环糊精稳定紫苏籽油Pickering乳液的制备及其稳定性

2019-06-08李学红郝晓萍刘延奇JaneJaylin

中国粮油学报 2019年12期

李学红陆勇郝晓萍刘延奇 Jane Jay-lin,3

(郑州轻工业大学食品与生物工程学院1；郑州 450002)

(河南省食品生产与安全创新中心2，郑州 450002)

(美国爱荷华州立大学人类营养系3，埃姆斯 IA50010)

Pickering乳液是以微纳米固体颗粒为稳定剂的乳状液体系，相比于传统液体表面活性剂乳液，Pickering乳液具有稳定性好、乳化剂用量少、制备方便以及环境友好等优势，成为近几年食品乳液领域研究的热点[1-3]。紫苏籽油是从紫苏种子中提取的一种保健油脂，富含不饱和脂肪酸，尤其是ω-3多不饱和脂肪酸高达60%以上，具有抗氧化、预防心血管疾病等作用[4,5]。将紫苏籽油制备成稳定的Pickering乳液，使之呈可涂抹奶油状，能够增加紫苏籽油的食用方式多样化。目前已发表的关于紫苏籽油乳液的文献主要是以传统液体表面活性剂或蛋白颗粒为乳化剂，而利用β-环糊精制备紫苏籽油Pickering乳液还未见报道[6-8]。

β-环糊精是由7个葡萄糖组成的环状低聚糖，其圆锥形分子内腔具有内疏水、外亲水的结构特性，表现出良好的乳化性能。在水-油体系中，β-环糊精可以通过内腔包埋油相分子、外表面吸附水相，以包合物颗粒形式在油水界面形成界面膜，从而形成稳定的水包油型Pickering乳液体系[9-11]。本文即以β-环状糊精作为乳化稳定剂，制备水-紫苏籽油pickering乳化体系，研究影响乳液结构及稳定性的因素及流变学性质，以期增加紫苏籽油的应用形式，推动其在日常膳食中的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

β-环糊精(99%纯度)；紫苏籽油(食品级)；黄原胶(试剂级)；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

XHF-D高速分散器；Zetasizer NANO-ZS90激光粒度仪；ARES-G2流变仪；Phenix PH50- 3A43L-A型光学显微镜；UV2800双光束紫外可见分光光度计。

1.3 实验方法

1.3.1 环糊精稳定紫苏籽油Pickering乳液的制备

准确称取一定量的β-环糊精，加入30 mL水后置 60 ℃水浴中加热溶解，再加入一定量的紫苏籽油，在10 000 r/min条件下高速均质乳化，每次乳化20 s，间歇10 s，共重复乳化6次，制得β-环糊精稳定的pickering乳液。

1.3.1.1 油水比对紫苏籽油乳液制备的影响

固定2%的β-环糊精加量，选取油水体积比分别为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2，采用上述pickering乳液制备方法，研究不同油水体积比对所得乳液体积和粒径的影响。

1.3.1.2 环糊精加量对紫苏籽油乳液制备的影响

选取油水体积比为7∶3，β-环糊精加量分别为乳状液的1%、2%、3%，采用上述pickering乳液制备方法，研究β-环糊精加量对所得乳液体积和粒径的影响。

1.3.2 外加组分对紫苏籽油乳液稳定性的影响

选取油水体积比为7∶3，β-环糊精加量为乳状液体积的2%，在外水相分别添加0.5%黄原胶、5%蔗糖或1%、2%、3%的食盐，其他操作条件不变，研究外添加组分比对乳状液稳定性(粒径及zeta电位)的影响。

1.3.3 酸碱度对紫苏籽油乳液稳定性的影响

选取油水体积比为7∶3，β-环糊精加量为乳状液体积的2%，使用盐酸或碳酸氢钠调节水相的酸碱度分别为pH 3.7、6.5和9，其他操作条件不变，研究酸碱度对乳状液稳定性(粒径及zeta电位)的影响。

1.3.4 紫苏籽油乳液微观结构的观察

取适量β-环糊精-紫苏籽油乳液，均匀涂布或适度稀释后涂布在载玻片上，光学显微镜放大100 倍进行观察，并用附带相机对选取的界面进行拍摄。

1.3.5 乳液平均粒度和 zeta 电位的测定

取0.5 mL乳状液，用双蒸水稀释10倍后，摇匀，立即利用激光粒度仪分别对乳液粒度和 Zeta 电位进行测定，平行测定3次，取平均值。

1.3.6 乳液的贮存稳定性测定[12,13]

短期稳定性：新制备的乳液在室温、密封条件下存放60 d，量取料液总体积和乳相体积，通过计算乳相体积占总体积的百分比得到乳液的乳化系数，为乳液贮存稳定性指标：

ESI=(v/V)×100%

(1)

式中：ESI为乳化系数，%；v为贮存后乳相，mL；V为贮存后总料液体积，mL。

1.3.7 乳液流变学测定[14,15]

