不同乳化劑對姜黃素乳液理化穩(wěn)定性的影響

曾慶晗 馬培華 邰克東 何曉葉 袁 芳

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院/北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心,北京 100083)

姜黃素是一種從姜黃屬植物的根莖中提取的天然有效成分,除作為食品著色劑,姜黃素還具有廣泛的營養(yǎng)和藥理作用,如抗炎[1]、抗腫瘤[2]、抗菌[3]等。 姜黃素已被證實在預(yù)防和治療癌癥方面有一定的作用,可以誘導(dǎo)胃癌細胞MGC803 凋亡并延長藥物對其作用時間,但對正常細胞無影響[4-6]。 袁鵬等[7]和姜程曦等[8]證實姜黃素有預(yù)防老年癡呆和緩解糖尿病的作用,但天然姜黃素水溶性較差,人體生物利用率低[9]。如何提升姜黃素在水相體系中的溶解度、生物利用率及穩(wěn)定性,使其能夠被廣泛地應(yīng)用于食品和醫(yī)藥領(lǐng)域,已成為當(dāng)前研究熱點之一。

為解決上述問題,專家學(xué)者采用了多種方法,如姜黃素的改性、制備姜黃素脂質(zhì)體和乳液等。 楊亮[10]通過β-環(huán)糊精對姜黃素進行包合并制備姜黃素鈉鹽來提高溶解性,結(jié)果表明,包合物的溶解度較姜黃素粉末提高了近10 倍,其穩(wěn)定性也有所改善。 乳液研究的主要目的是通過制備乳液改善低溶解度、低穩(wěn)定性的生物活性物質(zhì)的性質(zhì),但影響乳液性質(zhì)的因素有很多,如油相、水相的性質(zhì),比例、溫度、乳化劑的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及用量、均質(zhì)條件等[11-13],不同的方法或材料可制備出不同類型的乳液。 袁媛等[14]采用高壓均質(zhì)技術(shù)制備含不同乳化劑的水包油型β-胡蘿卜素乳液,發(fā)現(xiàn)各種乳化劑制備的乳液均顯著提高了β-胡蘿卜素的溶解性。 Shaikh 等[15]使用乳液-擴散-蒸發(fā)的方法來制備姜黃素納米顆粒,與姜黃素粉末相比,姜黃素以納米顆粒形式存在時,其生物利用度增加。 在對姜黃素的抗氧化能力研究方面,以Brij 97 制備的姜黃素微乳液表現(xiàn)出良好的DPPH 自由基清除能力[16]。 目前,較多研究針對的是姜黃素的功能性質(zhì)及其在醫(yī)藥方面的作用,而關(guān)于姜黃素乳液的穩(wěn)定性和應(yīng)用于食品方面的研究較少。 本研究采用高速剪切-高壓均質(zhì)技術(shù),以亞麻籽油為油相,用4 種食品級別乳化劑(吐溫-80、卵磷脂、阿拉伯膠、乳清分離蛋白)穩(wěn)定姜黃素乳液,研究不同乳化劑對姜黃素乳液性質(zhì)的影響,并探討不同貯藏條件對姜黃素穩(wěn)定性的影響,以期篩選出具備高穩(wěn)定性的乳液,為姜黃素乳液在食品領(lǐng)域大規(guī)模使用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜黃素(食品級95%),河北天旭生物技術(shù)公司;亞麻籽油,張北寶盛油脂有限公司;吐溫-80,西隴化工股份有限公司;卵磷脂(食品級),廣東省德城食品廠;阿拉伯膠,廣東緹凱獅質(zhì)構(gòu)食品有限公司;乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI),美國Davisco 公司;乙醇(95%),北京化學(xué)試劑公司。

