劉杏念 王 凌 李 斌 李 晶 魏先領(lǐng)

(華中農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，湖北 武漢 430070)

以固體顆粒吸附于油/水界面并形成固體顆粒單層/多層膜來穩(wěn)定的乳液被稱為Pickering乳液。Pickering乳液因其卓越的穩(wěn)定性和良好的生物相容性，而被廣泛應用于醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域[1-3]。

近年來，對生物源物質(zhì)，如蛋白質(zhì)[4]、多糖[5-6]等穩(wěn)定的乳液研究頗多，如Xiao等[7]制備了高粱醇溶蛋白納米粒子并用其制備Pickering乳液作為姜黃素的載體，提高了姜黃素的生物利用率；DE Folter等[8]利用反溶劑法制備玉米醇溶蛋白，并以此制備Pickering乳液，研究了離子強度、pH、粒子濃度對乳液的影響，并得出高離子強度會使乳液聚集和絮凝，形成乳液凝膠的結(jié)論；Lu等[9]利用玉米淀粉制備了Pickering乳液，研究玉米淀粉尺寸及直/支比對乳液穩(wěn)定性的影響；也有研究者對于蒙脫土[10]、黏土[11]、二氧化硅[12-13]等無機粒子穩(wěn)定的Pickering乳液進行了相關(guān)研究，如Silva等[14]對高嶺土穩(wěn)定的巴西堅果油乳液進行了研究，Panchal等[15]研究了黏土納米管穩(wěn)定的Pickering乳液中的細菌增殖對原油泄漏治理的影響。

碳酸鈣是一種廣泛分布于大自然的無機化合物，存在于方解石、大理石等巖石內(nèi)，也是骨骼及外殼的重要成分，其中重質(zhì)碳酸鈣可作為鈣的補充劑添加于食品中。由于現(xiàn)在市場上鈣補充劑主要是片劑，不太適用于幼兒及吞咽有困難的人群。而乳液體系方便吞咽，制備過程簡單，此外，乳液中含有油相可以對脂溶性營養(yǎng)物質(zhì)進行包載和遞送。

目前，對碳酸鈣制備的乳液的穩(wěn)定性研究尚不多見，王莎等[16]對化學合成碳酸鈣制備的乳液進行了研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣穩(wěn)定的乳液對乙酸乙酯可起到控制釋放的作用，但是該研究中碳酸鈣制備過程中，須嚴格控制氯化鈣和碳酸鈉的濃度，須控制碳酸鈉滴加速度為10滴/min，滴加完畢后還需用水和乙醇分別洗滌3次，制備過程復雜且產(chǎn)率低；崔晨芳等[17]利用原位活化法對碳酸鈣進行改性，比較羧酸鏈的長短對改性碳酸鈣穩(wěn)定的乳液的影響，并作為農(nóng)藥水乳劑的穩(wěn)定劑。

與其他研究相比，本研究選取重質(zhì)碳酸鈣為原料，利用物理球磨法獲得不同粒度的碳酸鈣，制備方式簡單，可大規(guī)模生產(chǎn)。本試驗旨在獲得制備方式簡單，可大規(guī)模生產(chǎn)的含鈣乳液，并探究碳酸鈣的尺寸、濃度及油相的比例對該乳液體系的影響，為開發(fā)一類新型的鈣補充劑提供新的技術(shù)思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料與試劑

重質(zhì)碳酸鈣：食品級，鄭州瑞普生物工程有限公司；

大豆油：金龍魚，益海嘉里投資有限公司；

尼羅紅：AR級，美國Sigma-Aldrich公司；

超純水：實驗室自制。

1.1.2 儀器與設(shè)備

掃描電子顯微鏡：SU8010型，日本Hitachi公司；

高能納米球磨機：CJM-SY-B型，秦皇島太極環(huán)納米制品有限公司；

微生物顯微鏡：OD1400Y型，寧波舜宇儀器有限公司；

高速剪切機：Ultra-Turrax T25型，德國IKA公司；

分析天平：BAS1245-CW型，德國Sartorius公司；

電子天平：BL310型，德國Sartorius公司；

激光粒度分析儀：Mastersizer 2000型，英國Malvern公司；

流變儀：AR2000ex型，美國TA公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同粒徑碳酸鈣的制備及粒徑分析 將重質(zhì)碳酸鈣置于60 ℃烘箱中干燥24 h，隨后將干燥的碳酸鈣粉末置于高能球磨機中球磨粉碎。在球磨過程中，于0.0，0.5，1.0，8.0 h分別取出部分樣品，依次命名為C-0、C-0.5、C-1、C-8。本研究樣品制備由秦皇島太極環(huán)納米制品有限公司完成。

