許馨予,楊鵠雋,2,賈 斌,3,張慧敏,3,左 鋒,2,*
(1.黑龍江八一農墾大學食品學院,黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江八一農墾大學 國家雜糧工程技術研究中心,黑龍江 大慶 163319;3.糧食副產物加工與利用教育部工程研究中心,黑龍江 大慶 163319)
Pickering乳液指超微固體顆粒經高速剪切乳化后被吸附在油水界面而形成的乳化液,具有粒徑分布可控、制備方法簡單等優點,其穩定性取決于固體顆粒的物理化學性質及界面層的黏彈性[1-2]。一般的無機表面活性劑具有一定毒性,在食品工業中應用受限。因此,選擇生物大分子代替表面活性劑制備Pickering乳液,如蛋白質、多糖、纖維素、淀粉等,這些物質是構成食品的主要營養成分,不僅能夠為機體提供能量,維持新陳代謝,還具有一定抗氧化能力,起到預防慢性疾病發生的作用[3-5]。
單一大分子物質制備的Pickering乳液穩定性及流變特性較差,而通過分子間交聯制備的復合乳液則表現出良好的理化性質。鞠夢楠等[6]對大豆球蛋白與花青素共價復合Pickering乳液進行研究,得到的復合乳液與大豆球蛋白乳液相比,乳化性增至127 m2/g,乳化穩定性升高近1 倍,油滴狀態發生顯著改變,表現出明顯的橋接乳液狀態。Feng Tingting等[7]利用豌豆分離蛋白-高甲氧基果膠-表沒食子兒茶素沒食子酸酯復合物制備高內相Pickering乳液,結果表明復合物具有一定的表面濕潤性,復合乳液形成了穩定的界面層,復合顆粒均勻包裹油滴,表現出較高的乳液穩定性。馬翠翠等[8]利用熱誘導及靜電處理構建乳鐵蛋白-多糖-表沒食子兒茶素沒食子酸酯三元復合物以用來遞送姜黃素,結果表明多糖參與形成的雙層乳液能有效阻止液滴的聚集,抑制姜黃素的降解,提高姜黃素的生物可及性和貯藏穩定性。Yi Fengping等[9]為制備一種親脂性功能食品的保護傳遞介質,采用共價交聯技術將大豆分離蛋白與沒食子酸結合并制備Pickering乳液,得到的乳液在堿性條件下粒徑小、Zeta電位高,具有較高穩定性,此外,在不添加防腐劑的前提下,添加較高濃度沒食子酸的組分還表現出一定的抗菌能力。復合乳液具有良好的表面濕潤性、界面性質,能夠促進界面吸附,并形成穩定的界面層,在親脂性功能食品的運輸及貯藏領域具有潛在應用價值。
果膠作為天然植物多糖,無毒無味,且具有良好的乳化穩定性及增稠特性[10],其與蛋白質結合形成的共價復合物是制備Pickering乳液重要原料,但二元復合物的理化性質較差可能導致復合物流變特性及穩定性等方面不足[11],Jie Yang等[12]報道將多酚應用于蛋白質-多糖體系中可以通過酚類物質與蛋白質相互作用增強復合物的表面疏水性,從而改變其流變特性及穩定性,因此通過選擇合適原料構建一種三元復合物,提升復合乳液穩定性、拓展其在親脂性食品中的貯存和運輸具有重要意義。本研究以大豆分離蛋白、高酯柑橘果膠及沒食子酸作為研究對象,制備一種蛋白質-多糖-多酚基復合物,通過正交試驗對其制備的工藝進行優化,并利用流變特性、粒徑分布、Zeta電位進對Pickering乳液性能進行表征,結合復合乳液的微觀形態特征,探討其形成及穩定機理。
大豆分離蛋白、高酯柑橘果膠、沒食子酸、茶籽油,以上均為食品級。
鹽酸、氫氧化鈉、疊氮磷酸二苯酯(diphenyl azidophosphate,DPPA),均為分析純。
UV-2600i紫外分光光度計 日本島津儀器有限公司;FM-30D數顯高剪切分散乳化機 德國弗魯克儀器有限公司;ARES-G2流變儀 美國TA儀器有限公司;Nano-v4電位儀 馬爾文儀器有限公司;DM-750光學顯微鏡 北京普瑞賽斯儀器有限公司。
1.3.1 大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸復合物制備
參考Feng Tingting等[7]的研究方法,略有修改。
1)將30 g大豆分離蛋白分散在1 500 mL蒸餾水中(20 mg/mL),在室溫下攪拌60 min,在4 ℃沉淀過夜。將pH值調整到12,溶液在90 ℃加熱30 min。
2)將30 g高酯柑橘果膠溶解在1 500 mL蒸餾水中攪拌60 min,持續攪拌,制備果膠(20 mg/mL)原液,在4 ℃沉淀過夜。
3)大豆分離蛋白和高酯柑橘果膠溶液以1∶1(V/V)混合,用1 mol/L的NaOH或HCl溶液調整pH值(1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5),以350 r/min攪拌60 min。將不同量的沒食子酸(30、60、90、120、150 mg)溶解在120 mL大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠溶液中,加入0.02 mL DPPA,以防止微生物感染,在不同溫度下(25、35、45、55、65 ℃)持續攪拌60 min,取出,在波長600 nm處測其吸光度。
