李學(xué)紅 陸 勇 郝曉萍 劉延奇 Jane Jay-lin,3

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1；鄭州 450002)

(河南省食品生產(chǎn)與安全創(chuàng)新中心2，鄭州 450002)

(美國愛荷華州立大學(xué)人類營養(yǎng)系3，埃姆斯 IA50010)

Pickering乳液是以微納米固體顆粒為穩(wěn)定劑的乳狀液體系，相比于傳統(tǒng)液體表面活性劑乳液，Pickering乳液具有穩(wěn)定性好、乳化劑用量少、制備方便以及環(huán)境友好等優(yōu)勢，成為近幾年食品乳液領(lǐng)域研究的熱點[1-3]。紫蘇籽油是從紫蘇種子中提取的一種保健油脂，富含不飽和脂肪酸，尤其是ω-3多不飽和脂肪酸高達(dá)60%以上，具有抗氧化、預(yù)防心血管疾病等作用[4,5]。將紫蘇籽油制備成穩(wěn)定的Pickering乳液，使之呈可涂抹奶油狀，能夠增加紫蘇籽油的食用方式多樣化。目前已發(fā)表的關(guān)于紫蘇籽油乳液的文獻(xiàn)主要是以傳統(tǒng)液體表面活性劑或蛋白顆粒為乳化劑，而利用β-環(huán)糊精制備紫蘇籽油Pickering乳液還未見報道[6-8]。

β-環(huán)糊精是由7個葡萄糖組成的環(huán)狀低聚糖，其圓錐形分子內(nèi)腔具有內(nèi)疏水、外親水的結(jié)構(gòu)特性，表現(xiàn)出良好的乳化性能。在水-油體系中，β-環(huán)糊精可以通過內(nèi)腔包埋油相分子、外表面吸附水相，以包合物顆粒形式在油水界面形成界面膜，從而形成穩(wěn)定的水包油型Pickering乳液體系[9-11]。本文即以β-環(huán)狀糊精作為乳化穩(wěn)定劑，制備水-紫蘇籽油pickering乳化體系，研究影響乳液結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的因素及流變學(xué)性質(zhì)，以期增加紫蘇籽油的應(yīng)用形式，推動其在日常膳食中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

β-環(huán)糊精(99%純度)；紫蘇籽油(食品級)；黃原膠(試劑級)；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

XHF-D高速分散器；Zetasizer NANO-ZS90激光粒度儀；ARES-G2流變儀；Phenix PH50- 3A43L-A型光學(xué)顯微鏡；UV2800雙光束紫外可見分光光度計。

1.3 實驗方法

1.3.1 環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油Pickering乳液的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的β-環(huán)糊精，加入30 mL水后置 60 ℃水浴中加熱溶解，再加入一定量的紫蘇籽油，在10 000 r/min條件下高速均質(zhì)乳化，每次乳化20 s，間歇10 s，共重復(fù)乳化6次，制得β-環(huán)糊精穩(wěn)定的pickering乳液。

1.3.1.1 油水比對紫蘇籽油乳液制備的影響

固定2%的β-環(huán)糊精加量，選取油水體積比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2，采用上述pickering乳液制備方法，研究不同油水體積比對所得乳液體積和粒徑的影響。

1.3.1.2 環(huán)糊精加量對紫蘇籽油乳液制備的影響

選取油水體積比為7∶3，β-環(huán)糊精加量分別為乳狀液的1%、2%、3%，采用上述pickering乳液制備方法，研究β-環(huán)糊精加量對所得乳液體積和粒徑的影響。

1.3.2 外加組分對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為7∶3，β-環(huán)糊精加量為乳狀液體積的2%，在外水相分別添加0.5%黃原膠、5%蔗糖或1%、2%、3%的食鹽，其他操作條件不變，研究外添加組分比對乳狀液穩(wěn)定性(粒徑及zeta電位)的影響。

1.3.3 酸堿度對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為7∶3，β-環(huán)糊精加量為乳狀液體積的2%，使用鹽酸或碳酸氫鈉調(diào)節(jié)水相的酸堿度分別為pH 3.7、6.5和9，其他操作條件不變，研究酸堿度對乳狀液穩(wěn)定性(粒徑及zeta電位)的影響。

1.3.4 紫蘇籽油乳液微觀結(jié)構(gòu)的觀察

取適量β-環(huán)糊精-紫蘇籽油乳液，均勻涂布或適度稀釋后涂布在載玻片上，光學(xué)顯微鏡放大100 倍進(jìn)行觀察，并用附帶相機(jī)對選取的界面進(jìn)行拍攝。

