以南極磷蝦油為天然乳化劑制備O/W型乳液的工藝優(yōu)化

姜如雪，于繁千惠，楊金月，陳 玲,薛 勇，薛長湖

(中國海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003)

南極磷蝦油是從南極磷蝦中提取的呈暗紅色的油狀物質(zhì)，其作為一種高附加值產(chǎn)品，富含磷脂、n-3 多不飽和脂肪酸、蝦青素等多種活性成分，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值[1]。磷蝦油中磷脂的主要類型為磷脂酰膽堿，磷脂與長鏈的n-3多不飽和脂肪酸相連，形成獨(dú)特的活性脂肪酸存在形式，使得人體更易吸收利用[2]。而磷脂又是一種天然的表面活性劑，因此南極磷蝦油亦是一種潛在的具有較高營養(yǎng)價(jià)值的乳化劑。

乳液由兩種不混溶的兩相(通常是油相和水相)組成，其中一相在另一相中以小球形液滴分散。可以根據(jù)油相和水相的相對空間分布將乳液進(jìn)行分類，包括O/W型乳液、W/O型乳液和多重乳液[3]。

本研究以南極磷蝦油為天然乳化劑，魚油為油相，在只存在油脂和水的條件下，制備能承載相對高含量內(nèi)相油的O/W型乳液，既能提高乳液作為傳遞系統(tǒng)的裝載效率，又能拓展海洋功能性油脂的應(yīng)用。本文旨在提出一種新型的海洋油脂-水穩(wěn)定的乳液新思路，僅用粗乳化方法便可形成相對穩(wěn)定的乳液，不使用高壓均質(zhì)機(jī)、膠體磨等設(shè)備，該乳液改變了魚油高度親脂的特性，可以提高水基食品中魚油的含量，在加強(qiáng)食品營養(yǎng)的同時(shí)也為其工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

魚油(FO)，中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院提供；南極磷蝦油(AKO)(磷脂含量為40%)，購自青島康境公司；蒸餾水；松節(jié)油、棉籽油，購自江西海麟公司。

IKA-TI8型高速分散機(jī)，德國IKA有限公司；Rhemeter MCR301流變儀，奧地利安東帕公司；UPR-I-5/10/15T臺式純水機(jī)；DNP型-電熱恒溫培養(yǎng)箱；OHAUS ST 3100C 電導(dǎo)率儀，美國OHAUS公司；OLYMPUS CX31型光學(xué)顯微鏡，日本奧林巴斯光學(xué)公司；NCJJ-0.007/200型納米超高壓均質(zhì)機(jī)；AB135-S 型精密電子分析天平，瑞士 Mettler-Toledo 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 HLB值的測定

采用乳化法測定AKO的HLB值[4]。

1.2.2 乳液的制備

以AKO為乳化劑，F(xiàn)O為油相，蒸餾水為水相制備乳液。先將AKO加入 FO 中，形成混合體系，再在體系中加入蒸餾水，通過高速分散機(jī)在一定剪切速率下乳化5 min形成乳液，于25℃貯藏備用。

1.2.3 乳液的表征

1.2.3.1 穩(wěn)定性測試

根據(jù)Züge等[5]的方法評價(jià)乳液穩(wěn)定性。

1.2.3.2 乳液類型和相轉(zhuǎn)變

通過電導(dǎo)率儀測定新鮮乳液的電導(dǎo)率確定乳液類型和相轉(zhuǎn)變點(diǎn)[6]。O/W型乳液具有較好的導(dǎo)電能力，電導(dǎo)率較高，而W/O型乳液導(dǎo)電性能較差，電導(dǎo)率較小，所以乳液的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)位于電導(dǎo)率突變的濃度范圍內(nèi)。

1.2.3.3 微觀結(jié)構(gòu)

取在25℃下貯藏0、4、24 h的乳液穩(wěn)定層置于倒置光學(xué)顯微鏡下觀察其液滴形態(tài)，放大倍數(shù)為1 000倍。

1.2.3.4 液滴尺寸分布

根據(jù)Ni等[7]的方法，隨機(jī)選取3張顯微鏡照片進(jìn)行液滴尺寸分布分析。

1.2.3.5 流變性質(zhì)分析

對新鮮乳液進(jìn)行流變學(xué)性質(zhì)分析。使用MCR301流變儀，采用直徑為50 mm、角度為2°的錐形板在25℃下進(jìn)行測試：①流動曲線(γ=0.01～500.0 s-1)；②頻率掃描(f=0.1～10 Hz，τ=5 Pa)。

