納米SiO2改性4種大分子材料的乳液制備及性質

趙國瑜，范方宇*，黃 瑾，李華珊，楊絲蕾

（西南林業大學生命科學學院，西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室，云南 昆明 650224）

乳液是一種簡單有效的包埋運輸系統，包括水包油（O/W）、油包水（W/O）或多重乳液（O/W/O或W/O/W）[1]。O/W乳液是將油相分散到水相后經過一定的外部能量輸入（如攪拌、均質、分散、超聲等）所形成的分散體系。乳液可以促進油脂消化吸收，提高生物利用率，能較好地載運和保護脂溶性活性成分[2]。在制備乳液的過程中，會使用一些化學合成表面活性劑，但存在一定的安全隱患。為避免化學合成表面活性劑帶來的潛在毒性，需探究新的天然生物大分子制備乳液[3]。

明膠（gelatin，GE）是一種天然大分子表面活性蛋白，含親水基團和親脂基團，具有良好的乳化性，可在乳液中形成油水界面并防止液滴聚集[4]。大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）具有起泡性、成膜性及乳化特性等[5]，SPI的乳化能力和易成膜性對芯材保留率有很大作用。同時，SPI具有親水親油性，可通過降低油-水界面張力形成膜結構從而更好促進乳液形成[6]。殼聚糖（chitosan，CS）是一種陽性多糖，具有親水性、成膜性、良好的生物相容性及較高的生物黏附性[7]。CS可與帶多個負電荷的物質進行交聯，形成食品級多殼，當聚電解質吸附在油性核上時，形成的多殼就成為屏障提高生物活性成分的穩定性[8]。阿拉伯膠（gum arabic，GA）為陰離子多糖乳化劑，水溶性高、乳化性能好。GA中含少量蛋白質，是一種多組分高度支化的雜多糖，其疏水肽鏈和親水多糖鏈使GA具有兩親性，能在油水界面吸附形成膜界面，減少油水兩相間的界面張力[9]。但單一天然大分子材料形成的乳液環境穩定性較差，因此采用納米二氧化硅（SiO2）作為穩定劑進行改性復配增強乳液穩定性。納米SiO2是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料，有較高的比表面積、表面活性、熱穩定性以及良好的生物相容性。納米SiO2具有的基團如硅氧鍵（—SiüOüSi—）、羥基（—OH）以及含有空的成鍵軌道的硅原子等，可與高分子化合物以化學鍵結合形成氫鍵賦予大分子材料特殊性能[10]，提高復合材料穩定性。

山茶油因含豐富不飽和脂肪酸[10]，易受環境中空氣、光照和水影響而發生氧化酸敗并產生醛酮類等有害物質[11-12]，因此可以利用乳液提高其穩定性，通過對乳液性質進行探究，為后續微膠囊制備提供基礎。目前，已有采用不同材料制備乳液并進行性質測定的研究，如王楓雅等[11]通過考察SPI、乳清蛋白、大豆磷脂、魚皮GE多肽4種蛋白類對蟹油乳液粒徑、電位的影響，選擇大豆磷脂為最優材料；曾慶晗等[12]以亞麻籽油為姜黃素的油相載體，研究卵磷脂、吐溫-80、GA和乳清分離蛋白4種對姜黃素乳液理化性質和儲藏穩定性影響；Kibici等[13]分別以酪蛋白酸鈉、乳清分離蛋白、卵磷脂為材料，探究添加不同乳化穩定劑（麥芽糊精、β-環糊精）對乳液乳化指數、黏度、粒徑的影響并進行比較。但選用GE、SPI、CS、GA并將納米SiO2引入乳液還鮮有研究?；诖?，在課題組原有研究基礎上[14-15]，選用添加量為大分子材料3.000%的SiO2改性GE、SPI、CS、GA 4種溶液作為連續相，茶油為分散相制備茶油乳液，同時對乳液乳化活性、乳化穩定性、離心穩定性、粒徑、流變特性、微觀結構和表面形態進行分析，以期為天然生物大分子和納米SiO2在乳液中進一步的研究和制備穩定的乳液提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

納米二氧化硅（20～30 nm） 舟山明日納米科技材料有限公司；茶油 益海嘉里食品營銷有限公司；GE 國藥集團化學試劑有限公司；SPI 谷神生物科技集團有限公司；CS（脫乙酰度≥95%） 麥克林生化科技有限公司；GA 光復科技發展有限公司；十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）分析純。