1.3.5 乳液平均粒度和 zeta 電位的測定

取0.5 mL乳狀液，用雙蒸水稀釋10倍后，搖勻，立即利用激光粒度儀分別對乳液粒度和 Zeta 電位進(jìn)行測定，平行測定3次，取平均值。

1.3.6 乳液的貯存穩(wěn)定性測定[12,13]

短期穩(wěn)定性：新制備的乳液在室溫、密封條件下存放60 d，量取料液總體積和乳相體積，通過計算乳相體積占總體積的百分比得到乳液的乳化系數(shù)，為乳液貯存穩(wěn)定性指標(biāo)：

ESI=(v/V)×100%

(1)

式中：ESI為乳化系數(shù)，%；v為貯存后乳相，mL；V為貯存后總料液體積，mL。

1.3.7 乳液流變學(xué)測定[14,15]

利用流變儀對乳液的流變學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定。測定條件：選用直徑40 nm夾具，間隙0.5 mm，溫度25 ℃，剪切速率變化范圍為：0.01～100 r/s。將乳狀液均勻涂在平臺上，縫隙用甲基硅油涂布，測定不同剪切力下乳液的黏度曲線以及程序升溫下的粘彈特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液的制備

對β-環(huán)糊精存在的紫蘇籽油-水體系進(jìn)行高速剪切處理，制備環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液。從外觀來看，所得乳液呈淡黃色半固體膏狀，質(zhì)地均一細(xì)膩，具有濃郁的紫蘇油香味。

將乳液加水?dāng)嚢柘♂?，發(fā)現(xiàn)能夠均勻分散，說明該乳液屬于水包油型。光學(xué)顯微鏡下放大100倍觀察，發(fā)現(xiàn)乳液由球形油滴均勻堆積于水相中而成，大小分布略不均勻，尺寸在幾十到數(shù)百納米之間，如圖1所示。

圖1 2%β-環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油乳液的顯微結(jié)構(gòu)(100x)

2.1.1 油水比對紫蘇籽油乳液制備的影響

選取油水體積比分別為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3和8∶2，添加2%的β-環(huán)糊精，乳化制備pickering乳液，研究不同油水比例對形成乳液體積大小及乳液粒徑的影響。

結(jié)果如圖2所示，制備乳液時所用油、水體積比對Pickering乳液的形成有很大影響。當(dāng)油水比為6∶4和7∶3時體系乳化后能夠全部形成乳液，油水比為8∶2時有大約4%體積的油相未能乳化，而油水比為5∶5及其以下時乳液層下方存在渾濁水層，且水層體積隨油水比增加而減少。這一結(jié)果說明β-環(huán)糊精穩(wěn)定的pickering乳液乳化油相的能力較強(qiáng)，乳液體系含油量可高達(dá)70%以上，但容納水相的能力卻不強(qiáng)，乳液最大含水量不超過40%。從乳液微觀結(jié)構(gòu)可以看出，環(huán)糊精穩(wěn)定的Pickering乳液屬于油滴堆積型體系，界面膜親水的外表面結(jié)合水相的能力有限，因此從外觀來看，該體系也無法形成半透性液體狀乳液。

圖2 不同油水比對乳液形成體積及粒徑大小的影響(2%β-CD)

對乳液粒徑測定結(jié)果顯示，隨著油水比的改變，乳液的平均粒徑也隨之改變。當(dāng)β-CD使用量為2%時，油水比為6∶4時乳液粒徑達(dá)到最小值，其次為7∶3。粒徑是判斷乳液穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)，通常粒徑越小穩(wěn)定性越高[16,17]。這一結(jié)果說明油水比為6∶4～7∶3范圍內(nèi)制備的乳液穩(wěn)定性較好。

2.1.2 β-環(huán)糊精加量對紫蘇籽油乳液制備的影響

選取油水體積比為7∶3、β-環(huán)糊精加量分別為乳液的1%、2%、3%、4%，通過高速乳化制備乳液，觀察體系各相體積比，并對乳液粒徑大小進(jìn)行測定。結(jié)果如圖3所示，在油水比7∶3時，1%～4%的β-環(huán)糊精加量均可使體系全部形成乳液，但乳液的粒徑大小有很大差別。隨著β-環(huán)糊精添加量從1%增加到3%，乳液粒徑顯著降低(從324 nm降至68 nm)，說明增加環(huán)糊精用量可顯著提高乳液的穩(wěn)定性，也說明有更多的環(huán)糊精包合物顆粒能夠吸附于油-水界面，保證乳液細(xì)小油滴形成時用以形成足夠的界面膜并強(qiáng)化界面膜的致密度[18,19]，從而達(dá)到降低乳液平均粒徑、穩(wěn)定乳液的目的。當(dāng)β-環(huán)糊精濃度超過3%時，其形成并強(qiáng)化界面膜的效果趨于飽和，因此乳液粒徑也趨于穩(wěn)定。

