環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油Pickering乳液的制備及其穩(wěn)定性

李學(xué)紅 陸 勇 郝曉萍 劉延奇 Jane Jay-lin,3

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1；鄭州 450002)

(河南省食品生產(chǎn)與安全創(chuàng)新中心2，鄭州 450002)

(美國愛荷華州立大學(xué)人類營養(yǎng)系3，埃姆斯 IA50010)

Pickering乳液是以微納米固體顆粒為穩(wěn)定劑的乳狀液體系，相比于傳統(tǒng)液體表面活性劑乳液，Pickering乳液具有穩(wěn)定性好、乳化劑用量少、制備方便以及環(huán)境友好等優(yōu)勢，成為近幾年食品乳液領(lǐng)域研究的熱點[1-3]。紫蘇籽油是從紫蘇種子中提取的一種保健油脂，富含不飽和脂肪酸，尤其是ω-3多不飽和脂肪酸高達60%以上，具有抗氧化、預(yù)防心血管疾病等作用[4,5]。將紫蘇籽油制備成穩(wěn)定的Pickering乳液，使之呈可涂抹奶油狀，能夠增加紫蘇籽油的食用方式多樣化。目前已發(fā)表的關(guān)于紫蘇籽油乳液的文獻主要是以傳統(tǒng)液體表面活性劑或蛋白顆粒為乳化劑，而利用β-環(huán)糊精制備紫蘇籽油Pickering乳液還未見報道[6-8]。

β-環(huán)糊精是由7個葡萄糖組成的環(huán)狀低聚糖，其圓錐形分子內(nèi)腔具有內(nèi)疏水、外親水的結(jié)構(gòu)特性，表現(xiàn)出良好的乳化性能。在水-油體系中，β-環(huán)糊精可以通過內(nèi)腔包埋油相分子、外表面吸附水相，以包合物顆粒形式在油水界面形成界面膜，從而形成穩(wěn)定的水包油型Pickering乳液體系[9-11]。本文即以β-環(huán)狀糊精作為乳化穩(wěn)定劑，制備水-紫蘇籽油pickering乳化體系，研究影響乳液結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的因素及流變學(xué)性質(zhì)，以期增加紫蘇籽油的應(yīng)用形式，推動其在日常膳食中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

β-環(huán)糊精(99%純度)；紫蘇籽油(食品級)；黃原膠(試劑級)；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

XHF-D高速分散器；Zetasizer NANO-ZS90激光粒度儀；ARES-G2流變儀；Phenix PH50- 3A43L-A型光學(xué)顯微鏡；UV2800雙光束紫外可見分光光度計。

1.3 實驗方法

1.3.1 環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油Pickering乳液的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的β-環(huán)糊精，加入30 mL水后置 60 ℃水浴中加熱溶解，再加入一定量的紫蘇籽油，在10 000 r/min條件下高速均質(zhì)乳化，每次乳化20 s，間歇10 s，共重復(fù)乳化6次，制得β-環(huán)糊精穩(wěn)定的pickering乳液。

1.3.1.1 油水比對紫蘇籽油乳液制備的影響

固定2%的β-環(huán)糊精加量，選取油水體積比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2，采用上述pickering乳液制備方法，研究不同油水體積比對所得乳液體積和粒徑的影響。

1.3.1.2 環(huán)糊精加量對紫蘇籽油乳液制備的影響

選取油水體積比為7∶3，β-環(huán)糊精加量分別為乳狀液的1%、2%、3%，采用上述pickering乳液制備方法，研究β-環(huán)糊精加量對所得乳液體積和粒徑的影響。

1.3.2 外加組分對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為7∶3，β-環(huán)糊精加量為乳狀液體積的2%，在外水相分別添加0.5%黃原膠、5%蔗糖或1%、2%、3%的食鹽，其他操作條件不變，研究外添加組分比對乳狀液穩(wěn)定性(粒徑及zeta電位)的影響。

1.3.3 酸堿度對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為7∶3，β-環(huán)糊精加量為乳狀液體積的2%，使用鹽酸或碳酸氫鈉調(diào)節(jié)水相的酸堿度分別為pH 3.7、6.5和9，其他操作條件不變，研究酸堿度對乳狀液穩(wěn)定性(粒徑及zeta電位)的影響。

