曹亞倩 肖軍霞 蔣林宏 黃國(guó)清

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266109)

關(guān)鍵字 玉米麩皮 纖維素 Pickering乳液 乳析指數(shù)

乳液是由兩種互不相溶的液體組成，其中一種液體以液滴的形式分散于另一種液體中，乳化劑在乳液的制備中起著至關(guān)重要的作用[1]。目前絕大多數(shù)的乳化劑都是表面活性劑，其在食品中的應(yīng)用范圍和添加量均有嚴(yán)格的限制，這在一定程度上制約了乳液在某些產(chǎn)品中的應(yīng)用。

Pickering乳液是一種新型乳液，其利用超細(xì)固體顆粒而非傳統(tǒng)的乳化劑來(lái)穩(wěn)定乳液體系。這種乳液最早由Ramsden[2]于20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)，并由Pickering等[3]對(duì)其進(jìn)行了深入的探索，后來(lái)人們將這種乳液定名為Pickering乳液。Pickering乳液可由一種或多種固體顆粒來(lái)穩(wěn)定，與用表面活性劑制備的乳液相比，Pickering乳液具有固體顆粒用量小、成本低、泡沫少、環(huán)保、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗奧氏熟化以及安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[4，5]，因此在食品、醫(yī)藥、化妝品以及功能性高分子材料等領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力[6，7]。就食品領(lǐng)域而言，已有文獻(xiàn)報(bào)道將Pickering乳液用于活性物質(zhì)的靶向傳輸、質(zhì)地改良和低熱量食品開(kāi)發(fā)等方面[8，9]。

一些食品級(jí)的無(wú)機(jī)粒子如SiO2[10]、TiO2[11]、CaCO3[12]等已被用于制備Pickering乳液，但是這些無(wú)機(jī)物無(wú)法滿足人們對(duì)綠色安全的要求，因此一些生物質(zhì)顆粒在Pickering乳液制備中的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注，變性淀粉納米顆粒[13]、幾丁質(zhì)納米晶體[14]、殼聚糖顆粒[15]、脂肪顆粒[16]等天然粒子已被發(fā)現(xiàn)具有穩(wěn)定乳液的能力。纖維素是自然界存在最為廣泛的生物大分子，其不溶于水的特性使其非常容易形成固體顆粒，這為其在Pickering乳液制備中的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。有文獻(xiàn)表明，來(lái)源于細(xì)菌的纖維素納米晶體具有穩(wěn)定乳液的能力[17]，這為拓展纖維素的新應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

玉米麩皮是玉米淀粉通過(guò)濕法加工得到的副產(chǎn)物，主要由玉米籽粒的表皮和糊粉層組成，大約占玉米籽粒總質(zhì)量的9%～13%；此外，還含有30%～50%的半纖維素、10%～20%的纖維素、較多的酚酸以及少量的蛋白質(zhì)，幾乎不含有木質(zhì)素[18-20]。在工業(yè)生產(chǎn)中，玉米麩皮多被用作飼料或者作為廢物丟棄，造成了很大的資源浪費(fèi)，導(dǎo)致其利用不夠充分、附加值低。與其他谷物外皮相比，玉米麩皮中的纖維素含量較高并且纖維結(jié)構(gòu)完好[19]。因此，拓展玉米纖維素在Pickering乳液制備中的應(yīng)用，將有望提高玉米加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量和玉米麩皮的附加值。

本實(shí)驗(yàn)采用酶水解法從玉米麩皮中提取得到純度相對(duì)較高的玉米纖維素，就其在Pickering乳液制備中的應(yīng)用進(jìn)行研究，主要探究了油水比、均質(zhì)時(shí)間、均質(zhì)轉(zhuǎn)速、均質(zhì)溫度、纖維素添加量對(duì)Pickering乳液制備的影響，并對(duì)所得乳液的穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究，以期為玉米麩皮的綜合利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

玉米麩皮：南京泰甜商貿(mào)有限公司；大豆油(食用級(jí))；α-淀粉酶(BR)、糖化酶(BR)、中性蛋白質(zhì)(BR)。

1.2 儀器與設(shè)備

DL-5-B低速離心機(jī)；FW-100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)；FJ200-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)；YS100雙目生物顯微鏡；UV-2000紫外分光光度計(jì)。

