剪切与均质条件和抗氧化剂对水包剥离亚麻籽油乳液稳定性的影响

王雅娟，刘 君,2，马传国*

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

2.河南工业大学 粮油标准化研究所，河南 郑州 450001

亚麻籽油含有85%以上的多不饱和脂肪酸(PUFAs)，GB/T 8235—2019规定亚麻籽油中α-亚麻酸(ALA)含量为45%～70%，ALA是人体不能合成的必需脂肪酸，具有调节血糖、血脂[1]，防治肥胖和糖尿病[2]、抗氧化[3]、抗癌[4-5]等良好的医用价值，还可作为前体物质合成EPA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)[6]，起到增强视力[7]、保护神经[8]、抗心血管疾病[9]等作用。亚麻籽油还含有木酚素、环亚麻肽、甾醇、生育酚等微量营养成分[10]，是一种具有保健功能的油脂。但由于PUFAs中双键的存在，煎炸及热储藏条件下亚麻籽油极易发生氧化，内源性微量成分形成的反胶束也会影响亚麻籽油的储藏稳定性[11]，且油类口服生物利用率较低，极大地限制了亚麻籽油在食品工业中的应用。

乳液是由不相溶的油相、水相在乳化剂作用下形成的复杂分散体系。乳液包载体系能够显著抑制油脂储藏过程中的氧化，并提高ALA在人体内的生物利用率。杜艳等[12]发现紫苏油乳液的氧化稳定性比纯油体系提高了1倍以上。Couedelo等[13]发现用亚麻籽油和亚麻籽油乳液饲喂小鼠5 h后，淋巴中ALA的含量分别为9 mg/mL和14 mg/mL。乳液是一个热力学不稳定体系，易发生分层、絮凝、聚结等物理不稳定现象，且氧化过程也较为复杂，油相的组成及性质[14]、制备方法[15]、乳化剂类型及浓度[16]、抗氧化剂类型[17]、盐浓度和螯合剂[18]等因素均通过界面作用严重影响乳液的物化稳定性。目前主要通过低能乳化法或高能制备法(剪切、均质、超声等)制备乳液。高能制备法制得的食品乳液颗粒粒径小、分布均匀、稳定性好，乳化剂利用率较高，且设备价格适宜，因此广泛应用于食品工业。郭永生等[19]发现随着均质压力增大，乳液粒径和多分散指数(PDI)显著下降，物理稳定性增加。 Galvão等[20]发现先预剪切再均质，可以获得较小的液滴，4 ℃下物理储藏稳定性良好。

高能制备法的工艺参数如转速、时间、压力、次数等均会影响乳液的物化稳定性。在剪切和均质过程中，输入能量越高，乳液颗粒越小，物理稳定性较高，但大量空气在剪切过程中被带入乳液，空气氧与乳液界面在外力作用下接触面积和作用机会大大增加,大量能量的输入会造成体系明显升温。油相与水相体系在剧烈的剪切作用和高压作用下会出现破乳现象。在破乳过程中脂质的氧化过程和氧化机理以及对乳液物化稳定性的影响规律尚不明确。

为制备高稳定性的乳液，须加入抗氧化剂，但不同极性抗氧化剂在乳液中的抗氧化作用并不明确。 因此，作者选用剥离亚麻籽油(SFO)，以小分子Tween60为乳化剂，应用高速剪切及高压均质法制备水包剥离亚麻籽油乳液。通过测定乳液的物化稳定性指标(粒径、电位、表面张力、过氧化值、硫代巴比妥酸值、茴香胺值等)，研究工艺参数对亚麻籽油食品乳液物化稳定性的影响规律，探索乳液制备过程中的油脂氧化机制和影响因素，并进一步研究3种抗氧化剂在乳液制备过程中的抗氧化作用，为制备高物化稳定性的亚麻籽油食品乳液提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

亚麻籽油：辽宁晟麦实业股份有限公司；甲醇、正丁醇、冰乙酸、异辛烷、异丙醇、浓盐酸、正己烷、乙醚、乙酸乙酯(分析纯)：天津市科密欧化学试剂有限公司；柱层析硅胶：青岛海洋化工有限公司；活性炭：西陇科学股份有限公司；硫代巴比妥酸(TBA)、三氯乙酸、没食子酸、福林酚、二丁基羟基甲苯(BHT)：上海麦克林生化科技有限公司;磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、硫酸亚铁、氯化钡、硫氰酸铵、1,1,3,3-四乙氧基丙烷标准品、过氧化氢异苯丙标准品、p-茴香胺、Tween60：美国Sigma试剂公司。

