杜仲籽油納米乳液超聲乳化制備工藝及穩定性研究

王小媛, 王爽爽, 查蒙蒙，縱 偉

(1.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，鄭州 450002; 2.食品生產與安全河南省協同創新中心，鄭州 450002)

杜仲(EucommiaulmoidesOliver)是我國名貴滋補藥材[1]。杜仲籽油富含α-亞麻酸、亞油酸等多不飽和脂肪酸，具有明顯的降壓作用和預防腦血栓、心肌梗塞及抗腫瘤作用[2]。杜仲籽油在長期高溫貯藏下易發生酸敗，如何提高杜仲籽油的穩定性和利用率是亟待解決的難題。納米乳液是由水相、油相、表面活性劑及助表面活性劑按照合適的比例所形成的熱力學穩定的膠體分散體系，由于其特有的物化特性，很好地解決了油溶性功能成分水溶性差、易氧化、難吸收等問題，在食品藥品領域已引起廣泛關注[3]。考慮將杜仲籽油制備成納米乳液，不僅可以防止其中不飽和脂肪酸過早氧化生成對人體有害的物質，也可提高杜仲籽油的生物利用度和環境耐受性，進而使得杜仲籽油充分發揮其營養價值[4]。

超聲乳化法是當前在食品領域中制備納米乳液的一種高能乳化法，具有清潔高效、穩定乳液、操作靈活、高效節能等優勢，在納米乳液的制備方面呈現出很大的潛力[5]。目前，已有文獻通過超聲乳化法制備姜油[6]、葵花籽油[7]、油茶籽油[8]納米乳液，但鮮有通過超聲乳化制備杜仲籽油納米乳液的相關報道。本文探討了超聲聲學參數及納米乳組分含量對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位的影響，通過單因素實驗和響應面法優化了超聲乳化的工藝條件，并對其穩定性進行初步評價，為杜仲籽油相關產品的設計提供新的思路，并為其食品工業應用提供一定的數據支持和工業應用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

杜仲籽油，陜西森弗天然制品有限公司；吐溫80、無水乙醇、蘇丹紅、亞甲基藍，均為分析純。

XHF-D高速分散機，寧波新芝生物科技股份有限公司；旋渦混合器，常州邁科諾儀器有限公司；T6新世紀分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；JJ-1 型精密增力電動攪拌器，常州國華電器有限公司；Scientz-IID 型超聲波細胞破碎儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；TG-16-WS 高速冷凍離心機，湘儀離心機儀器有限公司；Zetasizer NANO-ZS90納米粒度表面電位分析儀，英國Malvern公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 粗乳液的制備

在室溫條件下，以杜仲籽油為油相、吐溫80為乳化劑、無水乙醇為助乳化劑，將吐溫80與無水乙醇按2∶1加入杜仲籽油，用磁力攪拌器以700 r/min混合10 min，再向其中滴加一定量的去離子水，10 000 r/min的高速分散機均質2 min，即形成粗乳液。

1.2.2 杜仲籽油納米乳液的制備

取一定量粗乳液于燒杯中，將超聲波細胞破碎儀變超聲幅桿置于其中，液面浸沒變超聲幅桿末端約3 cm，同時燒杯外部采取冰水浴的方式進行降溫，從而防止因溫度升高對乳液的穩定性造成影響。在一定的超聲時間、超聲功率下進行超聲乳化處理，即形成杜仲籽油納米乳液。

1.2.3 超聲乳化工藝優化

根據Stockes規律，顆粒越細小，沉淀速度越慢；當界面膜強度相差不大時，Zeta電位絕對值越大，表明被乳化的體系越穩定[9-10]。本實驗以平均粒徑和Zeta電位絕對值為評價指標，利用單因素實驗分別考察超聲時間、超聲功率、杜仲籽油體積分數、乳化劑質量濃度對杜仲籽油乳化效果的影響。設定單因素實驗基本條件為超聲時間5 min、超聲功率400 W、杜仲籽油體積分數8%、乳化劑質量濃度0.12 g/mL。在此基礎上，采用響應面實驗確定最佳的超聲乳化工藝條件。

1.2.4 杜仲籽油納米乳液的粒徑和Zeta電位測定

使用Zetasizer NANO-ZS90納米粒度表面電位分析儀測定所制備的杜仲籽油納米乳液的平均粒徑和Zeta電位絕對值。將儀器的溫度和平衡時間設置為25℃ 和120 s，做3次平行實驗，每次的運行周期為20 s。為避免高質量分數引起的多重散射效應，測定前須先用去離子水將制備好的納米乳液稀釋100倍。

