基于凹凸棒穩(wěn)定的姜精油納米乳制備工藝

蔣 倩，孔令艷，薛 梅，雷 紅

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

姜精油是從生姜根莖中提取的水不溶性組分，目前采用的提取方法有超臨界CO2萃取法、水蒸汽蒸餾法、溶劑浸提法 、壓榨法、超聲波法等[1]。已有研究表明，姜精油具有促消化、抗氧化、抗菌[2]、抗炎[3]、抗癌[4]等作用。但姜精油易揮發(fā)且不溶于水，其功效成分如姜酚類物質(zhì)性質(zhì)不穩(wěn)定，而且直接服用姜精油對(duì)消化道有刺激作用，限制了姜精油的應(yīng)用。

納米乳化技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)，在食品領(lǐng)域多傾向于利用如多糖、蛋白質(zhì)等作為乳化劑或壁材，針對(duì)一些食品功能成分進(jìn)行乳化或包埋，以期提高這些營養(yǎng)素的水溶性和利用度，也避免了傳統(tǒng)納米乳利用表面活性劑而產(chǎn)生潛在毒性[5]。目前已知的納米乳的制備方法有高能乳化法（包括高壓均質(zhì)法、超聲乳化法和微射流均質(zhì)法）和低能乳化法（包括相轉(zhuǎn)變溫度法、相轉(zhuǎn)變點(diǎn)法和微乳液稀釋法）[6]。在食品工業(yè)領(lǐng)域，常以高壓均質(zhì)法來制備食品級(jí)的納米乳。

凹凸棒是一種層鏈狀含水鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，其理論分子式為Si8O20(Mg, Al, Fe)5(OH)2(OH2)4·H2O[7]，凹凸棒已被允許用作食品添加劑[8]；已有研究[9]表明，凹凸棒納米顆粒可以作為乳化劑穩(wěn)定乳液。然而食品領(lǐng)域目前尚未見采用無機(jī)小分子固體顆粒作為乳化劑制備納米乳的相關(guān)報(bào)道。亞麻籽膠是從亞麻籽種子中提取、濃縮并干燥的粉末狀顆粒，其主要成分為多糖[10]，因良好的水溶性和膠凝性，多用作食品增稠劑；此外，其具有良好的乳化性，能夠代替蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的水包油乳液[11]。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化后的產(chǎn)物，殼聚糖鹽酸鹽是一種強(qiáng)陽離子型殼聚糖衍生物，具有良好的水溶性；在酸性條件下分子中的氨基可與質(zhì)子相結(jié)合而使其帶正電荷，具有天然的聚陽離子特性，可與陰離子聚合物發(fā)生靜電相互作用[12]；因此殼聚糖常應(yīng)用于食品領(lǐng)域，單獨(dú)或與陰離子多糖結(jié)合用作包埋食品功能成分的壁材。

凹凸棒顆粒釋放的金屬陽離子可以與亞麻籽膠中多糖的羥基結(jié)合，再與殼聚糖鹽酸鹽靜電聚合，在油水界面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成O/W型的姜精油納米乳。因此，本研究擬采用凹凸棒為穩(wěn)定劑，亞麻籽膠為乳化劑，二者制備水相，姜精油為油相，殼聚糖鹽酸鹽為壁材，采用高壓均質(zhì)技術(shù)制備姜精油納米乳。以姜精油納米乳的平均粒徑為主要指標(biāo)，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究姜精油納米乳的最佳制備配方和工藝，以期為后續(xù)姜精油的開發(fā)與利用提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜精油：本實(shí)驗(yàn)室采用超臨界CO2萃取技術(shù)萃取再利用AB-8型大孔樹脂純化制得[13]；凹凸棒（PGS）：江蘇玖川納米材料科技有限公司；亞麻籽膠（FG）：上海源葉生物科技有限公司；殼聚糖鹽酸鹽（CHC）：鑫恒食品原料公司；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇：國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SHA-B型水浴振蕩器：金壇市榮華儀器制造有限公司；RCD-1A型高速均質(zhì)乳化機(jī)：常州越新儀器制造有限公司；HJ-5A型數(shù)顯多功能加熱攪拌器：常州國宇儀器制造有限公司；pHS-25型數(shù)顯pH計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；1500F型超聲波分散儀：寧波新芝生物科技有限公司；Millipore-Q型純水儀：美國Millipore公司；AMF-10型高壓均質(zhì)機(jī)：安拓思納米技術(shù)（蘇州）有限公司；Zetasizer Nano ZS90型納米粒度儀：英國Malvern公司。

1.3 方法

1.3.1 凹凸棒酸改性

天然的凹凸棒含有雜質(zhì)，可能影響其穩(wěn)定乳液的效果，故對(duì)其改性[14]。取凹凸棒與2 mol/L鹽酸按固液比1∶4（g/mL）加入燒杯中，用保鮮膜封口，置于水浴振蕩器中60 ℃水浴振蕩2 h。振蕩完畢后取出，調(diào)節(jié)pH至中性后過濾，去濾液。將活化后的凹凸棒干燥后過200目篩，置于干燥器中備用[15]。

