（吐溫-80），緩慢加入18 mL去離子水和2 mL大豆油，使用IKA T8高剪切分散乳化機(jī)在25℃、10 000 r/min下高速攪拌2 min[8]，配制成乳化劑質(zhì)量濃度為 0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0 g/dL 的乳液。

不同油水比乳液：離心管中加入0.5 g β-環(huán)糊精，分別緩慢加入 18、16、14、12、10 mL 去離子水和2、4、6、8、10 mL 大豆油， 按上述方式制得油水比分別為 1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5 的乳液。

1.3.2 乳液乳化系數(shù)的測定 將制備好的乳液平行樣品密封，靜置于25℃環(huán)境中。不同β-環(huán)糊精添加量的乳液靜置3 d后，外觀形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的不同。乳液底部會(huì)析出半透明液體，頂部白色部分為乳液層。分別測量乳液層高度與樣品的總高度，計(jì)算乳化系數(shù)。

乳化系數(shù)（CreamingIndex，CI）按公式（1）計(jì)算[9-11]：

其中，he為靜置3 d后乳液層的高度，ht為樣品的總高度。

1.3.3 乳液液滴微觀形態(tài) 取穩(wěn)定乳液層制片，通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。光學(xué)顯微鏡照片通過連接在顯微鏡上的圖像采集裝置采集，根據(jù)對(duì)象不同大小，選擇合適放大倍數(shù)的光鏡，然后根據(jù)放大倍數(shù)設(shè)定標(biāo)尺。

1.3.4 乳液粘度測定 乳液的表觀粘度采用ARG2流變儀表征，夾具直徑為40 mm，測試溫度為25℃。將樣品置于平行板之間，間隙設(shè)為1 mm，測試溫度為25℃，剪切速率變化范圍為1~100 s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同β-環(huán)糊精/吐溫-80質(zhì)量濃度對(duì)乳液性質(zhì)的影響

2.1.1 乳化系數(shù) 乳液分層指油水相的分離，是一種乳液不穩(wěn)定性的現(xiàn)象。乳化系數(shù)越大，表明乳液層占總樣品體積的百分比越大，乳液越穩(wěn)定。靜置3 d后，兩種乳化劑制備所得乳液，在靜置過程中均沒有油相析出，僅有一定體積的水相從乳液底部析出。其乳化系數(shù)如表1所示。

表1 不同質(zhì)量濃度β-環(huán)糊精和吐溫-80的乳化系數(shù)Table 1 Creaming index of the emulsions prepared with differentconcentration ofβ-Cyclodextrin/Tween-80

表1表明，β-環(huán)糊精和吐溫-80的乳化系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度從0.5 g/dL增加到5 g/dL時(shí)，乳化系數(shù)值從21.5%增加到66.67%；而吐溫-80穩(wěn)定乳液的能力較差，其乳化系數(shù)基本維持在13.16%左右，且吐溫-80質(zhì)量濃度對(duì)乳化系數(shù)值影響很小。乳化系數(shù)隨環(huán)糊精濃度的增大而增大，可能與環(huán)糊精與油的絡(luò)合物吸附在油水界面處形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度足夠高時(shí)能阻止乳液液滴之間的聚并[5]，從而抑制乳液的分層。環(huán)糊精濃度的增加意味著在油-水混合體系中能形成更多的絡(luò)合物，乳液液滴間形成高覆蓋度的油-水界面層的可能性增加，這有利于提高乳液的穩(wěn)定性。

