玉米纤维素在Pickering乳液制备中的应用研究

曹亚倩 肖军霞 蒋林宏 黄国清

(青岛农业大学食品科学与工程学院，青岛 266109)

关键字 玉米麸皮 纤维素 Pickering乳液 乳析指数

乳液是由两种互不相溶的液体组成，其中一种液体以液滴的形式分散于另一种液体中，乳化剂在乳液的制备中起着至关重要的作用[1]。目前绝大多数的乳化剂都是表面活性剂，其在食品中的应用范围和添加量均有严格的限制，这在一定程度上制约了乳液在某些产品中的应用。

Pickering乳液是一种新型乳液，其利用超细固体颗粒而非传统的乳化剂来稳定乳液体系。这种乳液最早由Ramsden[2]于20世纪初发现，并由Pickering等[3]对其进行了深入的探索，后来人们将这种乳液定名为Pickering乳液。Pickering乳液可由一种或多种固体颗粒来稳定，与用表面活性剂制备的乳液相比，Pickering乳液具有固体颗粒用量小、成本低、泡沫少、环保、稳定性强、抗奥氏熟化以及安全性好等诸多优点[4，5]，因此在食品、医药、化妆品以及功能性高分子材料等领域有极大的应用潜力[6，7]。就食品领域而言，已有文献报道将Pickering乳液用于活性物质的靶向传输、质地改良和低热量食品开发等方面[8，9]。

一些食品级的无机粒子如SiO2[10]、TiO2[11]、CaCO3[12]等已被用于制备Pickering乳液，但是这些无机物无法满足人们对绿色安全的要求，因此一些生物质颗粒在Pickering乳液制备中的应用引起了人们的广泛关注，变性淀粉纳米颗粒[13]、几丁质纳米晶体[14]、壳聚糖颗粒[15]、脂肪颗粒[16]等天然粒子已被发现具有稳定乳液的能力。纤维素是自然界存在最为广泛的生物大分子，其不溶于水的特性使其非常容易形成固体颗粒，这为其在Pickering乳液制备中的应用提供了物质基础。有文献表明，来源于细菌的纤维素纳米晶体具有稳定乳液的能力[17]，这为拓展纤维素的新应用提供了重要的理论依据。

玉米麸皮是玉米淀粉通过湿法加工得到的副产物，主要由玉米籽粒的表皮和糊粉层组成，大约占玉米籽粒总质量的9%～13%；此外，还含有30%～50%的半纤维素、10%～20%的纤维素、较多的酚酸以及少量的蛋白质，几乎不含有木质素[18-20]。在工业生产中，玉米麸皮多被用作饲料或者作为废物丢弃，造成了很大的资源浪费，导致其利用不够充分、附加值低。与其他谷物外皮相比，玉米麸皮中的纤维素含量较高并且纤维结构完好[19]。因此，拓展玉米纤维素在Pickering乳液制备中的应用，将有望提高玉米加工产业的技术含量和玉米麸皮的附加值。

本实验采用酶水解法从玉米麸皮中提取得到纯度相对较高的玉米纤维素，就其在Pickering乳液制备中的应用进行研究，主要探究了油水比、均质时间、均质转速、均质温度、纤维素添加量对Pickering乳液制备的影响，并对所得乳液的稳定性进行了初步研究，以期为玉米麸皮的综合利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

