黃原膠對檸檬醛Pickering 乳液膜制備及其理化性能的影響

李學紅，高素利，于國強，臧 開，王 晨，王相凡，丁紅營,

（1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南鄭州 450000；2.河南卷煙工業煙草薄片有限公司技術中心，河南許昌 461100）

檸檬醛是一類從植物中提取的天然芳香成分，具有抗菌、抗氧化作用，可應用于食品保鮮。然而檸檬醛揮發性強，對光、熱和氧氣的穩定性差，直接應用氣味過于濃郁且發揮時效短，因此，通常將其制成緩釋劑型[1]。將檸檬醛加入膜基質中制成抗菌保鮮膜，就是其重要應用方式之一[2]。但檸檬醛與大多數親水性膜基質不相容，無法均勻分布于膜中，導致膜的機械等應用性能不理想。為此，常采用的一個方法就是先將檸檬醛制備成O/W 型乳液，再加入親水膜基液中制膜，使檸檬醛以微液滴形式均勻分布于膜中[3-4]，從而克服這一應用局限。Pickering 乳液是以納米固體顆粒為乳化穩定劑的新型乳液體系，相比傳統乳液，其具有高內相、高穩定的特性，因此用來制作乳液膜也更具優勢[5]。目前已有一些利用Pickering乳液制備親水膠體膜的研究。例如，Dammak 等利用殼聚糖納米顆粒制備橙皮苷的Pickering 乳液，進而加入明膠中制備復合功能膜[6]，Roy 等[7]將納米纖維穩定的丁香芽精油Pickering 乳液加入明膠-瓊脂中制備活性包裝膜等。

β-環糊精是一類環狀麥芽低聚糖，其可以與精油自發包埋形成納米包合物顆粒，在油水體系中該包合物顆粒能夠作為穩定劑用于O/W 型Pickering 乳液的制備。相比其他食品級Pickering 乳液穩定劑，β-環糊精具有乳化性好、穩定高等特點[8]。本課題組利用β-環糊精成功制備了檸檬醛的Pickering 乳液，乳液粒徑在數百納米范圍[9]。進一步將該乳液加入殼聚糖膜基液中，通過流延法制備出了含有檸檬醛納米液滴的乳液膜。但在實驗過程中發現，檸檬醛Pickering乳液在與殼聚糖膜液混合過程中，由于乳液原有橋連式穩定結構被部分打破，乳液粒徑會增大且容易發生油析現象。考慮到外水相粘度特征是維持Pickering乳液穩定的一個重要因素，本研究嘗試在乳液外水相添加黃原膠來改善乳液制膜時的穩定性。黃原膠是一種陰離子非聚集性多糖，加入到乳液中其能夠分散在外水相，通過提高水相黏度及增加油滴之間相互斥力來提高乳液的穩定性[10]。本文主要通過將黃原膠添加進環糊精穩定的檸檬醛Pickering 乳液中、進而流延干燥成膜，通過檢測乳液及膜中油滴大小、膜外觀參數、膜水蒸氣透過率、機械性能以及對檸檬醛緩釋特性來研究黃原膠對檸檬醛乳液膜制備及理化性能的影響，為后續檸檬醛乳液抗菌膜的開發提供前期實驗數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

β-環糊精（AR）、殼聚糖（BR）國藥集團；檸檬醛（99%純度）吉安國光香料廠；黃原膠（BR）酷爾生物工程公司；其他試劑 均為國產分析純。

XHF-D 高速分散器 寧波新芝生物科技公司；Zetasizer NANO-ZS90 激光粒度儀 英國Malvern公司；TA.XT plus 物性測定儀 英國Stable Micro Systems；Phenix PH50-3A43L 型光學顯微鏡 鳳凰光學股份有限公司；Agilent7890 氣相色譜儀 美國安捷倫科技公司；211-101F 電子數顯千分尺 桂林廣陸數字測控公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 檸檬醛Pickering 乳液的制備 準確稱取1.5 gβ-環糊精，加入50 mL 去離子水于60 ℃水浴中加熱溶解，按油水體積比13:7 的比例加入檸檬醛，于12000 r/min 下均質乳化2 min。之后向所得乳液中分別添加0%、2.0%和4.0%（m/m,%）的黃原膠水溶液，使乳液中黃原膠含量分別為0%、0.2%和0.4%（m/v,%），繼續均質1 min，制得以β-環糊精為穩定劑的檸檬醛Pickering 乳液。