2.1.2 乳液微觀結(jié)構(gòu) 環(huán)糊精乳液光學(xué)顯微鏡圖見圖1（a）。乳液液滴的粒徑隨著β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度的增加而逐漸減小，這意味著β-環(huán)糊精穩(wěn)定乳液的能力逐漸增強(qiáng)。這可能因?yàn)?，?dāng)β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度增加時(shí)，越來越多的環(huán)糊精/油的絡(luò)合物顆粒吸附于油/水界面而使相界面膜更加致密，有效阻止了液滴的聚并，進(jìn)而導(dǎo)致乳液滴粒徑降低。當(dāng)質(zhì)量濃度增至4.0 g/dL時(shí)，繼續(xù)增加β-環(huán)糊精濃度，乳液液滴粒徑基本不變，說明β-環(huán)糊精穩(wěn)定乳液的能力趨于恒定。吐溫-80乳液光學(xué)顯微鏡圖見圖1（b），使用吐溫-80制備的乳液，液滴相對(duì)均勻，吐溫-80濃度的增加對(duì)乳液粒徑無顯著影響。環(huán)糊精與吐溫-80乳液微觀結(jié)構(gòu)差異可能與兩者穩(wěn)定乳液機(jī)理不同有關(guān)：表面活性劑吐溫-80的加入，能造成體系的界面張力降低，使得乳液液滴分散得細(xì)密均勻；而β-環(huán)糊精能與油形成絡(luò)合物，吸附在油水界面膜上，在液滴周圍形成一層致密的顆粒膜，使得乳液液滴間彼此不容易發(fā)生聚結(jié)。

圖1 乳液光學(xué)顯微鏡圖Fig.1 Microscope images for the droplets of the emulsions prepared with β-CD（a）or Tween-80（b）

從乳液液滴形態(tài)角度分析，吐溫-80乳液呈現(xiàn)為圓球形而β環(huán)糊精乳液呈現(xiàn)為不規(guī)則形態(tài)。這可能因?yàn)?，吐?80分子形成的界面膜強(qiáng)度遠(yuǎn)小于環(huán)糊精/油絡(luò)合物顆粒形成的界面膜，表現(xiàn)為：制片過程中，吐溫-80界面膜重新排布，形成圓球形乳液顆粒；環(huán)糊精/油絡(luò)合物界面膜無法重新排布而發(fā)生形變，乳液液滴呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)。

在作者研究的β-環(huán)糊精濃度范圍內(nèi)，環(huán)糊精濃度的增加既可以降低水油界面張力[4]，又能顯著提高界面膜的剛度和強(qiáng)度，從而提高乳液的穩(wěn)定性；而在吐溫-80質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，界面張力變化不大，因此，乳液液滴粒徑基本不變。

2.1.3 乳液粘度 如圖2所示，在設(shè)定的剪切速率范圍內(nèi)（1～100 s-1），隨著剪切速率的增加，β-環(huán)糊精乳液的黏度均呈下降趨勢，即呈現(xiàn)出剪切變稀行為；而吐溫-80乳液的粘度均呈上升趨勢，即呈現(xiàn)出剪切變稠行為。在任何一個(gè)剪切速率下，β-環(huán)糊精乳液的黏度都顯著大于吐溫-80乳液的黏度。這是由于環(huán)糊精絡(luò)合物在油水界面形成致密的顆粒膜，乳液的流動(dòng)在質(zhì)點(diǎn)附近將受到干擾，需要消耗額外的能量，因此乳液的剪切粘度較高；相反，吐溫-80具有表面活性，表面能降低，因而乳液在流動(dòng)時(shí)克服的阻力小，剪切粘度較低。

為了更形象地描述乳液的非牛頓流變行為，可采用冪律方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合[12]：

式中，η為乳液的黏度；K為稠度系數(shù)；γ為剪切速率；n為流動(dòng)指數(shù)（根據(jù)n值可以推測剪切對(duì)乳液體系的作用，n＜1為剪切變稀，n=1為牛頓流體，n＞1 為剪切變稠）。

圖2 不同β-環(huán)糊精/吐溫-80質(zhì)量濃度下的乳液的剪切黏度Fig.2 Viscosity of the emulsions prepared with β-CD（a）or Tween-80（b）

表2列出了不同乳化劑乳液的K與n的擬合結(jié)果。結(jié)果表明：β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度為0.5 g/dL的乳液流動(dòng)指數(shù)n較小，說明該質(zhì)量濃度下乳液中形成的絡(luò)合物含量較少，不能形成強(qiáng)度較高的界面膜，因此表現(xiàn)出乳化系數(shù)值最低，乳液粒徑最大。當(dāng)β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度增至1.5 g/dL和4 g/dL時(shí)，乳液之間流動(dòng)指數(shù)n差別減小，但稠度系數(shù)K相差較大，說明不同β-環(huán)糊精濃度的乳液，其剪切變稀的程度相似，但粘度存在較大的差異。對(duì)于吐溫-80，其粘度顯著小于β-環(huán)糊精乳液的粘度，因此其稠度系數(shù)K遠(yuǎn)小于β-環(huán)糊精乳液。