玉米麸皮：南京泰甜商贸有限公司；大豆油(食用级)；α-淀粉酶(BR)、糖化酶(BR)、中性蛋白质(BR)。

1.2 仪器与设备

DL-5-B低速离心机；FW-100高速万能粉碎机；FJ200-SH数显高速分散均质机；YS100双目生物显微镜；UV-2000紫外分光光度计。

1.3 玉米纤维素的纯化

将玉米麸皮经水洗3遍，弃去上浮物，沥干，90 ℃烘箱烘干后粉碎过80目筛，收集筛下玉米麸粉于密封袋中保存备用。根据预实验结果，称取10 g玉米麸粉至200 mL蒸馏水中，于沸水浴糊化10 min，流水冷却至室温。调节糊状液的pH至6～7，按照200 U/g玉米麸粉的量加入α-淀粉酶，于65 ℃水浴搅拌保温；反应1 h后沸水浴10 min灭酶，流水冷却至室温，调节pH至4～5，加入糖化酶300 U/g玉米麸粉，于60 ℃下反应0.5 h；沸水浴10 min灭酶，流水冷却至室温，调节pH至6～7，加入中性蛋白酶1 200 U/g玉米麸粉，40 ℃连续搅拌反应5 h。反应完成后，沸水浴10 min灭酶，然后3 000 r/min离心15 min，弃去滤液，滤渣用60～70 ℃的热水反复洗涤直至悬浮液无浑浊，抽滤，65 ℃干燥至恒重，得到相对纯化的玉米纤维素，其粗纤维含量按照GB/T 5009.10—2003的方法测定，蛋白质含量根据GB/T 5009.5—2003的方法测定，淀粉含量采用GB 5009.9—2016的方法测定。

1.4 Pickering乳液的制备

1.4.1 玉米纤维素的预处理

将1.3中得到的玉米纤维素悬浮于蒸馏水中得到质量浓度为0.6% (m/V)的储备液，在11 000 r/min下高速分散10 min以降低粗纤维的粒径，备用。

1.4.2 油水比的影响

用蒸馏水将玉米纤维素储备液稀释至纤维素质量分数0.06% (m/V)，按油水体积比为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5加入大豆油，在30 ℃下11 000 r/min高速分散10 min，静置5 min后观察乳液外观、拍照，在10倍镜下观察油滴分布，并测定其贮藏稳定性。

1.4.3 分散时间的影响

用蒸馏水将玉米纤维素储备液稀释至纤维素质量分数0.06% (m/V)，按最适油水体积比加入大豆油，在30 ℃下11 000 r/min高速分散4、7、10、13、16 min，静置5 min后观察乳液外观、拍照，在40倍镜下观察油滴分布，并测定贮藏稳定性。

1.4.4 分散转速的影响

用蒸馏水将玉米纤维素储备液稀释至纤维素质量分数0.06% (m/V)，按最适油水比混合于烧杯中，在30 ℃下分别以5 000、8 000、11 000、14 000、17 000 r/min的转速分散10 min，静置5 min后观察乳液外观、拍照，在40倍镜下观察油滴分布，并测定贮藏稳定性。

1.4.5 分散温度的影响

用蒸馏水将玉米纤维素储备液稀释至纤维素质量分数0.06% (m/V)，按最适油水体积比加入大豆油，分别在10、20、30、40、50 ℃下以最适转速和时间高速分散，静置5 min后观察乳液外观、拍照，在40倍镜下观察油滴分布，并测定贮藏稳定性。

1.4.6 纤维素添加量的影响

用蒸馏水将玉米纤维素储备液分别稀释至纤维素质量分数0.015%、0.030%、0.060%、0.120%、0.240% (m/V)，按最适油水体积比加入大豆油，在最适温度、最适转速及最适时间下高速分散，静置5 min后观察乳液外观、拍照，在40倍镜下观察油滴分布，并测定贮藏稳定性。

1.5 乳液形态观察

1.5.1 微观结构观察

乳液制备好后，立即用光学显微镜的10倍或40倍物镜观察乳状液中的液滴分布。取一滴乳状液样品滴在载玻片上，然后盖上盖玻片，用玻璃棒轻轻按压确保盖玻片和载玻片之间没有气泡。然后将其放在显微镜下观察并拍照。

1.5.2 外观观察

将新制备好的乳液搅拌均匀后立即倒入10 mL具塞试管中，竖直摆放整齐，用数码相机拍照。

1.6 贮藏稳定性

取10 mL新配制好的的乳液置于10 mL具塞刻度试管中，将试管静置于冰箱冷藏室中(4 ℃)，每隔24 h记录乳液是否分层以及乳液下层清液的高度，共持续7 d。乳液的贮藏稳定性用乳析指数(Creaming index, CI)来表示，计算公式为[21]：

式中：Hs为下清液层的高度；Ht为乳液的总高度。

1.7 统计分析

每个实验重复3次，结果以平均值±标准差形式表示，采用SPSS Statistics 17.0.1进行t检验和方差分析，当P<0.05时认为差异显著。

2 结果与分析

2.1 玉米纤维素的组成

玉米麸皮和玉米纤维素的组成见表1。

表1 玉米麸皮和玉米纤维素的组成/%(m/m)