1.3 玉米纖維素的純化

將玉米麩皮經(jīng)水洗3遍，棄去上浮物，瀝干，90 ℃烘箱烘干后粉碎過(guò)80目篩，收集篩下玉米麩粉于密封袋中保存?zhèn)溆谩８鶕?jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，稱取10 g玉米麩粉至200 mL蒸餾水中，于沸水浴糊化10 min，流水冷卻至室溫。調(diào)節(jié)糊狀液的pH至6～7，按照200 U/g玉米麩粉的量加入α-淀粉酶，于65 ℃水浴攪拌保溫；反應(yīng)1 h后沸水浴10 min滅酶，流水冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH至4～5，加入糖化酶300 U/g玉米麩粉，于60 ℃下反應(yīng)0.5 h；沸水浴10 min滅酶，流水冷卻至室溫，調(diào)節(jié)pH至6～7，加入中性蛋白酶1 200 U/g玉米麩粉，40 ℃連續(xù)攪拌反應(yīng)5 h。反應(yīng)完成后，沸水浴10 min滅酶，然后3 000 r/min離心15 min，棄去濾液，濾渣用60～70 ℃的熱水反復(fù)洗滌直至懸浮液無(wú)渾濁，抽濾，65 ℃干燥至恒重，得到相對(duì)純化的玉米纖維素，其粗纖維含量按照GB/T 5009.10—2003的方法測(cè)定，蛋白質(zhì)含量根據(jù)GB/T 5009.5—2003的方法測(cè)定，淀粉含量采用GB 5009.9—2016的方法測(cè)定。

1.4 Pickering乳液的制備

1.4.1 玉米纖維素的預(yù)處理

將1.3中得到的玉米纖維素懸浮于蒸餾水中得到質(zhì)量濃度為0.6% (m/V)的儲(chǔ)備液，在11 000 r/min下高速分散10 min以降低粗纖維的粒徑，備用。

1.4.2 油水比的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲(chǔ)備液稀釋至纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06% (m/V)，按油水體積比為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5加入大豆油，在30 ℃下11 000 r/min高速分散10 min，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在10倍鏡下觀察油滴分布，并測(cè)定其貯藏穩(wěn)定性。

1.4.3 分散時(shí)間的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲(chǔ)備液稀釋至纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06% (m/V)，按最適油水體積比加入大豆油，在30 ℃下11 000 r/min高速分散4、7、10、13、16 min，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測(cè)定貯藏穩(wěn)定性。

1.4.4 分散轉(zhuǎn)速的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲(chǔ)備液稀釋至纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06% (m/V)，按最適油水比混合于燒杯中，在30 ℃下分別以5 000、8 000、11 000、14 000、17 000 r/min的轉(zhuǎn)速分散10 min，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測(cè)定貯藏穩(wěn)定性。

1.4.5 分散溫度的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲(chǔ)備液稀釋至纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06% (m/V)，按最適油水體積比加入大豆油，分別在10、20、30、40、50 ℃下以最適轉(zhuǎn)速和時(shí)間高速分散，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測(cè)定貯藏穩(wěn)定性。

1.4.6 纖維素添加量的影響

用蒸餾水將玉米纖維素儲(chǔ)備液分別稀釋至纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.015%、0.030%、0.060%、0.120%、0.240% (m/V)，按最適油水體積比加入大豆油，在最適溫度、最適轉(zhuǎn)速及最適時(shí)間下高速分散，靜置5 min后觀察乳液外觀、拍照，在40倍鏡下觀察油滴分布，并測(cè)定貯藏穩(wěn)定性。

1.5 乳液形態(tài)觀察

1.5.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察

乳液制備好后，立即用光學(xué)顯微鏡的10倍或40倍物鏡觀察乳狀液中的液滴分布。取一滴乳狀液樣品滴在載玻片上，然后蓋上蓋玻片，用玻璃棒輕輕按壓確保蓋玻片和載玻片之間沒(méi)有氣泡。然后將其放在顯微鏡下觀察并拍照。

