谷維素對納米乳液理化穩(wěn)定性的影響

楊貴妃劉 昕黎重陽鐘金鋒覃小麗

YANG Gui-fei1,2 LIU Xin1,2 LI Chong-yang1,2 ZHONG Jin-feng1,2 QIN Xiao-li1,2

(1. 西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2. 西南大學(xué)食品科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，重慶 400715)

(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education, Southwest University, Chongqing 400715, China)

谷維素是一類脂溶性維生素，主要以環(huán)木菠蘿醇類阿魏酸酯和甾醇類阿魏酸酯組成[1]。其在米糠油中含量最高，約為2%～3%。谷維素具有降低膽固醇、降血糖血脂、抗氧化等作用，被廣泛用于醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域。目前，谷維素的研究主要集中在谷維素的提取與純化[2-3]、功能性食品開發(fā)[4-5]、抗氧化性、藥理作用[6-7]和作為凝膠因子制備凝膠油[8]等方面。

谷維素作為天然的食品抗氧化劑可延緩食品氧化變質(zhì)而備受關(guān)注。Sunil等[9]將不同含量谷維素(0%～3%)的葵花籽油于37 ℃下儲(chǔ)藏5周，結(jié)果顯示油脂的化學(xué)穩(wěn)定性與谷維素濃度呈正相關(guān)。沈鴻等[10]在油茶籽油中添加0.1%和0.5%的谷維素，于(62±1) ℃的烘箱中加速氧化14 d，結(jié)果顯示含谷維素的油茶籽油在加速氧化第4天的過氧化值增長速率比對照組(不添加谷維素的油茶籽油)慢，第14天后對照組的過氧化值分別是含0.5%和0.1%谷維素油茶籽油的2.0，1.6倍?？梢?，谷維素在油脂的穩(wěn)定性方面有著積極的作用，但其對其他食品體系(如：乳液)中油脂的穩(wěn)定性的影響有待進(jìn)一步研究。

水包油乳液可作為脂溶性功能成分的載體而在食品領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，乳液體系中的脂質(zhì)易發(fā)生氧化，從而降低食品乳液的品質(zhì)。目前，用于提高乳液化學(xué)穩(wěn)定性的抗氧化劑主要有抗壞血酸、茶多酚等。丁儉等[11]研究發(fā)現(xiàn)乳液中添加15 mmol/L的抗壞血酸時(shí)，乳液具有更好的氧化穩(wěn)定性。孫靜靜等[12]研究發(fā)現(xiàn)在水相中添加0.1 g/mL的茶多酚對乳液的氧化抑制率達(dá)92.42%。Vorarat等[13]制備了米糠油加谷維素的乳液和米糠油乳液，通過2,2-二苯基-1-苦基肼基自由基清除法和鐵還原抗氧化電位法測定來評估2種乳液的氧化穩(wěn)定性，結(jié)果顯示米糠油加谷維素的乳液比米糠油乳液具有更高的Trolox當(dāng)量抗氧化能力值，最多高達(dá)1.9倍，說明添加谷維素有助于提高乳液的氧化穩(wěn)定性。然而，不同谷維素濃度在不同儲(chǔ)藏溫度下對納米乳液理化穩(wěn)定性的影響尚未清楚。因此，本試驗(yàn)擬研究谷維素質(zhì)量濃度分別為0%，1%，2%的納米乳液在不同儲(chǔ)藏溫度(4，25，37 ℃)下的理化穩(wěn)定性及其變化規(guī)律，為谷維素在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆卵磷脂：高純度，合肥博美生物科技有限責(zé)任公司；

