以不同碳鏈長(zhǎng)度脂肪酸甘油三酯為油相的微乳液特性研究

付兆燕 ，邱斌，劉瑋，劉霞，齊沙沙，尤艷莉

1.煙臺(tái)大學(xué)（煙臺(tái) 264010）；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與營養(yǎng)研究所（濟(jì)南 250000）

微乳液（microemusion，Me）是由油相、表面活性劑、助表面活性劑和水相組成的外觀澄清透明，各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳液通常有3種類型：水包油型微乳液，常作為許多脂溶性活性成分的輸送載體[1-2]；油包水型微乳液，適用于負(fù)載水溶性活性成分；雙連續(xù)型微乳液同時(shí)具有親脂性和親水性[3]。微乳液具有熱力學(xué)穩(wěn)定、可自發(fā)形成、表面張力低、粒徑小和黏度低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)及食品領(lǐng)域[4]。

不同油相在性質(zhì)、功能和應(yīng)用等方面具有不同的特點(diǎn)。中鏈甘油三酯（MCT）在體內(nèi)的代謝是通過門靜脈直接運(yùn)輸?shù)襟w循環(huán)[5]，能快速供能，且MCT流動(dòng)性高、自乳化能力強(qiáng)，因此MCT是作為微乳液油相的首選[6-7]。花生油、核桃油和亞麻籽油等長(zhǎng)鏈甘油三酯（LCT），含有豐富的多不飽和脂肪酸（PUFA），具有抗炎、抗腫瘤、保護(hù)心血管等作用[8]，但PUFA容易氧化，又因碳鏈過長(zhǎng)不易制備成微乳液，因此本文將MCT與LCT復(fù)配作為微乳液的油相，既可以提高M(jìn)CT和LCT的水溶性，也可以保留不同脂肪酸的功能特性，提高其生物利用度。為微乳液在食品工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高油酸花生油、有機(jī)山核桃油、亞麻籽油（市售）；吐溫80、無水乙醇、丙三醇、亞甲基藍(lán)、乙醚、氯化鈉（均為分析純，國藥集團(tuán)）；蘇丹紅Ⅰ（美侖生物技術(shù)有限公司）；去離子水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.2 儀器與設(shè)備

AY220電子分析天平（德國賽多利斯儀器有限公司）；79-1磁力攪拌器（鴻科儀器廠）；SYNERGY HTX酶標(biāo)儀（美國Bio Tek儀器有限公司）；Zetasizer Nano S納米粒度分析儀（馬爾文儀器有限公司）；HR20流變儀、示差量熱掃描儀（TA Instruments-Waters LLC）。

1.3 方法

1.3.1 不同油相微乳液的制備

參照Garti等[9]的方法，將油相與助表面活性劑（乙醇）混合形成混合油相（1︰3，W/W），水相與助表面活性劑（丙三醇）混合形成混合水相（1︰1，W/W），混合均勻后取混合油相與表面活性劑混合，逐滴加入混合水相至體系的90%（質(zhì)量比）。

油相選擇亞麻籽油、高油酸花生油、山核桃油3種含有不同長(zhǎng)鏈脂肪酸的食用油與MCT復(fù)配，復(fù)配比例為3︰2（W/W）；表面活性劑為吐溫80；助表面活性劑為乙醇及丙三醇。亞麻籽油-MCT微乳液為Me-1，高油酸花生油-MCT微乳液為Me-2，山核桃油-MCT微乳液為Me-3。

1.3.2 微乳液的類型鑒別

試驗(yàn)采用染色法進(jìn)行微乳液類型鑒別[10]。將少量蘇丹紅和亞甲基藍(lán)分別溶于1 mL乙醚和水中。取20 μL染色液加入裝有微乳液的比色管中，觀察染料在微乳液中的擴(kuò)散情況。若亞甲基藍(lán)擴(kuò)散速度大于蘇丹紅，則微乳液為O/W型；反之，則微乳液為W/O型。

1.3.3 微乳液的結(jié)構(gòu)表征

1.3.3.1 透射電鏡

微乳液的微觀形態(tài)通過透射電子顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。取少量微乳液滴加到覆蓋在300目（48 μm）銅網(wǎng)的支撐膜上，自然干燥10 min。觀察前，滴加2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）磷鎢酸染色劑染色15 min，自然干燥10 min，用透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察和拍攝，加速電壓為75 kV。

1.3.3.2 粒徑大小及分布

微乳液的粒徑分布和多分散性采用馬爾文激光粒度儀納米ZS光散射儀，通過動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1.3.4 微乳液的穩(wěn)定性研究

1.3.4.1 離心穩(wěn)定性

取適量制備好的微乳液，按2 000，4 000，8 000和12 000 r/min離心30 min，以去離子水為空白對(duì)照，測(cè)定離心前后波長(zhǎng)550 nm下的吸光度。透光率按式（1）計(jì)算。