在單因素試驗的基礎上,以pH值、溫度、沒食子酸含量為因素,以波長600 nm處的吸光度為評價指標,設計3因素3水平正交試驗優化各因素,因素與水平見表1。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Code and level of independent variables used for orthogonal array design
1.3.2 場發射掃描電子顯微鏡表征
參照周濃等[13]的方法,取大豆分離蛋白、大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸復合物,進行固定、噴金,用場發射掃描電子顯微鏡各放大100 倍和500 倍,觀察微觀結構特性。
1.3.3 Pickering乳液制備
參照Liu Zhongbo等[14]的方法,略有修改。利用高速剪切乳化機將200 mL不同油相體積分數φ(0.4、0.5、0.6、0.7、0.8)的茶籽油與復合溶液在12 000 r/min均質2 min制備Pickering乳液。
1.3.4 流變特性
采用動態流變儀測定不同含油量的Pickering乳液的動態黏彈性,測試參數:采用C35/1 Ti錐板,間距1 mm,頻率掃描范圍0.1~50 Hz,應力1.0%,測定溫度25 ℃。
1.3.5 乳液粒徑及Zeta電位
采用后向散射動態光散射法,在25 ℃分析復合物的粒徑和粒徑分布,散射角為173°,根據累積平均粒徑,通過Stokes Einstein方程計算粒徑。根據多分散指數測量粒度分布,所有樣品測定3 次。
將樣品添加到配備有電極的反應杯中,溫度保持在25 ℃,測定Zeta電位。
1.3.6 Pickering乳液穩定性
利用光學顯微鏡,在40 倍物鏡下觀察乳滴形態[15]。
1.3.6.1 離心穩定性
取乳液40 mL于離心管中,以5 000 r/min離心10 min后取出,觀察并記錄乳液表面出油及分層情況。
1.3.6.2 冷藏穩定性
取10 mL乳液置刻度離心管中,加蓋密封,保持直立狀態置4 ℃冰箱中冷藏。20 d后觀察并記錄乳液表面出油及分層情況。
1.3.6.3 冷凍穩定性
取10 mL乳液置刻度離心管中,加蓋密封,保持直立狀態置-20 ℃冰箱中冷凍保存。每隔一段時間觀察并記錄乳液表面出油及分層情況。
1.3.6.4 pH值穩定性
取乳液5 mL于刻度離心管中,分別加入5 mL pH 4.0、7.0、10.0的HCl或NaOH溶液,攪拌混勻,加蓋密封,室溫貯存。20 d后觀察記錄乳液表面出油及分層情況。
1.3.6.5 鹽離子穩定性
取乳液5 mL于刻度離心管中,分別加入5 mL濃度為0、100、200、300 mmol/L的NaCl溶液中,攪拌混勻,加蓋密封,室溫下貯存。每隔一段時間觀察并記錄乳液表面出油及分層情況。
1.3.6.6 熱穩定性
取乳液10 mL于試管中,加蓋密封,將試管分別置于30、60、90 ℃水浴鍋中加熱,12 h后觀察并記錄乳液表面出油及分層情況。
1.3.6.7 常溫貯存穩定性
取乳液各10 mL于離心管中,于室溫靜置,20 d后觀察并記錄乳液外觀分層及表面出油情況。
蛋白質-多糖-酚類復合物的結合程度決定其表面濕潤性,表面濕潤性增強能夠進一步提升界面性能,促進油滴在界面吸附和積累,有助于形成穩定的Pickering乳液[16]。因此選取pH值、溫度、沒食子酸含量作為指標進行單因素試驗,對復合物制備條件進行優化,利用600 nm波長處的吸光度對復合物結合程度進行表征,結果如圖1所示。
由圖1A可知,隨著pH值升高,復合物的吸光度呈上升趨勢,在pH 3.5時達到最大,為2.982±0.001,此時pH值小于蛋白質等電點,大豆分離蛋白和沒食子酸均帶正電荷,溶液中離子攜帶的正負電荷數接近平衡,形成緊密的靜電復合物[17];當pH值繼續升高,吸光度略下降,此時大豆分離蛋白溶液整體帶負電荷,只有少部分官能團及沒食子酸與果膠靜電吸引[18]。由圖1B可知,25~35 ℃時,隨溫度升高,吸光度逐漸上升,最高可達2.861±0.004,這是由于在一定范圍內蛋白質溶解度隨溫度上升而升高,體系中正電荷增多,使結合反應的激烈程度升高[19];但溫度繼續升高會導致蛋白質二級結構發生改變,復合物穩定性降低,從而使結合常數變小[20]。由圖1C可知,在一定范圍內隨著沒食子酸含量的升高,溶液的吸光度逐漸增大,當沒食子酸含量高于40 mg時,繼續升高沒食子酸含量溶液吸光度無顯著改變(P>0.05),這說明溶液中沒食子酸含量達到40 mg后,復合物形成趨于穩定,反應的激烈程度趨于平緩,不再生成新的復合物,此時溶液的吸光度為2.888±0.000。

