全稀釋食品級(jí)單辛酸甘油酯微乳的穩(wěn)定性研究

梅 子 傅玉穎 盧錦麗

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，杭州 310035)

單辛酸甘油酯是食品三大營養(yǎng)物之一的脂肪的中間代謝產(chǎn)物［1］，是一種高安全性的新型高效廣譜防腐劑，對革蘭氏菌、霉菌、酵母均有抑制作用［2］，同時(shí)，其優(yōu)良的乳化性能對穩(wěn)定食品形態(tài)、改善組織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化制品品質(zhì)有顯著幫助，可廣泛應(yīng)用于生濕面制品(如面條、餃子皮、餛飩皮、燒麥皮)、糕點(diǎn)、焙烤食品餡料、表面用掛漿及肉灌腸類。但單辛酸甘油酯不溶于水，這對水分含量相對較高的食品，限制了其抑菌作用的發(fā)揮。絕大多數(shù)微生物的生存繁殖依賴于水，防腐劑須溶解或均勻分散在水相中才能有效地作用菌體，或干擾其代謝酶系統(tǒng)，達(dá)到抑菌或殺菌目的。

微乳能通過表面活性分子將兩種互不相容相制備成熱力學(xué)穩(wěn)定，各向同性的均一透明的納米級(jí)分散體系［3］。作為一種優(yōu)良的載體，它能有效提高非水溶性物質(zhì)在水中的溶解度，保護(hù)增溶于其中的活性物質(zhì)(β－胡蘿卜素，抗壞血酸VE等)抵抗外界環(huán)境破壞及一系列降解反應(yīng)(氧化、消化、酶解等)［4－6］，常在食品、化妝品及醫(yī)藥中增溶運(yùn)載非水溶性活性物質(zhì)［7－9］。將單辛酸甘油酯作為油相制備出食品級(jí)O/W型微乳可有效改善單辛酸甘油酯在水中的溶解狀況，同時(shí)其自身的親酯性能作用微生物細(xì)胞膜的脂雙層，提高抑菌效率。但相對于其他行業(yè)，食品微乳化技術(shù)挑戰(zhàn)性較高，出于安全角度考慮，能應(yīng)用于食品的表面活性劑種類、用量極為有限。且食品加工過程中，水相稀釋及各種成分添加往往會(huì)破壞微乳結(jié)構(gòu)，引起微乳相變。在食品行業(yè)中，擁有水稀釋能力的溶膠才具有實(shí)踐價(jià)值［10］，而目前缺乏具有稀釋穩(wěn)定性的微乳濃縮液［11］。

本試驗(yàn)選擇食品級(jí)原料，構(gòu)建可無限稀釋的食品級(jí)單辛酸甘油酯微乳體系，探索稀釋過程及外界因素對其穩(wěn)定性變化影響，制備出能穩(wěn)定應(yīng)用于食品的具有抑菌特性的微乳。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

單辛酸甘油酯(GMC):食品級(jí)，河南正通化工有限公司;吐溫80:食品級(jí)，廣州匯科精細(xì)化工有限公司;無水乙醇、丙二醇、磷酸氫二鈉、氯化鈉:天津市永大化學(xué)試劑有限公司;檸檬酸:天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;上述試劑無特殊說明外皆為分析純。

Zatasizer Nano ZS粒度分析儀:英國馬爾文公司;UV－3200PC紫外分光光度計(jì):上海美譜達(dá);KQ100－DE超聲波清洗器:昆山市超聲儀器有限公司;AR2140分析天平:美國奧豪斯儀器有限公司;DDSJ－308A電導(dǎo)率儀:上海精科;TGL－16M離心機(jī):湖南湘儀;PHS－3C pH計(jì):上海理達(dá)儀器廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微乳制備