利用流变仪对乳液的流变学性质进行测定。测定条件：选用直径40 nm夹具，间隙0.5 mm，温度25 ℃，剪切速率变化范围为：0.01～100 r/s。将乳状液均匀涂在平台上，缝隙用甲基硅油涂布，测定不同剪切力下乳液的黏度曲线以及程序升温下的粘弹特性。

2 结果与分析

2.1 环糊精稳定的紫苏籽油Pickering乳液的制备

对β-环糊精存在的紫苏籽油-水体系进行高速剪切处理，制备环糊精稳定的紫苏籽油Pickering乳液。从外观来看，所得乳液呈淡黄色半固体膏状，质地均一细腻，具有浓郁的紫苏油香味。

将乳液加水搅拌稀释，发现能够均匀分散，说明该乳液属于水包油型。光学显微镜下放大100倍观察，发现乳液由球形油滴均匀堆积于水相中而成，大小分布略不均匀，尺寸在几十到数百纳米之间，如图1所示。

图1 2%β-环糊精稳定紫苏籽油乳液的显微结构(100x)

2.1.1 油水比对紫苏籽油乳液制备的影响

选取油水体积比分别为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3和8∶2，添加2%的β-环糊精，乳化制备pickering乳液，研究不同油水比例对形成乳液体积大小及乳液粒径的影响。

结果如图2所示，制备乳液时所用油、水体积比对Pickering乳液的形成有很大影响。当油水比为6∶4和7∶3时体系乳化后能够全部形成乳液，油水比为8∶2时有大约4%体积的油相未能乳化，而油水比为5∶5及其以下时乳液层下方存在浑浊水层，且水层体积随油水比增加而减少。这一结果说明β-环糊精稳定的pickering乳液乳化油相的能力较强，乳液体系含油量可高达70%以上，但容纳水相的能力却不强，乳液最大含水量不超过40%。从乳液微观结构可以看出，环糊精稳定的Pickering乳液属于油滴堆积型体系，界面膜亲水的外表面结合水相的能力有限，因此从外观来看，该体系也无法形成半透性液体状乳液。

图2 不同油水比对乳液形成体积及粒径大小的影响(2%β-CD)

对乳液粒径测定结果显示，随着油水比的改变，乳液的平均粒径也随之改变。当β-CD使用量为2%时，油水比为6∶4时乳液粒径达到最小值，其次为7∶3。粒径是判断乳液稳定性的一个重要参数，通常粒径越小稳定性越高[16,17]。这一结果说明油水比为6∶4～7∶3范围内制备的乳液稳定性较好。

2.1.2 β-环糊精加量对紫苏籽油乳液制备的影响

选取油水体积比为7∶3、β-环糊精加量分别为乳液的1%、2%、3%、4%，通过高速乳化制备乳液，观察体系各相体积比，并对乳液粒径大小进行测定。结果如图3所示，在油水比7∶3时，1%～4%的β-环糊精加量均可使体系全部形成乳液，但乳液的粒径大小有很大差别。随着β-环糊精添加量从1%增加到3%，乳液粒径显著降低(从324 nm降至68 nm)，说明增加环糊精用量可显著提高乳液的稳定性，也说明有更多的环糊精包合物颗粒能够吸附于油-水界面，保证乳液细小油滴形成时用以形成足够的界面膜并强化界面膜的致密度[18,19]，从而达到降低乳液平均粒径、稳定乳液的目的。当β-环糊精浓度超过3%时，其形成并强化界面膜的效果趋于饱和，因此乳液粒径也趋于稳定。

图3 不同β-环糊精加量对乳液形成体积及粒径的影响(油水比7∶3)

考虑到原则上应减少β-环糊精用量以及增加乳化油含量，后续实验中乳液的制备选择使用油水比7∶3、β-环糊精添加量为3%的条件进行。

2.2 水相外添加组分对紫苏籽油乳液稳定性的影响

食品中常常会添加食盐、蔗糖或酸味剂等进行味道的调整，对于应用于食品中的紫苏籽油乳液，研究这些外添加组分对乳液稳定性的影响很有必要[20,21]。此外，黄原胶作为一种具有良好乳化性的食品稳定剂，其对紫苏籽油乳液的作用效果也得到了研究。

乳液的稳定性通过测定液滴直径以及zeta-电位来进行表征。zeta-电位是连续相与附着在分散胶体上的流体稳定层之间的电势差，是对颗粒之间相互排斥或吸引力强度的度量。胶体粒子越小，Zeta电位的绝对值越高，体系越就越稳定[22,23]。通常认为，乳状液 zeta-电位绝对值高于30 mV乳状液比较稳定。