注：同列数据标有不同字母表示差异显著(P<0.05)。

由表1可知，分别在最适条件下用淀粉酶、糖化酶和中性蛋白酶处理后，玉米麸皮中的淀粉含量和蛋白质含量均显著降低，而纤维素含量则提高了近1倍，表明本方法可以显著提高玉米纤维素的含量。因此，采用该部分纯化的玉米纤维素进行后续研究。

2.2 Pickering乳液的制备

2.2.1 油水比的影响

油水比对Pickering乳液显微结构的影响如图1所示。当油水比为1∶9时可以看到分散的乳滴，表明此时玉米纤维素可以稳定大豆油并形成Pickering乳液；当油水例上升至2∶8、3∶7时，乳滴逐渐减小，但形态仍较为均匀；当油水比继续升高至4∶6时，乳滴的形态再次变大但不均匀；当油水比达到5∶5时，乳滴颗粒再次减小且形态均匀。

新制备乳液的外观形态见图2中的插图。新制备的乳液均包含上层的乳液层和下层的水相层，且均未见到油层；另外，随着体系中油相含量的升高，乳液层的厚度也随之增加，表明大豆油已经被成功分散，玉米纤维素具有稳定Pickering乳液的能力，这与图1的结果一致。另外，随着油水比的增加，试管底部白色沉淀的量随之降低。该白色沉淀是未参与乳化的玉米纤维素。当油水比较低时，纤维素过量因此沉淀到试管底部；当油水比达到5∶5时，所有的纤维素均参与了乳液的形成，故而试管底部再无纤维素沉淀，这进一步证实了玉米纤维素具有稳定乳液的能力。

油水比对Pickering乳液贮存稳定性的影响如图2所示。在不同油水比下制备的Pickering乳液均具有很好的稳定性，且油水比为5∶5时的CI最小，因此选择该油水比进行后续研究。

图1 不同油水比所得Pickering乳液的显微结构(10×)

注：同组标有不同字母表示差异显著(P<0.05)，余同。图2 油水比对Pickering乳液外观及贮存稳定性的影响

图3 分散时间时所得Pickering乳液的显微结构(40×)

2.2.2 分散时间的影响

分散时间对Pickering乳液显微结构的影响如图3所示。当均质时间为4、7、10、13、16 min时，乳液中均有形态大小不均匀的液滴存在。由图4中的插图可以看出，乳液层高度总体上随着分散时间的延长逐渐增加，且当分散时间为16 min时下层水相较为澄清、上层乳液更加均一。另外，随着贮藏时间的延长，CI随之增加，乳液的稳定性有所降低(图4)。比较而言，当分散时间为16 min时乳液的CI值最低、随贮藏时间变化的幅度最小、稳定性最好。因此，16 min为制备乳液的最适分散时间。

图4 分散时间对Pickering乳液外观及贮存稳定性的影响

2.2.3 分散转速的影响

分散转速对Pickering乳液显微结构的影响如图5所示。当转速为5 000、8 000 r/min时，视野中观察不到明显的乳滴，乳化效果不佳；当转速增加至11 000 r/min时，乳滴数量明显增加且形态规则、分布均匀；但是当转速进一步增加至14 000 r/min和17 000 r/min时，乳滴的数量明显减少且出现了少量粒径较大的乳滴，表明乳滴发生了聚集。

由图6中的插图可以看出，当分散速度为5 000 r/min时，整个体系发生了严重的析油现象，玉米纤维素无法有效地稳定乳液，这与图5a中观察到的结果一致；当分散速度增加至8 000 r/min时，虽然没有明显的析油现象，但是乳液相不均一；当分散速度增加至11 000 r/min及以上时，乳液层变得更加均一，但是下层的水相在转速为14 000 r/min及17 000 r/min时变得混浊，且转速越高现象越明显，表明有部分玉米纤维素从乳液表层脱落了下来。由图6中的CI变化曲线可以看出，当均质转速为5 000 r/min和17 000 r/min时，CI较大、乳液的稳定性最差，而当转速为11 000 r/min时，乳液的CI最小、稳定性最强。

图5 分散转速时所得Pickering乳液的显微结构(40×)

图6 分散转速对Pickering乳液外观及贮存稳定性的影响

Pickering乳液与传统的基于表面活性剂乳液相比最显著的优点是其稳定性极高，因为固体颗粒以不可逆的方式结合在油水界面，需要极高的能量才能使其从界面上解吸[22]。在当分散速度过高时，产生的剪切力导致玉米纤维素颗粒从乳滴表面解吸下来，从而导致了图5和图6中出现的乳滴聚集及CI较高的现象。因此最佳分散速度为11 000 r/min。