1.3.2 姜精油納米乳的制備

取適量凹凸棒超聲分散于亞麻籽膠溶液中，制備水相；滴加姜精油至水相溶液中，12 000 r/min高速分散5 min預(yù)乳化，形成粗乳液[16]。將上述粗乳液添加至一定濃度的殼聚糖鹽酸鹽溶液中，調(diào)節(jié)pH至5.0～5.5[17]。水浴攪拌至乳液均勻，高壓均質(zhì)即可制得姜精油納米乳。

1.3.3 測定指標(biāo)

（1） 平均粒徑和多分散系數(shù)：取一定量姜精油納米乳，用超純水稀釋100倍后，用馬爾文納米粒度儀測定姜精油納米乳的平均粒徑和多分散系數(shù)（PDI）。

（2） Zeta電位：將用純水稀釋100倍后的姜精油納米乳裝入馬爾文電位樣品池中，用納米粒度儀測定其Zeta電位值。

1.3.4 姜精油納米乳制備的單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）凹凸棒添加量：在亞麻籽膠、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.20%、3.0%、0.15%，均質(zhì)壓力為30 MPa，均質(zhì)時(shí)間為5 min的條件下，考察凹凸棒添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%）對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（2）亞麻籽膠添加量：在凹凸棒、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、3.00%、0.15%，均質(zhì)壓力為30 MPa，均質(zhì)時(shí)間為5 min的條件下，考察亞麻籽膠添加量（0.10%、0.20%、0.30%、0.40%）對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（3） 姜精油添加量：在凹凸棒、亞麻籽膠、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、0.15%，均質(zhì)壓力為30 MPa，均質(zhì)時(shí)間為5 min的條件下，考察姜精油添加量（1.0%、2.0%、3.0%、4.0%）對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（4） 殼聚糖鹽酸鹽添加量：在凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油添加量分別為0.15%、0.20%、3.0%，均質(zhì)壓力為30 MPa，均質(zhì)時(shí)間為5 min的條件下，考察殼聚糖鹽酸鹽添加量（0.10%、0.15%、0.20%、0.25%）對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（5） 均質(zhì)壓力：在凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、3.0%、0.15%，均質(zhì)時(shí)間為5 min的條件下，考察均質(zhì)壓力（10、20、30、40 MPa）對(duì)姜精油納米乳的平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（6） 均質(zhì)時(shí)間：在凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、3.0%、0.15%，均質(zhì)壓力為30 MPa的條件下，考察均質(zhì)時(shí)間（3、4、5、6 min）對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

1.3.5 姜精油納米乳的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取主要因素凹凸棒添加量、亞麻籽膠添加量、殼聚糖鹽酸鹽添加量，以平均粒徑為響應(yīng)值，利用三因素三水平Box-Behnken 設(shè)計(jì)優(yōu)化姜精油納米乳配方。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平編碼

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 16.0和Origin 2019b軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，數(shù)據(jù)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。應(yīng)用Design-Expert 8.0.5b軟件進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 姜精油納米乳制備的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 凹凸棒添加量

如圖1所示，隨凹凸棒添加量的增加，納米乳的平均粒徑、粒徑分布寬度有所減小。當(dāng)酸改性凹凸棒添加量為0.15%時(shí)，乳液粒徑最小，多分散系數(shù)最小，說明乳液液滴大小相對(duì)均勻。從Zeta電位值來看，隨凹凸棒添加量的增加，Zeta電位值增加，說明乳液液滴相對(duì)穩(wěn)定不易凝集。因此，凹凸棒添加量為0.15%時(shí)較好。

圖1 凹凸棒添加量對(duì)姜精油納米乳平均粒徑PDI和Zeta電位的影響

2.1.2 亞麻籽膠添加量

如圖2所示，隨亞麻籽膠添加量的增加，乳液粒徑先減小后增加。在亞麻籽膠添加量為0.20%時(shí)，乳液粒徑最小。亞麻籽膠添加量大于0.20%時(shí)，粒徑分布寬度增大，說明乳液顆粒大小更不均一，乳化效果變差。從Zeta電位值來看，不同亞麻籽膠添加量的納米乳Zeta電位值沒有明顯差別（P＜0.05）。因此，亞麻籽膠添加量為0.20%時(shí)較好。

圖2 亞麻籽膠添加量對(duì)納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.3 姜精油添加量

如圖3所示，隨姜精油添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑增大，粒徑分布寬度也增加。從Zeta電位值來看，當(dāng)姜精油添加量為3.0%時(shí)，納米乳Zeta電位值絕對(duì)值最大，乳液相對(duì)而言更不易凝聚而相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)姜精油添加量大于3.0%時(shí)，乳液平均粒徑明顯增大（P＜0.05）。為了盡可能多地負(fù)載姜精油，綜合考慮姜精油添加量為3.0%時(shí)較好。

