以南極磷蝦油為天然乳化劑制備O/W型乳液的工藝優化

姜如雪，于繁千惠，楊金月，陳 玲,薛 勇，薛長湖

(中國海洋大學 食品科學與工程學院，山東 青島 266003)

南極磷蝦油是從南極磷蝦中提取的呈暗紅色的油狀物質，其作為一種高附加值產品，富含磷脂、n-3 多不飽和脂肪酸、蝦青素等多種活性成分，具有很高的營養價值[1]。磷蝦油中磷脂的主要類型為磷脂酰膽堿，磷脂與長鏈的n-3多不飽和脂肪酸相連，形成獨特的活性脂肪酸存在形式，使得人體更易吸收利用[2]。而磷脂又是一種天然的表面活性劑，因此南極磷蝦油亦是一種潛在的具有較高營養價值的乳化劑。

乳液由兩種不混溶的兩相(通常是油相和水相)組成，其中一相在另一相中以小球形液滴分散?？梢愿鶕拖嗪退嗟南鄬臻g分布將乳液進行分類，包括O/W型乳液、W/O型乳液和多重乳液[3]。

本研究以南極磷蝦油為天然乳化劑，魚油為油相，在只存在油脂和水的條件下，制備能承載相對高含量內相油的O/W型乳液，既能提高乳液作為傳遞系統的裝載效率，又能拓展海洋功能性油脂的應用。本文旨在提出一種新型的海洋油脂-水穩定的乳液新思路，僅用粗乳化方法便可形成相對穩定的乳液，不使用高壓均質機、膠體磨等設備，該乳液改變了魚油高度親脂的特性，可以提高水基食品中魚油的含量，在加強食品營養的同時也為其工業化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

魚油(FO)，中國海洋大學食品科學與工程學院提供；南極磷蝦油(AKO)(磷脂含量為40%)，購自青島康境公司；蒸餾水；松節油、棉籽油，購自江西海麟公司。

IKA-TI8型高速分散機，德國IKA有限公司；Rhemeter MCR301流變儀，奧地利安東帕公司；UPR-I-5/10/15T臺式純水機；DNP型-電熱恒溫培養箱；OHAUS ST 3100C 電導率儀，美國OHAUS公司；OLYMPUS CX31型光學顯微鏡，日本奧林巴斯光學公司；NCJJ-0.007/200型納米超高壓均質機；AB135-S 型精密電子分析天平，瑞士 Mettler-Toledo 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 HLB值的測定

采用乳化法測定AKO的HLB值[4]。

1.2.2 乳液的制備

以AKO為乳化劑，FO為油相，蒸餾水為水相制備乳液。先將AKO加入 FO 中，形成混合體系，再在體系中加入蒸餾水，通過高速分散機在一定剪切速率下乳化5 min形成乳液，于25℃貯藏備用。

1.2.3 乳液的表征

1.2.3.1 穩定性測試

根據Züge等[5]的方法評價乳液穩定性。

1.2.3.2 乳液類型和相轉變

通過電導率儀測定新鮮乳液的電導率確定乳液類型和相轉變點[6]。O/W型乳液具有較好的導電能力，電導率較高，而W/O型乳液導電性能較差，電導率較小，所以乳液的相轉變點位于電導率突變的濃度范圍內。

1.2.3.3 微觀結構

取在25℃下貯藏0、4、24 h的乳液穩定層置于倒置光學顯微鏡下觀察其液滴形態，放大倍數為1 000倍。

1.2.3.4 液滴尺寸分布

根據Ni等[7]的方法，隨機選取3張顯微鏡照片進行液滴尺寸分布分析。

1.2.3.5 流變性質分析

對新鮮乳液進行流變學性質分析。使用MCR301流變儀，采用直徑為50 mm、角度為2°的錐形板在25℃下進行測試：①流動曲線(γ=0.01～500.0 s-1)；②頻率掃描(f=0.1～10 Hz，τ=5 Pa)。

1.2.3.6 數據統計分析

所有實驗重復 3 次，利用 Origin 9.1 軟件作圖，使用 SPSS 22.0 軟件進行方差分析，顯著性水平設定為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 南極磷蝦油的HLB值

對AKO進行HLB值測定，發現AKO在HLB值為 6～16 范圍內都具有較好的乳化能力，且在HLB值為8～11時表現最佳。該結果表明AKO作為乳化劑更傾向于形成O/W型乳液，并且具有很廣的適用范圍。這是由于南極磷蝦磷脂中含有71.20%的磷脂酰膽堿(PC)，大量的PC能夠促進O/W型乳液的形成[6,8]。

2.2 南極磷蝦油基O/W型乳液的工藝優化

2.2.1 不同剪切速率對乳液的影響

依照Züge[5]、Lee等[9]的研究，在乳化劑AKO含量1%、油相FO含量50%條件下，改變剪切速率分別為7 000、12 000 r/min，研究剪切速率對乳液穩定性和液滴尺寸的影響。

