納米纖維素顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液的性能研究

牛付閣 韓備競 寇夢璇 樊佳玫 潘偉春*

（1 浙江工商大學食品與生物工程學院 杭州310018 2 安徽榮達禽業(yè)有限公司 安徽宣城242200）

營養(yǎng)不良是困擾人類健康的主要問題之一，一直以來科學家和食品制造商都試圖通過在食品中添加功能性營養(yǎng)成分來改善這一問題[1-2]。然而，食品功能性組分在使用過程中因水溶性差，對光、熱敏感，易氧化、分解等問題，嚴重影響了其生物利用率[3-4]。 有研究者開發(fā)了各種包埋技術來提高功能性營養(yǎng)成分的生物利用率，如采用脂質體、微球、乳劑等，它們雖在一定程度上改善了藥物/功能成分的生物利用度、緩控釋放性能及穩(wěn)定性等，但仍有一些目前無法解決的問題， 如脂質體在人體循環(huán)中不穩(wěn)定， 微球降解速度會影響功能成分的釋放，乳劑長時間放置易破乳等[5-7]。構建合適的輸送載體是解決功能活性成分生物利用率的關鍵。

Pickering 乳液是一種由吸附到兩相界面的固體顆粒穩(wěn)定的乳濁液， 與普通的由表面活性劑穩(wěn)定的乳液體系相比，具有更好的穩(wěn)定性、控釋性，并且能夠降低脂質代謝率[8-9]。 有機和無機顆粒乳化劑相對于傳統(tǒng)的商業(yè)乳化劑， 顯示出對親脂性成分具有較好的控釋能力， 更穩(wěn)定的抗氧化能力和更低的脂質消化率[10]。 雖然有很多研究表明固體顆粒乳化劑具有較好的穩(wěn)定性能， 但是很少有顆粒能直接與食品兼容， 這是因為大部分顆粒型乳化劑都不適用于食品體系。 近幾年， 大豆蛋白質、蛋清蛋白、玉米醇溶蛋白和多糖等生物大分子聚集體作為新穎的食品級乳化材料在食品和化妝品領域的研究受到關注， 因為它們具有與食品兼容和突出的乳化性能[11-13]。由于這些天然原料數(shù)量有限且成本較高，因此研究開發(fā)一種價格低廉、安全、穩(wěn)定的功能性成分運載體系，是解決功能性成分安全高效利用的關鍵。

纖維素是植物資源的重要組成部分， 多存在于高等植物的細胞壁中， 是一種普遍存在的蘊藏最為豐富的天然生物資源[14]。 納米微晶纖維素作為纖維素基納米材料的代表產品， 目前已受到廣泛的關注， 纖維素經物理化學方法處理后可得到納米級纖維素， 它具有許多無機納米粒子所不能比擬的優(yōu)異特性[15]，如生物相容性、生物可降解性、納米尺度效應、高強度和表面活性強等，被認為是未來世界能源、化工和食品的主要原料[16-17]。目前已有學者研究發(fā)現(xiàn)納米纖維素具有良好的觸變性，是一種優(yōu)良的食品添加劑，并且在高溫、高酸堿或高鹽濃度的條件下也有較好的增稠效果，可作為增稠劑應用在肉丸、冰淇淋、酸奶等食品領域中[18]。 因此，基于納米纖維素優(yōu)越的功能特性，設計與構建以納米纖維素為載體的Pickering 乳液體系， 并利用其對功能性營養(yǎng)素或者藥物成分進行負載包埋， 在食品生物醫(yī)藥領域將具有良好的應用前景。 本試驗研究纖維素濃度、 油脂添加量、 纖維素顆粒大小對纖維素乳液液滴粒徑、電位、微觀結構和穩(wěn)定性的影響，制備得到穩(wěn)定的纖維素乳液系統(tǒng)， 為后期功能活性成分的輸送提供了良好的基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

纖維素原料由浙江省杭州語晗科技有限公司提供；葵花籽油購于益海嘉里投資有限公司，其中約含有13.0%飽和脂肪酸，26.0%單不飽和脂肪酸，61.0%多不飽和脂肪酸；氫氧化鈉、鹽酸、硫酸等試劑等均購自上海國藥化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

