不同乳化劑對油酸和亞油酸乳狀液穩定性的影響

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(1.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;2.中愛國際合作食品物質學與結構設計研究中心,福建福州 350002;3.Teagasc食品研究中心,愛爾蘭科克 999014)

普遍認為過量地攝取飽和脂肪酸是導致心血管疾病的重要原因[1],增加膳食中的油酸等不飽和脂肪酸的攝入,代替膳食中的飽和脂肪酸,可改善攝入者的胰島素敏感性,降低糖尿病風險,并增強對炎癥反應和肝臟損害的保護作用[2]。Jurado-Ruiz等[3]報道用亞油酸替代膳食中的飽和脂肪酸能減少血脂異常和抗胰島素抵抗患者低密度脂蛋白顆粒的產生和數量。目前針對不飽和脂肪酸穩態化技術主要包括粉末油脂和乳狀液。穩定性是影響乳狀液的最重要因素。乳狀液的穩定性是指其抵抗各種物理化學性質隨著時間變化的能力,在儲藏過程中不可避免會導致乳狀液失穩。因此,提高乳狀液的穩定性對于食品工業生產中有著極其重要的意義。

可通過多糖、蛋白質和表面活性劑等多種不同類型的乳化劑提高其穩定性,這些不同的乳化劑具有不同的分子特征[4],通過降低相間的界面張力,增加空間位阻和液滴間的靜電斥力[5],來達到穩定乳狀液的效果。李玉琴等[6]以油酸為油相,利用小分子表面活性劑和多元醇開發了微乳狀液藥物載體體系。劉峰[7]以非離子表面活性劑為乳化劑,制備了多不飽和酸的自聚集乳狀液。徐瓊等[8]通過采用改性的阿拉伯膠制備穩定的共軛亞油酸乳狀液。本研究分別采用了兩種天然乳化劑(酪蛋白酸鈉、阿拉伯膠)和一種表面活性劑(吐溫20),制備的脂肪酸乳狀液體系,探究其對油酸與亞油酸乳狀液穩定性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油酸、亞油酸、阿拉伯膠、酪蛋白酸鈉、吐溫20、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、氯化鈉 分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

RH basic2磁力攪拌器 德國IKA公司;Mastersizer3000激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司;Lumifuge 611食品穩定性分析儀 德國LUM儀器公司;MX-T6-PRO數控滾軸混勻儀 大龍興創實驗儀器(北京)有限公司;Sciente-950E超聲波細胞粉碎儀 寧波Scientz生物技術有限公司;Turrax T25高速均質機 德國IKA公司;Physical MCR301旋轉流變儀 德國Stuttgart有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備 阿拉伯膠按1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%(w/v)的比例溶解于去離子水中;酪蛋白酸鈉按1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%(w/v)的比例溶解于磷酸鹽緩沖液A中(0.6 mol/L 氯化鈉、50 mmol/L 磷酸氫二鈉/磷酸二氫鈉,pH6.25);吐溫20按1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%(w/v)的比例溶解于去離子水中,滾軸混合器混合12 h,使乳化劑充分水合。不飽和脂肪酸乳狀液的制備根據Erdmann等[9]的方法,略有改動,乳化劑溶液中加入一定的質量濃度為10%(w/w)的油酸、亞油酸。用高速均質機在12000 r/min條件下乳化均質30 s,均質4次,得到預乳狀液。用功率為300 W,超聲時間4 s,間隔時間2 s,處理預乳狀液2 min得乳狀液。

1.2.2 乳狀液粒徑測定 采用激光粒度儀測定乳狀液中顆粒的平均粒徑和粒度分布。背景測試持續時間為15 s。在分析前對樣品進行充分的攪拌以保證樣品的均勻性,動態范圍設置在0.01～3500 μm。樣品池中攪拌的轉速控制在2000 r/min用于分散樣品,樣品遮光度設為5%～18%,每個樣品測定取3次平均值。

1.2.3 乳狀液離心穩定性測定 Lumifuge快速穩定分析儀測定乳狀液顆粒的遷移速率來表征乳狀液的穩定性[10]。采用加速分層、定量沉淀和懸浮技術(STEP)[11],根據朗伯比爾定律來分析乳狀液穩定情況[12]。澄清指數即透光量的百分比,指的是樣品在離心后,其透光量與原始透光量的百分比,用于分析比較乳狀液的穩定性的大小。因此,澄清指數越高,表示該乳狀液樣品的沉淀量越多,乳狀液的穩定性越差[13],澄清指數越低,表示該乳狀液越穩定[14]。

