紫蘇籽油乳狀液的制備及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

韓麗麗，侯占群，文劍，吳逸民，錢英燕，龔樹立

(中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院，北京，100015)

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紫蘇籽油乳狀液的制備及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

韓麗麗，侯占群*，文劍，吳逸民，錢英燕，龔樹立

(中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院，北京，100015)

摘要將富含α-亞麻酸的紫蘇籽油制備成水包油型(O/W)乳狀液后，其穩(wěn)定性、水溶性得到改善，并可作為ω-3多不飽和脂肪酸的傳遞系統(tǒng)，應(yīng)用于功能食品的開發(fā)。分別采用阿拉伯膠、HI-CAP 100、純膠2 000、可溶性大豆多糖、酪蛋白酸鈉和大豆分離蛋白制備紫蘇籽油乳狀液，研究乳化劑對(duì)乳狀液粒徑、黏度及物理穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示：4% 阿拉伯膠制備的乳狀液粒徑最小(0.678 μm)，粒徑主要分布在0.1～10 μm之間，隨著乳化劑濃度的增大，乳狀液的黏度不斷升高，且不穩(wěn)定性指數(shù)和Slope值逐漸降低，其中，除HI-CAP 100和酪蛋白酸鈉外，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥4%時(shí)，乳狀液穩(wěn)定性良好。

關(guān)鍵詞乳狀液；紫蘇籽油；乳化劑；粒徑；穩(wěn)定性

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，生存環(huán)境的惡化以及社會(huì)壓力的加大使現(xiàn)代人的健康受到嚴(yán)重威脅，營(yíng)養(yǎng)型飲食逐步成為現(xiàn)代人的飲食觀念。研究顯示，ω-3多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)具有重要的營(yíng)養(yǎng)及生理功效，如防治心血管疾病、癌癥、炎性疾病及抑郁癥等[1-2]。因此，發(fā)展(ω-3)PUFAs系列的保健食品，對(duì)改善亞健康人群的健康狀態(tài)，提升我國(guó)國(guó)民的整體身體素質(zhì)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。紫蘇籽油中α-亞麻酸含量高達(dá)60%[3]，可作為(ω-3)PUFAs的重要來源應(yīng)用于功能食品開發(fā)。然而，紫蘇籽油較差的氧化穩(wěn)定性、水溶性及分散性，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。因此，最大限度保護(hù)其生物活性，提高其在功能食品中的穩(wěn)定性，已成為我國(guó)紫蘇籽油產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的難題。

O/W型乳狀液是食品產(chǎn)業(yè)中的重要體系之一，如沙拉醬、人造黃油、冰激凌、牛乳飲料等均以乳狀液的形式進(jìn)行生產(chǎn)[4]。通過乳狀液的制備，油脂的物化特性得到改善，并能促進(jìn)人體對(duì)必需脂肪酸的吸收[4]，克服了傳統(tǒng)油脂的應(yīng)用弊端，油脂乳狀液的制備已成為食品領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。近年來，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)富含(ω-3)PUFAs的功能性油脂，如魚油、亞麻籽油乳狀液進(jìn)行了較多研究[5-9]。

本文選擇阿拉伯膠(gum arabic,GA)、HI-CAP 100、純膠(purity gum,PG)2000、可溶性大豆多糖(soluble soybean polysaccharid,SSPS)、酪蛋白酸鈉(sodium caseinate,SC)、大豆分離蛋白(soybean protein isolate, SPI)6種乳化劑制備紫蘇籽油乳狀液，應(yīng)用LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀評(píng)價(jià)乳狀液的穩(wěn)定性，以乳狀液粒徑、黏度及物理穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以確定制備紫蘇籽油乳狀液的最適乳化劑。

1材料與方法

1.1材料與試劑

紫蘇籽油，河北欣奇典生物科技有限公司；可溶性大豆多糖-S-CA200，不二富吉(北京)科技有限公司；阿拉伯膠，天津?yàn)I海捷成專類化工有限公司；純膠2000、HI-CAP 100，國(guó)民淀粉(上海)有限公司；大豆分離蛋白，杜邦鄭州蛋白有限公司；酪蛋白酸鈉，上海捷聰貿(mào)易有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

PB602-N型電子精密天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SDF 0.4型多用分散機(jī)，江陰精細(xì)化工機(jī)械有限公司； T25基本型ULTRA-TURRAX分散機(jī)，德國(guó)IKA公司；Homelab型高壓均質(zhì)機(jī)，意大利FBF公司；RVA快速黏度分析儀，瑞典Perten公司；S3500激光粒度儀，美國(guó)麥奇克有限公司；LUMiSizer 611型穩(wěn)定性分析儀，德國(guó)LUM儀器公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1紫蘇籽油乳狀液的制備

