美藤果油水包油型乳液的制備及其穩定性研究

郭永生,馬傳國,2,劉 君,2，段柱標

(1.河南工業大學 糧油食品學院，鄭州 450001； 2.小麥和玉米深加工國家工程實驗室，鄭州450001; 3.中國科學院西雙版納熱帶植物園，云南 勐臘666303)

美藤果是一種原產于南美洲安第斯山脈的多年生藤本植物，于2007年左右被引入我國并試種成功[1]。美藤果油不僅含有較高的ω-3和ω-6不飽和脂肪酸[2-3]、維生素E，而且具有較好的抑菌、消炎以及降血脂的作用[4-5]，因而受到人們的廣泛關注。

除了傳統的煎、炸、炒等食用方式，富含多不飽和脂肪酸的植物油在各類功能性食品、醫藥產品及護膚品中的應用成為一種趨勢[6-7]。美藤果油中亞麻酸及亞油酸含量分別高達45%～50%和30%～35%，較高的不飽和度使美藤果油非常容易氧化[8]。目前部分文獻報道了通過噴霧干燥微膠囊法包埋美藤果油的應用研究，顯著抑制了美藤果油的氧化，并擴展了美藤果油在相關行業中的應用[9-10]。然而相關產品除了應用于純油體系、粉劑體系，還可能涉及大量的多相多組分的油水分散體系，其中乳液體系是應用最為廣泛的一種，如蛋黃醬、調味汁、色拉醬、口服液、功能性飲料、護膚乳液等[11-13]，因此研究美藤果油乳液的理化性能對促進美藤果油在食品、化妝品以及藥品等領域中的應用具有必要性和重要意義。

乳液的物理及氧化穩定性不僅受制備方法及參數，乳化劑類型、配比及添加量，油質量分數的影響[14-16]，而且與植物油的組成及性質有關[17-18]。關于美藤果油乳液的制備及其穩定性研究目前文獻報道較少。在各種乳液制備方法中，高壓勻質法能在乳化劑添加量較低時制備出粒徑更小的乳液[19]，是食品乳液最常用的制備方法之一。Tween類型非離子表面活性劑是食品級乳化劑，具有較高的食品安全性及乳化性能，是食品乳液中應用最為廣泛的乳化劑之一。因此，本實驗采用高壓勻質法制備美藤果油乳液，以乳液的平均粒徑及分散系數(PDI)為指標，探究Tween乳化劑類型、油質量分數、乳化劑添加量、剪切速率及均質壓力的影響，優化制備工藝條件，并進一步研究儲藏期內乳液的物理、氧化以及水解穩定性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

美藤果油，中國科學院西雙版納熱帶植物園提供；1，1，3，3-四乙氧基丙烷標準品、氫過氧化枯烯標準品以及Tween系列乳化劑(Tween20、Tween40、Tween60、Tween80)、硫代巴比妥酸(TBA)、三氯乙酸以及BHT，麥克林試劑公司；正己烷(色譜級)，天津市科密歐試劑公司。

ATS-Basic100 高壓均質機，德國ATS儀器公司；高速剪切分散乳化機，德國 Fliko流體機械制造公司；Malvern Zetasizer Nano ZS90，英國馬爾文儀器公司；Avance Ⅲ HD 500 MHz超導核磁共振譜儀，德國Bruker公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 美藤果油水包油型乳液的制備

取乳化劑溶于油中，混合均勻制備成油相，然后在室溫下加入水相中，攪拌均勻；高速剪切乳化2 min 得到初乳液，再經高壓均質處理得到乳液，冷卻后置于4℃冰箱中備用。

1.2.2 美藤果油水包油型乳液粒徑及PDI的測定

將乳液利用磷酸鹽緩沖溶液稀釋400倍后，搖晃均勻，取稀釋后樣品，利用Malvern Zetasizer Nano ZS90測定其平均粒徑及PDI。

1.2.3 美藤果油乳液儲藏物理穩定性分析

將制備的乳液儲藏在37℃恒溫培養箱中，每隔一定時間取樣測定其粒徑及PDI。

1.2.4 美藤果油乳液中游離脂肪酸含量的測定[20]