圖1 pH值(A)、溫度(B)、沒食子酸含量(C)對吸光度的影響Fig. 1 Effect of pH (A), temperature (B) and gallic acid content (C) on the absorbance of the complex
以單因素試驗為基礎,設計3因素3水平正交試驗,結果如表2所示,通過極差分析,各因素對溶液吸光度的影響大小為pH值>溫度>沒食子酸含量;最優組合為A3B2C2,即pH 4.5、溫度35 ℃、沒食子酸含量40 mg,此條件下吸光度為3.082。

表2 復合物正交試驗方案與結果Table 2 Orthogonal array design and experimental results
如圖2所示,大豆分離蛋白呈松散的形態分布,不能形成網絡結構;而大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸復合物呈聚合的均勻網絡結構,表明本研究中高酯柑橘果膠和沒食子酸能與大豆分離蛋白結合形成緊密的復合物,從而改變大豆分離蛋白的微觀結構。李春翼等[21]對麥醇溶蛋白-蘆丁復合物的微觀結構進行表征,研究發現復合物致密多孔,呈現蜂窩狀,并且復合物表現出良好的乳化性及乳化穩定性。

圖2 大豆分離蛋白(A、B)和大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸復合物(C、D)微觀結構Fig. 2 Microstructure of SPI (A, B) and SPI-HMCP-GA complex (C, D)
對不同油相體積分數的Pickering乳液進行動態黏彈性分析,得到結果如圖3所示。由圖3A可知,隨著剪切頻率的增加,儲能模量(G’)均高于損耗模量(G”),且呈現出明顯的頻率依賴性。隨著油相體積分數的增加,G’和G”整體呈上升趨勢,油相體積分數為0.7時達到最大,說明當油相體積分數達到0.7時,乳液的彈性和黏性最好,形成的凝膠網絡結構更強,具有更高的穩定性。通過G’及G”計算得到損耗角正切值(tanδ),如圖3B所示,隨著頻率的升高,tanδ呈現降低后升高的趨勢,Zhu Cuiping等[22]研究發現乳清分離蛋白-低甲氧基果膠復合乳液的tanδ呈規律性下降,表明彈性相對于黏性在變強,因此本研究中乳液的彈性先升高后降低,而黏性則先降低后升高,當油相體積分數不高于0.5時更為明顯。tanδ始終小于1,說明乳液的G’始終小于G”,乳液呈現類似于固體的形態,表現出典型的弱凝膠黏彈性行為[23]。此外,tanδ與油相體積分數呈負相關,Zhang Chen等[24]對果膠-纖維素復合乳液的研究結果表明,tanδ越小,體系顯示出更具有彈性的流體性質,這說明乳液油相體積分數越大,凝膠的三維網狀結構越強,在油相體積分數為0.7時基本達到穩定。

