艾草精油Pickering乳液穩(wěn)定性的研究

王曼笛，謝巖黎，李 倩，楊玉輝，馬衛(wèi)賓，孫淑敏

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

艾草具有抑菌[1]、抗氧化[2]、抗炎[3]等多種功效，在食品、藥品、日用品中都有廣泛的應(yīng)用[4]，有巨大的開發(fā)價值。艾草揮發(fā)油即艾草精油(Artemisiaargyiessential oil)，是艾葉的主要功效成分之一，外觀呈黃色、淺綠色澄清油狀，具有濃烈的香味。然而艾草精油和其他精油一樣，受空氣、溫度、光線等因素的影響很容易發(fā)生氧化，而且精油具有疏水性，導(dǎo)致其在應(yīng)用上存在很多限制[5-6]。Pickering乳液是由固體顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的表面活性劑作為穩(wěn)定劑制備的，具有更好的穩(wěn)定性[7]。通過將精油制備成由固體顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液，可以有效解決精油的揮發(fā)性強、化學(xué)穩(wěn)定性差和不溶于水的問題[8]。

水蒸氣蒸餾法是應(yīng)用最廣泛的一種精油提取方法[9]，該法提取的精油成分豐富，雜質(zhì)少。纖維素納米晶因具有高結(jié)晶度、高縱橫比、低密度和優(yōu)異的機械性能被認(rèn)為是水包油型Pickering乳液合適的穩(wěn)定劑顆粒[10]。通常情況下，固體顆粒在乳液的油水界面上聚集，減少了系統(tǒng)的界面能量[11]。這些固體顆粒一旦附著在液滴的油水界面上，在靜止條件下會永遠停留在那里，是不可逆的。如果界面上有足夠的顆粒，就可以形成一個有效的保護屏障，并且很容易實現(xiàn)對液滴凝聚的長期保護[12]。有關(guān)用纖維素納米晶制備穩(wěn)定的Pickering乳液的報道已經(jīng)很多，Dong等[13]以絲光微晶纖維素為原料，在超聲波作用下進行混合酸水解，制備了直徑范圍在30～60 nm的球形纖維素納米晶，并用此納米晶制備了穩(wěn)定的Pickering乳液，該乳液在pH值、離子強度和較大溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。另外有研究發(fā)現(xiàn)，將百里香精油制備成Pickering乳液，乳液的最小抑菌濃度為0.4 mg/mL，抗菌活性是純精油的10倍，大大增強了百里香精油的抗菌效果[14]。

目前尚未有研究以纖維素納米晶為穩(wěn)定劑顆粒、艾草精油為油相制備穩(wěn)定的Pickering乳液。因此，作者擬探討pH值、超聲時間、分散時間等因素對Pickering乳液穩(wěn)定性的影響，旨在提高艾草精油Pickering乳液的穩(wěn)定性，增強艾草精油的緩釋效果，為開發(fā)綠色安全的植物源抑菌劑提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

艾草：從河南省汝陽縣大虎嶺森林公園采摘，采集艾草的地上部分，包括葉和莖，置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干。纖維素納米晶：長度為200 nm，直徑為10 nm，Zeta電勢為-42 eV，接觸角為14°，購自湖州閃思科技有限公司。無水硫酸鈉、正己烷等試劑：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FW-80高速萬能粉碎機：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；SB-5200DT超聲波清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；SZCL-2智能控溫磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；UV-6100S紫外可見分光光度計：上海美普達儀器有限公司；DM2500正置熒光顯微鏡：德國Leica公司；FM200A高剪切分散乳化機：上海弗魯克科技發(fā)展有限公司；AL204電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；JY92-ⅡA超聲波細胞破碎儀：寧波新芝生物科技股份有限公司；BT-9300ST激光粒度分布儀：丹東百特儀器有限公司。

1.3 超聲輔助水蒸氣蒸餾法提取艾草精油

參考文獻[15]并稍做修改。將風(fēng)干的艾草的地上部分粉碎，用蒸餾水浸泡，料液比為1∶15 g/mL，浸泡2 h，20 ℃超聲20 min，放入圓底燒瓶中蒸餾6 h。蒸餾得到的艾草精油呈淡綠色，具有芳香氣味，避光4 ℃保存。

1.4 不同pH值的艾草精油Pickering乳液的制備

參考文獻[16]并稍做修改。具體步驟：將14.7 mL質(zhì)量濃度為1 mg/mL的纖維素納米晶水分散液的pH值調(diào)至某一指定數(shù)值(3、5、7、9、11)，緩慢地加入0.3 mL艾草精油，用高剪切分散乳化機分散60 s得到粗乳液，在冰浴條件下用超聲波細胞破碎儀超聲10 min(功率0.4 kW，超聲5 s，間隙2 s)得到不同pH值的艾草精油Pickering乳液。

