乳化剂类型、浓度及水相pH对水包核桃油乳状液物理稳定性的影响

易建华,程菁菁,董文宾

(陕西科技大学生命科学与工程学院,陕西西安 710021)

乳化剂类型、浓度及水相pH对水包核桃油乳状液物理稳定性的影响

易建华,程菁菁,董文宾*

(陕西科技大学生命科学与工程学院,陕西西安 710021)

为了了解在水包核桃油乳状液中乳化剂类型、浓度及水相pH对其物理稳定性的影响,考察四种乳化剂即乳清分离蛋白(WPI)、十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)以及失水山梨醇聚氧乙烯酯(Tween20)在pH3.0和 pH7.0条件下形成稳定的水包核桃油乳状液所需要的最低浓度。结果表明,pH对阳离子表面活性剂DTAB、非离子表面活性剂Tween20乳化效果影响较大,在pH3.0和7.0条件下形成稳定乳状液所需DTAB最低浓度分别为0.8%、2.0%,而Tween20最低浓度分别为0.6%、0.3%;pH(等电点除外)对两性大分子表面活性剂WPI和阴离子表面活性剂SDS的乳化效果影响较小。研究结果表明不同类型乳化剂在不同pH条件下对水包核桃油乳状液的物理稳定性影响差异较大。

乳化剂,核桃油,水包油乳状液,物理稳定性

核桃属植物隶属胡桃科(Juglandaceae),是多年生落叶果树,在中国又名胡桃、羌桃、万寿子、长寿果等[1]。核桃果实的营养价值非常高,其果仁中富含油脂、蛋白质、碳水化合物和许多微量元素[2],脂肪含量一般在 65%左右[3],其中不饱和脂肪酸占 90%以上[4],多不饱和脂肪酸中亚油酸(ω-6 PUFA)约 60%,亚麻酸(ω-3 PUFA)在 10%左右[5]。研究表明,核桃油中ω-3 PUFA能预防因高血压造成的动脉损伤[6]。尤为重要的是,核桃油PUFA中ω-6/ω-3比例符合联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)推荐的膳食中 ω-6/ω-3 脂肪酸的比例(5～10∶1)[7],因此,近年来,核桃油倍受消费者关注,其在食品、药品以及化工等领域有着广泛的应用前景。

由于油水界面张力的存在,核桃油与含水食品形成的O/W乳状液体系不稳定,易出现凝絮、聚结、分层、沉降等现象,导致体系失去稳定性[8]。为提高体系的稳定性,乳状液在均质前需添加具有表面活性的乳化剂。按亲水基团是否带电可将乳化剂分为离子型和非离子型两大类,其中离子型乳化剂又分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂[9]。近年来研究发现,不同乳化剂同时影响乳状液中油脂的氧化稳定性,如Ratchanee Charoen等人[10]研究界面膜组成对不同乳化剂所形成的水包油乳状液氧化稳定性的影响,结果表明在pH3.0和pH7.0条件下,乳清分离蛋白(WPI)和改性淀粉(WS)乳状液的氧化稳定性均优于阿拉伯胶(GA)乳状液。Jennifer R. Mancuso等人[11]研究乳化剂种类、pH以及螯合剂对水包鲑鱼油乳状液氧化稳定性的结果表明,pH6.5条件下,三种乳化剂形成的乳状液初级氧化速率从高到低依次为SDS>Brij>DTAB。目前国内外研究主要集中于乳化剂类型对乳状液氧化稳定性的影响,而关于含有不同带电基团的乳化剂对O/W乳状液物理稳定性比较研究尚未见报道。

表1 不同类型乳化剂在不同pH条件下形成乳状液的平均粒径Table 1 Mean droplet size of emulsion stabilized by different emulsifiers at different pH

本实验将利用乳状液粒径分布及其变化来研究不同类型乳化剂对水包核桃油乳状液物理稳定性影响,为核桃油的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

