王小媛, 王爽爽, 查蒙蒙，縱 偉

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州 450002; 2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

杜仲(EucommiaulmoidesOliver)是我國名貴滋補(bǔ)藥材[1]。杜仲籽油富含α-亞麻酸、亞油酸等多不飽和脂肪酸，具有明顯的降壓作用和預(yù)防腦血栓、心肌梗塞及抗腫瘤作用[2]。杜仲籽油在長期高溫貯藏下易發(fā)生酸敗，如何提高杜仲籽油的穩(wěn)定性和利用率是亟待解決的難題。納米乳液是由水相、油相、表面活性劑及助表面活性劑按照合適的比例所形成的熱力學(xué)穩(wěn)定的膠體分散體系，由于其特有的物化特性，很好地解決了油溶性功能成分水溶性差、易氧化、難吸收等問題，在食品藥品領(lǐng)域已引起廣泛關(guān)注[3]。考慮將杜仲籽油制備成納米乳液，不僅可以防止其中不飽和脂肪酸過早氧化生成對(duì)人體有害的物質(zhì)，也可提高杜仲籽油的生物利用度和環(huán)境耐受性，進(jìn)而使得杜仲籽油充分發(fā)揮其營養(yǎng)價(jià)值[4]。

超聲乳化法是當(dāng)前在食品領(lǐng)域中制備納米乳液的一種高能乳化法，具有清潔高效、穩(wěn)定乳液、操作靈活、高效節(jié)能等優(yōu)勢，在納米乳液的制備方面呈現(xiàn)出很大的潛力[5]。目前，已有文獻(xiàn)通過超聲乳化法制備姜油[6]、葵花籽油[7]、油茶籽油[8]納米乳液，但鮮有通過超聲乳化制備杜仲籽油納米乳液的相關(guān)報(bào)道。本文探討了超聲聲學(xué)參數(shù)及納米乳組分含量對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位的影響，通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面法優(yōu)化了超聲乳化的工藝條件，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，為杜仲籽油相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供新的思路，并為其食品工業(yè)應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支持和工業(yè)應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

杜仲籽油，陜西森弗天然制品有限公司；吐溫80、無水乙醇、蘇丹紅、亞甲基藍(lán)，均為分析純。

XHF-D高速分散機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；旋渦混合器，常州邁科諾儀器有限公司；T6新世紀(jì)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；JJ-1 型精密增力電動(dòng)攪拌器，常州國華電器有限公司；Scientz-IID 型超聲波細(xì)胞破碎儀，寧波新芝生物科技股份有限公司；TG-16-WS 高速冷凍離心機(jī)，湘儀離心機(jī)儀器有限公司；Zetasizer NANO-ZS90納米粒度表面電位分析儀，英國Malvern公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粗乳液的制備

在室溫條件下，以杜仲籽油為油相、吐溫80為乳化劑、無水乙醇為助乳化劑，將吐溫80與無水乙醇按2∶1加入杜仲籽油，用磁力攪拌器以700 r/min混合10 min，再向其中滴加一定量的去離子水，10 000 r/min的高速分散機(jī)均質(zhì)2 min，即形成粗乳液。

1.2.2 杜仲籽油納米乳液的制備

取一定量粗乳液于燒杯中，將超聲波細(xì)胞破碎儀變超聲幅桿置于其中，液面浸沒變超聲幅桿末端約3 cm，同時(shí)燒杯外部采取冰水浴的方式進(jìn)行降溫，從而防止因溫度升高對(duì)乳液的穩(wěn)定性造成影響。在一定的超聲時(shí)間、超聲功率下進(jìn)行超聲乳化處理，即形成杜仲籽油納米乳液。

1.2.3 超聲乳化工藝優(yōu)化

根據(jù)Stockes規(guī)律，顆粒越細(xì)小，沉淀速度越慢；當(dāng)界面膜強(qiáng)度相差不大時(shí)，Zeta電位絕對(duì)值越大，表明被乳化的體系越穩(wěn)定[9-10]。本實(shí)驗(yàn)以平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用單因素實(shí)驗(yàn)分別考察超聲時(shí)間、超聲功率、杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)、乳化劑質(zhì)量濃度對(duì)杜仲籽油乳化效果的影響。設(shè)定單因素實(shí)驗(yàn)基本條件為超聲時(shí)間5 min、超聲功率400 W、杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)8%、乳化劑質(zhì)量濃度0.12 g/mL。在此基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)確定最佳的超聲乳化工藝條件。

1.2.4 杜仲籽油納米乳液的粒徑和Zeta電位測定

使用Zetasizer NANO-ZS90納米粒度表面電位分析儀測定所制備的杜仲籽油納米乳液的平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值。將儀器的溫度和平衡時(shí)間設(shè)置為25℃ 和120 s，做3次平行實(shí)驗(yàn)，每次的運(yùn)行周期為20 s。為避免高質(zhì)量分?jǐn)?shù)引起的多重散射效應(yīng)，測定前須先用去離子水將制備好的納米乳液稀釋100倍。

