高压微射流制备橙皮精油纳米乳液影响因素研究

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(1.暨南大学食品科学与工程系,广东广州 510630; 2.韶关奔阳食品有限公司,广东韶关 512600)

橙皮精油是重要的食品添加剂及化工和医学原料[1],同时还具有抗氧化、抗菌等功效[2]。但由于水溶性差、挥发性强等问题,会导致加入产品中的橙皮精油很大程度的损失。为了改善橙皮精油的稳定性,可采用微胶囊化或乳浊液形式,但产品粒径较大,生物利用度相对不高,且微胶囊化产品大多是固体香料[3-4],不方便作为食品添加剂加入到饮料等液体食品中,影响了其应用。

近年来,纳米乳液在提高功能性成分、香精香料的稳定性方面体现出了明显优势[5-7]。纳米乳液是主要由水、脂溶性芯材、水溶性壁材和乳化剂等组成成分,按一定比例在特定条件下混合形成的胶体分散体系,液滴粒径一般在100～200 nm[8]。其粒度较小且尺度均一、稳定性较好、黏度较低,对于易于挥发、氧化、水解的芯材具有良好的保护作用。高压均质是制备乳液常用的方法,其中高压微射流技术是近年来发展的一种新型高压加工技术。乳液在高压(100～800 MPa)下通过具有固定几何形状的微通道交互室。两股粗乳化液从两个相对的通道中以高速状态,相互加速碰撞,产生巨大的剪切作用力[9]。一般来说,涡流伴随气穴的惯性力主要负责液滴破裂[10-11]。相比于高压均质的传统高压阀能够起到更好的超微化、微乳化和均一化效果[12],因此在制备纳米乳液方面具有显著的优越性。要想获得稳定的纳米乳液选择合适的均质压力和处理次数至关重要[13]。选择合适的乳化剂种类和类型是决定乳状液能否制备成功的关键因素之一。不同的乳化剂会呈现不同的物化性能,因而乳化剂在油水界面的吸附能力以及表面成膜能力等均会有所差异,这直接影响到乳状液的稳定性[14-15],而乳液稳定性是评价其质量好坏的重要指标。随着乳化剂浓度的增大,表面张力不断下降,由于乳化剂浓度达到一定值后,乳化剂大分子会在水溶液中形成球状和棒状的胶团,形成胶团的浓度即临界胶团浓度,因此选择合适的乳化剂浓度也非常重要[13]。

皂树苷(Quillajasaponin,QS)是从皂树皮中提取的一种天然三类萜皂苷,可用作饮料的起泡剂和发泡剂。近年来研究表明,QS还是一种理想的乳化剂,即使在很低浓度下也表现出很强的乳化能力[16-17],但国内对其乳化性能的研究不多[18]。而蛋白质和多糖是制备乳液常用的乳化剂。因此,为对乳化效果进行对比,本文选用了变性淀粉(modified starch,MS)、乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI)、QS和合成小分子乳化剂十二烷基硫酸钠(sodium lauryl sulfate,SDS)制备橙皮精油纳米乳液,并探讨了不同高压微射流均质条件(压力、次数)对其乳液粒径、浊度和贮藏稳定性的影响,从而为制备稳定的橙皮精油纳米乳液与在实际产品中应用提供必要基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

橙皮精油(橙油) 广州百花香精香料有限公司;QS、MS、WPI 美国国民淀粉有限公司;松香甘油酯(Ester gum,EG)、SDS、柠檬酸和柠檬酸钠 均为分析纯,所有实验用水均为去离子水。

20 HT/GT高剪切混合器 美国Greerco公司;PC-351磁力搅拌器 美国Corning公司;M-110Y高压微射流机 美国Microfluidics公司;LA-300激光粒径分布仪 日本Horiba公司;DVT Dial黏度计 美国Brookfield公司;2100AN浊度计 美国Hach公司。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米乳液的制备 将橙油加入到一定浓度EG溶液中,磁力搅拌至完全溶解,形成油相(分散相),橙油占油相的1%。同时称取一定量的乳化剂(QS、SDS、MS、WPI)分别溶解于90 mL蒸馏水中,形成水相(连续相)。在室温下将连续相和分散相用高剪切混合器在6000 r/min条件下混合2 min,混合均匀后得到粗乳液。然后将粗乳液通过高压微射流均质机(不同的均质条件)获得纳米乳液,将其立即冷却至室温备用。