优质核桃油 陕西海源生态农业有限公司;乳清分离蛋白(WPI) 上海福诺食品有限公司;十二烷基磺酸钠(SDS) 天津市科密欧化学试剂有限公司;十二烷基三甲基溴化铵(DTAB) 国药集团化学试剂有限公司;吐温20(Tween20) 天津市科密欧化学试剂有限公司;磷酸氢二钠、柠檬酸、叠氮钠 天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯。

PB-10精密pH计 赛多利斯科学仪器北京有限公司;BS323S电子天平 赛多利斯科学仪器北京有限公司;84-1磁力搅拌器 上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;F6/10-10G超细匀浆机 上海弗鲁克流体机械制造有限公司;HPL科研型超高压均质机 喜高精密流体机械有限公司;Q/BKYY31-2000电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械有限公司;BT-9300S激光粒度分析仪 丹东百特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 乳状液的制备水相的制备 将不同类型乳化剂按照一定浓度(通过预实验确定合适的浓度)溶解于10mmol/L pH3.0或7.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液中,加入0.02%的叠氮钠防腐。室温下磁力搅拌2h,放入4℃冰箱中冷藏过夜。

将5%的油相与95%的水相通过手持式超细匀浆机搅拌混合形成粗乳,超细匀浆机搅拌速率为20000r/min,搅拌时间为30s。然后在50MPa条件下高压均质3次,得到乳化均匀的乳状液。

1.2.2 不同类型乳化剂浓度的确定 将四种不同类型乳化剂分别配制浓度为0.05%～2.0%的乳状液,在50℃恒温烘箱中放置14d后,观察其分层现象,若分层,则说明在此浓度条件下不能形成均匀的乳状液;若不分层,则在此浓度条件下再次升高浓度考察其乳状液稳定情况。

1.2.3 乳状液平均粒径的测定 移取乳状液10mL,采用激光粒度仪测定其平均粒径。具体步骤为:以水为分散相,将一定体积的乳状液注入其中,待体系稳定后测定其粒径分布,同时以体积平均径表示其平均粒径。其中物质折射率为1.600,介质折射率为1.333。

1.2.4 乳状液稳定性测定 将乳状液放入50℃恒温烘箱中避光静置14d,之后观察其分层现象,并测定其粒径分布及其变化。

1.3 数据统计分析

数据统计使用SPSS软件中单因素方差分析及Tukey法多重比较。

2 结果与分析

2.1 WPI乳状液的物理稳定性

乳状液油滴粒径大小并非均一,一般呈现一定的分布趋势,因此常用粒径分布曲线来反映乳状液液滴分布情况。分布曲线是将各种尺寸范围内的颗粒数目dn/dx在总体颗粒(N)中所占的分数作纵坐标,滴珠直径做横坐标,依据实验测得的颗粒大小分布作图得到的[12]。

2.1.1 pH7.0条件下WPI乳状液的粒径分布情况 图1为pH7.0条件下不同浓度WPI乳状液的粒径分布情况,由图1a得知,WPI浓度在0.05%时,乳状液在50℃放置14d后未出现粒径增大、百分比下降的情况,说明放置14d后乳状液仍然很稳定。

但是比较图1a和图1b可以看出,随着WPI浓度的增大,乳状液的粒径逐渐减小,同时比较图1a～图1d可以看出,当浓度达到0.3%时,乳状液的粒径基本不再随着浓度增大而减小,并且由表1可以看出,WPI浓度高于0.3%,乳状液的平均粒径不再减小,说明在此浓度条件下乳状液的粒径达到最小,且水相中的WPI在此实验条件下浓度最低。这与Donnelly J. L[13]等人研究的结果稍有不同,原因可能是均质压力以及均质次数不同引起。

图1 pH7.0条件下WPI乳状液的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of WPI emulsions at pH7.0注：a～d，WPI浓度分别为0.05%、0.2%、0.3%、0.4%，图2同。