各組粉末粒徑使用激光粒度儀測定，取適量干粉于進樣槽中進行測量，每組測量3次，取平均值。

將各組粉末超聲分散于超純水中，然后滴加在鋁箔紙上并烘干[18]，經(jīng)粒子濺射儀噴金，在10 kV下用掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌。

1.2.2 碳酸鈣穩(wěn)定的Pickering乳液的制備 將一定量的碳酸鈣分散于超純水中，置于直徑3 cm，高10 cm的圓柱形玻璃杯中，再向其中加入一定量的大豆油，利用高速剪切機以10 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切3 min，得到由碳酸鈣穩(wěn)定的Pickering乳液，將其轉(zhuǎn)移至35 mL試劑瓶，于室溫下儲存。

1.2.3 碳酸鈣粒度對乳液的影響 按1.2.2的方法制備乳液，選取油相比例20%，碳酸鈣粒子濃度9%，分別利用C-0、C-0.5、C-1、C-8制備乳液并于室溫下儲存觀察。

1.2.4 碳酸鈣濃度及加油量對乳液的影響 按1.2.2的方法制備乳液，稱取不同質(zhì)量的C-8，分散于水中，得到不同濃度(0.1，0.5，1.0，3.0，5.0，7.0，9.0，11.0 g/100 mL)的碳酸鈣懸浮液作為水相，向其中加入一定量的大豆油，使整個體系中，水相體積占60%～90%，相應的油相占40%～10%。用以探究碳酸鈣粒子濃度和油相比例對由CaCO3穩(wěn)定的Pickering乳液的影響。

1.2.5 粒徑分析 使用激光粒度分析儀測定不同儲存時間(1，7，14，30 d)的乳液的粒徑及其粒徑分布。選取濕樣進樣器進樣，分散相選取大豆油(折射率為1.475)，連續(xù)相選取水(折射率為1.333)，泵速設(shè)定為2 000 r/min，測定時利用膠頭滴管吸取適當量的乳液分散到水中，確保遮光率在1%～10%，選取D[4,3][19]體積平均粒徑表示乳液粒徑，每個樣品平行測3次。

1.2.6 乳析指數(shù)的測定 參考Chen等[20]并稍加改動如下：將10 mL新鮮制備的乳液立即倒入10 mL量筒中，利用封口膜密封，防止水分蒸發(fā)，置于室溫下靜置存放，48 h后觀察并記錄其分層狀況。該Pickering乳液分層后形成上下兩部分，透明澄清的為清液層，乳白色部分為乳化層，通過式(1)來計算乳液的乳析指數(shù)。

(1)

式中：

CI——乳析指數(shù)，%；

H0——清液層高度，cm；

H——乳液的總高度，cm。

1.2.7 微觀結(jié)構(gòu)觀察 使用微生物顯微鏡觀察乳液的微觀結(jié)構(gòu)，取少量乳液滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，保證無氣泡的前提下于10×物鏡下觀察，選取普遍存在的結(jié)構(gòu)進行捕捉拍照。

1.2.8 乳液黏度特性的測定 采用AR2000ex型流變儀進行試驗，選用直徑為60 mm的鋼板(平板)，測量間距設(shè)定為1 mm，進行穩(wěn)態(tài)剪切掃描：選取穩(wěn)態(tài)剪切掃描模式，設(shè)定溫度25 ℃，剪切速率0.01～100 s-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Origin 8.5數(shù)據(jù)處理軟件對上述數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳酸鈣微粒的表征

由圖1可見：所有碳酸鈣呈現(xiàn)出不規(guī)則片狀，且存在團聚現(xiàn)象。隨著球磨時間的改變，碳酸鈣顆粒的尺寸也在發(fā)生變化，球磨時間越長，碳酸鈣顆粒越小，團聚程度也逐漸減弱。

圖1 不同球磨時間碳酸鈣的掃描電子顯微鏡圖像Figure 1 SEM image of CaCO3 prepared by different ball milling (5 000×)

2.2 碳酸鈣粒度對乳液的影響

以前期試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，本研究控制固體顆粒濃度9 g/100 mL，油相比例20%，以探究固體顆粒尺寸對其穩(wěn)定的Pickering的影響。未經(jīng)球磨的碳酸鈣(即C-0)無法形成乳液，故不參與討論。由圖2可知：由不同球磨時間的碳酸鈣C-0.5，C-1，C-8，穩(wěn)定的乳液的粒徑及粒徑分布均存在差異，乳液粒徑隨碳酸鈣尺寸的減小而減小，光學顯微鏡圖像(圖3)很好地印證了該結(jié)果，且與Binks等[21]的結(jié)論一致。這一現(xiàn)象可用最大表面覆蓋理論來解釋[22]，式(2)體現(xiàn)了乳液粒徑與油相體積及固體顆粒粒度的關(guān)系。

