乳化劑類型、濃度及水相pH對水包核桃油乳狀液物理穩(wěn)定性的影響

易建華,程菁菁,董文賓

(陜西科技大學生命科學與工程學院,陜西西安 710021)

乳化劑類型、濃度及水相pH對水包核桃油乳狀液物理穩(wěn)定性的影響

易建華,程菁菁,董文賓*

(陜西科技大學生命科學與工程學院,陜西西安 710021)

為了了解在水包核桃油乳狀液中乳化劑類型、濃度及水相pH對其物理穩(wěn)定性的影響,考察四種乳化劑即乳清分離蛋白(WPI)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)以及失水山梨醇聚氧乙烯酯(Tween20)在pH3.0和 pH7.0條件下形成穩(wěn)定的水包核桃油乳狀液所需要的最低濃度。結果表明,pH對陽離子表面活性劑DTAB、非離子表面活性劑Tween20乳化效果影響較大,在pH3.0和7.0條件下形成穩(wěn)定乳狀液所需DTAB最低濃度分別為0.8%、2.0%,而Tween20最低濃度分別為0.6%、0.3%;pH(等電點除外)對兩性大分子表面活性劑WPI和陰離子表面活性劑SDS的乳化效果影響較小。研究結果表明不同類型乳化劑在不同pH條件下對水包核桃油乳狀液的物理穩(wěn)定性影響差異較大。

乳化劑,核桃油,水包油乳狀液,物理穩(wěn)定性

核桃屬植物隸屬胡桃科(Juglandaceae),是多年生落葉果樹,在中國又名胡桃、羌桃、萬壽子、長壽果等[1]。核桃果實的營養(yǎng)價值非常高,其果仁中富含油脂、蛋白質、碳水化合物和許多微量元素[2],脂肪含量一般在 65%左右[3],其中不飽和脂肪酸占 90%以上[4],多不飽和脂肪酸中亞油酸(ω-6 PUFA)約 60%,亞麻酸(ω-3 PUFA)在 10%左右[5]。研究表明,核桃油中ω-3 PUFA能預防因高血壓造成的動脈損傷[6]。尤為重要的是,核桃油PUFA中ω-6/ω-3比例符合聯(lián)合國糧農組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的膳食中 ω-6/ω-3 脂肪酸的比例(5～10∶1)[7],因此,近年來,核桃油倍受消費者關注,其在食品、藥品以及化工等領域有著廣泛的應用前景。

由于油水界面張力的存在,核桃油與含水食品形成的O/W乳狀液體系不穩(wěn)定,易出現(xiàn)凝絮、聚結、分層、沉降等現(xiàn)象,導致體系失去穩(wěn)定性[8]。為提高體系的穩(wěn)定性,乳狀液在均質前需添加具有表面活性的乳化劑。按親水基團是否帶電可將乳化劑分為離子型和非離子型兩大類,其中離子型乳化劑又分為陽離子表面活性劑、陰離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑[9]。近年來研究發(fā)現(xiàn),不同乳化劑同時影響乳狀液中油脂的氧化穩(wěn)定性,如Ratchanee Charoen等人[10]研究界面膜組成對不同乳化劑所形成的水包油乳狀液氧化穩(wěn)定性的影響,結果表明在pH3.0和pH7.0條件下,乳清分離蛋白(WPI)和改性淀粉(WS)乳狀液的氧化穩(wěn)定性均優(yōu)于阿拉伯膠(GA)乳狀液。Jennifer R. Mancuso等人[11]研究乳化劑種類、pH以及螯合劑對水包鮭魚油乳狀液氧化穩(wěn)定性的結果表明,pH6.5條件下,三種乳化劑形成的乳狀液初級氧化速率從高到低依次為SDS>Brij>DTAB。目前國內外研究主要集中于乳化劑類型對乳狀液氧化穩(wěn)定性的影響,而關于含有不同帶電基團的乳化劑對O/W乳狀液物理穩(wěn)定性比較研究尚未見報道。

表1 不同類型乳化劑在不同pH條件下形成乳狀液的平均粒徑Table 1 Mean droplet size of emulsion stabilized by different emulsifiers at different pH

本實驗將利用乳狀液粒徑分布及其變化來研究不同類型乳化劑對水包核桃油乳狀液物理穩(wěn)定性影響,為核桃油的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

優(yōu)質核桃油 陜西海源生態(tài)農業(yè)有限公司;乳清分離蛋白(WPI) 上海福諾食品有限公司;十二烷基磺酸鈉(SDS) 天津市科密歐化學試劑有限公司;十二烷基三甲基溴化銨(DTAB) 國藥集團化學試劑有限公司;吐溫20(Tween20) 天津市科密歐化學試劑有限公司;磷酸氫二鈉、檸檬酸、疊氮鈉 天津市科密歐化學試劑有限公司,分析純。