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的乳化劑溶于50～60 ℃的蒸餾水中，高速攪拌使其充分溶解，高速剪切過程中緩慢加入紫蘇籽油形成粗乳液，再經(jīng)高壓均質(zhì)機(jī)(一級(jí)均質(zhì)壓力40 MPa，二級(jí)均質(zhì)壓力5 MPa)均質(zhì)2次，制得含紫蘇籽油8%的乳狀液備用。

1.3.2紫蘇籽油乳狀液的黏度分析

采用快速黏度分析儀對(duì)乳狀液黏度進(jìn)行測(cè)定，儀器參數(shù)設(shè)置：溫度35 ℃，轉(zhuǎn)速160 r/min，時(shí)間10 min。

1.3.3紫蘇籽油乳液的粒徑分析

采用激光粒度分析儀測(cè)定乳狀液的粒徑及粒度分布，采用濕法分析模式。儀器基于動(dòng)態(tài)光散射理論，通過建立粒子大小與散射強(qiáng)度的相關(guān)函數(shù)，確定粒子的粒徑大小及粒度分布。粒徑大小以體積平均粒徑(D43)表示，按公式(1)計(jì)算：

(1)

其中:ni代表直徑為di的顆粒個(gè)數(shù)。

1.3.4紫蘇籽油乳液的物理穩(wěn)定性分析

采用LUMiSizer快速穩(wěn)定性分析儀對(duì)乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。該儀器基于Stocks 理論及朗伯-比爾定律，通過加速分層和量化沉淀、懸浮的方法(STEP技術(shù))測(cè)定乳狀液的穩(wěn)定性，其原理如圖1所示。

圖1　應(yīng)用LUMiSizer評(píng)價(jià)乳狀液穩(wěn)定性的原理示意圖Fig.1　Principle schematic diagram of LUMiSizer in evaluating the stability of emulsions

樣品管離心過程中，平行的近紅外光照射在樣品管上，以時(shí)間和位置為參數(shù)，記錄樣品透光率的變化，以此確定乳狀液中粒子的遷移過程。若樣品管上部透光率變大表示粒子下沉，若底部透光率變大則表示粒子上浮。根據(jù)透光率變化譜圖，可通過計(jì)算不穩(wěn)定性指數(shù)(instability index)及Slope值，比較不同乳化劑制備的紫蘇籽油乳狀液的穩(wěn)定性差異。其中，不穩(wěn)定性指數(shù)反映了樣品的整體分層情況，其值越接近于1，乳液分層越嚴(yán)重，越接近于0，表示乳液分層現(xiàn)象越不明顯，穩(wěn)定性越好；Slope值代表一段時(shí)間內(nèi)乳液透光率的變化速度，整體透光對(duì)時(shí)間作圖即可得到曲線斜率Slope值，其值越大，說明乳液的透光率變化越快，乳狀液穩(wěn)定性越差，反之Slope值越小，乳狀液越穩(wěn)定。

儀器參數(shù)設(shè)置：溫度25 ℃，光波長(zhǎng)865 nm，光散射系數(shù)1.0，離心速度4 000 r/min，透光率特征線每10 s記錄1次，共計(jì)500次。

1.3.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平為P<0.05，并采用Origin 8.0軟件進(jìn)行作圖。

2結(jié)果與討論

2.1不同乳化劑對(duì)紫蘇籽油乳狀液粒徑及分布的影響

2.1.1乳化劑種類對(duì)乳狀液粒徑及分布的影響

粒徑大小及分布是衡量乳化劑乳化性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是影響乳狀液物理化學(xué)特性及感官特性的重要因素[10]。乳狀液制備過程中，乳化劑中具有表面活性的分子結(jié)構(gòu)吸附至油/水界面后，界面張力降低，有助于小液滴的形成，因此，乳化劑的結(jié)構(gòu)、溶解度等特性都會(huì)對(duì)乳狀液粒徑產(chǎn)生影響。