稱取一定質量的乳液，加入50 mL已中和的熱乙醇溶液，利用氫氧化鈉溶液進行滴定，直到出現粉色并在30 s內不褪色，記錄消耗體積，利用下式計算游離脂肪酸含量(以油酸計)。

游離脂肪酸含量=(CV×282)/(1 000m)×100%

式中：C為氫氧化鈉的濃度，mol/L；V為消耗氫氧化鈉溶液的體積，mL；m為乳液的質量，g。

1.2.5 美藤果油乳液和純油體系氧化穩定性的對比分析

取適量的樣品置于37℃的培養箱中，恒溫儲藏不同時間后測定其氧化產物。

1.2.5.1 初級氧化產物的測定

脂質氧化初級產物以脂質氫過氧化物含量表示。參照Panya 等[21]的方法并進行一些改動：取適量的樣品加入3 mL異辛烷-異丙醇混合溶劑(體積比2∶1)，渦旋振蕩后在3 000 r/min條件下離心，取上層溶液并加入甲醇-正丁醇混合溶液(體積比2∶1)定容至5 mL，然后加入20 μL 3.94 mol/L硫氰酸鉀和20 μL亞鐵溶液(0.132 mol/L 氯化鋇、0.1 mol/L 的鹽酸和0.144 mol/L 硫酸亞鐵配制)，混合均勻，避光反應20 min，測定其在510 nm 處吸光度。根據以氫過氧化枯烯(異丙苯過氧化氫)為標準品繪制的標準曲線，計算氫過氧化物的含量(以POV表示)。

1.2.5.2 次級氧化產物的測定

脂質氧化次級產物以硫代巴比妥酸的含量表示。參照Mei等[22]的方法并做些改動：取1 mL樣品，加入5 mL蒸餾水、2 mL TBA溶液(15 g三氯乙酸、 0.375 g硫代巴比妥酸、1.7 mL的濃鹽酸以及89.2 g的水混合配制)和0.5 mL BHT溶液(質量濃度2 g/100 mL)，混合均勻后，沸水浴加熱20 min，冷卻至室溫，加入7 mL正丁醇混合，3 000 r/min離心5 min，取上清液在532 nm處測定吸光度。根據以1，1，3，3-四乙氧基丙烷為標準品繪制的標準曲線，計算樣品中硫代巴比妥酸含量。

1.2.5.3 乳液和純油體系中美藤果油自擴散系數的測定

利用500 MHz超導核磁共振譜儀測定，測試參數：“Ledbpgp”脈沖序列，等待時間D1設置為3 s，掃描次數32次。

2 結果與討論

2.1 美藤果油乳液制備單因素實驗

2.1.1 Tween系列乳化劑的影響

在乳化劑添加量1%、油質量分數10%、剪切速率16 000 r/min、均質壓力40 MPa條件下，考察Tween系列乳化劑對乳液平均粒徑和PDI的影響，結果見圖1。

圖1 Tween系列乳化劑對乳液平均粒徑和PDI的影響

由圖1可以看出：不同乳化劑制備的乳液的PDI沒有明顯的差異；乳液的平均粒徑有所不同，其中Tween60制備的乳液平均粒徑最小(206 nm)，其他3種乳液的平均粒徑分布在208～234 nm之間。Tween系列乳化劑制備的乳液平均粒徑的差異可能是由乳化劑HBL值的差異引起的；此外，4種乳化劑在結構上的差異主要體現在脂肪酸酯種類的不同，可能影響乳化劑和油相之間的相容性，進而影響乳化劑的分配，從而影響乳液的粒徑。因此，實驗選擇Tween60作為乳化劑。

2.1.2 油質量分數的影響

在Tween60添加量0.5%、均質壓力30 MPa、剪切速率13 000 r/min條件下，考察油質量分數對乳液平均粒徑和PDI的影響，結果見圖2。

圖2 油質量分數對乳液平均粒徑和PDI的影響

由圖2可知：隨著油質量分數由2%增大至20%，乳液的PDI在0.2左右波動并且整體呈現較弱的增加趨勢；隨著乳液中油質量分數的增加，單位質量的表面活性劑所包裹的油量加大，體系須增大油滴粒徑使體系的界面面積最小化以降低體系的表面能，因此乳液平均粒徑隨著油質量分數增大而增大。油質量分數為2%～10%時，乳液平均粒徑緩慢增大，油質量分數超過10%時，乳液平均粒徑迅速增大，說明油質量分數超過10%，在乳化劑添加量0.5%下液滴界面乳化劑分子吸附不足，界面張力開始顯著增大，小液滴凝結為大液滴，體系粒徑顯著增大?？紤]到乳液的粒徑和PDI，實驗選擇10%油質量分數作為后續的實驗條件。

