獼猴桃籽油微乳液的制備及貨架期預(yù)測(cè)

蔡程晨 朱式業(yè) 熊武國(guó) 李加興, 易 倩 魏梓璐

(1.吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000；2.吉首大學(xué)林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000；3.湖南省澧縣中醫(yī)醫(yī)院，湖南 澧縣 415500)

獼猴桃籽油中富含多不飽和脂肪酸、脂類(lèi)、黃酮類(lèi)及其他生物活性物質(zhì)，其中亞麻酸、亞油酸等不飽和脂肪酸占75%以上，特別是α-亞麻酸含量高達(dá)64.1%[1-3]。研究[4-7]表明，α-亞麻酸具有降血脂、降膽固醇、提高并保護(hù)腦神經(jīng)膜機(jī)能、防止皮膚干燥、提高免疫力、抗過(guò)敏反應(yīng)、延緩衰老和促進(jìn)脂肪代謝、肝細(xì)胞再生等作用。但也正因獼猴桃籽油富含多不飽和脂肪酸，而易于氧化變質(zhì)，影響其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與感官質(zhì)量。

微乳液通常由表面活性劑、助表面活性劑、油和水在適當(dāng)比例下自發(fā)形成的外觀為透明或半透明體系，粒徑為10～100 nm，具有超低界面張力(通常約為10-2mN/m)及熱力學(xué)穩(wěn)定等特性[8]。根據(jù)各組分的比例、溫度和壓力等環(huán)境條件，微乳液可形成油包水型、雙連續(xù)型和水包油型的結(jié)構(gòu)[9-11]。由于植物油脂微乳液具有熱穩(wěn)定性，且膠束粒子細(xì)小，易被皮膚吸收，具有功效明顯、長(zhǎng)期使用無(wú)副作用等優(yōu)點(diǎn)[12]，所以被廣泛應(yīng)用。

因獼猴桃籽油作為一種富含多烯酸的功能性油脂，易于氧化，阻礙其在食品與日化品領(lǐng)域中的應(yīng)用。將獼猴桃籽油微乳液制備成微乳液既可增強(qiáng)其氧化穩(wěn)定性，還能增溶難溶成分。但目前有關(guān)獼猴桃籽油微乳液的研究甚少，本課題組前期[13]曾對(duì)獼猴桃籽油微乳液氧化穩(wěn)定性及體外抗氧化活性進(jìn)行研究。本試驗(yàn)擬以獼猴桃籽油為原料，采用低能量乳化法制備微乳液，通過(guò)擬三元相圖法優(yōu)化微乳液配方，并對(duì)其抗氧化穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以進(jìn)一步擴(kuò)展獼猴桃籽油的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃籽油：采用超臨界萃取工藝提取，湖南優(yōu)鎰農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司；

失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚(吐溫80)、失水山梨醇單油酸酯(司盤(pán)80)、肉豆蔻酸異丙酯(IPM)：食品級(jí)；

硫代硫酸鈉、無(wú)水乙醚、無(wú)水乙醇、碘化鉀、可溶性淀粉、氫氧化鉀、1-2-丙二醇、三氯甲烷、冰醋酸：分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平：FA2104型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：GZX-9146 MBE型，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；

水浴鍋：HH-S型，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；

電動(dòng)離心機(jī)：800型，常州市金環(huán)區(qū)環(huán)宇科學(xué)儀器廠；

冰箱：BCD-215TS型，青島海爾股份有限公司；

pH計(jì)：PHS-3C型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，鄭州長(zhǎng)城工貿(mào)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 獼猴桃籽油微乳液的制備方法 采用Shah法[14-15]制備微乳，首先將獼猴桃籽油與IPM按照一定質(zhì)量比(1∶1，2∶1，3∶1)配制成混合油相，再按照一定比例加入表面活性劑、助表面活性劑，然后用膠頭滴管逐滴加入蒸餾水，同時(shí)在一定溫度下攪拌，直至溶液由渾濁變?yōu)槌吻?形成微乳液)，即可制備得到獼猴桃籽油微乳液。