1.3.4 紫蘇籽油乳液微觀結(jié)構(gòu)的觀察

取適量β-環(huán)糊精-紫蘇籽油乳液，均勻涂布或適度稀釋后涂布在載玻片上，光學(xué)顯微鏡放大100 倍進行觀察，并用附帶相機對選取的界面進行拍攝。

1.3.5 乳液平均粒度和 zeta 電位的測定

取0.5 mL乳狀液，用雙蒸水稀釋10倍后，搖勻，立即利用激光粒度儀分別對乳液粒度和 Zeta 電位進行測定，平行測定3次，取平均值。

1.3.6 乳液的貯存穩(wěn)定性測定[12,13]

短期穩(wěn)定性：新制備的乳液在室溫、密封條件下存放60 d，量取料液總體積和乳相體積，通過計算乳相體積占總體積的百分比得到乳液的乳化系數(shù)，為乳液貯存穩(wěn)定性指標(biāo)：

ESI=(v/V)×100%

(1)

式中：ESI為乳化系數(shù)，%；v為貯存后乳相，mL；V為貯存后總料液體積，mL。

1.3.7 乳液流變學(xué)測定[14,15]

利用流變儀對乳液的流變學(xué)性質(zhì)進行測定。測定條件：選用直徑40 nm夾具，間隙0.5 mm，溫度25 ℃，剪切速率變化范圍為：0.01～100 r/s。將乳狀液均勻涂在平臺上，縫隙用甲基硅油涂布，測定不同剪切力下乳液的黏度曲線以及程序升溫下的粘彈特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液的制備

對β-環(huán)糊精存在的紫蘇籽油-水體系進行高速剪切處理，制備環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液。從外觀來看，所得乳液呈淡黃色半固體膏狀，質(zhì)地均一細膩，具有濃郁的紫蘇油香味。

將乳液加水?dāng)嚢柘♂?，發(fā)現(xiàn)能夠均勻分散，說明該乳液屬于水包油型。光學(xué)顯微鏡下放大100倍觀察，發(fā)現(xiàn)乳液由球形油滴均勻堆積于水相中而成，大小分布略不均勻，尺寸在幾十到數(shù)百納米之間，如圖1所示。

圖1 2%β-環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油乳液的顯微結(jié)構(gòu)(100x)

2.1.1 油水比對紫蘇籽油乳液制備的影響

選取油水體積比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3和8∶2，添加2%的β-環(huán)糊精，乳化制備pickering乳液，研究不同油水比例對形成乳液體積大小及乳液粒徑的影響。

結(jié)果如圖2所示，制備乳液時所用油、水體積比對Pickering乳液的形成有很大影響。當(dāng)油水比為6∶4和7∶3時體系乳化后能夠全部形成乳液，油水比為8∶2時有大約4%體積的油相未能乳化，而油水比為5∶5及其以下時乳液層下方存在渾濁水層，且水層體積隨油水比增加而減少。這一結(jié)果說明β-環(huán)糊精穩(wěn)定的pickering乳液乳化油相的能力較強，乳液體系含油量可高達70%以上，但容納水相的能力卻不強，乳液最大含水量不超過40%。從乳液微觀結(jié)構(gòu)可以看出，環(huán)糊精穩(wěn)定的Pickering乳液屬于油滴堆積型體系，界面膜親水的外表面結(jié)合水相的能力有限，因此從外觀來看，該體系也無法形成半透性液體狀乳液。

圖2 不同油水比對乳液形成體積及粒徑大小的影響(2%β-CD)

對乳液粒徑測定結(jié)果顯示，隨著油水比的改變，乳液的平均粒徑也隨之改變。當(dāng)β-CD使用量為2%時，油水比為6∶4時乳液粒徑達到最小值，其次為7∶3。粒徑是判斷乳液穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)，通常粒徑越小穩(wěn)定性越高[16,17]。這一結(jié)果說明油水比為6∶4～7∶3范圍內(nèi)制備的乳液穩(wěn)定性較好。

2.1.2 β-環(huán)糊精加量對紫蘇籽油乳液制備的影響

選取油水體積比為7∶3、β-環(huán)糊精加量分別為乳液的1%、2%、3%、4%，通過高速乳化制備乳液，觀察體系各相體積比，并對乳液粒徑大小進行測定。結(jié)果如圖3所示，在油水比7∶3時，1%～4%的β-環(huán)糊精加量均可使體系全部形成乳液，但乳液的粒徑大小有很大差別。隨著β-環(huán)糊精添加量從1%增加到3%，乳液粒徑顯著降低(從324 nm降至68 nm)，說明增加環(huán)糊精用量可顯著提高乳液的穩(wěn)定性，也說明有更多的環(huán)糊精包合物顆粒能夠吸附于油-水界面，保證乳液細小油滴形成時用以形成足夠的界面膜并強化界面膜的致密度[18,19]，從而達到降低乳液平均粒徑、穩(wěn)定乳液的目的。當(dāng)β-環(huán)糊精濃度超過3%時，其形成并強化界面膜的效果趨于飽和，因此乳液粒徑也趨于穩(wěn)定。