1.5.2 外觀觀察

將新制備好的乳液攪拌均勻后立即倒入10 mL具塞試管中，豎直擺放整齊，用數(shù)碼相機(jī)拍照。

1.6 貯藏穩(wěn)定性

取10 mL新配制好的的乳液置于10 mL具塞刻度試管中，將試管靜置于冰箱冷藏室中(4 ℃)，每隔24 h記錄乳液是否分層以及乳液下層清液的高度，共持續(xù)7 d。乳液的貯藏穩(wěn)定性用乳析指數(shù)(Creaming index, CI)來(lái)表示，計(jì)算公式為[21]：

式中：Hs為下清液層的高度；Ht為乳液的總高度。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示，采用SPSS Statistics 17.0.1進(jìn)行t檢驗(yàn)和方差分析，當(dāng)P<0.05時(shí)認(rèn)為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米纖維素的組成

玉米麩皮和玉米纖維素的組成見(jiàn)表1。

表1 玉米麩皮和玉米纖維素的組成/%(m/m)

注：同列數(shù)據(jù)標(biāo)有不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表1可知，分別在最適條件下用淀粉酶、糖化酶和中性蛋白酶處理后，玉米麩皮中的淀粉含量和蛋白質(zhì)含量均顯著降低，而纖維素含量則提高了近1倍，表明本方法可以顯著提高玉米纖維素的含量。因此，采用該部分純化的玉米纖維素進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 Pickering乳液的制備

2.2.1 油水比的影響

油水比對(duì)Pickering乳液顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖1所示。當(dāng)油水比為1∶9時(shí)可以看到分散的乳滴，表明此時(shí)玉米纖維素可以穩(wěn)定大豆油并形成Pickering乳液；當(dāng)油水例上升至2∶8、3∶7時(shí)，乳滴逐漸減小，但形態(tài)仍較為均勻；當(dāng)油水比繼續(xù)升高至4∶6時(shí)，乳滴的形態(tài)再次變大但不均勻；當(dāng)油水比達(dá)到5∶5時(shí)，乳滴顆粒再次減小且形態(tài)均勻。

新制備乳液的外觀形態(tài)見(jiàn)圖2中的插圖。新制備的乳液均包含上層的乳液層和下層的水相層，且均未見(jiàn)到油層；另外，隨著體系中油相含量的升高，乳液層的厚度也隨之增加，表明大豆油已經(jīng)被成功分散，玉米纖維素具有穩(wěn)定Pickering乳液的能力，這與圖1的結(jié)果一致。另外，隨著油水比的增加，試管底部白色沉淀的量隨之降低。該白色沉淀是未參與乳化的玉米纖維素。當(dāng)油水比較低時(shí)，纖維素過(guò)量因此沉淀到試管底部；當(dāng)油水比達(dá)到5∶5時(shí)，所有的纖維素均參與了乳液的形成，故而試管底部再無(wú)纖維素沉淀，這進(jìn)一步證實(shí)了玉米纖維素具有穩(wěn)定乳液的能力。

油水比對(duì)Pickering乳液貯存穩(wěn)定性的影響如圖2所示。在不同油水比下制備的Pickering乳液均具有很好的穩(wěn)定性，且油水比為5∶5時(shí)的CI最小，因此選擇該油水比進(jìn)行后續(xù)研究。

圖1 不同油水比所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(10×)

注：同組標(biāo)有不同字母表示差異顯著(P<0.05)，余同。圖2 油水比對(duì)Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

圖3 分散時(shí)間時(shí)所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

2.2.2 分散時(shí)間的影響

分散時(shí)間對(duì)Pickering乳液顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖3所示。當(dāng)均質(zhì)時(shí)間為4、7、10、13、16 min時(shí)，乳液中均有形態(tài)大小不均勻的液滴存在。由圖4中的插圖可以看出，乳液層高度總體上隨著分散時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，且當(dāng)分散時(shí)間為16 min時(shí)下層水相較為澄清、上層乳液更加均一。另外，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，CI隨之增加，乳液的穩(wěn)定性有所降低(圖4)。比較而言，當(dāng)分散時(shí)間為16 min時(shí)乳液的CI值最低、隨貯藏時(shí)間變化的幅度最小、穩(wěn)定性最好。因此，16 min為制備乳液的最適分散時(shí)間。

