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(1.暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系,廣東廣州 510630; 2.韶關(guān)奔陽食品有限公司,廣東韶關(guān) 512600)

橙皮精油是重要的食品添加劑及化工和醫(yī)學(xué)原料[1],同時(shí)還具有抗氧化、抗菌等功效[2]。但由于水溶性差、揮發(fā)性強(qiáng)等問題,會(huì)導(dǎo)致加入產(chǎn)品中的橙皮精油很大程度的損失。為了改善橙皮精油的穩(wěn)定性,可采用微膠囊化或乳濁液形式,但產(chǎn)品粒徑較大,生物利用度相對不高,且微膠囊化產(chǎn)品大多是固體香料[3-4],不方便作為食品添加劑加入到飲料等液體食品中,影響了其應(yīng)用。

近年來,納米乳液在提高功能性成分、香精香料的穩(wěn)定性方面體現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢[5-7]。納米乳液是主要由水、脂溶性芯材、水溶性壁材和乳化劑等組成成分,按一定比例在特定條件下混合形成的膠體分散體系,液滴粒徑一般在100～200 nm[8]。其粒度較小且尺度均一、穩(wěn)定性較好、黏度較低,對于易于揮發(fā)、氧化、水解的芯材具有良好的保護(hù)作用。高壓均質(zhì)是制備乳液常用的方法,其中高壓微射流技術(shù)是近年來發(fā)展的一種新型高壓加工技術(shù)。乳液在高壓(100～800 MPa)下通過具有固定幾何形狀的微通道交互室。兩股粗乳化液從兩個(gè)相對的通道中以高速狀態(tài),相互加速碰撞,產(chǎn)生巨大的剪切作用力[9]。一般來說,渦流伴隨氣穴的慣性力主要負(fù)責(zé)液滴破裂[10-11]。相比于高壓均質(zhì)的傳統(tǒng)高壓閥能夠起到更好的超微化、微乳化和均一化效果[12],因此在制備納米乳液方面具有顯著的優(yōu)越性。要想獲得穩(wěn)定的納米乳液選擇合適的均質(zhì)壓力和處理次數(shù)至關(guān)重要[13]。選擇合適的乳化劑種類和類型是決定乳狀液能否制備成功的關(guān)鍵因素之一。不同的乳化劑會(huì)呈現(xiàn)不同的物化性能,因而乳化劑在油水界面的吸附能力以及表面成膜能力等均會(huì)有所差異,這直接影響到乳狀液的穩(wěn)定性[14-15],而乳液穩(wěn)定性是評價(jià)其質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。隨著乳化劑濃度的增大,表面張力不斷下降,由于乳化劑濃度達(dá)到一定值后,乳化劑大分子會(huì)在水溶液中形成球狀和棒狀的膠團(tuán),形成膠團(tuán)的濃度即臨界膠團(tuán)濃度,因此選擇合適的乳化劑濃度也非常重要[13]。

皂樹苷(Quillajasaponin,QS)是從皂樹皮中提取的一種天然三類萜皂苷,可用作飲料的起泡劑和發(fā)泡劑。近年來研究表明,QS還是一種理想的乳化劑,即使在很低濃度下也表現(xiàn)出很強(qiáng)的乳化能力[16-17],但國內(nèi)對其乳化性能的研究不多[18]。而蛋白質(zhì)和多糖是制備乳液常用的乳化劑。因此,為對乳化效果進(jìn)行對比,本文選用了變性淀粉(modified starch,MS)、乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)、QS和合成小分子乳化劑十二烷基硫酸鈉(sodium lauryl sulfate,SDS)制備橙皮精油納米乳液,并探討了不同高壓微射流均質(zhì)條件(壓力、次數(shù))對其乳液粒徑、濁度和貯藏穩(wěn)定性的影響,從而為制備穩(wěn)定的橙皮精油納米乳液與在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用提供必要基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

橙皮精油(橙油) 廣州百花香精香料有限公司;QS、MS、WPI 美國國民淀粉有限公司;松香甘油酯(Ester gum,EG)、SDS、檸檬酸和檸檬酸鈉 均為分析純,所有實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

