山茶油微乳液的制備及穩(wěn)定性分析

關(guān)智謀，朱式業(yè)，李加興,，劉志鋒，周玨茜茜，陳雙平

(1.吉首大學(xué) 食品科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000； 2.吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000； 3.湖南省優(yōu)鎰農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，湖南 吉首 416000)

山茶油能有效改善心腦血管疾病、降低膽固醇和甘油三酯，且對皮膚具有潤膚、保水、殺菌止癢等護(hù)理功效。由于山茶油富含油酸與亞油酸，因而易于氧化變質(zhì)，影響其營養(yǎng)價值與感官質(zhì)量[1]。

微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油(通常為碳?xì)浠衔?和水或電解質(zhì)水溶液在適當(dāng)比例下自發(fā)形成的外觀為透明或半透明，粒徑在10～100 nm之間，具有超低界面張力(微乳液體系的界面張力通常約為10-2mN/m)，熱力學(xué)穩(wěn)定的乳狀液[2]。通常分為W/O型、O/W型和雙連續(xù)型3種結(jié)構(gòu)，其中W/O型微乳液由油連續(xù)相、水核及表面活性劑與助表面活性劑組成的界面膜三相構(gòu)成，O/W型微乳液的結(jié)構(gòu)則由水連續(xù)相、油相及表面活性劑與助表面活性劑組成的界面膜三相構(gòu)成，雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)具有W/O和O/W兩種結(jié)構(gòu)的綜合特性，其中水相和油相均不是球狀，而是類似于水管在油相中形成的網(wǎng)格。

由于微乳液具有熱穩(wěn)定性，而且膠束粒子細(xì)小，易滲入皮膚，還可以包裹TiO2和ZnO納米粒子，因而添加在化妝品中具有增白、吸收紫外線和放射紅外線等特性[3]，微乳液化妝品相比乳狀液類化妝品具備很多優(yōu)勢[4]。此外，微乳液在藥物微膠囊化、納米級金屬材料、聚合物粉末的制備和提高石油采收率工業(yè)中也有著重要應(yīng)用。因此，研究制備山茶油微乳液既可解決氧化問題，還能增溶難溶性成分，為將山茶油廣泛應(yīng)用于食品、日化品、醫(yī)藥及生物柴油等領(lǐng)域提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

山茶油，壓榨一級，由湖南省優(yōu)鎰農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供；失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚(Tween80)、失水山梨醇單油酸酯(Span80)、肉豆蔻酸異丙酯(IPM)，均為食品級；無水乙醇、1，2-丙二醇、正丁醇、氫氧化鈉、氯化鈉，均為分析純；去離子水。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；DDS-11A電導(dǎo)率儀；LD4-2A離心機(jī)；HH-S型水浴鍋；GZX-9146MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；PHS-25 pH計(jì)；分析天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 山茶油微乳液的制備

采用Shah法[5]制備山茶油微乳液。首先將山茶油與IPM按照質(zhì)量比1∶2配制成油相，再按照一定比例加入表面活性劑、助表面活性劑，然后用微量滴定管(或注射器)逐滴加入0.5 mL去離子水，每次滴加去離子水后攪拌5 min，直至溶液由渾濁變?yōu)槌吻寤蛴沙吻遄優(yōu)闇啙?，其中澄清代表微乳液的形成，渾濁代表微乳液的消失?/p>

理論上，單一表面活性劑往往很難滿足多組分體系的微乳化要求[6]。理想的乳化劑不僅要與油相親和力強(qiáng)，而且也要與水相有較強(qiáng)的親和力。把HLB值小的表面活性劑與HLB值大的表面活性劑混合使用，形成的混合膜與油相和水相都有強(qiáng)的親和力，可以同時兼顧這兩方面的要求[7]。本實(shí)驗(yàn)選用Tween80(HLB值15)、Span80(HLB值4.3)混合作為表面活性劑，Tween80與Span80質(zhì)量比為 4∶1，HLB值為12.9(處于8～18之間)，符合制備O/W型或W/O型微乳液的要求。