式中：T為透光率，%；A0為離心前微乳吸光度；A1為離心后微乳吸光度。

1.3.4.2 鹽度穩(wěn)定性

分別配制0.1，0.5和1.0 mol/L的鹽溶液作為水相制備微乳液，以去離子水制備的微乳液為條件對(duì)照，在波長(zhǎng)550 nm下測(cè)定其吸光度，考察不同鹽度對(duì)微乳液穩(wěn)定性的影響。透光率按式（2）計(jì)算。

式中：T為透光率，%；A2為純水制備微乳吸光度；A3

為不同鹽度的微乳吸光度。

1.3.4.3 溫度穩(wěn)定性

將微乳液在-18，4，25，37和60 ℃儲(chǔ)存5 h，恢復(fù)室溫后，在波長(zhǎng)550 nm下測(cè)定其吸光度，以室溫下的微乳液為條件對(duì)照，考察不同溫度對(duì)微乳液穩(wěn)定性的影響。透光率按式（3）計(jì)算。

式中：T為透光率，%；A4為室溫下微乳吸光度；A5為不同溫度儲(chǔ)存后的微乳吸光度。

1.3.5 微乳液的流變性能分析

采用流變儀，對(duì)1.3.1中制備的亞麻籽油-MCT微乳液（Me-1）、花生油-MCT微乳液（Me-2）、山核桃油-MCT微乳液（Me-3）進(jìn)行流變性能測(cè)試。

1.3.5.1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)掃描測(cè)試

流動(dòng)掃描測(cè)試是通過施加一個(gè)剪應(yīng)力斜坡，并等待得到的剪切速率隨時(shí)間的斜率在每個(gè)點(diǎn)小于0.001%時(shí)，可以假定幾乎達(dá)到穩(wěn)態(tài)[11]。測(cè)試所用平行板直徑40 mm，微乳液與錐板的間隙500 μm，剪切速率0.1~100 s-1，溫度25 ℃；溫度掃描測(cè)試的剪切速率50 s-1，溫度區(qū)間5~70 ℃。

1.3.5.2 動(dòng)態(tài)振蕩掃描測(cè)試

在固定振蕩頻率下進(jìn)行應(yīng)變掃描測(cè)試，應(yīng)變掃描中所用平行板直徑40 mm，微乳液與錐板間隙500 μm，頻率1 Hz，溫度25 ℃，應(yīng)變范圍0.1%~100%；頻率掃描測(cè)試的應(yīng)變值2%，頻率范圍0.1~100 rad/s。

1.3.6 微乳液的熱分析

采用差示掃描量熱儀（DSC），對(duì)3種不同油相的微乳液體系中各單組分和混合水相（去離子水-丙三醇1︰1，V/V），以及不同含水量的微乳液進(jìn)行熱行為分析。測(cè)試方法：取適量樣品置于鋁盤中，稱量后密封處理，將密封后的鋁盤放入DSC進(jìn)樣盤中。測(cè)試條件：初始溫度為25 ℃，以25 ℃/min的速度降到-80 ℃，恒溫5 min后以5 ℃的速度升溫50 ℃到結(jié)束檢測(cè)。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2021b軟件繪制圖表，使用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。每個(gè)樣品至少進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同油相微乳液的制備

通過1.3.1的方法制備得到的以中/長(zhǎng)碳鏈脂肪酸復(fù)配為油相的微乳液，均為外觀澄清透明的體系，如圖1所示。

圖1 微乳液的外觀圖

2.2 類型鑒別分析

從圖2可以看到，在3種微乳液中亞甲基染料的擴(kuò)散速度均快于蘇丹紅染料，因此Me-1，Me-2和Me-3均為O/W型微乳液。

圖2 染色法外觀圖

2.3 結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 透射電鏡

透射電鏡（TEM）是表征微乳液微觀結(jié)構(gòu)的手段之一[12]。從圖3可以看到3種微乳液液滴均為球形，大小均一，粒徑均小于100 nm，具體粒徑大小需要與納米激光粒度儀測(cè)試結(jié)果相結(jié)合。

圖3 不同油相微乳液透射電鏡圖

2.3.2 粒徑大小及分布

動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)（DLS）是一種快速簡(jiǎn)單的測(cè)量微乳液粒徑大小及其分布的方法[13]，也是常用的表征物質(zhì)結(jié)構(gòu)的手段之一。其原理是粒子進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)的速度與粒徑大小有關(guān)，粒徑越小，布朗運(yùn)動(dòng)的速度越快，散射光照射在粒子上時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)的速度影響光信號(hào)的強(qiáng)弱，基于這一點(diǎn)DSL技術(shù)可以有效測(cè)量微乳液粒徑[14]。如表1所示，3種不同油相制備的微乳液平均粒徑均小于100 nm，符合微乳液粒徑要求，說明體系為單分散體系。