圖3 姜精油添加量對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.4 殼聚糖鹽酸鹽添加量

如圖4所示，隨殼聚糖鹽酸鹽添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑先減小后增加，在殼聚糖鹽酸鹽添加量為0.15%時(shí)，乳液平均粒徑最小。從PDI值來看，不同殼聚糖鹽酸鹽添加量的納米乳的PDI值無明顯變化（P＜0.05）。從Zeta電位值來看，隨殼聚糖鹽酸鹽添加量的增加，Zeta電位值增加，說明乳液液滴不易凝集相對(duì)穩(wěn)定。因此，殼聚糖鹽酸鹽添加量為0.15%時(shí)較好。

圖4 殼聚糖鹽酸鹽添加量對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.5 均質(zhì)壓力

如圖5所示，隨均質(zhì)壓力的增加，乳液平均粒徑減小，當(dāng)均質(zhì)壓力超過30 MPa后乳液平均粒徑變化不再顯著（P＜0.05）。從PDI值來看，不同均質(zhì)壓力下，乳液的PDI值無明顯差異（P＜0.05）。因此，均質(zhì)壓力為30 MPa時(shí)較好。

圖5 均質(zhì)壓力對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.6 均質(zhì)時(shí)間

如圖6所示，隨著均質(zhì)時(shí)間的增加，乳液粒徑分布寬度減小，平均粒徑減小，在均質(zhì)5 min時(shí)有最小值，當(dāng)均質(zhì)時(shí)間大于5 min時(shí)，平均粒徑變大，可能是因?yàn)榫|(zhì)時(shí)間過長導(dǎo)致乳液結(jié)構(gòu)被破外[18]。因此，均質(zhì)5 min為宜。

圖6 均質(zhì)時(shí)間對(duì)姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.2 姜精油納米乳制備工藝的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)表1響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水平表，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。

2.2.2 回歸模型和方差分析

用Design-Expert.8.05b軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，得到的二次回歸方程如下，方差分析結(jié)果如表3所示。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表3可知，模型的F值為77.45，P值＜0.000 1，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。失擬項(xiàng)不顯著（P=0.587 8），說明得到的二次回歸方程對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合度較好，可用于真實(shí)實(shí)驗(yàn)值的預(yù)測和分析。決定系數(shù)R2= 0.990 1，表明預(yù)測值與真實(shí)值之間具有關(guān)聯(lián)性?；貧w模型的校正確定系數(shù)R2Adj=0.977 3，表明該模型能夠解釋97.73%響應(yīng)值的變化[19]。

表3 回歸模型方差分析

由回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知，模型的一次項(xiàng)B對(duì)平均粒徑的線性效應(yīng)極顯著（P＜0.000 1），二次項(xiàng)B2、C2對(duì)平均粒徑都具有極顯著的二次效應(yīng)（P＜0.000 1），交互項(xiàng)AC和BC都表現(xiàn)出顯著的交互作用（P＜0.05）。

2.2.3 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)上述回歸模型，利用Design-Expert.8.05b軟件作出姜精油納米乳平均粒徑在兩種因素影響下的響應(yīng)曲面圖和等高線圖，如圖7所示。

從圖7（a）和圖7（b）可以看出，隨著亞麻籽膠添加量和凹凸棒添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑呈先減小后增加的趨勢。

從圖7（c）和圖7（d）可以看出，隨著殼聚糖鹽酸鹽添加量和凹凸棒添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑呈先減小后增加的趨勢。等高線圖呈橢圓形，表明殼聚糖鹽酸鹽添加量和凹凸棒添加量對(duì)姜精油納米乳粒徑的交互作用顯著。

從圖7（e）和圖7（f）可以看出，隨著殼聚糖鹽酸鹽添加量和亞麻籽膠添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑呈先減小后增加的趨勢。等高線圖呈橢圓形，表明殼聚糖鹽酸鹽添加量和亞麻籽膠添加量對(duì)姜精油納米乳粒徑的交互作用顯著。

圖7 兩種因素交互影響下的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)回歸方程，對(duì)其各因素進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，進(jìn)而得到一個(gè)最優(yōu)條件：凹凸棒、亞麻籽膠、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、0.15%，在此條件下預(yù)測的姜精油納米乳的平均粒徑為333.41 nm。

在該條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，測得姜精油納米乳的平均粒徑為（332.8±5.1） nm，與模型預(yù)測結(jié)果較為相近，說明響應(yīng)面優(yōu)化所得的最佳制備條件是可靠的。

3 結(jié) 論

本研究以凹凸棒作穩(wěn)定劑、亞麻籽膠作乳化劑、殼聚糖鹽酸鹽作壁材制備姜精油納米乳，通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究以確定姜精油納米乳的制備工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)酸改性凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油和殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、3.00%和0.15%，高壓均質(zhì)壓力為30 MPa，均質(zhì)時(shí)間為5 min時(shí)，制備的姜精油納米乳穩(wěn)定性較好，粒徑分布較均勻。該姜精油納米乳工藝條件下，制備的姜精油納米乳的平均粒徑為（332.8±5.1） nm。后續(xù)將對(duì)姜精油納米乳的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性作進(jìn)一步研究。