纳米SiO2改性4种大分子材料的乳液制备及性质

赵国瑜，范方宇*，黄 瑾，李华珊，杨丝蕾

（西南林业大学生命科学学院，西南山地森林资源保育与利用教育部重点实验室，云南 昆明 650224）

乳液是一种简单有效的包埋运输系统，包括水包油（O/W）、油包水（W/O）或多重乳液（O/W/O或W/O/W）[1]。O/W乳液是将油相分散到水相后经过一定的外部能量输入（如搅拌、均质、分散、超声等）所形成的分散体系。乳液可以促进油脂消化吸收，提高生物利用率，能较好地载运和保护脂溶性活性成分[2]。在制备乳液的过程中，会使用一些化学合成表面活性剂，但存在一定的安全隐患。为避免化学合成表面活性剂带来的潜在毒性，需探究新的天然生物大分子制备乳液[3]。

明胶（gelatin，GE）是一种天然大分子表面活性蛋白，含亲水基团和亲脂基团，具有良好的乳化性，可在乳液中形成油水界面并防止液滴聚集[4]。大豆分离蛋白（soybean protein isolate，SPI）具有起泡性、成膜性及乳化特性等[5]，SPI的乳化能力和易成膜性对芯材保留率有很大作用。同时，SPI具有亲水亲油性，可通过降低油-水界面张力形成膜结构从而更好促进乳液形成[6]。壳聚糖（chitosan，CS）是一种阳性多糖，具有亲水性、成膜性、良好的生物相容性及较高的生物黏附性[7]。CS可与带多个负电荷的物质进行交联，形成食品级多壳，当聚电解质吸附在油性核上时，形成的多壳就成为屏障提高生物活性成分的稳定性[8]。阿拉伯胶（gum arabic，GA）为阴离子多糖乳化剂，水溶性高、乳化性能好。GA中含少量蛋白质，是一种多组分高度支化的杂多糖，其疏水肽链和亲水多糖链使GA具有两亲性，能在油水界面吸附形成膜界面，减少油水两相间的界面张力[9]。但单一天然大分子材料形成的乳液环境稳定性较差，因此采用纳米二氧化硅（SiO2）作为稳定剂进行改性复配增强乳液稳定性。纳米SiO2是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料，有较高的比表面积、表面活性、热稳定性以及良好的生物相容性。纳米SiO2具有的基团如硅氧键（—SiüOüSi—）、羟基（—OH）以及含有空的成键轨道的硅原子等，可与高分子化合物以化学键结合形成氢键赋予大分子材料特殊性能[10]，提高复合材料稳定性。

山茶油因含丰富不饱和脂肪酸[10]，易受环境中空气、光照和水影响而发生氧化酸败并产生醛酮类等有害物质[11-12]，因此可以利用乳液提高其稳定性，通过对乳液性质进行探究，为后续微胶囊制备提供基础。目前，已有采用不同材料制备乳液并进行性质测定的研究，如王枫雅等[11]通过考察SPI、乳清蛋白、大豆磷脂、鱼皮GE多肽4种蛋白类对蟹油乳液粒径、电位的影响，选择大豆磷脂为最优材料；曾庆晗等[12]以亚麻籽油为姜黄素的油相载体，研究卵磷脂、吐温-80、GA和乳清分离蛋白4种对姜黄素乳液理化性质和储藏稳定性影响；Kibici等[13]分别以酪蛋白酸钠、乳清分离蛋白、卵磷脂为材料，探究添加不同乳化稳定剂（麦芽糊精、β-环糊精）对乳液乳化指数、黏度、粒径的影响并进行比较。但选用GE、SPI、CS、GA并将纳米SiO2引入乳液还鲜有研究。基于此，在课题组原有研究基础上[14-15]，选用添加量为大分子材料3.000%的SiO2改性GE、SPI、CS、GA 4种溶液作为连续相，茶油为分散相制备茶油乳液，同时对乳液乳化活性、乳化稳定性、离心稳定性、粒径、流变特性、微观结构和表面形态进行分析，以期为天然生物大分子和纳米SiO2在乳液中进一步的研究和制备稳定的乳液提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纳米二氧化硅（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；GE 国药集团化学试剂有限公司；SPI 谷神生物科技集团有限公司；CS（脱乙酰度≥95%） 麦克林生化科技有限公司；GA 光复科技发展有限公司；十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）分析纯。