表1 微乳液粒徑及其分布

2.4 穩(wěn)定性分析

2.4.1 離心穩(wěn)定性

微乳液是一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定的體系，將不同碳鏈長(zhǎng)度脂肪酸復(fù)配為油相的3種微乳液在不同轉(zhuǎn)速下離心30 min后，均未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，外觀澄清透明。在圖4中可以看到，Me-1和Me-3在高速離心后的透光率略小于低速離心后的透光率，原因可能是隨著轉(zhuǎn)速的增大微乳液部分顆粒出現(xiàn)聚集，使得透光率下降，但總體透光率均大于95%，表明3種微乳液具有良好的離心穩(wěn)定性。

圖4 離心穩(wěn)定性

2.4.2 鹽度穩(wěn)定性

微乳液中無機(jī)鹽的含量，對(duì)微乳液相行為有很大影響[15]，從圖5可以看到，3種不同油相的微乳液隨著鹽度的增加，透光性出現(xiàn)下降趨勢(shì)，原因可能在于表面活性劑的親水端與水相相連產(chǎn)生氫鍵，從而提高微乳液的穩(wěn)定性，鹽離子的加入會(huì)使表面活性劑的極性部分減少，進(jìn)而影響氫鍵的形成。Kim等[16]在茶樹精油微乳液的穩(wěn)定性研究中，也得到類似結(jié)論。總體各微乳液的透光率都在95%以上，具有良好耐鹽性能。

圖5 鹽度穩(wěn)定性

圖6 溫度穩(wěn)定性

2.4.3 溫度穩(wěn)定性

將微乳液在不同溫度下放置5 h，恢復(fù)室溫后，體系未發(fā)生分層，仍呈澄清透明狀態(tài)。不同油相的3種微乳液，在低溫（-18和4 ℃）條件下，透光率比在常溫（25和37 ℃）要低，表明低溫對(duì)表面活性劑親水端與水相的結(jié)合產(chǎn)生影響，而高溫（60 ℃）對(duì)透光率的影響并不明顯。整體透光率均在95%以上，說明3種微乳液都具有良好的熱穩(wěn)定性。

2.5 流變性能分析

2.5.1 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)掃描測(cè)試

圖7展示25 ℃下，3種不同油相制備的微乳液表觀黏度（η）隨剪切速率（γ）的關(guān)系及剪切應(yīng)力（σ）隨剪切速率（γ）的關(guān)系。因?yàn)樾∮? s-1的剪切速率接近扭矩下限，因此此區(qū)間的表觀黏度均表現(xiàn)出一定范圍波動(dòng)[17]，而剪切速率大于1 s-1時(shí)，微乳液則表現(xiàn)出線性的、穩(wěn)定的流動(dòng)曲線，即體系為牛頓流體。與此同時(shí)，在剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系中Me-1，Me-2和Me-3均呈線性上升趨勢(shì)，符合在牛頓流體中，剪切應(yīng)力不依賴于剪切速率的特點(diǎn)。該結(jié)果與Abbasi等[2]制備的菜籽油-卵磷脂-正丙醇微乳液及Pessoa等[18]制備的巴巴蘇油微乳液的研究結(jié)論相符。

圖7 不同油相的微乳液穩(wěn)態(tài)流動(dòng)曲線

牛頓流體的模型方程如式（4）所示。

式中：σ為剪切應(yīng)力，η為表觀黏度，γ為剪切速率。

對(duì)圖7的流動(dòng)曲線進(jìn)行擬合，得到各微乳液體系的表觀黏度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同油相微乳液的表觀黏度

微乳液體系溫度觸變性如圖8所示。3種微乳液均表現(xiàn)出表觀黏度不隨剪切時(shí)間的增長(zhǎng)而變化的特點(diǎn)。說明微乳液體系不產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)，其黏度不受剪切歷史的影響，無明顯剪切觸變性。

圖8 25 ℃下恒剪切速率（50 s-1）表觀黏度與剪切時(shí)間變化的關(guān)系

2.5.2 動(dòng)態(tài)掃描測(cè)試

通過對(duì)微乳液進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描可以得到體系的黏彈性等流變特性。試驗(yàn)將不同油相的微乳液進(jìn)行應(yīng)變掃描，確定線性黏彈區(qū)，如圖9（A）所示。在應(yīng)變值大于1%后的黏性模量（G’）不依賴于應(yīng)變，因此將應(yīng)變值設(shè)置為2%。如圖9（B）所示，在頻率掃描中各微乳液體系均表現(xiàn)出與稀溶液相似的黏性行為，且黏性模量（G’’）值較低。在整個(gè)掃描范圍內(nèi)，黏性模量與頻率有明顯依賴關(guān)系。

