不同乳化剂对油酸和亚油酸乳状液稳定性的影响

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(1.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002;2.中爱国际合作食品物质学与结构设计研究中心,福建福州 350002;3.Teagasc食品研究中心,爱尔兰科克 999014)

普遍认为过量地摄取饱和脂肪酸是导致心血管疾病的重要原因[1],增加膳食中的油酸等不饱和脂肪酸的摄入,代替膳食中的饱和脂肪酸,可改善摄入者的胰岛素敏感性,降低糖尿病风险,并增强对炎症反应和肝脏损害的保护作用[2]。Jurado-Ruiz等[3]报道用亚油酸替代膳食中的饱和脂肪酸能减少血脂异常和抗胰岛素抵抗患者低密度脂蛋白颗粒的产生和数量。目前针对不饱和脂肪酸稳态化技术主要包括粉末油脂和乳状液。稳定性是影响乳状液的最重要因素。乳状液的稳定性是指其抵抗各种物理化学性质随着时间变化的能力,在储藏过程中不可避免会导致乳状液失稳。因此,提高乳状液的稳定性对于食品工业生产中有着极其重要的意义。

可通过多糖、蛋白质和表面活性剂等多种不同类型的乳化剂提高其稳定性,这些不同的乳化剂具有不同的分子特征[4],通过降低相间的界面张力,增加空间位阻和液滴间的静电斥力[5],来达到稳定乳状液的效果。李玉琴等[6]以油酸为油相,利用小分子表面活性剂和多元醇开发了微乳状液药物载体体系。刘峰[7]以非离子表面活性剂为乳化剂,制备了多不饱和酸的自聚集乳状液。徐琼等[8]通过采用改性的阿拉伯胶制备稳定的共轭亚油酸乳状液。本研究分别采用了两种天然乳化剂(酪蛋白酸钠、阿拉伯胶)和一种表面活性剂(吐温20),制备的脂肪酸乳状液体系,探究其对油酸与亚油酸乳状液稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

油酸、亚油酸、阿拉伯胶、酪蛋白酸钠、吐温20、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、氯化钠 分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

RH basic2磁力搅拌器 德国IKA公司;Mastersizer3000激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司;Lumifuge 611食品稳定性分析仪 德国LUM仪器公司;MX-T6-PRO数控滚轴混匀仪 大龙兴创实验仪器(北京)有限公司;Sciente-950E超声波细胞粉碎仪 宁波Scientz生物技术有限公司;Turrax T25高速均质机 德国IKA公司;Physical MCR301旋转流变仪 德国Stuttgart有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乳状液的制备 阿拉伯胶按1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%(w/v)的比例溶解于去离子水中;酪蛋白酸钠按1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%(w/v)的比例溶解于磷酸盐缓冲液A中(0.6 mol/L 氯化钠、50 mmol/L 磷酸氢二钠/磷酸二氢钠,pH6.25);吐温20按1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%(w/v)的比例溶解于去离子水中,滚轴混合器混合12 h,使乳化剂充分水合。不饱和脂肪酸乳状液的制备根据Erdmann等[9]的方法,略有改动,乳化剂溶液中加入一定的质量浓度为10%(w/w)的油酸、亚油酸。用高速均质机在12000 r/min条件下乳化均质30 s,均质4次,得到预乳状液。用功率为300 W,超声时间4 s,间隔时间2 s,处理预乳状液2 min得乳状液。

1.2.2 乳状液粒径测定 采用激光粒度仪测定乳状液中颗粒的平均粒径和粒度分布。背景测试持续时间为15 s。在分析前对样品进行充分的搅拌以保证样品的均匀性,动态范围设置在0.01～3500 μm。样品池中搅拌的转速控制在2000 r/min用于分散样品,样品遮光度设为5%～18%,每个样品测定取3次平均值。

1.2.3 乳状液离心稳定性测定 Lumifuge快速稳定分析仪测定乳状液颗粒的迁移速率来表征乳状液的稳定性[10]。采用加速分层、定量沉淀和悬浮技术(STEP)[11],根据朗伯比尔定律来分析乳状液稳定情况[12]。澄清指数即透光量的百分比,指的是样品在离心后,其透光量与原始透光量的百分比,用于分析比较乳状液的稳定性的大小。因此,澄清指数越高,表示该乳状液样品的沉淀量越多,乳状液的稳定性越差[13],澄清指数越低,表示该乳状液越稳定[14]。

