改性纳米SiO2-壳聚糖乳液的制备及性质研究

范方宇 赵国瑜 黄 瑾 李华珊 杨丝蕾

（西南林业大学生命科学学院，云南 昆明 650233）

山茶油中含90%以上的不饱和脂肪酸[1-2]，且含多种对人体有益的活性成分[3-4]，被广泛应用于食品[5]等领域。但茶油中不饱和脂肪酸在加工、运输及贮藏中会发生氧化变质，导致营养成分流失[6]，此外，黏度大、流动性差也大大限制其应用[7]。乳液又称乳状液，是保存茶油等脂溶性成分的常用方法之一，是将一种或多种液体以液滴形式分散于另一种与之不相溶的液体中，由连续相与分散相组成，构成外观不透明、乳滴粒度小的多相分散体系[8]。研究发现，乳液的递送系统不仅可保护、携带和释放生物活性物质[9]，同时油脂在乳化后界面面积增大，利于与消化液作用，具有较高环境耐受性，还可以提高亲脂性化合物在介质中的生物利用度。乳液尺度均一、黏度低等特点，对易挥发、氧化、水解的油脂成分具有保护作用，目前在食品领域显示出广泛的应用前景[10]。壳聚糖（CS）是自然界唯一带阳离子的碱性多糖，是一种天然生物高分子聚合物，具有独特的功能、营养和理化性质，同时具有良好的吸附性、抗菌性、成膜性和生物相容性，可生物降解[11]。因CS可与带多个负电荷的其他物质发生交联，当聚电解质吸附在油性核上时，会形成食品级多层，层的形成可通过充当油性核与外部环境间的屏障来增强生物活性成分稳定性和保质期[12]。因此壳聚糖已被用作包裹活性化合物的材料，在食品工业中有着广阔的应用前景。纳米SiO2是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，呈三维网状结构。表面存在大量不饱和残键、不同键合状态的羟键，使表面具有因缺氧而偏离稳态的硅氧结构，同时量子隧道效应和体积效应能使其产生游渗作用，可与高分子化合物以化学键结合赋予高分子材料特殊性能[13]，不仅能改善有机高分子性质，还能增强其稳定性[14-15]。如于欣伟等[16]通过乳液聚合法制得改性纳SiO2-丙烯酸酯聚氨酯乳液，通过Zeta 电位等手段对乳液进行了表征，结果表明添加纳米 SiO2后，乳液分散均匀，热分解温度提高，乳液平均粒径在纳米级，乳液稳定性增强；Shen等[17]采用水性二氧化硅共混法制备聚丙烯酸酯/二氧化硅杂化乳液，延缓尿素的释放，并且由于弯曲扩散，使硬度提高，降低水蒸气渗透率，同时，提高了涂层的加工性能，防止了涂层中颗粒团聚。

在食品加工中，过去大部分研究都以蛋白质作为连续相建立食品乳化体系[18]，近年来以高分子水溶性物（如多糖壳聚糖、可溶性淀粉）作为连续相的研究引起关注，但国内外研究多集中于单一CS乳液、CS纳米Pickering乳液或蛋白与CS间的相互作用。如邱苗等[19]为探究蛋白质与多糖间的相互作用及其复合物乳化性质，以牛血清白蛋白和壳聚糖复合，研究微观环境下蛋白质与多糖的相互作用机理，探究两者对水包油型乳液乳化性能的影响。Zhang等[20]将壳聚糖和酪蛋白复合制备乳液，研究了壳聚糖浓度等因素对乳液稳定性的影响，结果表明壳聚糖的存在能有效地提高酪蛋白的乳化活性和乳液的稳定性。Ribeiro等[21]研究壳聚糖和三聚磷酸盐离子交联反应制备纳米Pickering乳液，从粒径分布、微观结构等方面对壳聚糖纳米乳液进行了表征。然而对于以CS溶液为连续相并将纳米SiO2引入乳液中探究其性质的研究还鲜有报道。

