β-環(huán)糊精穩(wěn)定檸檬醛Pickering乳液的制備及其穩(wěn)定性研究

王相凡，李學紅，于國強，丁紅營，楊峰，許紅濤

1(河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南 許昌，461100)2(鄭州輕工業(yè)大學 食品與生物工程學院，河南 鄭州，450000)

Pickering乳液是以納米固體顆粒為穩(wěn)定劑的乳液體系，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域研究的熱點[1-3]。

檸檬醛是一類從植物中提取的天然芳香成分，揮發(fā)性強，對光、熱和氧氣敏感，穩(wěn)定性較差，這使其應用受到極大的限制[4-5]。將檸檬醛制備成穩(wěn)定水包油型乳液，可提供檸檬醛的水溶形式，增加其貯存穩(wěn)定性及應用性能[6-8]。目前關于檸檬醛乳液的報道大多是利用傳統(tǒng)液體表面活性劑法[9-11]，而利用β-環(huán)糊精制備檸檬醛的Pickering乳液還未見報道。

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、外親水的結構特性，表現(xiàn)出良好的乳化性能[12]。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[13-15]。本文即通過β-環(huán)糊精包埋檸檬醛形成納米級包合物顆粒，來制備水-檸檬醛Pickering乳化體系，研究影響乳液結構及穩(wěn)定性的因素，以期得到一種新型綠色的檸檬醛乳液制備方法[16]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

β-環(huán)糊精，國藥集團；檸檬醛，吉安國光香料廠；黃原膠，酷爾生物工程有限公司；其他試劑均為分析純，國藥集團有限公司。

XHF-D高速分散器，寧波新芝生物科技股份有限公司；Zetasizer NANO-ZS90激光粒度儀，英國Malvern公司；ARES-G2流變儀，TA公司；Phenix PH50- 3A43L-A型光學顯微鏡，鳳凰光學股份有限公司；雷磁PHS-3E型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司；電子分析天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 β-環(huán)糊精穩(wěn)定檸檬醛Pickering乳液的制備

準確稱取一定量的β-環(huán)糊精，加入30 mL水后置 60 ℃水浴中加熱溶解，再加入一定體積比例的檸檬醛，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，共重復乳化6次，制得β-環(huán)糊精穩(wěn)定的檸檬醛Pickering乳液。

1.2.1.1 油水比對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液制備的影響

固定3%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和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。

1.2.1.2 β-環(huán)糊精加量對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液制備的影響

選取油水體積比為6∶4，β-環(huán)糊精加量分別為10、20、30 g/L，按1.2.1制作乳液，研究β-環(huán)糊精加量對所得乳液體積和粒徑的影響。

1.2.2 β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液微觀結構的觀察

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

1.2.3 β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液平均粒度和Zeta電位的測定

取0.5 mL乳狀液，加入9.5 mL蒸溜水搖勻(稀釋10倍)，立即利用激光粒度儀分別對乳液粒度和Zeta電位進行測定，平行進行3次，取平均值。

1.2.4 黃原膠對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為6∶4、β-環(huán)糊精加量為3%，高速均質(zhì)后添加水相質(zhì)量濃度0.5%的黃原膠(預先配制成2%的溶液)，再5 000 r/min均質(zhì)20 s，研究體系添加黃原膠對乳液穩(wěn)定性(粒徑及Zeta電位)的影響，同時利用流變儀測定黃原膠添加前后乳液體系粘度的變化。

1.2.5 酸堿度對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為6∶4、β-環(huán)糊精加量為30 g/L，用HCl或NaHCO3調(diào)節(jié)水相的酸堿度分別為pH 3.0、6.5和9，按1.2.1制作乳液，研究酸堿度對乳液穩(wěn)定性(粒徑及Zeta電位)的影響。

1.2.6 加熱或冷凍處理對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液的影響

加熱處理：制備油水體積比為6∶4的β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液(加或不加黃原膠)，在80 ℃水浴條件下加熱處理15 min，取出室溫冷卻，觀察乳液穩(wěn)定性，讀取乳化比。