超聲波儀，江蘇昆山超聲波儀有限公司；納米粒度及Zeta 電位分析儀，英國Malvern 儀器公司；接觸角測量儀， 德國德菲儀器有限公司； 分析天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；電子顯微鏡，南京江南永新光學儀器公司；T25 高速分散器、磁力攪拌器，德國IKA 公司；實驗高壓均質機，美國APV 公司。

1.3 方法

1.3.1 納米纖維素顆粒的制備 納米纖維素顆粒的制備參考前期的研究方法[18]，纖維素浸膏在10 000 g 的條件下離心10 min，然后取下層沉淀溶于混合酸中（H2SO498%，HCl 37%和水的比例分別為42.5%，13.75%，45%）配置成質量分數(shù)為8%的分散液。然后把混合溶液置于超聲處理條件下水解，分別在2，6，10 h 后取出樣品，然后樣品在8 000 g條件下離心10 min， 制備得到不同顆粒形貌的納米纖維素顆粒放于4 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 纖維素接觸角測試 不同水解時間下制備的得到的纖維素顆粒， 凍干后經紅外壓片機壓至約0.7 mm 薄片，滴加2 μL 去離子水以JY-82B 接觸角測量儀測定其固液接觸角。

1.3.3 纖維素乳液的制備 參照Niu 等[19]的方法稍有改動，配置一系列不同濃度的纖維素溶液，然后向溶液中添加不同體積的葵花籽油， 接著用高速分散器以11 000 r/min 的速度混合2 min， 得到粗乳液， 再用高壓均質以40 MPa 的壓力均質兩次，最后得到終乳液，乳液密封放置于4 ℃條件下備用。

1.3.4 乳液的粒徑分析 乳液平均粒徑用馬爾文粒度分析儀測定， 測量前乳狀液用超純水稀釋100 倍以避免多重光散射。 樣品測試前在儀器中平衡60 s，然后每次測試至少累計12 次。 每個樣品平行測試3 次取平均值。

1.3.5 樣品ζ-電位分析 樣品的表面電荷分布用馬爾文Zeta 電位分析儀測定。 樣品用超純水稀釋100 倍以避免多重光散射。 樣品測試之前在儀器中平衡60 s，測定樣品的電泳遷移率，然后根據(jù)Smoluchowsky 數(shù)學模型分析乳液的ζ-電位。 每個樣品平行測定3 次取平均值。

1.3.6 乳液液滴顯微結構觀察 BM2100 光學顯微鏡觀察乳液液滴形貌結構。 將10 μL 乳液液滴放置于載玻片上，然后慢慢蓋上蓋玻片，防止氣泡產生，平衡2 min 后，在40 倍的物鏡下觀察液滴的大小及分布情況， 每個樣品選擇4 個區(qū)域進行對比，用于評價乳液的特性。

1.3.7 纖維素乳液的穩(wěn)定性分析 制備好的新鮮乳液放置在透明的螺蓋小瓶里，在25 ℃下黑暗的環(huán)境里放置7 d，觀察乳液分層情況，記錄乳液的乳液層和清液層高度， 分析不同顆粒制備的乳液的穩(wěn)定性。

2 結果與分析

2.1 不同油添加量對乳液粒徑和穩(wěn)定性的影響

圖1 顯示水解時間為6 h，纖維素質量分數(shù)為0.4%時， 不同油添加量對乳液液滴粒徑和穩(wěn)定性的影響。 由圖1a 所示，隨著葵花籽油添加量增加乳液液滴粒徑逐漸增加， 并且乳液液滴顯示出明顯的絮凝現(xiàn)象。 可能是由于在纖維素濃度一定的情況下，隨著油脂含量的增加，纖維素顆粒不足以完全覆蓋油滴表面，乳液液滴之間排斥力降低，油滴之間由于奧氏熟化而互相靠近導致絮凝發(fā)生[20]。乳液放置7 d 后的分層現(xiàn)象由圖1b 所示，當油添加為1%時， 乳液上層為清液層并且清液層較低，隨著油脂添加量的增加乳液發(fā)生明顯的分層現(xiàn)象，且乳液層上浮，進一步說明隨著油脂含量的增加纖維素不能完全包埋油滴， 油滴由于奧氏熟化而聚集成大油滴漂浮于溶液上層。