1.3.2 擬三元相圖法制備微乳液 表面活性劑與混合油相分別按照9∶1，8∶2，7∶3，6∶4，5∶5，4∶6，3∶7，2∶8，1∶9的質(zhì)量比進(jìn)行微乳液的制備，分別計(jì)算出臨界點(diǎn)各相所占質(zhì)量百分比，以混合油相、混合表面活性劑相、水相作為擬三元相圖的3個(gè)頂點(diǎn)，標(biāo)出臨界點(diǎn)各組分質(zhì)量百分比，將臨界點(diǎn)連線(xiàn)即可得到這一體系的擬三元相圖，利用Origin 8.5軟件繪制三元相圖，用AutoCAD 2007軟件分析比較其微乳區(qū)的面積大小，面積越大，表明該微乳液的配比越適宜[16]。

1.3.3 混合油相中獼猴桃籽油與IPM比例篩選試驗(yàn)

以吐溫80∶司盤(pán)80=1∶1(質(zhì)量比)為表面活性劑，按Km值3∶1加入助表面活性劑1，2丙二醇，控制混合油相中的獼猴桃籽油與IPM的質(zhì)量比為1∶1，2∶1，3∶1，逐滴加入蒸餾水，在30 ℃下攪拌以制備微乳液，比較擬三元相圖微乳區(qū)的面積大小，以篩選較適宜的獼猴桃籽油與IPM比例。

1.3.4 混合表面活性劑中吐溫80與司盤(pán)80比例的篩選試驗(yàn) 以獼猴桃籽油∶IPM=1∶1(質(zhì)量比)為混合油相，控制吐溫80∶司盤(pán)80質(zhì)量比例為1∶1，2∶1，4∶1，按Km值3∶1加入助表面活性劑1，2-丙二醇，在30 ℃下攪拌以制備微乳液，比較擬三元相圖微乳區(qū)的面積大小，以篩選較適宜的混合表面活性劑中吐溫80與司盤(pán)80的質(zhì)量比例。

1.3.5 表面活性劑與助表面活性劑質(zhì)量比(Km值)的篩選試驗(yàn) 控制Km值分別為2∶1，3∶1，4∶1，在30 ℃下攪拌以制備微乳液，比較擬三元相圖微乳區(qū)面積大小，以篩選較適宜的Km值。

1.3.6 微乳液類(lèi)型鑒別 采用染色法[17]。

1.4 微乳液穩(wěn)定性分析

1.4.1 離心穩(wěn)定性 微乳液應(yīng)為澄清透明或半透明的液體，呈現(xiàn)出均相的穩(wěn)定體系，即使離心也不易發(fā)生凝絮或相分離現(xiàn)象。采用3 000 r/min對(duì)微乳液離心10 min，觀察微乳液能否保持澄清透明或半透明狀態(tài)[18]。

1.4.2 貯藏溫度對(duì)獼猴桃籽油微乳液抗氧化穩(wěn)定性的影響 獼猴桃籽油微乳液分別置于25，45，65 ℃的熱風(fēng)干燥箱中貯存，取樣測(cè)定獼猴桃籽油微乳液過(guò)氧化值隨貯藏時(shí)間的變化，以探討溫度對(duì)獼猴桃籽油微乳液抗氧化穩(wěn)定性的影響。

1.4.3 獼猴桃籽油微乳液貨架期預(yù)測(cè)模型的建立 Arrhenius方程可以反映食品腐敗變質(zhì)的速率與環(huán)境溫度之間的函數(shù)關(guān)系[19]，方程如下：

(1)

式中：

k0——方程指前因子；

Ea——活化能，kJ/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

T——熱力學(xué)溫度，K。

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)可得：

(2)

由式(2)可知，lnk與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)(1/T)呈線(xiàn)性關(guān)系，斜率為-Ea/R，lnk0為常數(shù)項(xiàng)。求得不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)后，用lnk對(duì)絕對(duì)溫度的倒數(shù)1/T作圖，就可求得表觀活化能Ea、指前因子k0，再采用式(1)、(2)即可推導(dǎo)出獼猴桃籽油微乳液的氧化動(dòng)力學(xué)模型。

為反映獼猴桃籽油微乳液樣品的氧化速率與環(huán)境溫度的關(guān)系，根據(jù)獼猴桃籽油微乳液在不同貯藏溫度(25，45，65 ℃)下過(guò)氧化值隨貯藏時(shí)間的變化，采用獼猴桃籽油微乳液的氧化動(dòng)力學(xué)模型求得不同溫度下的氧化反應(yīng)速率常數(shù)，再根據(jù)式(3)即可計(jì)算出獼猴桃籽油微乳液的貨架期。