1.2.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3 次，利用 Origin 9.1 軟件作圖，使用 SPSS 22.0 軟件進(jìn)行方差分析，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 南極磷蝦油的HLB值

對AKO進(jìn)行HLB值測定，發(fā)現(xiàn)AKO在HLB值為 6～16 范圍內(nèi)都具有較好的乳化能力，且在HLB值為8～11時(shí)表現(xiàn)最佳。該結(jié)果表明AKO作為乳化劑更傾向于形成O/W型乳液，并且具有很廣的適用范圍。這是由于南極磷蝦磷脂中含有71.20%的磷脂酰膽堿(PC)，大量的PC能夠促進(jìn)O/W型乳液的形成[6,8]。

2.2 南極磷蝦油基O/W型乳液的工藝優(yōu)化

2.2.1 不同剪切速率對乳液的影響

依照Züge[5]、Lee等[9]的研究，在乳化劑AKO含量1%、油相FO含量50%條件下，改變剪切速率分別為7 000、12 000 r/min，研究剪切速率對乳液穩(wěn)定性和液滴尺寸的影響。

2.2.1.1 不同剪切速率對乳液穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新鮮乳液在貯藏1 h內(nèi)都能保持穩(wěn)定狀態(tài)，未見明顯分層，但隨著貯藏時(shí)間繼續(xù)延長，乳液均出現(xiàn)一定程度的分層現(xiàn)象。這是由于乳液本質(zhì)為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，隨著時(shí)間的推移，兩相會向更穩(wěn)定的狀態(tài)移動使自由能最小化，從而會出現(xiàn)脫水收縮即相分離現(xiàn)象[10]。

2.2.1.2 不同剪切速率對乳液液滴尺寸的影響(見圖1)

圖1 不同剪切速率對貯藏不同時(shí)間乳液液滴尺寸分布的影響

據(jù)Palazolo等[11]研究，液滴在重力場中的運(yùn)動和布朗運(yùn)動共同調(diào)控乳液靜置貯藏過程中的分層行為。從圖1可以看出，隨著剪切速率的提高，更多的能量輸入有效地降低了乳液液滴粒徑，粒徑的減小延緩了液滴的重力場運(yùn)動從而提高了乳液的穩(wěn)定性。12 000 r/min組乳液貯藏4 h后仍未見明顯分層，其乳化穩(wěn)定性明顯優(yōu)于7 000 r/min。因此，本研究采用12 000 r/min的剪切速率進(jìn)行油相含量的選擇。

2.2.2 不同油相含量對乳液的影響

在乳化劑AKO含量1%、剪切速率12 000 r/min條件下，分別利用50%、60%、70%、80%、90%的油相(FO)制備乳液，研究油相含量對乳液穩(wěn)定性、類型和液滴尺寸分布的影響。

2.2.2.1 不同油相含量對乳液穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，70%、80%油相組乳液未見明顯分層，其余組乳液隨著貯藏時(shí)間的延長均出現(xiàn)明顯分層。值得注意的是，90%油相含量的乳液顏色、形態(tài)與其余組差異較大，且隨著貯藏時(shí)間的延長出現(xiàn)明顯的油珠上浮，推測由于油相含量過高導(dǎo)致乳液類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，而50%、60%油相含量的乳液隨著貯藏時(shí)間的延長出現(xiàn)兩相分離，分為上層乳油層和下層水層。

2.2.2.2 不同油相含量對乳液類型的影響(見圖2、圖3)

圖2 不同油相含量乳液的電導(dǎo)率

圖3 不同油相含量新鮮乳液的顯微鏡圖

從圖2可以看出，乳液的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)在油相含量80%～90%之間。在該油相含量范圍內(nèi)，乳液的電導(dǎo)率驟降，微觀結(jié)構(gòu)也有很大變化，液滴形態(tài)由球形變?yōu)椴灰?guī)則狀，即當(dāng)油相含量小于等于80%時(shí)，形成O/W型乳液，90%油相含量的乳液形成W/O型乳液(電導(dǎo)率趨于0)。因此，AKO 作為乳化劑傾向于形成O/W型乳液。