1.2 主要儀器

AR1 140 分析天平,上海奧格斯國際貿(mào)易有限公司;JY92-11N 超聲細胞破碎儀,寧波新芝生物科技股份有限公司;T25 digital 高速剪切儀,德國IKA 儀器設(shè)備公司;NS1001L2K 高壓均質(zhì)機,意大利Niro-Soavi 公司;UV-1800 紫外可見分光光度計,日本島津公司;Zeatasizer Nano-ZS90 激光粒度儀,英國Malvern 公司;2 100N臺式濁度儀,美國HACH 公司;3K15 高速冷凍離心機,德國Sigma 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 姜黃素標準曲線的繪制 采用紫外可見分光光度法測定姜黃素溶解度[17]。 準確稱取6 mg 姜黃素標準品溶解于100 mL 95%乙醇中,并分別準確吸取250、500、1 000、2 000、3 000、4 000 μL 定容至15 mL,分別配置成1、2、4、8、12、16 μg·mL-1的標準溶液,于425 nm 波長下測定吸光值。 以姜黃素濃度為橫坐標,吸光值為縱坐標,得到姜黃素標準曲線Y=0.146X+0.059 9,R2=0.999 3。

1.3.2 姜黃素乳液的制備 油相:稱取1.5 g 粉狀姜黃素,390 W 功率下超聲30 min,促溶于250 mL 的亞麻籽油中,然后高速離心(3 000 r·min-1,2 min),取上清液避光室溫放置24 h 備用。 水相:分別取20 g 葉溫-80、50 g 卵磷脂、50 g 阿拉伯膠和50 g 乳清分離蛋白(whey protein isolate, WPI)溶于去離子水中并定容至1 000 mL,充分水化4 h 備用。

將含有姜黃素的油相和含有乳化劑的水相按1 ∶4(w/w) 的比例混合并在室溫條件下經(jīng)高速剪切(10 000 r·min-1,6 min)形成姜黃素粗乳液,然后利用高壓均質(zhì)機循環(huán)均質(zhì)4 次(60 MPa)得到姜黃素微乳液。

1.3.3 乳液姜黃素包埋率的測定 用95%乙醇將姜黃素乳液稀釋1 000 倍,于425 nm 波長下測定吸光值,通過標準曲線計算乳液中姜黃素含量。 每個樣品平行測定3 次。 按照公式計算姜黃素的包埋率(encapsulation efficiency,EE):

式中,C1為乳液中姜黃素濃度;C0為初始姜黃素濃度。

1.3.4 乳液濁度測定 姜黃素乳液用去離子水稀釋500 倍,使用濁度計測定稀釋后樣品的濁度。 每個樣品平行測定3 次。

1.3.5 平均粒徑與Zeta 電位測定 用激光粒度儀測定姜黃素乳液的平均粒徑和zeta 電位。 測定前用去離子水將樣品稀釋1 000 倍,折射率為1.45,平衡時間120 s。 每個樣品平行測定3 次,結(jié)果以平均粒徑(nm)/Zeta 電位(mV)± 標準偏差表示。

1.3.6 貯藏穩(wěn)定性 參照袁媛等[14]的方法。 將姜黃素乳液分別置于4、25、55℃條件下避光貯藏30 d,期間每隔一段時間(3、8、15、22、30 d)對樣品進行取樣并測定姜黃素含量和乳液粒度情況,分析乳液體系的特征變化。 按照公式計算姜黃素保留率(K):

式中,C1為貯藏期乳液中姜黃素濃度;C0為初始姜黃素濃度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)均使用SPSS 18.0 軟件處理,采用一維方差分析(one-way ANOVA)比較數(shù)據(jù)間的顯著性差異,顯著性水平為0.05。 采用Origin 8.0 軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同乳化劑對乳液中姜黃素包埋率的影響

由圖1 可知,不同乳化劑對乳液中姜黃素的包埋率有顯著影響,其中以卵磷脂穩(wěn)定的乳液中姜黃素包埋率最高,達到85.18%,吐溫-80 對姜黃素的包埋率也達到了76.98%,而以WPI 穩(wěn)定的姜黃素乳液包埋量率較低,僅為37.04%,這主要是因為乳化劑的分子結(jié)構(gòu)不同。 卵磷脂作為一種雙親分子,分散于水相時可形成具有雙層結(jié)構(gòu)的封閉囊泡,包封效果較好[18-19];吐溫系列作為一種小分子乳化劑,能夠迅速進入油水界面,實現(xiàn)較好的包封效果。 現(xiàn)階段商業(yè)脂質(zhì)乳劑的應(yīng)用中,卵磷脂和吐溫系列通常被作為乳化劑的最佳選擇,兩者顯示出較高的包埋率[20]。