圖3 Pickering乳液的G’、G”(A)及tanδ(B)變化Fig. 3 Frequency-dependent changes in G’, G” (A) and tanδ (B) of Pickering emulsion
乳液粒徑越小,乳析速率越慢,則乳液穩定性越強[25]。對不同油相體積分數的復合乳液平均粒徑進行表征,結果如圖4A所示,當油相體積分數為0.4時,乳液平均粒徑為(343.08±6.29)nm,隨著油相體積分數升高,乳液平均粒徑呈顯著降低趨勢(P<0.05),當油相體積分數達到0.7時趨于穩定,不再降低(P>0.05),此時乳液的平均粒徑為(220.36±7.13)nm。這是由于茶籽油中含有大量表面活性物質,油相體積分數增大有助于增強乳液的分散程度,使油滴分散成更小的顆粒[26],因此油相體積分數越大,乳液越穩定,當油相體積分數達到0.7時,乳液穩定性基本達到最大。
Pickering乳液顆粒間的排斥力決定乳液穩定性,Zeta電位的絕對值越大,說明分子間靜電斥力越大,液滴之間不容易絮凝,乳液穩定性則越高[27]。對不同油相體積分數制備的Pinkering乳液的Zeta電位進行分析,結果如圖4B所示,不同油相體積分數制備的乳液均表現出強靜電斥力,且隨著油相體積分數的增大,乳液的Zeta電位絕對值由(36.56±0.93)mV逐漸增加至(55.49±7.97)mV,這說明分子間的靜電斥力增大,乳液穩定性升高;而當油相體積分數不低于0.7時,顆粒電位趨于穩定,不再發生顯著改變(P>0.05),這說明當油相體積分數達到0.7時,乳液較穩定,繼續升高油相體積分數,乳液穩定性不再發生明顯變化,與對乳液平均粒徑的研究結果一致。

圖4 油相體積分數對平均粒徑(A)及Zeta電位(B)的影響Fig. 4 Effect of oil phase volume fraction (φ) on average particle size (A) and zeta potential (B)
復合物在一定的溫度、pH值、時間、離子強度等條件下產生協同增效作用,對Pickering乳液的穩定性也有一定影響[28],通過對乳液微觀形態結構進行研究,可以得到其在不同條件下的物理性能及乳化穩定性等一系列指標。
2.6.1 離心穩定性
復合物與茶籽油混合并進行高速剪切乳化后均未出現析乳、析油現象,制得的Pickering乳液為W/O型的均一乳液,乳液質量較好。將5種乳液離心并對其離心穩定性進行探究,結果如圖5所示,5種乳液均未出現析油現象,但表現出一定的析乳現象,這是由于離心加速了乳液乳化過程,迫使液滴濃縮,多余的水分會被分離,造成析乳[29]。此外,隨著油相體積分數升高,析乳現象逐漸減弱,表明乳液穩定性隨油相體積分數的升高而逐漸升高。Wang Lijuan等[29]對玉米醇溶蛋白-殼聚糖復合乳液進行研究,經離心同樣出現析乳現象,離心過程中均未出現乳液破碎現象,乳液具有抵抗離心引力的應力,說明本研究的Pickering乳液具有較高的穩定性。

