張宗波，劉雪生，牛文杰，宋世良

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266555）

0 引 言

超聲乳化是指在超聲波作用下將一種或多種互不相溶的液體互相分散、切割成乳濁液或微乳液的過(guò)程［1］。超聲乳化技術(shù)是一種利用超聲空化原理制備納米液的乳化手段［2］，具有能耗低、表面活性劑等助劑用量少、粒徑尺寸?。?］、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)［4］，被認(rèn)為是綠色生產(chǎn)納米乳液的有效方法。王文蘋等［5］使用超聲乳化法制備葵花籽油乳液，認(rèn)為相比其他方法超聲乳化過(guò)程既高效又簡(jiǎn)單。周圓等［6］使用球形聚焦超聲反應(yīng)器制取了柴油乳化液，發(fā)現(xiàn)球形超聲聚焦設(shè)備不僅可以提供高能量用于乳化，而且還可以對(duì)乳液有很強(qiáng)的攪拌作用，制得了粒徑為0.5 μm 的乳液。陳紅等［7］研究了超聲乳化法制備甾醇乳化液的工藝條件，所制得的固醇乳液具有較小的粒徑、較好的穩(wěn)定性，并且均勻性高。文獻(xiàn)［8-10］中分別對(duì)油茶籽油、杜仲籽油、椰子油超聲乳化工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，分析了影響超聲乳化的因素，得到了相應(yīng)的最佳乳化工藝條件，制備出了粒徑在90～200 nm 之間的乳液。超聲乳化因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了較為廣泛的研究，這些研究中大多都是基于變幅桿式超聲反應(yīng)器［11］，而變幅桿式超聲反應(yīng)器因空化場(chǎng)體積小、聲場(chǎng)分布不均導(dǎo)致了乳液生產(chǎn)效率低且均勻性差，僅適用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的制備［12］。

槽式超聲反應(yīng)器具有制備體量大、聲場(chǎng)均勻性好等優(yōu)勢(shì)，但由于其空化強(qiáng)度較弱，難以制備較低粒徑的納米乳液［13-14］。本文提出在槽式超聲反應(yīng)器中通過(guò)人工引入微納米氣核以強(qiáng)化空化效應(yīng)，提升聲場(chǎng)空化密度和均勻性的納米乳液制備方法。將通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)法探究超聲時(shí)間、表面活性劑體積分?jǐn)?shù)與親水親脂平衡值（Hydrophilic Lipophilic Balance，HLB）對(duì)超聲乳化工藝制備納米乳液質(zhì)量的影響，并進(jìn)一步利用響應(yīng)面法對(duì)該乳化工藝進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)預(yù)測(cè)，通過(guò)擬合公式與期望值參量確定最優(yōu)工藝參數(shù)，以期獲得小粒徑、多分散性與穩(wěn)定性俱佳的水包油納米乳液。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

（1）實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)所用材料主要有：花生油（嘉里糧油有限公司）；Tween 80、Span 80、無(wú)水乙醇（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器。實(shí)驗(yàn)涉及的主要儀器有：槽式超聲反應(yīng)器（自研）；ZJC-NM微納米氣泡發(fā)生器（上海眾凈環(huán)?？萍加邢薰荆?；79-1 磁力攪拌器（江蘇金怡儀器科技有限公司）；JA203H 電子天平（常州市幸運(yùn)電子有限公司）；ZEN3600 粒度分析儀（馬爾文儀器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 表面活性劑HLB值的設(shè)定

通常，表面活性劑HLB 在4～8 范圍易形成油包水型乳液；在9～13 范圍易形成水包油型乳液。本文選擇Tween 80（HLB ＝15）與Span 80（HLB ＝4.3）作為復(fù)合表面活性劑乳化體系，根據(jù)HLB值計(jì)算式：

式中，WA、WB分別為Tween80、Span80 的乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.2 納米乳液的制備與檢測(cè)

在常溫條件下，將不同質(zhì)量比的Tween 80 與Span 80 混合，并在磁力攪拌器中以500 r／min 攪拌3 min，得到不同HLB值的復(fù)合表面活性劑（初始HLB 值為10.5）。將20 mL 油相與一定體積復(fù)合乳化劑加入2 000 mL水中，用磁力攪拌器以700 r／min攪拌5 min形成粗乳液（初始表面活性劑體積占比為1%）。

