基于熊果酸的W/O/W型Pickering乳液制備方法

劉冬雪 肖 茜 劉成國(guó) 羅 潔 羅 揚(yáng) 周 輝

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2. 長(zhǎng)沙市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410003)

Pickering乳液是指在互不相溶的兩相界面上以固體顆粒作為乳化劑穩(wěn)定的乳液[1]，一般可分為水包油(O/W)型、油包水(W/O)型以及多重(W/O/W，O/W/O)型乳液3種類型[2]，其中水包油包水(W/O/W)乳液是目前常見的一種乳液體系，被用于包埋、輸送和保護(hù)生物活性成分、益生菌、風(fēng)味物質(zhì)等[3]。由于乳液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定的體系，會(huì)隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致體系分層、絮凝、轉(zhuǎn)相及破乳[4]，Pickering乳液是由固體顆粒組成而非傳統(tǒng)表面活性劑組成的穩(wěn)定的新型乳液[5]，其穩(wěn)定機(jī)制主要為固體顆粒吸附于油—水界面形成單層或多層界面膜，從而降低界面張力，達(dá)到穩(wěn)定乳液的目的[6]，具有不可逆的界面吸附[7]、較高的聚結(jié)穩(wěn)定性[8]、穩(wěn)定粒徑較大的液滴等優(yōu)點(diǎn)。有研究[9]發(fā)現(xiàn)，在外水相中添加多糖如果膠、結(jié)冷膠、刺槐豆膠、黃原膠等充當(dāng)增稠劑或膠凝劑，可以通過增加外水相的黏度或改善外水相界面特性來改善多重乳液的穩(wěn)定性。

熊果酸(Ursolic Acid)又名烏蘇酸，是一種廣泛存在于植物中的一類三萜類化合物[10]。研究表明，熊果酸具有多種生物學(xué)活性，如抗氧化[11]、抗病毒、抗腫瘤和保護(hù)心血管[12-13]，且毒性低，不良反應(yīng)少[14]，具有廣泛的開發(fā)前景，但水溶性差，生物利用度低[15]，在使用上受到限制。熊果酸也可作為藥物、食品的Pickering乳化劑[16]，然而由熊果酸作乳化劑制備雙重乳液的研究鮮少報(bào)道。

研究擬以熊果酸為乳化劑，以果膠為外水相，采用兩步法制備W/O/W型Pickering雙層乳液，研究果膠質(zhì)量濃度對(duì)Pickering雙重乳液形成、微觀結(jié)構(gòu)、粒徑和zeta電位的影響，以期為熊果酸穩(wěn)定的W/O/W乳液體系輸送和控釋食品功能成分提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菜籽油：道道全糧油股份有限公司；

熊果酸：純度98%，西安瑞林生物科技有限公司；

脫脂乳粉：食品級(jí)，澳優(yōu)乳業(yè)(中國(guó))有限公司；

果膠：食品級(jí)，河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

激光粒度儀：Master sizer 3000型，英國(guó)Malvern公司；

電位測(cè)定儀：Nano-ZS型，英國(guó)Malvern公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀：Kinexus pro+型，英國(guó)Malvern公司；

高速勻漿機(jī)：Ultra-Turrax?T25型，德國(guó)IKA公司；

顯微鏡：DM2000型，德國(guó)徠卡公司；

恒溫磁力攪拌器：DF-101S型，鄭州市亞榮儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 W/O單層乳液的單因素試驗(yàn) 以乳析指數(shù)為指標(biāo)，固定熊果酸質(zhì)量濃度為3 g/100 mL、均質(zhì)轉(zhuǎn)速為9 000 r/min、均質(zhì)時(shí)間為3 min，考察水油質(zhì)量比(m脫脂乳∶m菜籽油為1∶2，1∶3，2∶3，3∶5)對(duì)乳析指數(shù)的影響；固定m脫脂乳∶m菜籽油為2∶3、均質(zhì)轉(zhuǎn)速為9 000 r/min、均質(zhì)時(shí)間為3 min，考察熊果酸質(zhì)量濃度(1，2，3，4，5 g/100 mL)對(duì)乳析指數(shù)的影響；固定m脫脂乳∶m菜籽油為2∶3、熊果酸質(zhì)量濃度為3 g/100 mL、均質(zhì)時(shí)間為3 min，考察均質(zhì)轉(zhuǎn)速為(6 000，7 000，8 000，9 000，10 000 r/min)對(duì)乳析指數(shù)的影響；固定m脫脂乳∶m菜籽油為2∶3、熊果酸質(zhì)量濃度為3 g/100 mL、均質(zhì)轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，考察均質(zhì)時(shí)間(1，2，3，4，5 min)對(duì)乳析指數(shù)的影響。