20 HT/GT高剪切混合器 美國Greerco公司;PC-351磁力攪拌器 美國Corning公司;M-110Y高壓微射流機(jī) 美國Microfluidics公司;LA-300激光粒徑分布儀 日本Horiba公司;DVT Dial黏度計(jì) 美國Brookfield公司;2100AN濁度計(jì) 美國Hach公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米乳液的制備 將橙油加入到一定濃度EG溶液中,磁力攪拌至完全溶解,形成油相(分散相),橙油占油相的1%。同時(shí)稱取一定量的乳化劑(QS、SDS、MS、WPI)分別溶解于90 mL蒸餾水中,形成水相(連續(xù)相)。在室溫下將連續(xù)相和分散相用高剪切混合器在6000 r/min條件下混合2 min,混合均勻后得到粗乳液。然后將粗乳液通過高壓微射流均質(zhì)機(jī)(不同的均質(zhì)條件)獲得納米乳液,將其立即冷卻至室溫備用。

1.2.2 不同因素對納米乳液制備的影響

1.2.2.1 不同乳化劑類型和濃度的納米乳液的制備 將含有1%橙油的10% EG溶液分散相分別與1%、2%、3%、4%、5%、6%的QS、SDS、WPI和6%、8%、10%、12%、14%的MS連續(xù)相按質(zhì)量比2∶3經(jīng)6000 r/min高速混合后,經(jīng)高壓微射流機(jī)22000 psi處理1次,分別得到不同濃度的QS、SDS、WPI和MS納米乳液,并測定其MDD。

1.2.2.2 不同EG濃度的納米乳液的制備 將1%橙油溶于10%、20%、30%、40%、50%、60% EG溶液中制備分散相,再與2% SDS,4%的QS、WPI和8% MS連續(xù)相按質(zhì)量比2∶3經(jīng)6000 r/min高速混合后得到粗乳液,經(jīng)高壓微射流機(jī)22000 psi處理1次,收集所得納米乳液,待測定MDD和相黏度比。

1.2.2.3 不同均質(zhì)條件的納米乳液的制備 分散相均為含有1%橙油的10% EG溶液,分別與2%SDS、4%的QS、WPI和8% MS連續(xù)相按質(zhì)量比2∶3經(jīng)6000 r/min高速混合后,將等量的粗乳液分別通過高壓微射流機(jī)不同壓力(1000、3500、10000、15000、22000 psi)4次,收集不同壓力條件下的納米乳液,并測定其MDD;另外,將等量的粗乳液分別經(jīng)10000 psi分別通過1、2、3、4次,收集不同均質(zhì)次數(shù)下的納米乳液,待測定其MDD和濁度。

1.2.3 納米乳液貯藏穩(wěn)定性測定 將1%橙油溶于30% EG溶液中制備分散相,再與2% SDS,4%的QS、WPI和8% MS連續(xù)相按質(zhì)量比2∶3經(jīng)6000 r/min高速混合后得到粗乳液,經(jīng)高壓微射流機(jī)10000 psi處理2次,儲(chǔ)存于25 ℃恒溫箱中,每隔0、1、3、5、10、16、21 d測定MDD和濁度。每個(gè)樣品重復(fù)三次。

1.2.4 指標(biāo)測定

1.2.4.1 納米乳液MDD的測定 將激光粒徑分布儀調(diào)節(jié)到Wet模式,校正調(diào)零后,用膠頭滴管取制備好的納米乳液,滴加到激光粒徑分布儀的加樣口,待紅色條示數(shù)達(dá)80%時(shí),關(guān)閉加樣口蓋,開始測定。每個(gè)樣品重復(fù)三次測定。

1.2.4.2 納米乳液濁度的測定 利用濁度計(jì)測定稀釋納米乳濁度。濁度計(jì)由波長為455 nm和90 °角檢測器的彩色濾波模塊組成。濁度計(jì)運(yùn)用一系列的濁度標(biāo)準(zhǔn)液從0～2000 NTU校準(zhǔn)。將樣品稀釋100倍,每個(gè)樣品重復(fù)三次測量。