經(jīng)過篩選試驗(yàn)，確定油相:單辛酸甘油酯(GMC)與丙二醇(PG)質(zhì)量比2∶1，表面活性劑相:吐溫80與乙醇質(zhì)量比2∶1，擬三元相圖見圖1。固定油相與表面活性劑相質(zhì)量比7∶3混合均勻，稱取一定質(zhì)量的微乳原液于具塞比色管中，分別用5倍，10倍，100倍質(zhì)量的水相稀釋，制備出T73－5，T73－10，T73－100微乳，同樣方法制備微乳T82－5，T82－10，T82－100。每支比色管上下顛倒10次，超聲30 min，25℃平衡24 h。

1.2.2 電導(dǎo)率測定

將油相、表面活性劑相按一定質(zhì)量比配置微乳原液于試管中，恒溫在(25±1)℃逐漸滴加水相，攪拌均勻，測定電導(dǎo)率隨含水量的變化。

1.2.3 增溶特性［12］

Wm，某一稀釋線上水相的最大量。

1.2.4 穩(wěn)定性試驗(yàn)

粒度分析:采用Zatasizer Nano ZS粒度分析儀測定，測定前各試管微乳上下顛倒10次以混勻，記錄微乳的平均粒徑及粒徑分布圖。平行3次，測定溫度與微乳貯放溫度對應(yīng)，粒徑分布圖為平衡7 d時(shí)的微乳粒徑分布。

吸光值測定:用于表征微乳的渾濁狀態(tài)［13］，體系越渾濁，吸光值越大。吸收波長選擇600 nm。

離心試驗(yàn):4 000 r/min，離心20 min，觀察微乳沉淀、分層及油水相分離情況。

貯藏穩(wěn)定試驗(yàn):25℃下存放1個(gè)月，觀察有無渾濁、分層及沉淀。

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋對微乳的影響

水分稀釋會(huì)引起微乳相行為的變化。圖1中白色部分為單相區(qū)(混合液透明或半透明)，黑色部分為多相區(qū)(混合液渾濁或分層)，各稀釋線上，最大水相增溶量Wm變化見表1。

表1 微乳稀釋線水相增溶量變化

隨著表面活性劑相比例的增加，稀釋線最大水增溶量也逐漸增大，當(dāng)表面活性劑相與油相比為7∶3，8∶2 和 9∶1 時(shí)，Wm 達(dá)到 100%，即此微乳有 3 條無限稀釋線，T73、T82和T91，它們分別表示表面活性劑相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，80%與90%，油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%，20%與 10%［14］。

2.1.1 稀釋過程微乳變化

考慮到油的增溶及微乳稀釋穩(wěn)定性，選擇T73，T82稀釋線作為研究對象。

圖2 電導(dǎo)率隨含水量的變化

T73與T82電導(dǎo)率變化趨勢相同(圖2)，根據(jù)電導(dǎo)滲濾閾值理論，T73與T82的滲濾閾值均為13%。含水量小于13%時(shí)，形成的W/O型微乳外相不易導(dǎo)電，體系主要靠分散水滴碰撞電導(dǎo)，電導(dǎo)率增加緩慢。以T73為例，13% ＜含水量＜52%時(shí)，電導(dǎo)率呈直線上升，增加的水滴逐漸形成電導(dǎo)鏈，當(dāng)含水量處于52%～68%時(shí)，初期由W/O型微乳液滴黏性碰撞產(chǎn)生的水相通道擴(kuò)大并連接，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，體系處于油水局部連續(xù)的過度態(tài)中間結(jié)構(gòu)，即雙連續(xù)相(B.C)，電導(dǎo)率增加減緩，含水量68%時(shí)電導(dǎo)達(dá)到最大，完成雙連續(xù)相向O/W型微乳的轉(zhuǎn)變，之后水分的稀釋使得電導(dǎo)率下降。T82微乳在含水量為47%時(shí)就開始由W/O型轉(zhuǎn)變?yōu)殡p連續(xù)型，含水量＞66%時(shí)，完成雙連續(xù)型微乳向O/W型微乳的轉(zhuǎn)變。T82微乳雙連續(xù)型結(jié)構(gòu)(B.C)形成范圍(47% ＜含水量＜66%)略大于T73微乳(52% ＜含水量＜68%)，這可能是表面活性劑比例的提高利于B.C型微乳的形成。