1.2.2 檸檬醛乳液膜的制備 準確稱取10.0 g 殼聚糖粉加入至1000 mL 的2.0%（v/v，%）乙酸溶液中，40 ℃下攪拌5 h 使其完全溶解。向上述殼聚糖溶液中添加0.5%（w/w，%）的甘油作為增塑劑，攪拌均勻即為基礎膜液。

向殼聚糖基礎膜液中加入3.0%（v/v，%）的上述檸檬醛Pickering 乳液，慢速攪拌均勻，制成檸檬醛乳液膜液。將該膜液傾倒在鋪有膠片的玻璃平板上，流延成膜后于45 °C 干燥過夜，揭膜，置于55% RH（硝酸鎂飽和溶液環境）的玻璃干燥器中備用。添加黃原膠含量為0%、0.2%和0.4%乳液的膜分別記為0 膜、0.2 膜和0.4 膜。

實驗中曾制備黃原膠含量為0.6%的檸檬醛乳液，但由于其粘度較大，不易與殼聚糖成膜液混合均一，故本實驗只采用0%、0.2%和0.4%三種梯度。

1.2.3 檸檬醛乳液及其膜的外觀形貌及膜顯微結構觀察 吸取少許乳液置于載玻片上，觀察并拍攝；剪取長條狀乳液膜，以白紙為背景進行拍攝。

將乳液膜置于水中濕潤，再平鋪于載玻片上，光學顯微鏡下放大100 倍觀察乳液膜微觀結構并對選取的界面進行拍攝。

1.2.4 檸檬醛乳液及其所制膜液中油滴平均粒徑測定 取稀釋5 倍的檸檬醛乳液、流延前的膜液各10 mL 加入比色皿中，利用激光粒度儀對檸檬醛油滴粒徑進行掃描測定。掃描條件：溫度25 ℃，測定類型Size，散射角90°，測量循環1 次，粒度計算模型General Purpose。平行進行測定3 次，取平均值。

1.2.5 乳液膜厚度的測定 將乳液膜在RH 55%（硝酸鎂飽和溶液）的環境中充分平衡后，在膜上平均選取5 個點，分別用電子數顯千分尺測其厚度，計算所得平均值即為膜平均厚度。

1.2.6 乳液膜透光率及色澤的測定 透光率：將乳液膜剪成4 cm×1 cm 的長條，先置于RH 75%（NaCl 飽和溶液環境）下平衡4 h，再將其緊貼于比色皿內側，在600 nm 波長處測定透光度[11]，以蒸餾水作為對照。

色澤：將膜樣品置于色差儀標準板上進行相關參數測定，記錄亮度（L*）、色度參數a*（紅-綠）和b*（黃-藍）。

1.2.7 乳液膜水蒸氣透過系數（WVP）的測定 準確稱取5.0 g 左右的無水CaCl2，加入25 mm 規格稱量瓶中，再將裁剪合適的乳液膜覆蓋于瓶口上，封口膜將周邊固定（保證膜表面平整），置于RH 75%的玻璃干燥器中5 d，對瓶的增重進行準確稱量，按下式計算乳液膜的水蒸氣透過率（g·mm/（dm2kPa））[12]：

式中：ΔW 為稱量瓶的增重，g；LT為乳液膜的厚度，mm；S 為膜片面積，m2；T 為處理天數，d；ΔP 為膜兩側的水蒸氣壓差，kPa。

在本實驗中，所用膜的厚度為0.1 mm，膜片有效面積為4.906×10-4m2，ΔP=2.375 kPa。

1.2.8 乳液膜機械性能的測定 將乳液膜置于RH 55%環境下平衡48 h，選取相同厚度的薄膜（0.1 mm左右）裁剪成1 cm×3 cm 的長條，置于物性測定儀夾具上。設定拉伸速率0.5 mm/s，目標長度20.0 mm，觸發點負載0.5 g，測定乳液膜所受最大拉力F 和乳液膜的最大位移L，每個樣品平行測試3 次，取平均值。根據式（2）和式（3）計算乳液膜的拉伸強度Ts和斷裂伸長率E[12]：