T6型紫外可见分光光度计：北京普析通用有限公司；高速剪切分散乳化机：德国Fluko 流体机械制造公司； ATS-Basic100高压均质机：德国 ATS 仪器公司；Zetasizer Nano ZS90纳米粒度电位仪：英国马尔文仪器公司；KRUSS K100表面张力仪：德国克吕士科学仪器有限公司；7890A-FID型气相色谱仪、Agilent1260型高效液相色谱仪：美国Agilent公司。

1.2 试验方法

1.2.1 SFO的制备

参照Kiralan等[21]的方法，利用硅胶-活性炭-硅胶色谱柱吸附、正己烷洗脱的方法脱除一级亚麻籽油中的生育酚、植物甾醇等微量成分，获得SFO。

1.2.2 亚麻籽油和SFO极性及微量成分的检测

油脂极性的测定参照GB 5009.202—2016《食品安全国家标准 食用油中极性组分(PC)的测定》中的柱层析法；甾醇和甾醇酯的测定参照Esche等[22]的方法；生育酚的测定参照GB/T 26635—2011《动植物油脂 生育酚及生育三烯酚含量测定 高效液相色谱法》；多酚的测定参照裴梦雪等[23]的方法。

1.2.3 水包剥离亚麻籽油乳液的制备

取乳化剂Tween60溶于磷酸盐缓冲液(5 mmol/L，pH 7.0)中制备水相。以SFO作为油相，将油相和水相以1∶ 9的质量比混合，使用高速剪切分散乳化机在剪切速率为10 000～22 000 r/min，剪切2～6 min后得到粗乳液。粗乳液通过外界物理降温，使用高压均质机，在均质压力为5～60 MPa，均质1～3次后得到乳液，冷却至室温后放置于4 ℃的冰箱中保存。

1.2.4 含抗氧化剂的水包剥离亚麻籽油乳液的制备

将特丁基对苯二酚(TBHQ)溶于油相、抗坏血酸(VC)和茶多酚(GTP)分别溶于水相，在剪切速率10 000 r/min、剪切时间2 min条件下制备粗乳液，并在高压60 MPa下均质3次制备SFO乳液。抗氧化剂加入量均为200 mg/kg。

1.2.5 水包剥离亚麻籽油乳液粒径、多分散指数(PDI)及Zeta电位的测定

将乳液利用磷酸盐缓冲溶液稀释200倍后，用Zetasizer Nano ZS90纳米粒度电位仪测定其平均粒径、PDI及Zeta电位。

1.2.6 水包剥离亚麻籽油乳液表面张力的测定

取30 mL乳液置于测试皿中，利用KRUSS K100表面张力仪，采用铂板法测定乳液在25 ℃时的表面张力(仪器测定前用蒸馏水校正)。

1.2.7 水包剥离亚麻籽油乳液氧化稳定性的分析

脂质氧化次级产物以硫代巴比妥酸值(TBARs)和茴香胺值(p-AV)表示。TBARs的测定参照Mei等[25]的方法并稍加修改。取1 mL乳液与2 mL TBA试剂(三氯乙酸和硫代巴比妥酸以质量比40∶ 1溶于0.25 mol/L HCl)混合后，75 ℃水浴20 min。冷却至室温，3 000 r/min离心15 min。测定其在532 nm处吸光度，根据1,1,3,3-四乙氧基丙烷标品绘制的标准曲线计算丙二醛(MDA)浓度。

p-AV的测定参照Kargar等[26]的方法。取1 mL的乳液并称其质量(m)，加入25 mL异辛烷，涡旋30 s,以4 000 r/min离心20 min。取5 mL上清液，在350 nm波长下测定吸光度A1。另取5 mL上清液,加入1 mLp-茴香胺溶液(取0.125 gp-茴香胺溶于50 mL冰乙酸，摇匀避光)，涡旋30 s,避光静置10 min后，在350 nm波长下测定样品的吸光度A2。计算p-AV值。

p-AV=25(1.2A2-A1)/m。

2 结果与分析

2.1 亚麻籽油和剥离亚麻籽油(SFO)的品质

经过硅胶-活性炭色谱柱处理后的SFO的PV从0.79 mmol/kg降至0.28 mmol/kg，极性由5.51%下降至0.85%，亚麻籽油中甾醇含量从252.43 mg/100 g降至19.01 mg/100 g；甾醇酯含量从343.13 mg/100 g降至40.13 mg/100 g；初始生育酚含量为436.10 mg/kg，多酚含量(以没食子酸计)为14.91 mg/100 g，SFO中生育酚和多酚含量均降至检测不出水平。应用SFO进一步制备乳液，避免内源性微量成分形成反胶束影响乳液氧化稳定性，更准确揭示制备过程对乳液物化稳定性的影响，减少干扰因素。