基于此，为了使CS溶液能够形成更加稳定的乳液，本研究采用茶油为分散相，选用添加量为CS质量分数的1.00%、3.00%、5.00%、7.00%、9.00%的纳米SiO2改性CS溶液为连续相，构建O/W型乳液体系，并对CS-纳米SiO2复合乳液相关性质和稳定性进行研究。通过乳化活性、乳化稳定性、离心稳定系数、平均粒径和流变特性分析纳米SiO2添加量对复合乳液的形成及对乳液性质和稳定性的影响；采用电镜和光学显微镜对乳液体系的微观结构和表面形态进行观察，为CS和纳米SiO2在乳液中进一步的研究和制备稳定的O/W型乳液提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纳米SiO2（20～30 nm） 舟山明日纳米科技材料有限公司；茶油 益海嘉里食品营销有限公司；壳聚糖（脱乙酰度≥95%） 麦克林生化科技有限公司；十二烷基磺酸钠（SDS） 分析纯。

1.2 仪器与设备

XINYI-ⅡD超声波细胞破碎机（宁波新艺超声设备有限公司）；DZKW-D-V型电热恒温水浴锅（北京市永光明医疗仪器有限公司）；DJ1C-100电动搅拌器（贵州仪器有限公司）；FJ200-SH实验室数显高速分散均质机（上海泸析实业有限公司）；A10型多功能台式高速冷冻离心机（昆明倍捷科技有限公司）；UV-2600型紫外可见分光光度计（苏州岛津仪器有限公司）；TM3000扫描电子显微镜（日本HITACHI公司）；LA-960V2激光粒度仪（日本HORIBA有限公司）；HR 20 Discovery 混合型流变仪（美国TA公司）。

1.3 纳米SiO2改性及CS乳液制备

1.3.1 纳米SiO2改性

1.000 g纳米SiO2→加入200 mL 7 g/L的SDS（80 ℃配制）→调节pH 4.0→85 ℃水浴搅拌6 h→80 ℃蒸馏水5 500 r/min，5 min反离心洗涤至无泡沫→50 ℃干燥24 h→改性纳米SiO2→保存。

1.3.2 CS乳液制备

利用超声波细胞破碎仪将不同添加量的纳米SiO2分散于100 mL、1%乙酸溶液中，功率450 W分散2 h，制备纳米 SiO2分散液。2.00 g/100 mL CS溶于分散液，60 ℃、450 r/min搅拌40 min，搅拌过程中按CS与油质量体积化1∶1比例均匀滴加茶油，12 000 r/min高速分散均质3 min，制成乳液。

为研究纳米SiO2对后续制备茶油乳液的影响，纳米 SiO2添加量分别为CS质量分数的0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%、9.00%。

1.4 测定方法

1.4.1 乳化活性与乳化稳定性测定

不同纳米SiO2含量乳液的乳化活性指数（EAI）和乳液稳定指数（ESI）测定参考Zhu等[22]并稍加修改。采用比浊法表征样品乳化特性。各取100 μL乳液，用体积质量分数0.100% SDS分别稀释100倍。以0.10% SDS溶液为空白对照，波长500 nm测定吸光值A0，静置30 min后在相同条件下测定吸光值A30。分别通过下式计算EAI和ESI：

式中：N为乳液稀释倍数；C为浓度 g/mL；φ为油相体积；A0、A30乳液放置0、30 min 后在500 nm处的吸光值。

1.4.2乳液离心稳定性测定

不同纳米SiO2含量乳液离心稳定性的测定在Liu等[23]方法基础上稍加修改。在距离心管底部1 cm处做标记并取50 μL乳液，用0.100% SDS将溶液稀释100倍，500 nm下测定吸光值A0。在4 500 r/min下离心30 min，在相同位置吸取等量乳液稀释，测定吸光值A1。乳液离心稳定性（Ke）按照公式（3）进行计算。

式中：A0离心前吸光度值；A1离心后吸光度值。

1.4.3 乳液粒径测定

通过激光粒度仪测定不同纳米SiO2含量乳液的平均粒径和粒径分布。设置激光粒度仪参数，校正调零后将乳液缓慢置于样品区，进行粒径测定。

1.4.4 乳液流变特性测定

1）静态流变测定：设定温度为25 ℃，乳液剪切速率在0.01～1 000 s-1内，记录相应剪切速率下不同纳米SiO2添加量的表观黏度与应力的变化趋势。

2）动态流变测定：设定温度为25 ℃，乳液振荡频率在0.01～100 Hz内，记录相应振荡频率下不同纳米SiO2添加量储能模量（G'）和损耗模量（G"）的变化趋势。