1.2.5 杜仲籽油納米乳液穩定性研究

參考文獻[11]，將杜仲籽油納米乳液樣品分別置于4、25、60℃下，并于5、10、15、20、25 d分別拿出分裝小樣進行平均粒徑和Zeta電位絕對值的測定。

1.2.6 數據的統計處理

實驗結果以3次平行實驗的“均值±標準偏差”表示，采用Origin 8.5軟件繪圖，樣品之間的差異性通過Duncan法比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 超聲功率對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響(見圖1)

圖1 超聲功率對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響

由圖1可知：當超聲功率由100 W增大到400 W時，杜仲籽油納米乳液平均粒徑顯著降低、Zeta電位絕對值顯著升高(P<0.05)，400 W時平均粒徑達到最小值，為120.97 nm，Zeta電位絕對值最高，為28.33 mV，說明超聲過程中原料液中的大顆粒物質被高度破碎；超聲功率由400 W增大到600 W時，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑緩慢增加、Zeta電位絕對值顯著降低(P<0.05)，這是因為高強度的超聲效應引起小顆粒再聚，導致微粒之間彼此吸引，產生過處理效應[12]。為此，選擇超聲功率范圍為300～500 W。

2.1.2 超聲時間對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響(見圖2)

圖2 超聲時間對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響

由圖2可知，隨超聲時間延長，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑呈減小的趨勢、Zeta電位絕對值逐漸升高，這是因為超聲處理能夠將乳液中的不溶性物質破碎成細小的微粒，從而有效降低乳液粒徑及分散性，與Sharma等[13]結果一致。當超聲時間長于5 min時，平均粒徑和Zeta電位絕對值的變化均不具有顯著性(P>0.05)，表明在5 min 內對納米乳液進行超聲處理能使其達到較穩定的狀態。因此，綜合考慮，確定超聲時間為5 min。

2.1.3 杜仲籽油體積分數對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響(見圖3)

圖3 杜仲籽油體積分數對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響

由圖3可知：杜仲籽油納米乳液的平均粒徑隨杜仲籽油體積分數的增加先降低后增大，在8%時達到最小值120.6 nm，大于10%時，平均粒徑緩慢增加但變化不顯著(P>0.05)；Zeta電位絕對值隨杜仲籽油體積分數的增加先增加后降低，在杜仲籽油體積分數大于8%時，無顯著性變化。綜合考慮，確定杜仲籽油體積分數為6%～10%。

2.1.4 乳化劑質量濃度對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響(見圖4)

圖4 乳化劑質量濃度對杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值的影響

由圖4可知：隨著乳化劑質量濃度的增加，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑先減小后增大，Zeta電位絕對值先逐漸升高后略有降低。乳化劑的增加可以降低表面張力、減小乳化時能量的消耗，使得乳化效率增大、平均粒徑減小，與Sugumar等[14]的結果一致；但乳化劑量過大，乳化劑之間相互作用，使得乳液微粒發生聚合現象，粒徑增大，穩定性降低。因此，選擇乳化劑質量濃度為0.09～0.15 g/mL。

2.2 響應面優化實驗

2.2.1 回歸方程的建立及模型方差分析

根據響應面 Box-Behnken Design設計原理，固定超聲時間5 min，選取超聲功率(A)、杜仲籽油體積分數(B)、乳化劑質量濃度(C)為因素，以平均粒徑(Y1)和Zeta電位絕對值(Y2)為響應變量，采用三因素三水平的響應面分析法進行設計，使用Design-Expert 8.0軟件進行數據分析。響應面因素與水平見表1，響應面實驗方案及結果見表2，方差分析見表3、表4。

表1 響應面因素與水平

表2 響應面實驗方案及結果

續表2

實驗號ABCY1/nmY2/mV50-1-1136.2227.16110161.0923.67-1-10189.8522.78000114.8729.2910-1130.6327.510-10-1175.5523.111000117.3629.112000128.4728.7130-11148.5225.814101140.3526.315-101183.9822.91601-1152.8624.517000130.7528.6

