王麗霞，李 格，湯宇琪，黃玉婷，何冀賢，李洪清

(1.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2.嗡嗡蛙電子商務(wù)唐山有限公司，唐山 063000)

生姜(Zingiber officinale Roscoe)是多年生草本植物，屬藥食同源植物，具有解表散寒、溫中止嘔、溫肺止咳、解毒的功效，在食品行業(yè)中常用作香辛料和調(diào)味劑.生姜精油是通過水汽蒸餾、超聲萃取或其他方法從生姜的根、莖中提取出來的一類可流動的油狀成分，水溶性極低，但極易溶于有機(jī)溶劑[1-2].玉米油的色澤淡黃，質(zhì)地透明，氣味較為清淡，含有十分豐富的不飽和脂肪酸和維生素E，并且本身不含有膽固醇，對老年性疾病如動脈硬化、糖尿病和心臟疾病等具有積極的防治作用.

目前，乳化精油常用的方法是高壓均質(zhì)化[3]、微流化[4]和超聲處理[5].還有一些低能耗的乳化方法，包括反向乳化[6]、自發(fā)乳化[7]和相轉(zhuǎn)變溫度[8].自發(fā)乳化是形成納米級顆粒的一種廣泛使用的技術(shù)，是指在連續(xù)攪拌的條件下，將油滴滴入含有乳化劑的水中進(jìn)行乳化，基于有機(jī)相、表面活性劑和水相的混合[9]，表面活性劑分子從有機(jī)相向水相遷移，形成水包油體系，可制得細(xì)小乳液[10].

乳液是以液滴形式分散在另一種液體中的不混溶液體的分散體，但由于各種物理化學(xué)機(jī)制，液滴會隨著時間的流逝而破裂[11].乳化劑的種類一般分為小分子表面活性劑、磷脂、蛋白質(zhì)和多糖類表面活性劑.表面活性劑用于吸附在脂質(zhì)和水相之間的界面上，以降低界面張力，從而穩(wěn)定乳液.兩種不同乳化劑組合形成的乳液可能與單獨使用任何一種乳化劑形成的乳液的液滴大小和乳液穩(wěn)定性不同.Yildirim等[12]采用不同乳化方法制備肉桂油納米乳液，研究不同制備方法對液滴粒徑分布和穩(wěn)定性的影響.Hashtjin等[13]采用超聲乳化技術(shù)制備粒徑分布均勻的橘皮精油納米乳液，研究超聲時間、振幅和加工溫度對其流變特性和穩(wěn)定性的影響.

本研究采用自發(fā)乳化法，以生姜精油為原料，玉米油為載體油，選用單甘酯和吐溫-20作為表面活性劑制備精油乳液，對乳液的特性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為生姜精油在醫(yī)藥和化妝品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

生姜精油，實驗室自制；玉米油購于華潤萬家超市；吐溫-20、單脂肪酸甘油酯(單甘酯)、卵磷脂、辛烯基琥珀酸淀粉鈉(SSOS)、阿拉伯膠、冰乙酸、硫代硫酸鈉、淀粉指示劑和三氯甲烷，分析純，天津市江天化工技術(shù)股份有限公司.

1.2 儀器與設(shè)備

DFG801型電熱鼓風(fēng)干燥箱，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠；TG16-WS型臺式高速離心機(jī)，山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司；HJ-6A型數(shù)顯恒溫多頭磁力攪拌器，上海易友儀器有限公司；Bettersize 2600型激光粒度分布儀，丹東百特儀器有限公司；Turbiscan Lab型分散體系穩(wěn)定性分析儀，法國Formulaction公司；MARS 60型動態(tài)流變儀，德國HAAKE(哈克)公司；XSP-35-1600X型光學(xué)顯微鏡，鳳凰光學(xué)股份有限公司；Phoneix-150型動態(tài)接觸角測量儀，韓國SEO公司.

1.3 生姜精油乳液的制備

生姜精油乳液的制備方法參考Komaiko等[14]的方法.將生姜精油(GEO)和玉米油(CO)混合，用磁力攪拌器密封攪拌5min；然后將復(fù)配乳化劑加入油混合物中，充分?jǐn)嚢?5min.用5mL針管吸出含有復(fù)配乳化劑的油混合物，以2mL/min滴入攪拌的去離子水中，以900r/min的速度過夜攪拌，使油滴充分分散到水相中，得到生姜精油乳液.

1.4 乳化劑的篩選

固定生姜精油和玉米油的體積比、復(fù)配乳化劑添加量和油水體積比，精確稱取適量的乳化劑，將其加入油相中，乳化劑添加量為5%，混合比例為1∶1，并按照1.3節(jié)的方法制備生姜精油乳液，在室溫下靜置7d觀察，記錄并計算乳層析指數(shù).