1.2.4.3 納米乳液的相黏度比的測定 黏度計(jì)分別測定分散相粘度(ηd)和連續(xù)相粘度(ηc)。黏度計(jì)使用不同幾何形狀的錐板來測量。基于初步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,對于所有樣品選擇RV#1主軸和30 r/min的速度。對每個(gè)樣品進(jìn)行三次測量,并取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010和Origin Pro 8軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及作圖,數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Means±SD)表示,顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化劑類型和濃度對橙油納米乳液MDD的影響

QS、WPI、SDS和MS四種乳化劑在不同濃度對納米乳液的影響見圖1。結(jié)果表明,所有乳濁液的粒徑都在200 nm以下,而在壓力和次數(shù)分別增加到22000 psi和4次時(shí),粒徑可小于150 nm。不同乳化劑形成的乳液粒徑具有較明顯差異。乳化劑濃度大于2%(MS>6%)后,四種乳化劑所制備的納米乳液MDD的大小順序?yàn)閃PI>MS>QS>SDS,可見小分子的乳化劑更易形成粒徑更小的乳濁液。但SDS為化學(xué)合成的乳化劑,在食品工業(yè)中應(yīng)用受限,僅作為對照參考。

圖1 乳化劑類型和濃度對納米乳液MDD的影響Fig.1 Effect of emulsifier type andconcentration on MDD of nanoemulsion

隨著乳化劑濃度的增加,納米乳液MDD降低,這可能是由于兩個(gè)主要原因:在較高濃度的乳化劑下,在均質(zhì)化過程中有更多乳化劑分子可用于包裹油滴物體;較高濃度的乳化劑可以使乳化劑較快的吸附到油滴表面,更有效地防止聚結(jié)[19]。

在較高濃度的WPI的納米乳液中,能形成較小粒徑的乳液而并未發(fā)生絮凝,這可能是過量的WPI分子會(huì)被吸附在液滴表面并形成多層涂層。Cornacchia等[20]研究發(fā)現(xiàn),由于乳清蛋白在均質(zhì)化過程中會(huì)發(fā)生部分變性,變性蛋白質(zhì)分子暴露含有反應(yīng)基團(tuán)的氨基酸和巰基,并通過疏水相互作用和二硫鍵促進(jìn)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用,因此在WPI穩(wěn)定的乳液中可能形成多個(gè)界面層。

乳液濃度增加到一定程度后,四種乳濁液粒徑漸趨平緩,后續(xù)選擇2%作為SDS乳液添加量,4%作為QS、WPI添加量,8%作為MS乳液添加量。

2.2 EG濃度對橙油納米乳液MDD的影響

EG在分散相中的濃度對納米乳液的MDD也有重要影響(圖2)。隨著EG濃度增加到30%～40% 時(shí),四種納米乳液的MDD均達(dá)到較小值,再繼續(xù)增加EG濃度,MDD未見明顯變化。如SDS納米乳液,EG在分散相中的濃度為40%時(shí),可以得到較低的MDD(148～152 nm),而對于QS乳液,EG濃度為30%～40%時(shí),可以得到較低的MDD(166～167 nm)。

圖2 EG濃度對納米乳液MDD的影響Fig.2 Effect of EG concentration on MDD of nanoemulsion

分散相中EG的含量必將影響乳液的相黏度比(ηd/ηc),圖3比較了四種納米乳液的ηd/ηc。Wooster等[21]認(rèn)為優(yōu)化分散相與連續(xù)相的ηd/ηc可以促進(jìn)納米乳液的形成。由于SDS、MS與QS、WPI的體系的黏度比差別很大,那么可能SDS和MS的較低粒徑是由于較低的ηd/ηc易產(chǎn)生液滴的分解。因此,評估相黏度比可以更好地理解它如何影響乳化劑性能和納米乳液形成。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,Ostwald熟化和相黏度比在納米乳液形成中都能起重要作用[22],并且在評估生產(chǎn)納米乳液時(shí)的乳化劑性能時(shí)必須考慮這兩個(gè)因素。