1.5 分析方法

1.5.1 冻干乳液扫描电镜分析

乳液表面结构通过扫描电镜（SEM）进行分析。乳液经冷冻干燥后分别取样并用导电胶固定于样品台，不同纳米SiO2添加量的乳液冻干后微观结构在500倍下进行观察。

1.5.2 乳液光学显微镜分析

通过光学显微镜对乳液表面形态进行观察，取10 μL乳液置于载玻片上并缓慢盖上盖玻片避免气泡产生，固定于载物台，在100倍下观察不同纳米SiO2含量乳液的形态结构并拍片保存。

2 结果与分析

2.1 乳化活性及乳化稳定性

乳化活性和乳化稳定性可直接反映乳状液特性，乳化活性是指形成乳液的能力，乳化稳定性是指形成的乳液保持分散并在一定的时间内未发生油脂上浮或絮凝的能力[24]。由图1可知，与未添加纳米SiO2的乳液相比，添加纳米SiO2后，乳液EAI及ESI显著（P＜0.05）提高，但随纳米SiO2含量增加，EAI和ESI均呈现先升高后降低的趋势。CS乳液EAI与ESI分别为9.29 m2/g和484 min，当添加量为5.00%时，CS-纳米SiO2复合乳液EAI和ESI最高，分别为10.36 m2/g和540 min，与CS乳液相比显著（P＜0.05）提高10.37%和10.53%。除9.00%纳米SiO2的ESI，所有CS-纳米SiO2复合乳液的EAI和ESI均高于CS乳液。这说明纳米SiO2的加入能提高乳液活性和稳定性，一方面因CS具有表面多孔性[25]，能与纳米SiO2形成复合物包裹在油滴表面，使其具有良好的分散性；另一方面在O/W乳液中，相对较大的亲水基团被吸附在分子之间，纳米SiO2可以嵌入液滴界面，防止沉淀和保持乳液稳定，且纳米SiO2质量分数的增加，其在相界面上排列越紧密，油相和分散相间的界面张力减小，同时形成的界面膜强度越大，对液滴保护作用越强[26]。而EAI和ESI降低可能是由于过量的纳米SiO2导致形成的液滴分子间构象不稳定，暴露出过多的亲水基团，且多于的纳米SiO2会积聚，破坏稳定的界面层，导致乳化活性及稳定性降低。结果表明在适量添加范围，纳米SiO2能增强CS乳液的乳化特性，提高其稳定性。

图1 纳米SiO2含量对乳液乳化活性和乳化稳定性的影响Fig. 1 Effects of content of nano-SiO2 on EAI and ESI of emulsion

2.2 离心稳定性

乳液体系不稳定，在储存过程中会产生浑浊、液体分层、絮凝等现象。因此，通过加速离心考察乳液的稳定性。以离心稳定性系数（Ke）作为评价乳液稳 定性的指标。研究表明，离心稳定系数越小，乳液的稳定性越高[27]。由图2可知，未添加纳米SiO2乳液Ke为29.70%，随纳米SiO2添加量的增加，Ke呈现先下降后上升的趋势，纳米SiO2添加量为1.00%、3.00%和5.00%时，Ke值都显著（P＜ 0.05）低于未添加纳米SiO2的乳液，其中纳米SiO2添加量5.00%的乳液Ke最低为13.50%，比未添加纳米SiO2乳液显著（P＜0.05）降低54.56%。这主要是纳米SiO2在形成乳液的过程中为液滴提供了空间稳定性，增加液滴粒子间的排斥力[28-29]，防止乳液分层与液滴絮凝。当纳米SiO2为7.00%和9.00%时乳液Ke增大且高于未添加纳米SiO2的乳液，可能是添加过量时，液滴分散的自由空间相对降低，在离心作用下易发生乳液液滴间的聚结现象。结果表明，适当的纳米SiO2能提高乳液的离心稳定性，但过量添加反而会产生不利影响。

图2 纳米SiO2含量对乳液离心稳定性的影响Fig. 2 Effects of content of nano-SiO2 on Ke of emulsion

2.3 平均粒径及粒径分布

图4 纳米SiO2含量对乳液粒径分布的影响Fig. 4 Effects of content of nano-SiO2 on particle size distribution of emulsion