PB-10精密pH計 賽多利斯科學儀器北京有限公司;BS323S電子天平 賽多利斯科學儀器北京有限公司;84-1磁力攪拌器 上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;F6/10-10G超細勻漿機 上海弗魯克流體機械制造有限公司;HPL科研型超高壓均質機 喜高精密流體機械有限公司;Q/BKYY31-2000電熱恒溫鼓風干燥箱 上海躍進醫(yī)療器械有限公司;BT-9300S激光粒度分析儀 丹東百特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備水相的制備 將不同類型乳化劑按照一定濃度(通過預實驗確定合適的濃度)溶解于10mmol/L pH3.0或7.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液中,加入0.02%的疊氮鈉防腐。室溫下磁力攪拌2h,放入4℃冰箱中冷藏過夜。

將5%的油相與95%的水相通過手持式超細勻漿機攪拌混合形成粗乳,超細勻漿機攪拌速率為20000r/min,攪拌時間為30s。然后在50MPa條件下高壓均質3次,得到乳化均勻的乳狀液。

1.2.2 不同類型乳化劑濃度的確定 將四種不同類型乳化劑分別配制濃度為0.05%～2.0%的乳狀液,在50℃恒溫烘箱中放置14d后,觀察其分層現(xiàn)象,若分層,則說明在此濃度條件下不能形成均勻的乳狀液;若不分層,則在此濃度條件下再次升高濃度考察其乳狀液穩(wěn)定情況。

1.2.3 乳狀液平均粒徑的測定 移取乳狀液10mL,采用激光粒度儀測定其平均粒徑。具體步驟為:以水為分散相,將一定體積的乳狀液注入其中,待體系穩(wěn)定后測定其粒徑分布,同時以體積平均徑表示其平均粒徑。其中物質折射率為1.600,介質折射率為1.333。

1.2.4 乳狀液穩(wěn)定性測定 將乳狀液放入50℃恒溫烘箱中避光靜置14d,之后觀察其分層現(xiàn)象,并測定其粒徑分布及其變化。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用SPSS軟件中單因素方差分析及Tukey法多重比較。

2 結果與分析

2.1 WPI乳狀液的物理穩(wěn)定性

乳狀液油滴粒徑大小并非均一,一般呈現(xiàn)一定的分布趨勢,因此常用粒徑分布曲線來反映乳狀液液滴分布情況。分布曲線是將各種尺寸范圍內的顆粒數(shù)目dn/dx在總體顆粒(N)中所占的分數(shù)作縱坐標,滴珠直徑做橫坐標,依據(jù)實驗測得的顆粒大小分布作圖得到的[12]。

2.1.1 pH7.0條件下WPI乳狀液的粒徑分布情況 圖1為pH7.0條件下不同濃度WPI乳狀液的粒徑分布情況,由圖1a得知,WPI濃度在0.05%時,乳狀液在50℃放置14d后未出現(xiàn)粒徑增大、百分比下降的情況,說明放置14d后乳狀液仍然很穩(wěn)定。

但是比較圖1a和圖1b可以看出,隨著WPI濃度的增大,乳狀液的粒徑逐漸減小,同時比較圖1a～圖1d可以看出,當濃度達到0.3%時,乳狀液的粒徑基本不再隨著濃度增大而減小,并且由表1可以看出,WPI濃度高于0.3%,乳狀液的平均粒徑不再減小,說明在此濃度條件下乳狀液的粒徑達到最小,且水相中的WPI在此實驗條件下濃度最低。這與Donnelly J. L[13]等人研究的結果稍有不同,原因可能是均質壓力以及均質次數(shù)不同引起。

圖1 pH7.0條件下WPI乳狀液的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of WPI emulsions at pH7.0注：a～d，WPI濃度分別為0.05%、0.2%、0.3%、0.4%，圖2同。

2.1.2 pH3.0條件下乳清分離蛋白(WPI)乳狀液的粒徑分布情況 圖2為pH3.0條件下不同濃度乳清分離蛋白(WPI)乳狀液的粒徑分布情況,對比圖1a、圖1b、圖2a、圖2b可以看出,在相同乳清分離蛋白(WPI)濃度條件下,pH為3.0時的乳狀液的穩(wěn)定性較差,放置14d后會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,粒徑驟然增大,粒徑分布范圍逐漸增加。但是當濃度達到0.3%時,乳狀液的穩(wěn)定性較好,且隨濃度升高粒徑不再減小(圖2c、圖2d、表1),即在本實驗條件下,0.3%的乳清分離蛋白(WPI)為使乳狀液達到穩(wěn)定時所需的最低濃度。