圖5 不同油相體積分數的Pickering乳液離心后狀態Fig. 5 Effect of oil phase volume fraction on centrifugal stability of Pickering emulsion
2.6.2 冷藏及常溫貯存穩定性分析
冷藏及常溫貯存對不同油相體積分數的Pickering乳液穩定性的影響如圖6所示,隨著油相體積分數升高,乳液中油滴的粒徑逐漸減小,與2.5節中對乳液平均粒徑的研究結果相同,說明隨著油相體積分數升高,乳液穩定性逐漸增強。
經過4 ℃及25 ℃貯存20 d后,5 組乳液均未出現析油現象,說明乳液W/O組織結構穩定。冷藏條件下油相體積分數為0.4的乳液出現明顯析乳現象,其余組分析乳現象不明顯,說明油相體積分數為0.4時乳液穩定性較弱;而常溫貯存條件下,所有組分均出現明顯析乳現象,且隨著油相體積分數的升高,析乳現象明顯降低,說明乳液穩定性呈現升高趨勢。兩種貯存條件下的微觀形態結構相似,在油相體積分數低于0.7時,一部分組分雖未出現明顯的析油、析乳現象,但微觀形態結構分析結果表明乳液粒徑明顯增大,乳液穩定性下降;而油相體積分數不小于0.7的兩組貯存前后粒徑及分布無明顯變化,說明此條件下乳液穩定性更強。此外,與25 ℃常溫貯存相比,4 ℃冷藏條件下析乳現象更弱,油滴粒徑變化更小,不容易出現油滴分布不均的現象,這可能是由于常溫條件下更適宜微生物生長繁殖而對營養物質(蛋白質、多糖等)造成破壞,從而破壞乳液結構[30],說明乳液更適宜在4 ℃條件下貯存。
2.6.3 熱穩定性分析
在不同熱處理條件下的乳液穩定性的結果如圖7所示,所有組分均未出現明顯的析油情況,說明乳液W/O結構穩定;加熱條件下只有油相體積分數為0.4時出現較明顯的析乳現象,這是由于此時乳液中復合溶液體積分數較大,致使含水量較高而導致[13];此外,隨熱處理溫度升高,析乳情況逐漸強烈,說明乳液穩定性被進一步降低。
對乳液微觀形態結構進行觀察得到類似結果,油相體積分數越大,乳液粒徑越小,液滴密度越大,大小均一,乳液穩定性強;而隨著溫度升高,乳液粒徑有明顯的增大趨勢,且分布的均一性減弱,乳液穩定性降低;相比之下,油相體積分數為0.7和0.8時,液滴粒徑隨溫度變化不明顯,乳液穩定性更強。

圖6 不同油相體積分數的Pickering乳液常溫儲藏及冷藏20 d后的微觀形態(×40)Fig. 6 Microstructure of Pickering emulsion with different oil phase volume fractions after 20 days of storage at cold and ambient temperature (× 40)

圖7 不同油相體積分數的Pickering乳液熱處理后的微觀形態(×40)Fig. 7 Micromorphology of Pickering emulsion with different oil phase volume fractions after heat treatment (× 40)

圖8 不同油相體積分數的Pickering乳液冷凍后的微觀形態(×40)Fig. 8 Micromorphology of Pickering emulsion with different oil phase volume fractions after freezing (× 40)
2.6.4 冷凍穩定性分析
冷凍條件對Pickering乳液穩定性的影響如圖8所示。冷凍后所有乳液均出現不同程度的析油現象,隨著油相體積分數升高和冷凍時間的延長,析油程度逐漸增強,乳液呈現絮狀,這可能是由于長時間的低溫環境破壞了大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸復合物結構,使液滴外層的界面層遭到破壞,油脂被釋放而導致[31]。
微觀形態結構分析結果表明,冷凍10 d后的乳液液滴發生明顯聚集,乳滴粒徑增大,乳液穩定性明顯下降;且隨著油相體積分數升高和冷凍時間的延長液滴粒徑逐漸增大,這是由于界面層較薄,油滴絮凝并聚集導致[13]。總而言之,乳液不適宜冷凍貯存,長期低溫環境會大大降低乳液穩定性,從而導致乳液質量下降。
2.6.5 pH值穩定性分析
不同pH值條件下的Pickering乳液貯存后的形態結構如圖9所示。乳液制備后的24 h內未出現明顯的分層現象,乳液不發生聚集行為,說明乳液在短時間內能夠保持穩定。貯存20 d的乳液分層現象逐漸明顯,乳液發生聚集,并存在不同程度的析乳行為,其中油相體積分數為0.4時,析乳情況最明顯,這是由復合溶液體積分數大而導致;隨著油相體積分數的升高,析乳情況逐漸減弱,當油相體積分數為0.8時幾乎不發生析乳。但在不同pH值條件下,析油情況不同,pH 4時未出現析油現象;pH 7~10時出現較明顯的析油現象,且隨著pH值升高,析油現象逐漸明顯,這說明此時油滴的組織結構遭到了強烈破壞,乳液穩定性仍舊會降低。
對貯存20 d的乳液進行微觀形態結構表征,可以看出,油相體積分數和pH值均對乳液穩定性有較大影響。相比較下,pH 4時乳滴粒徑總體較小,這是由于此時接近大豆分離蛋白的等電點,大豆分離蛋白與高酯柑橘果膠分子靜電互斥作用強烈,乳液較穩定[32]。此外,乳滴粒徑總體隨油相體積分數升高而逐漸減小,當pH 4、油相體積分數為0.8時,乳滴粒徑最小,且分布相對均勻,說明此時乳液最穩定;而pH 7~10、油相體積分數為0.8時,乳滴的結構遭到破壞,乳液穩定性減弱,這可能是由于大豆分離蛋白與高酯柑橘果膠結合程度下降,W/O組織結構遭到破壞而導致[33]。