圖3 不同β-環(huán)糊精加量對乳液形成體積及粒徑的影響(油水比7∶3)

考慮到原則上應(yīng)減少β-環(huán)糊精用量以及增加乳化油含量，后續(xù)實驗中乳液的制備選擇使用油水比7∶3、β-環(huán)糊精添加量為3%的條件進行。

2.2 水相外添加組分對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

食品中常常會添加食鹽、蔗糖或酸味劑等進行味道的調(diào)整，對于應(yīng)用于食品中的紫蘇籽油乳液，研究這些外添加組分對乳液穩(wěn)定性的影響很有必要[20,21]。此外，黃原膠作為一種具有良好乳化性的食品穩(wěn)定劑，其對紫蘇籽油乳液的作用效果也得到了研究。

乳液的穩(wěn)定性通過測定液滴直徑以及zeta-電位來進行表征。zeta-電位是連續(xù)相與附著在分散膠體上的流體穩(wěn)定層之間的電勢差，是對顆粒之間相互排斥或吸引力強度的度量。膠體粒子越小，Zeta電位的絕對值越高，體系越就越穩(wěn)定[22,23]。通常認為，乳狀液 zeta-電位絕對值高于30 mV乳狀液比較穩(wěn)定。

2.2.1 食鹽、蔗糖和黃原膠對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為7∶3、β-環(huán)糊精加量為乳狀液體積的3%、外水相中分別添加適量食鹽、蔗糖和黃原膠來制備紫蘇籽油乳液，評價乳液分散體系的穩(wěn)定性。

從圖4可以看出，在水相中添加不同的成分對乳液粒徑和zeta-電位的影響也不同。體系中加入1%～3%質(zhì)量分數(shù)的食鹽可顯著減低乳液的zeta-電位絕對值，使其數(shù)值從40.3 mV降低至20.8～23.8 mV的范圍；除3%食鹽加量對乳液粒徑改變不明顯外，1%和2%的食鹽加量可不同程度增加乳液粒徑。這說明添加1%～3%的食鹽可顯著降低乳液的穩(wěn)定性，其中以1%的食鹽加量對乳液穩(wěn)定性破壞最大。這可能是因為少量鹽離子的加入使乳液界面產(chǎn)生靜電屏蔽作用，降低了乳狀液原有zeta-電位絕對值，導(dǎo)致液滴間的排斥力降低，使得乳狀液平均粒徑增加，穩(wěn)定性變差；但食鹽加量增至2%和3%時，較大量鹽離子的存在會使水化膜增厚，從而使這種膠體破壞性又趨緩和。

圖4 外添加組分對乳液平均粒徑和平均zeta-電位的影響

相比于加鹽不利于乳液穩(wěn)定，添加5%蔗糖則對乳液有明顯的穩(wěn)定作用，使平均粒徑從75.6 nm減小到55.0 nm，zeta-電位絕對值從40.3 mV增加到50.7 mV，這可能是由于蔗糖增加了乳液膠粒外表面的親水性，使水化膜增厚，靜電屏蔽增強，從而有效阻止了乳液聚集，使乳液平均粒徑變小，穩(wěn)定性增加。

而對黃原膠而言，由圖4可知，其雖對增加膠粒zeta-電位絕對值不明顯，但卻可以在一定程度上降低膠粒直徑。作為一種具有優(yōu)良乳化特性的黏性多糖，黃原膠既能夠加厚乳液膠粒外表面的水化膜，又可以有效提高乳液水相的黏度，增加油滴聚結(jié)的空間阻礙，因此也具有顯著的穩(wěn)定乳液的作用。

2.2.2 酸堿度對環(huán)糊精乳液穩(wěn)定性的影響

體系pH值會影響液滴帶有電荷的類型和數(shù)量，進而影響液滴zeta-電位，最終影響乳液的穩(wěn)定性[17]。從圖5可以看出，pH 3.7、6.5、9.0時的平均粒徑分別為121.7、76.5、65.3 nm，而Zeta-電位絕對值分別為25.2、41、55.3 mV，即隨著乳液體系pH值的增高，乳液膠粒的平均粒徑顯著變小，Zeta-電位絕對值逐漸增大。這一結(jié)果說明，偏堿性環(huán)境會使油滴的環(huán)糊精界面膜帶有更多的電荷，油滴間靜電斥力增大，從而更有利于乳液的穩(wěn)定。