圖1 不同油添加量對乳液粒徑（a）和穩(wěn)定性（b）的影響Fig.1 The effect of oil volume on the size （a）and cream stability （b）of emulsions

2.2 不同纖維素顆粒濃度對乳液特性的影響

圖2 油含量為1%時纖維素質量分數(shù)與乳狀液顆粒粒徑之間的相關性Fig.2 The correlation between the droplets particle size of emulsion and the mass percent of cellulose at 1% oil

圖2 所示為油添加量為1%時，乳液液滴粒徑和電位隨纖維素濃度（水解時間為6 h）的變化情況。乳液粒徑隨著纖維素添加量的增加而降低，并且呈線性關系（R2=0.9928）。 這主要是由于在均質的過程中，油脂被分散成小液滴，然后纖維素顆粒快速地吸附到油滴的表面形成一層穩(wěn)定的界面結構。 隨著纖維素濃度的增加有更多的纖維素顆粒吸附到油滴表面， 降低了油滴發(fā)生奧氏熟化的幾率。 前期的研究中已經證實纖維素顆粒表面帶有負電荷[21]，因此從乳液液滴的表面電荷可以看出，隨著纖維素濃度的增加， 油滴表面的纖維素顆粒的數(shù)量也增加，表現(xiàn)出負電荷含量越來越多（R2=0.9562）。 進一步說明了纖維素濃度越高油滴表面吸附的纖維素顆粒越多， 形成的界面層越來越穩(wěn)定。在二氧化硅、甲殼素納米晶和變性淀粉穩(wěn)定的Pickering 乳液研究中發(fā)現(xiàn)了類似的結果， 隨著顆粒濃度的增加乳液液滴的粒徑同步降低， 這主要是由于顆粒濃度越大所能穩(wěn)定的截面面積越大[8，22-23]。

圖3 顯示當油添加量為1%時，不同濃度纖維素顆粒穩(wěn)定的乳液液滴的絮凝特性， 結果表明當纖維素顆粒質量分數(shù)為0.4%時，乳液液滴絮凝較嚴重，液滴之間粘結在一起，形成了部分聚集區(qū)和部分空白區(qū)。 當質量分數(shù)增加到0.6%時，依然可以觀察到乳液液滴的絮凝現(xiàn)象， 當質量分數(shù)為0.9%時，乳液液滴均勻分布，沒有明顯的聚集現(xiàn)象發(fā)生，說明在此條件下乳液液滴穩(wěn)定性較高，纖維素形成了一層穩(wěn)定的界面層， 增加了液滴之間的排斥作用，抑制了液滴的聚集。

圖3 不同質量分數(shù)纖維素顆粒穩(wěn)定的乳液液滴絮凝特性Fig.3 The flocculation characteristics of emulsion stabilized with different mass percent of cellulose

如圖4 所示，在1%的油量下水解6 h 制備得到的纖維素顆粒穩(wěn)定的乳液放置7 d 后， 質量分數(shù)0.9%的纖維素穩(wěn)定的乳液顯示出較好的穩(wěn)定性， 主要是由于纖維素質量分數(shù)較高時有更多的纖維素顆粒吸附到油滴的表面， 乳液液滴之間的靜電作用和空間排斥作用增強， 纖維素界面層抑制了油滴的奧氏熟化現(xiàn)象[24]。 因此葵花籽油添加量為1%， 纖維素添加量為0.9%可制得較穩(wěn)定的乳液結構。