A=A0e(kt)，

(3)

式中：

A——過(guò)氧化值，g/100 g；

A0——樣品初始過(guò)氧化值，g/100 g；

k——氧化反應(yīng)速率常數(shù)；

t——儲(chǔ)藏時(shí)間即貨架期，h。

1.5 分析檢測(cè)方法

1.5.1 過(guò)氧化值測(cè)定 按GB 5009.227—2016執(zhí)行。

1.5.2 酸價(jià)測(cè)定 按GB 5009.229—2016執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備獼猴桃籽油微乳液的影響因素

2.1.1 獼猴桃籽油與IPM質(zhì)量比對(duì)形成獼猴桃籽油微乳液的影響 不同質(zhì)量比獼猴桃籽油與IPM對(duì)形成獼猴桃籽油微乳液的影響如圖1和表1所示。

試驗(yàn)[20]表明，在獼猴桃籽油微乳液中加入IPM，微乳區(qū)能穩(wěn)定存在。可能是油相分子鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)而越難以插入表面活性劑中形成混合膜。根據(jù)圖1和表1得知，隨著獼猴桃籽油含量的增加，微乳區(qū)面積不斷減小，可能是IPM的加入能在一定程度上增強(qiáng)非離子表面活性劑形成微乳的能力。

表1 獼猴桃籽油與IPM比例對(duì)微乳區(qū)面積的影響Table 1 Different ratio of kiwi fruit seed oil to IPM on forming region of micro-emulsion

E.多相區(qū) I.單相區(qū)

2.1.2 吐溫80與司盤(pán)80質(zhì)量比對(duì)形成獼猴桃籽油微乳液的影響 表面劑吐溫80與司盤(pán)80不同比例混合對(duì)形成獼猴桃籽油微乳液的影響如圖2和表2所示。

單一的表面活性劑往往很難滿(mǎn)足由多組分體系的微乳化要求[21]，但是若復(fù)配表面活性劑中司盤(pán)80含量較高，易發(fā)生靜電相斥作用，不利于表面活性劑分子在界面的緊密排列。根據(jù)圖2和表2可知，微乳區(qū)面積在吐溫80和司盤(pán)80質(zhì)量比為2∶1時(shí)面積較大，該比例下形成的混合膜與油相和水相都有強(qiáng)的親和力[22]。若繼續(xù)增加吐溫80可能會(huì)使司盤(pán)80在界面排列所受空間阻力變大而導(dǎo)致微乳區(qū)面積減小。

E.多相區(qū) I.單相區(qū)

表2 吐溫80與司盤(pán)80質(zhì)量比對(duì)微乳區(qū)面積的影響Table 2 Different ratio of Tween80 to Span80 onforming region of micro-emulsion

2.1.3Km值對(duì)形成獼猴桃籽油微乳液的影響Km值對(duì)形成獼猴桃籽油微乳液影響的如圖3和表3所示。

根據(jù)圖3和表3得知，微乳區(qū)面積隨著Km值得變化呈先上升后減小。其中，在Km值為3∶1時(shí)，微乳區(qū)面積最大，可能與在微乳液制備中加入一定濃度的助表面活性劑(1，2-丙二醇)后，能使界面張力進(jìn)一步降低有關(guān)。此時(shí)，界面擴(kuò)展生成完好的液滴，體系可形成較大面積的微乳區(qū)[23]。隨著表面活性劑含量繼續(xù)增加，使得微乳區(qū)面積減小，可能是因?yàn)橹砻婊钚詣┫鄬?duì)含量減少，導(dǎo)致其在油水界面的密度下降，難以維持較低的油/水界面張力[24]。

E.多相區(qū) I.單相區(qū)

表3 Km值對(duì)微乳區(qū)面積的影響Table 3 Different ratio of Km values on forming of micro-emulsion

2.1.4 獼猴桃籽油微乳液的類(lèi)型判定 亞甲基藍(lán)浮于微乳液面，不擴(kuò)散也不滲透；而蘇丹紅Ⅳ不僅融于液滴，并且擴(kuò)散、滲透于液滴中。說(shuō)明蘇丹紅Ⅳ大于亞甲基藍(lán)的擴(kuò)散速率，即形成油包水型微乳液。