1.2.5 杜仲籽油納米乳液穩(wěn)定性研究

參考文獻(xiàn)[11]，將杜仲籽油納米乳液樣品分別置于4、25、60℃下，并于5、10、15、20、25 d分別拿出分裝小樣進(jìn)行平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值的測定。

1.2.6 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果以3次平行實(shí)驗(yàn)的“均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示，采用Origin 8.5軟件繪圖，樣品之間的差異性通過Duncan法比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲功率對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響(見圖1)

圖1 超聲功率對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響

由圖1可知：當(dāng)超聲功率由100 W增大到400 W時(shí)，杜仲籽油納米乳液平均粒徑顯著降低、Zeta電位絕對(duì)值顯著升高(P<0.05)，400 W時(shí)平均粒徑達(dá)到最小值，為120.97 nm，Zeta電位絕對(duì)值最高，為28.33 mV，說明超聲過程中原料液中的大顆粒物質(zhì)被高度破碎；超聲功率由400 W增大到600 W時(shí)，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑緩慢增加、Zeta電位絕對(duì)值顯著降低(P<0.05)，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度的超聲效應(yīng)引起小顆粒再聚，導(dǎo)致微粒之間彼此吸引，產(chǎn)生過處理效應(yīng)[12]。為此，選擇超聲功率范圍為300～500 W。

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響(見圖2)

圖2 超聲時(shí)間對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響

由圖2可知，隨超聲時(shí)間延長，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑呈減小的趨勢、Zeta電位絕對(duì)值逐漸升高，這是因?yàn)槌曁幚砟軌驅(qū)⑷橐褐械牟蝗苄晕镔|(zhì)破碎成細(xì)小的微粒，從而有效降低乳液粒徑及分散性，與Sharma等[13]結(jié)果一致。當(dāng)超聲時(shí)間長于5 min時(shí)，平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值的變化均不具有顯著性(P>0.05)，表明在5 min 內(nèi)對(duì)納米乳液進(jìn)行超聲處理能使其達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，綜合考慮，確定超聲時(shí)間為5 min。

2.1.3 杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響(見圖3)

圖3 杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響

由圖3可知：杜仲籽油納米乳液的平均粒徑隨杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)的增加先降低后增大，在8%時(shí)達(dá)到最小值120.6 nm，大于10%時(shí)，平均粒徑緩慢增加但變化不顯著(P>0.05)；Zeta電位絕對(duì)值隨杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)的增加先增加后降低，在杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)大于8%時(shí)，無顯著性變化。綜合考慮，確定杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)為6%～10%。

2.1.4 乳化劑質(zhì)量濃度對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響(見圖4)

圖4 乳化劑質(zhì)量濃度對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值的影響

由圖4可知：隨著乳化劑質(zhì)量濃度的增加，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑先減小后增大，Zeta電位絕對(duì)值先逐漸升高后略有降低。乳化劑的增加可以降低表面張力、減小乳化時(shí)能量的消耗，使得乳化效率增大、平均粒徑減小，與Sugumar等[14]的結(jié)果一致；但乳化劑量過大，乳化劑之間相互作用，使得乳液微粒發(fā)生聚合現(xiàn)象，粒徑增大，穩(wěn)定性降低。因此，選擇乳化劑質(zhì)量濃度為0.09～0.15 g/mL。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 回歸方程的建立及模型方差分析

根據(jù)響應(yīng)面 Box-Behnken Design設(shè)計(jì)原理，固定超聲時(shí)間5 min，選取超聲功率(A)、杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)(B)、乳化劑質(zhì)量濃度(C)為因素，以平均粒徑(Y1)和Zeta電位絕對(duì)值(Y2)為響應(yīng)變量，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。響應(yīng)面因素與水平見表1，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表2，方差分析見表3、表4。

表1 響應(yīng)面因素與水平

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

實(shí)驗(yàn)號(hào)ABCY1/nmY2/mV50-1-1136.2227.16110161.0923.67-1-10189.8522.78000114.8729.2910-1130.6327.510-10-1175.5523.111000117.3629.112000128.4728.7130-11148.5225.814101140.3526.315-101183.9822.91601-1152.8624.517000130.7528.6

表3 平均粒徑方差分析

注：* *P<0.01，差異極顯著；*P<0.05，差異顯著。下同。

表4 Zeta電位絕對(duì)值方差分析

由表3和表4可知，杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值兩個(gè)模型差異都極顯著(P<0.01)，而失擬項(xiàng)差異均不顯著，說明殘差均由隨機(jī)誤差引起。兩個(gè)模型的擬合度R2分別為0.981 9和0.986 8，說明響應(yīng)值平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值的變化分別有98.19%和98.68%來源于所選變量，模型擬合度較好，使用該模型對(duì)杜仲籽油納米乳液的平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值進(jìn)行預(yù)測是可靠的。