1.3.2 乳析指數(shù)測(cè)定 將5 mL乳液轉(zhuǎn)移到玻璃瓶中，用塑料蓋密封后于室溫下貯藏，放置7 d后測(cè)量乳液析出層高度。按式(1)計(jì)算乳析指數(shù)。

(1)

式中：

X——乳析指數(shù)，%；

H0——析出層高度，mm；

H——總體高度，mm。

1.3.3 W/O/W雙層乳狀液的制備 配制質(zhì)量濃度為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 g/100 mL果膠溶液與最佳工藝制備的初乳W/O按m果膠∶m初乳=3∶2的比例混合，以6 000 r/min 剪切2 min，制得W/O/W型多重乳狀液。

1.3.4 顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu) 取10 μL乳液滴加至載玻片上，蓋玻片緩慢蓋上防止產(chǎn)生氣泡，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，獲得乳液顯微結(jié)構(gòu)圖像。

1.3.5 粒徑和zeta電位的測(cè)定 乳液粒徑用Master sizer 3000型激光粒度儀測(cè)定[17]，采用體積平均直徑D[4，3]表征乳液粒徑；采用Nano-ZS型電位測(cè)定儀測(cè)定乳液的zeta電位[18]，每個(gè)樣品3組平行，結(jié)果取平均值。

1.3.6 W/O/W雙層乳狀液的流變特性 采用Kinexus pro+型旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行測(cè)量。取2 mL待測(cè)乳液于旋轉(zhuǎn)流變儀載物臺(tái)上，選擇40 mm的2°錐形鋼板夾具，設(shè)置平板轉(zhuǎn)子與底盤之間的距離為1 mm，溫度25 ℃。在固定應(yīng)變(1%)下，測(cè)量?jī)?chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨頻率(0.1～10 Hz)的變化。在0.1～100 s-1的剪切速率范圍內(nèi)測(cè)定乳液的表觀剪切黏度。

1.3.7 4 ℃貯藏穩(wěn)定性分析 測(cè)量貯藏1，7，15，30 d后乳液的粒徑和zeta電位，每個(gè)樣品3組平行，結(jié)果取平均值。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析 用Excel 2019和Origin 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析及繪圖，顯著性水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 W/O單因素試驗(yàn)

2.1.1 水油質(zhì)量比對(duì)W/O單層乳液乳析指數(shù)的影響

由圖1可知，隨著油相體積的增大，乳析指數(shù)逐漸增大，當(dāng)水油質(zhì)量比為2∶3時(shí)，乳析指數(shù)為1.10%，與其他組有顯著性差異(P<0.05)；當(dāng)油相比例增加，油水界面所吸附的熊果酸固體顆粒的量減少，形成的界面張力不足以穩(wěn)定水油界面使得乳液分層率增加，使乳液難以達(dá)到良好的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，選擇最佳油水質(zhì)量比為2∶3。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

2.1.2 熊果酸質(zhì)量濃度對(duì)W/O單層乳液乳析指數(shù)的影響 由圖2可知，隨著熊果酸固體顆粒含量的增加，乳液乳析指數(shù)呈先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)熊果酸質(zhì)量濃度為4，5 g/100 mL時(shí)，乳析指數(shù)為1.29%，1.02%，無顯著性差異(P>0.05)，可能是由于乳化過程中，熊果酸質(zhì)量濃度高，其在W/O界面所能穩(wěn)定的面積大，而低質(zhì)量濃度的熊果酸能穩(wěn)定W/O界面面積小，使得固體顆粒之間間隙相對(duì)增大[19]，造成油滴的聚集析出，最終導(dǎo)致乳析指數(shù)增大；當(dāng)熊果酸增加到臨界點(diǎn)時(shí)，多余的熊果酸分散在連續(xù)相中，不再吸附于水油界面穩(wěn)定乳液，而是填充到乳液間隙中[7]，對(duì)乳液乳析指數(shù)的影響不顯著。因此，選擇最佳熊果酸質(zhì)量濃度為4 g/100 mL。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