2.2 獼猴桃籽油微乳液的穩(wěn)定性分析

2.2.1 離心穩(wěn)定性 未出現(xiàn)油水分離，仍保持著澄清透明，說(shuō)明該體系具有良好的離心穩(wěn)定性。

2.2.2 貯藏溫度對(duì)獼猴桃籽油微乳液氧化穩(wěn)定性的影響 獼猴桃籽油微乳液在不同貯藏溫度下過(guò)氧化值隨貯藏時(shí)間的變化結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 獼猴桃籽油微乳液過(guò)氧化值隨貯藏時(shí)間的變化Figure 4 Changes in POV of kiwi fruit seed oil micro-emulsion with storage time

由圖4可知，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而過(guò)氧化值逐漸升高，且溫度越高過(guò)氧化值增幅越大。說(shuō)明溫度對(duì)獼猴桃籽油微乳液氧化穩(wěn)定性的影響較大，而且溫度越高對(duì)其貨架期越不利。中國(guó)對(duì)油脂貨架期的預(yù)測(cè)大多選用過(guò)氧化值達(dá)到國(guó)標(biāo)上限值作為依據(jù)[25]。

2.2.3 獼猴桃籽油微乳液貯藏過(guò)程中品質(zhì)變化的動(dòng)力學(xué)模型 為了探究獼猴桃籽油微乳液與溫度之間的關(guān)系，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理[26]，分別用零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程c=c0-kt和一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程c=c0·e-kt對(duì)獼猴桃籽油微乳液在不同溫度下的過(guò)氧化值進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。

表4 獼猴桃籽油微乳液在不同溫度下基于過(guò)氧化值的回歸方程Table 4 Regression equation of POV changes of kiwi fruit seed oil under different temperature

由表4可知，在同等溫度下，零級(jí)反應(yīng)速率方程的回歸系數(shù)小于一級(jí)反應(yīng)，擬合度低，說(shuō)明獼猴桃籽油微乳液氧化反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)。從方程看出，過(guò)氧化值速率隨溫度上升而加快，說(shuō)明溫度對(duì)油脂的氧化有加速作用。

由表4可得，不同溫度下的k值，用lnk對(duì)絕對(duì)溫度的倒數(shù)1/T作圖，可得到一條斜率為-Ea/R的直線(xiàn)，求得Ea和k0，如圖5所示。

因lnk與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)(1/T)呈線(xiàn)性關(guān)系，斜率為-Ea/R，lnk0為常數(shù)項(xiàng)。由圖5可知，Ea/R=3 940.8，lnk0=6.480 5，R2=0.969，說(shuō)明lnk與1/T的相關(guān)性較好。在此基礎(chǔ)上建立獼猴桃籽油微乳液儲(chǔ)藏過(guò)程中氧化反應(yīng)速率常數(shù)k與儲(chǔ)藏溫度(T)之間的Arrhenius方程為：

(4)

2.2.4 貨架期動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè) 將GB 2716—2018《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 植物油》中過(guò)氧化值的限值(0.25 g/100 g)作為貨架期終點(diǎn)，采用獼猴桃籽油微乳液氧化動(dòng)力學(xué)模型求出25 ℃下獼猴桃籽油微乳液的氧化反應(yīng)速率常數(shù)，并代入式(3)得到不同溫度下獼猴桃籽油微乳液的貨架期的理論值，見(jiàn)表5。

圖5 獼猴桃籽油微乳液貯藏溫度及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)速率的回歸分析Figure 5 Regression analysis of temperature and reaction rate of kiwi fruit seed oil micro-emulsion

表5 不同貯藏溫度下獼猴桃籽油微乳液的貨架期Table 5 Calculated shelf-life of kiwi fruit seed oil micro-emulsion at different temperature

3 結(jié)論

本研究的不足之處在于選擇的比例較少，無(wú)樣品實(shí)際保存期與預(yù)測(cè)模型的數(shù)據(jù)比較。為了解決上述問(wèn)題，應(yīng)選擇盡量多的比例進(jìn)行篩選，測(cè)定樣品實(shí)際保存值并與預(yù)測(cè)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。