圖4 分散時(shí)間對(duì)Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

2.2.3 分散轉(zhuǎn)速的影響

分散轉(zhuǎn)速對(duì)Pickering乳液顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖5所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 000、8 000 r/min時(shí)，視野中觀察不到明顯的乳滴，乳化效果不佳；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至11 000 r/min時(shí)，乳滴數(shù)量明顯增加且形態(tài)規(guī)則、分布均勻；但是當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加至14 000 r/min和17 000 r/min時(shí)，乳滴的數(shù)量明顯減少且出現(xiàn)了少量粒徑較大的乳滴，表明乳滴發(fā)生了聚集。

由圖6中的插圖可以看出，當(dāng)分散速度為5 000 r/min時(shí)，整個(gè)體系發(fā)生了嚴(yán)重的析油現(xiàn)象，玉米纖維素?zé)o法有效地穩(wěn)定乳液，這與圖5a中觀察到的結(jié)果一致；當(dāng)分散速度增加至8 000 r/min時(shí)，雖然沒(méi)有明顯的析油現(xiàn)象，但是乳液相不均一；當(dāng)分散速度增加至11 000 r/min及以上時(shí)，乳液層變得更加均一，但是下層的水相在轉(zhuǎn)速為14 000 r/min及17 000 r/min時(shí)變得混濁，且轉(zhuǎn)速越高現(xiàn)象越明顯，表明有部分玉米纖維素從乳液表層脫落了下來(lái)。由圖6中的CI變化曲線可以看出，當(dāng)均質(zhì)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min和17 000 r/min時(shí)，CI較大、乳液的穩(wěn)定性最差，而當(dāng)轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時(shí)，乳液的CI最小、穩(wěn)定性最強(qiáng)。

圖5 分散轉(zhuǎn)速時(shí)所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

圖6 分散轉(zhuǎn)速對(duì)Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

Pickering乳液與傳統(tǒng)的基于表面活性劑乳液相比最顯著的優(yōu)點(diǎn)是其穩(wěn)定性極高，因?yàn)楣腆w顆粒以不可逆的方式結(jié)合在油水界面，需要極高的能量才能使其從界面上解吸[22]。在當(dāng)分散速度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生的剪切力導(dǎo)致玉米纖維素顆粒從乳滴表面解吸下來(lái)，從而導(dǎo)致了圖5和圖6中出現(xiàn)的乳滴聚集及CI較高的現(xiàn)象。因此最佳分散速度為11 000 r/min。

2.2.4 分散溫度的影響

高溫會(huì)使分子運(yùn)動(dòng)加劇，因此傳統(tǒng)乳液對(duì)高溫的穩(wěn)定性較差。由圖7可以看出，當(dāng)分散溫度為10 ℃時(shí)，乳滴分散較為均勻、乳滴粒徑較??；隨著乳化溫度的增加，乳滴的粒徑明顯變大，且該現(xiàn)象在50 ℃時(shí)尤為明顯，表明乳滴發(fā)生了聚集。

由圖8中的插圖可以看出，當(dāng)分散溫度為10℃時(shí)，乳液較為均一、下層水相高度較低；隨著分散溫度的增加，乳液高度逐漸降低、下層水相高度逐漸增加且更加混濁。當(dāng)均質(zhì)溫度為10 ℃時(shí)，所得到的乳液的穩(wěn)定性最好，這與圖7的結(jié)果一致。

圖7 分散溫度時(shí)所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

圖8 分散溫度對(duì)Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

已有學(xué)者就溫度對(duì)Pickering乳液穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，蠟顆粒穩(wěn)定的乳液穩(wěn)定性隨之降低、聚集現(xiàn)象越發(fā)明顯[23]，這與本研究結(jié)果一致，表明Pickering乳液同傳統(tǒng)乳液一樣，對(duì)高溫的穩(wěn)定性較差。因此最佳分散溫度為10 ℃。