2.1.2 pH3.0条件下乳清分离蛋白(WPI)乳状液的粒径分布情况 图2为pH3.0条件下不同浓度乳清分离蛋白(WPI)乳状液的粒径分布情况,对比图1a、图1b、图2a、图2b可以看出,在相同乳清分离蛋白(WPI)浓度条件下,pH为3.0时的乳状液的稳定性较差,放置14d后会出现失稳现象,粒径骤然增大,粒径分布范围逐渐增加。但是当浓度达到0.3%时,乳状液的稳定性较好,且随浓度升高粒径不再减小(图2c、图2d、表1),即在本实验条件下,0.3%的乳清分离蛋白(WPI)为使乳状液达到稳定时所需的最低浓度。

图2 pH3.0条件下WPI乳状液的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of WPI emulsions at pH3.0

2.2 DTAB乳状液的物理稳定性

DTAB是一种常见的季铵盐类阳离子表面活性剂。这类表面活性剂除了具备两性分子所特有的表面活性外,由于含有季铵盐阳离子基团而使其水溶液具有较强的杀菌能力[14]。

2.2.1 pH7.0条件下DTAB乳状液的粒径分布情况 图3为pH7.0条件下不同浓度DTAB乳状液的粒径分布情况。在前期实验中发现,DTAB的浓度在0.05%～1.2%范围内时,体系经过均质后很快出现分层,直到DTAB浓度达到1.4%以后,体系才能形成均匀的乳状液。由表1可以看出DTAB浓度高于1.8%时,乳状液的平均粒径就已经不再变化,但是由图3可得,DTAB浓度为1.8%时,经过50℃放置14d的观察及粒径测定,乳状液的粒径分布范围扩大,平均粒径有所增加,而当DTAB浓度高于2.0%时,体系较稳定,粒径分布较均匀,且补充实验(未显示)进一步说明2.0%的DTAB为使乳状液达到稳定的最低浓度。

图3 pH7.0条件下DTAB乳状液的粒径分布Fig.3 Particle size distribution of DTAB emulsions at pH7.0注：a～d分别表示DTAB浓度1.4%、1.6%、1.8%、2.0%。

2.2.2 pH3.0条件下DTAB乳状液的粒径分布情况 图4为pH3.0条件下不同浓度DTAB乳状液的粒径分布情况。由图4明显可以看出当DTAB浓度低于0.8%时,乳状液的稳定性很差,放置7d已经开始出现失稳现象。但当浓度高于0.8%以后,乳状液稳定性良好,且由表1可以看出DTAB浓度高于0.8%时其平均粒径也不再变化,说明在pH3.0条件下,为使乳状液达到稳定所需DTAB的浓度最低为0.8%。

对比图3和图4可以发现,在酸性条件下DTAB的乳化性优于碱性条件。

图4 pH3.0条件下DTAB乳状液的粒径分布Fig.4 Particle size distribution of DTAB emulsions at pH3.0注：a～d分别表示DTAB浓度0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

2.3 SDS乳状液的物理稳定性

SDS是一种典型的阴离子表面活性剂。其结构同时包含亲水性基团酸基和亲油性基团十二烷基,这种不对称的两亲结构基团赋予SDS在溶液中的特殊性能[15]。在洗涤工业、纺织工业、染色工业和采油工业中引起广泛关注并取得显著进展。

2.3.1 pH7.0条件下SDS乳状液的粒径分布情况 图5为pH7.0条件下SDS乳状液的粒径分布情况。对比图7a～图7d可以发现,SDS浓度为0.2%时,乳状液放置14d后粒径增大,粒径分布范围更加广泛,但是当SDS浓度高于0.3%时,乳状液粒径分布不再变化,反而随着时间的延长其粒径分布范围更集中,表明其稳定性极好。并且由表1也可以看出,在SDS浓度达到0.3%之后,乳状液的平均粒径已经趋于不变。综上得知,pH7.0条件下SDS乳状液达到稳定所需SDS浓度最低为0.3%。

图5 pH7.0条件下SDS乳状液的粒径分布Fig.5 Particle size distribution of SDS emulsions at pH7.0注：a～d分别表示SDS浓度0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