將粗乳液置于槽式反應(yīng)器中，并將反應(yīng)器與微納米氣泡發(fā)生器串聯(lián)循環(huán)進(jìn)行乳化。其中超聲功率恒定為400 W，超聲頻率恒定為28 kHz。選用食用油為油相，油相體積分?jǐn)?shù)恒定為1%（與水的體積比）。設(shè)定微納米氣泡發(fā)生器進(jìn)氣量為120 mL／min，微氣泡集中尺寸波動(dòng)范圍為0.1～200 μm。

將納米乳液稀釋100 倍，利用粒度分析儀采用動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）技術(shù)在25 ℃下測(cè)量乳液的平均粒徑和多分散指數(shù)（Polymer Dispersity Index，PDI），每次測(cè)量3 次，取平均值。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)后期響應(yīng)面法優(yōu)化要求，獲取單一變量下的局部變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)均在微氣泡強(qiáng)化的聲場(chǎng)中進(jìn)行，設(shè)定微納米氣泡發(fā)生器進(jìn)氣量為120 mL／min，微氣泡集中尺寸波動(dòng)范圍屬于0.1～200 μm。通過(guò)設(shè)定不同的超聲時(shí)間，改變表面活性劑占比與不同的表面活性劑HLB值進(jìn)行平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組進(jìn)行3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在此，本文定義：超聲時(shí)間為t，其變化范圍為4～32

min，變化間隔為4 min；表面活性劑占比為P，其變化范圍為0%～7%；乳液的平均粒徑為D；表面活性劑的HLB值變化范圍為9～13。在探究某一單因素影響規(guī)律時(shí)，其他因素的設(shè)定：花生油相占比為1%，t＝12 min，P＝1%，表面活性劑HLB ＝10.5，通過(guò)改變不同參數(shù)，繪制D與PDI的變化趨勢(shì)。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù)

基于單因素實(shí)驗(yàn)得出的變化規(guī)律，選定影響因子中各最佳值的變化區(qū)域，設(shè)定等距變化范圍。根據(jù)中心組合試驗(yàn)（Box-Behnken Design，BBD）原理［5］，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：得出的實(shí)驗(yàn)方案中有3 個(gè)因素，將每個(gè)因素設(shè)計(jì)為高、中、低3 個(gè)水平，分別用－1、0、1 表示，并設(shè)置D與PDI值為響應(yīng)面變量。使用分析軟件Design-Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲乳化單因素分析

根據(jù)單因素設(shè)定的基本條件，得到超聲乳化單因素影響變化規(guī)律，如圖1 所示。

圖1 超聲乳化單因素影響變化情況

（1）t的影響。由圖1（a）可知，隨著t的增加，D與PDI值皆逐步下降后趨于穩(wěn)定。當(dāng)t＝28 min時(shí)，D達(dá)到最低值為113.7 nm；t＝32 min 時(shí)，PDI 達(dá)到最低值為0.246。相較于對(duì)D的影響，t對(duì)乳液的PDI影響較為緩和，使用t處理乳液越久，乳液的均勻性越高。

（2）P的影響。由圖1（b）可知，當(dāng)P從0%提升至1%時(shí)，D從342.6 nm 開始迅速下降，最低降至221.9 nm，這表明使用低濃度表面活性劑即可大幅度降低D；當(dāng)P從1%提升至3%時(shí)，D呈波動(dòng)變化；當(dāng)P從3%提升至7%時(shí)，D迅速上升，最高升至537.6 nm。而過(guò)度增加P會(huì)導(dǎo)致D不降反增，這是因?yàn)閵W斯瓦爾德熟化效應(yīng)，是由于體系中液滴的非均性，不同尺寸液滴的界面勢(shì)能和曲率半徑不同，因此在連續(xù)相中的溶解度不同，由此產(chǎn)生的溶解度差促使了小尺寸液滴通過(guò)連續(xù)相轉(zhuǎn)移給大尺寸液滴，最終使液滴變大［15］。當(dāng)P從0%提升至2%時(shí)，PDI 從0.779 迅速下降，P為2%時(shí)降至最低；當(dāng)P從2%提升至3%時(shí)，PDI 值突增，乳液整體均一性變差；當(dāng)P從3%提升至7%時(shí)，乳液的PDI進(jìn)一步上升，最高升至0.914。這說(shuō)明，在低體積分?jǐn)?shù)占比時(shí)，表面活性劑可以極大地幫助乳液溶質(zhì)分散更均勻，提升乳液穩(wěn)定性；加入過(guò)多的表面活性劑時(shí)，多余的活性劑成分降低了乳液的均勻性，使得連續(xù)相溶解度差下降，從而促進(jìn)小尺寸液滴的再聚結(jié)。由此可知，當(dāng)P的范圍在1%～2%時(shí)，對(duì)降低D與提升乳液的分散性與均勻性有較好的效果。