1.2.2 擬三元相圖法優(yōu)化微乳液配方

按1.2.1，以混合表面活性劑(含助表面活性劑)與油相分別按9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9的質(zhì)量比進(jìn)行微乳液的制備，分別計(jì)算臨界點(diǎn)時各相所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以油相、混合表面活性劑(含助表面活性劑)相、水相作為擬三元相圖的3個頂點(diǎn)，標(biāo)出臨界點(diǎn)時各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將臨界點(diǎn)連線即可得到這一體系的擬三元相圖，利用Origin7.5軟件繪制擬三元相圖，用AutoCAD2007軟件分析比較其微乳區(qū)的面積大小，面積越大，該配比下越適宜。

1.2.3 穩(wěn)定性分析

在篩選出最佳助表面活性劑和表面活性劑與助表面活性劑質(zhì)量比(Km值)的基礎(chǔ)上，以山茶油與IPM質(zhì)量比1∶2、混合表面活性劑與油相質(zhì)量比為6∶4、25℃、最大加水量下制備山茶油微乳液，分析其熱穩(wěn)定性、離心穩(wěn)定性、儲藏穩(wěn)定性及鹽度、pH對其穩(wěn)定性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備山茶油微乳液的影響因素

2.1.1 不同助表面活性劑對形成山茶油微乳液的影響

以山茶油與IPM質(zhì)量比1∶2為油相、Tween80與Span80質(zhì)量比4∶1為表面活性劑，分別選用無水乙醇、1，2-丙二醇、正丁醇為助表面活性劑，表面活性劑與助表面活性劑質(zhì)量比(Km值)為4∶1，采用1.2.2方法，在25℃下攪拌制備微乳液，比較擬三元相圖微乳區(qū)面積。不同助表面活性劑對形成山茶油微乳液的影響結(jié)果如圖1～圖3、表1所示。

由圖1～圖3和表1可知，正丁醇作為助表面活性劑時，微乳區(qū)面積最大，所以采用正丁醇作為助表面活性劑較合適。不同的助表面活性劑對于形成山茶油微乳液影響較大，隨著醇鏈長的縮短，體系微乳區(qū)面積縮小[8-9]。

注：E為多相區(qū)，I為單相區(qū)，下同。圖1 山茶油/IPM/無水乙醇/Tween80/Span80/水體系的擬三元相圖

圖2 山茶油/IPM/1，2-丙二醇/Tween80/Span80/水體系的擬三元相圖

圖3 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水體系的擬三元相圖

表1 不同助表面活性劑微乳區(qū)面積比較

2.1.2 不同Km值對形成山茶油微乳液的影響

Km值最早由Trotta等[10]提出，影響微乳液的穩(wěn)定性。以正丁醇為助表面活性劑，山茶油與IPM質(zhì)量比1∶2為油相，Tween80與Span80質(zhì)量比4∶1為表面活性劑，采用1.2.2方法，制備溫度25℃，控制Km值分別為4∶1、5∶1、6∶1制備微乳液，比較擬三元相圖微乳區(qū)面積。不同Km值對形成山茶油微乳液的影響如圖4～圖6、表2所示。

圖4 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(Km值4∶1)體系的擬三元相圖

圖5 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(Km值5∶1)體系的擬三元相圖

圖6 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(Km值6∶1)體系的擬三元相圖

表2 不同的Km值微乳區(qū)面積比較

由圖4～圖6和表2可知，微乳區(qū)面積隨Km值的增大而減小。原因可能與隨Km值的增大，較高濃度的表面活性劑由于缺少助表面活性劑的助乳化作用，黏度較高，乳化能力下降有關(guān)[11]。

2.1.3 不同制備溫度對形成山茶油微乳液的影響

以正丁醇為助表面活性劑，山茶油與IPM質(zhì)量比1∶2為油相，Tween80與Span80質(zhì)量比4∶1為表面活性劑，Km值為4∶1，采用1.2.2方法，在25、35、50℃下制備微乳液，比較擬三元相圖微乳區(qū)面積。不同制備溫度對形成山茶油微乳液的影響如圖7～圖9、表3所示。

