谷維素對納米乳液理化穩定性的影響

楊貴妃劉 昕黎重陽鐘金鋒覃小麗

YANG Gui-fei1,2 LIU Xin1,2 LI Chong-yang1,2 ZHONG Jin-feng1,2 QIN Xiao-li1,2

(1. 西南大學食品科學學院，重慶 400715；2. 西南大學食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶 400715)

(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education, Southwest University, Chongqing 400715, China)

谷維素是一類脂溶性維生素，主要以環木菠蘿醇類阿魏酸酯和甾醇類阿魏酸酯組成[1]。其在米糠油中含量最高，約為2%～3%。谷維素具有降低膽固醇、降血糖血脂、抗氧化等作用，被廣泛用于醫藥、食品、化妝品等領域。目前，谷維素的研究主要集中在谷維素的提取與純化[2-3]、功能性食品開發[4-5]、抗氧化性、藥理作用[6-7]和作為凝膠因子制備凝膠油[8]等方面。

谷維素作為天然的食品抗氧化劑可延緩食品氧化變質而備受關注。Sunil等[9]將不同含量谷維素(0%～3%)的葵花籽油于37 ℃下儲藏5周，結果顯示油脂的化學穩定性與谷維素濃度呈正相關。沈鴻等[10]在油茶籽油中添加0.1%和0.5%的谷維素，于(62±1) ℃的烘箱中加速氧化14 d，結果顯示含谷維素的油茶籽油在加速氧化第4天的過氧化值增長速率比對照組(不添加谷維素的油茶籽油)慢，第14天后對照組的過氧化值分別是含0.5%和0.1%谷維素油茶籽油的2.0，1.6倍。可見，谷維素在油脂的穩定性方面有著積極的作用，但其對其他食品體系(如：乳液)中油脂的穩定性的影響有待進一步研究。

水包油乳液可作為脂溶性功能成分的載體而在食品領域備受關注。然而，乳液體系中的脂質易發生氧化，從而降低食品乳液的品質。目前，用于提高乳液化學穩定性的抗氧化劑主要有抗壞血酸、茶多酚等。丁儉等[11]研究發現乳液中添加15 mmol/L的抗壞血酸時，乳液具有更好的氧化穩定性。孫靜靜等[12]研究發現在水相中添加0.1 g/mL的茶多酚對乳液的氧化抑制率達92.42%。Vorarat等[13]制備了米糠油加谷維素的乳液和米糠油乳液，通過2,2-二苯基-1-苦基肼基自由基清除法和鐵還原抗氧化電位法測定來評估2種乳液的氧化穩定性，結果顯示米糠油加谷維素的乳液比米糠油乳液具有更高的Trolox當量抗氧化能力值，最多高達1.9倍，說明添加谷維素有助于提高乳液的氧化穩定性。然而，不同谷維素濃度在不同儲藏溫度下對納米乳液理化穩定性的影響尚未清楚。因此，本試驗擬研究谷維素質量濃度分別為0%，1%，2%的納米乳液在不同儲藏溫度(4，25，37 ℃)下的理化穩定性及其變化規律，為谷維素在食品領域的應用提供一定借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆卵磷脂：高純度，合肥博美生物科技有限責任公司；

辛烯基琥珀酸酯淀粉：上海天活貿易有限公司；

中鏈甘油三酯：上海一基實業有限公司；

谷維素：98%，大連美侖生物技術有限公司；

大豆油：中糧福臨門食品營銷有限公司；

超純水：YSL-RO-T10L/H超純水系統(Ashland公司)制備。

1.2 儀器與設備

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，鞏義市予華儀器有限責任公司；

高速均質機：T18 ULTRA-TURRAX型，德國IKA公司；

激光粒徑儀：Zetasizer NS90型，英國Malvern公司；

紫外可見分光光度計：T6型，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 納米乳液的制備 準確稱取63.00 g超純水和1.47 g辛烯基琥珀酸酯淀粉于燒杯，在30 ℃水浴中攪拌1 h (433 r/min)，得到水相。準確稱取1.47 g大豆油、0.63 g中鏈甘油三酯、3.43 g磷脂以及不同質量的谷維素于燒杯中，在50 ℃水浴中攪拌1 h(100 r/min)，獲取含有不同質量濃度(0%，1%，2%)谷維素的油相。將油相置于30 ℃水浴中攪拌(100 r/min)，并將水相于3 min內滴加于油相中，滴加完后計時攪拌30 min，接著進行均質(20 000 r/min，8 min)。得到含不同質量濃度(0%，1%，2%)谷維素的納米乳液。