1.5 乳化穩(wěn)定系數(shù)的計算

乳化穩(wěn)定系數(shù)的測定參考Taha等[15]的方法.取15mL新制備的生姜精油乳液置于離心管中，高度為h0，轉(zhuǎn)移乳液過程中盡量避免掛壁和產(chǎn)生氣泡，3000r/min離心15min，測量乳液的下層清液高度h1，按照式(1)計算乳化穩(wěn)定系數(shù).

1.6 生姜精油乳液制備的條件優(yōu)化

分別進(jìn)行生姜精油和玉米油體積比、復(fù)配乳化劑添加量、油水體積比、單甘酯與吐溫-20質(zhì)量比的單因素實驗，考察不同因素對生姜精油乳液的乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響.

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，采用Design-Expert 8.0.6設(shè)計生姜精油乳液配方的響應(yīng)面實驗并分析.

1.7 生姜精油乳液的特性

1.7.1 生姜精油乳液液滴外觀輪廓及粒徑的測定

取新制備的生姜精油乳液并稀釋10倍，將生姜精油乳液滴到載玻片上，調(diào)整亮度，選取10倍目鏡，分別在40倍和100倍的物鏡下，觀察生姜精油乳液液滴的外觀輪廓.通過Bettersize 2600型激光粒度分布儀進(jìn)行生姜精油乳液的平均粒徑測量分析.遮光率為5%，轉(zhuǎn)速為800r/min，將待測樣品滴入進(jìn)樣池中，確定粒徑范圍和比表面積.

1.7.2 生姜精油乳液靜態(tài)穩(wěn)定性的測定

靜態(tài)穩(wěn)定性的測定參考李艷如等[16]的方法，吸取20mL新制備的生姜精油乳液并轉(zhuǎn)移到平底螺旋頂管中，樣品液面盡量保持平整，避免出現(xiàn)氣泡.放入預(yù)熱30min的儀器中，測試溫度為25℃，測試時間為4h，時間間隔30min，掃描9次，采集數(shù)據(jù)并用Turbiscan Easysoft軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

1.7.3 生姜精油乳液流變性質(zhì)的測定

通過旋轉(zhuǎn)流變儀測定生姜精油乳液黏度隨剪切速率的變化.將新制備的生姜精油乳液1mL置于平臺上，選用35mm的平板，測量間距為1mm，在25℃條件下、0.1～100s-1范圍內(nèi)進(jìn)行動態(tài)流變測量.

1.7.4 生姜精油乳液表面張力的測定

生姜精油乳液表面張力的測定參考章雨桐[17]的方法，采用視頻光學(xué)接觸角測量儀測定吸附到油-水界面的乳化劑的表面張力.將針尖浸入裝有樣品的玻璃槽中，吸取少量乳化劑溶液置于注射器中，檢測樣品表面張力隨吸附時間的變化.

1.7.5 生姜精油乳液乳層析指數(shù)的測定

生姜精油乳液乳層析指數(shù)的測定參考朱瑞瑜等[18]的方法.將新制備的生姜精油乳液置于10mL玻璃瓶中，在室溫下密閉放置7d，測量乳液總高度ht和下層清液高度(hs).按照式(2)計算乳層析指數(shù).

1.7.6 生姜精油過氧化值的測定

稱取樣品3g(精確至0.001g)，置于250mL的碘量瓶中，加入30mL三氯甲烷-冰乙酸混合液，輕輕振搖使樣品完全溶解.準(zhǔn)確加入1.00mL飽和碘化鉀溶液，輕輕振搖0.5min，放置暗處3min；加入100mL水，搖勻后立即用0.002mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，滴定至淡黃色時加入0.01mol/L淀粉指示劑，繼續(xù)滴定并快速攪拌至藍(lán)色消失，一式3份.過氧化值按照式(3)計算.

式中：X為過氧化值，mmol/kg；V為樣品消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；V0為空白實驗消耗的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；c為硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；m為樣品質(zhì)量，g；1000為換算系數(shù).

1.7.7 生姜精油乳液儲藏穩(wěn)定性

將新制備的生姜精油乳液置于15mL離心管中，再分別置于不同溫度的環(huán)境中儲藏，每隔7d依據(jù)1.7.1節(jié)的方法測生姜精油乳液的平均粒徑，持續(xù)觀察28d，計算乳化穩(wěn)定系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化劑的篩選

乳化劑種類對生姜精油乳液乳層析指數(shù)的影響如圖1所示，其中不同字母表示組間差異顯著(P＜0.05).由圖1可知：樣品6的乳層析指數(shù)最低，為45.36%.這可能是由于兩種乳化劑親水親油性差別很大，當(dāng)其吸附到油-水界面時，形成由乳化劑的隨機(jī)分布組成的二維可混溶系統(tǒng)[19].因此，選擇單甘酯和吐溫-20進(jìn)行復(fù)配.

