黄原胶对柠檬醛Pickering 乳液膜制备及其理化性能的影响

2022-08-16李学红高素利于国强王相凡丁红营

食品工业科技 2022年16期

李学红，高素利，于国强，臧开，王晨，王相凡，丁红营,

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州 450000；2.河南卷烟工业烟草薄片有限公司技术中心，河南许昌 461100）

柠檬醛是一类从植物中提取的天然芳香成分，具有抗菌、抗氧化作用，可应用于食品保鲜。然而柠檬醛挥发性强，对光、热和氧气的稳定性差，直接应用气味过于浓郁且发挥时效短，因此，通常将其制成缓释剂型[1]。将柠檬醛加入膜基质中制成抗菌保鲜膜，就是其重要应用方式之一[2]。但柠檬醛与大多数亲水性膜基质不相容，无法均匀分布于膜中，导致膜的机械等应用性能不理想。为此，常采用的一个方法就是先将柠檬醛制备成O/W 型乳液，再加入亲水膜基液中制膜，使柠檬醛以微液滴形式均匀分布于膜中[3-4]，从而克服这一应用局限。Pickering 乳液是以纳米固体颗粒为乳化稳定剂的新型乳液体系，相比传统乳液，其具有高内相、高稳定的特性，因此用来制作乳液膜也更具优势[5]。目前已有一些利用Pickering乳液制备亲水胶体膜的研究。例如，Dammak 等利用壳聚糖纳米颗粒制备橙皮苷的Pickering 乳液，进而加入明胶中制备复合功能膜[6]，Roy 等[7]将纳米纤维稳定的丁香芽精油Pickering 乳液加入明胶-琼脂中制备活性包装膜等。

β-环糊精是一类环状麦芽低聚糖，其可以与精油自发包埋形成纳米包合物颗粒，在油水体系中该包合物颗粒能够作为稳定剂用于O/W 型Pickering 乳液的制备。相比其他食品级Pickering 乳液稳定剂，β-环糊精具有乳化性好、稳定高等特点[8]。本课题组利用β-环糊精成功制备了柠檬醛的Pickering 乳液，乳液粒径在数百纳米范围[9]。进一步将该乳液加入壳聚糖膜基液中，通过流延法制备出了含有柠檬醛纳米液滴的乳液膜。但在实验过程中发现，柠檬醛Pickering乳液在与壳聚糖膜液混合过程中，由于乳液原有桥连式稳定结构被部分打破，乳液粒径会增大且容易发生油析现象。考虑到外水相粘度特征是维持Pickering乳液稳定的一个重要因素，本研究尝试在乳液外水相添加黄原胶来改善乳液制膜时的稳定性。黄原胶是一种阴离子非聚集性多糖，加入到乳液中其能够分散在外水相，通过提高水相黏度及增加油滴之间相互斥力来提高乳液的稳定性[10]。本文主要通过将黄原胶添加进环糊精稳定的柠檬醛Pickering 乳液中、进而流延干燥成膜，通过检测乳液及膜中油滴大小、膜外观参数、膜水蒸气透过率、机械性能以及对柠檬醛缓释特性来研究黄原胶对柠檬醛乳液膜制备及理化性能的影响，为后续柠檬醛乳液抗菌膜的开发提供前期实验数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

β-环糊精（AR）、壳聚糖（BR）国药集团；柠檬醛（99%纯度）吉安国光香料厂；黄原胶（BR）酷尔生物工程公司；其他试剂均为国产分析纯。

XHF-D 高速分散器宁波新芝生物科技公司；Zetasizer NANO-ZS90 激光粒度仪英国Malvern公司；TA.XT plus 物性测定仪英国Stable Micro Systems；Phenix PH50-3A43L 型光学显微镜凤凰光学股份有限公司；Agilent7890 气相色谱仪美国安捷伦科技公司；211-101F 电子数显千分尺桂林广陆数字测控公司。