同時(shí)，乳液電導(dǎo)率隨著油相含量的增加呈下降趨勢，此現(xiàn)象與張維等[12]的研究結(jié)果一致。電導(dǎo)率測試結(jié)果顯示50%～80%油相組乳液為O/W型乳液，但從圖3可以看出，隨著油相含量的增加，多重乳液現(xiàn)象發(fā)生，內(nèi)部液滴數(shù)目增加。 50%～80%油相組乳液的電導(dǎo)率都高于20 μS/cm，所以乳液中所存在的多重乳液類型應(yīng)該是W/O/W型。Jahanzad等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在相轉(zhuǎn)變突發(fā)前，多重乳液主要出現(xiàn)在具有較高油相含量的樣品中。突發(fā)相轉(zhuǎn)變是指由于油相或水相含量變化引起的相轉(zhuǎn)變[14]。值得注意的是，雖然多重乳液應(yīng)用范圍較廣，如食品敏感成分的包封，減少功能食品、藥品等脂肪的含量等[15-16]，但影響多重乳液穩(wěn)定性的因素較多，不僅包括外部的絮凝等反應(yīng)還包括內(nèi)在的絮凝和局部反應(yīng)[17]，即在實(shí)際生產(chǎn)中需要控制的因素較多。由于本研究沒有包封特定的水溶性活性物質(zhì)，同時(shí)多重乳液的存在減少了在外部階段的水，使得部分水最終在油滴中，進(jìn)而影響相轉(zhuǎn)變點(diǎn)[6]，因此應(yīng)盡可能降低乳液的多重程度。此外，當(dāng)油相含量為60%時(shí)，乳液電導(dǎo)率略微增加，這可能與乳液體系中具有一定程度的多重乳液有關(guān)。

2.2.2.3 不同油相含量對乳液液滴尺寸分布的影響(見圖4)

從圖4可以看出：50%油相組乳液液滴直徑隨著貯藏時(shí)間的延長迅速增大；60%油相組乳液液滴直徑在整個(gè)貯藏過程中呈緩慢增大趨勢，相較于其他組較為穩(wěn)定；而70%、80%油相組乳液液滴直徑隨著貯藏時(shí)間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這可能與乳液中液滴的聚結(jié)和破碎有關(guān)。由圖3可知，隨著油相含量的增加，多重乳液現(xiàn)象發(fā)生并且內(nèi)部液滴數(shù)目增加。液滴聚結(jié)會使液滴直徑變大，而多重乳液液滴破碎后，內(nèi)部的小液滴被釋放到外部的連續(xù)相中，則會使乳液液滴直徑變小[13]。推測50%油相組乳液液滴聚結(jié)速率遠(yuǎn)大于液滴破碎速率；60%油相組乳液液滴聚結(jié)和破碎速率基本持平；而70%、80%油相組乳液在貯藏前期液滴聚結(jié)速率較大，貯藏后期液滴破碎速率遠(yuǎn)大于聚結(jié)速率。乳液液滴聚結(jié)速率過大會導(dǎo)致乳液迅速失穩(wěn)(乳液分層現(xiàn)象)，破碎速率較大又不利于水溶性活性物質(zhì)的包埋。

圖4 不同油相含量貯藏不同時(shí)間乳液的液滴尺寸分布

2.2.2.4 不同油相含量對乳液流變性質(zhì)的影響(見圖5)

從圖5A可以看出，乳液皆符合Ostwald-de Waele方程，為假塑性流體(n<1)，且稠度指數(shù)(K)隨著油相含量的增加而增加。從圖5B可以看出，乳液黏度隨著油相含量的增加而增加，所有乳液均存在剪切稀化行為，并在高剪切速率下乳液黏度趨于穩(wěn)定。剪切稀化行為是各種流體乳液、凝膠和聚合物溶液的特征，通常認(rèn)為它是流體內(nèi)微米級結(jié)構(gòu)重排的結(jié)果[18]。50%、60%油相組乳液的剪切稀化程度較小(曲線相對較為平緩)，70%、80%油相組乳液則具有較強(qiáng)的剪切稀化行為，由此得出50%、60%油相乳液具有更好的抗剪切能力。液體食品在加工運(yùn)輸過程中，常常會遇到各種變形和流動問題，較好的抗剪切能力有利于產(chǎn)品的加工和運(yùn)輸。