1.2 仪器与设备

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；XINYI-IID超声波细胞破碎机 宁波新艺超声设备有限公司；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；UV-2600型紫外-可见分光光度计苏州岛津仪器有限公司；A10型多功能台式高速冷冻离心机昆明倍捷科技有限公司；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 方法

1.3.1 纳米SiO2改性

工艺流程：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反复离心洗涤至无泡沫→50 ℃干燥24 h→改性纳米SiO2→保存。

1.3.2 乳液制备

1.3.2.1 GE-、SPI-、GA-纳米SiO2复合乳液制备

称取GE（SPI、GA）质量分数3.000%的改性纳米SiO2加入100 mL蒸馏水，功率450 W超声破碎2 h，即纳米SiO2分散液。5.000 g/100 mL GE（SPI、GA）溶于分散液，在60 ℃、以450 r/min搅拌40 min，搅拌过程中按GE（SPI、GA）与油1∶1（g/mL）比例均匀滴加茶油，12 000 r/min高速分散均质3 min，制成乳液。

1.3.2.2 CS-纳米SiO2复合乳液制备

称取CS质量分数3.000%的改性纳米SiO2加入100 mL 1%乙酸溶液，功率450 W超声破碎2 h，即纳米SiO2分散液。2.000 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1∶1（g/mL）比例均匀滴加茶油，12 000 r/min高速分散均质3 min，制成乳液。

1.3.3 乳化活性与乳化稳定性测定

乳化活性（emulsifying activity index，EAI）和乳化稳定性（emulsifying stability index，ESI）测定参考Sui Xiaonan等[16]的方法：取100 μL乳液用0.100% SDS溶液稀释100 倍，以SDS溶液为空白，在波长500 nm条件下，测定乳液初始状态的吸光度A0，计算EAI。静置30 min后测定吸光度A30计算ESI。EAI和ESI根据下式计算：

式中：N为乳液稀释倍数（100 倍）；C为质量浓度/（g/mL）；φ为油相体积分数/%；L为比色池光径（1 cm）；A0、A30为乳液放置0、30 min后在500 nm波长处的吸光度；30为静置时间（min）。

1.3.4 乳液离心稳定性测定

在蒋忠荣等[17]方法基础上稍加修改测定茶油乳液离心稳定性。取50 μL乳液样品用0.100% SDS溶液稀释100 倍，500 nm波长处测定吸光度。离心前在离心管壁距1 cm处作标记，4 500 r/min离心30 min，在相同位置吸取等量乳液，测定吸光度。按照式（3）进行离心稳定性Ke值的计算：

式中：A0为离心前吸光度；A1为离心后吸光度。

1.3.5 乳液粒径测定

乳液的平均粒径和粒径分布通过粒度分析仪测定。设置激光粒度仪参数，校正调零，将乳液滴入样品池，测定乳液粒径。

1.3.6 乳液流变特性测定

测量温度25 ℃，剪切速率范围为0.01～1 000 s-1，记录相应剪切速率下的表观黏度与应力。振幅测试条件如下：测试温度25 ℃，振荡频率为0.01～100 Hz，记录其储能模量（G’）和损耗模量（G’’）随振荡频率的变化趋势。

1.3.7 冻干乳液扫描电镜分析

采用扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）分析乳液表面结构。乳液制备后冷冻干燥，取样用导电胶固定于样品观测台，在500 倍下观察乳液冻干后的微观结构。

1.3.8 乳液光学显微镜分析

乳液表面形态采用光学显微镜进行分析。取10 μL乳液样品置于载玻片，缓慢盖上盖玻片防止气泡产生，固定于载物台后在100 倍下观察样品形态结构并拍片保存。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 22.0进行数据处理，Origin 8.0软件绘图，ANOVA分析数据差异显著性（P＜0.05），数据均为3次重复实验取平均值。