2.2 不同乳化劑對姜黃素乳液體系濁度及粒徑的影響

圖1 不同乳化劑對乳液中姜黃素包埋率的影響Fig.1 Effect of different emulsifiers on the embedding rate of curcumin in emulsion

由圖2 可知,不同乳化劑制備的姜黃素乳液體系的濁度和粒徑差異明顯。 姜黃素乳液的濁度主要分布在848.0 ～2 559.3 NTR 之間,而粒徑主要分布在214.23～1 903.33 nm 之間,其中吐溫-80 穩(wěn)定的姜黃素乳液具有最小的粒徑(214.23±1.52 nm)和濁度(848.0 NTR),阿拉伯膠和WPI 穩(wěn)定的乳液粒徑、濁度都明顯偏大。 乳液體系中,較小的粒徑使得乳液粒子分散性較好,進而使乳液維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。 吐溫-80 制備的姜黃素乳液粒徑遠小于其他3 種乳化劑,且濁度表現(xiàn)為顯著性差異,因此,選用吐溫-80 作為乳化劑制備姜黃素乳液,乳液效果較好。

2.3 不同乳化劑對姜黃素乳液體系Zeta 電位的影響

由圖3 可知,以卵磷脂穩(wěn)定的姜黃素乳液的Zeta電位明顯高于其他3 種乳化劑,達到-60.63±0.65 mV,以吐溫-80、阿拉伯膠和WPI 制備的乳液Zeta 電位分別為-28.63±0.57 mV、-36.57± 1.06 mV 和-12.03±0.09 mV。 當(dāng)膠體粒子分散于溶劑中時,離子會吸附在膠體表面,帶電粒子反方向移動,產(chǎn)生電勢差,即為Zeta 電勢[21]。 姜黃素是一種酸性多酚物質(zhì),溶于水后顯示出負電性,使乳液液滴表面顯電負性[22]。 正因為乳液粒子這種吸附帶電粒子的性質(zhì),使得微粒相互之間產(chǎn)生靜電排斥,使得乳滴不易聚集,保證了乳液的穩(wěn)定性[23]。

2.4 貯藏過程中姜黃素乳液穩(wěn)定性分析

作為一種熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng),乳液中的沉降、絮凝、奧氏熟化等現(xiàn)象均會對乳液的理化性質(zhì)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[24]。

圖2 不同乳化劑對姜黃素乳液體系濁度和粒徑的影響Fig.2 Effect of different emulsifiers on turbidity and particle size of curcumin emulsion system

圖3 不同乳化劑對姜黃素乳液體系zeta 電位的影響Fig.3 Effect of different emulsifiers on zeta potential of curcumin emulsion system

2.4.1 乳化劑對姜黃素含量和乳液平均粒徑的影響 由圖4 可知,不同乳化劑對貯藏期內(nèi)乳液中姜黃素含量變化有顯著影響。 隨著貯藏時間的延長,所有乳化劑體系中姜黃素含量均有不同程度的降低,這是因為乳液在貯藏過程中,由于沉淀和分解作用,乳液中的活性成分被降解。 其中,在貯藏15 d 后,WPI 和卵磷脂穩(wěn)定的乳液中姜黃素損失達到50%以上,但以吐溫-80 穩(wěn)定的乳液對姜黃素的保留率較高,其損失率僅為13.97%。 由此可知,當(dāng)使用吐溫-80 這種小分子乳化劑穩(wěn)定姜黃素乳液在時,乳液中活性物質(zhì)損失可降至最小。