由表1可知，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同乳化劑制備的紫蘇籽油乳狀液的粒徑各有差異。膠體濃度為0.5%～8%時(shí)，GA、PG2000、SC制備的乳狀液粒徑顯著低于其他乳化劑制備的乳狀液(P<0.05)，其中，含4% GA的乳狀液粒徑最小(0.678 μm)，說明GA具備良好的乳化活性，究其原因是其分子結(jié)構(gòu)中存在約10%的阿拉伯半聚乳糖蛋白(arabinogalactan protein，APG)，由于APG同時(shí)含有疏水性的多肽鏈和親水性的碳水化合物成分，從而賦予了GA良好的界面特性[11]。膠體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，除SPI外，各乳化劑制備的乳狀液粒徑無顯著性差異(P>0.05)。乳狀液的粒度分布圖(圖2)顯示，除SPI外，各乳化劑制備的乳狀液液滴大小主要分布在0.1～10 μm之間，而SPI制備的乳狀液在10～100 μm之間也有較多分布。此外，GA、HI-CAP 100、SPSS、SC作為乳化劑時(shí)，乳狀液的粒度分布主要為單峰，而SPI、PG 2000制備的乳狀液粒度分布出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，說明乳狀液粒度分布不均勻，液滴均一性較差。

表1　不同乳化劑制備的紫蘇籽油乳狀液的粒徑(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)　單位：μm

注：表中數(shù)據(jù)上標(biāo)字母完全不同表示數(shù)據(jù)間存在顯著性差異(P<0.05)。

A-GA; B-HI-CAP 100; C-PG 2000; D-SSPS; E-SPI; F-SC圖2　不同乳化劑制備的乳狀液的粒度分布Fig.2　Droplet size distributions of emulsions prepared with different emulsifiers

2.1.2乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳狀液粒徑的影響

乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫蘇籽油乳狀液粒徑的影響較為顯著(P<0.05)(見表1)。隨著乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，GA、PG 2000、SC制備的乳狀液粒徑逐漸減小，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)4%時(shí)乳狀液粒徑降至最小，這是因?yàn)檩^低濃度的乳化劑不足以將全部的油水界面覆蓋，均質(zhì)過程中較大的機(jī)械應(yīng)力會(huì)使液滴間相互聚結(jié)形成較大顆粒[12]，導(dǎo)致乳液粒徑較大。之后乳狀液粒徑有不同程度的增大，這是因?yàn)槿榛瘎舛冗^大時(shí)，液滴表面吸附的乳化劑達(dá)到飽和，未吸附的乳化劑會(huì)使液滴間產(chǎn)生相互吸引力，且濃度越高，吸引力越強(qiáng)，最終導(dǎo)致乳狀液發(fā)生耗盡絮凝(depletion flocculation)[13]，乳狀液粒徑增大。此外，MCCLEMENTS[13]的研究表明，引起耗盡絮凝的臨界濃度的大小與乳液粒徑有關(guān)。其中，SPI在2%時(shí)乳液粒徑達(dá)到最小(2.075 μm)，之后粒徑增加顯著。其他乳化劑在4%時(shí)乳狀液粒徑降至最小，且均低于0.8 μm，大小順序?yàn)椋篏A

2.2乳化劑種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫蘇籽油乳狀液黏度的影響

從圖3可以看出，乳化劑種類及濃度對(duì)紫蘇籽油乳狀液黏度的影響顯著(P<0.05)。隨著乳化劑濃度的增大，各乳化劑制備的乳狀液的黏度具有不同程度的升高。粒子在乳液中會(huì)進(jìn)行不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，乳狀液黏度增大時(shí)，粒子的運(yùn)動(dòng)速率變慢，有利于乳狀液的穩(wěn)定。其中，HI-CAP 100制備的乳狀液黏度最低，且隨著乳化劑濃度的升高，其黏度變化最小，僅由8×10-3Pa·s上升至15×10-3Pa·s，這是由于其淀粉結(jié)構(gòu)中含有較多短鏈分子，故在高濃度時(shí)仍表現(xiàn)出較低黏度。其他乳化劑在0.5%～4%時(shí)，乳狀液黏度上升幅度較小，但在乳化劑濃度超過4%后，乳狀液黏度顯著升高(P<0.05)，特別是SSPS和SPI為乳化劑制備的紫蘇籽油乳狀液在其濃度為16%時(shí)，乳狀液黏度分別達(dá)到(2533)×10-3Pa·s、(2202)×10-3Pa·s，顯著高于其他乳化劑制備的乳狀液黏度(P<0.05)。SSPS、GA雖均為多糖類乳化劑，但由于SSPS結(jié)構(gòu)中多糖分子鏈的伸展性較好，故其制備的乳狀液黏度較高[14]。此外，CHOI等[15]研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)分子質(zhì)量是影響高分子量溶液黏度的一個(gè)重要因素，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子鏈之間相互貫穿、勾掛纏結(jié)，使溶液黏度升高。因此，乳化劑的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)乳狀液的黏度具有一定影響。謝巖黎等[16]的研究表明，SPI的平均相對(duì)分子質(zhì)量在103～104g/mol之間，雖明顯小于GA、HI-CAP 100等多糖類物質(zhì)的分子質(zhì)量，但由于SPI分子結(jié)構(gòu)中α-螺旋及β-折疊結(jié)構(gòu)含量約占77%，分子排列有序，結(jié)構(gòu)剛性，故乳狀液黏度較高。