将样品装入Lumifuge专用样品管中,设定参数条件为:温度25 ℃,离心转速3000 r/min,轮廓线250 条,时间间隔10 s,光因子1.0,总测量时间41 min 40 s。

1.2.4 乳状液流变的测量 采用Physical MCR301流变仪对25 ℃下稳定的乳状液流变性能进行表征,剪切速率从0.1～100 s-1,进行粘度特性的测定,每个样品至少测定3次。

1.3 数据处理

数据采用DPS软件进行统计分析,采用ANOVA进行方差分析,数据进行正态分布检验,符合正态分布的多重采用Duncan’s法,P<0.05,差异显著,作图采用软件Origin 8.5。

2 结果与分析

2.1 不同乳化剂浓度对油酸、亚油酸乳状液粒径的影响

乳状液液滴的粒径的大小和粒径的分布情况是评价乳状液稳定性大小的重要指标之一[15]。根据颗粒沉降的规律,液滴的颗粒越小,液滴的沉降速度越慢,乳状液也就越稳定[16]。粒径指标具有不同的表达方式,其中D[4,3]称为体积加权平均值且对样品中大颗粒的存在敏感[17],采用D[4,3]作为不饱和脂肪酸乳状液的评价指标。

由图1和图2可知,不同的乳化剂对油酸和亚油酸乳状液的粒径影响差异显著(P<0.05)。阿拉伯胶制备的油酸和亚油酸乳状液,随其浓度的增加,粒径均呈现先降低后增加的趋势;阿拉伯胶为4%(w/v)时,乳状液粒径最小。这可能是因为阿拉伯胶分子的阿拉伯半聚乳糖蛋白(APG)是其具有乳化性能的关键[18],其吸附到油水界面上,通过空间位阻的作用增加界面膜的稳定性,从而减少脂肪酸颗粒或液滴的聚集。当阿拉伯胶1%～3%(w/v)时,不饱和脂肪酸乳状液APG浓度较小,吸附在油水界面量不够,空间位阻作用较小,增加界面膜的强度较弱,导致脂肪酸颗粒聚集。当乳化剂浓度升高达到5%(w/v)的阿拉伯胶时,过量的未吸附在界面上的乳化剂增加了水相的粘度,使乳滴之间存在较大的排空力,导致乳状液絮凝,从而导致其粒径变大,稳定性降低[19]。当阿拉伯胶的质量浓度适量达到4%(w/v)时,乳化剂快速吸附到界面上,继而展开重排而完全覆盖油滴表面,紧密排列的界面层的黏弹性、厚度增加,所以乳状液稳定性较好[20],因此,4%(w/v)的阿拉伯胶制备不饱和脂肪酸乳状液粒径最小。

图1 不同乳化剂对油酸乳状液粒径的影响Fig.1 Effects of different emulsifierson particle size of oleic acid emulsion 注:同一物质不同小写字母表示差异显著,P<0.05,图2同。

图2 不同乳化剂对亚油酸乳状液粒径的影响Fig.2 Effects of different emulsifierson particle size of linoleic acid emulsion

酪蛋白酸钠是一种水溶性乳蛋白,具有出色的两亲性,同时包含疏水基团和亲水基团,具有出色的乳化和包封特性[21]。酪蛋白酸钠的高度无序结构使其迅速吸附到油/水界面上并有效降低界面张力,从而通过静电作用稳定了水相中的油滴[22]。当乳化过程中,酪蛋白酸钠的浓度不够,不足以饱和新生成的油水界面时,会发生桥联絮凝,使粒径较大[23],所以1%(w/v)的酪蛋白酸钠乳状液会有较大的粒径。当粒径在2%(w/v)达到最小的粒径后,随着乳化剂浓度的进一步增加,而3%～5%(w/v)的酪蛋白酸钠,观察到粒径逐渐增加,这表明过量的乳化剂可能导致二次颗粒的形成或成核[24]。

由图1和图2可知,吐温20制备的的乳状液粒径与其他两种乳化剂相比较小,范围在0.2～0.3 μm之间,其中,1%(w/v)的吐温20的不饱和脂肪酸乳状液粒径最小。因为吐温20是小分子表面活性剂,具有更高的表面活性,因此更倾向于竞争性吸附[25],非离子表面活性剂在乳化过程中形成更小的液滴来增加表面积[26],以此来形成更为稳定的乳状液。