1.2 实验方法

1.2.1 柠檬醛Pickering 乳液的制备准确称取1.5 gβ-环糊精，加入50 mL 去离子水于60 ℃水浴中加热溶解，按油水体积比13:7 的比例加入柠檬醛，于12000 r/min 下均质乳化2 min。之后向所得乳液中分别添加0%、2.0%和4.0%（m/m,%）的黄原胶水溶液，使乳液中黄原胶含量分别为0%、0.2%和0.4%（m/v,%），继续均质1 min，制得以β-环糊精为稳定剂的柠檬醛Pickering 乳液。

1.2.2 柠檬醛乳液膜的制备准确称取10.0 g 壳聚糖粉加入至1000 mL 的2.0%（v/v，%）乙酸溶液中，40 ℃下搅拌5 h 使其完全溶解。向上述壳聚糖溶液中添加0.5%（w/w，%）的甘油作为增塑剂，搅拌均匀即为基础膜液。

向壳聚糖基础膜液中加入3.0%（v/v，%）的上述柠檬醛Pickering 乳液，慢速搅拌均匀，制成柠檬醛乳液膜液。将该膜液倾倒在铺有胶片的玻璃平板上，流延成膜后于45 °C 干燥过夜，揭膜，置于55% RH（硝酸镁饱和溶液环境）的玻璃干燥器中备用。添加黄原胶含量为0%、0.2%和0.4%乳液的膜分别记为0 膜、0.2 膜和0.4 膜。

实验中曾制备黄原胶含量为0.6%的柠檬醛乳液，但由于其粘度较大，不易与壳聚糖成膜液混合均一，故本实验只采用0%、0.2%和0.4%三种梯度。

1.2.3 柠檬醛乳液及其膜的外观形貌及膜显微结构观察吸取少许乳液置于载玻片上，观察并拍摄；剪取长条状乳液膜，以白纸为背景进行拍摄。

将乳液膜置于水中湿润，再平铺于载玻片上，光学显微镜下放大100 倍观察乳液膜微观结构并对选取的界面进行拍摄。

1.2.4 柠檬醛乳液及其所制膜液中油滴平均粒径测定取稀释5 倍的柠檬醛乳液、流延前的膜液各10 mL 加入比色皿中，利用激光粒度仪对柠檬醛油滴粒径进行扫描测定。扫描条件：温度25 ℃，测定类型Size，散射角90°，测量循环1 次，粒度计算模型General Purpose。平行进行测定3 次，取平均值。

1.2.5 乳液膜厚度的测定将乳液膜在RH 55%（硝酸镁饱和溶液）的环境中充分平衡后，在膜上平均选取5 个点，分别用电子数显千分尺测其厚度，计算所得平均值即为膜平均厚度。

1.2.6 乳液膜透光率及色泽的测定透光率：将乳液膜剪成4 cm×1 cm 的长条，先置于RH 75%（NaCl 饱和溶液环境）下平衡4 h，再将其紧贴于比色皿内侧，在600 nm 波长处测定透光度[11]，以蒸馏水作为对照。

色泽：将膜样品置于色差仪标准板上进行相关参数测定，记录亮度（L*）、色度参数a*（红-绿）和b*（黄-蓝）。

1.2.7 乳液膜水蒸气透过系数（WVP）的测定准确称取5.0 g 左右的无水CaCl2，加入25 mm 规格称量瓶中，再将裁剪合适的乳液膜覆盖于瓶口上，封口膜将周边固定（保证膜表面平整），置于RH 75%的玻璃干燥器中5 d，对瓶的增重进行准确称量，按下式计算乳液膜的水蒸气透过率（g·mm/（dm2kPa））[12]：

式中：ΔW 为称量瓶的增重，g；LT为乳液膜的厚度，mm；S 为膜片面积，m2；T 为处理天数，d；ΔP 为膜两侧的水蒸气压差，kPa。

在本实验中，所用膜的厚度为0.1 mm，膜片有效面积为4.906×10-4m2，ΔP=2.375 kPa。

1.2.8 乳液膜机械性能的测定将乳液膜置于RH 55%环境下平衡48 h，选取相同厚度的薄膜（0.1 mm左右）裁剪成1 cm×3 cm 的长条，置于物性测定仪夹具上。设定拉伸速率0.5 mm/s，目标长度20.0 mm，触发点负载0.5 g，测定乳液膜所受最大拉力F 和乳液膜的最大位移L，每个样品平行测试3 次，取平均值。根据式（2）和式（3）计算乳液膜的拉伸强度Ts和断裂伸长率E[12]：