2.1.3 乳化劑添加量的影響

以Tween60為乳化劑，在油質量分數10%、剪切速率13 000 r/min、均質壓力30 MPa條件下，考察乳化劑添加量對乳液平均粒徑和PDI的影響，結果見圖3。

圖3 乳化劑添加量對乳液平均粒徑和PDI的影響

由圖3可知：在不同的乳化劑添加量下，乳液的PDI無顯著差異且在0.2左右波動；乳液的平均粒徑隨著乳化劑添加量的增大逐漸減小，乳化劑添加量為0.2%～1%時乳液平均粒徑降低顯著，乳化劑添加量為1%～2%時乳液平均粒徑降低趨勢平緩。加大乳液中乳化劑添加量，更多的表面活性劑吸附到油滴界面上，降低界面張力的同時提高了界面膜的強度，因此乳液的粒徑減小，界面面積增大?？紤]到食品中乳化劑的用量，選擇乳化劑添加量為1%作為后續的實驗條件。

2.1.4 剪切速率的影響

在Tween60添加量1%、油質量分數10%、均質壓力30 MPa條件下，考察剪切速率對乳液平均粒徑和PDI的影響，結果見圖4。

由圖4可知，隨著剪切速率的增加，乳液的PDI沒有顯著的變化，而乳液的平均粒徑呈先降低后升高的趨勢，且在16 000 r/min時乳液的平均粒徑最小。當剪切速率過快時，可能造成乳化劑難以定向到乳液的界面上，影響乳化劑的效率，從而使乳液的粒徑增加；而在較低剪切速率時，形成的乳液液滴之間碰撞的概率加大，造成粒徑增加。綜上，選取剪切速率16 000 r/min為后續實驗條件。

圖4 剪切速率對乳液平均粒徑和PDI的影響

2.1.5 均質壓力的影響

在Tween60添加量1%、油質量分數10%、剪切速率16 000 r/min條件下，考察均質壓力對乳液平均粒徑和PDI的影響，結果見圖5。

圖5 均質壓力對乳液平均粒徑和PDI的影響

由圖5可知，在20～60 MPa均質壓力下，隨著均質壓力的增加，乳液的PDI和平均粒徑顯著減小，說明隨著均質壓力的增加，體系外加能量加大，乳液的破碎程度加大，有利于乳化劑固定到界面上，形成具有更小粒徑、更均一分布的乳液。但過高的均質壓力可能會引起乳液溫度顯著提高，加大油脂氧化風險，因此選擇均質壓力40 MPa為實驗條件。

根據單因素實驗結果，確定制備乳液的優化工藝條件為Tween60添加量1%、油質量分數10%、剪切速率16 000 r/min、均質壓力40 MPa，在此條件下制備的乳液平均粒徑為(218.27±2.21)nm、PDI為0.118±0.002。

2.2 美藤果油乳液的物理穩定性

將最優條件下制備的乳液置于37℃下儲藏2、6、10、14 d，觀察其平均粒徑和PDI的變化，結果見圖6。

圖6 乳液平均粒徑和PDI隨儲藏時間的變化

美藤果油乳液在37℃下儲藏14 d，肉眼觀察沒有發生分層現象。由圖6可知，乳液的平均粒徑均在210～240 nm之間，且隨儲藏時間的延長呈現逐漸增加的趨勢，說明隨著儲藏時間的延長，乳液中小粒徑液滴逐漸凝結為大液滴，乳液的穩定性降低，這是乳液為熱力學不穩定性體系的一種體現。但在37℃、14 d的儲藏期內，PDI在0.15以下，說明乳液在此期間保持較為穩定的物理特征。