冷凍處理：制備油水體積比為6∶4的β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液(加或不加黃原膠)，放入冰箱-18 ℃存放過夜，第2天放室溫自然解凍，觀察乳液穩(wěn)定性，讀取乳化比。

1.2.7 乳液的貯存穩(wěn)定性測定[17]

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。

(1)

式中:ESI,為乳化系數(shù), %；V1,貯存后乳相體積，mL；V2，貯存后總料液體積，mL。

1.2.8 乳液黏度的測定

采用ARES-G2流變儀對乳液進行黏度測定。測定條件：選用直徑為40nm夾具，設置間隙0.5mm，溫度25℃，剪切速率變化范圍為：0.01～100 r/s。將乳液均勻涂在圓盤器具上，在乳液的縫隙處均勻涂布一層甲基硅油，測定時記錄數(shù)據(jù)，并用Excel繪圖。

2 結果與分析

2.1 β-環(huán)糊精穩(wěn)定檸檬醛Pickering乳液的制備

選取β-環(huán)糊精添加量為30 g/L、油水比6∶4，利用高速剪切法對含有β-環(huán)糊精的檸檬醛-水體系進行處理，制備得到環(huán)糊精穩(wěn)定檸檬醛Pickering乳液。外觀看乳液呈乳白色半流體，質(zhì)地細膩、均一，具有濃郁的檸檬醛芬芳氣味。

將乳液加水攪拌稀釋，發(fā)現(xiàn)能夠均勻分散，說明該乳液屬于水包油型[18]。光學顯微鏡下放大100倍觀察，發(fā)現(xiàn)乳液微觀結構是由球形油滴均勻堆積于水相中而成，大小分布略不均勻，尺寸在數(shù)百納米，如圖1所示。

圖1 β-環(huán)糊精穩(wěn)定檸檬醛乳液的光學顯微結構Fig.1 Microstructure of citral Pickering emulsion stabilized by β-cyclodextrin

2.1.1 油水體積比對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液制備的影響

選取油水體積比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3和8∶2，選取β-環(huán)糊精添加量30 g/L，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。當檸檬醛和水體積比為6∶4時形成全乳體系，油水體積比低于6∶4時檸檬醛可以全部被乳化，但在乳液相下部會出現(xiàn)水相層，且水相體積隨油水比增加而減少。當檸檬醛和水體積比提高至為7∶3時，無水相出現(xiàn)，但會有少量檸檬醛未能乳化；進一步油水體積比提至為8∶2時乳化效果變差，有較多檸檬醛及水不能乳化，形成上層油相、中間乳液相、下層水相的三相體系。這一結果說明控制檸檬醛與水體積比在6∶4～7∶3，可制備檸檬醛含量達70%的乳液；在油水比偏低時體系有較多水相析出，也說明乳液容納水的能力不強。從乳液微觀結構可以看出，β-環(huán)糊精穩(wěn)定的Pickering乳液屬于油滴堆積型體系，β-環(huán)糊精包合物顆粒形成的界面膜結合外相水的能力有限，因此該體系呈不透明半流體乳液狀。

圖2 不同油水體積比對乳液形成體積及粒徑大小的影響Fig.2 Effect of various ratio of oil to water on both the emulsion volume and particle size

對乳液粒徑測定結果顯示，隨著油水比的改變，乳液的平均粒徑也隨之改變。當β-環(huán)糊精添加量為30 g/L、油水體積比為6∶4時乳液粒徑達到最小值670 nm。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[19-20]。