一般認(rèn)為，非離子表面活性劑對溫度比較敏感，表面活性劑的水溶性隨著溫度的升高而下降，但其油溶性卻不斷增強(qiáng)，使表面活性劑分子在界面層所占的面積增大，吸附量下降。但溫度的升高使醇在水中的溶解度增加，導(dǎo)致正丁醇的增溶量有所下降[12]。由圖7～圖9和表3可知，微乳區(qū)面積總體隨著制備溫度升高而減小，這是由于Tween80的親水性來自分子中環(huán)氧乙烷鏈的醚氧原子與水分子形成的氫鍵作用，但氫鍵強(qiáng)度會隨溫度升高而下降，從而使表面活性劑的親水性降低[13]。但微乳區(qū)面積受制備溫度變化的影響較小，這也說明了該體系具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖7 25℃下山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(Km值4∶1)體系的擬三元相圖

圖8 35℃下山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(Km值4∶1)體系的擬三元相圖

圖9 50℃下山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(Km值4∶1)體系的擬三元相圖

表3 不同制備溫度下微乳區(qū)面積比較

2.2 山茶油微乳液的類型判定

為了制備具有更高實(shí)用價值的微乳液，應(yīng)使微乳體系中油相含量盡可能高，以便能夠包埋和運(yùn)載更多的有效成分[9]。以正丁醇為助表面活性劑，Km值為4∶1，選擇混合表面活性劑與油相質(zhì)量比分別為6∶4、7∶3、8∶2的混合液，制備溫度25℃，每次滴加0.5 mL蒸餾水后，攪拌5 min測電導(dǎo)率，直至出現(xiàn)渾濁，繪制電導(dǎo)率隨加水量(水相占比)的變化曲線，以判定微乳液類型，結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 混合表面活性劑與油相質(zhì)量比為6∶4時山茶油微乳液電導(dǎo)率隨加水量的變化

圖11 混合表面活性劑與油相質(zhì)量比為7∶3時山茶油微乳液電導(dǎo)率隨加水量的變化

圖12 混合表面活性劑與油相質(zhì)量比為8∶2時山茶油微乳液電導(dǎo)率隨加水量的變化

對某一固定組成的微乳液，其隨著溫度的變化可能會發(fā)生相轉(zhuǎn)變[14]，所以在測量電導(dǎo)率時控制溫度很重要，本實(shí)驗(yàn)測定時溫度控制在25℃。從圖10和圖12可以看出，在混合表面活性劑和油相質(zhì)量比為6∶4和8∶2時，電導(dǎo)率隨著加水量一直上升，剛開始時水為液滴內(nèi)核，油相為連續(xù)相，隨加水量逐漸升高，液滴數(shù)量增多，碰撞頻繁使電導(dǎo)率急劇升高[10]，此時為W/O型微乳液。

但在圖11中，混合表面活性劑和油相質(zhì)量比為7∶3時，山茶油微乳液電導(dǎo)率在加水量10%之前變化比較緩慢，這是由于此時油相為連續(xù)相的導(dǎo)電性差，水相和油相之間是表面活性劑層，此時溶液的導(dǎo)電主要是被反膠束包裹的水核運(yùn)動及表面活性劑電離出來的離子所致，因此電導(dǎo)率較??；在加水量大于10%后，隨著含水量的增加，水核增多碰撞頻繁，此時形成導(dǎo)電鏈，使電導(dǎo)率急劇上升；加水量在16%～20%時，此時為油、水共存的雙連續(xù)相，電導(dǎo)率開始下降，這是因?yàn)橐壕嗟某霈F(xiàn)使得體系黏度增加，導(dǎo)電粒子的運(yùn)動受到了束縛，同時由于形成層狀結(jié)構(gòu)，液晶的各向異性使電導(dǎo)率迅速下降[15]；當(dāng)加水量大于20%時，體系黏度隨水的加入而降低，導(dǎo)電粒子的運(yùn)動能力恢復(fù)，使得電導(dǎo)率又開始升高，形成了O/W型微乳液。