乳液的液滴粒径与乳液稳定性相关[1]，乳液粒径越小乳液越稳定。也有研究表明，乳液的EAI、ESI 与乳液的平均粒径有关：乳液平均粒径越小，乳化性能越好。不同纳米SiO2含量下乳液的平均粒径及粒径分布如图3、4所示。随纳米SiO2含量增大，乳液的平均粒径呈先降低后增大的趋势，且当纳米SiO2增至3.00%时乳液粒径最小为12.74 μm。但减小不显著，说明1.00%、3.00%和5.00%的纳米SiO2对CS乳液粒径并无明显影响。同时CS乳液及1.00%、3.00%和5.00%的CS-纳米SiO2复合乳液均呈单峰，粒径分布范围窄峰值高，说明乳液是稳定性较好的单分散体系，乳液中分散相分布集中。添加量为7.00%、9.00%时，乳液粒径显著（P＜0.05）增大，相比于CS乳液分别增加80.96%和85.17%，多余的纳米SiO2相互作用加剧了乳滴间的布朗运动，造成乳液的聚结或絮凝，因此乳液的粒径增大，范围宽峰值下降，乳液液滴分布呈现不稳定的多峰现象，形成一种多分散体系，均一性变差。与上文2.2乳液EAI和ESI的测定结果基本一致。

图3 纳米SiO2含量对乳液平均粒径的影响Fig. 3 Effects of content of nano-SiO2 on average particle size of emulsion

2.3.1静态流变特性

黏度是影响乳化液稳定性的重要因素，通常乳液的黏度越大，越利于乳化体系保持稳定。乳液的流变学性能也与乳液体系稳定性息息相关，图5a和b为不同纳米SiO2含量乳液的表观黏度和应力。如图5a所示，在剪切速率0～200 s-1范围内，CS乳液和CS-纳米SiO2复合乳液的表观黏度随剪切速率增加而急剧降低。在200～1 000 s-1内表观黏度随剪切速率增加缓慢下降，表现出剪切稀释现象，属于假塑性流体[29]。一方面CS乳液本身就为一种假塑性流体；另一方面液滴在乳液内是无序分布，并且在一定空间内分子间会发生布朗运动，当剪切速率增大，剪切阻力大到能克服布朗运动，以及CS-纳米SiO2间弱键产生的综合效应时，乳液液滴会在剪切场作用下发生位置重排[30]，使乳液内的摩擦力减小，黏度下降。如图5a和b所示，除7.00%和9.00% CS-纳米SiO2复合乳液外，随着纳米SiO2添加量增加，乳液表观黏度和应力增加，且在5.00%的纳米SiO2添加量下表现出最大黏度和应力。CS溶液自身就具备较大黏度，在添加适量的纳米SiO2后，乳液体系中有足够的纳米SiO2可以吸附在油滴表面并将其包裹住，有利于限制油滴运动，减弱油滴的聚合。另一方面油水界面吸附纳米SiO2有利于分子间相互作用，使油滴间相互连接形成较为致密的类三维网状结构[31]，因此黏度增大，更有利于乳化体系的稳定，相反当纳米SiO2添加量为7%和9%时，乳液的表观黏度和应力小于CS乳液，可能是过量的纳米SiO2聚集，破坏了乳液的结构化，乳液絮凝空缺，导致部分油未得到乳化。说明加入适量的纳米SiO2，有助于提高乳液表观黏度和应力。但总体上乳液的粘度和应力都较低，乳液呈现流体状态。与2.2.2乳液 EAI和ESI的测定结果一致。

图5 纳米SiO2含量对乳液粘度及应力的影响Fig. 5 Effects of content of nano-SiO2 on viscosity and stress of emulsion

