動態(tài)光散射法測定月見草油微乳粒徑的研究

吳紅艷，于曉丹，孫長豹，許英一

(1.齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

動態(tài)光散射法測定月見草油微乳粒徑的研究

吳紅艷1，于曉丹1，孫長豹2，許英一1

(1.齊齊哈爾大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

微乳的粒徑是鑒別微乳液性能和穩(wěn)定性的重要指標。文章利用動態(tài)光散射法測定月見草油微乳的粒徑及多分散度。結(jié)果表明：以粒徑為考察指標，月見草油微乳最佳的制備溫度為25 ℃，表面活性劑和油的最佳比例是6∶1，微乳體系的最佳pH值為5～7。在此條件下制備的微乳液粒子的大小比較均一，形態(tài)大多呈現(xiàn)圓形。微乳粒子的大小影響微乳的穩(wěn)定性，但粒子大小不是考察微乳體系穩(wěn)定性的唯一指標。

微乳；月見草油；動態(tài)光散射；粒徑；測定

微乳(microemulsion，ME)具有均一穩(wěn)定、可同時增溶油和水的特性，能夠作為某種難溶功能性成分的載體，可將這些功能成分很好地分散到水相中，從而提高難溶解功能成分的水溶性、穩(wěn)定性。El-Nokaly等[1]將香精和增香劑與乳化劑混合制備微乳，以增加香精的穩(wěn)定性；也可利用微乳液提取花椒、大料中的風(fēng)味物質(zhì)。近年來，人們對食品級微乳的研究越來越關(guān)注。在微乳的制備中，通常是由油、表面活性劑、助表面活性劑等參與，有時體系中會呈現(xiàn)多個狀態(tài)或相態(tài)，屬于多分散體系，此時體系的界面自由能、多分散霞球型顆粒的相行為、熱穩(wěn)定性等都易發(fā)生變化[2,3]。動態(tài)光散射法(dynamic light scattering，DLS)是通過測量懸浮液顆粒的擴散系數(shù)來得到顆粒的粒徑及其分布。DLS已經(jīng)成為納米科技中比較常規(guī)的一種表征方法，主要用于研究在非常小的角度下在納米范圍內(nèi)不均勻性的樣品顆粒大小及分布。通過對樣品粒徑的測量可以判定所制樣品是否符合微乳的標準，更多研究表明根據(jù)微乳的粒徑(hydrodynamic diameter)及多分散度PDI值(polydispersity index)可以對微乳體系的穩(wěn)定性進行評價[4,5]。外界條件及加工、貯藏條件的改變對微乳的粒徑有一定影響，進而影響微乳的包封率及穩(wěn)定性[6]。本文研制以月見草油為油相的食品級微乳。月見草油中含有大量的不飽和脂肪酸，如油酸、亞油酸、亞麻酸等，其中γ-亞麻酸含量較多，約為7%～10%。月見草油可以治療很多種疾病，被譽為“21世紀功能性食品主角”。月見草油微乳具有毒性小，易被人體吸收的優(yōu)勢。微乳的性能和穩(wěn)定性決定著它的性能和應(yīng)用，而微乳的粒徑大小及均一性又是評價微乳質(zhì)量的重要指標，因此研究微乳的粒徑及PDI值就顯得十分重要。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

Tween-80、月桂酸、鹽酸、氫氧化鈉(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)；月見草油(長白山保護開發(fā)區(qū)長白工坊生態(tài)產(chǎn)品有限公司)；實驗中所用水為超純水。

Nano-ZS90 型馬爾文粒徑分析儀 英國馬爾文儀器有限公司；BS124S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；C-MAG HS 4型數(shù)顯型磁力攪拌器 德國IKA公司；DL-360E型智能超聲波清洗器 江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；Heal Force PW系列超純水器 力新儀器上海有限公司；VORTEX OL-902漩渦振蕩器 海門市其林貝爾儀器制造有限公司；WYA-2W阿貝折光儀 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 月見草油微乳的制備