將樣品裝入Lumifuge專用樣品管中,設定參數條件為:溫度25 ℃,離心轉速3000 r/min,輪廓線250 條,時間間隔10 s,光因子1.0,總測量時間41 min 40 s。

1.2.4 乳狀液流變的測量 采用Physical MCR301流變儀對25 ℃下穩定的乳狀液流變性能進行表征,剪切速率從0.1～100 s-1,進行粘度特性的測定,每個樣品至少測定3次。

1.3 數據處理

數據采用DPS軟件進行統計分析,采用ANOVA進行方差分析,數據進行正態分布檢驗,符合正態分布的多重采用Duncan’s法,P<0.05,差異顯著,作圖采用軟件Origin 8.5。

2 結果與分析

2.1 不同乳化劑濃度對油酸、亞油酸乳狀液粒徑的影響

乳狀液液滴的粒徑的大小和粒徑的分布情況是評價乳狀液穩定性大小的重要指標之一[15]。根據顆粒沉降的規律,液滴的顆粒越小,液滴的沉降速度越慢,乳狀液也就越穩定[16]。粒徑指標具有不同的表達方式,其中D[4,3]稱為體積加權平均值且對樣品中大顆粒的存在敏感[17],采用D[4,3]作為不飽和脂肪酸乳狀液的評價指標。

由圖1和圖2可知,不同的乳化劑對油酸和亞油酸乳狀液的粒徑影響差異顯著(P<0.05)。阿拉伯膠制備的油酸和亞油酸乳狀液,隨其濃度的增加,粒徑均呈現先降低后增加的趨勢;阿拉伯膠為4%(w/v)時,乳狀液粒徑最小。這可能是因為阿拉伯膠分子的阿拉伯半聚乳糖蛋白(APG)是其具有乳化性能的關鍵[18],其吸附到油水界面上,通過空間位阻的作用增加界面膜的穩定性,從而減少脂肪酸顆粒或液滴的聚集。當阿拉伯膠1%～3%(w/v)時,不飽和脂肪酸乳狀液APG濃度較小,吸附在油水界面量不夠,空間位阻作用較小,增加界面膜的強度較弱,導致脂肪酸顆粒聚集。當乳化劑濃度升高達到5%(w/v)的阿拉伯膠時,過量的未吸附在界面上的乳化劑增加了水相的粘度,使乳滴之間存在較大的排空力,導致乳狀液絮凝,從而導致其粒徑變大,穩定性降低[19]。當阿拉伯膠的質量濃度適量達到4%(w/v)時,乳化劑快速吸附到界面上,繼而展開重排而完全覆蓋油滴表面,緊密排列的界面層的黏彈性、厚度增加,所以乳狀液穩定性較好[20],因此,4%(w/v)的阿拉伯膠制備不飽和脂肪酸乳狀液粒徑最小。

圖1 不同乳化劑對油酸乳狀液粒徑的影響Fig.1 Effects of different emulsifierson particle size of oleic acid emulsion 注:同一物質不同小寫字母表示差異顯著,P<0.05,圖2同。

圖2 不同乳化劑對亞油酸乳狀液粒徑的影響Fig.2 Effects of different emulsifierson particle size of linoleic acid emulsion

酪蛋白酸鈉是一種水溶性乳蛋白,具有出色的兩親性,同時包含疏水基團和親水基團,具有出色的乳化和包封特性[21]。酪蛋白酸鈉的高度無序結構使其迅速吸附到油/水界面上并有效降低界面張力,從而通過靜電作用穩定了水相中的油滴[22]。當乳化過程中,酪蛋白酸鈉的濃度不夠,不足以飽和新生成的油水界面時,會發生橋聯絮凝,使粒徑較大[23],所以1%(w/v)的酪蛋白酸鈉乳狀液會有較大的粒徑。當粒徑在2%(w/v)達到最小的粒徑后,隨著乳化劑濃度的進一步增加,而3%～5%(w/v)的酪蛋白酸鈉,觀察到粒徑逐漸增加,這表明過量的乳化劑可能導致二次顆粒的形成或成核[24]。

由圖1和圖2可知,吐溫20制備的的乳狀液粒徑與其他兩種乳化劑相比較小,范圍在0.2～0.3 μm之間,其中,1%(w/v)的吐溫20的不飽和脂肪酸乳狀液粒徑最小。因為吐溫20是小分子表面活性劑,具有更高的表面活性,因此更傾向于競爭性吸附[25],非離子表面活性劑在乳化過程中形成更小的液滴來增加表面積[26],以此來形成更為穩定的乳狀液。