2.2.1.1 不同剪切速率對乳液穩定性的影響

實驗發現，新鮮乳液在貯藏1 h內都能保持穩定狀態，未見明顯分層，但隨著貯藏時間繼續延長，乳液均出現一定程度的分層現象。這是由于乳液本質為熱力學不穩定體系，隨著時間的推移，兩相會向更穩定的狀態移動使自由能最小化，從而會出現脫水收縮即相分離現象[10]。

2.2.1.2 不同剪切速率對乳液液滴尺寸的影響(見圖1)

圖1 不同剪切速率對貯藏不同時間乳液液滴尺寸分布的影響

據Palazolo等[11]研究，液滴在重力場中的運動和布朗運動共同調控乳液靜置貯藏過程中的分層行為。從圖1可以看出，隨著剪切速率的提高，更多的能量輸入有效地降低了乳液液滴粒徑，粒徑的減小延緩了液滴的重力場運動從而提高了乳液的穩定性。12 000 r/min組乳液貯藏4 h后仍未見明顯分層，其乳化穩定性明顯優于7 000 r/min。因此，本研究采用12 000 r/min的剪切速率進行油相含量的選擇。

2.2.2 不同油相含量對乳液的影響

在乳化劑AKO含量1%、剪切速率12 000 r/min條件下，分別利用50%、60%、70%、80%、90%的油相(FO)制備乳液，研究油相含量對乳液穩定性、類型和液滴尺寸分布的影響。

2.2.2.1 不同油相含量對乳液穩定性的影響

實驗發現，70%、80%油相組乳液未見明顯分層，其余組乳液隨著貯藏時間的延長均出現明顯分層。值得注意的是，90%油相含量的乳液顏色、形態與其余組差異較大，且隨著貯藏時間的延長出現明顯的油珠上浮，推測由于油相含量過高導致乳液類型發生轉變，而50%、60%油相含量的乳液隨著貯藏時間的延長出現兩相分離，分為上層乳油層和下層水層。

2.2.2.2 不同油相含量對乳液類型的影響(見圖2、圖3)

圖2 不同油相含量乳液的電導率

圖3 不同油相含量新鮮乳液的顯微鏡圖

從圖2可以看出，乳液的相轉變點在油相含量80%～90%之間。在該油相含量范圍內，乳液的電導率驟降，微觀結構也有很大變化，液滴形態由球形變為不規則狀，即當油相含量小于等于80%時，形成O/W型乳液，90%油相含量的乳液形成W/O型乳液(電導率趨于0)。因此，AKO 作為乳化劑傾向于形成O/W型乳液。

同時，乳液電導率隨著油相含量的增加呈下降趨勢，此現象與張維等[12]的研究結果一致。電導率測試結果顯示50%～80%油相組乳液為O/W型乳液，但從圖3可以看出，隨著油相含量的增加，多重乳液現象發生，內部液滴數目增加。 50%～80%油相組乳液的電導率都高于20 μS/cm，所以乳液中所存在的多重乳液類型應該是W/O/W型。Jahanzad等[13]研究發現，在相轉變突發前，多重乳液主要出現在具有較高油相含量的樣品中。突發相轉變是指由于油相或水相含量變化引起的相轉變[14]。值得注意的是，雖然多重乳液應用范圍較廣，如食品敏感成分的包封，減少功能食品、藥品等脂肪的含量等[15-16]，但影響多重乳液穩定性的因素較多，不僅包括外部的絮凝等反應還包括內在的絮凝和局部反應[17]，即在實際生產中需要控制的因素較多。由于本研究沒有包封特定的水溶性活性物質，同時多重乳液的存在減少了在外部階段的水，使得部分水最終在油滴中，進而影響相轉變點[6]，因此應盡可能降低乳液的多重程度。此外，當油相含量為60%時，乳液電導率略微增加，這可能與乳液體系中具有一定程度的多重乳液有關。

2.2.2.3 不同油相含量對乳液液滴尺寸分布的影響(見圖4)

從圖4可以看出：50%油相組乳液液滴直徑隨著貯藏時間的延長迅速增大；60%油相組乳液液滴直徑在整個貯藏過程中呈緩慢增大趨勢，相較于其他組較為穩定；而70%、80%油相組乳液液滴直徑隨著貯藏時間的延長呈現先增大后減小的趨勢。這可能與乳液中液滴的聚結和破碎有關。由圖3可知，隨著油相含量的增加，多重乳液現象發生并且內部液滴數目增加。液滴聚結會使液滴直徑變大，而多重乳液液滴破碎后，內部的小液滴被釋放到外部的連續相中，則會使乳液液滴直徑變小[13]。推測50%油相組乳液液滴聚結速率遠大于液滴破碎速率；60%油相組乳液液滴聚結和破碎速率基本持平；而70%、80%油相組乳液在貯藏前期液滴聚結速率較大，貯藏后期液滴破碎速率遠大于聚結速率。乳液液滴聚結速率過大會導致乳液迅速失穩(乳液分層現象)，破碎速率較大又不利于水溶性活性物質的包埋。