以Tween-80與月桂酸按10∶1(質(zhì)量比)比例配制混合表面活性劑，將混合物在恒溫磁力攪拌器上混合均勻。分別以混合表面活性劑與月見草油比為10∶1，8∶1，6∶1，4∶1，7∶3混合并在恒溫(25 ℃)磁力攪拌器上進行攪拌(以下分別稱作10∶1，8∶1，6∶1，4∶1，7∶3微乳)，攪拌過程中緩慢滴加水，當體系變得澄清透明，且使用激光筆平行光入射后激光成束，光感強烈、不分散，即形成微乳液。

1.2.2 pH對微乳粒徑的影響

以月見草油為油相，在25 ℃下以Tween-80和月桂酸(10∶1)為表面活性劑，以分別添加HCl和NaOH配制成pH 3～9的水溶液為水相。按1.2.1方法制備微乳后測定不同pH對微乳粒徑的影響。

1.2.3 粒徑及粒徑分布測量

分別取0.5 mL上述不同比例的微乳定容到5 mL，在漩渦振蕩器上混合均勻后，測量其折光率，然后將稀釋后的微乳倒入比色皿中，把比色皿放入馬爾文粒徑分析儀中，進行自動測量。參數(shù)設(shè)定：散射角為90 ℃，吸光度值：0.010，黏度(cP)：0.8872，分散相：水。儀器自動掃描15次后給出粒徑和PDI值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個實驗重復(fù)3次，結(jié)果表示為Mean±SD，平均值差異顯著性分析用SPSS 13.0軟件包進行分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 含油量對微乳液粒徑的影響

采用動態(tài)光散射法測定粒徑時，對于不同的樣品，都要選擇最佳的樣品濃度測量范圍。樣品濃度太低，沒有足夠的散射光進行測量；樣品濃度高，則會產(chǎn)生多重散射現(xiàn)象。月見草油微乳屬于納米粒子(10 nm<粒徑<1000 nm)，樣品濃度應(yīng)該在0.1 mg/L～0.01 g/L之間，因此要對所制備的微乳液進行稀釋。對于油包水型的微乳水的加入會破壞微乳的結(jié)構(gòu)，結(jié)果會產(chǎn)生很大的偏差。制備微乳時通常情況都將油和表面活性劑的比例設(shè)置為1∶9，1∶4，3∶7，4∶6，5∶5，6∶4，7∶3，4∶1，9∶1等，但在實驗中，若要形成水包油型微乳，當表面活性劑和油的比例小于1∶1時就已經(jīng)不能形成微乳了，實驗結(jié)果均形成渾濁液，油包水微乳制劑實驗制備中也有類似現(xiàn)象。因此，本實驗選擇的表面活性劑和月見草油的比例分別是10∶1，8∶1，6∶1，4∶1，分散相為水相來考察含油量對微乳液粒徑的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 含油量對微乳體系的粒徑和PDI影響

注：與4∶1微乳相比，“**”表示p<0.01。

由圖1可知，隨著含油量的變化，微乳的粒徑有很大的變化。當月見草油∶表面活性劑為4∶1～8∶1時，隨著油量的增加，微乳的粒徑變大，4∶1時已經(jīng)大于100 nm，而且PDI值也明顯大于6∶1的微乳，說明體系中粒徑的分散性較大。但當油的含量降低為1∶10時，微乳的粒徑?jīng)]有隨著油含量的降低而減小，反而有所增大，PDI值有所下降，說明體系均一。當含油量較高時(如4∶1微乳)，體系中的表面活性劑相對較少，在形成膠粒過程中表面活性劑不能完全包裹住油，膠粒之間會相互吸附，或者一個膠粒中包裹幾個油分子，從而粒徑增大，而且不均勻，PDI值變大。當油的含量過低時(10∶1微乳)，由于表面活性劑的量增大，體系黏度變大，膠粒間相對移動減慢，造成相互之間聚集，穩(wěn)定性降低。因此對于不同的微乳體系，表面活性劑和油量之間也存在最佳的比例。實驗中月見草油∶表面活性劑為4∶1～10∶1時均可制備出可無限稀釋的微乳。微乳的粒徑越小，分布越均勻，它的穩(wěn)定性也越高。含油量越大，微乳的粒徑也隨之增大。但要制備食品級微乳就應(yīng)盡可能降低表面活性劑用量，因此粒徑測試實驗得出6∶1是表面活性劑和油的最佳比例。