圖9 不同pH值條件下貯存20 d的Pickering乳液微觀形態(×40)Fig. 9 Microstructure of Pickering emulsion after 20 days of storage under different pH conditions (× 40)

圖10 不同濃度NaCl溶液中貯存的Pickering乳液微觀形態(×40)Fig. 10 Micromorphology of Pickering emulsion stored in different concentrations of NaCl solution (× 40)
2.6.6 鹽離子穩定性分析
Narululla等[34]報道聚丙烯酸-丹尼酸復合物會在一定NaCl濃度下產生聚集,從而對乳液穩定性產生一定影響。不同濃度NaCl溶液處理的Pickering乳液微觀形態如圖10所示,所有組分均未出現析油現象,說明鹽離子不會破壞大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸構成的界面層,油滴被固定在界面層內;油相體積分數低于0.6時出現較明顯的析乳情況,且與未添加NaCl溶液相比,添加NaCl溶液的組分析乳情況更明顯,說明鹽離子環境會降低乳液穩定性。
對乳液微觀形態進行觀察,得到隨油相體積分數增加,乳液粒徑逐漸降低,說明增加油相體積分數有利于維持乳液穩定性;而與未添加NaCl溶液相比,添加NaCl溶液后的乳液明顯出現聚集,隨NaCl濃度升高,聚集情況逐漸明顯,這可能是由于大豆分離蛋白在鹽溶液中出現輕微鹽析,降低分子間靜電斥力,復合物結合的緊密程度下降,乳滴逐漸聚集而導致[33]。因此,鹽離子濃度升高會降低乳液穩定性。
大豆分離蛋白-高酯柑橘果膠-沒食子酸在pH 4.5、溫度35 ℃、沒食子酸含量40 mg時的吸光度為3.082,呈均勻、致密的三維網狀結構,能夠形成較為緊密的復合物;油相體積分數為0.7時,G’和G”最大,tanδ最小,乳液形成的凝膠網絡結構最強,此時電位為(―54.08±2.74)mV,平均粒徑為(220.36±7.13)nm,乳液穩定性相對較強;不同條件下貯存的乳液穩定性各不相同,Pickering乳液在25 ℃常溫貯存和4 ℃冷藏相比,4 ℃冷藏條件下析乳現象更弱,油滴粒徑變化更小,不容易出現油滴分布不均的現象,更有利于維持乳液穩定性;而在冷凍條件下貯存的乳液隨著油相體積分數升高和冷凍時間的延長液滴粒徑逐漸增大,長期低溫環境會大大降低乳液穩定性,從而導致乳液質量下降。當乳液體系pH值接近4時,乳滴粒徑最小,分布相對均勻;高濃度鹽離子會破壞復合物結合的緊密程度,液滴發生聚集,乳液析乳情況明顯,穩定性下降。本研究可為蛋白-多糖-多酚復合物及其Pickering乳液制備提供理論依據,為其在食品工業中的應用提供參考。