圖1 乳化劑種類對生姜精油乳液乳層析指數(shù)的影響Fig.1Effects of emulsifier type on the stratification index of ginger essential oil emulsion

2.2 生姜精油乳液制備的條件優(yōu)化

2.2.1 單因素實驗

復(fù)配乳化劑添加量、生姜精油與玉米油體積比、油水體積比、單甘酯與吐溫-20質(zhì)量比對乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響如圖2所示.由圖2可知：分別在生姜精油和玉米油體積比為1∶5、復(fù)配乳化劑添加量為6%、油水體積比為1∶9、單甘酯和吐溫-20的質(zhì)量比為1∶1時得到最佳乳化穩(wěn)定系數(shù).

圖2 復(fù)配乳化劑添加量、生姜精油和玉米油體積比、油水體積比、單甘酯與吐溫-20的質(zhì)量比對乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響Fig.2 Effects of amount of added compound emulsifier，volume ratio of ginger essential oil and coil oil，oil-water ratio，and mass ratio of monoglyceride and Tween-20 on emulsion stability coefficient

2.2.2 響應(yīng)面實驗

在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，選擇復(fù)配乳化劑添加量(A)、生姜精油和玉米油體積比(B)、油水體積比(C)、單甘酯與吐溫-20的質(zhì)量比(D)為自變量，乳化穩(wěn)定系數(shù)(Y)作為響應(yīng)變量.響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果見表1，方差分析見表2.

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果Tab.1 Design and results of response surface experiment

表2 方差分析Tab.2 Variance analysis

通過多元回歸分析，得二次多項回歸擬合方程為

表2顯示了擬合方程的單向方差分析(ANOVA).R2＝0.9122＞0.900，P＜0.0001，且失擬項不顯著，說明模型具有極高的顯著性，擬合性較好.在模型中，線性參數(shù)A和D極顯著(P＜0.01)，B顯著(P＜0.05)，C不顯著(P＞0.05).交互作用參數(shù)AB、AC、AD、BC、BD和CD均不顯著(P＞0.05)，說明4個自變量中任意兩個的交互作用均不顯著.由F值可以得出，影響生姜精油乳液乳化穩(wěn)定系數(shù)的貢獻(xiàn)值大小順序為A＞D＞B＞C，即復(fù)配乳化劑添加量＞單甘酯與吐溫-20的質(zhì)量比＞生姜精油與玉米油的體積比＞油水體積比.

經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化，生姜精油乳液最佳制備工藝條件為：復(fù)配乳化劑添加量6.85%、生姜精油和玉米油的體積比1∶4.35、油水體積比1∶8.33、單甘酯和吐溫-20的質(zhì)量比5∶4，經(jīng)過驗證實驗，生姜精油乳液的乳化穩(wěn)定系數(shù)為(35.48±0.69)%.

2.3 生姜精油乳液的特性

2.3.1 生姜精油乳液液滴的微觀輪廓及粒徑參數(shù)

生姜精油乳液液滴的光學(xué)顯微鏡圖如圖3所示.從圖3(a)—圖3(c)中可以清晰地看到在乳化劑包裹下的液滴輪廓，液滴的密度依次為頂部＞中部＞底部，可能因重力的影響，液滴出現(xiàn)上浮的現(xiàn)象.乳液各部位的尺寸均一但個別液滴出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象，液滴的輪廓均在疏水作用下呈現(xiàn)出均勻的球體，未出現(xiàn)明顯的液滴破裂.從圖3(d)—圖3(f)可以看出，液滴在乳液的各個部位分散均勻，說明乳液的聚結(jié)穩(wěn)定性良好.但是，在圖3(e)和圖3(f)中觀察到白色不規(guī)則聚集物.

圖3 生姜精油乳液液滴的光學(xué)顯微鏡圖Fig.3 Optical microscopy of ginger essential oil emulsion drops

生姜精油乳液粒徑參數(shù)和比表面積見表3.由表3可知：加入玉米油的生姜精油乳液與不加的相比，比表面積下降，D50和D(4,3)均顯著降低(P＜0.05).