2.1.2 稀釋對粒徑的影響

通過比較不同含水量的微乳粒徑變化，分析稀釋對微乳穩(wěn)定性的影響。

圖3 稀釋對微乳粒徑變化影響

圖3 為微乳在不同稀釋梯度下，粒徑隨時(shí)間變化的曲線。左圖測定的是用5、10、100倍質(zhì)量水稀釋的T73微乳25℃下分別貯藏1、7、30 d時(shí)的粒徑。T73－5粒徑幾乎無變化，T73－10，T73－100隨著時(shí)間的推移，粒徑均增大，其中T73－10粒徑在7～30 d之間變化明顯。水分稀釋減少了表面活性劑相對含量，使得單體液滴上吸附的表面活性劑量不足，不能維持滿足超小尺寸納米顆粒的超低界面張力，單體液滴易于凝結(jié)。同時(shí)，稀釋可能會(huì)引起乙醇等助表面活性劑從微乳單體液滴界面分離出來，溶解到連續(xù)相中，動(dòng)搖微乳微粒界面，最終破壞微乳微結(jié)構(gòu)［15］。但稀釋也可能會(huì)拉開微乳微粒之間的距離，減少碰撞聚合幾率，造成T73－100貯藏30 d后的平均粒徑小于T73－10。T82所有稀釋度的微乳在貯藏期內(nèi)平均粒徑均保持＜15 nm，具有優(yōu)良的稀釋穩(wěn)定性。制備食品級(jí)微乳時(shí)，當(dāng)油與表面活性劑結(jié)構(gòu)兼容，再適當(dāng)?shù)靥砑佣嘣?丙醇、甘油)與乙醇，即可得到水或油全稀釋的微乳［16］。單辛酸甘油酯與吐溫80都是雙親分子，親油基均為脂肪酸基，單辛酸甘油酯親水基呈線狀，吐溫80親水基呈環(huán)狀，他們具有良好的兼容性，當(dāng)以合適比例混合時(shí)，微乳可無限稀釋。

2.2 鹽離子濃度對微乳的影響

選擇T73－100與T82－100為研究對象，探討鹽離子濃度對微乳穩(wěn)定性的影響。

以 0.1、0.2、0.3、0.6 mol/L 的 NaCl鹽溶液代替雙蒸水為水相，配置出不同鹽離子濃度的T73－100，T82－100微乳，放置于25℃下貯藏，觀察微乳表觀狀態(tài)，測定25℃下的粒徑及600 nm下的吸光值。

一般而言，非離子表面活性劑配置的微乳，電解質(zhì)能吸附與膠粒表面形成溶劑化層，使分散相與分散介質(zhì)性質(zhì)相同，減小兩粒子間的吸引力，穩(wěn)定微乳，同時(shí)電解質(zhì)的加入會(huì)爭奪體系中的水，引起表面活性劑“鹽析”，降低增溶能力，不利于微乳穩(wěn)定。圖4a描述的是不同鹽離子濃度的T73－100微乳在25℃下貯藏7 d的粒徑分布。0.1 mol/L NaCl配置的微乳有兩個(gè)主要分布峰，7～60 nm與80～800 nm，與不加鹽離子的對照微乳及0.2 mol/L下的微乳粒徑分布比較，20 nm左右的微粒分布較多;0.3 mol/L NaCl配置的微乳，粒徑在8～200nm之間都有分布，只有1個(gè)分布峰，但主要集中分布在20 nm左右，當(dāng)鹽離子濃度達(dá)到0.6 mol/L時(shí)，粒徑分布增寬到8～400 nm，且在100 nm左右的微粒增多。貯藏30 d時(shí)，各鹽離子濃度的T73－100微乳平均粒徑均有不同程度增加，其中0.1 mol/L下的平均粒徑最小，0.6 mol/L的最大，見圖5a。這些現(xiàn)象的發(fā)生可能是因?yàn)槲⒘康柠}離子能在微乳粒表面形成溶劑化層，加大微乳之間排斥力，有利于微乳穩(wěn)定，但當(dāng)鹽離子過多時(shí)，會(huì)爭奪水分子，減少溶解表面活性劑的分散劑，促進(jìn)微乳粒之間聚沉，隨著時(shí)間的推移，逐漸產(chǎn)生大顆粒。