表2 不同β-環(huán)糊精/吐溫-80質(zhì)量濃度時(shí)乳液冪率方程擬合參數(shù)表Table 2 Power law model parameters of the emulsions prepared with β-CD or Tween-80

2.2 不同油水體積比對(duì)乳液性質(zhì)的影響

2.2.1 乳化系數(shù) 圖3顯示，β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度為2.5 g/dL時(shí)，隨著油水體積比的增加，乳液層的體積不斷增大。結(jié)合表3可知，當(dāng)油水體積比從1∶9增加到5∶5時(shí)，乳化系數(shù)值從53.85%增加到92.29%。

圖3 不同油水體積比下β-環(huán)糊精乳液的穩(wěn)定性Fig.5 Stability of the emulsions stabilized with β-CD at the concentration of 2.5 g/dL

β-環(huán)糊精濃度相同，生成環(huán)糊精/油絡(luò)合物量相同，即能夠形成的界面膜面積相同。隨著油水體積比增大，界面膜強(qiáng)度減低，顆粒發(fā)生聚并，形成較大粒徑的乳液液滴，導(dǎo)致乳液相體積增大，乳化系數(shù)值增大。

表3 不同油水體積比時(shí)β-環(huán)糊精的乳化系數(shù)Table 3 Creaming index of the emulsions prepared with different oil/water volume ratio

2.2.2 乳液微觀結(jié)構(gòu) 圖4表明，乳液液滴的粒徑隨著油水體積比的增加而逐漸增加，可能是因?yàn)殡S著油水體積比例的增加，乳液油滴之間空間減小，液滴間作用力明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致液滴間相互碰撞并融合的可能性增加，因此乳液粒徑增大。

圖4 不同油水體積比時(shí)β-環(huán)糊精乳液的光學(xué)顯微鏡圖Fig.4 Microscope images for the droplets of the emulsions prepared with β-CD at the concentration of 2.5 g/dL

2.2.3 乳液黏度 如圖5所示，不同油水體積比的β-環(huán)糊精乳液，隨著剪切速率的增加其粘度均呈下降趨勢，即呈現(xiàn)出剪切變稀行為；在同一剪切速率下，隨著油相體積比的增加，β-環(huán)糊精乳液的粘度逐漸增加。油相體積的增加，乳液液滴間作用力明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致乳液粘度增大。將圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，參數(shù)如表4所示。隨著油水體積比的增加，乳液之間流動(dòng)指數(shù)n差別較小，而稠度系數(shù)K相差較大，表明不同油水體積比的β-環(huán)糊精乳液，其剪切變稀的程度相似，但粘度存在較大的差異。

圖5 不同油水體積時(shí)β-環(huán)糊精乳液的剪切黏度Fig.5 Viscosity of the emulsions prepared with different oil/water volume ratios

3 結(jié)語

β-環(huán)糊精穩(wěn)定的乳液的穩(wěn)定性顯著高于吐溫-80；β-環(huán)糊精乳化系數(shù)隨環(huán)糊精質(zhì)量濃度的增大而增大，而吐溫-80質(zhì)量濃度對(duì)乳化系數(shù)值影響很??；乳液液滴的粒徑隨著β-環(huán)糊精質(zhì)量濃度的增加而逐漸減小，隨著油水體積比的增加而增加；β-環(huán)糊精乳液粘度呈現(xiàn)典型的剪切變稀行為，而吐溫-80乳液呈現(xiàn)剪切變稠行為。環(huán)糊精/油的絡(luò)合物顆粒能吸附于油/水界面形成顆粒膜結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨環(huán)糊精含量的增加而提高，從而起到阻止液滴聚并、穩(wěn)定乳液的作用。

表4 不同油水體積時(shí)乳液冪率方程擬合參數(shù)表Table 4 Power law model parameters of the emulsions prepared with different oil/water volume ratios

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