表3 生姜精油乳液粒徑參數(shù)和比表面積Tab.3 Particle size parameters and specific surface area of ginger essential oil emulsion

生姜精油乳液的粒徑分布如圖4所示.當(dāng)油相為生姜精油和玉米油時，乳液粒徑分布范圍較窄且集中分布，而未加入玉米油的乳液粒徑分布較寬，粒徑分布區(qū)間增大，并呈現(xiàn)多峰狀態(tài).這表明玉米油作為載體油對生姜精油具有分散的效果，并形成均一液滴.

圖4 生姜精油乳液粒徑分布Fig.4Particle size distribution of ginger essential oil emulsion

2.3.2 生姜精油乳液表面張力

生姜精油乳液表面張力隨時間的變化曲線如圖5所示.由圖5可知：油相為生姜精油的乳液初始表面張力為14.54mN/m，并以非常平緩的趨勢降低；油相中加入玉米油的乳液初始表面張力較高，為20.29mN/m，在20min后趨于穩(wěn)定.加入玉米油的油滴，分子體積大，使得乳化劑在吸附過程中受到空間位阻的影響，隨著時間的延長，表面張力逐漸降低，最終低于純生姜精油的表面張力.

圖5 生姜精油乳液表面張力隨時間的變化曲線Fig.5Variation curve of interfacial tension of ginger essential oil emulsion with time

2.3.3 生姜精油乳液穩(wěn)定性分析

生姜精油乳液穩(wěn)定性分析如圖6所示.由圖6可見，經(jīng)過相同時間的靜態(tài)掃描后，兩種乳液的動力學(xué)不穩(wěn)定性系數(shù)(TSI)都隨著時間的延長逐漸上升.但是油相為單一生姜精油制備的生姜精油乳液的TSI值整體高于以生姜精油和玉米油為油相的乳液，說明前者穩(wěn)定性較差.這表明玉米油作為載體油對生姜精油乳液穩(wěn)定性有提高作用.

圖6 生姜精油乳液穩(wěn)定性分析Fig.6 Stability analysis of ginger essential oil emulsion

生姜精油乳液峰厚度隨時間的變化曲線如圖7所示.由圖7可知：兩個樣品都在測試開始1h后出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但是油相為純生姜精油的乳液曲線增長趨勢明顯優(yōu)于油相為生姜精油和玉米油的乳液.在3.5h出現(xiàn)的突起，說明乳液液滴發(fā)生凝絮聚結(jié)的現(xiàn)象，使分層厚度出現(xiàn)高于趨勢的變化.油相中加入玉米油的乳液，降低了油滴的遷移速率，乳液整體呈現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的狀態(tài).

圖7 生姜精油乳液的峰厚度隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curve of peak thickness of ginger essential oil emulsion with time

生姜精油乳液光子自由程隨時間的變化曲線如圖8所示.由圖8可知，光子自由程在油相為純生姜精油、油相為生姜精油和玉米油的樣品的中部變化幅度起伏不明顯.位于頂部的光子自由程變化明顯，油相為純生姜精油的乳液光子自由程從632.56μm降低到531.30μm，而油相為生姜精油和玉米油的樣品則從621.83μm降低到547.60μm，以純生姜精油為油相制備的乳液變化幅度最大.

圖8 生姜精油乳液光子自由程隨時間的變化曲線Fig.8Variation curve of photon free path of ginger essential oil emulsion with time

生姜精油乳液粒徑隨時間的變化曲線如圖9所示.由圖9可知：以生姜精油為油相的樣品中部的液滴粒徑隨時間略微增加而位于頂部的液滴粒徑則隨時間明顯下降，粒徑從4.6686μm降低到3.7571μm.以生姜精油和玉米油為油相的樣品中部的液滴粒徑隨時間略微增長，增幅為0.2086μm.油相為純生姜精油和油相為生姜精油和玉米油的樣品位于樣品頂部的液滴粒徑變化趨勢相似，在制備2h內(nèi)，粒徑從4.5918μm降低到3.8426μm，之后趨勢平緩.由此得出，以生姜精油和玉米油為油相的乳液相對于以純生姜精油為油相的乳液在維持液滴粒徑方面有更好的效果，說明其穩(wěn)定性優(yōu)于后者.

圖9 生姜精油乳液粒徑隨時間的變化曲線Fig.9Variation curve of particle size of ginger essential oil emulsion with time

2.3.4 生姜精油乳液流變特性

生姜精油乳液流變特性分析如圖10所示.

圖10 生姜精油乳液流變特性分析Fig.10Rheological properties of ginger essential oil emulsion

由圖10可知：兩種樣品的黏度均隨著剪切速率的增大而減小.僅含有生姜精油的乳液具有較高的黏度，這意味著它有可能形成濃厚的質(zhì)地.以生姜精油和玉米油為油相的樣品，其黏度低于以生姜精油為油相的樣品，說明該樣品有較好的流動性，能夠降低濃厚的質(zhì)地，并改善了乳液本身的流變特性.