1.2 儀器與設備

DZKW-D-V型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫療儀器有限公司；XINYI-IID超聲波細胞破碎機 寧波新藝超聲設備有限公司；DJ1C-100電動攪拌器 貴州儀器有限公司；FJ200-SH實驗室數顯高速分散均質機上海瀘析實業有限公司；UV-2600型紫外-可見分光光度計蘇州島津儀器有限公司；A10型多功能臺式高速冷凍離心機昆明倍捷科技有限公司；TM3000掃描電子顯微鏡日本Hitachi公司；LA-960V2激光粒度儀 日本Horiba有限公司；HR 20 Discovery混合型流變儀美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 納米SiO2改性

工藝流程：1.000 g納米SiO2→加入200 mL 7 g/L的SDS（80 ℃配制）→調節pH 4.0→85 ℃水浴攪拌6 h→80 ℃蒸餾水5 500 r/min、5 min反復離心洗滌至無泡沫→50 ℃干燥24 h→改性納米SiO2→保存。

1.3.2 乳液制備

1.3.2.1 GE-、SPI-、GA-納米SiO2復合乳液制備

稱取GE（SPI、GA）質量分數3.000%的改性納米SiO2加入100 mL蒸餾水，功率450 W超聲破碎2 h，即納米SiO2分散液。5.000 g/100 mL GE（SPI、GA）溶于分散液，在60 ℃、以450 r/min攪拌40 min，攪拌過程中按GE（SPI、GA）與油1∶1（g/mL）比例均勻滴加茶油，12 000 r/min高速分散均質3 min，制成乳液。

1.3.2.2 CS-納米SiO2復合乳液制備

稱取CS質量分數3.000%的改性納米SiO2加入100 mL 1%乙酸溶液，功率450 W超聲破碎2 h，即納米SiO2分散液。2.000 g/100 mL CS溶于分散液，60 ℃、450 r/min攪拌40 min，攪拌過程中按CS與油1∶1（g/mL）比例均勻滴加茶油，12 000 r/min高速分散均質3 min，制成乳液。

1.3.3 乳化活性與乳化穩定性測定

乳化活性（emulsifying activity index，EAI）和乳化穩定性（emulsifying stability index，ESI）測定參考Sui Xiaonan等[16]的方法：取100 μL乳液用0.100% SDS溶液稀釋100 倍，以SDS溶液為空白，在波長500 nm條件下，測定乳液初始狀態的吸光度A0，計算EAI。靜置30 min后測定吸光度A30計算ESI。EAI和ESI根據下式計算：

式中：N為乳液稀釋倍數（100 倍）；C為質量濃度/（g/mL）；φ為油相體積分數/%；L為比色池光徑（1 cm）；A0、A30為乳液放置0、30 min后在500 nm波長處的吸光度；30為靜置時間（min）。

1.3.4 乳液離心穩定性測定

在蔣忠榮等[17]方法基礎上稍加修改測定茶油乳液離心穩定性。取50 μL乳液樣品用0.100% SDS溶液稀釋100 倍，500 nm波長處測定吸光度。離心前在離心管壁距1 cm處作標記，4 500 r/min離心30 min，在相同位置吸取等量乳液，測定吸光度。按照式（3）進行離心穩定性Ke值的計算：

式中：A0為離心前吸光度；A1為離心后吸光度。

1.3.5 乳液粒徑測定

乳液的平均粒徑和粒徑分布通過粒度分析儀測定。設置激光粒度儀參數，校正調零，將乳液滴入樣品池，測定乳液粒徑。

1.3.6 乳液流變特性測定

測量溫度25 ℃，剪切速率范圍為0.01～1 000 s-1，記錄相應剪切速率下的表觀黏度與應力。振幅測試條件如下：測試溫度25 ℃，振蕩頻率為0.01～100 Hz，記錄其儲能模量（G’）和損耗模量（G’’）隨振蕩頻率的變化趨勢。

1.3.7 凍干乳液掃描電鏡分析

采用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）分析乳液表面結構。乳液制備后冷凍干燥，取樣用導電膠固定于樣品觀測臺，在500 倍下觀察乳液凍干后的微觀結構。

1.3.8 乳液光學顯微鏡分析

乳液表面形態采用光學顯微鏡進行分析。取10 μL乳液樣品置于載玻片，緩慢蓋上蓋玻片防止氣泡產生，固定于載物臺后在100 倍下觀察樣品形態結構并拍片保存。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 22.0進行數據處理，Origin 8.0軟件繪圖，ANOVA分析數據差異顯著性（P＜0.05），數據均為3次重復實驗取平均值。