圖3 不同β-環(huán)糊精加量對乳液形成體積及粒徑的影響(油水比7∶3)

考慮到原則上應(yīng)減少β-環(huán)糊精用量以及增加乳化油含量，后續(xù)實驗中乳液的制備選擇使用油水比7∶3、β-環(huán)糊精添加量為3%的條件進(jìn)行。

2.2 水相外添加組分對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

食品中常常會添加食鹽、蔗糖或酸味劑等進(jìn)行味道的調(diào)整，對于應(yīng)用于食品中的紫蘇籽油乳液，研究這些外添加組分對乳液穩(wěn)定性的影響很有必要[20,21]。此外，黃原膠作為一種具有良好乳化性的食品穩(wěn)定劑，其對紫蘇籽油乳液的作用效果也得到了研究。

乳液的穩(wěn)定性通過測定液滴直徑以及zeta-電位來進(jìn)行表征。zeta-電位是連續(xù)相與附著在分散膠體上的流體穩(wěn)定層之間的電勢差，是對顆粒之間相互排斥或吸引力強(qiáng)度的度量。膠體粒子越小，Zeta電位的絕對值越高，體系越就越穩(wěn)定[22,23]。通常認(rèn)為，乳狀液 zeta-電位絕對值高于30 mV乳狀液比較穩(wěn)定。

2.2.1 食鹽、蔗糖和黃原膠對紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

選取油水體積比為7∶3、β-環(huán)糊精加量為乳狀液體積的3%、外水相中分別添加適量食鹽、蔗糖和黃原膠來制備紫蘇籽油乳液，評價乳液分散體系的穩(wěn)定性。

從圖4可以看出，在水相中添加不同的成分對乳液粒徑和zeta-電位的影響也不同。體系中加入1%～3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的食鹽可顯著減低乳液的zeta-電位絕對值，使其數(shù)值從40.3 mV降低至20.8～23.8 mV的范圍；除3%食鹽加量對乳液粒徑改變不明顯外，1%和2%的食鹽加量可不同程度增加乳液粒徑。這說明添加1%～3%的食鹽可顯著降低乳液的穩(wěn)定性，其中以1%的食鹽加量對乳液穩(wěn)定性破壞最大。這可能是因為少量鹽離子的加入使乳液界面產(chǎn)生靜電屏蔽作用，降低了乳狀液原有zeta-電位絕對值，導(dǎo)致液滴間的排斥力降低，使得乳狀液平均粒徑增加，穩(wěn)定性變差；但食鹽加量增至2%和3%時，較大量鹽離子的存在會使水化膜增厚，從而使這種膠體破壞性又趨緩和。

圖4 外添加組分對乳液平均粒徑和平均zeta-電位的影響

相比于加鹽不利于乳液穩(wěn)定，添加5%蔗糖則對乳液有明顯的穩(wěn)定作用，使平均粒徑從75.6 nm減小到55.0 nm，zeta-電位絕對值從40.3 mV增加到50.7 mV，這可能是由于蔗糖增加了乳液膠粒外表面的親水性，使水化膜增厚，靜電屏蔽增強(qiáng)，從而有效阻止了乳液聚集，使乳液平均粒徑變小，穩(wěn)定性增加。

而對黃原膠而言，由圖4可知，其雖對增加膠粒zeta-電位絕對值不明顯，但卻可以在一定程度上降低膠粒直徑。作為一種具有優(yōu)良乳化特性的黏性多糖，黃原膠既能夠加厚乳液膠粒外表面的水化膜，又可以有效提高乳液水相的黏度，增加油滴聚結(jié)的空間阻礙，因此也具有顯著的穩(wěn)定乳液的作用。

2.2.2 酸堿度對環(huán)糊精乳液穩(wěn)定性的影響

體系pH值會影響液滴帶有電荷的類型和數(shù)量，進(jìn)而影響液滴zeta-電位，最終影響乳液的穩(wěn)定性[17]。從圖5可以看出，pH 3.7、6.5、9.0時的平均粒徑分別為121.7、76.5、65.3 nm，而Zeta-電位絕對值分別為25.2、41、55.3 mV，即隨著乳液體系pH值的增高，乳液膠粒的平均粒徑顯著變小，Zeta-電位絕對值逐漸增大。這一結(jié)果說明，偏堿性環(huán)境會使油滴的環(huán)糊精界面膜帶有更多的電荷，油滴間靜電斥力增大，從而更有利于乳液的穩(wěn)定。

