玉米纖維素在Pickering乳液制備中的應(yīng)用研究

曹亞倩 肖軍霞 蔣林宏 黃國清

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266109)

關(guān)鍵字 玉米麩皮 纖維素 Pickering乳液 乳析指數(shù)

乳液是由兩種互不相溶的液體組成，其中一種液體以液滴的形式分散于另一種液體中，乳化劑在乳液的制備中起著至關(guān)重要的作用[1]。目前絕大多數(shù)的乳化劑都是表面活性劑，其在食品中的應(yīng)用范圍和添加量均有嚴格的限制，這在一定程度上制約了乳液在某些產(chǎn)品中的應(yīng)用。

Pickering乳液是一種新型乳液，其利用超細固體顆粒而非傳統(tǒng)的乳化劑來穩(wěn)定乳液體系。這種乳液最早由Ramsden[2]于20世紀初發(fā)現(xiàn)，并由Pickering等[3]對其進行了深入的探索，后來人們將這種乳液定名為Pickering乳液。Pickering乳液可由一種或多種固體顆粒來穩(wěn)定，與用表面活性劑制備的乳液相比，Pickering乳液具有固體顆粒用量小、成本低、泡沫少、環(huán)保、穩(wěn)定性強、抗奧氏熟化以及安全性好等諸多優(yōu)點[4，5]，因此在食品、醫(yī)藥、化妝品以及功能性高分子材料等領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力[6，7]。就食品領(lǐng)域而言，已有文獻報道將Pickering乳液用于活性物質(zhì)的靶向傳輸、質(zhì)地改良和低熱量食品開發(fā)等方面[8，9]。

一些食品級的無機粒子如SiO2[10]、TiO2[11]、CaCO3[12]等已被用于制備Pickering乳液，但是這些無機物無法滿足人們對綠色安全的要求，因此一些生物質(zhì)顆粒在Pickering乳液制備中的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注，變性淀粉納米顆粒[13]、幾丁質(zhì)納米晶體[14]、殼聚糖顆粒[15]、脂肪顆粒[16]等天然粒子已被發(fā)現(xiàn)具有穩(wěn)定乳液的能力。纖維素是自然界存在最為廣泛的生物大分子，其不溶于水的特性使其非常容易形成固體顆粒，這為其在Pickering乳液制備中的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。有文獻表明，來源于細菌的纖維素納米晶體具有穩(wěn)定乳液的能力[17]，這為拓展纖維素的新應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

玉米麩皮是玉米淀粉通過濕法加工得到的副產(chǎn)物，主要由玉米籽粒的表皮和糊粉層組成，大約占玉米籽粒總質(zhì)量的9%～13%；此外，還含有30%～50%的半纖維素、10%～20%的纖維素、較多的酚酸以及少量的蛋白質(zhì)，幾乎不含有木質(zhì)素[18-20]。在工業(yè)生產(chǎn)中，玉米麩皮多被用作飼料或者作為廢物丟棄，造成了很大的資源浪費，導(dǎo)致其利用不夠充分、附加值低。與其他谷物外皮相比，玉米麩皮中的纖維素含量較高并且纖維結(jié)構(gòu)完好[19]。因此，拓展玉米纖維素在Pickering乳液制備中的應(yīng)用，將有望提高玉米加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量和玉米麩皮的附加值。

本實驗采用酶水解法從玉米麩皮中提取得到純度相對較高的玉米纖維素，就其在Pickering乳液制備中的應(yīng)用進行研究，主要探究了油水比、均質(zhì)時間、均質(zhì)轉(zhuǎn)速、均質(zhì)溫度、纖維素添加量對Pickering乳液制備的影響，并對所得乳液的穩(wěn)定性進行了初步研究，以期為玉米麩皮的綜合利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

玉米麩皮：南京泰甜商貿(mào)有限公司；大豆油(食用級)；α-淀粉酶(BR)、糖化酶(BR)、中性蛋白質(zhì)(BR)。

1.2 儀器與設(shè)備

DL-5-B低速離心機；FW-100高速萬能粉碎機；FJ200-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機；YS100雙目生物顯微鏡；UV-2000紫外分光光度計。