式中：Ts為所測膜的拉伸強度，MPa；F 為膜所受最大拉力，N；S 為膜的有效截面積，m2；E 為膜的斷裂延伸率，%；L0為膜的初始長度，mm；L 為膜斷裂時的長度，mm。

1.2.9 乳液膜對檸檬醛的緩釋性能測定 在60 mL進樣瓶內放入裝有NaCl 飽和溶液的2 mL 小玻璃管，30 ℃下平衡24 h 使瓶內形成RH 75%的環境。將乳液膜裁成大小為2 cm×4 cm 的長方形，置入進樣瓶內（膜的邊角折彎以防貼壁），瓶蓋密封并于30 ℃恒溫箱存放。每間隔24 h，用密封進樣針抽取1 mL 頂空氣體，手動打入氣相色譜，進行檸檬醛濃度分析。期間分別在存放的第145 和290 h 時打開瓶蓋使瓶內頂空檸檬醛氣體完全逸散，再重新加蓋密封，定時取樣測定。將乳液膜所含等量的檸檬醛加入進樣瓶，作為對照。

GC 條件：色譜柱：19091N-133 毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：80 ℃保持1 min，以5 ℃/min 的速率升溫至120 ℃，保持時間6 min；載氣（He）流速20 mL/min，分流比10:1[13]。

1.3 數據處理

所有實驗均進行3 次平行，數據以平均值±標準差表示；采用Excel 進行作圖，SPSS17.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 檸檬醛Pickering 乳液及乳液膜的外觀形貌觀察

以β-環糊精為穩定劑制備的檸檬醛Pickering乳液及添加有乳液的乳液膜外觀見圖1。檸檬醛Pickering 乳液呈淺黃色乳膏狀，質地均一。將乳液加入殼聚糖制膜液中攪拌均勻（添加量為3%），流延制膜，所制空白殼聚糖膜為無色透明狀，而含檸檬醛Pickering 乳液膜則呈淺黃色半透明狀，表面平整（圖1中a～d）。乳液膜的黃色應是由檸檬醛乳液的顏色所致，但相比未添加黃原膠的膜樣品，黃原膠的添加使膜顏色變淺、透明度增加。

圖1 檸檬醛Pickering 乳液及乳液膜的外觀形貌Fig.1 Appearance of citral Pickering emulsion and emulsion film with various xanthan gum

2.2 Pickering 乳液膜的顯微結構及其油滴粒徑

將檸檬醛Pickering 乳液加入殼聚糖膜液，經攪拌并流延成膜，利用光學顯微鏡對潤濕膜的微觀結構進行觀察（圖2），發現檸檬醛油滴能夠在乳液膜中相對均勻地分布，且0.2 膜和0.4 膜中檸檬醛油滴分布密度也大于未添加的0 膜。通過對乳液及膜液中油滴粒徑進行測定，發現未添加黃原膠乳液粒徑為1.17 μm，制膜后粒徑增大到2.06 μm；添加0.2%和0.4%黃原膠的乳液粒徑分別降至0.57 和0.54 μm，相應0.2 膜和0.4 膜中檸檬醛油滴粒徑分別為0.71和0.61 μm（圖3）。這說明乳液制膜后其粒徑相比之前顯著增大（P＜0.05），且乳液中是否添加黃原膠對檸檬醛粒徑的影響顯著。此外，在制膜時發現未添加黃原膠的流延膜液會有少量檸檬醛析出，而添加0.2%和0.4%黃原膠的乳液膜無油析現象。這說明黃原膠的添加有利于乳液的穩定，可有效防止制膜過程中破乳現象的發生。

圖2 黃原膠添加對乳液膜的微觀結構的影響Fig.2 Effect of xanthan gum addition on the microstructure of the emulsion film

圖3 黃原膠添加對乳液膜粒徑的影響Fig.3 Effect of xanthan gum addition on the particle size of the emulsion film