2.2 制備溫度對微乳液粒徑的影響

微粒之間的作用力決定著粒徑的大小，而溫度又決定著作用力的變化，所以控制溫度在整個制備過程中至關(guān)重要，可以通過控制溫度有效地控制微乳粒徑的大小，制備出適當粒徑的納米材料[7]。實驗中以6∶1型微乳為例研究了制備溫度對微乳液粒徑的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 制備溫度對微乳粒徑及PDI值的影響

注：與25 ℃相比，“*”表示p<0.05，“**”表示p<0.01。

通過比較不同溫度對微乳形成的影響，發(fā)現(xiàn)在實驗過程中，隨著制備溫度的升高，微乳成乳后的粒徑也有所增大，但相差不大。在65 ℃條件下制備的微乳由于溫度升高增加溶質(zhì)在水相中的溶解度，體系的黏度下降，分子間互相滑動比較容易，同時高溫使乳膠體粒子的膜變軟(膜的硬度下降)，溫度高反應(yīng)速率快，乳膠粒生長速度快。但表面活性劑不能被迅速吸附到膠粒表面以維持乳膠粒的穩(wěn)定，粒子容易聚結(jié)成粗粒子。但與低溫相比，高溫下油相分散更快，形成微乳的速度也更快。當溫度接近或高于曇點時，由于分子熱運動加劇，導(dǎo)致表面活性劑與水分子間的氫鍵斷裂，小油滴聚集成較大的液滴，穩(wěn)定性下降。因此通常制備和放置時的溫度都應(yīng)控制在表面活性劑的曇點之下[8]。

由圖2可知，65 ℃下制備的微乳液的PDI值較大，說明體系中粒徑的分布不均，且這種微乳室溫靜置過夜后，微乳液會稍顯不透明，說明此溫度下制得的微乳穩(wěn)定性較差。另外，月見草油中的不飽和脂肪酸在高溫下不穩(wěn)定、易氧化，因此不宜選擇高溫制備微乳。如果制備時降低溫度，體系的黏度增加，增大了乳液膜的剛性和粒子的總表面積，有助于微乳結(jié)構(gòu)的形成，且樣品PDI值較小，粒子分布均一，體系更為穩(wěn)定。但低溫(小于25 ℃)制備月見草油微乳的平衡時間較長，制備的微乳隨放置時間的延長會變得更加清透。因此，實驗確定最佳的制備溫度為25 ℃。

2.3 pH對粒徑的影響

實驗中分別用pH 3～9的HCl和NaOH溶液制備4∶1和10∶1的微乳，將微乳于室溫下放置12 h后測定微乳的粒徑，結(jié)果見圖3。

圖3 pH值對微乳粒徑的影響

在不同的pH條件下，微乳的粒徑隨著放置時間和含油量不同而發(fā)生變化。由圖3可知，使用不同pH溶液制備的微乳在放置12 h后，微乳的狀態(tài)和粒徑都發(fā)生了不同的改變。對于含油量較高的4∶1微乳，pH在5～7時粒徑變化不大，微乳相對穩(wěn)定，無分層現(xiàn)象。而當pH<6時，微乳的粒徑明顯變大，pH>8時微乳液的粒徑變化不大，但微乳液失去乳光，并有白色物質(zhì)析出。而對于含油量相對較低的10∶1微乳，pH 5～7時微乳粒徑變化小，穩(wěn)定性較好。pH值對微乳粒徑的影響主要取決于酸、堿對表面活性劑和油之間的相互作用。Tween-80(聚氧乙烯脫水山梨醇油酸酯)屬于酯類，為非離子型表面活性劑，在水中不能離解成離子，因此不能與酸堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以在pH 5～7的弱酸弱堿環(huán)境對微乳的影響較小。但在pH<6的酸性條件下酯類會發(fā)生水解反應(yīng)；在pH>8的堿性條件下酯類也會發(fā)生皂化反應(yīng)，這兩種反應(yīng)都破壞了酯的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致微乳中界面膜發(fā)生變化，微乳的粒徑隨之改變。因此以粒徑為考察指標，該微乳體系的最佳pH值為5～7。