2.1.2 β-環(huán)糊精加量對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液制備的影響

選取油水體積比為6∶4、β-環(huán)糊精加量分別為10、20、30、40 g/L，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。結果如圖3所示。在油水體積比6∶4時，除β-環(huán)糊精加量為10 g/L時的乳化系數(shù)為83%外，β-環(huán)糊精加量為20～40 g/L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10 g/L增加到40 g/L，乳液粒徑顯著降低(從1 847 nm降至584 nm)，說明增加環(huán)糊精用量，在乳液細小油滴形成時能夠保證有足夠多的包合物顆粒吸附于油-水界面以強化界面膜的致密度[21-22]，從而達到降低乳液平均粒徑、穩(wěn)定乳液的目的。當β-環(huán)糊精加量超過30 g/L時，其用于形成并強化界面膜的濃度接近飽和，乳液粒徑也因此變化趨緩。

圖3 不同β-環(huán)糊精加量對乳液體積及粒徑的影響(油水體積比6∶4)Fig.3 Effects of additive amount of β-CD on both the emulsion volume and particle size

考慮到原則上應減少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體積比(6∶4)、β-環(huán)糊精添加量為30 g/L的條件進行。

2.2 體系添加黃原膠對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液穩(wěn)定性的影響

黃原膠是一種具有優(yōu)良乳化性能的微生物多糖，通常認為其對乳液具有穩(wěn)定作用。因此，本實驗嘗試添加黃原膠，研究其對檸檬醛Pickering乳液的增穩(wěn)作用。

選取油水體積比為6∶4、β-環(huán)糊精加量為30 g/L以及黃原膠添加量為5 g/L，按1.2.1方法制備乳液，通過測定膠粒直徑以及Zeta-電位來評價乳液分散體系的穩(wěn)定性。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[23-24]。通常認為，乳狀液Zeta-電位絕對值高于30 mV時乳狀液比較穩(wěn)定。

實驗中發(fā)現(xiàn)，在對體系進行高速均質(zhì)前將黃原膠加入水相，會對乳液形成產(chǎn)生干擾，致使體系有較多檸檬醛不能乳化，乳液相不均一。如果先高速均質(zhì)制備乳液，再將溶解的黃原膠溶液加入，之后輕度均質(zhì)混勻，則發(fā)現(xiàn)可形成具有一定黏度的均一乳液。本實驗先通過β-環(huán)糊精加量30 g/L、油水體積比(6∶4)制備乳液，然后將適量質(zhì)量分數(shù)為2%的黃原膠溶液添加到乳液體系，使乳液水相黃原膠含量為0.5%，機械攪打均勻，最后形成的乳液體系油水體積比為5.5∶4.5，β-環(huán)糊精含量為27 g/L。對添加黃原膠的體系進行粒徑和Zeta電位測定，同時進行流變黏度測定，具體結果見圖4和圖5。

由圖4可知，添加黃原膠后乳液粒徑從760 nm增加到845nm，Zeta電位絕對值從32.4mv提高到38.6mv，這2個結果表明，添加黃原膠對乳液穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響。但黃原膠作為一種高黏度的親水多糖，其還可通過增加乳液外水相黏度來提高乳液的穩(wěn)定性。由圖5可知，環(huán)糊精檸檬醛乳液為剪切變稀流體，體系添加5 g/L黃原膠后其黏度從61.1Pa·s增加到89.0 Pa·s，乳液黏度增加顯著。外水相黏度的增加，可以起到空間阻礙作用，有效降低乳液液滴的活動性，減少碰撞合并的幾率；同時親水性多糖分子增加乳液膠粒表面水化膜的厚度，在一定程度上也會提高膠粒的穩(wěn)定性。

圖4 體系添加黃原膠對乳液平均粒徑和平均Zeta-電位的影響Fig.4 Effects of additional xanthan gum on both the particle size and Zeta-potential of emulsion

圖5 黃原膠添加量5 g/L對乳液黏度的影響Fig.5 Effects of additional 5 g/L xanthan gum on the viscosity of emulsion

上述實驗只是從不同角度對黃原膠對乳液的理化指標影響進行檢測，黃原膠對乳液穩(wěn)定性的影響最終結果還要通過貯存穩(wěn)定性和耐熱耐凍穩(wěn)定性進行一步進行驗證。