1.2.2 不同因素对纳米乳液制备的影响

1.2.2.1 不同乳化剂类型和浓度的纳米乳液的制备 将含有1%橙油的10% EG溶液分散相分别与1%、2%、3%、4%、5%、6%的QS、SDS、WPI和6%、8%、10%、12%、14%的MS连续相按质量比2∶3经6000 r/min高速混合后,经高压微射流机22000 psi处理1次,分别得到不同浓度的QS、SDS、WPI和MS纳米乳液,并测定其MDD。

1.2.2.2 不同EG浓度的纳米乳液的制备 将1%橙油溶于10%、20%、30%、40%、50%、60% EG溶液中制备分散相,再与2% SDS,4%的QS、WPI和8% MS连续相按质量比2∶3经6000 r/min高速混合后得到粗乳液,经高压微射流机22000 psi处理1次,收集所得纳米乳液,待测定MDD和相黏度比。

1.2.2.3 不同均质条件的纳米乳液的制备 分散相均为含有1%橙油的10% EG溶液,分别与2%SDS、4%的QS、WPI和8% MS连续相按质量比2∶3经6000 r/min高速混合后,将等量的粗乳液分别通过高压微射流机不同压力(1000、3500、10000、15000、22000 psi)4次,收集不同压力条件下的纳米乳液,并测定其MDD;另外,将等量的粗乳液分别经10000 psi分别通过1、2、3、4次,收集不同均质次数下的纳米乳液,待测定其MDD和浊度。

1.2.3 纳米乳液贮藏稳定性测定 将1%橙油溶于30% EG溶液中制备分散相,再与2% SDS,4%的QS、WPI和8% MS连续相按质量比2∶3经6000 r/min高速混合后得到粗乳液,经高压微射流机10000 psi处理2次,储存于25 ℃恒温箱中,每隔0、1、3、5、10、16、21 d测定MDD和浊度。每个样品重复三次。

1.2.4 指标测定

1.2.4.1 纳米乳液MDD的测定 将激光粒径分布仪调节到Wet模式,校正调零后,用胶头滴管取制备好的纳米乳液,滴加到激光粒径分布仪的加样口,待红色条示数达80%时,关闭加样口盖,开始测定。每个样品重复三次测定。

1.2.4.2 纳米乳液浊度的测定 利用浊度计测定稀释纳米乳浊度。浊度计由波长为455 nm和90 °角检测器的彩色滤波模块组成。浊度计运用一系列的浊度标准液从0～2000 NTU校准。将样品稀释100倍,每个样品重复三次测量。

1.2.4.3 纳米乳液的相黏度比的测定 黏度计分别测定分散相粘度(ηd)和连续相粘度(ηc)。黏度计使用不同几何形状的锥板来测量。基于初步实验的结果,对于所有样品选择RV#1主轴和30 r/min的速度。对每个样品进行三次测量,并取平均值。

1.3 数据处理

利用Excel 2010和Origin Pro 8软件进行数据统计分析及作图,数据以均值±标准差(Means±SD)表示,显著水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 乳化剂类型和浓度对橙油纳米乳液MDD的影响

QS、WPI、SDS和MS四种乳化剂在不同浓度对纳米乳液的影响见图1。结果表明,所有乳浊液的粒径都在200 nm以下,而在压力和次数分别增加到22000 psi和4次时,粒径可小于150 nm。不同乳化剂形成的乳液粒径具有较明显差异。乳化剂浓度大于2%(MS>6%)后,四种乳化剂所制备的纳米乳液MDD的大小顺序为WPI>MS>QS>SDS,可见小分子的乳化剂更易形成粒径更小的乳浊液。但SDS为化学合成的乳化剂,在食品工业中应用受限,仅作为对照参考。

图1 乳化剂类型和浓度对纳米乳液MDD的影响Fig.1 Effect of emulsifier type andconcentration on MDD of nanoemulsion

随着乳化剂浓度的增加,纳米乳液MDD降低,这可能是由于两个主要原因:在较高浓度的乳化剂下,在均质化过程中有更多乳化剂分子可用于包裹油滴物体;较高浓度的乳化剂可以使乳化剂较快的吸附到油滴表面,更有效地防止聚结[19]。