2.4 貯存條件對微乳粒徑的影響

實驗選擇的含油量相差較大，對10∶1和4∶1的O/W型微乳進行貯存實驗。

圖4 60 ℃下含油量對O/W型微乳穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，在60 ℃條件下貯存微乳時，10∶1和4∶1的O/W型微乳粒徑隨著貯存時間的變化發(fā)生改變。前10天內(nèi)2種微乳的粒徑均明顯增大，在第10～20天內(nèi)微乳粒徑隨著時間延長又呈明顯下降趨勢。主要是由于Tween-80的親水性差，即與水形成的氫鍵能力較弱[9]，微乳粒子之間的有效碰撞概率增加，導(dǎo)致粒徑變大[10]。而當融合微乳粒子粒徑增大到一定程度后的穩(wěn)定性下降，粒子解體，粒徑也明顯減小，如果僅以微乳粒徑為考察指標，粒徑減小微乳的穩(wěn)定性提高，但10∶1和4∶1這2種微乳貯藏10天后均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這2種O/W型微乳均不適宜在60 ℃環(huán)境下貯存。因此粒子大小不是考察微乳穩(wěn)定性的唯一指標，還要結(jié)合感官檢驗、離心實驗等其他方法。

3 結(jié)論

以含多不飽和脂肪酸的月見草油為油相、毒性較小的Tween-80與月桂酸為表面活性劑制備的微乳是一種可以應(yīng)用在食品工業(yè)中的食品級微乳。通過動態(tài)光散射儀測定微乳的粒徑，由實驗可知表面活性劑與油的配比、制備溫度和pH值影響著微乳的粒徑，實驗確定表面活性劑和油的最佳比例為6∶1；最佳的制備溫度為25 ℃；微乳體系的最佳pH值為5～7。在此條件下制備的微乳液粒子的大小比較均一，形態(tài)大多呈現(xiàn)圓形。而通過微乳粒子的大小可以考察微乳的穩(wěn)定性，但粒子大小不是考察微乳穩(wěn)定性的唯一指標，還要結(jié)合感官檢驗、離心實驗等其他方法進行綜合判斷。

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Study on the Hydrodynamic Diameter of Evening PrimroseOil Microemulsion by Dynamic Light Scattering

WU Hong-yan1, YU Xiao-dan1, SUN Chang-bao2, XU Ying-yi1

(1.College of Food and Biological Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, China;2.College of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

The hydrodynamic diameter of microemulsion is an important index of performance and stability of microemulsion. The hydrodynamic diameter and PDI of microemulsion are determined by dynamic light scattering. The results show that using particle size as the inedx,the preparation temperature is 25 ℃, the optimal ratio of surfactant and oil is 6∶1 and the optimal pH value is 5～7. Under such conditions, the microemulsion particle is uniformed and morphology is round. The hydrodynamic diameter of microemulsion has effects on stability of microemulsion, but it is not the only index for examining the stability of microemulsion.

microemulsion；evening primrose oil；dynamic light scattering；hydrodynamic diameter；determination

2017-02-11

黑龍江省自然科學(xué)基金項目(C201333)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541878)；齊齊哈爾市科學(xué)技術(shù)計劃項目(NYGG-201520)

吳紅艷(1969-)，女，江蘇泰興人，教授，博士，研究方向：食品化學(xué)與食品添加劑。

TS207.3

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.008

1000-9973(2017)08-0036-04