根據Hong等[27]的研究,HLB值(親水親油平衡值)越大,乳狀液的液滴越小,而吐溫20的HLB值為16.7,相比阿拉伯膠的HLB為8,酪蛋白酸鈉的HLB值為15[28],這也解釋了吐溫20不飽和脂肪酸乳狀液液滴粒徑尺寸小于其他兩種乳化劑乳化的粒徑的原因。

綜上,三種不同的乳化劑分別在4%(w/v)阿拉伯膠、2%(w/v)酪蛋白酸鈉、1%(w/v)吐溫20時不飽和脂肪酸的乳狀液粒徑最小,平均粒徑在0.2～0.3 μm。

2.2 不同乳化劑對油酸、亞油酸乳狀液的儲藏穩定性的影響

由圖3、圖4可知,1%(w/v)吐溫20乳化的油酸、亞油酸乳狀液在0～14 d的儲藏時間內,粒徑隨著時間的增加變化幅度較小,而其他兩種乳化劑乳化的不飽和脂肪酸乳狀液隨著時間的增加,粒徑變化幅度較大。造成該結果的原因可能為乳狀液液滴粒徑較小,降低了重力分離的程度[29],從而提高了乳狀液的貯藏穩定性。

圖3 不同乳化劑制備的油酸乳狀液的儲藏時間對粒徑的影響Fig.3 Effects of storage time of oleic acid emulsionprepared by different emulsifiers on particle size

圖4 不同乳化劑制備的亞油酸乳狀液的儲藏時間對粒徑的影響Fig.4 Effects of storage time of linoleic acidemulsion prepared by different emulsifiers on particle size

2.3 不同乳化劑對油酸乳狀液、亞油酸乳狀液澄清指數的影響

澄清指數的數值高低代表著乳狀液的穩定性,澄清指數越高,代表乳狀液越不穩定;澄清指數越低,則乳狀液越穩定。由圖5、圖6可知隨著乳化劑質量分數的提高,阿拉伯膠乳化的油酸和亞油酸乳狀液的澄清指數均呈先降低后升高的趨勢,其中4%(w/v)的阿拉伯膠乳化的油酸乳狀液的澄清指數為同組最低,說明在該質量濃度下,油酸乳狀液最穩定。由酪蛋白酸鈉穩定的油酸與亞油酸乳狀液的澄清指數均呈先降低后升高的趨勢,其中2%(w/v)酪蛋白酸鈉不飽和脂肪酸乳狀液的澄清指數最低。吐溫20制備的油酸、亞油酸乳狀液隨著質量分數的增加,澄清指數均呈升高趨勢,在質量濃度1%時澄清指數最低。表面活性劑在界面吸附時一般為單分子層,當表面吸附達到飽和時,發生自聚集行為形成膠團[30],這是造成小分子表面活性劑作乳化劑的乳狀液體系濃度增加,穩定性卻下降的原因之一。

圖7 不同乳化劑優化油酸乳狀液的Lumifuge掃描圖譜Fig.7 Lumifuge scanning profile of oleic acid emulsion optimized by different emulsifiers

圖5 不同乳化劑質量分數對油酸乳狀液澄清指數的影響Fig.5 Effects of different emulsifier mass fractionson clarification index of oleic acid emulsion

圖6 不同乳化劑質量分數對亞油酸乳狀液澄清指數的影響Fig.6 Effects of different emulsifier mass fractionson the clarification index of linoleic acid emulsion

而同種乳化劑的亞油酸乳狀液具有相同的趨勢,不同的是油酸乳狀液的澄清指數比亞油酸乳狀液的澄清指數低,說明同濃度同乳化劑下,4%(w/v)的阿拉伯膠乳化的油酸乳狀液比亞油酸乳狀液更為穩定。相同的,可以觀察到另外兩組乳化劑的油酸乳狀液與亞油酸乳狀液也具有相同的規律。

綜上,食品穩定性分析儀的澄清指數表征的結果顯示,在不飽和脂肪酸乳狀液優化中,4%(w/v)的阿拉伯膠、2%(w/v)的酪蛋白酸鈉、1%(w/v)的吐溫20的澄清指數最小,該結果與粒徑的結果相一致。

2.4 不同乳化劑對油酸乳狀液、亞油酸乳狀液Lumifuge掃描圖譜的影響

圖8 不同乳化劑優化亞油酸乳狀液的Lumifuge掃描圖譜Fig.8 Lumifuge scanning profile of linoleic acid emulsion optimized by different emulsifiers

