脂質(zhì)和表面活性劑對精油納米乳液穩(wěn)定性的影響及其應用研究進展

董 曼1,2,文 紅1,2,黃亞平1,2,張 濤1,2,范 剛

(1.湖北省食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗研究院,湖北武漢 430075;2.湖北省食品質(zhì)量安全檢測工程技術研究中心,湖北武漢 430075;3.環(huán)境食品學教育部重點實驗室,華中農(nóng)業(yè)大學食品科技學院,湖北武漢 430070)

精油是從植物的花、葉、莖、根或果實中,通過水蒸氣蒸餾法、擠壓法、冷浸法或溶劑提取法提煉萃取的芳香化合物[1]。由揮發(fā)性和非揮發(fā)性物質(zhì)組成,具有抗菌性、抗病毒性及抗氧化性[2-3]。精油在光照和高溫條件下不穩(wěn)定,具有不溶于水且易揮發(fā)的缺點[4],因此可通過不同包埋技術處理以長久維持其性質(zhì)[5]。包埋技術不僅能控制生物活性物質(zhì)的釋放,而且能提高其生物利用率[6]。應用納米技術能改變產(chǎn)品的質(zhì)地、口感、其他感官性狀、著色力、貨架期穩(wěn)定性等許多宏觀特征,具有產(chǎn)生大量新產(chǎn)品的潛力[7]。

納米乳液(nanoemulsion)是一類由水相、油相、表面活性劑按比例制成的粒徑大小為50～500 nm的膠體分散系統(tǒng)[8],大小均勻,透明或半透明,具有熱壓滅菌或高速離心穩(wěn)定的性質(zhì),是動力學穩(wěn)定體系[9]。1943年英國化學家Hoar和Schulman等人首次提出納米乳液這一概念[10]。精油納米乳液是以納米乳液為載體,將精油包封于納米乳滴中的產(chǎn)品。該產(chǎn)品能提高脂溶性物質(zhì)的溶解性、增加分散度、解決揮發(fā)性物質(zhì)易蒸發(fā)問題[11]。奧氏熟化指溶液中曲率較大、能量較高的晶體微粒逐漸溶解到周圍介質(zhì)中,然后在較大晶粒表面重新析出,使得小液滴消失,大液滴長大的現(xiàn)象。納米乳液需要克服貯藏過程中發(fā)生的奧氏熟化現(xiàn)象,否則不斷增長的液滴會使納米乳液乳化或者兩相分離而失去穩(wěn)定[12]。另外,向油相添加適量脂質(zhì),脂質(zhì)作為精油物質(zhì)的載體,將香氣物質(zhì)包裹起來,可延長其釋放時間[13],同時低溶解度的脂質(zhì)能抑制奧氏熟化現(xiàn)象,延長貨架時間[14]。與精油相比,精油納米乳質(zhì)地均勻、顆粒細膩、使用舒適,具有較好的長期穩(wěn)定性[15]。

雖然國外很多研究學者對納米乳液油相的物理性質(zhì)及對體系穩(wěn)定性的影響因素進行了大量研究,但將脂質(zhì)加到油相中的研究很少,脂質(zhì)對抑制奧氏熟化速率的機制及對香氣緩釋的影響缺乏深入認識,限制了更穩(wěn)定的精油納米乳液產(chǎn)品的開發(fā)。本文綜述了精油納米乳液的穩(wěn)定機制以及應用前景,旨在為研究開發(fā)精油納米乳液提供理論參考。

1 精油納米乳液的制備

納米乳液是熱力學不穩(wěn)定系統(tǒng),它的形成必須由外界提供一定能量,這些能量可以來自于外界的機械能,也可以來自于化學制劑結(jié)構(gòu)潛能[16]。通常有高能乳化法和低能乳化法兩種方法制備納米乳液。

1.1 高能乳化法

高能乳化法是利用儀器設備提供的能量將大液滴破碎成細小液滴,使其均勻的分散在連續(xù)相中的方法,通常包括高壓均質(zhì)法、微射流均質(zhì)法和超聲波乳化法這三種方法[17]。