2.3.2 乳液动态流变特性

乳液的粘弹性可以用储能模量G'和损耗模量G"来表征，储能模量G'又代表弹性性质，损失模量G"代表黏性性质[32]。图6可知，随着振荡频率增加，所有乳液G'和G"都增加。乳液的G'随纳米SiO2含量的增加先增加后减小。CS-纳米SiO2复合乳液都高于CS乳液，其中纳米SiO2添加量为5.00%时，乳液的G'最大，可能是纳米SiO2与CS间的相互作用形成较高的交联密度和网络结构，增强了复合乳液的弹性模量。但纳米SiO2的添加对乳液损能模量无影响。在振荡频率范围内，除5.00% CS-纳米SiO2复合乳液外，所有样品乳液的G"值都高于G'值。其中0.00%，1.00%和3.00%G'曲线图不完整是因为部分G'值为负值，无法用对数表示，说明乳液主要表现为液体的黏性特征，具有良好的流动性。当纳米SiO2添加量为5.00%时，在初始振荡频率增大阶段，G'小于G"，乳液体系还处于液体特性，主要发生黏性形变，随振荡频率增大，G'与G"相交，交点后G'大于G"，乳液呈弹性为主的凝胶结构状态，主要表现为固体特性，说明说明其内部存在弱凝胶状结构，增强了乳液的弹性性能从而保证了乳液的稳定性。

图6 纳米SiO2含量对乳液G'和G"的影响Fig. 6 Effects of content of nano-SiO2 on storage modulus(G') and loss modulus(G") of emulsion

2.4 乳液形态

通过光学显微镜观察不同纳米SiO2添加量下的乳液表观形态（图7）。图7可知，CS乳液与CS-纳米SiO2复合乳液液滴分散均匀，呈圆形，粒径较小，但CS乳液液滴有部分桥连现象，大小不均匀。1.00%、3.00%和5.00%的CS-纳米SiO2复合乳液，乳液粒径虽变化不显著，但乳液液滴大小分布较均匀，乳液桥连现象减弱。可以看出在合适的纳米SiO2添加量下，液滴更稳定，且没有明显的聚结。相反，在添加了7.00%和9.00%的CS-纳米SiO2复合乳液粒径增大，乳液液滴大小不均匀，乳液聚结。这是由于在油滴表面过量的纳米SiO2受水亲和性，脱离油水界面，发生奥斯特瓦尔德熟化，稳定性降低，导致液滴尺寸因聚结而显著增加[33]。结果表明，添加纳米SiO2有利于使CS包裹到茶油表面并形成较小且分散、大小均匀的稳定液滴。

图7 纳米SiO2含量对乳液表面形态的影响Fig. 7 Effects of content of nano-SiO2 on surface morphology of emulsion

2.5 乳液微观结构

为分析乳液经冷冻干燥后微观结构的变化，用扫描电镜观察CS乳液和不同添加量下CS-纳米SiO2乳液（图8）。图8a为CS乳液扫描电镜图，干燥后的乳液由不同形状的颗粒组成，颗粒不均匀，表面形状不规则，其从正常的球形变形挤压成为多边形，因此有一些颗粒相互粘附。其中深色斑块代表油，从图8a可以看出乳液油滴聚集，表明大部分油滴未被包裹在CS中。添加纳米SiO2后乳液表面结构发生变化（图8b-f）。如图8b-d所示，随着纳米SiO2添加量的增加，颗粒变得分散，粒径减小，颗粒呈球形，大小均匀，外壁光滑。同时，表面深色斑块随纳米SiO2添加量增加逐渐减少，一方面是由于纳米SiO2能通过自身骨架结构填充形成乳液过程中可能会产生的表面孔隙[34-35]；另一方面表明纳米SiO2在与CS发生相互作用后，纳米结构增强了CS的致密性，这证实用纳米SiO2比单独用CS具有更高的茶油保护效果。当添加量为7.00%和9.00%时（如图8e、f），粒径增大，出现深色斑块，表明过量的纳米SiO2反而破坏了所形成的网络结构。

图8 纳米SiO2含量对乳液微观结构的影响Fig. 8 Effects of content of nano-SiO2 on microstructure of emulsion