2.2.4 分散温度的影响

高温会使分子运动加剧，因此传统乳液对高温的稳定性较差。由图7可以看出，当分散温度为10 ℃时，乳滴分散较为均匀、乳滴粒径较小；随着乳化温度的增加，乳滴的粒径明显变大，且该现象在50 ℃时尤为明显，表明乳滴发生了聚集。

由图8中的插图可以看出，当分散温度为10℃时，乳液较为均一、下层水相高度较低；随着分散温度的增加，乳液高度逐渐降低、下层水相高度逐渐增加且更加混浊。当均质温度为10 ℃时，所得到的乳液的稳定性最好，这与图7的结果一致。

图7 分散温度时所得Pickering乳液的显微结构(40×)

图8 分散温度对Pickering乳液外观及贮存稳定性的影响

已有学者就温度对Pickering乳液稳定性的影响进行研究，发现随着温度的增加，蜡颗粒稳定的乳液稳定性随之降低、聚集现象越发明显[23]，这与本研究结果一致，表明Pickering乳液同传统乳液一样，对高温的稳定性较差。因此最佳分散温度为10 ℃。

2.2.5 玉米纤维素添加量的影响

图9 纤维素添加量时所得Pickering乳液的显微结构(40×)

图10 玉米纤维素添加量对Pickering乳液外观及贮存稳定性的影响

对于Pickering乳液而言，作为乳化剂的固体颗粒的浓度对于乳液的性质有重要影响。在一定范围内，固体颗粒的数量越多，其对乳滴的覆盖越充分，所得乳滴的粒径越小[24]。由图9可以看出，在本研究选择的浓度范围内玉米纤维素均可稳定大豆油乳液，随着其浓度的增加，油滴粒径的分布越来越均一，且该现象在质量浓度为0.120%时最为明显；当玉米纤维素浓度进一步增加时，油滴粒径开始变大，出现了聚集现象。由图10插图可以看出，玉米纤维素添加量对乳液外观有重要影响，随着其浓度的增加，乳液层的高度明显降低、水相的高度明显增加。这可以用乳液粒径与乳化剂浓度之间的关系来解释。当玉米纤维素添加量增加且不过量时，其可覆盖的油/水界面的面积随之增加，因此乳滴的粒径随之变小，乳滴之间的堆积更加紧密，导致乳液层的体积减少。图9e中乳滴粒径增大的现象可能与视野选择不当所致。另外，由图10插图还可以看出，当玉米纤维素质量浓度为0.015%和0.030%时，试管底部无白色沉淀，表明玉米纤维素全部参与了乳液的形成；但是当玉米纤维素质量浓度继续增加至0.060%以上时，试管底部开始出现玉米纤维素沉淀且其含量随着玉米纤维素浓度的升高而增加，表明此时玉米纤维素开始过量。

由图10可以看出，虽然随着玉米纤维素添加量的增加，CI随之增加，但是在贮藏过程中CI的变化程度呈现出了相反的趋势，即玉米纤维素添加量越高，CI变化程度越小，且该现象在玉米纤维素添加量为0.240%时尤为明显。这是由于在高玉米纤维素浓度下乳滴的粒径更小，乳滴之间的堆积更加紧密，因此在贮藏过程中体积的变化更小。由于当玉米纤维素浓度过高时会过剩而导致其利用率降低，因此确定的最佳玉米纤维素添加量为0.015%。

3 结论

采用淀粉酶、糖化酶和中性蛋白酶处理玉米麸皮后得到了纯度相对较高的玉米纤维素，并对其在制备Pickering乳液中的应用进行了探讨。结果表明，玉米纤维素具有稳定乳液的能力，当以大豆油为油相时，其制备Pickering乳液的最适条件为油水体积比5∶5、分散转速11 000 r/min、分散时间7 min、分散温度10 ℃、纤维素添加量0.015%。在此条件下制备的Pickering乳液外观均一，贮藏过程中无油相析出且乳液层较为稳定。因此，玉米纤维素有望在新型Pickering乳液的开发中获得一定应用。在后续研究中，还需对玉米纤维素粒径、表面疏水性等特征进行深入系统的研究以获得具有更好稳定性和更高实用价值的Pickering乳液。