2 结果与分析

2.1 乳化活性及乳化稳定性

EAI及ESI是表示乳液功能特性的重要指标，可以反映复合物在油-水界面形成乳化层的能力和形成乳状液的稳定性[18]。4种乳液EAI和ESI如图1所示，未添加纳米SiO2时GE和SPI乳液EAI分别为9.931 m2/g和11.902 m2/g，添加纳米SiO2后，分别增加至11.705 m2/g和14.831 m2/g，增加显著（P＜0.05）。添加纳米SiO2后CS和GA乳液由9.174、9.003 m2/g增加到10.210、9.267 m2/g，增加不显著（P＞0.05）。对于ESI，添加纳米SiO2后GE、SPI在分别由290.457、246.086 min增加为627.143、450.024 min，增加显著（P＜0.05）。CS从451.333 min增加到532.000 min，但增加不显著（P＞0.05）。EAI与ESI增加一方面是纳米SiO2与大分子材料间的相互作用增强，并与带电荷部分结合形成复合物，增强吸附于油-水界面的乳化层[19]，提高乳化性。且一定浓度纳米SiO2可增加体系黏稠度、增大界面膜厚度，防止乳粒聚集沉淀，提高其稳定性；另一方面是纳米SiO2与分子间通过疏水作用、氢键、范德华力等结合[20]，增强复合乳液中茶油表面吸附的亲水性，使疏水性区域更好的包裹茶油，同时降低水油间界面张力，使其乳化特性提高，增强了茶油乳液的稳定性。相反，GA在添加纳米SiO2后ESI从794.998 min减少至574.518 min。因GA中含少量蛋白，添加的纳米SiO2会与GA中的多糖和蛋白质竞争界面的吸附作用，导致体系界面的蛋白含量下降，界面张力上升，使得乳液稳定性下降，乳液液滴出现分层、茶油油滴上浮等现象。其中GE-纳米SiO2复合乳液在4种改性大分子材料中乳化稳定性最佳，相较于较差GA-纳米SiO2复合乳液EAI和ESI均有所提高。

图1 不同材料对乳液乳化活性和乳化稳定性的影响Fig.1 Effects of different materials on EAI and ESI of emulsion

2.2 离心稳定性

离心过程中离心力会加剧乳液分层，能更快判断乳液的稳定性[21]。离心稳定性通过离心稳定系数（Ke）表示，离心稳定系数越小，稳定性越好。纳米SiO2对4种不同乳液的离心稳定系数如图2所示。除SPI外，添加纳米SiO2后，GE、CS和GA乳液的Ke分别为20.720%、15.862%和69.055%，显著减少68.444%、43.507%和19.171%（P＜0.05）。GE与CS离心稳定性与乳化特性趋势相同，离心后未出现茶油与水相界面分层现象，说明在离心条件下对茶油仍有较好的保护作用。GA在添加纳米SiO2后Ke虽显著降低，但离心稳定系数过大。结果表明：纳米SiO2能加强GE与CS乳液离心稳定性和改善GA乳液离心稳定性。在添加纳米SiO2后SPI的Ke反而增加，可能是经过离心的强烈外力下，蛋白分子间的蛋白网络结构被破坏，凝絮导致形成的乳液破乳，离心管底部出现沉淀物。SPI与纳米SiO2团聚沉在底部导致界面蛋白分子减少，油-水乳化层被破坏，界面张力增大，出现乳液分层现象，使乳液离心稳定性下降。