式中：Ts为所测膜的拉伸强度，MPa；F 为膜所受最大拉力，N；S 为膜的有效截面积，m2；E 为膜的断裂延伸率，%；L0为膜的初始长度，mm；L 为膜断裂时的长度，mm。

1.2.9 乳液膜对柠檬醛的缓释性能测定在60 mL进样瓶内放入装有NaCl 饱和溶液的2 mL 小玻璃管，30 ℃下平衡24 h 使瓶内形成RH 75%的环境。将乳液膜裁成大小为2 cm×4 cm 的长方形，置入进样瓶内（膜的边角折弯以防贴壁），瓶盖密封并于30 ℃恒温箱存放。每间隔24 h，用密封进样针抽取1 mL 顶空气体，手动打入气相色谱，进行柠檬醛浓度分析。期间分别在存放的第145 和290 h 时打开瓶盖使瓶内顶空柠檬醛气体完全逸散，再重新加盖密封，定时取样测定。将乳液膜所含等量的柠檬醛加入进样瓶，作为对照。

GC 条件：色谱柱：19091N-133 毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升温程序：80 ℃保持1 min，以5 ℃/min 的速率升温至120 ℃，保持时间6 min；载气（He）流速20 mL/min，分流比10:1[13]。

1.3 数据处理

所有实验均进行3 次平行，数据以平均值±标准差表示；采用Excel 进行作图，SPSS17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 柠檬醛Pickering 乳液及乳液膜的外观形貌观察

以β-环糊精为稳定剂制备的柠檬醛Pickering乳液及添加有乳液的乳液膜外观见图1。柠檬醛Pickering 乳液呈浅黄色乳膏状，质地均一。将乳液加入壳聚糖制膜液中搅拌均匀（添加量为3%），流延制膜，所制空白壳聚糖膜为无色透明状，而含柠檬醛Pickering 乳液膜则呈浅黄色半透明状，表面平整（图1中a～d）。乳液膜的黄色应是由柠檬醛乳液的颜色所致，但相比未添加黄原胶的膜样品，黄原胶的添加使膜颜色变浅、透明度增加。

图1 柠檬醛Pickering 乳液及乳液膜的外观形貌Fig.1 Appearance of citral Pickering emulsion and emulsion film with various xanthan gum

2.2 Pickering 乳液膜的显微结构及其油滴粒径

将柠檬醛Pickering 乳液加入壳聚糖膜液，经搅拌并流延成膜，利用光学显微镜对润湿膜的微观结构进行观察（图2），发现柠檬醛油滴能够在乳液膜中相对均匀地分布，且0.2 膜和0.4 膜中柠檬醛油滴分布密度也大于未添加的0 膜。通过对乳液及膜液中油滴粒径进行测定，发现未添加黄原胶乳液粒径为1.17 μm，制膜后粒径增大到2.06 μm；添加0.2%和0.4%黄原胶的乳液粒径分别降至0.57 和0.54 μm，相应0.2 膜和0.4 膜中柠檬醛油滴粒径分别为0.71和0.61 μm（图3）。这说明乳液制膜后其粒径相比之前显著增大（P＜0.05），且乳液中是否添加黄原胶对柠檬醛粒径的影响显著。此外，在制膜时发现未添加黄原胶的流延膜液会有少量柠檬醛析出，而添加0.2%和0.4%黄原胶的乳液膜无油析现象。这说明黄原胶的添加有利于乳液的稳定，可有效防止制膜过程中破乳现象的发生。

图2 黄原胶添加对乳液膜的微观结构的影响Fig.2 Effect of xanthan gum addition on the microstructure of the emulsion film