2.3.5 生姜精油乳液過氧化值的測定

生姜精油乳液過氧化值的變化曲線如圖11所示.由圖11可知：在3個溫度環(huán)境下，隨著儲藏時間的延長，生姜精油乳液過氧化值均呈現(xiàn)增大趨勢.與25℃和50℃相比，4℃儲藏條件下的過氧化值未發(fā)生明顯變化，從2.3217mmol/kg增加到3.3282 mmol/kg.低溫條件降低了乳液中油滴的熱分子運(yùn)動，減少了與氧氣的接觸，使下層乳液的氧化程度降低.這表明在低溫環(huán)境下能更好地儲存乳液，降低其氧化程度.

圖11 生姜精油乳液過氧化值的變化曲線Fig.11 Curve of peroxide value of ginger essential oil emulsion

2.3.6 溫度對生姜精油乳液穩(wěn)定性的影響

溫度對生姜精油乳液平均粒徑和粒徑分布的影響如圖12所示.由圖12(a)可知：隨著時間的延長，每組均出現(xiàn)液滴粒徑增長的趨勢，但3個條件之間粒徑的增長趨勢差異顯著(P＜0.05).在4℃條件下，液滴的粒徑變化小，粒徑從初始的(1.357±0.162)μm增長到(2.486±0.204)μm，說明整個乳液體系穩(wěn)定性良好，油-水界面的界面壓力、界面結(jié)構(gòu)和界面組成未發(fā)生明顯變化.由圖12(b)可知，生姜精油乳液在所有條件下都呈現(xiàn)三峰分布，在儲存28d后都出現(xiàn)不同程度的右移，位于1.5μm的主峰峰值都出現(xiàn)不同程度的降低.在4℃條件下儲藏28d，主峰峰值降低，位于2μm處偏峰的峰值出現(xiàn)輕微增長，說明乳液中部分液滴出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，但是乳液的總體分布未發(fā)生明顯的變化，表明乳液的穩(wěn)定性良好.

圖12 溫度對生姜精油乳液平均粒徑和粒徑分布的影響Fig.12Effects of temperature on the average particle size and particle size distribution of ginger essential oil emulsion

溫度對生姜精油乳液乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響如圖13所示，其中不同小寫字母表示組間差異顯著(P＜0.05)，不同大寫字母表示組間差異極顯著(P＜0.01).由圖13可知：在4℃、25℃和50℃儲藏條件下，隨著儲藏時間的延長，生姜精油乳液的乳化穩(wěn)定系數(shù)均逐漸降低，最終的乳化穩(wěn)定系數(shù)表現(xiàn)為溫度越低，乳化穩(wěn)定系數(shù)越大.在4℃環(huán)境下，液滴間的熱運(yùn)動降低，多層乳化劑包被的油滴顯示出較強(qiáng)的聚結(jié)穩(wěn)定性，也使得液滴之間的疏水作用與空間排斥的相互作用處于相對平衡的狀態(tài)，提高了其絮凝穩(wěn)定性，使得生姜精油乳液的分層情況有所改善.這說明低溫可以改善乳液的分層情況并提高乳液的儲藏穩(wěn)定性.

圖13 溫度對生姜精油乳液乳化穩(wěn)定系數(shù)的影響Fig.13Effectsof temperature on the stratification index of ginger essential oil emulsion

3 結(jié) 論

基于本實驗室用超臨界CO2流體萃取技術(shù)制備的生姜精油純度較高，刺激性較強(qiáng)，故制備高水分含量乳化劑來降低生姜精油的刺激性，從而使乳液的體系更加穩(wěn)定.通過單因素實驗和響應(yīng)面分析得出生姜精油乳液的最佳制備方案為：復(fù)配乳化劑添加量6.75%、生姜精油和玉米油的體積比為1∶4.35、油水體積比為1∶8.33、單甘酯和吐溫-20的質(zhì)量比為5∶4，所制得樣品的乳化穩(wěn)定系數(shù)可以達(dá)到(35.48±0.69)%.

對所制備的生姜精油乳液進(jìn)行特性研究，生姜精油和玉米油為油相的乳液的粒徑分布范圍較窄，流變特性顯示生姜精油和玉米油為油相的乳液黏度較低，有較好的流動性.低溫可以改善乳液的分層情況并提高乳液的儲藏穩(wěn)定性.本研究結(jié)果可以為生姜精油在醫(yī)藥和化妝品乳液的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ).