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        環(huán)糊精穩(wěn)定紫蘇籽油Pickering乳液的制備及其穩(wěn)定性

        2019-06-08 02:12:48李學(xué)紅郝曉萍劉延奇JaneJaylin
        中國(guó)糧油學(xué)報(bào) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:紫蘇籽油環(huán)糊精

        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(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)人類營(yíng)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(shì),成為近幾年食品乳液領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[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(jiàn)報(bào)道[6-8]。

        β-環(huán)糊精是由7個(gè)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(guò)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(dòng)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(jí));黃原膠(試劑級(jí));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(jiàn)分光光度計(jì)。

        1.3 實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)所得乳液體積和粒徑的影響。

        1.3.1.2 環(huán)糊精加量對(duì)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(duì)所得乳液體積和粒徑的影響。

        1.3.2 外加組分對(duì)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(duì)乳狀液穩(wěn)定性(粒徑及zeta電位)的影響。

        1.3.3 酸堿度對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)乳液粒度和 Zeta 電位進(jìn)行測(cè)定,平行測(cè)定3次,取平均值。

        1.3.6 乳液的貯存穩(wěn)定性測(cè)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(guò)計(jì)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(cè)定[14,15]

        利用流變儀對(duì)乳液的流變學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)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(tái)上,縫隙用甲基硅油涂布,測(cè)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(duì)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(lái)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(shuō)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(duì)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(duì)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(shí)所用油、水體積比對(duì)Pickering乳液的形成有很大影響。當(dāng)油水比為6∶4和7∶3時(shí)體系乳化后能夠全部形成乳液,油水比為8∶2時(shí)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(shí)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(shuō)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(guò)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(lái)看,該體系也無(wú)法形成半透性液體狀乳液。

        圖2 不同油水比對(duì)乳液形成體積及粒徑大小的影響(2%β-CD)

        對(duì)乳液粒徑測(cè)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(shí),油水比為6∶4時(shí)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(gè)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(shuō)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(duì)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(guò)高速乳化制備乳液,觀察體系各相體積比,并對(duì)乳液粒徑大小進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果如圖3所示,在油水比7∶3時(shí),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(shuō)明增加環(huán)糊精用量可顯著提高乳液的穩(wěn)定性,也說(shuō)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(shí)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(guò)3%時(shí),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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)紫蘇籽油乳液穩(wěn)定性的影響

        食品中常常會(huì)添加食鹽、蔗糖或酸味劑等進(jìn)行味道的調(diào)整,對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)測(cè)定液滴直徑以及zeta-電位來(lái)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(shì)差,是對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)制備紫蘇籽油乳液,評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)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(duì)乳液穩(wěn)定性破壞最大。這可能是因?yàn)樯倭葵}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(duì)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(shí),較大量鹽離子的存在會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)黃原膠而言,由圖4可知,其雖對(duì)增加膠粒zeta-電位絕對(duì)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(duì)環(huán)糊精乳液穩(wěn)定性的影響

        體系pH值會(huì)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(shí)的平均粒徑分別為121.7、76.5、65.3 nm,而Zeta-電位絕對(duì)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(duì)值逐漸增大。這一結(jié)果說(shuō)明,偏堿性環(huán)境會(huì)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(lái)評(píng)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(jì)算乳液的乳化系數(shù)。結(jié)果如表1所示,經(jīng)過(guò)60 d儲(chǔ)藏,所測(cè)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(shuō)明乳液具有很好的儲(chǔ)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(guò)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(bào)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(shí)驗(yàn)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(duì)值也在30 mV以上,說(shuō)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(shí)驗(yàn)的貯存穩(wěn)定性結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。

        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(dòng)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(duì)乳液黏度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(shì),但彈性模量數(shù)值均大于黏性模量,說(shuō)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(shí)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(duì)值增大,從而增加乳狀液的穩(wěn)定性;而添加1%~3%的食鹽,會(huì)使乳液粒徑趨大、電位絕對(duì)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(huì)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)。

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