圖5 1%AKO乳液的流變性質(zhì)(僅分析O/W型乳液)

60%油相組乳液在貯藏4 h后發(fā)生明顯分層現(xiàn)象，但相較于其他油相組，其乳液多重程度較低，在實(shí)際應(yīng)用需要控制的條件相對較少；而且該油相組乳液黏度較小，抗剪切能力較好，飲料等水基食品往往黏度較小，且在加工過程中需要一定的攪拌、流動，該乳液性能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，易于添加到相關(guān)食品中。因此，選擇60%油相含量進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 不同AKO含量對乳液的影響

在油相FO含量60%、剪切速率12 000 r/min條件下，分別以1%、2%、3%的AKO為乳化劑制備乳液，研究AKO含量對乳液的影響。

2.2.3.1 不同AKO含量對乳液穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著AKO含量的增加，乳液分層現(xiàn)象逐漸消失，乳液穩(wěn)定性顯著提高。3%AKO組乳液隨著貯藏時(shí)間的延長未見明顯分層，2%AKO組在貯藏24 h后出現(xiàn)明顯分層，1%AKO組則在貯藏4 h后出現(xiàn)明顯分層。AKO含量的提高使乳液體系中的磷脂濃度提高，從而使乳液的穩(wěn)定性也顯著提高，并且相較于剪切速率，AKO含量對乳液穩(wěn)定性的影響更大。

2.2.3.2 不同AKO含量對乳液流變性質(zhì)的影響(見圖6)

從圖6A可以看出，乳液黏度隨著AKO含量的增加而增加，黏度的增加也提升了乳液的貯藏穩(wěn)定性，所以3%AKO組乳液貯藏24 h時(shí)依舊未見明顯分層。同時(shí)，乳液黏度隨著剪切速率的增加而減小，即所有乳液都存在剪切稀化行為，為假塑性流體。從圖6B可以看出，儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨著剪切頻率的增加而增加，反映乳液體系積累更多的能量，這提高了乳液的穩(wěn)定性[19]。同時(shí)，所有組的G″'始終大于其G′，表示乳液黏彈性特征表現(xiàn)為黏性主導(dǎo)，彈性較弱，并且2%AKO組乳液相較于其他組具有更高的儲能模量和損耗模量。

圖6 不同AKO含量乳液的流變性質(zhì)

2.2.3.3 不同AKO含量對乳液微觀結(jié)構(gòu)的影響(見圖7)

從圖7可以看出，隨著AKO含量的提高多重乳液的程度也隨之提高，大液滴內(nèi)部的小液滴數(shù)量增加，且1%AKO組乳液的液滴直徑明顯大于其他組，并且隨著乳化劑含量的增加多重乳液程度也增加。結(jié)合圖3分析，AKO含量和油相含量都會影響乳液中的多重乳液程度，且為正相關(guān)關(guān)系，而多重乳液的存在會改變?nèi)橐吼ざ群拖噢D(zhuǎn)變點(diǎn)[6,20]。

圖7 不同AKO含量乳液貯藏不同時(shí)間的顯微鏡圖

3 結(jié) 論

南極磷蝦油作為一種天然乳化劑，HLB值在6～16 范圍內(nèi)都有乳化能力，HLB值為8～11時(shí)表現(xiàn)最佳，傾向于形成O/W型乳液。

以1%AKO為乳化劑制備的乳液在油相含量為80%～90%發(fā)生相轉(zhuǎn)變，即由O/W型轉(zhuǎn)變?yōu)閃/O型乳液。油相含量為50%～80%制備的乳液中存在多重乳液(W/O/W)行為，且隨著油相含量的提高，多重乳液程度也隨之提高。

以AKO為乳化劑，制備承載較高內(nèi)相含量的O/W型穩(wěn)定乳液的最佳工藝條件為：AKO含量3%，F(xiàn)O含量60%，剪切速率12 000 r/min，乳化時(shí)間5 min。