2.3.2 pH3.0条件下SDS乳状液的粒径分布情况 图6为pH3.0条件下SDS乳状液的粒径分布情况。由图6可得SDS浓度高于0.3%时,乳状液稳定性良好,粒径不再变化,说明SDS形成的乳状液具有较好稳定性的最低浓度为0.3%。

图6 pH3.0条件下SDS乳状液的粒径分布Fig.6 Particle size distribution of SDS emulsions at pH3.0注：a～d分别表示SDS浓度为0.05%、0.2%、0.3%、0.4%。

对比图5b和图6c可以看出,在SDS浓度相同条件下,pH7.0 的乳状液比pH3.0的乳状液粒径分布更为集中,且平均粒径更小(如表1),这一现象说明SDS在碱性条件下的乳化效果优于酸性条件。

2.4 Tween20乳状液的物理稳定性

Tween20吐温是失水山梨醇聚氧乙烯酯的商品名,属于典型的非离子型表面活性剂[16]。Tween20具有乳化、增容、扩散、稳定等作用,因此常在制药、日化、纺织、食品等工业用作乳化剂、增溶剂,稳定剂、分散剂等。

2.4.1 pH7.0条件下Tween20乳状液的粒径分布情况 图7为pH7.0条件下Tween20乳状液的粒径分布情况。图中可以看出Tween20浓度达到0.3%时,乳状液开始稳定,此时升高浓度乳状液的平均粒径及粒径分布情况都不再变化,说明0.3%为pH7.0条件下形成稳定乳状液所需要的Tween20的最低浓度。

图7 pH7.0条件下Tween20乳状液的粒径分布Fig.7 Particle size distribution of Tween20 emulsions at pH7.0注：a～d分别表Tween20浓度为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

2.4.2 pH3.0条件下Tween20乳状液的粒径分布情况 图8为pH3.0条件下Tween20乳状液的粒径分布情况。图中显示当Tween20浓度在0.4%时,乳状液放置七d仍然很稳定,但是第14d时粒径分布曲线不平滑,带有一点“尾巴”,说明乳状液粒径分布很不均匀。当浓度达到0.6%时,乳状液才趋于稳定,放置14d后不会出现粒径增大或者粒分布不均匀等情况,且由表1可得TWeen20浓度高于0.6%之后,乳状液的平均粒径已经不再变化,说明此浓度即为使乳状液达到稳定时所需要的Tween20 的最低浓度。

图8 pH3.0条件下Tween20乳状液的粒径分布Fig.8 Particle size distribution of Tween20 emulsions at pH3.0注：a～d分别表示Tween20浓度为0.05%、0.2%、0.4%、0.6%。

3 结论

pH7.0和pH3.0条件下,WPI乳状液和SDS乳状液达到稳定状态所需要的最低乳化剂浓度均为0.3%,在此条件下乳状液连续相中乳化剂浓度相对最低。而DTAB乳状液和Tween20乳状液的稳定性受pH影响较大,在pH7.0和pH3.0条件下,DTAB乳状液达到稳定所需要DTAB的最低浓度分别为2.0%和0.8%。而Tween20乳状液在pH7.0和pH3.0条件下达到稳定所需要Tween20的最低浓度分别为0.3%和0.6%。

四种乳化剂相比,大分子蛋白质WPI乳化性较好,而阳离子型表面活性剂DTAB的乳化性较差。不同类型乳化剂形成水包油乳状液的物理稳定性因pH条件的变化而有较大差异。

[1]徐永杰,裴东,马庆国. 遗传标记在核桃属植物遗传多样性研究中的应用[J]. 中国农学通报,2014,30(13):1-5.

[2]吴耕民. 中国温带果树分类学[M]. 北京:中国农业出版社,1984:284-286.

[3]郝艳宾,王克建,王淑兰,等. 几种早实核桃坚果中蛋白质、脂肪酸组成成分分析[J]. 食品科学,2002,23(10):123-125.

[4]阎师杰,吴彩娥,窦晓虹,等. 提取方法对核桃油脂肪酸组分含量及质量指标的影响[J]. 食品工业科技,2002,23(4):33-34.