在较高浓度的WPI的纳米乳液中,能形成较小粒径的乳液而并未发生絮凝,这可能是过量的WPI分子会被吸附在液滴表面并形成多层涂层。Cornacchia等[20]研究发现,由于乳清蛋白在均质化过程中会发生部分变性,变性蛋白质分子暴露含有反应基团的氨基酸和巯基,并通过疏水相互作用和二硫键促进蛋白质与蛋白质的相互作用,因此在WPI稳定的乳液中可能形成多个界面层。

乳液浓度增加到一定程度后,四种乳浊液粒径渐趋平缓,后续选择2%作为SDS乳液添加量,4%作为QS、WPI添加量,8%作为MS乳液添加量。

2.2 EG浓度对橙油纳米乳液MDD的影响

EG在分散相中的浓度对纳米乳液的MDD也有重要影响(图2)。随着EG浓度增加到30%～40% 时,四种纳米乳液的MDD均达到较小值,再继续增加EG浓度,MDD未见明显变化。如SDS纳米乳液,EG在分散相中的浓度为40%时,可以得到较低的MDD(148～152 nm),而对于QS乳液,EG浓度为30%～40%时,可以得到较低的MDD(166～167 nm)。

图2 EG浓度对纳米乳液MDD的影响Fig.2 Effect of EG concentration on MDD of nanoemulsion

分散相中EG的含量必将影响乳液的相黏度比(ηd/ηc),图3比较了四种纳米乳液的ηd/ηc。Wooster等[21]认为优化分散相与连续相的ηd/ηc可以促进纳米乳液的形成。由于SDS、MS与QS、WPI的体系的黏度比差别很大,那么可能SDS和MS的较低粒径是由于较低的ηd/ηc易产生液滴的分解。因此,评估相黏度比可以更好地理解它如何影响乳化剂性能和纳米乳液形成。应该强调的是,Ostwald熟化和相黏度比在纳米乳液形成中都能起重要作用[22],并且在评估生产纳米乳液时的乳化剂性能时必须考虑这两个因素。

图3 不同纳米乳液的相黏度比Fig.3 Phase viscosity ratio of different nanoemulsion systems

2.3 均质条件对纳米乳液的影响

2.3.1 均质条件对纳米乳液MDD的影响 四种乳液的MDD与均质压力具有较相似的关系。随着均质压力的增大(1000～10000 psi),剪切力与紊流作用力不断增大,四种乳液的MDD逐渐减小,之后趋于平缓(>10000 psi)(图4)。在压力达到10000 psi时,四种乳液的MDD均能达到150 nm左右。

图4 均质压力对纳米乳液MDD的影响Fig.4 Effect of pressure on MDD of nanoemulsion

由图5可知,更多的均质次数导致更小的MDD,均质次数2次时，四种乳液的粒径基本都达到200 nm以下，但超过4次后,由于有足够的乳化剂包裹在油滴的表面,液滴直径保持恒定,继续均质不能产生更小的液滴[23]。一般情况下,均质1次时,并非所有的液滴都会受到同样强烈的均匀化能量,因此一部分粗乳液的尺寸没有实质性的减小,当然这也取决于均化阀的类型和构造。多次通过减少了这些大液滴形成的可能性,但多次通过一定次数后就会降低均质效果。Joseph等[24]用改性淀粉稳定的维生素E纳米乳液研究了均质化次数对MDD的影响,发现当压力为8990 psi下,均质次数从1次增加到16次时,MDD从210 nm下降到110 nm。然而,另一项研究表明,在压力范围3045～12180 psi,改性淀粉稳定的d-柠檬烯乳液的MDD随着均质次数的增加而增加[25]。

图5 均质次数对纳米乳液MDD的影响Fig.5 Effect of number of passes on MDD of nanoemulsion

为进一步研究压力与橙油纳米乳液粒径的关系,以MS纳米乳液为例,发现压力与MDD的关系近似指数关系(图6)。均质次数为4次时,MDD与压力的关系更加接近指数关系(R2=0.9275)。