1.3 玉米纖維素的純化

將玉米麩皮經(jīng)水洗3遍，棄去上浮物，瀝干，90 ℃烘箱烘干后粉碎過80目篩，收集篩下玉米麩粉于密封袋中保存?zhèn)溆?。根?jù)預(yù)實驗結(jié)果，稱取10 g玉米麩粉至200 mL蒸餾水中，于沸水浴糊化10 min，流水冷卻至室溫。調(diào)節(jié)糊狀液的pH至6～7，按照200 U/g玉米麩粉的量加入α-淀粉酶，于65 ℃水浴攪拌保溫；反應(yīng)1 h后沸水浴10 min滅酶，流水冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH至4～5，加入糖化酶300 U/g玉米麩粉，于60 ℃下反應(yīng)0.5 h；沸水浴10 min滅酶，流水冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH至6～7，加入中性蛋白酶1 200 U/g玉米麩粉，40 ℃連續(xù)攪拌反應(yīng)5 h。反應(yīng)完成后，沸水浴10 min滅酶，然后3 000 r/min離心15 min，棄去濾液，濾渣用60～70 ℃的熱水反復(fù)洗滌直至懸浮液無渾濁，抽濾，65 ℃干燥至恒重，得到相對純化的玉米纖維素，其粗纖維含量按照GB/T 5009.10—2003的方法測定，蛋白質(zhì)含量根據(jù)GB/T 5009.5—2003的方法測定，淀粉含量采用GB 5009.9—2016的方法測定。

1.4 Pickering乳液的制備

1.4.1 玉米纖維素的預(yù)處理

將1.3中得到的玉米纖維素懸浮于蒸餾水中得到質(zhì)量濃度為0.6% (m/V)的儲備液，在11 000 r/min下高速分散10 min以降低粗纖維的粒徑，備用。

1.4.2 油水比的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲備液稀釋至纖維素質(zhì)量分數(shù)0.06% (m/V)，按油水體積比為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5加入大豆油，在30 ℃下11 000 r/min高速分散10 min，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在10倍鏡下觀察油滴分布，并測定其貯藏穩(wěn)定性。

1.4.3 分散時間的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲備液稀釋至纖維素質(zhì)量分數(shù)0.06% (m/V)，按最適油水體積比加入大豆油，在30 ℃下11 000 r/min高速分散4、7、10、13、16 min，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測定貯藏穩(wěn)定性。

1.4.4 分散轉(zhuǎn)速的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲備液稀釋至纖維素質(zhì)量分數(shù)0.06% (m/V)，按最適油水比混合于燒杯中，在30 ℃下分別以5 000、8 000、11 000、14 000、17 000 r/min的轉(zhuǎn)速分散10 min，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測定貯藏穩(wěn)定性。

1.4.5 分散溫度的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲備液稀釋至纖維素質(zhì)量分數(shù)0.06% (m/V)，按最適油水體積比加入大豆油，分別在10、20、30、40、50 ℃下以最適轉(zhuǎn)速和時間高速分散，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測定貯藏穩(wěn)定性。

1.4.6 纖維素添加量的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲備液分別稀釋至纖維素質(zhì)量分數(shù)0.015%、0.030%、0.060%、0.120%、0.240% (m/V)，按最適油水體積比加入大豆油，在最適溫度、最適轉(zhuǎn)速及最適時間下高速分散，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測定貯藏穩(wěn)定性。

1.5 乳液形態(tài)觀察

1.5.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察

乳液制備好后，立即用光學(xué)顯微鏡的10倍或40倍物鏡觀察乳狀液中的液滴分布。取一滴乳狀液樣品滴在載玻片上，然后蓋上蓋玻片，用玻璃棒輕輕按壓確保蓋玻片和載玻片之間沒有氣泡。然后將其放在顯微鏡下觀察并拍照。

1.5.2 外觀觀察

將新制備好的乳液攪拌均勻后立即倒入10 mL具塞試管中，豎直擺放整齊，用數(shù)碼相機拍照。

1.6 貯藏穩(wěn)定性

取10 mL新配制好的的乳液置于10 mL具塞刻度試管中，將試管靜置于冰箱冷藏室中(4 ℃)，每隔24 h記錄乳液是否分層以及乳液下層清液的高度，共持續(xù)7 d。乳液的貯藏穩(wěn)定性用乳析指數(shù)(Creaming index, CI)來表示，計算公式為[21]：

式中：Hs為下清液層的高度；Ht為乳液的總高度。

1.7 統(tǒng)計分析

每個實驗重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標準差形式表示，采用SPSS Statistics 17.0.1進行t檢驗和方差分析，當P<0.05時認為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米纖維素的組成

玉米麩皮和玉米纖維素的組成見表1。

表1 玉米麩皮和玉米纖維素的組成/%(m/m)

注：同列數(shù)據(jù)標有不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表1可知，分別在最適條件下用淀粉酶、糖化酶和中性蛋白酶處理后，玉米麩皮中的淀粉含量和蛋白質(zhì)含量均顯著降低，而纖維素含量則提高了近1倍，表明本方法可以顯著提高玉米纖維素的含量。因此，采用該部分純化的玉米纖維素進行后續(xù)研究。