图2 不同材料对乳液离心稳定性的影响Fig.2 Effects of different materials on Ke of emulsion

2.3 平均粒径及粒径分布

平均粒径与粒径分布能够反映乳液体系的稳定性[22]。由图3可见，添加了纳米SiO2后，4种乳液的平均粒径都减小。SPI、CS和GA乳液的平均粒径分别为153.039、13.733 μm和21.462 μm，加入纳米SiO2后乳液的平均粒径分别减小为138.424、12.740 μm和14.882 μm，平均粒径减小不显著。GE乳液平均粒径为28.078 μm，GE-纳米SiO2复合乳液平均粒径为8.472 μm，减小显著（P＜0.05），且在4种改性大分子材料中粒径最小。其中，多糖类乳液平均粒径表现为阴离子多糖乳液＜阳性多糖乳液，即GA乳液＜CS乳液，与乳液稳定性和离心稳定性变化规律一致。GE、CS、GA乳液和纳米SiO2复合乳液具有较小的平均粒径，而SPI乳液和其纳米SiO2复合乳液则表现出较大的平均粒径，可能是因为与纳米SiO2存在沉聚现象，结合成较大颗粒并吸附于油滴表面，因此形成的乳液粒径较大，这与实验中的乳液乳化稳定性和离心稳定性数据结果一致。由图4A可知，GE、CS、GA乳液及纳米SiO2复合乳液均呈单峰为单分散体系，说明油滴大小均一，乳液中分散相分布集中。对于GE、CS、GA乳液和纳米SiO2复合乳化体系，三者的粒径分布趋势较为相似，在添加纳米SiO2后乳液的粒径分布均朝粒径变小方向移动。其中添加了纳米SiO2的GE乳液粒径分布范围明显变窄，且峰值高，乳化液稳定性较好。GA乳液与GA-纳米SiO2乳液粒径分布也变窄但是峰值低。CS乳液在添加纳米SiO2后粒径分布无明显变化。由图4B可知，SPI乳液和其纳米SiO2复合乳液呈双峰分布，为多分散体系，其中SPI-纳米SiO2乳液粒径分布变窄峰值增大。上述结果证明纳米SiO2会与乳液较好结合，稳定水、油界面的平衡。同时，通过整体平均粒径和粒径分布来看，GE-纳米SiO2复合乳液具有更好的稳定性。

图3 不同材料对乳液平均粒径的影响Fig.3 Effects of different materials on average particle size of emulsion

图4 不同材料对乳液粒径分布的影响Fig.4 Effects of different materials on particle size distribution of emulsion

2.4 流变特性

2.4.1 静态流变特性

流变学特性直接影响乳液在食品加工中的应用，研究乳液的流变性，可以反映乳液特性[23]。通过静态和动态振荡测量模式研究4种乳液的流变性能。静态流变包括剪切速率与应力（图5）。在0.1～100 s-1的剪切范围内，4种纳米乳液表观黏度随剪切速率增大而急剧下降。在100～400 s-1剪切范围内表观黏度下降速率减慢，呈现剪切稀化特征，属于假塑性流体。一方面原因是在流速场中杂乱分布的液滴随剪切速率增大会沿着流线方向进行有序排列，因此液滴间摩擦减小，流动阻力随之减小，黏度降低，另一方面是乳液液滴形成的絮凝态在剪切过程互相分离发生变形[24]。在400～1 000 s-1范围内4种乳液表观黏度基本保持不变，达到稳定，都表现为牛顿流体特性，可能是因为絮凝态与瓦解速率达到一致[25]，乳液内部保持相对稳定的状态。同时添加纳米SiO2后，GE、SPI与CS表观黏度都有不同程度的增加，但是对GA表观黏度无影响。其中CS的表观黏度最大，其次是SPI、GE和GA。4种不同乳液应力随剪切速率的增加而增大，添加纳米SiO2增加了GE、SPI和CS乳液的应力。而对GA乳液应力无影响。其中CS乳液的剪切应力最大，其次是SPI、GE和GA乳液，与表观黏度顺序一致。

图5 不同材料对乳液黏度及应力的影响Fig.5 Effects of different materials on viscosity and stress of emulsion

2.4.2 乳液动态流变特性

物料受到外力作用会发生形变，由弹性形变而储存能量大小的形变为G’（可逆）；由于黏性形变而损耗能量大小的形变为G’’[26]。如图6所示，GE乳液、CS乳液、CS-SiO2纳米乳液和GA乳液随振荡频率的增加，G’＜G’’，表明乳液形成了黏性为主的流体性质。添加纳米SiO2后GE乳液和GA乳液G’和G’’均上升，初始频率增大阶段，G’＜G’’，乳液体系表现为液体特性，并主要发生黏性形变，频率继续增大，G’=G’’为凝胶点，交点后，G’’＜G’，乳液处于凝胶结构状态，表现为固体特性，并主要发生弹性形变，GE-纳米SiO2与GA-纳米SiO2都呈弱凝胶结构，保证乳液稳定性[27]，说明纳米乳液SiO2在乳化凝胶网络中起到“活性填料”的作用[28]，使GE乳液和GA乳液形成相当强的小液滴弹性凝胶网络，有助于加强凝胶网络。但GA-纳米SiO2复合乳液的G’和G’’小于GE-纳米SiO2复合乳液，表明GE-纳米SiO2复合乳液具有更好的稳定性，与2.1节和2.2节数据相符。添加了纳米SiO2的SPI乳液G’和G’’都上升，SPI乳液与SPI-纳米SiO2乳液随着频率的增加，在低应变范围，G’＞G’’，表明乳液呈弹性行为，乳液为凝胶状态，主要发生弹性形变，交点之后G’和G’’均继续增加，且G’＜G’’，凝胶主要表现液体特质，表明随着振荡应变增大，油滴无规则运动加剧，减弱了大分子和油滴间的非共价相互作用，使体系凝胶结构破坏。

图6 不同材料对乳液G’和G’’的影响Fig.6 Effects of different materials on G’ and G’’ of emulsion

2.5 乳液微观结构

利用冷冻干燥技术，对乳液表面结构进行可视化处理。如图7A、B、G和H所示，采用GE、GA制备的茶油乳液与其纳米SiO2复合乳液表面光滑、连续、无空隙和裂缝，呈典型球状。连续、致密的表面结构一定程度上可以阻止茶油中的生物活性成分在贮藏时挥发，且可以有效阻止O2透过乳滴界面与茶油接触，从而阻止茶油中的生物活性成分氧化，该结构对被包封的物质具有一定保护作用[29]。表面出现的孔洞可能是由于冷冻干燥时小冰晶由固态到气态升华所致。由图7C和E可见，SPI和CS乳液液滴形态不规则，表面粗糙、凹陷，部分甚至呈现多边形。添加纳米SiO2后的复合乳液表面光滑致密且呈现球形结构，表明纳米SiO2的添加有助于乳液形成致密的良好的结构。

图7 不同材料对乳液微观结构的影响Fig.7 Effects of different materials on microstructure of emulsion

2.6 乳液形态

由图8可见，在添加纳米SiO2后，4种乳液样品粒径都不同程度减小，与2.3节数据一致。其中，GE乳液、GE-纳米SiO2复合乳液（图8A、B）与CS乳液、CS-纳米SiO2复合乳液（图8E、F）液滴大小与分布较为均匀，乳液呈圆球状，成型性好。由于单独的SPI所形成乳液的界面膜不够稳定，液滴分散不均，因此形成的SPI乳液（图8C）液滴粒径较大且分布不均匀，且发生了较明显的液滴成簇聚集。SPI-纳米SiO2复合乳液（图8D）粒径减小，液滴聚集现象改善。GA乳液（图8G）液滴大小不均一，分布不均匀且有少量液滴形成桥联，而添加了纳米SiO2后的GA乳液液滴分散均匀，桥联现象减弱，小液滴数量增多。但从图8可以看出，4种大分子材料的乳液对茶油包裹都较好。结果表明，纳米SiO2的添加有利于使乳化剂包裹到茶油表面并形成稳定且较小的液滴。与Zhou Hongda等[30]研究结果相似。

图8 不同材料对乳液表面形态的影响Fig.8 Effects of different materials on surface morphology of emulsion

3 结 论

以纳米SiO2改性GE、SPI、CS和GA为连续相，茶油为分散相制备不同大分子材料的乳液。研究表明，添加纳米SiO2后，4种大分子材料乳液性质都有不同程度的提高。其中以GE为材料添加纳米SiO2制备出的乳液具有较高乳化活性和乳化稳定性，EAI和ESI分别为11.705 m2/g和627.143 min，离心稳定性为20.720%，经离心后仍能保持茶油的稳定性并且未发生分层现象。平均粒径为8.472 nm，在4种大分子材料中平均粒径最小。表观黏度、G’和G’’均增加，剪切流变学特性结果表明GE-纳米SiO2复合乳液呈弱凝胶特性，具有良好的理化稳定性。根据微观结构和表面形态观察结果，纳米SiO2的添加，使乳滴粒径逐渐减小，分布更为均一，且形状规则，冷冻干燥后呈球状，光滑无凹陷，能较好包裹和保护茶油，说明纳米SiO2可以阻止聚结现象发生。因此，本研究以纳米SiO2改性大分子材料构筑的乳液输送体系能提高茶油乳液的稳定性。研究为今后纳米SiO2和生物大分子材料在乳液输送体系中的应用提供参考，也为脂溶性等营养物质的运输和保存提供了良好的基础。