根据Hong等[27]的研究,HLB值(亲水亲油平衡值)越大,乳状液的液滴越小,而吐温20的HLB值为16.7,相比阿拉伯胶的HLB为8,酪蛋白酸钠的HLB值为15[28],这也解释了吐温20不饱和脂肪酸乳状液液滴粒径尺寸小于其他两种乳化剂乳化的粒径的原因。

综上,三种不同的乳化剂分别在4%(w/v)阿拉伯胶、2%(w/v)酪蛋白酸钠、1%(w/v)吐温20时不饱和脂肪酸的乳状液粒径最小,平均粒径在0.2～0.3 μm。

2.2 不同乳化剂对油酸、亚油酸乳状液的储藏稳定性的影响

由图3、图4可知,1%(w/v)吐温20乳化的油酸、亚油酸乳状液在0～14 d的储藏时间内,粒径随着时间的增加变化幅度较小,而其他两种乳化剂乳化的不饱和脂肪酸乳状液随着时间的增加,粒径变化幅度较大。造成该结果的原因可能为乳状液液滴粒径较小,降低了重力分离的程度[29],从而提高了乳状液的贮藏稳定性。

图3 不同乳化剂制备的油酸乳状液的储藏时间对粒径的影响Fig.3 Effects of storage time of oleic acid emulsionprepared by different emulsifiers on particle size

图4 不同乳化剂制备的亚油酸乳状液的储藏时间对粒径的影响Fig.4 Effects of storage time of linoleic acidemulsion prepared by different emulsifiers on particle size

2.3 不同乳化剂对油酸乳状液、亚油酸乳状液澄清指数的影响

澄清指数的数值高低代表着乳状液的稳定性,澄清指数越高,代表乳状液越不稳定;澄清指数越低,则乳状液越稳定。由图5、图6可知随着乳化剂质量分数的提高,阿拉伯胶乳化的油酸和亚油酸乳状液的澄清指数均呈先降低后升高的趋势,其中4%(w/v)的阿拉伯胶乳化的油酸乳状液的澄清指数为同组最低,说明在该质量浓度下,油酸乳状液最稳定。由酪蛋白酸钠稳定的油酸与亚油酸乳状液的澄清指数均呈先降低后升高的趋势,其中2%(w/v)酪蛋白酸钠不饱和脂肪酸乳状液的澄清指数最低。吐温20制备的油酸、亚油酸乳状液随着质量分数的增加,澄清指数均呈升高趋势,在质量浓度1%时澄清指数最低。表面活性剂在界面吸附时一般为单分子层,当表面吸附达到饱和时,发生自聚集行为形成胶团[30],这是造成小分子表面活性剂作乳化剂的乳状液体系浓度增加,稳定性却下降的原因之一。

图7 不同乳化剂优化油酸乳状液的Lumifuge扫描图谱Fig.7 Lumifuge scanning profile of oleic acid emulsion optimized by different emulsifiers

图5 不同乳化剂质量分数对油酸乳状液澄清指数的影响Fig.5 Effects of different emulsifier mass fractionson clarification index of oleic acid emulsion

图6 不同乳化剂质量分数对亚油酸乳状液澄清指数的影响Fig.6 Effects of different emulsifier mass fractionson the clarification index of linoleic acid emulsion

而同种乳化剂的亚油酸乳状液具有相同的趋势,不同的是油酸乳状液的澄清指数比亚油酸乳状液的澄清指数低,说明同浓度同乳化剂下,4%(w/v)的阿拉伯胶乳化的油酸乳状液比亚油酸乳状液更为稳定。相同的,可以观察到另外两组乳化剂的油酸乳状液与亚油酸乳状液也具有相同的规律。

综上,食品稳定性分析仪的澄清指数表征的结果显示,在不饱和脂肪酸乳状液优化中,4%(w/v)的阿拉伯胶、2%(w/v)的酪蛋白酸钠、1%(w/v)的吐温20的澄清指数最小,该结果与粒径的结果相一致。

2.4 不同乳化剂对油酸乳状液、亚油酸乳状液Lumifuge扫描图谱的影响

图8 不同乳化剂优化亚油酸乳状液的Lumifuge扫描图谱Fig.8 Lumifuge scanning profile of linoleic acid emulsion optimized by different emulsifiers