辛烯基琥珀酸酯淀粉：上海天活貿(mào)易有限公司；

中鏈甘油三酯：上海一基實(shí)業(yè)有限公司；

谷維素：98%，大連美侖生物技術(shù)有限公司；

大豆油：中糧福臨門食品營銷有限公司；

超純水：YSL-RO-T10L/H超純水系統(tǒng)(Ashland公司)制備。

1.2 儀器與設(shè)備

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；

高速均質(zhì)機(jī)：T18 ULTRA-TURRAX型，德國IKA公司；

激光粒徑儀：Zetasizer NS90型，英國Malvern公司；

紫外可見分光光度計(jì)：T6型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 納米乳液的制備 準(zhǔn)確稱取63.00 g超純水和1.47 g辛烯基琥珀酸酯淀粉于燒杯，在30 ℃水浴中攪拌1 h (433 r/min)，得到水相。準(zhǔn)確稱取1.47 g大豆油、0.63 g中鏈甘油三酯、3.43 g磷脂以及不同質(zhì)量的谷維素于燒杯中，在50 ℃水浴中攪拌1 h(100 r/min)，獲取含有不同質(zhì)量濃度(0%，1%，2%)谷維素的油相。將油相置于30 ℃水浴中攪拌(100 r/min)，并將水相于3 min內(nèi)滴加于油相中，滴加完后計(jì)時(shí)攪拌30 min，接著進(jìn)行均質(zhì)(20 000 r/min，8 min)。得到含不同質(zhì)量濃度(0%，1%，2%)谷維素的納米乳液。

1.3.2 谷維素濃度及儲(chǔ)藏溫度對納米乳液的物理和化學(xué)穩(wěn)定性的影響 將含有不同質(zhì)量濃度(0%，1%，2%)谷維素的納米乳液分別在4，25，37 ℃下儲(chǔ)藏45 d，并定期取樣，研究谷維素濃度對不同儲(chǔ)藏溫度下納米乳液的物理穩(wěn)定性[包括平均粒徑、多分散系數(shù)(polydispersity index，PDI)和外觀]和化學(xué)穩(wěn)定性(包括過氧化值和茴香胺值)的影響。

1.3.3 谷維素對納米乳液化學(xué)穩(wěn)定性影響的動(dòng)力學(xué)模型

研究[14-15]表明油脂氧化遵循零級動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，然而在油脂中添加抗氧化劑后，在含有油脂的體系中，油脂的氧化反應(yīng)符合零級反應(yīng)和一級反應(yīng)。因此可以利用動(dòng)力學(xué)反應(yīng)建立納米乳液中油脂氧化時(shí)產(chǎn)生的過氧化物濃度和氧化時(shí)間之間的關(guān)系模型，反應(yīng)式可用式(1)表示。

(1)

式中：

r——化學(xué)反應(yīng)速率，mmol/(L·d)；

C——反應(yīng)t時(shí)刻的過氧化物濃度，mmol/L；

n——反應(yīng)級數(shù)；

k——化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，其單位由反應(yīng)級數(shù)n確定；

t——氧化時(shí)間，d。

根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道[14-16]，對納米乳液中油脂的氧化進(jìn)行零級和一級動(dòng)力學(xué)分析，其動(dòng)力學(xué)方程分別為：

零級反應(yīng)：C=C0+k0t，

(2)

一級反應(yīng)：lnC=lnC0+k1t，

(3)

式中：

C0——t=0時(shí)的過氧化物濃度，mmol/L；

k0——零級反應(yīng)速率常數(shù)，mmol/(L·d)；

k1——一級反應(yīng)速率常數(shù)，d-1。

1.4 評價(jià)指標(biāo)檢測方法

1.4.1 納米乳液的粒徑和PDI測定 用超純水分別對各取樣時(shí)間點(diǎn)(1，10，17，27，40，45 d)的納米乳液稀釋1 000倍。然后，使用激光粒徑儀測定稀釋后納米乳液的粒徑和PDI。

1.4.2 納米乳液的過氧化值測定 采用過氧化值評價(jià)納米乳液中油脂的初級氧化產(chǎn)物(主要為氫過氧化物)，具體方法參照Zhong等[17]方法進(jìn)行。根據(jù)余輝等[18]的方法建立 Fe3+標(biāo)準(zhǔn)曲線，以吸光值對相應(yīng)的Fe3+含量(μg/mL)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線為y= 0.241 1x+ 0.016，R2=0.999 5?；贔e3+的標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)式(4)可計(jì)算納米乳液的過氧化值。

(4)