圖5 不同pH條件下乳液的平均粒徑和平均Zeta-電位

2.3 乳液的貯存穩(wěn)定性

乳狀液穩(wěn)定性可以用乳化系數(shù)來評判。取油水比7∶3、添加3% β-環(huán)糊精、添加或不添加0.5%的黃原膠制備乳液，室溫貯存60 d，計算乳液的乳化系數(shù)。結(jié)果如表1所示，經(jīng)過60 d儲藏，所測試的兩種紫蘇籽油乳液均能保持穩(wěn)定，乳化系數(shù)為100%，未發(fā)生分層現(xiàn)象，說明乳液具有很好的儲存穩(wěn)定性。

表1 β-環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油乳液的貯存穩(wěn)定性

注：乳液制備條件∶油水比7∶3、添加3% β-環(huán)糊精。

在以β-環(huán)糊精乳化穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液中，界面膜是由β-環(huán)糊精包合物納米顆粒通過緊密排列而成，相比于傳統(tǒng)液體膜，這種固態(tài)界面膜具有理想的韌性和強度，從而賦予Pickering乳液較高的穩(wěn)定性。另外，目前關(guān)于β-環(huán)糊精穩(wěn)定Pickering乳液的研究報道已有不少，但粒徑大多在數(shù)百納米至數(shù)十微米之間，本實驗所得紫蘇仔油乳液粒徑基本保持在數(shù)十納米范圍，zeta-電位絕對值也在30 mV以上，說明利用β-環(huán)糊精乳化作用可得到具有很好地穩(wěn)定紫蘇仔油乳液，本實驗的貯存穩(wěn)定性結(jié)果也證實了這一點。

2.4 乳液的流變特性

黏度可以表征乳液體系的流變特性，從中還可以得到乳液內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)方面的信息[21]。選用油水比7∶3、3%β-環(huán)糊精以及其他添加成分，制備不同的紫蘇籽油乳液，利用流變儀對乳液黏度進行檢測，結(jié)果見圖6。

圖6 紫蘇籽油乳液的流變特性

環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油乳液的黏度隨剪切速率增加而快速下降，屬于剪切變稀的假塑性流體[24]。乳液中添加黃原膠和蔗糖可增加乳液體系的黏度，而加入食鹽則能降低乳液黏度。單純水-油乳體系的黏度在剪切速率為1 s-1時為61.1 Pa·s，添加0.5%的黃原膠或5%的蔗糖后分別增加至73.2和89.0 Pa·s，而加入2%食鹽后黏度降至36.7 Pa·s。這種乳液黏度的改變與其穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)，與前面關(guān)于乳液粒徑及Zeta電位變化的結(jié)果也相一致。

使用變溫程序?qū)θ橐旱膹椥阅Ａ考梆ば阅Ａ窟M行分析可看出，隨著溫度的升高，乳液的彈性模量及黏性模量基本呈下降趨勢，但彈性模量數(shù)值均大于黏性模量，說明在25～80 ℃的變溫范圍內(nèi)乳液樣品一直呈現(xiàn)軟凝膠狀態(tài)[25]。結(jié)合這種復(fù)合模量參數(shù)和乳液的黏度數(shù)值，可以判斷該紫蘇籽油乳液具有類似人造奶油的組織狀態(tài)及口感。

3 結(jié)論

利用β-環(huán)糊精作為乳化穩(wěn)定劑可以制備紫蘇籽油的Pickering乳液，乳液為水包油型，其中油滴呈標(biāo)準(zhǔn)的球形，直徑在數(shù)十納米范圍；當(dāng)油∶水比例在6∶4～7∶3范圍、β-環(huán)糊精用量3%時可形成穩(wěn)定的全乳液體系。

向乳液中添加5%糖或0.5%黃原膠或提高體系pH值，可使乳液粒徑減小、電位絕對值增大，從而增加乳狀液的穩(wěn)定性；而添加1%～3%的食鹽，會使乳液粒徑趨大、電位絕對值降低，不利于乳液的穩(wěn)定。

β-環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液屬于剪切變稀的假塑性流體，加入0.5%黃原膠和5%蔗糖會導(dǎo)致乳液黏度增加，添加1%～3%食鹽則導(dǎo)致乳液黏度下降；在25～80 ℃的范圍內(nèi)，乳液彈性模量始終高于黏性模量，呈軟凝膠狀，具有類似奶油的形態(tài)。