2.3 酸堿度對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液穩(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[25-26]。由圖6可以看出，pH 3.0、6.5和9.0時的平均粒徑分別為685、760和721 nm，而Zeta-電位絕對值分別為37.4、28.2和31.5 mV，即隨著乳液體系pH值偏離中性條件時乳液膠粒的平均粒徑明顯變小，Zeta-電位絕對值隨著pH值的偏向酸性或堿性而逐漸增大。這一結果說明，偏離中性pH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6 不同pH條件下乳液的平均粒徑和平均Zeta-電位Fig.6 Effects of various pH values on both the particle size and Zeta-potential of emulsion

2.4 加熱冷凍處理對β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液穩(wěn)定性的影響

將β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液在80 ℃條件下加熱處理15min，然后放置室溫自然冷卻，或?qū)⑷橐哼M行-18℃冷凍過夜處理，然后室溫自然解凍，分別測定乳液的各相體積，結果如圖7所示。

圖7 加熱冷卻處理對乳液穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effects of heat or freezing treatment on the stability of emulsion

加熱處理的乳液，無論添加黃原膠與否，均未觀察到乳液的分層現(xiàn)象，說明β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液具有較好的耐熱穩(wěn)定性。但經(jīng)過冷凍過夜處理的乳液，則發(fā)現(xiàn)有檸檬醛油相及水相的析出。油水體積比為6∶4的乳液經(jīng)冷凍后有40%(體積分數(shù))的檸檬醛相和10%(體積分數(shù))的水相析出，體系添加黃原膠的乳液有大約23%(體積分數(shù))的檸檬醛相析出，無水析出，這說明外水相添加黃原膠在一定程度上增加乳液耐冷凍的能力。

2.5 β-環(huán)糊精-檸檬醛乳液的貯存穩(wěn)定性

乳狀液穩(wěn)定性用乳化系數(shù)來進行評判[27]。取油水體積比6∶4、β-環(huán)糊精添加量30 g/L、添加或不添加5 g/L的黃原膠制備乳液，室溫貯存60 d，計算乳液的乳化系數(shù)。結果如表1所示。經(jīng)過60 d貯藏，所測試的2種檸檬醛乳液均能保持穩(wěn)定，乳化系數(shù)為100%，未發(fā)生分層現(xiàn)象，說明乳液具有較好的貯存穩(wěn)定性。

表1 β-環(huán)糊精穩(wěn)定檸檬醛乳液的貯存穩(wěn)定性Table 1 The stability of β-CD-citral Pickering emulsion

注：乳液制備條件：油水體積比6∶4、β-環(huán)糊精添加量30 g/L。

如前所述，在以β-環(huán)糊精乳化穩(wěn)定的檸檬醛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[28-29]。

3 結論

(1)通過β-環(huán)糊精與檸檬醛形成顆粒包合物用以制備檸檬醛的Pickering乳液，乳液為水包油型，其中油滴呈標準的球形，直徑在數(shù)百納米范圍；當檸檬醛與水的體積比為6∶4、β-環(huán)糊精用量為30 g/L時可形成穩(wěn)定的全乳液體系，乳液室溫貯存60d，未發(fā)生分層現(xiàn)象，說明乳液具有很好的貯存穩(wěn)定性。

(2)乳液制備時，高速均質(zhì)處理前添加黃原膠不利于乳液的形成，高速均質(zhì)后再添加黃原膠，會使乳液粒徑略有增大、電位絕對值顯著增加，有利于乳液的穩(wěn)定；調(diào)整體系pH值偏酸或偏堿性條件時，則可使乳液粒徑減小、電位絕對值增大，從而增加乳狀液的穩(wěn)定性。

(3)β-環(huán)糊精穩(wěn)定的檸檬醛Pickering乳液耐熱穩(wěn)定性較高、耐凍能力較低。80℃條件加熱15min時乳體系仍能保持穩(wěn)定，但經(jīng)過-18℃冷凍過夜處理可使乳液發(fā)生分層，乳體系形成后期加入5 g/L的黃原膠則有利于乳液耐凍性的增強。