現有研究已表明，Pickering 乳液屬于結構性乳液，其穩定性與外水相粘度、穩定劑在連續相的橋聯分布有很大關系[14]。將Pickering 乳液混合進入殼聚糖膜液，膜液對乳液的稀釋過程會破壞乳液原有的穩定微結構，而在成膜液干燥過程中，由于水分蒸發也會導致乳液油滴間距減少、碰撞概率增加，從而增加乳液的不穩定性[15]。這從檸檬醛Pickering 乳液與膜液混合前后粒徑的變化也可看出。而黃原膠屬于非吸附多糖，其添加進乳液后主要分布于連續相，與納米顆粒穩定劑協同作用使連續相保持一種相對穩定的半絮凝狀態[16]，同時其所帶負電荷有助于增加檸檬醛油滴間的斥力，可以有效阻止制膜過程中檸檬醛粒徑增大甚至破乳的傾向。對于添加有黃原膠的乳液膜，由于其檸檬醛油滴粒徑小、無油析出，相應膜的顏色較淺，透明度得以提高。

2.3 乳液膜的厚度、透明度及色澤

對添加3%檸檬醛Pickering 乳液的膜進行厚度測量，結果如圖4 所示，三種膜的平均厚度均在0.10～0.13 mm 之間。由于黃原膠添加比例不超過乳液的0.4%，在膜中含量更低，因此其對膜的厚度影響并不顯著。但黃原膠添加可使乳液膜的透光率從39%增加至43%～44%，透明度顯著改善（P＜0.05），但兩種添加量（0.2%和0.4%）的差異性不顯著（P＞0.05）。此外，如表1 所示，當乳液中添加黃原膠后，所制乳液膜的L*和a*值增加，特別是0 膜與0.4 膜之間差異顯著（P＜0.05），而b*值顯著減小（P＜0.05），這說明黃原膠的加入可提升乳液膜的亮度，并使得膜的黃色減弱[17]。

圖4 黃原膠添加對膜厚度及膜透光率的影響Fig.4 Effect of xanthan gum addition on film thickness and film transmittance

表1 黃原膠添加對檸檬醛Pickering 乳液膜色澤的影響Table 1 Effect of xanthan gum addition on the color of the emulsion film

在乳液添加量不變的情況下，乳液膜的色澤及透光率跟膜厚度、膜基質成分濃度、乳液粒徑及其分布均勻度有關。當膜中乳液保持相對較小的油滴粒徑、分布均勻時，膜的透明度就高[18]。如2.2 結果，由于黃原膠的添加使膜中檸檬醛油滴粒徑減小、無油析出現，相應0.2 膜和0.4 膜的外觀也較0 膜有所改善。

2.4 黃原膠添加對乳液膜水蒸氣透過率（WVP）的影響

水蒸氣透過率（WVP）是評價乳液膜阻隔性能的關鍵指標，能在一定程度上代表乳液膜的防潮性能[19]。通常為防止食品水分的快速蒸發或食品吸濕，要求抗菌包裝膜有較低的WVP。

由圖5 可以看出，乳液中添加0.2%和0.4%黃原膠可使乳液膜WVP 從12.02 g·mm/（dm2kPa）分別提升至13.58 和14.32 g·mm/（dm2kPa），說明添加黃原膠可導致乳液膜WVP 的增加，且增加程度與黃原膠添加量成正相關（P＜0.05）。乳液膜的水蒸氣透過率除了與膜厚度、結構緊密度、膜兩側環境相對濕度及溫度等有關外，膜基質親水性是重要的影響因素[20]。黃原膠是一種親水性粘性多糖，具有很好的吸濕性，在高相對濕度環境下容易吸附空氣中的水分子[21]，從而導致乳液膜水蒸汽透過率有所增加。

圖5 黃原膠添加對乳液膜水蒸氣透過率的影響Fig.5 Effect of xanthan gum addition on the WVP of the emulsion film

2.5 黃原膠添加對乳液膜機械性能的影響

機械阻力和延展性是膜材料的兩個關鍵參數，其決定膜是否能夠承受外部應力而保持結構的完整性，其中拉伸強度和斷裂延伸率分別表征乳液膜的力學強度和柔韌性能[22]。如圖6 所示，相比未添加黃原膠膜，乳液中添加0.2%和0.4%黃原膠可使膜的拉伸強度從5.85 MPa 分別增加至6.96 和8.77 MPa，膜斷裂伸長率也從28.87%分別提高到29.43%和32.16%，這說明黃原膠的加入可明顯改善乳液膜的抗拉強度和柔韌性。