(2)

圖2 球磨時間碳酸鈣對乳液粒徑的影響Figure 2 Effect of CaCO3 prepared by different ball milling time on particle size distribution of fresh emulsions

圖3 不同球磨時間碳酸鈣穩(wěn)定的乳液的顯微鏡圖像Figure 3 Microscope image of emulsions stabilized by CaCO3 of different ball milling time (20×)

式中：

Cp/o——碳酸鈣和油相的比值，g/mL；

ρp——碳酸鈣的密度，g/cm3；

dp——碳酸鈣的粒度，μm；

d32——乳液的表面積平均粒徑，μm。

由式(2)可知：當碳酸鈣質(zhì)量與油相體積的比值一定時，碳酸鈣粒度越大，乳液粒徑越大。球磨時間越長，所得碳酸鈣粒度越小，乳液粒徑呈現(xiàn)出C-0.5>C-1>C-8的規(guī)律。

2.3 碳酸鈣濃度及油相比例對乳液宏觀穩(wěn)定性的影響

根據(jù)上述結(jié)果，本研究選用乳化效果最好的C-8制備Pickering乳液，以探究碳酸鈣濃度及油相比例對乳液的影響。通過稀釋法，即吸取部分乳液，滴加到蒸餾水中，若分散開來，乳液為O/W型，若未分散，則為W/O型，可判斷出本研究中所制得的Pickering乳液均為O/W型，這是因為碳酸鈣具有極強的親水性，且其親水性強于親油性，故利于形成穩(wěn)定的O/W乳液。

乳析指數(shù)常用以分析乳液的宏觀穩(wěn)定性[21]。觀察儲存1周的乳液宏觀形貌(圖4)并記錄乳液穩(wěn)定時的乳析指數(shù)(表1)可知，當油相比例一定時，在一定的碳酸鈣濃度范圍內(nèi)乳化層的高度隨粒子濃度的增加而增大，當粒子濃度>9 g/100 mL時，乳化層的高度隨粒子濃度的變化不明顯；當碳酸鈣濃度一定時，乳化層的高度隨油相比例的增加而增大。圖4中，不同顆粒濃度乳液的乳化層位置也有所不同，同一油水比(以10%油相的乳液為例)，當粒子濃度≥7 g/100 mL，乳化層的密度增加，大于水相的密度，故而乳化層位于下層。

通過圖4還可發(fā)現(xiàn)：當油相比例為10%時，固體顆粒濃度>0.5 g/100 mL即可穩(wěn)定乳液；每一油相比例，均存在一個能夠穩(wěn)定乳液的最低固體顆粒濃度，這個最低濃度隨油相比例的增大而增大。這是由于當油相增加，固體顆粒濃度低時，能夠吸附于單位面積油滴表面的固體顆粒的量少，以至于無法完全覆蓋，固體顆粒間間隙大，使油滴易于聚集，因此乳化過程結(jié)束后，油相便立即聚集析出，使之無法形成乳液。

表1 新鮮制備的碳酸鈣乳液的D[4,3]及乳析指數(shù)?Table 1 D[4,3] and creaming index of fresh emulsions prepared by CaCO3

? 同列不同字母表示有顯著性差異(P<0.05)。

圖4 碳酸鈣穩(wěn)定的Pickering乳液儲存1周后的宏觀形貌Figure 4 Visual observation of Pickering emulsions stabilized by CaCO3 after storage for 1 week

2.4 碳酸鈣濃度及油相比例對乳液粒徑分布的影響

由表1可以看出：當固定油相比例時，隨著碳酸鈣粒子濃度的增大，新鮮制備乳液液滴的平均粒徑逐漸減小?？刂朴拖啾壤秊?0%時，乳液粒徑隨粒子濃度的變化趨勢隨碳酸鈣濃度的增加而趨于平緩，當粒子濃度>9 g/100 mL時，粒子濃度的增加對乳液粒徑的影響不大；乳液的粒徑分布圖(圖5)則顯示粒子濃度增大時，乳液的粒徑分布范圍也會變窄。這是由于，當油相比例一定，在乳化過程中，乳化劑濃度高，其所能穩(wěn)定的總的界面面積大，而低濃度的乳化劑能穩(wěn)定的總界面面積小，因此會造成液滴的聚結(jié)，直到界面面積降低到與其所能乳化面積相當，最終導致乳液粒徑增大；當顆粒濃度增大到一定程度時，多余的粒子不再吸附于油水界面穩(wěn)定乳滴，而是分散于連續(xù)相中[22]，起到填充乳液間隙的作用，因而對乳液粒徑的影響不大，且進入連續(xù)相的固體顆?？梢詫σ旱纹鸬阶韪簦瑥亩柚褂偷蔚木奂?，提高乳液的穩(wěn)定性。Yang等[23-24]對片狀雙親氧化物粒子(LDHs)穩(wěn)定的O/W乳液的研究也有類似的發(fā)現(xiàn)。