圖2 pH3.0條件下WPI乳狀液的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of WPI emulsions at pH3.0

2.2 DTAB乳狀液的物理穩(wěn)定性

DTAB是一種常見的季銨鹽類陽離子表面活性劑。這類表面活性劑除了具備兩性分子所特有的表面活性外,由于含有季銨鹽陽離子基團而使其水溶液具有較強的殺菌能力[14]。

2.2.1 pH7.0條件下DTAB乳狀液的粒徑分布情況 圖3為pH7.0條件下不同濃度DTAB乳狀液的粒徑分布情況。在前期實驗中發(fā)現(xiàn),DTAB的濃度在0.05%～1.2%范圍內時,體系經過均質后很快出現(xiàn)分層,直到DTAB濃度達到1.4%以后,體系才能形成均勻的乳狀液。由表1可以看出DTAB濃度高于1.8%時,乳狀液的平均粒徑就已經不再變化,但是由圖3可得,DTAB濃度為1.8%時,經過50℃放置14d的觀察及粒徑測定,乳狀液的粒徑分布范圍擴大,平均粒徑有所增加,而當DTAB濃度高于2.0%時,體系較穩(wěn)定,粒徑分布較均勻,且補充實驗(未顯示)進一步說明2.0%的DTAB為使乳狀液達到穩(wěn)定的最低濃度。

圖3 pH7.0條件下DTAB乳狀液的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of DTAB emulsions at pH7.0注：a～d分別表示DTAB濃度1.4%、1.6%、1.8%、2.0%。

2.2.2 pH3.0條件下DTAB乳狀液的粒徑分布情況 圖4為pH3.0條件下不同濃度DTAB乳狀液的粒徑分布情況。由圖4明顯可以看出當DTAB濃度低于0.8%時,乳狀液的穩(wěn)定性很差,放置7d已經開始出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。但當濃度高于0.8%以后,乳狀液穩(wěn)定性良好,且由表1可以看出DTAB濃度高于0.8%時其平均粒徑也不再變化,說明在pH3.0條件下,為使乳狀液達到穩(wěn)定所需DTAB的濃度最低為0.8%。

對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),在酸性條件下DTAB的乳化性優(yōu)于堿性條件。

圖4 pH3.0條件下DTAB乳狀液的粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of DTAB emulsions at pH3.0注：a～d分別表示DTAB濃度0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。

2.3 SDS乳狀液的物理穩(wěn)定性

SDS是一種典型的陰離子表面活性劑。其結構同時包含親水性基團酸基和親油性基團十二烷基,這種不對稱的兩親結構基團賦予SDS在溶液中的特殊性能[15]。在洗滌工業(yè)、紡織工業(yè)、染色工業(yè)和采油工業(yè)中引起廣泛關注并取得顯著進展。

2.3.1 pH7.0條件下SDS乳狀液的粒徑分布情況 圖5為pH7.0條件下SDS乳狀液的粒徑分布情況。對比圖7a～圖7d可以發(fā)現(xiàn),SDS濃度為0.2%時,乳狀液放置14d后粒徑增大,粒徑分布范圍更加廣泛,但是當SDS濃度高于0.3%時,乳狀液粒徑分布不再變化,反而隨著時間的延長其粒徑分布范圍更集中,表明其穩(wěn)定性極好。并且由表1也可以看出,在SDS濃度達到0.3%之后,乳狀液的平均粒徑已經趨于不變。綜上得知,pH7.0條件下SDS乳狀液達到穩(wěn)定所需SDS濃度最低為0.3%。

圖5 pH7.0條件下SDS乳狀液的粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of SDS emulsions at pH7.0注：a～d分別表示SDS濃度0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

2.3.2 pH3.0條件下SDS乳狀液的粒徑分布情況 圖6為pH3.0條件下SDS乳狀液的粒徑分布情況。由圖6可得SDS濃度高于0.3%時,乳狀液穩(wěn)定性良好,粒徑不再變化,說明SDS形成的乳狀液具有較好穩(wěn)定性的最低濃度為0.3%。

圖6 pH3.0條件下SDS乳狀液的粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of SDS emulsions at pH3.0注：a～d分別表示SDS濃度為0.05%、0.2%、0.3%、0.4%。

對比圖5b和圖6c可以看出,在SDS濃度相同條件下,pH7.0 的乳狀液比pH3.0的乳狀液粒徑分布更為集中,且平均粒徑更小(如表1),這一現(xiàn)象說明SDS在堿性條件下的乳化效果優(yōu)于酸性條件。