2.2.5 玉米纖維素添加量的影響

圖9 纖維素添加量時(shí)所得Pickering乳液的顯微結(jié)構(gòu)(40×)

圖10 玉米纖維素添加量對(duì)Pickering乳液外觀及貯存穩(wěn)定性的影響

對(duì)于Pickering乳液而言，作為乳化劑的固體顆粒的濃度對(duì)于乳液的性質(zhì)有重要影響。在一定范圍內(nèi)，固體顆粒的數(shù)量越多，其對(duì)乳滴的覆蓋越充分，所得乳滴的粒徑越小[24]。由圖9可以看出，在本研究選擇的濃度范圍內(nèi)玉米纖維素均可穩(wěn)定大豆油乳液，隨著其濃度的增加，油滴粒徑的分布越來(lái)越均一，且該現(xiàn)象在質(zhì)量濃度為0.120%時(shí)最為明顯；當(dāng)玉米纖維素濃度進(jìn)一步增加時(shí)，油滴粒徑開(kāi)始變大，出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象。由圖10插圖可以看出，玉米纖維素添加量對(duì)乳液外觀有重要影響，隨著其濃度的增加，乳液層的高度明顯降低、水相的高度明顯增加。這可以用乳液粒徑與乳化劑濃度之間的關(guān)系來(lái)解釋。當(dāng)玉米纖維素添加量增加且不過(guò)量時(shí)，其可覆蓋的油/水界面的面積隨之增加，因此乳滴的粒徑隨之變小，乳滴之間的堆積更加緊密，導(dǎo)致乳液層的體積減少。圖9e中乳滴粒徑增大的現(xiàn)象可能與視野選擇不當(dāng)所致。另外，由圖10插圖還可以看出，當(dāng)玉米纖維素質(zhì)量濃度為0.015%和0.030%時(shí)，試管底部無(wú)白色沉淀，表明玉米纖維素全部參與了乳液的形成；但是當(dāng)玉米纖維素質(zhì)量濃度繼續(xù)增加至0.060%以上時(shí)，試管底部開(kāi)始出現(xiàn)玉米纖維素沉淀且其含量隨著玉米纖維素濃度的升高而增加，表明此時(shí)玉米纖維素開(kāi)始過(guò)量。

由圖10可以看出，雖然隨著玉米纖維素添加量的增加，CI隨之增加，但是在貯藏過(guò)程中CI的變化程度呈現(xiàn)出了相反的趨勢(shì)，即玉米纖維素添加量越高，CI變化程度越小，且該現(xiàn)象在玉米纖維素添加量為0.240%時(shí)尤為明顯。這是由于在高玉米纖維素濃度下乳滴的粒徑更小，乳滴之間的堆積更加緊密，因此在貯藏過(guò)程中體積的變化更小。由于當(dāng)玉米纖維素濃度過(guò)高時(shí)會(huì)過(guò)剩而導(dǎo)致其利用率降低，因此確定的最佳玉米纖維素添加量為0.015%。

3 結(jié)論

采用淀粉酶、糖化酶和中性蛋白酶處理玉米麩皮后得到了純度相對(duì)較高的玉米纖維素，并對(duì)其在制備Pickering乳液中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，玉米纖維素具有穩(wěn)定乳液的能力，當(dāng)以大豆油為油相時(shí)，其制備Pickering乳液的最適條件為油水體積比5∶5、分散轉(zhuǎn)速11 000 r/min、分散時(shí)間7 min、分散溫度10 ℃、纖維素添加量0.015%。在此條件下制備的Pickering乳液外觀均一，貯藏過(guò)程中無(wú)油相析出且乳液層較為穩(wěn)定。因此，玉米纖維素有望在新型Pickering乳液的開(kāi)發(fā)中獲得一定應(yīng)用。在后續(xù)研究中，還需對(duì)玉米纖維素粒徑、表面疏水性等特征進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究以獲得具有更好穩(wěn)定性和更高實(shí)用價(jià)值的Pickering乳液。