圖9 不同油相微乳液應(yīng)變掃描（A）及不同油相微乳液頻率掃描（B）

2.6 微乳液的熱分析

DSC是在程序控制溫度下，測(cè)量進(jìn)出樣品和參比物之間的熱流差或功率差與溫度或時(shí)間關(guān)系的一種技術(shù)[19]。為了解多組分共存的微乳液體系，試驗(yàn)對(duì)微乳液?jiǎn)我唤M分進(jìn)行DSC掃描。如表3所示，去離子水在0.36 ℃附近一個(gè)吸熱峰，與水的熔點(diǎn)理論值0 ℃相似。在吐溫80的DSC掃描中，升溫過程中出現(xiàn)2個(gè)明顯的吸放熱峰，這可能與吐溫80分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，在降溫過程中，分子難以形成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，而升溫過程中，分子的活動(dòng)上升，分子重新排列為規(guī)則結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為冷結(jié)晶放熱，溫度升高至其熔點(diǎn)，開始吸熱熔融[20]。由文獻(xiàn)得知，乙醇的熔點(diǎn)為-114 ℃，不在DSC掃描范圍內(nèi)，因此未對(duì)其進(jìn)行DSC掃描[21]。丙三醇在整個(gè)掃描過程中沒有出現(xiàn)任何吸熱或放熱峰。

表3 微乳液體系各組分DSC掃描數(shù)據(jù)

亞麻籽油和山核桃油分別在-37.40和-29.34 ℃附近出現(xiàn)熔融峰，花生油在-7.06 ℃附近出現(xiàn)熔融峰。這可能與3種食用油中脂肪酸組成有關(guān)，花生油含有大量單不飽和脂肪酸，氧化穩(wěn)定性較好，而亞麻籽油和山核桃油含有豐富的多不飽和脂肪酸，容易發(fā)生氧化[22]。

混合水相（Water-Gly=1︰1）相比水的吸熱峰從0.36 ℃降低到-27.90 ℃，焓值從266 J/g降低至21 J/g。混合水相晗值減小的原因，一是丙三醇成為體系中水相的一部分[24]，二是有一部分的水與丙三醇之間相互作用產(chǎn)生氫鍵[25]。

如圖10所示，通過DSC掃描發(fā)現(xiàn)，Me-1a，Me-2a和Me-3a這3種含水量10%的微乳液在升溫曲線的前半段的吸、放熱峰與吐溫80的出峰相似，此時(shí)體系中表面活性劑占比最大，因此可將其看作是體系中表面活性劑的熱行為。Me-1b，Me-2b和Me-3b為含水量90%的微乳液，3種微乳液的出峰時(shí)間和焓值與混合水相的掃描結(jié)果相似，此時(shí)體系中水相作為連續(xù)相，即水包油型微乳液，因此圖譜中只顯示水相相關(guān)的出峰。

圖10 不同油相微乳液DSC掃描曲線

對(duì)含水量10%和90%的3種微乳液的吸放熱峰值溫度及對(duì)應(yīng)焓值分別進(jìn)行方差分析，研究不同碳鏈的油相對(duì)微乳液的熱力學(xué)影響（表3），結(jié)果表明，含水量10%和90%的微乳液溫度變化無明顯規(guī)律，但含水量不同的微乳液均表現(xiàn)出不同碳鏈長(zhǎng)度的油相對(duì)微乳液體系熔融和結(jié)晶溫度的影響存在顯著性差異（P＜0.05）。

3 結(jié)論

以亞麻籽油、花生油、山核桃油分別與MCT復(fù)配為油相（3︰2，W/W），吐溫80為表面活性劑，乙醇和丙三醇為助表面活性劑制備的3種微乳液體系（混合油相-表面活性劑-混合水相1︰9︰90，W/W），外觀均澄清透明，微觀結(jié)構(gòu)呈球型，平均粒徑分別為48.97，30.92和10.51 nm，多分散指數(shù)為0.14，0.10和0.01，屬于水包油型微乳液。穩(wěn)定性研究顯示，3種體系在不同的離心、鹽度、溫度條件下，透光率均大于95%，證明3種微乳液有較強(qiáng)的離心穩(wěn)定性，耐鹽性及耐熱性。流變學(xué)研究顯示，3種微乳液均為彈性較小牛頓流體，無剪切觸變性。熱力學(xué)研究顯示，助表面活性劑丙三醇的加入使得體系中水相的焓值降低，不同碳鏈的油相對(duì)微乳液的熱力學(xué)影響存在顯著性差異（P＜0.05）。試驗(yàn)可為制備高穩(wěn)定性的復(fù)合油相微乳液提供新思路。