高壓均質(zhì)法是利用高壓使物料受剪切力作用而破碎,最終達到乳化效果。高壓均質(zhì)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊,物料在進入均質(zhì)腔的過程中,受到猛烈的剪切力、震蕩、空穴作用和撞擊等機械作用和相應熱效應,從而使液態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生改變。Swathy將黑胡椒油、吐溫80及水在常溫下均質(zhì)5 min,然后將得到的粗乳送入高壓均質(zhì)機中,得到液滴尺寸小、穩(wěn)定性好的納米乳液,以便研究其對水產(chǎn)養(yǎng)殖病原菌的抗菌作用[18]。

微射流均質(zhì)法是利用高壓容量泵使溶液被分成無數(shù)股細流,再經(jīng)過側(cè)面開有微小洞的密封腔體形成兩股高速流體,相互碰撞,外界流體經(jīng)由開孔不斷進入、排出腔體,從而使其分散、均質(zhì)、乳化,最后得到納米乳液。Trujillo等利用微射流法制備百里香乳液,該乳液與僅利用轉(zhuǎn)子-定子設備制備出來的乳液相比,具有更高的物理穩(wěn)定性[19]。

超聲波乳化法采用超聲裝置,將互不相溶的液體在超聲波作用下粉碎,使其與周圍液體形成均勻的乳狀液。超聲波乳化法能顯著降低納米乳液粒徑,制備納米乳體系穩(wěn)定且簡單經(jīng)濟。Periasamy利用超聲波乳化法制備出粒徑為20～50 nm的黑種草子納米乳液,研究表明該乳液顯著降低MCF-7乳腺癌細胞活性[20]。

1.2 低能乳化法

低能乳化法是通過改變體系的組成成分、乳化劑的自發(fā)曲率或溫度誘導,從而形成納米乳液。與高能乳化法相比,低能乳化法所需要的能量較少,操作簡單,通常包括相轉(zhuǎn)變溫度法、相轉(zhuǎn)變點法、微乳液稀釋法這三種方法[21]。

相變溫度法利用表面活性劑高溫親油低溫親水、相變溫度時界面張力較低的特性來促進乳化作用,通過改變系統(tǒng)溫度促進高溫時的W/O型乳劑變成低溫時的O/W乳劑,同時在冷卻過程中,體系的零曲率轉(zhuǎn)變成最小表面張力,促進生成細小分散的油相[22]。Ren等利用溫敏聚氧乙烯短鏈依賴溫度進行水化作用的性質(zhì),以溫敏聚氧乙烯為表面活性劑、用相轉(zhuǎn)變溫度法制備出了液滴半徑為20～300 nm、呈球形的納米乳液[23]。

相轉(zhuǎn)變點法是通過調(diào)節(jié)體系中各組分的比例,達到相轉(zhuǎn)變的目的從而獲得納米乳液。首先把水相連續(xù)均勻的加到油相中,邊加水邊攪拌,此時水含量遠少于油形成W/O型乳液,隨著水相的增加,水相聚結(jié)在一起,乳液的表面活性劑形成層狀晶體,此時具有最小表面張力。繼續(xù)添加水相,最后形成O/W型乳液。Zhao等以司盤-80為表面活性劑,加入離子液體,通過相轉(zhuǎn)變點法制備一種帶有正電荷高效氯氟氰菊酯載油納米乳液,由于植物葉片表面帶有負電荷,負電荷表面與正電荷液滴之間的靜電相互作用將極大地提高潤濕性能[24]。

微乳液稀釋法通過稀釋微乳液,利用過程中釋放出來的化學能量自發(fā)地形成納米乳液。在稀釋的過程中,表面活性劑的自發(fā)曲率沒有發(fā)生正負轉(zhuǎn)變,納米乳類型始終沒有變化。孫鵬飛研究發(fā)現(xiàn),一部分表面活性劑在稀釋過程中從油相轉(zhuǎn)移到水相,顆粒表面的表面活性劑濃度降低,無法保持低界面張力,不能維持熱力學穩(wěn)定,于是轉(zhuǎn)變成動力學穩(wěn)定的納米乳液[25]。Tong利用W/O微乳稀釋法制備長鏈油(C29-C33)納米乳,研究表明當稀釋溫度從40 ℃升到80 ℃時,液滴直徑從1.2 μm下降到61 nm[26]。