圖4 不同油相含量貯藏不同時間乳液的液滴尺寸分布

2.2.2.4 不同油相含量對乳液流變性質的影響(見圖5)

從圖5A可以看出，乳液皆符合Ostwald-de Waele方程，為假塑性流體(n<1)，且稠度指數(K)隨著油相含量的增加而增加。從圖5B可以看出，乳液黏度隨著油相含量的增加而增加，所有乳液均存在剪切稀化行為，并在高剪切速率下乳液黏度趨于穩定。剪切稀化行為是各種流體乳液、凝膠和聚合物溶液的特征，通常認為它是流體內微米級結構重排的結果[18]。50%、60%油相組乳液的剪切稀化程度較小(曲線相對較為平緩)，70%、80%油相組乳液則具有較強的剪切稀化行為，由此得出50%、60%油相乳液具有更好的抗剪切能力。液體食品在加工運輸過程中，常常會遇到各種變形和流動問題，較好的抗剪切能力有利于產品的加工和運輸。

圖5 1%AKO乳液的流變性質(僅分析O/W型乳液)

60%油相組乳液在貯藏4 h后發生明顯分層現象，但相較于其他油相組，其乳液多重程度較低，在實際應用需要控制的條件相對較少；而且該油相組乳液黏度較小，抗剪切能力較好，飲料等水基食品往往黏度較小，且在加工過程中需要一定的攪拌、流動，該乳液性能滿足實際生產需求，易于添加到相關食品中。因此，選擇60%油相含量進行后續實驗。

2.2.3 不同AKO含量對乳液的影響

在油相FO含量60%、剪切速率12 000 r/min條件下，分別以1%、2%、3%的AKO為乳化劑制備乳液，研究AKO含量對乳液的影響。

2.2.3.1 不同AKO含量對乳液穩定性的影響

實驗發現，隨著AKO含量的增加，乳液分層現象逐漸消失，乳液穩定性顯著提高。3%AKO組乳液隨著貯藏時間的延長未見明顯分層，2%AKO組在貯藏24 h后出現明顯分層，1%AKO組則在貯藏4 h后出現明顯分層。AKO含量的提高使乳液體系中的磷脂濃度提高，從而使乳液的穩定性也顯著提高，并且相較于剪切速率，AKO含量對乳液穩定性的影響更大。

2.2.3.2 不同AKO含量對乳液流變性質的影響(見圖6)

從圖6A可以看出，乳液黏度隨著AKO含量的增加而增加，黏度的增加也提升了乳液的貯藏穩定性，所以3%AKO組乳液貯藏24 h時依舊未見明顯分層。同時，乳液黏度隨著剪切速率的增加而減小，即所有乳液都存在剪切稀化行為，為假塑性流體。從圖6B可以看出，儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨著剪切頻率的增加而增加，反映乳液體系積累更多的能量，這提高了乳液的穩定性[19]。同時，所有組的G″'始終大于其G′，表示乳液黏彈性特征表現為黏性主導，彈性較弱，并且2%AKO組乳液相較于其他組具有更高的儲能模量和損耗模量。

圖6 不同AKO含量乳液的流變性質

2.2.3.3 不同AKO含量對乳液微觀結構的影響(見圖7)

從圖7可以看出，隨著AKO含量的提高多重乳液的程度也隨之提高，大液滴內部的小液滴數量增加，且1%AKO組乳液的液滴直徑明顯大于其他組，并且隨著乳化劑含量的增加多重乳液程度也增加。結合圖3分析，AKO含量和油相含量都會影響乳液中的多重乳液程度，且為正相關關系，而多重乳液的存在會改變乳液黏度和相轉變點[6,20]。

圖7 不同AKO含量乳液貯藏不同時間的顯微鏡圖

3 結 論

南極磷蝦油作為一種天然乳化劑，HLB值在6～16 范圍內都有乳化能力，HLB值為8～11時表現最佳，傾向于形成O/W型乳液。

以1%AKO為乳化劑制備的乳液在油相含量為80%～90%發生相轉變，即由O/W型轉變為W/O型乳液。油相含量為50%～80%制備的乳液中存在多重乳液(W/O/W)行為，且隨著油相含量的提高，多重乳液程度也隨之提高。

以AKO為乳化劑，制備承載較高內相含量的O/W型穩定乳液的最佳工藝條件為：AKO含量3%，FO含量60%，剪切速率12 000 r/min，乳化時間5 min。