2.3 山茶油微乳液的穩(wěn)定性

2.3.1 熱穩(wěn)定性

將山茶油微乳液分別放置于60、80、100℃的恒溫干燥箱中靜置24 h，取出后在恒溫水浴中加熱30 min，觀察微乳液能否保持澄清透明狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，山茶油微乳液未發(fā)生油水分層，并且未出現(xiàn)渾濁，仍然保持澄清透明，說明該體系具有很好的熱穩(wěn)定性。

2.3.2 離心穩(wěn)定性

微乳液應(yīng)為澄清透明或半透明并具有良好的熱穩(wěn)定性、長時間放置仍具有較好的流動性、呈現(xiàn)均相的穩(wěn)定體系，即使離心或長期放置均不易發(fā)生凝絮或相分離現(xiàn)象。分別采用2 000、3 000、4 000 r/min對山茶油微乳液離心30 min，觀察微乳液的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，山茶油微乳液未出現(xiàn)油水分離，仍保持澄清透明，說明該體系具有良好的離心穩(wěn)定性。

2.3.3 儲藏穩(wěn)定性

分別將山茶油微乳液放置于25℃和5℃左右的溫度下儲藏30 d，觀察微乳液能否保持澄清透明狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，山茶油微乳液未出現(xiàn)油水分離、渾濁和凝膠現(xiàn)象，仍保持較好的流動性和透明度，說明該體系具有良好的儲藏穩(wěn)定性。

2.3.4 鹽度對山茶油微乳液穩(wěn)定性的影響

分別配制0.2、0.4 mol/L NaCl溶液代替去離子水，在25℃下攪拌制備山茶油微乳液，并將滴加去離子水組設(shè)置為對照組，采用擬三元相圖法考察不同鹽度對微乳液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖13、圖14、表4所示。

由圖13、圖14和表4可知，在25℃下，用0.2 mol/L NaCl溶液和0.4 mol/L NaCl溶液代替去離子水與正常滴加去離子水的微乳區(qū)面積相差不大，說明該體系具有良好的鹽度穩(wěn)定性。

圖13 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/0.2 mol/L NaCl體系的擬三元相圖

圖14 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/0.4 mol/L NaCl體系的擬三元相圖

表4 不同鹽度下微乳區(qū)面積比較

2.3.5 pH對山茶油微乳液穩(wěn)定性的影響

分別配制pH 10、13的NaOH溶液代替去離子水，制備山茶油微乳液，并將滴加去離子水設(shè)置為對照組，采用擬三元相圖法考察不同pH對微乳液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖15、圖16、表5所示。

圖15 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(pH 10)體系的擬三元相圖

圖16 山茶油/IPM/正丁醇/Tween80/Span80/水(pH 13)體系的擬三元相圖

表5 不同pH下的微乳區(qū)面積比較

由圖15、圖16和表5可知，在加入pH 10的氫氧化鈉溶液時，微乳區(qū)面積相對較小，但是加入pH 13的氫氧化鈉溶液時，微乳區(qū)面積與對照組相近，總體來說相差不大，這說明該體系具有較好的耐堿性。

3 結(jié) 論

在山茶油與IPM質(zhì)量比1∶2為油相、Tween80與Span80質(zhì)量比4∶1(HLB值12.9)為表面活性劑的條件下，采用擬三元相圖法優(yōu)化山茶油微乳液制備的條件為：制備溫度25℃、助表面活性劑為正丁醇、Km值4∶1、混合表面活性劑與油相質(zhì)量比6∶4，此時油相占體系的34%(其中山茶油11.3%、IPM 22.7%)，最大加水量為15%，所形成的微乳液為W/O型，且該體系具有很好的熱穩(wěn)定性、離心穩(wěn)定性、儲藏穩(wěn)定性、鹽度穩(wěn)定性和耐堿性。