響應(yīng)面法優(yōu)化超聲乳化制備油茶籽油納米乳液及其穩(wěn)定性研究

胡 偉,李湘洲,穆園園

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

油脂加工

響應(yīng)面法優(yōu)化超聲乳化制備油茶籽油納米乳液及其穩(wěn)定性研究

胡 偉1,2,李湘洲1,穆園園1

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

以Tween80為乳化劑，研究了超聲功率、油茶籽油體積分?jǐn)?shù)、乳油比及其交互作用對(duì)超聲乳化制備油茶籽油納米乳液平均粒徑及多分散指數(shù)的影響，利用響應(yīng)面法優(yōu)化了制備條件并對(duì)油茶籽油納米乳液的穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：油茶籽油納米乳液的平均粒徑及多分散指數(shù)模型擬合度R2分別為0.974 2和0.951 9；最優(yōu)制備條件為超聲功率405 W、超聲時(shí)間15 min、油茶籽油體積分?jǐn)?shù)8.3%、乳油比0.16∶1，在該條件下油茶籽油納米乳液的平均粒徑為(74.9±0.85)nm，多分散指數(shù)為0.17±0.01；貯存溫度、貯存時(shí)間及二者的交互作用對(duì)油茶籽油納米乳液的平均粒徑及多分散指數(shù)有極顯著影響(P<0.01)，油茶籽油納米乳液在5.℃和25.℃條件下貯存60 d，其平均粒徑小于90 nm，多分散指數(shù)小于0.3，表現(xiàn)出了較好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。

超聲乳化；油茶籽油；納米乳液；響應(yīng)面；穩(wěn)定性

Abstract：With Tween80 as emulsifier,the effects of ultrasonic power,oil- tea camellia seed oil (CSO) volume fraction and ratio of emulsifier to oil (SOR) on the mean droplets diameter (Z-Ave) and polydispersity index (PDI) of the CSO nanoemulsion were investigated.The preparation conditions of CSO nanoemulsion using ultrasonic emulsification were optimized by response surface methodology and its stability was determined.The results showed thatR2of Z-Ave andPDIwere 0.974 2 and 0.951 9 respectively.The optimal preparation conditions were obtained as follows: ultrasonic power 405 W,ultrasonic time 15 min,CSO volume fraction 8.3% and SOR 0.16∶1.Under these conditions,Z-Ave was (74.9±0.85)nm andPDIwas 0.17±0.01.Moreover,the effects of storage time and storage temperature as well as their interactions on the Z-Ave andPDIwere highly significant (P<0.01).CSO nanoemulsion stored at 5.℃ and 25.℃ for 60 days,Z-Ave was less than 90 nm,andPDIwas less than 0.3.It showed good dynamic stability.

Keywords：ultrasonic emulsification; oil-tea camellia seed oil; nanoemulsion; response surface methodology; stability

油茶籽油又稱茶油，是從山茶科山茶屬植物的普通油茶(CamelliaoleiferaAbel.)成熟種子中提取的高級(jí)食用植物油。油茶籽油的脂肪酸組成與橄欖油相似，油酸含量高達(dá)74%～87%，且含有VE、β-胡蘿卜素、角鯊烯、茶多酚等功能成分，具有增強(qiáng)免疫和抗氧化作用，目前已應(yīng)用于食品、日化等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]。

納米乳液是一類液相以液滴形式分散于第二相的膠體分散體系，粒度在50～200 nm，呈透明或半透明狀，也被稱為細(xì)乳液、超細(xì)乳液、不穩(wěn)定的微乳液和亞微米乳液等[3]。O/W型納米乳液能夠較好地載運(yùn)及保護(hù)脂溶性活性成分(ω-3脂肪酸、β-胡蘿卜素、VE等)，具有較高的生物利用度和環(huán)境耐受性[4]，在食品、日化、醫(yī)藥等領(lǐng)域備受關(guān)注。與大豆油、葵花籽油相比，油茶籽油營(yíng)養(yǎng)豐富，對(duì)脂溶性活性成分具有很好的溶解性[5-6]，在生物親和性及穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是制備納米乳液優(yōu)良油相原料。國(guó)內(nèi)目前已有葵花籽油納米乳液[7]、姜油納米乳液[8]等研究，但未見(jiàn)油茶籽油納米乳液的研究報(bào)道。