乳狀液長期儲存后由于油相的密度比水的密度小,乳狀液液滴會向上遷移,在頂部聚集成為油層[31],乳狀液體系失穩。Lumifuge食品穩定性分析儀,利用離心力分離過程模擬重力分離,初始透射分布(圖7、圖8中的箭頭起點)表示的是粒子的初始運動狀態,最終的透射分布(圖中的箭頭終點),表示的是乳狀液實驗后的最終狀態。掃描圖譜中的兩條線之間的較大間隙表示是緩慢的絮凝的過程,整個離心過程中的透射曲線,可用于評價乳狀液的穩定性,透光率變化越大,穩定性越差[32]。根據圖7和圖8的掃描圖譜顯示,離心后的最終狀態顯示所有的樣品管底部的透射率都有增加,說明離心后乳狀液的油層在水層之上。由圖7和圖8中的空白對照樣可得4%(w/v)阿拉伯膠、1%(w/v)的吐溫20和2%(w/v)的酪蛋白酸鈉的油酸乳狀液和亞油酸乳狀液的透光率比未添加乳化劑的油酸和亞油酸乳狀液的變化幅度小。未添加乳化劑的不飽和脂肪酸乳狀液在離心后絮凝嚴重,說明該乳狀液在離心下失穩嚴重。而添加了三種乳化劑的處理能較好的阻止乳狀液的離心失穩,有效地增加了乳狀液的穩定性。三種乳化劑中,添加4%(w/v)的阿拉伯膠的油酸與亞油酸乳狀液具有更小的透光率變化幅度,相比較其他兩種乳化劑,原因可能為阿拉伯膠多糖通過在水相中形成網絡結構,通過空間位阻限制油滴的流動性,增加不飽和脂肪酸乳狀液的穩定性[27],從而顯示出更好的抗離心穩定性。

2.5 不同乳化劑對油酸乳狀液、亞油酸乳狀液靜態流變特性的影響

圖9和圖10闡述了不同乳化劑制備的油酸乳狀液和亞油酸乳狀液的剪切粘度。隨著剪切速率的增加,粘度明顯下降,總體的粘度指數在0～0.5 Pa·s之間,最后接近0并趨于平緩,表明乳狀液剪切變稀,呈假塑性流體[33]。在剪切速率0.1～1 s-1的變化過程中,隨著剪切速率的增大,乳狀液粘度急劇下降;而在1～100 s-1變化過程中,隨著剪切速率的增大乳狀液粘度下降幅度很小,主要原因可能是在剪切應力作用下乳狀液中液滴的取向作用遠高于布朗運動所引起的隨機效應,粘度隨之下降[34],當剪切作用力達到一定程度時,液滴定向排布,粘度趨于定值,使得乳狀液的粘度較低且變化不明顯[35]。其中,由4%(w/v)阿拉伯膠制備的不飽和脂肪酸乳狀液的粘度較大,而2%(w/v)酪蛋白酸鈉和1%(w/v)吐溫20制備的不飽和脂肪酸乳狀液具有較小的粘度。這是因為阿拉伯膠是一種兩親性多糖,能吸附在油滴表面,增加了乳狀液的粘度,從而防止了液滴彼此靠近并抑制了液滴的聚結[36],提高乳狀液的穩定性。

圖9 不同剪切速率下不同乳化劑對油酸乳狀液粘度的影響Fig.9 Effects of different emulsifiers on oleicacid emulsion viscosity at different shear rates

圖10 不同剪切速率下不同乳化劑對亞油酸乳狀液粘度的影響Fig.10 Effects of different emulsifiers on linoleicacid emulsion viscosity at different shear rates

3 結論

本文研究了三種不同的食品級乳化劑及其不同質量濃度對油酸與亞油酸制備不飽和脂肪酸乳狀液的穩定性的影響。發現在吐溫20乳化劑的質量濃度為1%時,乳狀液不飽和脂肪酸的粒徑最小,乳狀液穩定性最好。這可能是因為吐溫20具有更大的HLB值,能夠形成更小的液滴來增加乳狀液的穩定性。采用Lumifuge食品穩定性分析儀進行了不飽和脂肪酸乳狀液的穩定性分析,結果發現,4%(w/v)阿拉伯膠不飽和脂肪酸乳狀液具有最好的離心穩定性,并且油酸乳狀液比亞油酸乳狀液更穩定。這可能是由于油酸與亞油酸含有不同的碳碳雙鍵有關;并且對不飽和脂肪酸乳狀液進行靜態流變分析的結果為,該濃度的阿拉伯膠制備的乳狀液具有較大的粘度,更利于乳狀液的穩定性。本研究可為開發不飽和脂肪酸乳狀液的傳送體系和制備及應用提供基礎數據。