2.3 不同水解時間下制備的纖維素顆粒特性分析

由圖5a 可以看出， 隨著水解時間的延長，纖維素顆粒的電位從0 h 的-11.5 mV 降低到10 h的-43.8 mV。這主要是由于隨著纖維素的水解，纖維素中形成了較多的磺酸基團和硫酸酯， 同時釋放出更多的-C-OH 基團，增加了纖維素表面的凈電荷。 一般情況下， 當顆粒的電位的絕對值大于35 mV 時，顆粒顯示出較好的穩(wěn)定性。 由圖5b 可知，0 h 的纖維素與水的接觸角為39.68°， 隨著水解時間的延長纖維素與水的接觸角逐漸增大，當水解時間為10 h 時，接觸角增加到了51.57°，說明纖維素顆粒具有較好的親水濕潤特性， 同時隨著水解時間的延長得到的纖維素親水性有降低的趨勢。這一現(xiàn)象說明隨著水解時間的延長，得到的纖維素顆粒在油水界面的吸附能力更強。

圖4 油含量為1%時，不同濃度纖維素的乳液室溫放置7 d 后照片F(xiàn)ig.4 At 1% oil， the photograph of emulsion stabilized with different mass percent of cellulose during storage for 7 days at 25 ℃

圖5 不同水解時間的纖維素顆粒的電位和纖維素與水的接觸角Fig.5 The potential of cellulose particle and the contact angle between cellulose and water under different hydrolysis time

2.4 不同纖維素顆粒粒度對乳液特性的影響

為了考察不同纖維素顆粒大小對乳液穩(wěn)定性的影響， 研究了不同水解時間下制得的纖維素顆粒穩(wěn)定的乳液（1%油，0.9%纖維素）的特性。 結果顯示隨著水解時間的延長， 纖維素穩(wěn)定的乳液的粒徑降低。 這主要是因為顆粒與其穩(wěn)定的乳液顆粒之間存在粒度效應關系。 隨著水解時間從2 h增加到10 h， 纖維素顆粒的疏水力學半徑從205 nm 降低到89 nm[21]。 也就是說纖維素顆粒粒徑越小，制備的乳液液滴的粒徑也越小。這主要是由于隨著水解時間的延長， 單位面積油滴可吸附更多的纖維素顆粒，因此增加了界面穩(wěn)定性[25]。 從乳液的分層指數(shù)顆?？闯觯斎橐核鈺r間為0 h 時，乳液也顯示出較好的穩(wěn)定性， 這是由于在此條件下乳液具有較高的黏度值，乳液液滴運動較慢，放置一周后乳液沒有顯示出明顯的分層現(xiàn)象。 當水解時間為2 和6 h 時， 乳液放置一周后顯示出輕微的分層現(xiàn)象，上層有清液層出現(xiàn)。當水解時間達到10 h 時，乳液顯示出較高的穩(wěn)定性，沒有乳液分層現(xiàn)象發(fā)生，同時乳液具有較小的顆粒粒度。

圖6 不同水解時間下，乳液粒徑及穩(wěn)定性變化Fig.6 Change of mean particle diameter and stability of emulsion at different hydrolysis durations

3 結論

隨著纖維素濃度的增加， 油滴表面吸附的纖維素顆粒越多，液滴表面負電荷數(shù)量增加，乳液粒徑逐漸降低， 纖維素濃度與乳液液滴粒徑呈現(xiàn)良好的線性負相關（R2=0.9928）。 乳液放置一段時間后分層指數(shù)隨著纖維素濃度的增加而降低， 穩(wěn)定性提高。 當纖維素質量分數(shù)為0.9%，油添加量為1%時水解10 h 的纖維素制備得到的乳液顆粒粒徑達到400 nm 左右，放置7 d 后沒有分層現(xiàn)象發(fā)生，顯示出較好的儲藏穩(wěn)定性。不同形貌的納米纖維素顆粒與其穩(wěn)定的乳液之間存在粒度效應關系，纖維素顆粒越小，制備得到的乳液液滴粒徑越小。 本研究結果說明可以利用纖維素顆粒設計和構建穩(wěn)定的Pickering 乳液體系，為生物活性物質或藥物成分的包埋和輸送提供一定的數(shù)據(jù)支持。