當固體顆粒濃度不變，改變油相比例時，隨著油相比例的增大，乳液粒徑隨之變大，由于碳酸鈣固體顆粒具有強的親水性，當油相比例低時，更易于制備和穩(wěn)定O/W型乳液，當油相比例增加，固體顆粒一定，則單位面積所吸附的固體顆粒的量會減少，若油滴表面未被固體顆粒完全覆蓋形成穩(wěn)定的膜，則液滴會因為范德華力等作用力相互吸引，發(fā)生一定程度的聚集或絮凝，過度聚集則會使乳液分層和沉淀，降低乳化效率，以至于影響乳液的穩(wěn)定性[25-26]。

2.5 碳酸鈣濃度及油相比例對乳液微觀形貌的影響

通過不同油相比例及不同碳酸鈣濃度所制得的Pickering乳液的光學顯微鏡圖像(圖6)可知，碳酸鈣固體顆粒以單層的形式分布于油水界面上，固體顆粒之間的范德華力使碳酸鈣粒子互相吸引，形成一定程度的絮凝，這種弱的絮凝在一定程度上可以增加乳液的穩(wěn)定性[27]。當油相比例一定時，增大碳酸鈣濃度，乳液的粒徑會隨之減小，且粒徑分布的更均勻；當固體顆粒濃度一定時，增大油相比例，乳液粒徑隨之增大。

2.6 碳酸鈣濃度及油相比例對乳液黏度的影響

圖7展示了固體顆粒濃度及油相比例對乳液黏度的影響。由圖7可知，所有新鮮制備的乳液均存在剪切稀化的行為，且具有很好的流動性，說明該乳液是非牛頓假塑性流體，這主要反映了乳液液滴間的反絮凝作用[28-29]。

圖5 新鮮制備乳液的粒徑分布圖Figure 5 Particle size distribution of fresh prepared emulsion

圖6 新鮮制備乳液的顯微鏡圖像Figure 6 Microscope image of fresh emulsions

乳液粒徑對黏度的影響與液滴間的水動力作用以及液滴的布朗運動有關(guān)，前者會造成體系黏度的降低，而后者則會增加體系的黏度。因此，當液滴粒徑增加時，液滴間水動力的作用強于其布朗運動的作用，故而體系黏度降低[30-31]。由圖7(a)可知：乳液黏度隨固體顆粒濃度的降低而減小，這是因為隨碳酸鈣粒子濃度降低，乳液粒徑增大，水動力的作用克服了液滴自身的布朗運動，導致乳液黏度的減??；圖7(b)顯示，乳液黏度隨油相比例的增加而增加，這是由于油相本身具有一定的黏度，當增加油相比例，乳液變稠，故而黏度有所增加。

圖7 碳酸鈣濃度及油相比例對新鮮制備的乳液黏度的影響Figure 7 Effects of CaCO3 concentration and ratio of oil to water on the viscosity of fresh emulsion

3 結(jié)論

采用食品級碳酸鈣作為Pickering乳液的穩(wěn)定劑，研究多方面因素對其乳液穩(wěn)定性的影響，證實碳酸鈣粒度對乳液性質(zhì)有一定的影響，碳酸鈣粒度越小，所得乳液粒徑越小，乳液越穩(wěn)定；碳酸鈣顆粒濃度及油相比例對Pickering乳液有一定的影響，同一油相比例的Pickering乳液，碳酸鈣濃度越高，所得乳液粒徑越小，乳析指數(shù)也越小，乳液越穩(wěn)定；當碳酸鈣濃度達到一定數(shù)值后，增加顆粒濃度，乳液粒徑無顯著性差異，過量的顆粒會填充于液滴之間的縫隙中，對乳液起到一定的穩(wěn)定作用；當油相比例增加時，穩(wěn)定乳液所需的最低碳酸鈣濃度也會隨之增大；同一固體顆粒濃度下，乳液油相比例越高，所得乳液的粒徑越大。

通過調(diào)節(jié)以上影響因素，可獲得油相比例、粒徑大小可控的食品級碳酸鈣乳液以滿足不同的商業(yè)需求，且該乳液制備方法簡單，可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應用，這也將是本課題接下來的研究方向：以碳酸鈣穩(wěn)定的Pickering乳液為基礎(chǔ)，利用該體系實現(xiàn)對脂溶性營養(yǎng)素VD的遞送，以提高人體鈣和VD的吸收，為碳酸鈣在食品領(lǐng)域的應用提供新的思路。