1.3.2 谷維素濃度及儲藏溫度對納米乳液的物理和化學穩定性的影響 將含有不同質量濃度(0%，1%，2%)谷維素的納米乳液分別在4，25，37 ℃下儲藏45 d，并定期取樣，研究谷維素濃度對不同儲藏溫度下納米乳液的物理穩定性[包括平均粒徑、多分散系數(polydispersity index，PDI)和外觀]和化學穩定性(包括過氧化值和茴香胺值)的影響。

1.3.3 谷維素對納米乳液化學穩定性影響的動力學模型

研究[14-15]表明油脂氧化遵循零級動力學反應，然而在油脂中添加抗氧化劑后，在含有油脂的體系中，油脂的氧化反應符合零級反應和一級反應。因此可以利用動力學反應建立納米乳液中油脂氧化時產生的過氧化物濃度和氧化時間之間的關系模型，反應式可用式(1)表示。

(1)

式中：

r——化學反應速率，mmol/(L·d)；

C——反應t時刻的過氧化物濃度，mmol/L；

n——反應級數；

k——化學反應速率常數，其單位由反應級數n確定；

t——氧化時間，d。

根據現有的報道[14-16]，對納米乳液中油脂的氧化進行零級和一級動力學分析，其動力學方程分別為：

零級反應：C=C0+k0t，

(2)

一級反應：lnC=lnC0+k1t，

(3)

式中：

C0——t=0時的過氧化物濃度，mmol/L；

k0——零級反應速率常數，mmol/(L·d)；

k1——一級反應速率常數，d-1。

1.4 評價指標檢測方法

1.4.1 納米乳液的粒徑和PDI測定 用超純水分別對各取樣時間點(1，10，17，27，40，45 d)的納米乳液稀釋1 000倍。然后，使用激光粒徑儀測定稀釋后納米乳液的粒徑和PDI。

1.4.2 納米乳液的過氧化值測定 采用過氧化值評價納米乳液中油脂的初級氧化產物(主要為氫過氧化物)，具體方法參照Zhong等[17]方法進行。根據余輝等[18]的方法建立 Fe3+標準曲線，以吸光值對相應的Fe3+含量(μg/mL)繪制標準曲線為y= 0.241 1x+ 0.016，R2=0.999 5。基于Fe3+的標準曲線，根據式(4)可計算納米乳液的過氧化值。

(4)

式中：

PV——納米乳液的過氧化值，mmol/L；

A——510 nm處的吸光值，A=A樣品-A空白；

a、b——Fe3+標準曲線的斜率和截距；

V——納米乳液體積，mL；

56——Fe3+的摩爾質量，g/moL；

2——Fe3+和氫過氧化物的摩爾比；

9.09——樣品反應的體積，mL；

1.8——含提取物的有機溶劑相總體積，mL；

0.6——測定所用的含提取物的有機溶劑相體積，mL。

1.4.3 納米乳液的茴香胺值測定 采用茴香胺值評價納米乳液中油脂的次級氧化產物，具體操作參照ISO 6885—2006，根據式(5)計算納米乳液的茴香胺值。

(5)

式中：

AV——納米乳液的茴香胺值；

V——異辛烷萃取納米乳液后的體積，mL；

m——納米乳液中油的質量，g；

Q——測定溶液中樣品濃度，0.01 g/mL；

A1——反應溶液吸光度；

A2——空白溶液吸光度；

A0——未反應溶液吸光度；

1.2——用1 mL茴香胺試劑或冰醋酸溶液稀釋測試溶液的校正因子。

1.5 數據處理

每組試驗至少重復2次，每個樣品的各指標至少平行測定3次，結果以平均值±標準偏差表示。采用 Microsoft Excel 2010、SPSS 18.0和Origin 8.0 等軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同儲藏溫度下谷維素濃度對納米乳液物理穩定性的影響