2.2 Pickering乳液的制備

2.2.1 油水比的影響

油水比對Pickering乳液顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖1所示。當油水比為1∶9時可以看到分散的乳滴，表明此時玉米纖維素可以穩(wěn)定大豆油并形成Pickering乳液；當油水例上升至2∶8、3∶7時，乳滴逐漸減小，但形態(tài)仍較為均勻；當油水比繼續(xù)升高至4∶6時，乳滴的形態(tài)再次變大但不均勻；當油水比達到5∶5時，乳滴顆粒再次減小且形態(tài)均勻。

新制備乳液的外觀形態(tài)見圖2中的插圖。新制備的乳液均包含上層的乳液層和下層的水相層，且均未見到油層；另外，隨著體系中油相含量的升高，乳液層的厚度也隨之增加，表明大豆油已經(jīng)被成功分散，玉米纖維素具有穩(wěn)定Pickering乳液的能力，這與圖1的結(jié)果一致。另外，隨著油水比的增加，試管底部白色沉淀的量隨之降低。該白色沉淀是未參與乳化的玉米纖維素。當油水比較低時，纖維素過量因此沉淀到試管底部；當油水比達到5∶5時，所有的纖維素均參與了乳液的形成，故而試管底部再無纖維素沉淀，這進一步證實了玉米纖維素具有穩(wěn)定乳液的能力。

油水比對Pickering乳液貯存穩(wěn)定性的影響如圖2所示。在不同油水比下制備的Pickering乳液均具有很好的穩(wěn)定性，且油水比為5∶5時的CI最小，因此選擇該油水比進行后續(xù)研究。

圖1 不同油水比所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(10×)

注：同組標有不同字母表示差異顯著(P<0.05)，余同。圖2 油水比對Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

圖3 分散時間時所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

2.2.2 分散時間的影響

分散時間對Pickering乳液顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖3所示。當均質(zhì)時間為4、7、10、13、16 min時，乳液中均有形態(tài)大小不均勻的液滴存在。由圖4中的插圖可以看出，乳液層高度總體上隨著分散時間的延長逐漸增加，且當分散時間為16 min時下層水相較為澄清、上層乳液更加均一。另外，隨著貯藏時間的延長，CI隨之增加，乳液的穩(wěn)定性有所降低(圖4)。比較而言，當分散時間為16 min時乳液的CI值最低、隨貯藏時間變化的幅度最小、穩(wěn)定性最好。因此，16 min為制備乳液的最適分散時間。

圖4 分散時間對Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

2.2.3 分散轉(zhuǎn)速的影響

分散轉(zhuǎn)速對Pickering乳液顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖5所示。當轉(zhuǎn)速為5 000、8 000 r/min時，視野中觀察不到明顯的乳滴，乳化效果不佳；當轉(zhuǎn)速增加至11 000 r/min時，乳滴數(shù)量明顯增加且形態(tài)規(guī)則、分布均勻；但是當轉(zhuǎn)速進一步增加至14 000 r/min和17 000 r/min時，乳滴的數(shù)量明顯減少且出現(xiàn)了少量粒徑較大的乳滴，表明乳滴發(fā)生了聚集。

由圖6中的插圖可以看出，當分散速度為5 000 r/min時，整個體系發(fā)生了嚴重的析油現(xiàn)象，玉米纖維素?zé)o法有效地穩(wěn)定乳液，這與圖5a中觀察到的結(jié)果一致；當分散速度增加至8 000 r/min時，雖然沒有明顯的析油現(xiàn)象，但是乳液相不均一；當分散速度增加至11 000 r/min及以上時，乳液層變得更加均一，但是下層的水相在轉(zhuǎn)速為14 000 r/min及17 000 r/min時變得混濁，且轉(zhuǎn)速越高現(xiàn)象越明顯，表明有部分玉米纖維素從乳液表層脫落了下來。由圖6中的CI變化曲線可以看出，當均質(zhì)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min和17 000 r/min時，CI較大、乳液的穩(wěn)定性最差，而當轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時，乳液的CI最小、穩(wěn)定性最強。

圖5 分散轉(zhuǎn)速時所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

圖6 分散轉(zhuǎn)速對Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

Pickering乳液與傳統(tǒng)的基于表面活性劑乳液相比最顯著的優(yōu)點是其穩(wěn)定性極高，因為固體顆粒以不可逆的方式結(jié)合在油水界面，需要極高的能量才能使其從界面上解吸[22]。在當分散速度過高時，產(chǎn)生的剪切力導(dǎo)致玉米纖維素顆粒從乳滴表面解吸下來，從而導(dǎo)致了圖5和圖6中出現(xiàn)的乳滴聚集及CI較高的現(xiàn)象。因此最佳分散速度為11 000 r/min。