2 結果與分析

2.1 乳化活性及乳化穩定性

EAI及ESI是表示乳液功能特性的重要指標，可以反映復合物在油-水界面形成乳化層的能力和形成乳狀液的穩定性[18]。4種乳液EAI和ESI如圖1所示，未添加納米SiO2時GE和SPI乳液EAI分別為9.931 m2/g和11.902 m2/g，添加納米SiO2后，分別增加至11.705 m2/g和14.831 m2/g，增加顯著（P＜0.05）。添加納米SiO2后CS和GA乳液由9.174、9.003 m2/g增加到10.210、9.267 m2/g，增加不顯著（P＞0.05）。對于ESI，添加納米SiO2后GE、SPI在分別由290.457、246.086 min增加為627.143、450.024 min，增加顯著（P＜0.05）。CS從451.333 min增加到532.000 min，但增加不顯著（P＞0.05）。EAI與ESI增加一方面是納米SiO2與大分子材料間的相互作用增強，并與帶電荷部分結合形成復合物，增強吸附于油-水界面的乳化層[19]，提高乳化性。且一定濃度納米SiO2可增加體系黏稠度、增大界面膜厚度，防止乳粒聚集沉淀，提高其穩定性；另一方面是納米SiO2與分子間通過疏水作用、氫鍵、范德華力等結合[20]，增強復合乳液中茶油表面吸附的親水性，使疏水性區域更好的包裹茶油，同時降低水油間界面張力，使其乳化特性提高，增強了茶油乳液的穩定性。相反，GA在添加納米SiO2后ESI從794.998 min減少至574.518 min。因GA中含少量蛋白，添加的納米SiO2會與GA中的多糖和蛋白質競爭界面的吸附作用，導致體系界面的蛋白含量下降，界面張力上升，使得乳液穩定性下降，乳液液滴出現分層、茶油油滴上浮等現象。其中GE-納米SiO2復合乳液在4種改性大分子材料中乳化穩定性最佳，相較于較差GA-納米SiO2復合乳液EAI和ESI均有所提高。

圖1 不同材料對乳液乳化活性和乳化穩定性的影響Fig.1 Effects of different materials on EAI and ESI of emulsion

2.2 離心穩定性

離心過程中離心力會加劇乳液分層，能更快判斷乳液的穩定性[21]。離心穩定性通過離心穩定系數（Ke）表示，離心穩定系數越小，穩定性越好。納米SiO2對4種不同乳液的離心穩定系數如圖2所示。除SPI外，添加納米SiO2后，GE、CS和GA乳液的Ke分別為20.720%、15.862%和69.055%，顯著減少68.444%、43.507%和19.171%（P＜0.05）。GE與CS離心穩定性與乳化特性趨勢相同，離心后未出現茶油與水相界面分層現象，說明在離心條件下對茶油仍有較好的保護作用。GA在添加納米SiO2后Ke雖顯著降低，但離心穩定系數過大。結果表明：納米SiO2能加強GE與CS乳液離心穩定性和改善GA乳液離心穩定性。在添加納米SiO2后SPI的Ke反而增加，可能是經過離心的強烈外力下，蛋白分子間的蛋白網絡結構被破壞，凝絮導致形成的乳液破乳，離心管底部出現沉淀物。SPI與納米SiO2團聚沉在底部導致界面蛋白分子減少，油-水乳化層被破壞，界面張力增大，出現乳液分層現象，使乳液離心穩定性下降。