圖3 不同納米乳液的相黏度比Fig.3 Phase viscosity ratio of different nanoemulsion systems

2.3 均質(zhì)條件對納米乳液的影響

2.3.1 均質(zhì)條件對納米乳液MDD的影響 四種乳液的MDD與均質(zhì)壓力具有較相似的關(guān)系。隨著均質(zhì)壓力的增大(1000～10000 psi),剪切力與紊流作用力不斷增大,四種乳液的MDD逐漸減小,之后趨于平緩(>10000 psi)(圖4)。在壓力達(dá)到10000 psi時(shí),四種乳液的MDD均能達(dá)到150 nm左右。

圖4 均質(zhì)壓力對納米乳液MDD的影響Fig.4 Effect of pressure on MDD of nanoemulsion

由圖5可知,更多的均質(zhì)次數(shù)導(dǎo)致更小的MDD,均質(zhì)次數(shù)2次時(shí)，四種乳液的粒徑基本都達(dá)到200 nm以下，但超過4次后,由于有足夠的乳化劑包裹在油滴的表面,液滴直徑保持恒定,繼續(xù)均質(zhì)不能產(chǎn)生更小的液滴[23]。一般情況下,均質(zhì)1次時(shí),并非所有的液滴都會(huì)受到同樣強(qiáng)烈的均勻化能量,因此一部分粗乳液的尺寸沒有實(shí)質(zhì)性的減小,當(dāng)然這也取決于均化閥的類型和構(gòu)造。多次通過減少了這些大液滴形成的可能性,但多次通過一定次數(shù)后就會(huì)降低均質(zhì)效果。Joseph等[24]用改性淀粉穩(wěn)定的維生素E納米乳液研究了均質(zhì)化次數(shù)對MDD的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力為8990 psi下,均質(zhì)次數(shù)從1次增加到16次時(shí),MDD從210 nm下降到110 nm。然而,另一項(xiàng)研究表明,在壓力范圍3045～12180 psi,改性淀粉穩(wěn)定的d-檸檬烯乳液的MDD隨著均質(zhì)次數(shù)的增加而增加[25]。

圖5 均質(zhì)次數(shù)對納米乳液MDD的影響Fig.5 Effect of number of passes on MDD of nanoemulsion

為進(jìn)一步研究壓力與橙油納米乳液粒徑的關(guān)系,以MS納米乳液為例,發(fā)現(xiàn)壓力與MDD的關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系(圖6)。均質(zhì)次數(shù)為4次時(shí),MDD與壓力的關(guān)系更加接近指數(shù)關(guān)系(R2=0.9275)。

圖6 均質(zhì)壓力與納米乳液MDD的關(guān)系Fig.6 Relationship between pressureand MDD of nanoemulsion

2.3.2 均質(zhì)次數(shù)對納米乳液濁度的影響 乳液的光學(xué)性質(zhì)特征在于與乳液粒徑相關(guān)的濁度。對于納米乳液而言,液滴的尺寸遠(yuǎn)小于光的波長(r?λ),這將導(dǎo)致較弱的光散射,因此濁度很低[26]。如圖7所示,納米乳液的濁度隨著均質(zhì)次數(shù)的增加而減小,這與其MDD減少的趨勢相似。當(dāng)乳液的粒徑變小,乳液散射光的作用變強(qiáng),所得到的數(shù)值就會(huì)變小。QS和MS作為乳化劑制備的納米乳液的MDD數(shù)值非常相近,可以看到其濁度數(shù)值也很相近。其中WPI的濁度變化范圍最大,這可能是因?yàn)閃PI的粒徑分布范圍要大于其它乳化劑制備的乳液。

圖7 均質(zhì)次數(shù)對納米乳液濁度的影響Fig.7 Effect of number of passes onturbidity of nanoemulsion

2.4 納米乳液的貯藏穩(wěn)定性

乳液穩(wěn)定性是評價(jià)其質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。乳狀液若沒有很好的穩(wěn)定性,貯藏一段時(shí)間后,分子間會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的凝聚,乳狀液會(huì)分層,嚴(yán)重影響食品外觀和口感,被裝載的生物活性物質(zhì)或營養(yǎng)成分的穩(wěn)定性也會(huì)遭到破壞[27]。