2.2.4 分散溫度的影響

高溫會使分子運動加劇，因此傳統(tǒng)乳液對高溫的穩(wěn)定性較差。由圖7可以看出，當分散溫度為10 ℃時，乳滴分散較為均勻、乳滴粒徑較??；隨著乳化溫度的增加，乳滴的粒徑明顯變大，且該現(xiàn)象在50 ℃時尤為明顯，表明乳滴發(fā)生了聚集。

由圖8中的插圖可以看出，當分散溫度為10℃時，乳液較為均一、下層水相高度較低；隨著分散溫度的增加，乳液高度逐漸降低、下層水相高度逐漸增加且更加混濁。當均質(zhì)溫度為10 ℃時，所得到的乳液的穩(wěn)定性最好，這與圖7的結(jié)果一致。

圖7 分散溫度時所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

圖8 分散溫度對Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

已有學(xué)者就溫度對Pickering乳液穩(wěn)定性的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，蠟顆粒穩(wěn)定的乳液穩(wěn)定性隨之降低、聚集現(xiàn)象越發(fā)明顯[23]，這與本研究結(jié)果一致，表明Pickering乳液同傳統(tǒng)乳液一樣，對高溫的穩(wěn)定性較差。因此最佳分散溫度為10 ℃。

2.2.5 玉米纖維素添加量的影響

圖9 纖維素添加量時所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

圖10 玉米纖維素添加量對Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

對于Pickering乳液而言，作為乳化劑的固體顆粒的濃度對于乳液的性質(zhì)有重要影響。在一定范圍內(nèi)，固體顆粒的數(shù)量越多，其對乳滴的覆蓋越充分，所得乳滴的粒徑越小[24]。由圖9可以看出，在本研究選擇的濃度范圍內(nèi)玉米纖維素均可穩(wěn)定大豆油乳液，隨著其濃度的增加，油滴粒徑的分布越來越均一，且該現(xiàn)象在質(zhì)量濃度為0.120%時最為明顯；當玉米纖維素濃度進一步增加時，油滴粒徑開始變大，出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象。由圖10插圖可以看出，玉米纖維素添加量對乳液外觀有重要影響，隨著其濃度的增加，乳液層的高度明顯降低、水相的高度明顯增加。這可以用乳液粒徑與乳化劑濃度之間的關(guān)系來解釋。當玉米纖維素添加量增加且不過量時，其可覆蓋的油/水界面的面積隨之增加，因此乳滴的粒徑隨之變小，乳滴之間的堆積更加緊密，導(dǎo)致乳液層的體積減少。圖9e中乳滴粒徑增大的現(xiàn)象可能與視野選擇不當所致。另外，由圖10插圖還可以看出，當玉米纖維素質(zhì)量濃度為0.015%和0.030%時，試管底部無白色沉淀，表明玉米纖維素全部參與了乳液的形成；但是當玉米纖維素質(zhì)量濃度繼續(xù)增加至0.060%以上時，試管底部開始出現(xiàn)玉米纖維素沉淀且其含量隨著玉米纖維素濃度的升高而增加，表明此時玉米纖維素開始過量。

由圖10可以看出，雖然隨著玉米纖維素添加量的增加，CI隨之增加，但是在貯藏過程中CI的變化程度呈現(xiàn)出了相反的趨勢，即玉米纖維素添加量越高，CI變化程度越小，且該現(xiàn)象在玉米纖維素添加量為0.240%時尤為明顯。這是由于在高玉米纖維素濃度下乳滴的粒徑更小，乳滴之間的堆積更加緊密，因此在貯藏過程中體積的變化更小。由于當玉米纖維素濃度過高時會過剩而導(dǎo)致其利用率降低，因此確定的最佳玉米纖維素添加量為0.015%。

3 結(jié)論

采用淀粉酶、糖化酶和中性蛋白酶處理玉米麩皮后得到了純度相對較高的玉米纖維素，并對其在制備Pickering乳液中的應(yīng)用進行了探討。結(jié)果表明，玉米纖維素具有穩(wěn)定乳液的能力，當以大豆油為油相時，其制備Pickering乳液的最適條件為油水體積比5∶5、分散轉(zhuǎn)速11 000 r/min、分散時間7 min、分散溫度10 ℃、纖維素添加量0.015%。在此條件下制備的Pickering乳液外觀均一，貯藏過程中無油相析出且乳液層較為穩(wěn)定。因此，玉米纖維素有望在新型Pickering乳液的開發(fā)中獲得一定應(yīng)用。在后續(xù)研究中，還需對玉米纖維素粒徑、表面疏水性等特征進行深入系統(tǒng)的研究以獲得具有更好穩(wěn)定性和更高實用價值的Pickering乳液。