1.5 不同超聲時間的艾草精油Pickering乳液的制備

將14.7 mL質(zhì)量濃度為1 mg/mL的纖維素納米晶水分散液的pH值調(diào)至7，緩慢地加入0.3 mL艾草精油，分散時間為60 s，超聲時間為某一指定時間(0、5、10、15、20 min)，得到不同超聲時間的艾草精油Pickering乳液。

1.6 不同分散時間的艾草精油Pickering乳液的制備

將14.7 mL質(zhì)量濃度為1 mg/mL的纖維素納米晶水分散液的pH值調(diào)節(jié)至7，緩慢地加入0.3 mL艾草精油，超聲10 min，分散時間為某一指定時間(30、60、90、120、150 s)，得到不同分散時間的艾草精油Pickering乳液。

1.7 艾草精油Pickering乳液乳化穩(wěn)定指數(shù)的測定

乳液穩(wěn)定性指數(shù)(ESI)可以用來表示乳液的穩(wěn)定性，ESI值越高乳液越穩(wěn)定[17]。分別在0 h和24 h吸取制備的新鮮乳液(100 μL)，加入4.9 mL、1 mg/mL的十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液，渦旋30 s使溶液混合均勻后在500 nm處測定吸光度。ESI的計算公式如下[18]。

式中：A0為在0 h時測定的吸光度；A24為在24 h時測定的吸光度；ΔT為時間差，min。

1.8 艾草精油Pickering乳液的粒徑

采用BT-9300ST激光粒度分析儀測定艾草精油Pickering乳液的體積平均粒徑(D4,3)，D4，3為具有相同體積和粒子數(shù)的液滴的平均粒徑?？紤]到多次散射的影響，樣品在室溫下用超純水稀釋后進行分析。以超純水為分散劑，設(shè)置折射率實部1.52，虛部0.1，介質(zhì)折射率1.333。

1.9 熒光顯微鏡觀察艾草精油Pickering乳液的微觀結(jié)構(gòu)

將14.7 mL質(zhì)量濃度為3 mg/mL的纖維素納米晶水分散液pH值調(diào)至某一指定數(shù)值(3、5、7、9、11)，緩慢地加入0.3 mL艾草精油，高剪切分散乳化機分散120 s，超聲波細胞破碎儀超聲20 min(功率0.4 kW，超聲5 s，間隙2 s)得到穩(wěn)定的艾草精油Pickering乳液。滴50 μL乳液在載玻片上，小心蓋上蓋玻片，防止有氣泡產(chǎn)生，使用熒光顯微鏡在40倍物鏡下觀察0、7、14 d的乳液的結(jié)構(gòu)。

1.10 艾草精油Pickering乳液的緩釋效果

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的艾草精油和乳液，置于75 ℃的烘箱中揮發(fā)一定時間，分別在6、12、24 h取出稱質(zhì)量，計算艾草精油和乳液的損失率[19]。

式中：mJ為精油初始質(zhì)量，g；mJt為精油t時刻的質(zhì)量，g；mR為乳液初始質(zhì)量，g；mRt為乳液t時刻的質(zhì)量，g；2%為乳液中艾草精油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水相pH值對艾草精油Pickering乳液穩(wěn)定性及粒徑的影響

固相顆粒的表面電荷和潤濕性可能會受到水相pH值的影響，這將改變顆粒在界面上的吸附以及乳液液滴之間的靜電相互作用。水相pH值對乳液穩(wěn)定性的影響如圖1所示，在pH值為3時乳化穩(wěn)定指數(shù)最高,為(26 365.14±1 422.61) min，顆粒溫和地聚集在油滴表面，形成致密層，乳液穩(wěn)定性最好。隨著pH值從5增加到9，乳液的ESI從(18 780.66±2 274.71) min增加到(24 017.03±1 592.51) min。但過高的電荷密度會阻礙纖維素納米晶在油水界面上的吸附，從而不能有效穩(wěn)定乳液，導(dǎo)致pH值增加到11時，乳液的ESI又下降至(23 066.56±2 033.34) min。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3、圖5同。圖1 水相pH值對乳液穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of aqueous phase pH value on emulsion stability

不同pH值的纖維素納米晶水懸液對乳液粒徑的影響如圖2所示?？梢钥闯鋈橐阂旱蔚捏w積平均粒徑(D4,3)隨水相pH值的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)水相pH值為3時，乳液的D4,3最小，為(0.82±0.02) μm;當(dāng)水相pH值為5時，乳液液滴的D4,3增加到(1.24±0.07) μm;隨后又在pH值為11時減小至(1.02±0.01) μm。

圖2 不同pH值下艾草精油Pickering乳液的體積平均粒徑Fig.2 Volumetric mean particle size of AAEO-PEs under different pH values