在平均粒徑模型中，一次項(xiàng)A、B，二次項(xiàng)A2、B2對(duì)平均粒徑影響達(dá)到極顯著水平，一次項(xiàng)C對(duì)平均粒徑影響顯著，其他項(xiàng)差異不顯著；在Zeta電位絕對(duì)值模型中，一次項(xiàng)A、C，二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)Zeta電位絕對(duì)值影響達(dá)到極顯著水平，一次項(xiàng)B對(duì)Zeta電位絕對(duì)值影響顯著，其他項(xiàng)差異不顯著。這表明各因素對(duì)杜仲籽油納米乳液平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值影響復(fù)雜。經(jīng)回歸擬合后，得二次多項(xiàng)式如下：

Y1=123.31-21.78A+6.81B+4.47C+1.18AB+0.32AC-1.75BC+29.83A2+21.14B2+4.48C2

Y2=27.5+1.35A-0.67B-2.42C-0.35AB-0.25AC+0.25BC-2.93A2-2.48B2-1.03C2

各因素對(duì)平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值的影響大小順序分別為：超聲功率>杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)>乳化劑質(zhì)量濃度；乳化劑質(zhì)量濃度>超聲功率>杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)。以上結(jié)果可以解釋為杜仲籽油納米乳液平均粒徑及Zeta電位絕對(duì)值是由超聲空化作用所產(chǎn)生的高剪切力和乳液流變學(xué)特性共同決定的。

2.2.2 最佳工藝條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)模型方程最優(yōu)化分析，得出制備杜仲籽油納米乳液的最佳工藝條件為超聲功率432.47 W、杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)7.62%、乳化劑質(zhì)量濃度0.12 g/mL，此條件下的納米乳液平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值的理論預(yù)測值分別為118.78 nm和29.22 mV。在超聲時(shí)間5 min 條件下對(duì)該優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所得平均粒徑的實(shí)測值為(121.5±1.43)nm，Zeta電位絕對(duì)值的實(shí)測值為(28.6±0.35)mV，兩者預(yù)測值與實(shí)際測量值吻合度分別為97.7%和97.9%，說明響應(yīng)值的實(shí)驗(yàn)值與回歸方程預(yù)測值吻合良好。

2.3 杜仲籽油納米乳液的穩(wěn)定性(見圖5)

由圖5可知，不同貯藏條件的杜仲籽油納米乳液的平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值具有顯著性差異，這是因?yàn)橘A藏溫度和貯藏時(shí)間的變化導(dǎo)致納米乳液的穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)顆粒之間的絮凝現(xiàn)象。隨著貯藏時(shí)間的延長，杜仲籽油納米乳液的平均粒徑增加、Zeta電位絕對(duì)值減?。惠^高的環(huán)境溫度也導(dǎo)致納米乳液體系內(nèi)的粒子受熱吸收能量，遷移活動(dòng)加劇，內(nèi)部發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)顯著，粒徑增大而聚沉。

圖5 杜仲籽油納米乳在貯藏過程中平均粒徑和Zeta電位絕對(duì)值的變化

徐明進(jìn)等[15]研究了Zeta電位對(duì)水包油型乳液穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明當(dāng)界面膜強(qiáng)度相差不大時(shí)，Zeta電位絕對(duì)值越大，乳液的穩(wěn)定性越好。由圖5可知，隨著貯藏時(shí)間的延長，杜仲籽油納米乳液的Zeta電位絕對(duì)值降低，當(dāng)貯藏溫度低于25℃時(shí)，杜仲籽油納米乳液的Zeta電位絕對(duì)值保持在30～20 mV之間；當(dāng)儲(chǔ)存10 d時(shí)，Zeta電位絕對(duì)值降低了10 mV，這是由于油滴表面上的表面活性劑聚集，進(jìn)而導(dǎo)致電位發(fā)生變化、乳液的穩(wěn)定性下降。此外，較高的環(huán)境溫度破壞納米乳液內(nèi)部結(jié)構(gòu)，體系內(nèi)的粒子受熱吸收能量導(dǎo)致遷移活動(dòng)加劇，粒子間出現(xiàn)聚合現(xiàn)象，布朗運(yùn)動(dòng)顯著，粒徑變大而聚沉。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲乳化法制備杜仲籽油納米乳液的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝條件為超聲時(shí)間5 min、超聲功率432.47 W、杜仲籽油體積分?jǐn)?shù)7.62%、乳化劑質(zhì)量濃度0.12 g/mL，在該條件下杜仲籽油納米乳液的平均粒徑為(121.5±1.43)nm，Zeta電位絕對(duì)值為(28.6±0.35)mV。通過對(duì)其貯藏期平均粒徑、Zeta電位的測定表明，杜仲籽油納米乳液在25℃以下保存短于20 d時(shí)，具有較好的貯藏穩(wěn)定性。