儲藏過程中，pH和鹽離子質量分數對乳液平均粒徑和PDI的影響如表1所示。由表1可知，14 d儲藏期內，乳液在pH 3、7以及鹽離子質量分數為1.2%條件下，乳液平均粒徑保持在230 nm左右，PDI保持在0.11～0.16之間，均無顯著變化，且在儲藏期間肉眼觀察沒有發生分層現象。這說明乳液物理乳化性質對pH以及鹽離子有較好的耐受性。

表1 37℃儲藏過程中pH和鹽離子質量分數對乳液平均粒徑和PDI的影響

2.3 美藤果油乳液的氧化穩定性

乳液體系中油相的氧化是影響乳液質量、風味、口感等特征的重要原因[23]。實驗分別測定了37℃、14 d的氧化過程中美藤果油在乳液包埋體系與純油體系過氧化值和硫代巴比妥酸含量，以比較美藤果油在乳液包埋體系與純油體系中的氧化穩定性，結果見圖7。由圖7可知，相對于純油體系，水包油型乳液對美藤果油的氧化具有顯著的延緩作用。實驗分別測量了乳液和純油體系中美藤果油甘油酯分子的自擴散系數，結果如表2所示。

圖7 37℃下純油體系和乳液體系中美藤果油的POV和TBA含量

項目乳液體系純油體系—CHCH—1.71×e-129.36×e -11H—C—O—2.03×e-129.06×e-11H2—C—O—1.88×e-129.39×e-11—CHCH—CH2—CHCH—1.71×e-129.27×e-11COCH21.71×e-129.21×e-11—CHCH—CH2—1.71×e-129.44×e-11COCH2CH21.71×e-129.15×e-11—(CH2)n—1.73×e-129.40×e-11—CH31.74×e-129.74×e-11甘油酯分子1.77×e-129.34×e-11

由表2可知，美藤果油甘油酯分子的自擴散系數從純油體系中的9.34×e-11m2/s減少至乳液體系中的1.77×e-12m2/s，降低了將近2個數量級。很顯然，乳液體系中美藤果油被乳化劑包裹在液滴內，與氧氣及促氧化物質的接觸受到抑制，同時分子的運動性也顯著減弱[24]；此外，美藤果油中含有較高的生育酚[3]，根據極性矛盾理論，親脂性的抗氧化劑可能在水包油體系中具有更好的效果。因此，水包油型乳液作為美藤果油的一種包埋體系，具有延緩美藤果油氧化的作用。

2.4 美藤果油乳液中甘油酯的水解作用

水包油型乳液中含有較高含量的水，在某些條件下長期儲藏乳液中的甘油酯會發生水解，從而造成乳液品質下降[25]。水解會造成乳液中游離脂肪酸含量發生變化，并且根據水解反應機理可知酸性條件可能促進水解作用。因此，測定了pH 3、7條件下乳液在儲藏過程中游離脂肪酸含量的變化，結果見圖8。

圖8 乳液儲藏過程中游離脂肪酸含量的變化

由圖8可知，在pH為3和7條件下乳液在14 d的儲藏期內，游離脂肪酸含量并沒有隨著儲藏時間的延長而發生明顯的變化，說明美藤果油水包油型乳液沒有發生明顯的水解作用。乳液中美藤果油被包裹在液滴內，與水的接觸面積較小，因而受水和pH影響??；同時分子運動性顯著降低，因此水解作用受到抑制。

3 結 論

選擇Tween系列表面活性劑作為乳化劑，應用高壓勻質法制備美藤果油水包油型乳液。探究了Tween乳化劑類型、油質量分數、乳化劑添加量、剪切速率及均質壓力對乳液平均粒徑和PDI的影響。得到最佳的制備條件為：以Tween60為乳化劑，添加量1%，油質量分數10%，剪切速率16 000 r/min，均質壓力40 MPa。在最佳條件下，制備的美藤果油乳液平均粒徑為(218.27±2.21)nm、PDI為0.118±0.002。進一步研究儲藏期內乳液的物理、氧化穩定性及水解作用，結果表明該工藝條件下制備的美藤果油乳液在14 d的儲藏期間具有較好的耐受pH和鹽離子的物理穩定性；由于乳液的包埋作用，使得美藤果油減少了與空氣以及水的接觸，同時降低了其分子的運動性，從而顯著減緩了美藤果油的氧化速率以及乳液的水解。