2 表面活性劑對精油納米乳液香氣物質(zhì)釋放的影響

表面活性劑分子由親水基團和親油基團兩部分組成,能在水和油的界面形成吸附層,從而使互不相容的油和水形成穩(wěn)定的體系,有效地降低系統(tǒng)的界面張力。在現(xiàn)代食品中,表面活性劑已成為不可或缺的食品添加劑。食品表面活性劑在國內(nèi)外已有相對較多的研究,但是有關表面活性劑對香氣釋放影響的報告卻不多。相關研究表明,表面活性劑與其他物質(zhì)的聯(lián)合作用對香氣物質(zhì)的釋放會造成影響,不同的表面活性劑的結(jié)構(gòu)不同,和香氣之間的作用力大小程度也不同。Landy認為表面活性劑與香氣物質(zhì)之間產(chǎn)生的作用力能阻礙香氣從溶液中逸出[27]。Guichard等研究β-乳球蛋白和風味物質(zhì)之前存在相互作用力,能夠阻止風味物質(zhì)釋放[28]。Benjamin等發(fā)現(xiàn)表面活性劑的分子重量、黏度、顆粒大小等等都會影響香氣物質(zhì)的釋放程度[29]。Mao等將甘油酸酯加入到乳液當中,結(jié)果表明甘油酸酯的特殊結(jié)構(gòu)能將香氣物質(zhì)包裹在其內(nèi)部,從而緩釋香氣[30]。由此推斷,表面活性劑能影響乳液中香氣物質(zhì)的釋放。不同表面活性劑的表面性質(zhì)決定其傾向結(jié)合不同的香氣分子。表面活性劑的組成、結(jié)構(gòu)及特殊作用力等,都對香氣的釋放有著重要的作用[27,30]。表面活性劑的與香氣分子之間的作用力能夠阻礙香氣從油相轉(zhuǎn)移到水相,降低連續(xù)相中香氣分子的濃度,因此降低了香氣分子在氣-液界面的交換速率,從而延緩香氣物質(zhì)的釋放[28]。

3 添加脂質(zhì)對精油納米乳液的影響

3.1 脂質(zhì)對奧氏熟化的影響

納米乳液在放置過程中會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,影響體系穩(wěn)定的主要因素是奧氏熟化現(xiàn)象。奧氏熟化是由于大液滴能量低于小液滴能量而產(chǎn)生的的過程,具體表現(xiàn)為隨時間變化,小顆粒不斷變小,大顆粒和顆粒的平均粒徑不斷變大[31]。研究表明,作為納米乳重要組成成分的油相在納米乳形成過程中扮演重要角色,改變油相組成可以有效提高納米乳液的穩(wěn)定性[32]。在乳液中,由于水相中親水氧化劑與油相中疏水脂質(zhì)亞層之間的相互作用,通常脂質(zhì)易在油水界面發(fā)生脂質(zhì)氧化[33]。Wooster在油相中添加適當直徑比烷烴大的花生油,他發(fā)現(xiàn)分散相直徑越大,奧氏熟化率越小,并且呈線性關系;加入低溶解度的油相能改變液滴的組成,使不同液滴中的分散相溶解度逐漸接近,從而降低奧氏熟化的速率[34]。脂質(zhì)中大多數(shù)為非極性三酰甘油,在水中的溶解度遠遠小于三丁酸甘油酯在水中的溶解度[35]。李婭男發(fā)現(xiàn)添加10%橄欖油的納米乳液比純D-檸檬烯納米乳奧氏熟化速率更小[36]。綜上可以推測,通過向特征香氣物質(zhì)中添加適當比例脂質(zhì)可以降低油相在水中溶解性從而提高納米乳液的穩(wěn)定性。

油相物理性質(zhì)對納米乳長期穩(wěn)定性的影響已被廣泛研究,但與其它乳液相比,將脂質(zhì)加到油相中制備納米乳的研究很少。作為對納米乳液穩(wěn)定性十分重要但作用機理尚未研究清楚的脂質(zhì),需要進一步對其功能及其機制進行系統(tǒng)研究,以有助于研發(fā)更優(yōu)良的納米乳液,并深入探討其潛在的應用價值。