圖2 不同材料對乳液離心穩定性的影響Fig.2 Effects of different materials on Ke of emulsion

2.3 平均粒徑及粒徑分布

平均粒徑與粒徑分布能夠反映乳液體系的穩定性[22]。由圖3可見，添加了納米SiO2后，4種乳液的平均粒徑都減小。SPI、CS和GA乳液的平均粒徑分別為153.039、13.733 μm和21.462 μm，加入納米SiO2后乳液的平均粒徑分別減小為138.424、12.740 μm和14.882 μm，平均粒徑減小不顯著。GE乳液平均粒徑為28.078 μm，GE-納米SiO2復合乳液平均粒徑為8.472 μm，減小顯著（P＜0.05），且在4種改性大分子材料中粒徑最小。其中，多糖類乳液平均粒徑表現為陰離子多糖乳液＜陽性多糖乳液，即GA乳液＜CS乳液，與乳液穩定性和離心穩定性變化規律一致。GE、CS、GA乳液和納米SiO2復合乳液具有較小的平均粒徑，而SPI乳液和其納米SiO2復合乳液則表現出較大的平均粒徑，可能是因為與納米SiO2存在沉聚現象，結合成較大顆粒并吸附于油滴表面，因此形成的乳液粒徑較大，這與實驗中的乳液乳化穩定性和離心穩定性數據結果一致。由圖4A可知，GE、CS、GA乳液及納米SiO2復合乳液均呈單峰為單分散體系，說明油滴大小均一，乳液中分散相分布集中。對于GE、CS、GA乳液和納米SiO2復合乳化體系，三者的粒徑分布趨勢較為相似，在添加納米SiO2后乳液的粒徑分布均朝粒徑變小方向移動。其中添加了納米SiO2的GE乳液粒徑分布范圍明顯變窄，且峰值高，乳化液穩定性較好。GA乳液與GA-納米SiO2乳液粒徑分布也變窄但是峰值低。CS乳液在添加納米SiO2后粒徑分布無明顯變化。由圖4B可知，SPI乳液和其納米SiO2復合乳液呈雙峰分布，為多分散體系，其中SPI-納米SiO2乳液粒徑分布變窄峰值增大。上述結果證明納米SiO2會與乳液較好結合，穩定水、油界面的平衡。同時，通過整體平均粒徑和粒徑分布來看，GE-納米SiO2復合乳液具有更好的穩定性。

圖3 不同材料對乳液平均粒徑的影響Fig.3 Effects of different materials on average particle size of emulsion

圖4 不同材料對乳液粒徑分布的影響Fig.4 Effects of different materials on particle size distribution of emulsion

2.4 流變特性

2.4.1 靜態流變特性

流變學特性直接影響乳液在食品加工中的應用，研究乳液的流變性，可以反映乳液特性[23]。通過靜態和動態振蕩測量模式研究4種乳液的流變性能。靜態流變包括剪切速率與應力（圖5）。在0.1～100 s-1的剪切范圍內，4種納米乳液表觀黏度隨剪切速率增大而急劇下降。在100～400 s-1剪切范圍內表觀黏度下降速率減慢，呈現剪切稀化特征，屬于假塑性流體。一方面原因是在流速場中雜亂分布的液滴隨剪切速率增大會沿著流線方向進行有序排列，因此液滴間摩擦減小，流動阻力隨之減小，黏度降低，另一方面是乳液液滴形成的絮凝態在剪切過程互相分離發生變形[24]。在400～1 000 s-1范圍內4種乳液表觀黏度基本保持不變，達到穩定，都表現為牛頓流體特性，可能是因為絮凝態與瓦解速率達到一致[25]，乳液內部保持相對穩定的狀態。同時添加納米SiO2后，GE、SPI與CS表觀黏度都有不同程度的增加，但是對GA表觀黏度無影響。其中CS的表觀黏度最大，其次是SPI、GE和GA。4種不同乳液應力隨剪切速率的增加而增大，添加納米SiO2增加了GE、SPI和CS乳液的應力。而對GA乳液應力無影響。其中CS乳液的剪切應力最大，其次是SPI、GE和GA乳液，與表觀黏度順序一致。

圖5 不同材料對乳液黏度及應力的影響Fig.5 Effects of different materials on viscosity and stress of emulsion

2.4.2 乳液動態流變特性

物料受到外力作用會發生形變，由彈性形變而儲存能量大小的形變為G’（可逆）；由于黏性形變而損耗能量大小的形變為G’’[26]。如圖6所示，GE乳液、CS乳液、CS-SiO2納米乳液和GA乳液隨振蕩頻率的增加，G’＜G’’，表明乳液形成了黏性為主的流體性質。添加納米SiO2后GE乳液和GA乳液G’和G’’均上升，初始頻率增大階段，G’＜G’’，乳液體系表現為液體特性，并主要發生黏性形變，頻率繼續增大，G’=G’’為凝膠點，交點后，G’’＜G’，乳液處于凝膠結構狀態，表現為固體特性，并主要發生彈性形變，GE-納米SiO2與GA-納米SiO2都呈弱凝膠結構，保證乳液穩定性[27]，說明納米乳液SiO2在乳化凝膠網絡中起到“活性填料”的作用[28]，使GE乳液和GA乳液形成相當強的小液滴彈性凝膠網絡，有助于加強凝膠網絡。但GA-納米SiO2復合乳液的G’和G’’小于GE-納米SiO2復合乳液，表明GE-納米SiO2復合乳液具有更好的穩定性，與2.1節和2.2節數據相符。添加了納米SiO2的SPI乳液G’和G’’都上升，SPI乳液與SPI-納米SiO2乳液隨著頻率的增加，在低應變范圍，G’＞G’’，表明乳液呈彈性行為，乳液為凝膠狀態，主要發生彈性形變，交點之后G’和G’’均繼續增加，且G’＜G’’，凝膠主要表現液體特質，表明隨著振蕩應變增大，油滴無規則運動加劇，減弱了大分子和油滴間的非共價相互作用，使體系凝膠結構破壞。