超聲乳化法是基于超聲空化效應(yīng)理論建立起來(lái)的一種高能乳化法，相比傳統(tǒng)乳化法，可有效減小乳液粒徑及降低分散性，減少能量的熱損耗及乳化劑用量，具有清潔高效、操控靈活等優(yōu)勢(shì)，在納米乳液的制備中顯現(xiàn)出很大潛力[9]。本文探討了超聲聲學(xué)參數(shù)及乳液組成對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑(Z-Ave)及多分散指數(shù)(PDI)的影響，采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了制備條件，并對(duì)其穩(wěn)定性能進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，以期為油茶籽油納米乳液產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

油茶籽油(壓榨一級(jí))，湖南林之神生物科技有限公司；聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯(Tween80)，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；蘇丹紅III，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；亞甲基藍(lán)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷鎢酸，美國(guó)Sigma公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

Scientz-950E超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；Zetasizer Nano ZS激光粒度儀，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；ES35B磁力攪拌器，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；P10-Y超純水機(jī)，長(zhǎng)沙科爾頓水務(wù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲乳化油茶籽油納米乳液的制備

在室溫條件下，選用油茶籽油為油相，Tween80為乳化劑，按一定比例將Tween80與油茶籽油用磁力攪拌器以700 r/min混合15 min，然后緩慢滴加一定量的去離子水，以2 000 r/min混合2 min至均勻，形成粗乳液。

取一定量粗乳液于燒杯中，置于超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中，選用Ф6 mm超聲變幅桿，按照設(shè)定的超聲功率、超聲時(shí)間進(jìn)行超聲乳化，過(guò)程中用冰水浴降溫。設(shè)定單因素基本條件為超聲時(shí)間15 min、超聲功率400 W、油茶籽油體積分?jǐn)?shù)10%、乳油比0.15∶1。

1.2.2 油茶籽油納米乳液的粒徑分析

采用動(dòng)態(tài)激光散射技術(shù)，將制備的油茶籽油納米乳液樣品預(yù)先用蒸餾水稀釋10倍，利用激光粒度儀在90°散射角、25.℃條件下測(cè)量納米乳液的粒徑及PDI。

1.2.3 納米乳液類型的鑒定

[10]通過(guò)染色法鑒定納米乳液的類型，取相同體積的兩份納米乳液樣品，將1 mg/mL水溶性亞甲基藍(lán)和油溶性的蘇丹紅溶液分別滴加到納米乳液中，觀察兩種染色劑在納米乳液中的擴(kuò)散速度。如果亞甲基藍(lán)的擴(kuò)散速度快，則納米乳液為O/W 型；如果蘇丹紅的擴(kuò)散速度快，則為W/O型；兩者擴(kuò)散速度相同則為雙連續(xù)型。

1.2.4 納米乳液透射電子顯微鏡(TEM)分析

取適量油茶籽油納米乳液樣品，用蒸餾水稀釋10倍后，滴加在覆蓋有碳膜的銅網(wǎng)上，用2%的磷鎢酸溶液進(jìn)行染色處理后放至通風(fēng)處干燥，通過(guò)透射電鏡觀察納米乳液的形態(tài)并拍照[8,10]。

1.2.5 納米乳液穩(wěn)定性能研究

參考文獻(xiàn)[11]，取10 mL油茶籽油納米乳液樣品裝入具蓋玻璃管中，用鋁箔包裹，分別置于5、25、45.℃條件下貯存60 d，采用1.2.2方法每隔15 d測(cè)定樣品的粒徑及PDI。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲功率對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響

基本條件參照1.2.1，考察超聲功率對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 超聲功率對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響

由圖1可知，隨著超聲功率的提高，油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI均先降低后增大。PDI是評(píng)價(jià)納米乳液分散性的指標(biāo)，其數(shù)值越小，說(shuō)明分散性越好。當(dāng)超聲功率分別為500 W和400 W時(shí)，油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI達(dá)到最小值。而后隨著超聲功率的繼續(xù)提高，油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI又有所增大。為此，實(shí)驗(yàn)選取的超聲功率范圍是300～500 W。

2.1.2 油茶籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響

基本條件參照1.2.1，考察油茶籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 油茶籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響

由圖2可知，隨著油茶籽油體積分?jǐn)?shù)的提高，油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI均先降低后增大。其平均粒徑和PDI分別在油茶籽油體積分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)達(dá)到最小值，繼續(xù)提高油茶籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)降低納米乳液的平均粒徑有不利影響，而對(duì)PDI影響并不明顯。為此，實(shí)驗(yàn)選取油茶籽油體積分?jǐn)?shù)范圍是5%～15%。

2.1.3 乳油比對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響

基本條件參照1.2.1，考察乳油比對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 乳油比對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響

由圖3可知，隨著乳油比的增加，油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI均先降低后增大，在乳油比為0.2∶1和0.15∶1時(shí)，油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI分別達(dá)到最小值。為此，實(shí)驗(yàn)選取的乳油比范圍是0.1∶1～0.2∶1。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 回歸方程的建立及模型方差分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken Design(BBD)設(shè)計(jì)原理，在影響超聲乳化制備油茶籽油納米乳液的工藝參數(shù)中，超聲時(shí)間15 min，選擇超聲功率(X1)、油茶籽油體積分?jǐn)?shù)(X2)、乳油比(X3)為主要考察因素，以油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI為響應(yīng)變量，使用Design-Expert 7.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。因素與水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3、表4。

表1 因素與水平

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 Z-Ave方差分析

表4 PDI方差分析

由表3、表4可知，實(shí)驗(yàn)選取的油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI兩個(gè)模型不同處理間差異都極顯著(P<0.01)，而失擬項(xiàng)差異均不顯著，說(shuō)明殘差均由隨機(jī)誤差引起。兩個(gè)模型的擬合度R2分別為0.974 2 和0.951 9，說(shuō)明響應(yīng)值平均粒徑及PDI的變化分別有97.42%和95.19%來(lái)源于所選變量，模型擬合度較好，使用該模型對(duì)油茶籽油納米乳液的平均粒徑和PDI進(jìn)行預(yù)測(cè)是可靠的。

(1)

(2)

各因素對(duì)平均粒徑及PDI的影響大小順序分別為：油茶籽油體積分?jǐn)?shù)>乳油比>超聲功率；乳油比>油茶籽油體積分?jǐn)?shù)>超聲功率。這可以解釋為納米乳液是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，不能自發(fā)地形成。納米乳液粒徑及分散性由超聲空化作用所產(chǎn)生的高剪切力(能量)和乳液流變學(xué)特性共同決定。在能量足夠打破原有相平衡條件下，乳液組成(油茶籽油體積分?jǐn)?shù)、乳油比)是控制體系主要參數(shù)，乳液組成及性質(zhì)對(duì)納米乳液粒徑及PDI影響可能更大。

2.2.2 響應(yīng)面圖分析

圖4(a)及圖5(a)分別表示當(dāng)乳油比設(shè)定在零水平時(shí)，超聲功率和油茶籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響。油茶籽油納米乳液的平均粒徑隨著油茶籽油體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，提高超聲功率能降低油茶籽油納米乳液平均粒徑，而隨著超聲功率的繼續(xù)提高，平均粒徑又呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。超聲過(guò)程傳遞的總能量由超聲功率和超聲時(shí)間乘積決定，提高超聲功率意味著傳遞更多的能量用于降低納米乳液的粒徑及PDI。超聲時(shí)間固定，為了達(dá)到超聲空化作用的閾值，超聲功率通常優(yōu)化到合理水平。繼續(xù)提高超聲功率會(huì)造成空化作用時(shí)氣泡的增加，影響能量傳遞，超聲功率的轉(zhuǎn)化率降低，這與Kentish等[12]研究結(jié)論一致。

圖4(b)及圖5(b)分別表示當(dāng)油茶籽油體積分?jǐn)?shù)設(shè)定在零水平時(shí)，超聲功率和乳油比對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響。乳化劑可以降低界面張力，降低乳化時(shí)能量的消耗，乳化劑濃度對(duì)納米乳液粒徑及分布具有重要影響。在較低的乳油比范圍內(nèi)，提高超聲功率對(duì)減小油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI并不明顯，而增加乳油比則有利于降低油茶籽油納米乳液的平均粒徑及PDI。Chalothorn等[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著乳清分離蛋白濃度的增大，車前葉藍(lán)薊籽油乳液粒徑及PDI顯著減小。Rao等[14]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)Tween80由7%提高到13%，檸檬油納米乳液的平均粒徑達(dá)到了50 nm。

圖4(c)及圖5(c)分別表示當(dāng)超聲功率設(shè)定在零水平時(shí)，油茶籽油體積分?jǐn)?shù)和乳油比對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響。交互項(xiàng)X2X3的等高線呈橢圓形，表明這兩項(xiàng)交互作用顯著，油茶籽油體積分?jǐn)?shù)的增加意味著需要更多的乳化劑以降低表面張力。

2.2.3 回歸模型的優(yōu)化及驗(yàn)證

以油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的權(quán)重比為1∶1，對(duì)模型方程最小化分析，得到X1=0.05，X2=-0.34，X3=0.17，得出制備油茶籽油納米乳液的最佳工藝條件為：超聲功率405 W，油茶籽油體積分?jǐn)?shù)8.3%，乳油比0.16∶1。在超聲時(shí)間15 min條件下對(duì)該優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)油茶籽油納米乳液的平均粒徑為(74.9±0.85)nm，PDI為0.17±0.01，與模型預(yù)測(cè)值平均粒徑和PDI的相對(duì)誤差分別為2.3%和1.1%，實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值具有較好的擬合性。

圖4交互作用對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑的影響

圖5 交互作用對(duì)油茶籽油納米乳液PDI的影響

2.3 油茶籽油納米乳液的類型及形態(tài)

染色法實(shí)驗(yàn)中觀察到亞甲基藍(lán)溶液在乳液中擴(kuò)散速度較快，制備的油茶籽油納米乳液為O/W型。油茶籽油納米乳液的透射電鏡圖如圖6所示。

圖6 油茶籽油納米乳液的透射電鏡圖

由圖6可知，由于超聲空化作用，油茶籽油納米乳液的平均粒徑較小，呈球形分布，表明超聲乳化能夠起到較好的乳化效果。

2.4 油茶籽油納米乳液穩(wěn)定性能研究

貯存溫度和貯存時(shí)間對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的方差分析見(jiàn)表5。

由表5可知，貯存溫度、貯存時(shí)間及二者的交互作用對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響都極顯著(P<0.01)，而貯存溫度和貯存時(shí)間對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響較二者的交互作用更強(qiáng)。

表5 貯存溫度和貯存時(shí)間對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的方差分析

貯存溫度和貯存時(shí)間對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI的影響如圖7、圖8所示。

圖7 貯存溫度和貯存時(shí)間對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑的影響

由圖7可知，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，在5.℃和25.℃ 貯存條件下，油茶籽油納米乳液的平均粒徑先略有降低，隨后緩慢增大。在45.℃條件下，油茶籽油納米乳液的平均粒徑較5.℃和25.℃時(shí)增大明顯，貯存60 d油茶籽油納米乳液開(kāi)始出現(xiàn)少量分層現(xiàn)象。其原因可能是隨著貯存溫度的升高，乳液液滴碰撞聚合速率增大以及奧斯瓦爾德熟化現(xiàn)象，導(dǎo)致其平均粒徑增大，同理也說(shuō)明隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，油茶籽油納米乳液在25.℃條件下的平均粒徑比在5.℃ 時(shí)的稍大。在5.℃和25.℃下貯存60 d，油茶籽油納米乳液的平均粒徑均小于90 nm。

圖8 貯存溫度和貯存時(shí)間對(duì)油茶籽油納米乳液PDI的影響

由圖8可知，在0～45 d，25、45.℃貯存條件下，隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，油茶籽油納米乳液的PDI的變化并不明顯。這可能是受納米乳液體系內(nèi)相互作用的影響，油茶籽油納米乳液動(dòng)力學(xué)上先趨于平衡，而后逐漸上升。3種溫度條件下貯存60 d，油茶籽油納米乳液的PDI均小于0.3。

3 結(jié) 論

通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)建立了超聲乳化制備油茶籽油納米乳液的回歸模型，油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI模型的擬合度R2分別為0.974 2和0.951 9，使用該模型在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果吻合度好。超聲乳化制備油茶籽油納米乳液的優(yōu)化條件為：超聲功率405 W，超聲時(shí)間15 min，油茶籽油體積分?jǐn)?shù)8.3%，乳油比0.16∶1，該條件下制備的油茶籽油納米乳液為O/W型，平均粒徑(74.9±0.85)nm，PDI為0.17±0.01。

貯存溫度、貯存時(shí)間及二者的交互作用對(duì)油茶籽油納米乳液平均粒徑及PDI具有極顯著影響(P<0.01)，油茶籽油納米乳液在5.℃和25.℃下貯存60 d，其平均粒徑小于90 nm，PDI小于0.3。

超聲乳化法能夠快速地制備油茶籽油納米乳液，通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化可獲得較為理想的粒徑及其分布，并表現(xiàn)出了較好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，是一種較為實(shí)用、高效的納米乳液制備技術(shù)。

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Optimizationofoil-teacamelliaseedoilnanoemulsionpreparedusingultrasonicemulsificationbyresponsesurfacemethodologyanditsstability

HU Wei1,2,LI Xiangzhou1,MU Yuanyuan1

(1.College of Materials Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China; 2.Hunan Academy of Forestry,Changsha 410004,China)

TS225.6;TQ641

A

1003-7969(2017)09-0014-06

2016-12-12；

2017-04-15

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204811)

胡 偉(1981)，男，博士研究生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)(E-mail)huweics@126.com。

李湘洲，教授，博士生導(dǎo)師(E-mail)rlxz@163.com。