表3 平均粒徑方差分析

注：* *P<0.01，差異極顯著；*P<0.05，差異顯著。下同。

表4 Zeta電位絕對值方差分析

由表3和表4可知，杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值兩個模型差異都極顯著(P<0.01)，而失擬項差異均不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起。兩個模型的擬合度R2分別為0.981 9和0.986 8，說明響應值平均粒徑和Zeta電位絕對值的變化分別有98.19%和98.68%來源于所選變量，模型擬合度較好，使用該模型對杜仲籽油納米乳液的平均粒徑及Zeta電位絕對值進行預測是可靠的。

在平均粒徑模型中，一次項A、B，二次項A2、B2對平均粒徑影響達到極顯著水平，一次項C對平均粒徑影響顯著，其他項差異不顯著；在Zeta電位絕對值模型中，一次項A、C，二次項A2、B2、C2對Zeta電位絕對值影響達到極顯著水平，一次項B對Zeta電位絕對值影響顯著，其他項差異不顯著。這表明各因素對杜仲籽油納米乳液平均粒徑和Zeta電位絕對值影響復雜。經回歸擬合后，得二次多項式如下：

Y1=123.31-21.78A+6.81B+4.47C+1.18AB+0.32AC-1.75BC+29.83A2+21.14B2+4.48C2

Y2=27.5+1.35A-0.67B-2.42C-0.35AB-0.25AC+0.25BC-2.93A2-2.48B2-1.03C2

各因素對平均粒徑和Zeta電位絕對值的影響大小順序分別為：超聲功率>杜仲籽油體積分數>乳化劑質量濃度；乳化劑質量濃度>超聲功率>杜仲籽油體積分數。以上結果可以解釋為杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對值是由超聲空化作用所產生的高剪切力和乳液流變學特性共同決定的。

2.2.2 最佳工藝條件的確定及驗證實驗

通過對模型方程最優化分析，得出制備杜仲籽油納米乳液的最佳工藝條件為超聲功率432.47 W、杜仲籽油體積分數7.62%、乳化劑質量濃度0.12 g/mL，此條件下的納米乳液平均粒徑和Zeta電位絕對值的理論預測值分別為118.78 nm和29.22 mV。在超聲時間5 min 條件下對該優化條件進行驗證實驗，所得平均粒徑的實測值為(121.5±1.43)nm，Zeta電位絕對值的實測值為(28.6±0.35)mV，兩者預測值與實際測量值吻合度分別為97.7%和97.9%，說明響應值的實驗值與回歸方程預測值吻合良好。

2.3 杜仲籽油納米乳液的穩定性(見圖5)

由圖5可知，不同貯藏條件的杜仲籽油納米乳液的平均粒徑和Zeta電位絕對值具有顯著性差異，這是因為貯藏溫度和貯藏時間的變化導致納米乳液的穩定性下降，出現顆粒之間的絮凝現象。隨著貯藏時間的延長，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑增加、Zeta電位絕對值減小；較高的環境溫度也導致納米乳液體系內的粒子受熱吸收能量，遷移活動加劇，內部發生布朗運動顯著，粒徑增大而聚沉。

圖5 杜仲籽油納米乳在貯藏過程中平均粒徑和Zeta電位絕對值的變化

徐明進等[15]研究了Zeta電位對水包油型乳液穩定性的影響，結果表明當界面膜強度相差不大時，Zeta電位絕對值越大，乳液的穩定性越好。由圖5可知，隨著貯藏時間的延長，杜仲籽油納米乳液的Zeta電位絕對值降低，當貯藏溫度低于25℃時，杜仲籽油納米乳液的Zeta電位絕對值保持在30～20 mV之間；當儲存10 d時，Zeta電位絕對值降低了10 mV，這是由于油滴表面上的表面活性劑聚集，進而導致電位發生變化、乳液的穩定性下降。此外，較高的環境溫度破壞納米乳液內部結構，體系內的粒子受熱吸收能量導致遷移活動加劇，粒子間出現聚合現象，布朗運動顯著，粒徑變大而聚沉。

3 結 論

本實驗采用單因素實驗和響應面實驗對超聲乳化法制備杜仲籽油納米乳液的工藝條件進行優化，得到最佳工藝條件為超聲時間5 min、超聲功率432.47 W、杜仲籽油體積分數7.62%、乳化劑質量濃度0.12 g/mL，在該條件下杜仲籽油納米乳液的平均粒徑為(121.5±1.43)nm，Zeta電位絕對值為(28.6±0.35)mV。通過對其貯藏期平均粒徑、Zeta電位的測定表明，杜仲籽油納米乳液在25℃以下保存短于20 d時，具有較好的貯藏穩定性。