式中：

PV——納米乳液的過氧化值，mmol/L；

A——510 nm處的吸光值，A=A樣品-A空白；

a、b——Fe3+標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率和截距；

V——納米乳液體積，mL；

56——Fe3+的摩爾質(zhì)量，g/moL；

2——Fe3+和氫過氧化物的摩爾比；

9.09——樣品反應(yīng)的體積，mL；

1.8——含提取物的有機(jī)溶劑相總體積，mL；

0.6——測定所用的含提取物的有機(jī)溶劑相體積，mL。

1.4.3 納米乳液的茴香胺值測定 采用茴香胺值評價(jià)納米乳液中油脂的次級氧化產(chǎn)物，具體操作參照ISO 6885—2006，根據(jù)式(5)計(jì)算納米乳液的茴香胺值。

(5)

式中：

AV——納米乳液的茴香胺值；

V——異辛烷萃取納米乳液后的體積，mL；

m——納米乳液中油的質(zhì)量，g；

Q——測定溶液中樣品濃度，0.01 g/mL；

A1——反應(yīng)溶液吸光度；

A2——空白溶液吸光度；

A0——未反應(yīng)溶液吸光度；

1.2——用1 mL茴香胺試劑或冰醋酸溶液稀釋測試溶液的校正因子。

1.5 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)至少重復(fù)2次，每個(gè)樣品的各指標(biāo)至少平行測定3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用 Microsoft Excel 2010、SPSS 18.0和Origin 8.0 等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同儲(chǔ)藏溫度下谷維素濃度對納米乳液物理穩(wěn)定性的影響

如圖1所示，所有納米乳液的平均粒徑均隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長而呈現(xiàn)逐步增長的趨勢。在4 ℃下儲(chǔ)藏45 d后，谷維素質(zhì)量濃度為0%，1%，2%的納米乳液平均粒徑的增長率為7%，6%，6%，但差異不顯著[圖1(a)]，這說明在該溫度下谷維素濃度對納米乳液的物理穩(wěn)定性沒有顯著影響。在較高儲(chǔ)藏溫度(25，37 ℃)下，納米乳液的平均粒徑在儲(chǔ)藏前期(<10 d)呈快速增加，10 d后趨于緩慢增加的趨勢[圖1(b)、(c)]。在所考察的儲(chǔ)藏期(45 d)內(nèi)，納米乳液的平均粒徑在較高儲(chǔ)藏溫度(25，37 ℃)下的增長率(10%～19%)高于4 ℃(6%～7%)下的。含不同谷維素濃度的納米乳液在較高溫下儲(chǔ)藏45 d時(shí)的平均粒徑?jīng)]有顯著差異(P>0.05)[圖1(b)、(c)]。以1%谷維素的納米乳液為例，由圖2可知，不同儲(chǔ)藏溫度下的納米乳液呈相似的單峰分布，說明所研究的納米乳液是均一體系。4 ℃下儲(chǔ)藏45 d納米乳液的粒徑分布和鮮樣的基本重合，說明4 ℃下納米乳液最穩(wěn)定。隨著儲(chǔ)藏溫度的升高，粒徑分布呈變窄且峰值向右移動(dòng)趨勢。通過峰強(qiáng)度變化分析發(fā)現(xiàn)，4 ℃下儲(chǔ)藏的納米乳液中，47.7%的粒徑分布于50.7～164.0 nm，39.9%的粒徑分布于164～396 nm；37 ℃下，36.2%的粒徑分布于78.8～164.0 nm，60.4%的粒徑分布于164～396 nm，由此可見較大粒徑液滴比例增大，因而納米乳液的平均粒徑增大，這與圖1中粒徑測定結(jié)果一致。這可能是乳液液滴在較高溫度下運(yùn)動(dòng)較快而發(fā)生奧氏熟化或碰撞聚合的幾率較大，因而使納米乳液的平均粒徑增加[19]。0%，1%，2%谷維素的納米乳液在不同溫度下儲(chǔ)藏過程中PDI變化情況一致，所有納米乳液的PDI值集中在0.20～0.25，納米乳液的粒徑分散比較均勻。不同溫度下儲(chǔ)藏的PDI曲線比較平緩，45 d后各溫度下的PDI值之間無顯著差異(P>0.05)(圖3)。綜合上述可知，含不同濃度谷維素的納米乳液在不同儲(chǔ)藏溫度下的物理穩(wěn)定性沒有顯著變化，低溫(4 ℃)對納米乳液的物理穩(wěn)定性影響最小，納米乳液在儲(chǔ)藏過程中始終保持均勻分散。