2.1.3 均質(zhì)轉(zhuǎn)速對(duì)W/O單層乳液乳析指數(shù)的影響 由圖3可知，隨著均質(zhì)轉(zhuǎn)速的增大，乳液乳析指數(shù)逐漸減小，當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速為9 000～10 000 r/min時(shí)，乳液的乳析指數(shù)不再出現(xiàn)顯著性變化(P>0.05)，可能是由于均質(zhì)轉(zhuǎn)速的增大帶來強(qiáng)烈的剪切力，減小了水分子之間遷移速率[20]，使乳液獲得更有效的乳化，提高了乳液的穩(wěn)定性。因此，選擇最佳均質(zhì)轉(zhuǎn)速為9 000 r/min。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

2.1.4 均質(zhì)時(shí)間對(duì)W/O單層乳液乳析指數(shù)的影響 由圖4可知，乳液乳析指數(shù)隨著均質(zhì)時(shí)間的增加而減小，當(dāng)均質(zhì)時(shí)間為5 min時(shí)，乳析指數(shù)為0.64%，乳液穩(wěn)定效果最佳，這是由于乳液的穩(wěn)定性主要是依靠液滴之間的靜電排斥力來維持[21]，均質(zhì)時(shí)間的增加提高了W/O界面強(qiáng)度，從而使液滴之間的靜電排斥力增強(qiáng)，提高了乳液的穩(wěn)定性；相反，均質(zhì)時(shí)間過短則達(dá)不到穩(wěn)定乳液的目的，乳化過程結(jié)束后，油相便在貯藏過程中逐漸析出，導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性下降。因此，選擇最佳均質(zhì)時(shí)間為5 min。

字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)

2.2 W/O/W乳液光學(xué)顯微鏡鏡下結(jié)構(gòu)

以前期試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，選擇二次乳化轉(zhuǎn)速6 000 r/min，時(shí)間2 min，以研究果膠質(zhì)量濃度對(duì)W/O/W乳液穩(wěn)定性的影響。不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)見圖5。

由圖5可知，W/O/W乳液均有三相兩膜結(jié)構(gòu)[22]，分散狀態(tài)較好，乳液液滴大多呈圓球形，且大小較為均勻。不同質(zhì)量濃度的果膠都能夠制備出穩(wěn)定的W/O/W乳液，在W/O/W乳液內(nèi)部包裹著大量的W/O小乳滴；在4 ℃下放置30 d后，0.1，0.2 g/100 mL的果膠溶液制備的乳液液滴變大，乳液出現(xiàn)明顯的相分離，表明低質(zhì)量濃度的果膠不足以形成致密的界面膜，因而很難保持W/O/W乳液的貯藏穩(wěn)定性；當(dāng)果膠質(zhì)量濃度≥0.3 g/100 mL時(shí)，乳液無水相析出，有著穩(wěn)固的界面層屏障，可能是由于高質(zhì)量濃度的果膠能夠抵抗液滴之間的碰撞聚結(jié)、增強(qiáng)兩相之間的界面膜強(qiáng)度[23]，使雙重乳液具有優(yōu)越的貯藏穩(wěn)定性。

圖5 不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液的顯微鏡圖Figure 5 Micrographs of W/O/W emulsions prepared with various mass concentrations of pectin

2.3 W/O/W乳液粒徑、zeta電位分析

由圖6可知，隨著果膠質(zhì)量濃度的增大，W/O/W乳液的粒徑無顯著性差異，粒徑大小為(36.2±2.0) μm。果膠質(zhì)量濃度對(duì)粒徑無顯著性影響，與顯微鏡結(jié)果基本一致，表明不同質(zhì)量濃度的果膠均能制備出粒徑分布均勻的乳液；而W/O/W乳液的電位絕對(duì)值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)果膠質(zhì)量濃度為0.3，0.4，0.5 g/100 mL時(shí)，乳液的zeta電位絕對(duì)值無顯著性差異，可能是由于果膠為陰離子多糖[24]，當(dāng)果膠質(zhì)量濃度達(dá)到一定水平時(shí)，多余的果膠分散于連續(xù)相中，不再吸附于水油界面，而是填充到乳液間隙中，所以過多的果膠存在并不會(huì)增加液滴的表面電荷。