图3 黄原胶添加对乳液膜粒径的影响Fig.3 Effect of xanthan gum addition on the particle size of the emulsion film

现有研究已表明，Pickering 乳液属于结构性乳液，其稳定性与外水相粘度、稳定剂在连续相的桥联分布有很大关系[14]。将Pickering 乳液混合进入壳聚糖膜液，膜液对乳液的稀释过程会破坏乳液原有的稳定微结构，而在成膜液干燥过程中，由于水分蒸发也会导致乳液油滴间距减少、碰撞概率增加，从而增加乳液的不稳定性[15]。这从柠檬醛Pickering 乳液与膜液混合前后粒径的变化也可看出。而黄原胶属于非吸附多糖，其添加进乳液后主要分布于连续相，与纳米颗粒稳定剂协同作用使连续相保持一种相对稳定的半絮凝状态[16]，同时其所带负电荷有助于增加柠檬醛油滴间的斥力，可以有效阻止制膜过程中柠檬醛粒径增大甚至破乳的倾向。对于添加有黄原胶的乳液膜，由于其柠檬醛油滴粒径小、无油析出，相应膜的颜色较浅，透明度得以提高。

2.3 乳液膜的厚度、透明度及色泽

对添加3%柠檬醛Pickering 乳液的膜进行厚度测量，结果如图4 所示，三种膜的平均厚度均在0.10～0.13 mm 之间。由于黄原胶添加比例不超过乳液的0.4%，在膜中含量更低，因此其对膜的厚度影响并不显著。但黄原胶添加可使乳液膜的透光率从39%增加至43%～44%，透明度显著改善（P＜0.05），但两种添加量（0.2%和0.4%）的差异性不显著（P＞0.05）。此外，如表1 所示，当乳液中添加黄原胶后，所制乳液膜的L*和a*值增加，特别是0 膜与0.4 膜之间差异显著（P＜0.05），而b*值显著减小（P＜0.05），这说明黄原胶的加入可提升乳液膜的亮度，并使得膜的黄色减弱[17]。

图4 黄原胶添加对膜厚度及膜透光率的影响Fig.4 Effect of xanthan gum addition on film thickness and film transmittance

表1 黄原胶添加对柠檬醛Pickering 乳液膜色泽的影响Table 1 Effect of xanthan gum addition on the color of the emulsion film

在乳液添加量不变的情况下，乳液膜的色泽及透光率跟膜厚度、膜基质成分浓度、乳液粒径及其分布均匀度有关。当膜中乳液保持相对较小的油滴粒径、分布均匀时，膜的透明度就高[18]。如2.2 结果，由于黄原胶的添加使膜中柠檬醛油滴粒径减小、无油析出现，相应0.2 膜和0.4 膜的外观也较0 膜有所改善。

2.4 黄原胶添加对乳液膜水蒸气透过率（WVP）的影响

水蒸气透过率（WVP）是评价乳液膜阻隔性能的关键指标，能在一定程度上代表乳液膜的防潮性能[19]。通常为防止食品水分的快速蒸发或食品吸湿，要求抗菌包装膜有较低的WVP。

由图5 可以看出，乳液中添加0.2%和0.4%黄原胶可使乳液膜WVP 从12.02 g·mm/（dm2kPa）分别提升至13.58 和14.32 g·mm/（dm2kPa），说明添加黄原胶可导致乳液膜WVP 的增加，且增加程度与黄原胶添加量成正相关（P＜0.05）。乳液膜的水蒸气透过率除了与膜厚度、结构紧密度、膜两侧环境相对湿度及温度等有关外，膜基质亲水性是重要的影响因素[20]。黄原胶是一种亲水性粘性多糖，具有很好的吸湿性，在高相对湿度环境下容易吸附空气中的水分子[21]，从而导致乳液膜水蒸汽透过率有所增加。

图5 黄原胶添加对乳液膜水蒸气透过率的影响Fig.5 Effect of xanthan gum addition on the WVP of the emulsion film