（3）HLB的影響。由圖1（c）可知，隨著HLB 值不斷增加，D與PDI值均呈現(xiàn)上下振蕩、波動(dòng)上升的趨勢(shì)，且在HLB值為10 時(shí)處于最低值。這是因?yàn)閷?duì)于每種酯類精油，都存在其對(duì)應(yīng)的最佳乳化HLB 值，使得在同等條件下形成納米液滴的能力更強(qiáng)。研究選用油相的最佳乳化HLB 值為10 附近，因此認(rèn)為當(dāng)復(fù)合表面活性劑的HLB 值設(shè)定為10 左右時(shí)，更利于降低D與增強(qiáng)乳液溶質(zhì)的分散均勻性。

2.2 響應(yīng)面法選取最優(yōu)工藝參數(shù)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型方差分析

根據(jù)前設(shè)計(jì)的因素設(shè)定基本條件，基于響應(yīng)面法優(yōu)化方法，對(duì)單因素乳化實(shí)驗(yàn)獲得的各因素局部特征點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：分別選擇t、P和HLB 為因素1、2和因素3，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)分別標(biāo)記為F1（24，28，32）、F2（0.5，1.5，2.5）和F3（9.5，10，10.5），其水平值與編碼值見表1 所示，共有17 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次測(cè)量，取平均值為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

表1 響應(yīng)面因素編碼表與參數(shù)水平

表2 響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)方案及對(duì)應(yīng)響應(yīng)值

為檢驗(yàn)構(gòu)建模型的適用性，確定各因素對(duì)D與PDI值的影響程度，運(yùn)用方差分析所得結(jié)果，如表3 和4 所列。據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，自變量顯著性的重要依據(jù)為PValue（P＜0.05，表示水平顯著；P＜0.01，表示水平極顯著）［16］。

表3 D方差分析表

由表3、4 可見，通過(guò)選取D與PDI值2 個(gè)模型不同處理間差異結(jié)果都為極顯著（P＝0.002 5）與（P＝0.000 6），且失擬項(xiàng)差異均不顯著，意味著該殘差均由隨機(jī)誤差引起。2 個(gè)模型的擬合度R分別為0.932 2與0.954 8，表示響應(yīng)值D與PDI 值的變化分別有93.22%和95.48%來(lái)源于所選變量，模型擬合度極高，因此選用該方差模型對(duì)D和PDI值進(jìn)行最優(yōu)化參數(shù)的預(yù)測(cè)是可靠的。

由表3 可見，對(duì)于D的方差分析模型，一次項(xiàng)F2對(duì)D的影響達(dá)到極顯著水平，F(xiàn)1對(duì)D的影響達(dá)到顯著水平；二次項(xiàng)F22對(duì)D的影響達(dá)到顯著水平。由表4 可以看出，一次項(xiàng)F2、F3對(duì)PDI的影響達(dá)到極顯著水平，F(xiàn)1對(duì)PDI的影響達(dá)到顯著水平；二次項(xiàng)F22、F23對(duì)PDI的影響達(dá)到顯著水平。實(shí)驗(yàn)完成后，使用Design-Expert軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)3 個(gè)自變量進(jìn)行回歸擬合：

表4 PDI方差分析表

式中，Y（D）和Y（PDI）分別為由編碼值得到D和PDI值的多因素?cái)M合函數(shù)。結(jié)合表3 和4 顯著性分析可知，對(duì)于降低D的影響大小順序，F(xiàn)2＞F1＞F3；對(duì)于降低乳液PDI值的影響大小順序，F(xiàn)2＞F3＞F1。

2.2.2 交互響應(yīng)面圖分析

圖2～4 所示為多因素交互作用對(duì)D與PDI 的影響。與正交實(shí)驗(yàn)法相比，響應(yīng)面法最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用模型擬合出三維曲面圖和等高線來(lái)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)與自變量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直觀性比較強(qiáng)。

圖2 t和P對(duì)D和PDI的影響

（1）t和P對(duì)D和PDI的影響。當(dāng)設(shè)定HLB值為零水平時(shí)（F3＝10），由圖2 可知，在當(dāng)前t范圍內(nèi)（24～32 min），隨著t的增加，D呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，而PDI 值則無(wú)明顯變化；在當(dāng)前P變化范圍內(nèi)（0.5%～2.5%），隨著P的增加，D呈現(xiàn)逐漸降低后趨向于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而PDI值卻不斷提高，這表明納米乳液的穩(wěn)定性不斷降低。