3.2 脂質(zhì)對精油納米乳液中香氣緩釋作用的影響

大量研究表明,脂質(zhì)的濃度和香氣化合物的親油性是影響香氣物質(zhì)釋放的主要因素,隨著脂質(zhì)濃度的增加,親油性化合物的緩釋效果越明顯。脂肪的主要成分為酯類化合物,由一個甘油分子和三個脂肪酸分子組成,酯基形成離域大π鍵,電子勻到兩個氧上,因此難溶于水,易溶于非極性溶劑[37]。對于低水溶解性香氣分子,蒸發(fā)率主要由分子從油相轉(zhuǎn)移到水相、蒸發(fā)遲滯層、水相轉(zhuǎn)移到氣相的速度共同決定的[38]。大多數(shù)香氣分子非極性較強,根據(jù)相似相溶原理,脂質(zhì)作為一種載體能將香氣分子包埋,阻礙香氣分子從油相中擴散到水相。加入脂質(zhì)后的Po/w(分子在油相和水中的分配系數(shù))比不加脂質(zhì)的Po/w更高。因此,加入脂質(zhì)的納米乳液香氣蒸發(fā)率比不加脂質(zhì)的納米乳液香氣蒸發(fā)率低,從而延緩香氣釋放。

Miettinen等向牛奶中添加菜籽油,研究其對牛奶中的極性香氣物質(zhì)和非極性香氣物質(zhì)釋放的影響,結(jié)果表明加入脂質(zhì)后,芳樟醇能完全保留在模型中,但對二乙酰的釋放沒有影響[39]。Ellen等從熱力學角度研究食物模型中風味物質(zhì)的變化,分別在水模型、水包油模型、碳水化合物模型和復合模型中加入脂質(zhì),證明了脂質(zhì)對香氣緩釋的作用[40]。Roberts等人以三種不同濃度的五種香氣為對象研究脂質(zhì)對香氣物質(zhì)的吸收效果,感官評價結(jié)果證明了脂質(zhì)對香氣保留的作用,釋放的親脂性化合物隨著脂質(zhì)濃度增加而減少[41]。Miettinen等人向果味牛奶中加入0～5%脂質(zhì),發(fā)現(xiàn)加入5%脂質(zhì)的牛奶中芳樟醇香氣持久,香氣濃度隨時間變化表能證明脂質(zhì)的加入能夠緩釋香氣[42]。Arancibia等研究O/W型乳液中香氣物質(zhì)釋放并對其進行了感官評價,發(fā)現(xiàn)向油相中加入適量脂肪能夠改變油相的極性,從而抑制香氣物質(zhì)的釋放量[43]。Binks認為,在O/W型納米乳液中,香氣分子的水溶解度越低,香氣在油相中遲滯率越高,即在油相中停留時間越長[38]。

4 精油納米乳液的應用

近幾年來,精油納米乳液已被廣泛應用于食品生產(chǎn)(例如飲料和餅干中的香氣、矯味劑),生活用品(例如花露水、香水、牙膏和香皂),醫(yī)藥工業(yè)(祛痰、抑菌、鎮(zhèn)痛、消炎)[44]。直接將精油添加到食品中會存在不穩(wěn)定,揮發(fā)性強及不溶于水的缺點,限制了其在食品領域的應用。將精油制成納米乳液,能幫助其克服貯藏過程中產(chǎn)生的沉降、絮凝和聚結(jié)等問題;其次,納米乳液對光的散色作用較弱,對產(chǎn)品透明度影響較小;另外,納米乳液的親脂化合物生物活性隨著液滴尺寸的減小而增加。

4.1 增強活性成分的抑菌作用

精油的抗菌作用機理為通過精油的活性成分與機體中細胞膜脂質(zhì)的相互作用,改變不飽和脂肪酸在膜上的比例,增加細胞膜的通透性,從而破壞細胞膜的穩(wěn)定性來達到抑菌效果[45]。Majeed等以不同比例菜籽油與丁香油為油相,改性淀粉為乳化劑制備丁香油陰離子納米乳液,研究表明,帶負電荷的丁香油納米乳液能夠增強對革蘭氏陽性菌的抗菌作用[46]。任婧楠等采用相轉(zhuǎn)變點法制備甜橙精油納米乳液,研究其對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和桔青霉的抑菌性,結(jié)果表明甜橙精油納米乳液對枯草芽孢桿菌的抑菌作用最強,其最低抑菌濃度(MIC)約為7.7%[47]。Moghimi等以肉桂醛為油相,吐溫80和吐溫20為表面活性劑,利用超聲法制備肉桂醛納米乳液,分別將肉桂醛納米乳液作用于大腸桿菌、假單胞桿菌和金黃色葡萄球菌,結(jié)果表明最低抑菌濃度MIC均有所降低,即將精油制備成納米乳液后能顯著提高抑菌效果[48]。

4.2 提高生物活性成分的利用率

生物利用率是評價活性分子是否具有積極影響的主要因素,它能確保生物活性食品或口服藥物的生物功效。因此,維持功能的有效傳遞機制是活性分子的主要關注點[49]。精油的不穩(wěn)定性使其容易在達到目標位置前被機體吸收,將精油制成納米乳劑能提高藥物生物利用率[50]。通常納米乳液能通過提高精油的分散性、生物可及率及機體對精油的吸收能力來提高生物利用率?？芘d然用6-姜烯酚、載油為油相,吐溫80為表面活性劑制備得到的6-姜烯酚納米乳液飼喂大鼠1個月,結(jié)果表明6-姜烯酚納米乳液可顯著保護胃黏膜不被損傷,且根據(jù)體內(nèi)藥代動力學研究結(jié)果表明,納米乳液能有效提高6-姜烯酚的口服生物利用度[51]。Sun等制備以亞麻籽和橄欖油為載油的紫檀芪納米乳液,將納米乳劑置于模擬胃腸道中,建立Caco-2細胞模型,利用產(chǎn)生的膠束相計算得到紫檀芪的生物利用度;研究表明,這兩種納米乳劑在膠束相中均能顯著提高紫檀芪的生物利用率[52]。

4.3 延長香氣釋放時間

采用納米乳體系對精油活性成分進行包埋,可更好的延緩香氣物質(zhì)的釋放,從而延長精油產(chǎn)品的貨架期,保證品質(zhì)。Jerobin等將苦楝油納米乳液放置24 h,隨時間的推移苦楝油釋放濃度從44.2%升到100%。然而在相同條件下,分別用阿拉伯樹膠和聚乙二醇制成苦楝油納米乳液,苦楝油的釋放速率顯著降低,分別從31.6%升到70.6%,41.6%升到80.6%;由此他們認為利用阿拉伯樹膠和聚乙二醇制成的納米乳液能緩解香氣物質(zhì)的釋放,且阿拉伯樹膠的效果比聚乙二醇效果更佳顯著[53]。任婧楠等人將橄欖油作為載油,與11種香氣物質(zhì)混合作為油相,采用相轉(zhuǎn)變點法制備柑橘精油納米乳液,實驗表明,大部分香氣物質(zhì)的釋放速率隨著橄欖油濃度的增加而降低[47]。

5 結(jié)論與展望

精油納米乳液是一種新興的功能活性成分運載體系,它克服了精油在貯藏過程中對光、熱、氧的不穩(wěn)定性及精油易揮發(fā),不溶于水的缺點,擴大了精油在食品工業(yè)中的應用范圍。另外,在精油納米乳液的油相中加入適量脂質(zhì),不僅能減緩奧氏熟化速率,同時能延緩香氣釋放的時間,增加乳液穩(wěn)定性,提高精油的應用品質(zhì),這是不同于以往普通納米乳液之處。

盡管精油納米乳液存在諸多優(yōu)點,但它在食品應用方面仍然存在許多挑戰(zhàn)。因此,未來的研究可以從兩個方面著手,一方面,在技術上,由于精油納米乳液具有廣譜殺菌性,為了提高精油納米乳的效率,應該根據(jù)不同產(chǎn)品需求制備不同配方的精油納米乳液;在油相中加入適量脂質(zhì),雖然一定程度上能提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性,緩釋香氣,但在一定程度上影響產(chǎn)品的風味,因此需要研發(fā)出封裝系統(tǒng)降低納米乳液的氣味。另一方面,在經(jīng)濟上,制備納米乳液需要較高的生產(chǎn)成本,應該在保證不影響納米乳液品質(zhì)的前提下,開發(fā)出低成本的原料及技術,使納米乳液實現(xiàn)工業(yè)化應用。