2.5 黄原胶添加对乳液膜机械性能的影响

机械阻力和延展性是膜材料的两个关键参数，其决定膜是否能够承受外部应力而保持结构的完整性，其中拉伸强度和断裂延伸率分别表征乳液膜的力学强度和柔韧性能[22]。如图6 所示，相比未添加黄原胶膜，乳液中添加0.2%和0.4%黄原胶可使膜的拉伸强度从5.85 MPa 分别增加至6.96 和8.77 MPa，膜断裂伸长率也从28.87%分别提高到29.43%和32.16%，这说明黄原胶的加入可明显改善乳液膜的抗拉强度和柔韧性。

图6 黄原胶添加对膜拉伸强度及断裂伸长率的影响Fig.6 Effect of xanthan gum addition on TS and EB of the emulsion film

影响壳聚糖乳液膜机械性能的因素很多，膜的水分含量、膜基质中多糖浓度及其分子量、乳液添加量、乳液粒径大小及其在膜液中的分布等都是重要的影响因素。本研究中，在其他因素相同的情况下，影响乳液膜机械性能的主要为乳液粒径及黄原胶添加量。根据已有报道，乳液粒径较大甚至发生油析时，会破坏膜的组织结构，导致膜机械性能下降[23]。但如果乳液粒径较小、且添加量不多则对膜结构破坏较小，而且薄膜中适量油滴的存在可促进膜拉伸过程中多糖链的移动，增加膜的可塑性；而Pickering 乳液中起稳定作用的纳米固体颗粒在膜中的广泛分布则能够增加膜的刚性[24]。本研究中，黄原胶添加使乳液以相对较小的粒径分布于壳聚糖膜中，不会对膜的紧密结构产生破坏，同时环糊精包合物颗粒的存在增加了乳液膜的拉伸性强度，而油滴在一定程度上则使乳液膜柔性有所提升。

2.6 乳液膜中柠檬醛的缓慢释放

为测定膜中柠檬醛的缓释效果，将乳液膜进行间歇式密封放置，定期测定释放至顶空的柠檬醛浓度，以纯柠檬醛作对照，所得结果如图7 所示。

图7 黄原胶添加对膜柠檬醛缓释特性的影响Fig.7 Effect of xanthan gum addition on slow-release of citral from the emulsion film

柠檬醛具有很好的挥发性，在密封瓶中48 h 左右达到顶空平衡浓度。而三种乳液膜则表现为柠檬醛的缓慢释放，大概在120 h 后趋于平衡，柠檬醛释放速度及平衡浓度随黄原胶添加量的增多而降低。经过一次开盖逸散后，三种膜能够重新缓释柠檬醛，0.2 膜和0.4 膜所达平衡浓度基本与第一次接近，0 膜的二次平衡浓度略有下降，而对照柠檬醛挥发浓度则大幅降低，平衡浓度只有初次平衡浓度的40%左右。经过二次开盖逸散，对照柠檬醛大部分已经挥发损失，顶空浓度很低，而三种膜依然保持对柠檬醛的缓释性能，其中含黄原胶膜的柠檬醛顶空浓度与其第一、二次平衡浓度接近，不含黄原胶膜的柠檬醛顶空浓度进一步降低。

从前面结果已知，黄原胶的添加可以增加柠檬醛乳液在制膜过程中的稳定性，使柠檬醛以纳米油滴形式在膜中均匀分布。在一定相对湿度条件下乳液膜发生有限润胀，内部油滴会持续产生柠檬醛的缓慢释放效应。这种缓释效果取决于乳液膜中柠檬醛油滴的大小及包裹的完整性。如果柠檬醛乳液粒径过大或发生部分破乳，会导致柠檬醛的析出及挥发损失，柠檬醛在膜中也不能均匀分布，除了影响膜的组织结构及机械性能，膜的柠檬醛缓释性能也会受到严重影响[25]。

乳液膜的这种植物精油缓释特性对于食品包装来说非常有意义，其可以保持包装内部持续的精油有效浓度氛围，而不至于味道过于浓烈，但却能对食品起到长效杀菌及抗氧化作用[5]。