3 结论与讨论

脂溶性成分可通过乳液等方式进行保护，而形成乳液的稳定性也与连续相材料及添加的复合材料比例有关，多糖类壳聚糖在医学等领域可降低胆固醇、预防和控制高血压吸附重金属还具有一定的免疫效果，同时壳聚糖优良的生物相容性和可降解等使其在生物活性化合物的包封方面应用广泛[12]，还能抑制细菌活性，更好的保护脂溶性等成分延长保质期。邵颖[12]通过乳化超声制备的壳聚糖-丁香酚乳液保护丁香酚，掩盖不良风味和异味，减少因蒸发造成的损失，且防止丁香酚与其他食品基质成分发生强烈的相互作用，增强丁香酚的稳定性，改善丁香酚的低水溶性、高挥发性和弱稳定性。此外，包封的活性物质的物理稳定性在纳米尺寸状态下得到极大改善。在抗氧化实验中，壳聚糖-丁香酚纳米颗粒表现出抗氧化效果，在体外缓释实验中，实现丁香酚的可控性释放。壳聚糖-丁香酚纳米乳液对革兰氏阳性和阴性菌均表现出优异的抗菌性，且抗菌性优于游离丁香酚，证明其抗菌性能在乳化包埋过程中得到提高。而纳米SiO2是一种高科技超微细无机新材料，以其粒径小、比表面积大、表面吸附力强、表面能大、化学纯度高、稳定性强等在众多科学领域内独具特性，有着不可取代的作用。同时具有的特殊触变性能明显改善膜、橡胶等制品的抗拉强度、抗撕裂性，研究表明[15]，在10 g阿拉伯胶中添加0.25 g纳米SiO2时阻气性和阻湿性最小，且拉伸强度最大，断裂伸长量最大，有利于制备包装材料。FTIR、XRD和DSC表明纳米SiO2能增强膜的氢键，提高熔融温度，改善其物理性能。除此之外，纳米SiO2可作为液体系统的增稠剂、防沉淀，能有效改善液体的分散性和黏度指数，调节流变性，增强电荷稳定性。

因此，本研究以CS为连续相、山茶油为分散相，制备CS与纳米SiO2（1.00%、3.00%、5.00%、7.00%、9.00%） 复合乳化体系，以探究CS与纳米SiO2添加量间的相互作用及对复合乳化体系功能性质的影响。结果表明，纳米SiO2添加量为1.00%～5.00%时，纳米SiO2添加量的增加可使乳液中EAI、ESI、表观黏度、G和'G"提高，以及Ke的下降，表明乳液稳定性增强。CS-纳米SiO2复合乳液表现出典型非牛顿假塑性流体行为。乳液平均粒径变化不显著，但乳液粒径分布窄峰值高。由冷冻电镜与光学显微镜观察结果可知，随纳米SiO2添加量的增加，表面油滴减少，乳液分布更为均一，形状规则，呈球状均匀分布。纳米SiO2质量分数为5.00%时，乳液中EAI、ESI最高为10.36 m2/g和540 min，与未添加纳米SiO2乳液相比分别提高10.37%和10.53%；Ke最低为13.20%，相比于CS乳液降低了54.56%，乳化性能提高，增强乳液稳定性。乳液粒径为12.98 μm，表观黏度最大，G和'G"都增高，乳液向由流体凝胶转化。纳米 SiO2添加量为7.00～9.00%时，乳液EAI、ESI、黏度、G'和G"降低，粒径显著增大，由单峰转化为双峰且粒径分布变宽峰值降低，Ke增大，表明乳液稳定性下降，乳液呈流体。乳液粒径在可视范围内增大，乳滴分布不均匀，产生不规则的非球状，对乳液的微观结构破坏较大，不利于乳液均一。与此同时，部分油滴聚集形成粒径较大的油滴，这也是乳液粒径分布变宽的原因。由此可见，在纳米 SiO2添加量为5.00%条件下所形成的乳液最稳定，超过5.00%会对乳液稳定性造成不利的影响。表明添加适量的纳米 SiO2（1.00%～5.00%） 可改善CS乳液的乳化性质，增强乳液稳定性。同时，与单一CS乳液相比，CS-纳米SiO2复合乳液不仅显著增加理化稳定性，而且采用CS与纳米SiO2作为稳定剂制备乳液具备很好的可行性，使用CS作为材料与纳米级SiO2形成包裹油滴的乳液所研究的方法适用于食品保护，其良好的稳定性为今后多糖乳液和纳米SiO2在食品领域中的应用提供依据和参考。最重要的是，载有CS的纳米 SiO2复合乳液可作为更好更有创新的递送载体，用于提高储藏食品的货架寿命和保护。