圖1 不同溫度下不同谷維素濃度的納米乳液粒徑變化圖

Figure 1 Changes in particle size of nanoemulsions with different oryzanol concentrations at different temperatures

圖2 1%谷維素的納米乳液儲(chǔ)藏45 d后的粒徑分布圖

Figure 2 The particle size distribution of nanoemulsions with 1% oryzanol stored at different temperatures for 45 days

圖3 1%谷維素的納米乳液在不同溫度下儲(chǔ)藏的PDI變化圖

Figure 3 Changes in PDI of nanoemulsions with 1% oryzanol stored at different temperatures

2.2 不同儲(chǔ)藏溫度下谷維素濃度對納米乳液化學(xué)穩(wěn)定性的影響

研究[20-21]表明谷維素作為植物源性的天然抗氧化劑，能夠作為電子供體攔截具有強(qiáng)氧化能力的自由基而終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而抑制油脂過氧化。由圖4可知，納米乳液的過氧化值隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長呈增加的趨勢。然而，不同谷維素濃度對各儲(chǔ)藏溫度下納米乳液過氧化值的影響存在差異。例如，0%，1%，2%谷維素納米乳液在37 ℃儲(chǔ)藏第45天時(shí)的過氧化值分別是4 ℃下相對應(yīng)谷維素濃度納米乳的66.6，55.9，32.8倍，而0%，1%，2%谷維素納米乳液在25 ℃儲(chǔ)藏第45天時(shí)的過氧化值分別是4 ℃下相對應(yīng)谷維素濃度納米乳液的5.8，5.4，5.6倍。說明納米乳液在低溫(4 ℃)下的氧化程度較低，這與低溫抑制納米乳液的氧化反應(yīng)有關(guān)。此外，不同谷維素濃度的納米乳液分別在4，25 ℃下儲(chǔ)藏45 d 后的過氧化值沒有顯著差異(P>0.05)，這提示了在較低溫度(4，25 ℃)條件下添加谷維素能減緩納米乳液的氧化程度，但納米乳液的化學(xué)穩(wěn)定性與所考察谷維素濃度不存在顯著相關(guān)性[圖4(a)、(b)]。然而，由圖4(c)可知，在37 ℃下儲(chǔ)藏27 d后，納米乳液的過氧化值呈現(xiàn)急劇升高的趨勢，且所考察的谷維素濃度與納米乳液(>27 d)的過氧化值有著明顯的負(fù)相關(guān)性。在第45天時(shí)，2%，1%谷維素濃度的納米乳液過氧化值分別是0%谷維素納米乳液的0.6，0.9倍[圖4(c)]。說明在37 ℃儲(chǔ)藏后期(>27 d)，谷維素濃度越高就越能夠有效降低納米乳液中油脂的氧化程度。這可能是在37 ℃下納米乳液中油脂發(fā)生氧化程度比低溫(4，25 ℃)要高得多，因此乳液中含有更多的烷基自由基，它與基態(tài)分子氧形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)加速油脂氧化。谷維素中的阿魏酸基團(tuán)上的酚羥基和結(jié)構(gòu)中雙鍵形成的共軛體系能夠在一定程度上阻斷自由基的鏈?zhǔn)絺鬏擺22]；隨著谷維素濃度的增大，谷維素阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效果可能越明顯，因此延緩納米乳液的氧化就越明顯。

圖4 不同溫度下不同谷維素濃度對納米乳液過氧化值的影響

Figure 4 Effect of different oryzanol concentrations on peroxide value of nanoemulsions at different temperatures