圖3　不同乳化劑制備的紫蘇籽油乳狀液的黏度Fig.3　Viscosities of perilla seed oil emulsions prepared with different emulsifiers

2.3乳化劑種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫蘇籽油乳狀液物理穩(wěn)定性的影響

間的碰撞機(jī)率隨之降低，有利于乳液的穩(wěn)定。此外，乳狀液的物理穩(wěn)定性是評(píng)判乳化劑乳化穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

一般來講，乳化劑通過在液滴之間形成相互排斥作用(如空間位阻、靜電排斥)以及在液滴表面形成水化層，來防止液滴絮凝或聚結(jié)，從而維持乳狀液的穩(wěn)定[17]。由圖4可知，隨著乳化劑濃度的增大，樣品管底部的透光率變化程度逐漸減小，說明乳狀液的上浮現(xiàn)象減弱，穩(wěn)定性逐步提高。此外，前述結(jié)果中GA、PG 2000、SPI、SC制備的乳狀液粒徑先減小后增大，這也說明乳化劑濃度高于4%時(shí)，乳狀液的黏度對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響效果大于粒徑。從圖4還可以看出，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，SPI制備的乳狀液透光率變化極小，說明盡管SPI的乳化活性較低，但其乳化穩(wěn)定性極強(qiáng)，較適于用作穩(wěn)定劑。乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥4%時(shí)，乳狀液透光率變化程度為：SSPS、PG 2000、SPI、GA

3結(jié)論

本文對(duì)6種乳化劑(GA、PG 2000、HI-CAP 100、SSPS、SPI、SC)制備的紫蘇籽油乳狀液的粒徑、黏度及物理穩(wěn)定性進(jìn)行了比較研究。結(jié)果顯示，除SPI外，各乳化劑制備的紫蘇籽油乳狀液粒徑主要分布在0.1～10 μm，且粒度分布多為單峰。4%GA制備的紫蘇籽油乳狀液粒徑最小，為0.678 μm，且乳液不穩(wěn)定性指數(shù)為0.131，Slope值為0.001 5 %/s，乳液穩(wěn)定性良好，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于4%時(shí)，乳狀液的不穩(wěn)定性指數(shù)和Slope值雖有一定降低，但綜合考慮生產(chǎn)成本等因素，選擇4%的GA對(duì)紫蘇籽油乳狀液進(jìn)行后續(xù)的制備研究及氧化穩(wěn)定性研究。

圖5　不同乳化劑制備的乳狀液的不穩(wěn)定性指數(shù)及Slope值Fig.5　Instability index and the value of Slope of emulsions prepared with different emulsifiers

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Preparation and stability evaluation of perilla seed oil emulsions

HAN Li-li, HOU Zhan-qun*, WEN Jian, WU Yi-min, QIAN Ying-yan, GONG Shu-li

(China National Research Institute of Food & Fermentation Industries, Beijing 100015, China)

ABSTRACTThe stability and water solubility of perilla seed oil rich of α-linolenic acid can be improved by incorporating them into oil-in-water emulsions. And perilla seed oil emulsions can be used as ω-3 polyunsaturated fatty acids delivery system in the development of functional food. The purpose of this study was to investigate the effect of emulsifiers on the droplet sizes, viscosities and the physical stability of perilla seed oil emulsions. Gum arabic, HI-CAP 100, Purity gum 2000, Soybean soluble polysaccharides, Sodium caseinate and Soybean protein isolate were used to prepare perilla seed oil emulsions. Results indicated that the emulsions prepared with Gum arabic with a concentration of 4% presented the smallest droplet size (0.678 μm) and the droplet distributed in the range of 0.1～10 μm. With the increase of concentration, viscosity of emulsions increased constantly, and the Instability index and value of Slope reduced gradually. Emulsions prepared with other emulsifiers exhibited a good stability when the concentration of emulsifiers exceeded 4% except HI-CAP 100 and Sodium caseinate.

Key wordsemulsion; perilla seed oil; emulsifier; droplet size; stability

收稿日期：2015-11-17，改回日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(31501526)；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z141100002614019)

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201604026

第一作者：碩士研究生(侯占群高級(jí)工程師為通訊作者,E-mail:zqhou08@gmail.com)。