圖4 各鹽離子濃度下微乳粒徑分布圖

鹽離子對T82－100微乳影響較小。在0～0.6 mol/L NaCl范圍內(nèi)，T82－100微乳平均粒徑均小于20 nm(圖5b)，粒徑分布于7～30 nm之間(圖4b)，貯藏期30 d內(nèi)，平均粒徑無明顯變化(圖5b)，離心試驗(yàn)無沉淀及分層現(xiàn)象，相對于 T73－100來說，T82－100微乳具有良好的耐鹽性及貯藏穩(wěn)定性。

圖5 不同貯藏時(shí)間下鹽離子對微乳粒徑及吸光值的影響

2.3 pH對微乳的影響

0.1 mol/L檸檬酸與0.2 mol/L磷酸氫二鈉配置成緩沖液代替雙蒸水為水相，制備出pH分別為3、5、7、8的T73－100，T82－100微乳，探討 pH 對微乳穩(wěn)定性的影響。

不同pH下，T73－100微乳的粒徑在100～1 000 nm之間都有較多分布，且隨著pH的增大，此粒徑范圍內(nèi)的微粒逐漸增多。一方面可能是檸檬酸與磷酸氫二鈉的添加，增加了體系中的電解質(zhì)，改變了微乳微觀結(jié)構(gòu);另一方面，配置此微乳的表面活性劑(吐溫80)與油(單辛酸甘油酯)都屬于酯類，酯類在酸堿條件下會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，特別在堿性溶液中，發(fā)生的皂化反應(yīng)會(huì)不可逆得生成相應(yīng)的醇與羧酸鹽。醇分散到水相中，單個(gè)表面活性劑的親水基團(tuán)變?yōu)镃OO—，親水基團(tuán)尺寸減小，親水性相對減弱，當(dāng)水解達(dá)到一定量時(shí)，會(huì)使得表面活性劑之間距離增加，減小微乳微粒之間的排斥力，發(fā)生聚合。因此對比雙蒸水配置的T73－100對照微乳，各pH值下的平均粒徑均有不同程度增大，pH 8時(shí)增加幅度最大。pH 3對微乳平均粒徑影響最小，這可能是因?yàn)镠3O+的提供，加強(qiáng)了非離子表面活性劑聚氧乙烯脫水山梨醇單油酸酯(吐溫80)氧乙烯基團(tuán)上的氧與醇分子中—OH基團(tuán)結(jié)合，形成穩(wěn)定的氫鍵，加強(qiáng)微乳液的液膜強(qiáng)度，有利于穩(wěn)定［17］。

在不同pH下，T82－100微乳均集中分布在5～50 nm之間(圖6b)，且在30 d貯藏期內(nèi)，平均粒徑及渾濁度變化不明顯(圖7b)。T82－100在pH 3～8范圍內(nèi)，具有較高的穩(wěn)定性。

2.4 溫度對微乳的影響

選擇0、25、40℃，3個(gè)溫度梯度為變化因素，將配制好的T73－100，T82－100微乳貯藏在對應(yīng)溫度下，觀察表觀性狀變化，并定期測定相應(yīng)溫度下的粒徑及吸光值。