圖4 貯藏過程中不同乳化劑對乳液姜黃素含量的影響Fig.4 Effect of different emulsifiers on curcumin content in emulsion during storage

由圖5 可知,貯藏期間姜黃素乳液平均粒徑呈增大趨勢。 乳液本質(zhì)上是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,在貯藏階段,乳液體系中液滴不斷運動發(fā)生碰撞,使得油水界面不穩(wěn)定性增大,液滴分散性變差,形成更大乳液液滴致使平均粒徑增大,但是由于沉降和分解作用,乳液粒徑有時會相應(yīng)減小。 以吐溫-80 為乳化劑的姜黃素乳液粒徑大致穩(wěn)定在200 nm 左右,30 d 的貯藏期內(nèi),粒徑增長不到1%,而其他3 種乳化劑穩(wěn)定的乳液在貯藏期內(nèi)粒徑變化顯著。 因此,可以選用吐溫-80 作為乳液的乳化劑,以達到較好的穩(wěn)定性。

圖5 貯藏過程中不同乳化劑對乳液粒徑的影響Fig.5 Effect of different emulsifiers on the particle size of emulsion during storage

2.4.2 貯藏溫度對乳液中姜黃素含量及乳液粒徑的影響 低溫貯藏(4℃)時,姜黃素乳液的穩(wěn)定性表現(xiàn)良好,而高溫貯藏(55℃)則不利于保持姜黃素乳液的穩(wěn)定性。 由圖6 可知,高溫貯藏至第8 天時,乳液中姜黃素含量由初始時的0.688 1 mg·mL-1降低到0.458 0 mg·mL-1,保留率僅為66.56%,遠低于同期的低溫貯藏保留率(88.02%)。 貯藏溫度對姜黃素乳液平均粒徑的影響較小,不同貯藏溫度下的粒徑變化趨勢類似,但低溫貯藏時平均粒徑的變化更小(圖7),主要原因是高溫貯藏導(dǎo)致乳液體系因溫度的升高而具有較高的能量,體系內(nèi)分子熱運動加劇,液滴碰撞幾率增加,乳液沉降和絮凝現(xiàn)象更容易發(fā)生,由于聚集和沉淀,乳液的平均粒徑會相應(yīng)減小[25-26]。 低溫貯藏時,乳液體系更加平穩(wěn),簡單的分子運動并不能很大程度地破壞分散性,故低溫保藏具有較好的穩(wěn)定性。

圖6 不同貯藏溫度對乳液中姜黃素含量的影響Fig.6 Effect of different storage temperature on curcumin content in emulsion

3 討論

3.1 乳化劑種類對姜黃素乳液理化特性的影響

圖7 不同貯藏溫度對乳液粒徑的影響Fig.7 Effect of different storage temperatures on particle size of nanoemulsion