在儲(chǔ)存21 d的過程中,4種納米乳液的MDD隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長變化非常緩慢(圖8),與新制備的橙皮精油納米乳液MDD相近,這說明納米乳液具有較好的物理穩(wěn)定性和儲(chǔ)藏穩(wěn)定性。但乳液的濁度發(fā)生一定變化(圖9),除MS納米乳液,其它納米乳液的濁度在0～10 d時(shí),隨著時(shí)間的增加而減小。觀察到的濁度降低可能歸因于系統(tǒng)中存在的液滴的數(shù)量和/或尺寸的減小,這表明橙油分子正在從乳液液滴中移出并進(jìn)入乳化劑的膠束。10～21 d,隨著時(shí)間的增加而增大,這種現(xiàn)象可能是由于油分子從小分子的擴(kuò)散到大液滴,而加速了Ostwald熟化過程[28]。

圖8 在25 ℃條件下儲(chǔ)存時(shí)間對不同乳液MDD的影響Fig.8 Effects of storage time on theMDD of different emulsions at 25 ℃

圖9 在25 ℃條件下儲(chǔ)藏時(shí)間對不同乳液濁度的影響Fig.9 Effect of storage time onturbidity of different emulsions at 25 ℃

MS作為乳化劑的納米乳液的濁度在5 d內(nèi)大幅增加,然后緩慢增加。這可能是Ostwald熟化或聚結(jié)造成的。而數(shù)據(jù)分析顯示沒有發(fā)現(xiàn)MDD與儲(chǔ)存時(shí)間之間的線性關(guān)系(數(shù)據(jù)未顯示),這排除了Ostwald熟化是主要的不穩(wěn)定機(jī)理。考慮到混合油相在水中難溶,所以推論聚結(jié)應(yīng)該是納米乳液的主要不穩(wěn)定機(jī)理。

以SDS作為乳化劑制備的納米乳液在儲(chǔ)存過程中的MDD和濁度都是穩(wěn)定的,這表明沒有Ostwald熟化發(fā)生。對于SDS和MS作為乳化劑制備的納米乳液,它們的差異是由于體相粘度差異而導(dǎo)致的液滴的界面張力和擴(kuò)散系數(shù)不同。如果Ostwald熟化發(fā)生,兩種納米乳液的MDD在儲(chǔ)存期間將增加,但是MDD增加的速率不同。由于SDS作為乳化劑制備的納米乳液中未觀察到Ostwald熟化,因此認(rèn)為以MS作為乳化劑制備的納米乳液的主要不穩(wěn)定機(jī)理是聚結(jié)。這一結(jié)論與Wooster等[21]發(fā)現(xiàn)的一致,即植物油如花生油,由于它們在水中的低溶解度,對抗Ostwald熟化是穩(wěn)定的。與阿拉伯膠和改性阿拉伯膠相比,改性淀粉在穩(wěn)定飲料混濁乳液(pH3.6)方面表現(xiàn)出較差的性能[29]?？紤]到納米乳液的界面面積比飲料乳液的界面面積大得多,可以推斷以MS作為乳化劑制備的納米乳液是由于聚結(jié)而不穩(wěn)定造成的。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明,在一定濃度范圍,隨著乳化劑濃度增加,納米乳液的MDD會(huì)逐漸減小,而SDS、QS、WPI和MS適宜的濃度分別為2%、4%、4%和8%。隨著均質(zhì)壓力和均質(zhì)次數(shù)增加,納米乳液MDD和濁度都呈現(xiàn)較相似的減小趨勢,在壓力達(dá)到10000 psi和均質(zhì)次數(shù)2次時(shí),四種乳液的粒徑基本都達(dá)到200 nm以下,而在壓力和次數(shù)分別增加到22000 psi和4次時(shí),粒徑可小于150 nm。粒徑越小,納米乳液越能呈現(xiàn)出透明的外觀。研究發(fā)現(xiàn)均質(zhì)壓力與MDD的關(guān)系近似指數(shù)關(guān)系。EG在分散相中的濃度也會(huì)影響到乳液MDD,經(jīng)一定優(yōu)化后制備的四種納米乳液在25 ℃貯藏21 d內(nèi)性質(zhì)也基本穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)明顯的絮凝或分層的現(xiàn)象。