在圖8中，各溫度下T73－100微乳粒徑分布中發(fā)現(xiàn)，0℃時(shí)，微乳粒徑大部分分布在 ＞100 nm，尤其＞1 000 nm的微粒數(shù)量比對照組(25℃)增多明顯，微乳貯藏30 d后有白色沉淀產(chǎn)生。這可能是因?yàn)榈蜏厥共祭蔬\(yùn)動(dòng)減弱，不利于分散，導(dǎo)致微粒聚沉;而40℃時(shí)，微乳顆粒平均粒徑增大，保持在100 nm左右，外觀呈均一半透明，有淡藍(lán)色乳光。這也許是在低于吐溫80相轉(zhuǎn)變溫度65℃時(shí)，溫度的提高會(huì)減小界面張力，增加微粒之間的有效碰撞概率，導(dǎo)致粒徑變大。但此微乳在40℃下貯藏30 d后，粒徑依舊分布在100 nm左右，引起此現(xiàn)象的原因，及是否可逆，有待進(jìn)一步研究。

溫度對T82－100微乳粒徑分布影響不大，均主要分布在5～30 nm之間，0℃低溫導(dǎo)致粒徑＞100 nm的微粒稍微增多，貯藏30 d后的平均粒徑增大到34 nm(圖9)，表觀性狀及吸光值改變不明顯。但40℃下，T82－100微乳幾乎無變化，具有較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

以單辛酸甘油酯，丙二醇質(zhì)量比2∶1為油相;吐溫80，乙醇質(zhì)量比2∶1為表面活性劑相;雙蒸水為水相制備出具有3條高稀釋通道的食品級(jí)微乳。選擇T73與T82稀釋線為對象，通過電導(dǎo)率測定，確定了T73及T82微乳的相行為變化，發(fā)現(xiàn)表面活性劑比例的提高能擴(kuò)大B.C型微乳形成范圍。用5、10、100倍質(zhì)量雙蒸水稀釋T73及T82微乳的研究中發(fā)現(xiàn)，稀釋是導(dǎo)致微乳不穩(wěn)定性的重要因素之一，隨著水分添加，T73微乳平均粒徑增大，且貯藏不穩(wěn)定。但對T82 微乳影響不明顯。以 0.1、0.2、0.3、0.6 mol/L NaCl溶液，pH 為3、5、7、8的檸檬酸 －磷酸氫二鈉緩沖溶液為水相，探討鹽離子濃度、pH對T73－100及T82－100微乳穩(wěn)定性影響。鹽離子對非離子表面活性劑制備的微乳影響較小，少量的鹽離子有利于微乳的穩(wěn)定，較高濃度時(shí)會(huì)導(dǎo)致大粒徑微粒增多;pH會(huì)引起微乳粒徑向右分布，尤其是堿性條件，當(dāng)pH為8時(shí)，T73－100微乳粒徑在＞100 nm有較多分布，表觀性狀也明顯發(fā)生變化。但對于T82－100微乳，NaCl濃度在0.1 ～0.6 mol/L，pH 在3 ～8 之間粒徑分布無明顯變化，平均粒徑均小于29 nm，吸光值＜0.015，具有較好的貯藏穩(wěn)定性。0、40℃均會(huì)影響T73－100微乳的穩(wěn)定性，40℃下貯藏7 d，T73－100微乳呈良好的均一半透明狀且具有乳光現(xiàn)象，粒徑均勻分布在100 nm左右，30 d后，此現(xiàn)象依舊，粒徑分布變化不大。T82－100微乳在0～40℃范圍內(nèi)穩(wěn)定性較好。本試驗(yàn)采用食品級(jí)原料制備的單辛酸甘油酯抑菌性T82微乳不僅稀釋穩(wěn)定性強(qiáng)，且具有較好的耐鹽離子、pH及溫度特性，整個(gè)試驗(yàn)中均保持均一透明的穩(wěn)定狀態(tài)。選擇合適的表面活性劑、助表面活性劑及恰當(dāng)比例，能制備出全稀釋的穩(wěn)定微乳，這對擴(kuò)大微乳在食品中的應(yīng)用提供可能。

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