圖6 不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液的粒徑和zeta電位

2.4 W/O/W乳液流變特性分析

由圖7可知，當(dāng)剪切速率不斷增加時(shí)，以不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液的表觀黏度逐漸減小，呈現(xiàn)出剪切稀化的現(xiàn)象，說明該W/O/W乳液屬于非牛頓假塑性流體[24]。同時(shí)，隨著果膠質(zhì)量濃度的增加，W/O/W乳液的表觀黏度呈逐漸增大的趨勢(shì)，其流動(dòng)性也相應(yīng)地減弱，這是由于增大果膠濃度促使W/O/W乳液中外水相的稠度提高，使表觀黏度逐漸增大，能夠防止W/O/W乳液內(nèi)部水油界面之間的液滴聚結(jié)，從而達(dá)到穩(wěn)定效果；另外，對(duì)于不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液，其儲(chǔ)能模量始終大于損耗模量，說明彈性主導(dǎo)W/O/W乳液網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，雙層乳液體系呈現(xiàn)為類彈性固體性質(zhì)[25]，W/O/W乳液的G′與G″均隨著外水相中果膠質(zhì)量濃度的增大而增大，這歸因于果膠質(zhì)量濃度的增加形成了更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以上結(jié)果說明將果膠添加至連續(xù)相中可以一定程度上改善W/O/W乳液的穩(wěn)定性、黏彈性及抗形變能力，而且果膠的加入有利于乳液液滴間形成致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)。

圖7 不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液的黏度、儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)Figure 7 Viscosity, storage modulus (G′) and loss modulus (G″) of W/O/W emulsions prepared with various mass concentrations of pectin

2.5 W/O/W乳液4 ℃貯藏穩(wěn)定性分析

由圖8可知，當(dāng)果膠質(zhì)量濃度較低(≤0.2 g/100 mL) 時(shí)，乳液經(jīng)4 ℃貯藏30 d后雙層乳液出現(xiàn)一定程度分層，粒徑逐漸增大，zeta電位絕對(duì)值在前14 d緩慢減小，第30天時(shí)顯著減小，表明低質(zhì)量濃度果膠不能維持乳液的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可能是由于低濃度外水相的雙層乳液中含有較少果膠附著的界面不能提供足夠的靜電斥力來保證乳液的長(zhǎng)期貯藏穩(wěn)定性[26]；當(dāng)果膠質(zhì)量濃度較高時(shí)，乳液經(jīng)4 ℃貯藏30 d后雙層乳液無分層現(xiàn)象，粒徑無顯著性變化，zeta電位絕對(duì)值從相對(duì)穩(wěn)定到逐漸增大，表明果膠質(zhì)量濃度的增加提高了雙層乳液的穩(wěn)定性，可能是由于雙層乳液中外水相黏度不斷增加，相互交聯(lián)形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，防止體系內(nèi)部液滴的聚結(jié)[27]，從而提高乳液的長(zhǎng)期貯藏穩(wěn)定性。

圖8 不同質(zhì)量濃度果膠制備的W/O/W乳液貯藏期間的粒徑和zeta電位Figure 8 Particle size and zeta potential of W/O/W emulsions prepared with various mass concentrations of pectin during storage

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了不同果膠質(zhì)量濃度下，熊果酸作為W/O/W乳液的Pickering乳化劑對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，以熊果酸為新型乳化劑可以成功制備出具有優(yōu)良長(zhǎng)期貯藏穩(wěn)定性的乳液，果膠質(zhì)量濃度對(duì)W/O/W乳液穩(wěn)定性提高有著明顯的影響。由流變結(jié)果可知W/O/W乳液屬于具有剪切變稀這一流變特性的非牛頓流體，當(dāng)果膠質(zhì)量濃度≥0.3 g/100 mL時(shí)，雖然提高了體系的黏度和黏彈性，但并未顯著改變?nèi)橐旱牧胶蛕eta電位；控制果膠的質(zhì)量濃度能夠一定程度改善雙重乳液的黏彈性。表明從乳液組分、結(jié)構(gòu)和質(zhì)地等角度出發(fā)，可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有新型功能化的乳液。