如圖1所示，所有納米乳液的平均粒徑均隨著儲藏時間的延長而呈現逐步增長的趨勢。在4 ℃下儲藏45 d后，谷維素質量濃度為0%，1%，2%的納米乳液平均粒徑的增長率為7%，6%，6%，但差異不顯著[圖1(a)]，這說明在該溫度下谷維素濃度對納米乳液的物理穩定性沒有顯著影響。在較高儲藏溫度(25，37 ℃)下，納米乳液的平均粒徑在儲藏前期(<10 d)呈快速增加，10 d后趨于緩慢增加的趨勢[圖1(b)、(c)]。在所考察的儲藏期(45 d)內，納米乳液的平均粒徑在較高儲藏溫度(25，37 ℃)下的增長率(10%～19%)高于4 ℃(6%～7%)下的。含不同谷維素濃度的納米乳液在較高溫下儲藏45 d時的平均粒徑沒有顯著差異(P>0.05)[圖1(b)、(c)]。以1%谷維素的納米乳液為例，由圖2可知，不同儲藏溫度下的納米乳液呈相似的單峰分布，說明所研究的納米乳液是均一體系。4 ℃下儲藏45 d納米乳液的粒徑分布和鮮樣的基本重合，說明4 ℃下納米乳液最穩定。隨著儲藏溫度的升高，粒徑分布呈變窄且峰值向右移動趨勢。通過峰強度變化分析發現，4 ℃下儲藏的納米乳液中，47.7%的粒徑分布于50.7～164.0 nm，39.9%的粒徑分布于164～396 nm；37 ℃下，36.2%的粒徑分布于78.8～164.0 nm，60.4%的粒徑分布于164～396 nm，由此可見較大粒徑液滴比例增大，因而納米乳液的平均粒徑增大，這與圖1中粒徑測定結果一致。這可能是乳液液滴在較高溫度下運動較快而發生奧氏熟化或碰撞聚合的幾率較大，因而使納米乳液的平均粒徑增加[19]。0%，1%，2%谷維素的納米乳液在不同溫度下儲藏過程中PDI變化情況一致，所有納米乳液的PDI值集中在0.20～0.25，納米乳液的粒徑分散比較均勻。不同溫度下儲藏的PDI曲線比較平緩，45 d后各溫度下的PDI值之間無顯著差異(P>0.05)(圖3)。綜合上述可知，含不同濃度谷維素的納米乳液在不同儲藏溫度下的物理穩定性沒有顯著變化，低溫(4 ℃)對納米乳液的物理穩定性影響最小，納米乳液在儲藏過程中始終保持均勻分散。

圖1 不同溫度下不同谷維素濃度的納米乳液粒徑變化圖

Figure 1 Changes in particle size of nanoemulsions with different oryzanol concentrations at different temperatures

圖2 1%谷維素的納米乳液儲藏45 d后的粒徑分布圖

Figure 2 The particle size distribution of nanoemulsions with 1% oryzanol stored at different temperatures for 45 days

圖3 1%谷維素的納米乳液在不同溫度下儲藏的PDI變化圖

Figure 3 Changes in PDI of nanoemulsions with 1% oryzanol stored at different temperatures

2.2 不同儲藏溫度下谷維素濃度對納米乳液化學穩定性的影響

研究[20-21]表明谷維素作為植物源性的天然抗氧化劑，能夠作為電子供體攔截具有強氧化能力的自由基而終止鏈式反應，從而抑制油脂過氧化。由圖4可知，納米乳液的過氧化值隨著儲藏時間的延長呈增加的趨勢。然而，不同谷維素濃度對各儲藏溫度下納米乳液過氧化值的影響存在差異。例如，0%，1%，2%谷維素納米乳液在37 ℃儲藏第45天時的過氧化值分別是4 ℃下相對應谷維素濃度納米乳的66.6，55.9，32.8倍，而0%，1%，2%谷維素納米乳液在25 ℃儲藏第45天時的過氧化值分別是4 ℃下相對應谷維素濃度納米乳液的5.8，5.4，5.6倍。說明納米乳液在低溫(4 ℃)下的氧化程度較低，這與低溫抑制納米乳液的氧化反應有關。此外，不同谷維素濃度的納米乳液分別在4，25 ℃下儲藏45 d 后的過氧化值沒有顯著差異(P>0.05)，這提示了在較低溫度(4，25 ℃)條件下添加谷維素能減緩納米乳液的氧化程度，但納米乳液的化學穩定性與所考察谷維素濃度不存在顯著相關性[圖4(a)、(b)]。然而，由圖4(c)可知，在37 ℃下儲藏27 d后，納米乳液的過氧化值呈現急劇升高的趨勢，且所考察的谷維素濃度與納米乳液(>27 d)的過氧化值有著明顯的負相關性。在第45天時，2%，1%谷維素濃度的納米乳液過氧化值分別是0%谷維素納米乳液的0.6，0.9倍[圖4(c)]。說明在37 ℃儲藏后期(>27 d)，谷維素濃度越高就越能夠有效降低納米乳液中油脂的氧化程度。這可能是在37 ℃下納米乳液中油脂發生氧化程度比低溫(4，25 ℃)要高得多，因此乳液中含有更多的烷基自由基，它與基態分子氧形成鏈式反應加速油脂氧化。谷維素中的阿魏酸基團上的酚羥基和結構中雙鍵形成的共軛體系能夠在一定程度上阻斷自由基的鏈式傳輸[22]；隨著谷維素濃度的增大，谷維素阻斷鏈式反應效果可能越明顯，因此延緩納米乳液的氧化就越明顯。