2.2 高速剪切对水包剥离亚麻籽油乳液物化稳定性的影响

2.2.1 高速剪切对水包亚麻籽油乳液物理稳定性的影响

在高速剪切条件下制备SFO乳液，改变剪切速率和剪切时间，测定乳液物理稳定性参数(粒径、PDI、电位、表面张力)，结果如图1所示。

图1 高速剪切对乳液平均粒径和PDI、电位、表面张力的影响

由图1a可知，随着剪切速率增大以及剪切时间的不断增加，乳液粒径从692 nm降至282 nm，增大了乳液体系的界面面积，PDI从0.77降至0.41，乳液体系中颗粒均匀度好，物理稳定性提高。由图1b可知，当剪切速率增大和剪切时间增加时，外界输入的能量增多，界面电势升高，Zeta电位的绝对值呈先下降后趋于平缓的趋势。原因可能是由于体系中加入表面活性剂的量一定，粒径减小，整个乳液体系界面面积增大，但同时乳液液滴数目增多，每个油滴上吸附的表面活性剂量减少，界面吸附电荷量降低，界面电位绝对值减小。Zeta电位的变化趋势与粒径和PDI的变化趋势一致。由图1c可知，随着剪切速率的增大，自由能增多，体系为了降低自由能，吸附了更多的表面活性剂到乳液界面上，乳液的表面张力也就随之减小，较易于乳液的形成，两者呈现正相关性。

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2.2.2 高速剪切对水包亚麻籽油乳液氧化稳定性的影响

随着剪切速率和剪切时间的增加，一部分外界输入的能量转变为内能，乳液温度从20 ℃逐渐增加至34 ℃，乳液脂质氧化程度增大。由图2a可知，乳液PV随着剪切速率的增加而增加，主要的原因可能是在剪切时温度明显升高，乳液中PUFAs对温度较为敏感，发生化学氧化反应，且随着剪切速率的增加，乳液粒径减小，界面面积增大，促进了反应物、促氧化物在油水界面的接触，因此产出大量的初级氧化产物，在剪切时间6 min、转速22 000 r/min条件下，PV最高可达4.53 mmol/kg。根据GB 2716—2018，植物油脂过氧化值≤9.92 mmol/kg,本试验中PV均在国标范围之内。

图2 高速剪切对乳液过氧化值、硫代巴比妥酸值、茴香胺值的影响

由图2b可知，当剪切速率小于19 000 r/min、剪切时间小于6 min时，随着剪切速率的增加，TBARs无明显增加，乳液主要发生初级氧化。但当剪切速率超过19 000 r/min后，可以看到不同剪切时间下TBARs均大幅度增长，这与乳液中油脂的氧化规律一致，一般初级氧化产物浓度积累至一定量后，进一步分解生成醛、酮、酸等小分子次级氧化产物[27]。由图2a可知，不同剪切时间下乳液中初级氧化产物的PV为2.39～3.61 mmol/kg。由此可见，强剪切作用能够引发乳液在较低PV水平下发生次级氧化，在剪切速率22 000 r/min、剪切时间6 min条件下，TBARs的含量高达31.50 μmol/g。

由2c可知，随着剪切速率的增加，p-AV整体变化不显著，在0.98～2.09之间，呈现先增加后减小的趋势，原因可能是茴香胺值主要用于表征不饱和醛，尤其是2-烯醛和2,4-二烯醛[27]，剪切速率较低时乳液中以初级氧化产物为主，速率较高时部分不饱和醛可能转化为丙二醛或其他小分子次级氧化产物。

2.3 高压均质对水包剥离亚麻籽油乳液物理和氧化稳定性的影响

2.3.1 高压均质对乳液物理稳定性的影响

在剪切速率10 000 r/min、剪切时间2 min条件下进行初步剪切制备粗乳，此条件下粗乳温度及PV均无明显增加，在此基础上进一步通过高压均质制备高物理稳定性的乳液。

由图3a可知，随着均质压力由5 MPa不断增大至60 MPa以及均质次数由1次增加到3次，整个乳液体系受到的剪切碰撞作用不断加强，加大了整个乳液体系中的表面积和界面面积，体系吸附了更多的表面活性剂到乳液表面，加大了乳化作用。与纯剪切作用相比，乳液粒径呈减小趋势，PDI在0.06～0.22之间，颗粒分散更加集中均匀，乳液物理稳定性也相对愈加稳定。