[5]Maguire LS,Sullivan SM,Galvin K,et al. Fatty acid profile,tocopherol,squalene and phytosterol content of walnuts,almonds,peanuts,hazelnuts and the macadamia nut[J]. International Journal of Food Science and Nutrition,2004,55(3):171-178.

[6]Corts B,Nez I,Cofn M,et al.Acute effects of high-fat meals enriched with walnuts or olive oil on postprandial endothelial function[J]. Journal of the AmericanCollege of Cardiology,2006,48(8):1666-1671

[7]王丁丁,赵见军,张润光,等. 核桃油研究进展[J]. 食品工业科技,2013,34(16):383-387.

[8]蔡志宁,赵谋明. 蛋白质乳浊液体系稳定性研究进展[J].食品与发酵工业,2005,31(2):73-77.

[9]张建民. 表面活性剂在化妆品中的应用[J]. 日用化学品科学,2008,31(10):43-48.

[10]Charoen R,Jangchud A,Jangchud K,et al.Influence of interfacial composition on oxidative stability of oil-in-water emulsions stabilized by biopolymer emulsifiers[J]. Food Chemistry,2012,131:1340-1346.

[11]Mancuso J R,McClements D J,Decker E A. The effects of surfactant type,pH,and chelators on the oxidationof salmon oil-in-water emulsions[J]. Journal of Agriculture and Food Chemistry,1999,47(10):4112-4116.

[12]任晓芬,潘道东,曾小群,等. 胞壁蛋白酶(CEP)酶解对酪蛋白结构及功能特性的影响[J]. 现代食品科技,2013,29(11):2643-2648.

[13]Donnelly J L,Decker E A,McClements D J. Iron-catalyzed oxidation of menhaden oil as affected by emulsifiers[J]. Journal of Food Science,1998,63(6):997-1000.

[12]Alhakimi A M,尚亚卓,刘洪来. 烷基三甲基溴化铵-十二烷基硫酸钠混合体系双水相性质[J]. 华南理工大学学报,2009,35(5):7 28-733.

[13]房晓燕,杨祥,周朝昕,等. 十二烷基磺酸钠溶剂效应的理论研究[J]. 计算机与应用化学,2010,27(3):374-377.

[14]谢亚杰,徐志康,宇海银,等. 吐温20吸附改性聚乙烯膜改善MBR抗污染性能[J]. 环境科学与技术,2009,32(9):23-26.

Effect of pH,emulsifier type and concentration on physical stability of oil-in-water emulsions

YI Jian-hua,CHENG Jing-jing,DONG Wen-bin*

(College of Life Science and Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China)

To explore the influence of emulsifiers and pH on physical stability of walnut oil-in-water emulsion,the emulsions stabilized by whey protein isolates,sodium dodecyl sulfate(SDS),dodecyltrimethylammonium bromide(DTAB),and Tween20,respectively,were investigated. And the required minimum concentrations of emulsifiers to form a stable walnut oil-in-water emulsionwerealso determined. Results showed that the influence of pH on the emulsifying effect of cationic surfactant and nonionic surfactant wasremarkable.Under the condition of pH3.0 and 7.0,the required minimum concentrations of DTAB were 0.8% and 2.0%,respectively. Meanwhile,the required minimum concentrations of Tween20 were 0.6% and 0.3% at pH3.0 and 7.0,respectively. But forampholytic surfactant WPI and anionic surfactant SDS,the influence of pH(except for isoelectric point)was non-significant. The above phenomenon indicated that the physical stability of walnut oil-in-water emulsions was greatly influenced by different pH and emulsifiers.

emulsifier;walnut oil;oil-in-water emulsion;physical stability

2014-08-25

易建华(1971-)，女，博士研究生，副教授，研究方向：油脂与蛋白质工程。

*通讯作者:董文宾(1951-)，男，硕士，教授，研究方向：功能油脂与蛋白质。

陕西省科技厅农业科技创新与攻关(2014K01-10-01)。

TS202

A

1002-0306(2015)13-0266-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.048