2.2 分散時間對艾草精油Pickering乳液穩(wěn)定性及粒徑的影響

分散時間對艾草精油Pickering乳液穩(wěn)定性的影響如圖3所示。當(dāng)分散時間由30 s延長到150 s時，乳化穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在分散時間為120 s時，乳液的穩(wěn)定指數(shù)升高至(9 438.84±41.17) min，繼續(xù)增加分散時間到150 s，乳化穩(wěn)定指數(shù)又下降至(5 052.16±237.67) min。由此可見，適當(dāng)?shù)匮娱L分散乳液的時間，可提高乳液的乳化穩(wěn)定性，但當(dāng)分散時間進一步延長，纖維素納米晶包裹油滴的殼體結(jié)構(gòu)解聚的可能性增加[20]，使油滴釋放，發(fā)生聚集，降低乳液穩(wěn)定性。

圖3 分散時間對乳液穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of dispersion time on emulsion stability

由圖4可知，隨分散時間的增加，乳液的D4,3呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在分散時間為30 s時，為(1.54±0.02) μm;當(dāng)分散時間增加到120 s時，乳液的D4,3減小到(1.22±0.01) μm，隨著分散時間繼續(xù)增加到150 s，乳液的D4,3又增加到(1.31±0.02) μm。

圖4 不同分散時間下艾草精油Pickering乳液的體積平均粒徑Fig.4 Volumetric mean particle size of AAEO-PEs under different dispersion time

2.3 超聲時間對艾草精油Pickering乳液穩(wěn)定性及粒徑的影響

超聲時間對艾草精油Pickering乳液穩(wěn)定性的影響如圖5所示。當(dāng)超聲時間由5 min延長到20 min時，乳化穩(wěn)定指數(shù)由(2 627.63±35.17) min提高至(8 920.54±509.61) min。由此可見，延長超聲乳液的時間，有利于液滴充分分散、提高乳液的乳化穩(wěn)定性。

圖5 超聲時間對乳液穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of ultrasound time on emulsion stability

由圖6可知，隨著超聲時間的增加，乳液粒徑減小。當(dāng)超聲時間由0 min延長到20 min時，乳液液滴的D4,3從(2.16±0.09) μm降低至(1.29±0.06) μm，這是因為超聲處理能夠?qū)⑷橐褐械牟蝗苄晕镔|(zhì)破碎成細小的微粒, 從而有效降低乳液粒徑及分散性[21]。

2.4 艾草精油Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)

用熒光顯微鏡觀察不同pH值的艾草精油Pickering乳液液滴的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。由圖7可以看出，在pH值為3時，儲存0、7、14 d的乳液液滴粒徑都很小，且分散性好，沒有發(fā)生明顯的液滴聚集凝結(jié)現(xiàn)象，乳液穩(wěn)定性好，仍呈現(xiàn)均勻的白色牛奶狀，沒有明顯分層。在儲存7 d后，pH值為5、7、9的乳液有液滴聚集的現(xiàn)象，而且乳液也發(fā)生了明顯分層。在儲存14 d后，pH值為5的乳液絮凝情況最為嚴(yán)重，聚結(jié)范圍最大，pH值為7、9、11的乳液液滴和儲存7 d的相比，也發(fā)生更大程度的液滴聚集。由此可知，pH值為3的乳液穩(wěn)定性最高，能保持14 d不發(fā)生分層，而pH值為5時的乳液乳化穩(wěn)定性最低。

圖6 不同超聲時間下艾草精油Pickering乳液的體積平均粒徑Fig.6 Volumetric mean particle size of AAEO-PEs under different ultrasound time

圖7 不同pH值的艾草精油Pickering乳液的熒光顯微與實物圖像Fig.7 Physical pictures and fluorescence microscopy images of AAEO-PEs with different pH values

2.5 艾草精油Pickering乳液的緩釋性分析

由圖8可以看出，隨著時間的延長，艾草精油的損失率不斷增大。在24 h時，精油的損失率達到8.17%，而乳液中艾草精油的損失率為1.72%，顯著降低(P<0.05)，說明以纖維素納米晶為穩(wěn)定劑制備的Pickering乳液對艾草精油有很好的緩釋作用。

圖8 艾草精油Pickering乳液的緩釋效果Fig.8 Sustained-release effect of AAEO-PEs

3 結(jié)論

通過超聲輔助水蒸氣蒸餾法從艾草中提取了艾草精油，并將艾草精油制備成由纖維素納米晶顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液，對影響乳液穩(wěn)定性、粒徑的因素及乳液的緩釋效果進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著pH值從3增加到11，乳液穩(wěn)定性先降低后升高，液滴粒徑先增大后減小。乳液的穩(wěn)定性隨分散時間的延長，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，液滴粒徑呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。超聲時間會增加乳液的穩(wěn)定性，超聲時間由0 min延長到20 min時，乳液液滴的體積平均粒徑減小了40.20%。當(dāng)艾草精油體積分?jǐn)?shù)為2%、纖維素納米晶濃度為3 mg/mL、pH值為3、分散時間為120 s，超聲時間為20 min時，制備的艾草精油Pickering乳液在室溫下能保存14 d不分層。將艾草精油制備成乳液可以延緩精油的揮發(fā)，從而提高利用率, 延長使用時間，為開發(fā)新型艾草精油產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。