乳状液长期储存后由于油相的密度比水的密度小,乳状液液滴会向上迁移,在顶部聚集成为油层[31],乳状液体系失稳。Lumifuge食品稳定性分析仪,利用离心力分离过程模拟重力分离,初始透射分布(图7、图8中的箭头起点)表示的是粒子的初始运动状态,最终的透射分布(图中的箭头终点),表示的是乳状液实验后的最终状态。扫描图谱中的两条线之间的较大间隙表示是缓慢的絮凝的过程,整个离心过程中的透射曲线,可用于评价乳状液的稳定性,透光率变化越大,稳定性越差[32]。根据图7和图8的扫描图谱显示,离心后的最终状态显示所有的样品管底部的透射率都有增加,说明离心后乳状液的油层在水层之上。由图7和图8中的空白对照样可得4%(w/v)阿拉伯胶、1%(w/v)的吐温20和2%(w/v)的酪蛋白酸钠的油酸乳状液和亚油酸乳状液的透光率比未添加乳化剂的油酸和亚油酸乳状液的变化幅度小。未添加乳化剂的不饱和脂肪酸乳状液在离心后絮凝严重,说明该乳状液在离心下失稳严重。而添加了三种乳化剂的处理能较好的阻止乳状液的离心失稳,有效地增加了乳状液的稳定性。三种乳化剂中,添加4%(w/v)的阿拉伯胶的油酸与亚油酸乳状液具有更小的透光率变化幅度,相比较其他两种乳化剂,原因可能为阿拉伯胶多糖通过在水相中形成网络结构,通过空间位阻限制油滴的流动性,增加不饱和脂肪酸乳状液的稳定性[27],从而显示出更好的抗离心稳定性。

2.5 不同乳化剂对油酸乳状液、亚油酸乳状液静态流变特性的影响

图9和图10阐述了不同乳化剂制备的油酸乳状液和亚油酸乳状液的剪切粘度。随着剪切速率的增加,粘度明显下降,总体的粘度指数在0～0.5 Pa·s之间,最后接近0并趋于平缓,表明乳状液剪切变稀,呈假塑性流体[33]。在剪切速率0.1～1 s-1的变化过程中,随着剪切速率的增大,乳状液粘度急剧下降;而在1～100 s-1变化过程中,随着剪切速率的增大乳状液粘度下降幅度很小,主要原因可能是在剪切应力作用下乳状液中液滴的取向作用远高于布朗运动所引起的随机效应,粘度随之下降[34],当剪切作用力达到一定程度时,液滴定向排布,粘度趋于定值,使得乳状液的粘度较低且变化不明显[35]。其中,由4%(w/v)阿拉伯胶制备的不饱和脂肪酸乳状液的粘度较大,而2%(w/v)酪蛋白酸钠和1%(w/v)吐温20制备的不饱和脂肪酸乳状液具有较小的粘度。这是因为阿拉伯胶是一种两亲性多糖,能吸附在油滴表面,增加了乳状液的粘度,从而防止了液滴彼此靠近并抑制了液滴的聚结[36],提高乳状液的稳定性。

图9 不同剪切速率下不同乳化剂对油酸乳状液粘度的影响Fig.9 Effects of different emulsifiers on oleicacid emulsion viscosity at different shear rates

图10 不同剪切速率下不同乳化剂对亚油酸乳状液粘度的影响Fig.10 Effects of different emulsifiers on linoleicacid emulsion viscosity at different shear rates

3 结论

本文研究了三种不同的食品级乳化剂及其不同质量浓度对油酸与亚油酸制备不饱和脂肪酸乳状液的稳定性的影响。发现在吐温20乳化剂的质量浓度为1%时,乳状液不饱和脂肪酸的粒径最小,乳状液稳定性最好。这可能是因为吐温20具有更大的HLB值,能够形成更小的液滴来增加乳状液的稳定性。采用Lumifuge食品稳定性分析仪进行了不饱和脂肪酸乳状液的稳定性分析,结果发现,4%(w/v)阿拉伯胶不饱和脂肪酸乳状液具有最好的离心稳定性,并且油酸乳状液比亚油酸乳状液更稳定。这可能是由于油酸与亚油酸含有不同的碳碳双键有关;并且对不饱和脂肪酸乳状液进行静态流变分析的结果为,该浓度的阿拉伯胶制备的乳状液具有较大的粘度,更利于乳状液的稳定性。本研究可为开发不饱和脂肪酸乳状液的传送体系和制备及应用提供基础数据。