圖5 不同pH條件下乳液的平均粒徑和平均Zeta-電位

2.3 乳液的貯存穩(wěn)定性

乳狀液穩(wěn)定性可以用乳化系數(shù)來評判。取油水比7∶3、添加3% β-環(huán)糊精、添加或不添加0.5%的黃原膠制備乳液，室溫貯存60 d，計算乳液的乳化系數(shù)。結(jié)果如表1所示，經(jīng)過60 d儲藏，所測試的兩種紫蘇籽油乳液均能保持穩(wěn)定，乳化系數(shù)為100%，未發(fā)生分層現(xiàn)象，說明乳液具有很好的儲存穩(wěn)定性。

表1 β-環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油乳液的貯存穩(wěn)定性

注：乳液制備條件∶油水比7∶3、添加3% β-環(huán)糊精。

在以β-環(huán)糊精乳化穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液中，界面膜是由β-環(huán)糊精包合物納米顆粒通過緊密排列而成，相比于傳統(tǒng)液體膜，這種固態(tài)界面膜具有理想的韌性和強(qiáng)度，從而賦予Pickering乳液較高的穩(wěn)定性。另外，目前關(guān)于β-環(huán)糊精穩(wěn)定Pickering乳液的研究報道已有不少，但粒徑大多在數(shù)百納米至數(shù)十微米之間，本實驗所得紫蘇仔油乳液粒徑基本保持在數(shù)十納米范圍，zeta-電位絕對值也在30 mV以上，說明利用β-環(huán)糊精乳化作用可得到具有很好地穩(wěn)定紫蘇仔油乳液，本實驗的貯存穩(wěn)定性結(jié)果也證實了這一點。

2.4 乳液的流變特性

黏度可以表征乳液體系的流變特性，從中還可以得到乳液內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)方面的信息[21]。選用油水比7∶3、3%β-環(huán)糊精以及其他添加成分，制備不同的紫蘇籽油乳液，利用流變儀對乳液黏度進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖6。

圖6 紫蘇籽油乳液的流變特性

環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油乳液的黏度隨剪切速率增加而快速下降，屬于剪切變稀的假塑性流體[24]。乳液中添加黃原膠和蔗糖可增加乳液體系的黏度，而加入食鹽則能降低乳液黏度。單純水-油乳體系的黏度在剪切速率為1 s-1時為61.1 Pa·s，添加0.5%的黃原膠或5%的蔗糖后分別增加至73.2和89.0 Pa·s，而加入2%食鹽后黏度降至36.7 Pa·s。這種乳液黏度的改變與其穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)，與前面關(guān)于乳液粒徑及Zeta電位變化的結(jié)果也相一致。

使用變溫程序?qū)θ橐旱膹椥阅Ａ考梆ば阅Ａ窟M(jìn)行分析可看出，隨著溫度的升高，乳液的彈性模量及黏性模量基本呈下降趨勢，但彈性模量數(shù)值均大于黏性模量，說明在25～80 ℃的變溫范圍內(nèi)乳液樣品一直呈現(xiàn)軟凝膠狀態(tài)[25]。結(jié)合這種復(fù)合模量參數(shù)和乳液的黏度數(shù)值，可以判斷該紫蘇籽油乳液具有類似人造奶油的組織狀態(tài)及口感。

3 結(jié)論

利用β-環(huán)糊精作為乳化穩(wěn)定劑可以制備紫蘇籽油的Pickering乳液，乳液為水包油型，其中油滴呈標(biāo)準(zhǔn)的球形，直徑在數(shù)十納米范圍；當(dāng)油∶水比例在6∶4～7∶3范圍、β-環(huán)糊精用量3%時可形成穩(wěn)定的全乳液體系。

向乳液中添加5%糖或0.5%黃原膠或提高體系pH值，可使乳液粒徑減小、電位絕對值增大，從而增加乳狀液的穩(wěn)定性；而添加1%～3%的食鹽，會使乳液粒徑趨大、電位絕對值降低，不利于乳液的穩(wěn)定。

β-環(huán)糊精穩(wěn)定的紫蘇籽油Pickering乳液屬于剪切變稀的假塑性流體，加入0.5%黃原膠和5%蔗糖會導(dǎo)致乳液黏度增加，添加1%～3%食鹽則導(dǎo)致乳液黏度下降；在25～80 ℃的范圍內(nèi)，乳液彈性模量始終高于黏性模量，呈軟凝膠狀，具有類似奶油的形態(tài)。