图6 均质压力与纳米乳液MDD的关系Fig.6 Relationship between pressureand MDD of nanoemulsion

2.3.2 均质次数对纳米乳液浊度的影响 乳液的光学性质特征在于与乳液粒径相关的浊度。对于纳米乳液而言,液滴的尺寸远小于光的波长(r≪λ),这将导致较弱的光散射,因此浊度很低[26]。如图7所示,纳米乳液的浊度随着均质次数的增加而减小,这与其MDD减少的趋势相似。当乳液的粒径变小,乳液散射光的作用变强,所得到的数值就会变小。QS和MS作为乳化剂制备的纳米乳液的MDD数值非常相近,可以看到其浊度数值也很相近。其中WPI的浊度变化范围最大,这可能是因为WPI的粒径分布范围要大于其它乳化剂制备的乳液。

图7 均质次数对纳米乳液浊度的影响Fig.7 Effect of number of passes onturbidity of nanoemulsion

2.4 纳米乳液的贮藏稳定性

乳液稳定性是评价其质量好坏的重要指标。乳状液若没有很好的稳定性,贮藏一段时间后,分子间会产生大规模的凝聚,乳状液会分层,严重影响食品外观和口感,被装载的生物活性物质或营养成分的稳定性也会遭到破坏[27]。

在储存21 d的过程中,4种纳米乳液的MDD随着储存时间的延长变化非常缓慢(图8),与新制备的橙皮精油纳米乳液MDD相近,这说明纳米乳液具有较好的物理稳定性和储藏稳定性。但乳液的浊度发生一定变化(图9),除MS纳米乳液,其它纳米乳液的浊度在0～10 d时,随着时间的增加而减小。观察到的浊度降低可能归因于系统中存在的液滴的数量和/或尺寸的减小,这表明橙油分子正在从乳液液滴中移出并进入乳化剂的胶束。10～21 d,随着时间的增加而增大,这种现象可能是由于油分子从小分子的扩散到大液滴,而加速了Ostwald熟化过程[28]。

图8 在25 ℃条件下储存时间对不同乳液MDD的影响Fig.8 Effects of storage time on theMDD of different emulsions at 25 ℃

图9 在25 ℃条件下储藏时间对不同乳液浊度的影响Fig.9 Effect of storage time onturbidity of different emulsions at 25 ℃

MS作为乳化剂的纳米乳液的浊度在5 d内大幅增加,然后缓慢增加。这可能是Ostwald熟化或聚结造成的。而数据分析显示没有发现MDD与储存时间之间的线性关系(数据未显示),这排除了Ostwald熟化是主要的不稳定机理。考虑到混合油相在水中难溶,所以推论聚结应该是纳米乳液的主要不稳定机理。

以SDS作为乳化剂制备的纳米乳液在储存过程中的MDD和浊度都是稳定的,这表明没有Ostwald熟化发生。对于SDS和MS作为乳化剂制备的纳米乳液,它们的差异是由于体相粘度差异而导致的液滴的界面张力和扩散系数不同。如果Ostwald熟化发生,两种纳米乳液的MDD在储存期间将增加,但是MDD增加的速率不同。由于SDS作为乳化剂制备的纳米乳液中未观察到Ostwald熟化,因此认为以MS作为乳化剂制备的纳米乳液的主要不稳定机理是聚结。这一结论与Wooster等[21]发现的一致,即植物油如花生油,由于它们在水中的低溶解度,对抗Ostwald熟化是稳定的。与阿拉伯胶和改性阿拉伯胶相比,改性淀粉在稳定饮料混浊乳液(pH3.6)方面表现出较差的性能[29]。考虑到纳米乳液的界面面积比饮料乳液的界面面积大得多,可以推断以MS作为乳化剂制备的纳米乳液是由于聚结而不稳定造成的。

3 结论

研究结果表明,在一定浓度范围,随着乳化剂浓度增加,纳米乳液的MDD会逐渐减小,而SDS、QS、WPI和MS适宜的浓度分别为2%、4%、4%和8%。随着均质压力和均质次数增加,纳米乳液MDD和浊度都呈现较相似的减小趋势,在压力达到10000 psi和均质次数2次时,四种乳液的粒径基本都达到200 nm以下,而在压力和次数分别增加到22000 psi和4次时,粒径可小于150 nm。粒径越小,纳米乳液越能呈现出透明的外观。研究发现均质压力与MDD的关系近似指数关系。EG在分散相中的浓度也会影响到乳液MDD,经一定优化后制备的四种纳米乳液在25 ℃贮藏21 d内性质也基本稳定,未发现明显的絮凝或分层的现象。