本研究測定的姜黃素乳液包埋率以卵磷脂和吐溫-80 為乳化劑時較高,分別為85.18%和76.98%,但在濁度和粒徑上,吐溫-80 穩(wěn)定的乳液明顯小于卵磷脂穩(wěn)定的乳液,而另外2 種乳化劑穩(wěn)定的乳液則遠高于以上2 種,且差異顯著。 不同乳化劑穩(wěn)定的姜黃素乳液粒徑大小差異同樣歸因于乳化劑結(jié)構(gòu)的不同,吐溫-80 分子結(jié)構(gòu)緊密,能在水油界面形成致密的乳化層,降低表面張力進而形成較小的乳液顆粒,而阿拉伯膠和WPI 這2 種大分子乳化劑,難以形成致密的乳化層,使得乳液粒徑較大[27-28]。 濁度與粒徑大小密切相關(guān),阿拉伯膠和WPI 制備的乳液液滴易聚集,粒徑大,導(dǎo)致濁度較大。 同時,乳液的濁度是粒徑和濃度的函數(shù),濃度也可表現(xiàn)出對濁度的影響[29],由于卵磷脂穩(wěn)定的姜黃素乳液中姜黃素含量在4 種乳液中最高,故導(dǎo)致其濁度較大。 不同乳化劑對所制備的乳液理化性質(zhì)的影響差異顯著,這與袁媛等[14]研究的結(jié)果相同。同時Nesterenko 等[30]研究表明,混合乳化劑體系和不同濃度乳化劑對乳液的理化性質(zhì)以及穩(wěn)定性均有著顯著差異。 本研究中,含有吐溫-80 的乳液表現(xiàn)出最好的理化性質(zhì),其擁有較高的包埋率、最小的濁度和粒徑,這主要是乳化劑結(jié)構(gòu)不同所導(dǎo)致的。 吐溫-80 作為一種小分子乳化劑,分子結(jié)構(gòu)緊密,在乳液形成時,它可以在油水界面形成較致密的乳化層,降低表面張力以形成更小的粒徑,同時更小的粒徑導(dǎo)致更小的濁度及更高的穩(wěn)定性。 姜鵬飛等[31]研究發(fā)現(xiàn)吐溫-80具有較強的乳化能力;Wu 等[32]也發(fā)現(xiàn)吐溫-80 乳化能力強,其穩(wěn)定的姜黃素乳液粒徑較卵磷脂和阿拉伯膠小,再次印證了本研究結(jié)果。

3.2 姜黃素乳液的貯藏穩(wěn)定性

姜黃素乳液在貯藏期穩(wěn)定性受到多種因素影響,本研究中主要影響因素為乳化劑種類和溫度。 試驗結(jié)果顯示,貯藏期內(nèi)乳液中姜黃素的損失由大到小為WPI＞卵磷脂＞阿拉伯膠＞吐溫-80;粒徑變化上,吐溫-80 穩(wěn)定的姜黃素乳液增長最小,僅增長了1%,而其他3 種乳液均有不同幅度的增長。 Wu 等[32]使用LUMiSizer 通過監(jiān)測光透射強度來評估乳液的物理穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)吐溫-80 穩(wěn)定的姜黃素納米乳液具有最佳的物理穩(wěn)定性,與本研究結(jié)果相同。 不同溫度條件對乳液穩(wěn)定性的影響不同,低溫下乳液更趨于穩(wěn)定。 本研究發(fā)現(xiàn)低溫貯藏時乳液對姜黃素的保留率明顯高于高溫貯藏,同時粒徑的增長也低于高溫貯藏,這主要是因為乳液是一種熱不穩(wěn)定體系,在貯藏階段乳液中粒子不斷發(fā)生碰撞,使得液滴凝集和沉降,同時奧氏熟化作用也使得小液滴逐漸消失,大液滴逐漸產(chǎn)生,最終導(dǎo)致乳液中姜黃素因沉降和分解作用而減少,而粒徑則趨于增加。 研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)制備的乳液粒徑較小時,乳液在沉降和絮凝方面能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性[33]。 吐溫-80 是一種小分子乳化劑,在形成乳液時能迅速分散在油水界面,形成較小的乳滴,因此在貯藏的過程中保證了乳液液滴的穩(wěn)定[34],降低了姜黃素的泄漏損失。 而低溫條件下,乳液體系能量較低,分子熱運動較慢,液滴碰撞幾率降低,表現(xiàn)出良好的理化穩(wěn)定性。 因此,低溫條件下貯藏的吐溫-80 乳液具有最好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,以吐溫-80 為乳化劑制備出的乳液具有較高的姜黃素包埋量和最小的平均粒徑,且在貯藏過程中,姜黃素含量和平均粒徑變化幅度均最小,表現(xiàn)出良好的理化穩(wěn)定性;低溫條件可延長姜黃素乳液的貯藏時間。 因此,采用小分子乳化劑,如吐溫系列,制備姜黃素乳液,并將其放置于較低溫度條件下保存,有利于提高姜黃素乳液的穩(wěn)定性。 今后的研究可通過改變?nèi)榛瘎舛?乳液制備方式等,進一步提高姜黃素乳液的穩(wěn)定性。