2.4 Tween20乳狀液的物理穩(wěn)定性

Tween20吐溫是失水山梨醇聚氧乙烯酯的商品名,屬于典型的非離子型表面活性劑[16]。Tween20具有乳化、增容、擴散、穩(wěn)定等作用,因此常在制藥、日化、紡織、食品等工業(yè)用作乳化劑、增溶劑,穩(wěn)定劑、分散劑等。

2.4.1 pH7.0條件下Tween20乳狀液的粒徑分布情況 圖7為pH7.0條件下Tween20乳狀液的粒徑分布情況。圖中可以看出Tween20濃度達到0.3%時,乳狀液開始穩(wěn)定,此時升高濃度乳狀液的平均粒徑及粒徑分布情況都不再變化,說明0.3%為pH7.0條件下形成穩(wěn)定乳狀液所需要的Tween20的最低濃度。

圖7 pH7.0條件下Tween20乳狀液的粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of Tween20 emulsions at pH7.0注：a～d分別表Tween20濃度為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。

2.4.2 pH3.0條件下Tween20乳狀液的粒徑分布情況 圖8為pH3.0條件下Tween20乳狀液的粒徑分布情況。圖中顯示當Tween20濃度在0.4%時,乳狀液放置七d仍然很穩(wěn)定,但是第14d時粒徑分布曲線不平滑,帶有一點“尾巴”,說明乳狀液粒徑分布很不均勻。當濃度達到0.6%時,乳狀液才趨于穩(wěn)定,放置14d后不會出現(xiàn)粒徑增大或者粒分布不均勻等情況,且由表1可得TWeen20濃度高于0.6%之后,乳狀液的平均粒徑已經不再變化,說明此濃度即為使乳狀液達到穩(wěn)定時所需要的Tween20 的最低濃度。

圖8 pH3.0條件下Tween20乳狀液的粒徑分布Fig.8 Particle size distribution of Tween20 emulsions at pH3.0注：a～d分別表示Tween20濃度為0.05%、0.2%、0.4%、0.6%。

3 結論

pH7.0和pH3.0條件下,WPI乳狀液和SDS乳狀液達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的最低乳化劑濃度均為0.3%,在此條件下乳狀液連續(xù)相中乳化劑濃度相對最低。而DTAB乳狀液和Tween20乳狀液的穩(wěn)定性受pH影響較大,在pH7.0和pH3.0條件下,DTAB乳狀液達到穩(wěn)定所需要DTAB的最低濃度分別為2.0%和0.8%。而Tween20乳狀液在pH7.0和pH3.0條件下達到穩(wěn)定所需要Tween20的最低濃度分別為0.3%和0.6%。

四種乳化劑相比,大分子蛋白質WPI乳化性較好,而陽離子型表面活性劑DTAB的乳化性較差。不同類型乳化劑形成水包油乳狀液的物理穩(wěn)定性因pH條件的變化而有較大差異。

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Effect of pH,emulsifier type and concentration on physical stability of oil-in-water emulsions

YI Jian-hua,CHENG Jing-jing,DONG Wen-bin*

(College of Life Science and Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China)

To explore the influence of emulsifiers and pH on physical stability of walnut oil-in-water emulsion,the emulsions stabilized by whey protein isolates,sodium dodecyl sulfate(SDS),dodecyltrimethylammonium bromide(DTAB),and Tween20,respectively,were investigated. And the required minimum concentrations of emulsifiers to form a stable walnut oil-in-water emulsionwerealso determined. Results showed that the influence of pH on the emulsifying effect of cationic surfactant and nonionic surfactant wasremarkable.Under the condition of pH3.0 and 7.0,the required minimum concentrations of DTAB were 0.8% and 2.0%,respectively. Meanwhile,the required minimum concentrations of Tween20 were 0.6% and 0.3% at pH3.0 and 7.0,respectively. But forampholytic surfactant WPI and anionic surfactant SDS,the influence of pH(except for isoelectric point)was non-significant. The above phenomenon indicated that the physical stability of walnut oil-in-water emulsions was greatly influenced by different pH and emulsifiers.

emulsifier;walnut oil;oil-in-water emulsion;physical stability

2014-08-25

易建華(1971-)，女，博士研究生，副教授，研究方向：油脂與蛋白質工程。

*通訊作者:董文賓(1951-)，男，碩士，教授，研究方向：功能油脂與蛋白質。

陜西省科技廳農業(yè)科技創(chuàng)新與攻關(2014K01-10-01)。

TS202

A

1002-0306(2015)13-0266-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.048