圖6 不同材料對乳液G’和G’’的影響Fig.6 Effects of different materials on G’ and G’’ of emulsion

2.5 乳液微觀結構

利用冷凍干燥技術，對乳液表面結構進行可視化處理。如圖7A、B、G和H所示，采用GE、GA制備的茶油乳液與其納米SiO2復合乳液表面光滑、連續、無空隙和裂縫，呈典型球狀。連續、致密的表面結構一定程度上可以阻止茶油中的生物活性成分在貯藏時揮發，且可以有效阻止O2透過乳滴界面與茶油接觸，從而阻止茶油中的生物活性成分氧化，該結構對被包封的物質具有一定保護作用[29]。表面出現的孔洞可能是由于冷凍干燥時小冰晶由固態到氣態升華所致。由圖7C和E可見，SPI和CS乳液液滴形態不規則，表面粗糙、凹陷，部分甚至呈現多邊形。添加納米SiO2后的復合乳液表面光滑致密且呈現球形結構，表明納米SiO2的添加有助于乳液形成致密的良好的結構。

圖7 不同材料對乳液微觀結構的影響Fig.7 Effects of different materials on microstructure of emulsion

2.6 乳液形態

由圖8可見，在添加納米SiO2后，4種乳液樣品粒徑都不同程度減小，與2.3節數據一致。其中，GE乳液、GE-納米SiO2復合乳液（圖8A、B）與CS乳液、CS-納米SiO2復合乳液（圖8E、F）液滴大小與分布較為均勻，乳液呈圓球狀，成型性好。由于單獨的SPI所形成乳液的界面膜不夠穩定，液滴分散不均，因此形成的SPI乳液（圖8C）液滴粒徑較大且分布不均勻，且發生了較明顯的液滴成簇聚集。SPI-納米SiO2復合乳液（圖8D）粒徑減小，液滴聚集現象改善。GA乳液（圖8G）液滴大小不均一，分布不均勻且有少量液滴形成橋聯，而添加了納米SiO2后的GA乳液液滴分散均勻，橋聯現象減弱，小液滴數量增多。但從圖8可以看出，4種大分子材料的乳液對茶油包裹都較好。結果表明，納米SiO2的添加有利于使乳化劑包裹到茶油表面并形成穩定且較小的液滴。與Zhou Hongda等[30]研究結果相似。

圖8 不同材料對乳液表面形態的影響Fig.8 Effects of different materials on surface morphology of emulsion

3 結 論

以納米SiO2改性GE、SPI、CS和GA為連續相，茶油為分散相制備不同大分子材料的乳液。研究表明，添加納米SiO2后，4種大分子材料乳液性質都有不同程度的提高。其中以GE為材料添加納米SiO2制備出的乳液具有較高乳化活性和乳化穩定性，EAI和ESI分別為11.705 m2/g和627.143 min，離心穩定性為20.720%，經離心后仍能保持茶油的穩定性并且未發生分層現象。平均粒徑為8.472 nm，在4種大分子材料中平均粒徑最小。表觀黏度、G’和G’’均增加，剪切流變學特性結果表明GE-納米SiO2復合乳液呈弱凝膠特性，具有良好的理化穩定性。根據微觀結構和表面形態觀察結果，納米SiO2的添加，使乳滴粒徑逐漸減小，分布更為均一，且形狀規則，冷凍干燥后呈球狀，光滑無凹陷，能較好包裹和保護茶油，說明納米SiO2可以阻止聚結現象發生。因此，本研究以納米SiO2改性大分子材料構筑的乳液輸送體系能提高茶油乳液的穩定性。研究為今后納米SiO2和生物大分子材料在乳液輸送體系中的應用提供參考，也為脂溶性等營養物質的運輸和保存提供了良好的基礎。