根據(jù)納米乳液儲(chǔ)藏過程中過氧化值隨時(shí)間的變化規(guī)律，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以評價(jià)納米乳液在儲(chǔ)藏過程中的變化情況。按照零級動(dòng)力學(xué)模型[式(2)]和一級動(dòng)力學(xué)模型[式(3)]擬合過氧化值的變化，結(jié)果如表1所示。由表1可知，一級動(dòng)力學(xué)模型中過氧化值與氧化時(shí)間之間的線性回歸系數(shù)R2基本大于零級動(dòng)力學(xué)模型中的，其中零級動(dòng)力學(xué)模型在37 ℃下出現(xiàn)過擬合情況；說明一級動(dòng)力學(xué)模型能夠更好地反映過氧化值與儲(chǔ)藏時(shí)間的線性關(guān)系。因此，通過一級動(dòng)力學(xué)模型擬合后得到的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1來分析納米乳液的變化情況。由表1可知，隨著儲(chǔ)藏溫度的升高，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1不斷增大，說明納米乳液的氧化程度不斷增大。向納米乳液中添加谷維素，在4 ℃下，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1從0.009 4 d-1降到0.004 9 d-1；在25 ℃下，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1從0.050 5 d-1降到0.042 4 d-1，說明在較低溫度(4，25 ℃)下添加谷維素可以延緩納米乳液的氧化速度，有助于提高納米乳液的氧化穩(wěn)定性。在37 ℃下，隨著谷維素濃度的增大，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1從0.094 6 d-1降到0.078 8 d-1，2%谷維素濃度納米乳液的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1是未添加谷維素納米乳液的0.8倍。由此可見，在較低溫度(4，25 ℃)下，往納米乳液中添加谷維素后，化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k1減小，說明谷維素可以使納米乳液的氧化速度減慢；在37 ℃下，谷維素濃度越高，k1越小，納米乳液的氧化速度越慢，這與圖4的分析結(jié)果一致。

茴香胺值是用來表示初級氧化產(chǎn)物分解得到二級產(chǎn)物(主要是羰基化合物)含量的，是衡量油脂氧化的重要指標(biāo)之一。因?yàn)?，25 ℃下納米乳液的過氧化值較低，氫過氧化物分解緩慢，所測的茴香胺值非常低，所以本研究將對37 ℃儲(chǔ)藏后期(>17 d)納米乳液的茴香胺值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示。含不同谷維素濃度的納米乳液茴香胺值的變化規(guī)律與過氧化值變化規(guī)律一致[圖4(c)、5]。在儲(chǔ)藏第27天，納米乳液的茴香胺值約為3.14，不同谷維素濃度的納米乳液茴香胺值之間不存在顯著差異(P>0.05)，茴香胺值在儲(chǔ)藏后期(>40 d)急劇增大。因?yàn)殡S著過氧化值的不斷增加，氧化過程中產(chǎn)生的二級產(chǎn)物越多，茴香胺值因而也不斷增加。在第45天時(shí)，含2%，1%谷維素的納米乳液的茴香胺值分別是0%谷維素的納米乳液的0.55，0.64倍。這提示了當(dāng)油脂氧化反應(yīng)產(chǎn)生一定濃度氧化產(chǎn)物時(shí)，谷維素濃度越高其越能夠有效降低納米乳液的氧化程度。

表1 納米乳液過氧化值變化動(dòng)力學(xué)模型的系數(shù)?

? “—”表示過擬合情況。

圖5 37 ℃時(shí)谷維素濃度對納米乳液茴香胺值的影響

Figure 5 Effect of different oryzanol concentrations on the anisidine value of nanoemulsions stored at 37 ℃

3 結(jié)論

本試驗(yàn)考察了谷維素濃度(0%，1%，2%)及儲(chǔ)藏溫度(4，25，37 ℃)對納米乳液理化穩(wěn)定性的影響及其規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在不同儲(chǔ)藏溫度下，谷維素濃度對納米乳液的物理穩(wěn)定性沒有顯著影響；4 ℃下納米乳液的平均粒徑增長率(6%～7%)小于其他儲(chǔ)藏溫度(25，37 ℃)下的(10%～19%)。在較低溫度(4，25 ℃)下，納米乳液的氧化程度較低，納米乳液的化學(xué)穩(wěn)定性與谷維素濃度沒有表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。在37 ℃下，納米乳液的氧化程度較高，納米乳液的過氧化值和茴香胺值與谷維素濃度呈負(fù)相關(guān)；尤其在儲(chǔ)藏后期(>27 d)，谷維素濃度越高，納米乳液中油脂的氧化程度越低。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，一級動(dòng)力學(xué)模型可以更好地反映納米乳液的氧化情況。有關(guān)谷維素對納米乳液理化穩(wěn)定性影響的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。