（2）t和HLB對(duì)D和PDI的影響。當(dāng)設(shè)定P為零水平時(shí)（F2＝1.5），由圖3 可知，在當(dāng)前t范圍內(nèi)（24～32 min），隨著t的增加，D與PDI值皆呈現(xiàn)逐漸降低后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)；在當(dāng)前HLB值的變化范圍內(nèi)（9.5～10.5），隨著HLB值的增加，D與PDI值皆呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，這對(duì)提升乳化效能是不利的。

圖3 t和HLB對(duì)D和PDI的影響

（3）P和HLB對(duì)D和PDI的影響。當(dāng)設(shè)定t為零水平時(shí)（F1＝28），由圖4 可知，在當(dāng)前P變化范圍內(nèi)（0.5%～2.5%），隨著P的增加，D顯著降低，而PDI值則呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，但依舊保持較優(yōu)水平（低于0.4）；在當(dāng)前HLB 值的變化范圍內(nèi)（9.5～10.5），隨著HLB 值的增加，D沒(méi)有明顯變化，仍維持在較高水平，PDI值則呈現(xiàn)小幅度的上升。

圖4 P和HLB對(duì)D和PDI的影響

2.2.3 最佳工況及模型驗(yàn)證

將模型目標(biāo)設(shè)定為D與PDI 值最小化，得到如表5 所列的擬合方案。

表5 D及PDI最小化響應(yīng)面擬合方案

由表5 經(jīng)回歸方程擬合可得，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為D與PDI值盡量小時(shí)，最優(yōu)擬合結(jié)果為：t＝31.94 min；P＝1.98%；HLB ＝9.50。此時(shí)預(yù)測(cè)的D＝70.440 5 nm，PDI ＝0.274 5，預(yù)測(cè)可靠性為92.4%。根據(jù)1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法和以上優(yōu)化參數(shù)，制備花生油納米乳液，并通過(guò)粒度分析儀對(duì)D與PDI值進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 所示為最優(yōu)工藝參數(shù)下D的分布曲線。由圖5 可知，通過(guò)粒度分析儀多次檢測(cè)（t1～t6分別表示第1～6 次檢測(cè)結(jié)果），D為76.89 nm，PDI 值為0.241，且具較好的單峰集中性（單峰峰值為58.77 nm）與正態(tài)分布性。這表明通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化乳化工藝參數(shù)，成功獲取與預(yù)測(cè)響應(yīng)數(shù)值極為接近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)多因素?cái)M合計(jì)算式進(jìn)行的響應(yīng)值運(yùn)算值與實(shí)際值是較為接近。相較未優(yōu)化的D（236.8 nm）與PDI（0.569），通過(guò)改變t、P與HLB值，使D下降67.5%，PDI下降57.6%，這極大地提升了納米乳液的低納米密度與溶液的多分散性。

2.3 納米乳液的穩(wěn)定性分析

根據(jù)響應(yīng)面法獲取最佳乳化工藝參數(shù)，制備納米乳液需要驗(yàn)證其穩(wěn)定性能，通過(guò)不同的溫度貯藏條件對(duì)D與PDI值進(jìn)行跟蹤，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同溫度貯藏條件下穩(wěn)定性能變化情況

由圖6 可知，無(wú)論在室溫條件下（25 ℃）或低溫條件下（7 ℃），D與PDI 在30 d 內(nèi)的變化趨勢(shì)類似，整體D水平從70～80 nm區(qū)間范圍上升至100～110 nm區(qū)間范圍，PDI值從0.24～0.25 區(qū)間范圍上升至0.29～0.31 區(qū)間范圍（依然低于0.4），二者皆處于較低水平且乳液未出現(xiàn)分層破乳現(xiàn)象。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)人工引入微氣泡強(qiáng)化槽式超聲反應(yīng)器的方法成功制備了小粒徑高穩(wěn)定性的納米乳液，并進(jìn)一步優(yōu)化了制備工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)工藝參數(shù)為超聲時(shí)間31.94 min，表面活性劑體積1.98%，HLB 為9.50。在該工藝參數(shù)下獲得的納米乳液具有良好的低粒度（76.89 nm）、分散均勻性（PDI ＝0.241）與貯藏穩(wěn)定性（30 d以上未破乳）。此外，在超聲波制備納米乳液中，表面活性劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)降低乳液平均粒徑和PDI值的影響都是最顯著的。與此同時(shí)，該納米乳液制備方案具有快速、穩(wěn)定、制備體量大且表面活性劑需求少的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，使其在納米乳液工業(yè)應(yīng)用上具有較大的技術(shù)價(jià)值。