由图3b可知，随着均质压力及均质次数的增大，界面Zeta电位绝对值均呈现下降趋势，这与粒径及PDI的变化趋势一致。随着液滴粒径的减小，乳液界面面积逐渐增大。由图3c可知，乳液表面张力随着均质压力和均质次数增大整体呈下降趋势，表明更多表面活性剂分子被吸附在乳液界面上。而单个液滴的表面活性分子吸附量随着液滴数目增多、粒径减小、曲率增大而减小，因此液滴界面电荷量减少，Zeta电势绝对值逐渐减小。

图3 高压均质对乳液粒径及PDI、电位、表面张力的影响

2.3.2 高压均质对乳液氧化稳定性的影响

随着均质压力增大，乳液温度从20 ℃上升到50 ℃，呈显著增加的趋势。与高速剪切过程相比，均质过程中乳液的温度升高更为明显。由图4a可知，乳液的PV随均质压力增大整体呈增加趋势，但PV增加程度显著小于剪切过程中的，这可能是由于均质过程在相对密闭的环境中进行，乳液与空气的接触大大减少，因此氧化程度大大受限。在60 MPa均质3次的条件下PV达2.14 mmol/kg，均质后乳液PV仍在GB 2716—2018规定范围之内。均质次数对PV的影响随着均质压力增大而增强，压力超过10 MPa，均质次数增加，PV呈显著增加趋势。

由图4b、4c可知，受限于乳液初级氧化水平较低，1次均质的乳液中TBARs和p-AV均无显著变化。而均质3次时，乳液TBARs水平随着均质压力增大显著增大，乳液中脂质快速发生氧化，TBARs最高可达19.03 μmol/g。对比图4b、4c可知，高压均质次数对TBARs的影响更为显著，说明在相对密闭的高压均质仓中，高压均质能够显著促进SFO的次级氧化过程。

结合高压均质条件对乳液物理稳定性的影响可知，乳液在低于10 MPa的均质压力下，提高均质次数利于获得较高物理稳定性的乳液而不损失乳液的氧化稳定性，在均质压力超过10 MPa时,提高均质压力、减少均质次数更利于获得较高物理和氧化稳定性的乳液。

2.4 抗氧化剂对制备乳液物化稳定性的影响

由表1可知，不同抗氧化剂以及抗氧化剂的添加顺序对乳液的粒径以及PDI无显著影响，所有乳液粒径均处于225～245 nm之间，PDI小于0.24，颗粒均匀度和物理稳定性较好。随着抗氧化剂的加入，界面电位绝对值均增加，说明部分抗氧化剂分子在乳液界面上被吸附，增加了界面电荷，能够提高乳液的物理稳定性。其中相较于TBHQ和VC，加入GTP乳液界面电位更小，这说明中间极性的GTP在界面上具有更强的吸附。

由表1可知，降低PV的效果为TBHQ≈GTP>VC，TBHQ同时显著降低了乳液的次级氧化产物水平，而GTP和VC反而增加了乳液的TBARs，这可能是由于GTP和VC具有热不稳定性。高能制备过程中温度较高， VC和GTP易于氧化后形成自由基，一方面自身进一步氧化分解，另一方面可能起到促氧化的作用，促进已生成的过氧化物进一步分解生成次级氧化产物，提高了乳液的TBARs。综上所述，在乳液制备过程中应加入具有较高稳定性的抗氧化剂以提高乳液的氧化稳定性。

表1 抗氧化剂对乳液物化稳定性的影响

3 结论

提高剪切速率、剪切时间、均质压力、均质次数均显著提高乳液的物理稳定性，但会损失乳液的氧化稳定性。高速剪切过程通过强机械作用加大了乳液与空气的相互作用，提高乳液温度，显著加快了SFO的初级氧化过程，在转速10 000～22 000 r/min、剪切时间2～6 min条件下，乳液中PV高达0.47～4.53 mmol/kg；当剪切速率超过19 000 r/min时，强剪切作用能够显著促进初级氧化产物向次级氧化产物转化，加快次级氧化过程，当转速22 000 r/min、剪切时间6 min时，TBARs水平达31.50 μmol/g；高压均质过程在相对密闭的环境中进行，高能量的输入显著提高了乳液温度，降低了乳液的氧化稳定性，均质压力60 MPa、均质3次，乳液温度高达50 ℃，受限于密闭环境的乳液整体氧化水平低于剪切过程中的；均质压力在10 MPa以下，均质次数对氧化稳定性影响不大，超过10 MPa，均质次数增加显著加快乳液的初级及次级氧化过程。加入3种抗氧化剂(TBHQ、VC和GTP)以提高制备乳液的氧化稳定性，结果表明3种抗氧化剂对乳液物理稳定性均无明显影响，但能够显著降低乳液的初级氧化产物水平,TBHQ效果最佳，制备乳液过程中应加入具有较高稳定性的抗氧化剂以提高乳液的氧化稳定性。