2.2.1 食盐、蔗糖和黄原胶对紫苏籽油乳液稳定性的影响

选取油水体积比为7∶3、β-环糊精加量为乳状液体积的3%、外水相中分别添加适量食盐、蔗糖和黄原胶来制备紫苏籽油乳液，评价乳液分散体系的稳定性。

从图4可以看出，在水相中添加不同的成分对乳液粒径和zeta-电位的影响也不同。体系中加入1%～3%质量分数的食盐可显著减低乳液的zeta-电位绝对值，使其数值从40.3 mV降低至20.8～23.8 mV的范围；除3%食盐加量对乳液粒径改变不明显外，1%和2%的食盐加量可不同程度增加乳液粒径。这说明添加1%～3%的食盐可显著降低乳液的稳定性，其中以1%的食盐加量对乳液稳定性破坏最大。这可能是因为少量盐离子的加入使乳液界面产生静电屏蔽作用，降低了乳状液原有zeta-电位绝对值，导致液滴间的排斥力降低，使得乳状液平均粒径增加，稳定性变差；但食盐加量增至2%和3%时，较大量盐离子的存在会使水化膜增厚，从而使这种胶体破坏性又趋缓和。

图4 外添加组分对乳液平均粒径和平均zeta-电位的影响

相比于加盐不利于乳液稳定，添加5%蔗糖则对乳液有明显的稳定作用，使平均粒径从75.6 nm减小到55.0 nm，zeta-电位绝对值从40.3 mV增加到50.7 mV，这可能是由于蔗糖增加了乳液胶粒外表面的亲水性，使水化膜增厚，静电屏蔽增强，从而有效阻止了乳液聚集，使乳液平均粒径变小，稳定性增加。

而对黄原胶而言，由图4可知，其虽对增加胶粒zeta-电位绝对值不明显，但却可以在一定程度上降低胶粒直径。作为一种具有优良乳化特性的黏性多糖，黄原胶既能够加厚乳液胶粒外表面的水化膜，又可以有效提高乳液水相的黏度，增加油滴聚结的空间阻碍，因此也具有显著的稳定乳液的作用。

2.2.2 酸碱度对环糊精乳液稳定性的影响

体系pH值会影响液滴带有电荷的类型和数量，进而影响液滴zeta-电位，最终影响乳液的稳定性[17]。从图5可以看出，pH 3.7、6.5、9.0时的平均粒径分别为121.7、76.5、65.3 nm，而Zeta-电位绝对值分别为25.2、41、55.3 mV，即随着乳液体系pH值的增高，乳液胶粒的平均粒径显著变小，Zeta-电位绝对值逐渐增大。这一结果说明，偏碱性环境会使油滴的环糊精界面膜带有更多的电荷，油滴间静电斥力增大，从而更有利于乳液的稳定。

图5 不同pH条件下乳液的平均粒径和平均Zeta-电位

2.3 乳液的贮存稳定性

乳状液稳定性可以用乳化系数来评判。取油水比7∶3、添加3% β-环糊精、添加或不添加0.5%的黄原胶制备乳液，室温贮存60 d，计算乳液的乳化系数。结果如表1所示，经过60 d储藏，所测试的两种紫苏籽油乳液均能保持稳定，乳化系数为100%，未发生分层现象，说明乳液具有很好的储存稳定性。

表1 β-环糊精稳定紫苏籽油乳液的贮存稳定性

注：乳液制备条件∶油水比7∶3、添加3% β-环糊精。

在以β-环糊精乳化稳定的紫苏籽油Pickering乳液中，界面膜是由β-环糊精包合物纳米颗粒通过紧密排列而成，相比于传统液体膜，这种固态界面膜具有理想的韧性和强度，从而赋予Pickering乳液较高的稳定性。另外，目前关于β-环糊精稳定Pickering乳液的研究报道已有不少，但粒径大多在数百纳米至数十微米之间，本实验所得紫苏仔油乳液粒径基本保持在数十纳米范围，zeta-电位绝对值也在30 mV以上，说明利用β-环糊精乳化作用可得到具有很好地稳定紫苏仔油乳液，本实验的贮存稳定性结果也证实了这一点。

2.4 乳液的流变特性

黏度可以表征乳液体系的流变特性，从中还可以得到乳液内部微观结构及其稳态和动态方面的信息[21]。选用油水比7∶3、3%β-环糊精以及其他添加成分，制备不同的紫苏籽油乳液，利用流变仪对乳液黏度进行检测，结果见图6。

图6 紫苏籽油乳液的流变特性

环糊精稳定的紫苏籽油乳液的黏度随剪切速率增加而快速下降，属于剪切变稀的假塑性流体[24]。乳液中添加黄原胶和蔗糖可增加乳液体系的黏度，而加入食盐则能降低乳液黏度。单纯水-油乳体系的黏度在剪切速率为1 s-1时为61.1 Pa·s，添加0.5%的黄原胶或5%的蔗糖后分别增加至73.2和89.0 Pa·s，而加入2%食盐后黏度降至36.7 Pa·s。这种乳液黏度的改变与其稳定性相关联，与前面关于乳液粒径及Zeta电位变化的结果也相一致。

使用变温程序对乳液的弹性模量及黏性模量进行分析可看出，随着温度的升高，乳液的弹性模量及黏性模量基本呈下降趋势，但弹性模量数值均大于黏性模量，说明在25～80 ℃的变温范围内乳液样品一直呈现软凝胶状态[25]。结合这种复合模量参数和乳液的黏度数值，可以判断该紫苏籽油乳液具有类似人造奶油的组织状态及口感。