圖4 不同溫度下不同谷維素濃度對納米乳液過氧化值的影響

Figure 4 Effect of different oryzanol concentrations on peroxide value of nanoemulsions at different temperatures

根據納米乳液儲藏過程中過氧化值隨時間的變化規律，對其進行動力學分析，以評價納米乳液在儲藏過程中的變化情況。按照零級動力學模型[式(2)]和一級動力學模型[式(3)]擬合過氧化值的變化，結果如表1所示。由表1可知，一級動力學模型中過氧化值與氧化時間之間的線性回歸系數R2基本大于零級動力學模型中的，其中零級動力學模型在37 ℃下出現過擬合情況；說明一級動力學模型能夠更好地反映過氧化值與儲藏時間的線性關系。因此，通過一級動力學模型擬合后得到的化學反應速率常數k1來分析納米乳液的變化情況。由表1可知，隨著儲藏溫度的升高，化學反應速率常數k1不斷增大，說明納米乳液的氧化程度不斷增大。向納米乳液中添加谷維素，在4 ℃下，化學反應速率常數k1從0.009 4 d-1降到0.004 9 d-1；在25 ℃下，化學反應速率常數k1從0.050 5 d-1降到0.042 4 d-1，說明在較低溫度(4，25 ℃)下添加谷維素可以延緩納米乳液的氧化速度，有助于提高納米乳液的氧化穩定性。在37 ℃下，隨著谷維素濃度的增大，化學反應速率常數k1從0.094 6 d-1降到0.078 8 d-1，2%谷維素濃度納米乳液的化學反應速率常數k1是未添加谷維素納米乳液的0.8倍。由此可見，在較低溫度(4，25 ℃)下，往納米乳液中添加谷維素后，化學反應速率常數k1減小，說明谷維素可以使納米乳液的氧化速度減慢；在37 ℃下，谷維素濃度越高，k1越小，納米乳液的氧化速度越慢，這與圖4的分析結果一致。

茴香胺值是用來表示初級氧化產物分解得到二級產物(主要是羰基化合物)含量的，是衡量油脂氧化的重要指標之一。因為4，25 ℃下納米乳液的過氧化值較低，氫過氧化物分解緩慢，所測的茴香胺值非常低，所以本研究將對37 ℃儲藏后期(>17 d)納米乳液的茴香胺值進行分析，結果如圖5 所示。含不同谷維素濃度的納米乳液茴香胺值的變化規律與過氧化值變化規律一致[圖4(c)、5]。在儲藏第27天，納米乳液的茴香胺值約為3.14，不同谷維素濃度的納米乳液茴香胺值之間不存在顯著差異(P>0.05)，茴香胺值在儲藏后期(>40 d)急劇增大。因為隨著過氧化值的不斷增加，氧化過程中產生的二級產物越多，茴香胺值因而也不斷增加。在第45天時，含2%，1%谷維素的納米乳液的茴香胺值分別是0%谷維素的納米乳液的0.55，0.64倍。這提示了當油脂氧化反應產生一定濃度氧化產物時，谷維素濃度越高其越能夠有效降低納米乳液的氧化程度。

表1 納米乳液過氧化值變化動力學模型的系數?

? “—”表示過擬合情況。

圖5 37 ℃時谷維素濃度對納米乳液茴香胺值的影響

Figure 5 Effect of different oryzanol concentrations on the anisidine value of nanoemulsions stored at 37 ℃

3 結論

本試驗考察了谷維素濃度(0%，1%，2%)及儲藏溫度(4，25，37 ℃)對納米乳液理化穩定性的影響及其規律。發現在不同儲藏溫度下，谷維素濃度對納米乳液的物理穩定性沒有顯著影響；4 ℃下納米乳液的平均粒徑增長率(6%～7%)小于其他儲藏溫度(25，37 ℃)下的(10%～19%)。在較低溫度(4，25 ℃)下，納米乳液的氧化程度較低，納米乳液的化學穩定性與谷維素濃度沒有表現出顯著相關性。在37 ℃下，納米乳液的氧化程度較高，納米乳液的過氧化值和茴香胺值與谷維素濃度呈負相關；尤其在儲藏后期(>27 d)，谷維素濃度越高，納米乳液中油脂的氧化程度越低。根據動力學分析發現，一級動力學模型可以更好地反映納米乳液的氧化情況。有關谷維素對納米乳液理化穩定性影響的機理有待進一步研究。