圖6 黃原膠添加對膜拉伸強度及斷裂伸長率的影響Fig.6 Effect of xanthan gum addition on TS and EB of the emulsion film

影響殼聚糖乳液膜機械性能的因素很多，膜的水分含量、膜基質中多糖濃度及其分子量、乳液添加量、乳液粒徑大小及其在膜液中的分布等都是重要的影響因素。本研究中，在其他因素相同的情況下，影響乳液膜機械性能的主要為乳液粒徑及黃原膠添加量。根據已有報道，乳液粒徑較大甚至發生油析時，會破壞膜的組織結構，導致膜機械性能下降[23]。但如果乳液粒徑較小、且添加量不多則對膜結構破壞較小，而且薄膜中適量油滴的存在可促進膜拉伸過程中多糖鏈的移動，增加膜的可塑性；而Pickering 乳液中起穩定作用的納米固體顆粒在膜中的廣泛分布則能夠增加膜的剛性[24]。本研究中，黃原膠添加使乳液以相對較小的粒徑分布于殼聚糖膜中，不會對膜的緊密結構產生破壞，同時環糊精包合物顆粒的存在增加了乳液膜的拉伸性強度，而油滴在一定程度上則使乳液膜柔性有所提升。

2.6 乳液膜中檸檬醛的緩慢釋放

為測定膜中檸檬醛的緩釋效果，將乳液膜進行間歇式密封放置，定期測定釋放至頂空的檸檬醛濃度，以純檸檬醛作對照，所得結果如圖7 所示。

圖7 黃原膠添加對膜檸檬醛緩釋特性的影響Fig.7 Effect of xanthan gum addition on slow-release of citral from the emulsion film

檸檬醛具有很好的揮發性，在密封瓶中48 h 左右達到頂空平衡濃度。而三種乳液膜則表現為檸檬醛的緩慢釋放，大概在120 h 后趨于平衡，檸檬醛釋放速度及平衡濃度隨黃原膠添加量的增多而降低。經過一次開蓋逸散后，三種膜能夠重新緩釋檸檬醛，0.2 膜和0.4 膜所達平衡濃度基本與第一次接近，0 膜的二次平衡濃度略有下降，而對照檸檬醛揮發濃度則大幅降低，平衡濃度只有初次平衡濃度的40%左右。經過二次開蓋逸散，對照檸檬醛大部分已經揮發損失，頂空濃度很低，而三種膜依然保持對檸檬醛的緩釋性能，其中含黃原膠膜的檸檬醛頂空濃度與其第一、二次平衡濃度接近，不含黃原膠膜的檸檬醛頂空濃度進一步降低。

從前面結果已知，黃原膠的添加可以增加檸檬醛乳液在制膜過程中的穩定性，使檸檬醛以納米油滴形式在膜中均勻分布。在一定相對濕度條件下乳液膜發生有限潤脹，內部油滴會持續產生檸檬醛的緩慢釋放效應。這種緩釋效果取決于乳液膜中檸檬醛油滴的大小及包裹的完整性。如果檸檬醛乳液粒徑過大或發生部分破乳，會導致檸檬醛的析出及揮發損失，檸檬醛在膜中也不能均勻分布，除了影響膜的組織結構及機械性能，膜的檸檬醛緩釋性能也會受到嚴重影響[25]。

乳液膜的這種植物精油緩釋特性對于食品包裝來說非常有意義，其可以保持包裝內部持續的精油有效濃度氛圍，而不至于味道過于濃烈，但卻能對食品起到長效殺菌及抗氧化作用[5]。

3 結論

將環糊精穩定的檸檬醛Pickering 乳液加入殼聚糖成膜液中可以制備含檸檬醛納米油滴的乳液膜。向乳液外水相中添加黃原膠能夠顯著增加制膜過程中乳液的穩定性，改善乳液膜的透明度和色澤，同時有利于增強膜的拉伸強度和柔韌性、強化檸檬醛的緩釋作用。但黃原膠的加入也會導致乳液膜防潮能力下降。