劉如楠， 黃 凱， 管 驍*， 李 森， 劉 靜， 宋洪東

（1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093；2.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海200135）

褚橙是云南著名特產(chǎn)，以味甜皮薄而著稱，含有大量維生素C，營養(yǎng)價(jià)值較高。柑橘類精油是最重要的柑橘類副產(chǎn)品，主要從果皮中提取，具有特殊芳香和抗菌、抗炎、抗氧化等性能[1-2]，因此被廣泛應(yīng)用于食品和化妝品行業(yè)中[3-4]。隨著人們健康意識的提高，消費(fèi)者對天然食品添加劑的需求不斷增長，而褚橙精油因其天然性而備受青睞。但褚橙精油通常具有柑橘類精油的穩(wěn)定性差、易揮發(fā)、水溶性差等通病，因此該精油的應(yīng)用受到很大程度的限制[1，5]。

水包油（O/W）納米乳被廣泛報(bào)道可用于解決精油溶解度的問題[6]。納米乳液是液滴尺寸在20～300 nm之間的乳液[7]。納米乳是熱力學(xué)不穩(wěn)定，但動力學(xué)穩(wěn)定的系統(tǒng)[8]。這種體系由于表面活性劑或其他乳化劑的存在而使油水界面張力降低，從而使乳液穩(wěn)定。通過將精油乳化，親脂性成分可以快速分散到水基食品系統(tǒng)中。此外，由于優(yōu)異的分散性、穩(wěn)定性以及滲透能力，納米乳的活性可以得到改善[1]。

本研究的目的是分析褚橙植物精油的化學(xué)成分，制備褚橙精油納米乳液并提升其穩(wěn)定性，以及比較乳液與純精油的抗菌活性差異。結(jié)果顯示，以Tween 80和Span 80復(fù)配質(zhì)量比為1∶2作為表面活性劑制備的褚橙精油乳液穩(wěn)定性、分散性良好，并且抗菌性顯著高于褚橙精油，從而解決了褚橙精油在生產(chǎn)加工中水溶性差的問題，并且為褚橙精油在工業(yè)中作為添加劑、防腐劑等奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

褚橙：購于超市；Tween 80、Span 80、二甲基亞楓：國藥控股化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；大腸桿菌（Escherichia coli）、變形桿菌（Proteus vulgaris）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）：所有供試細(xì)菌均來源于上海理工大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室；牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉浸膏3 g/L，蛋白胨10g/L，氯化鈉5 g/L，蒸餾水 1 000 mL；pH 7.2～7.4。

1.2 儀器與設(shè)備

Milli-Q超純水設(shè)備：美國密理博公司產(chǎn)品；流變儀：美國TA公司產(chǎn)品；Agilent 7890A GC-5975c氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀：Agilent公司產(chǎn)品；HPINNOWAX 毛細(xì)管柱 （30 m×0.25 mm×0.25 μm）：Agilent公司產(chǎn)品；多角度激光散射粒度分析儀：美國布魯克海文儀器公司產(chǎn)品；馬爾文激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司產(chǎn)品；多重光散射儀Turbiscan MA 2000：法國Formulaction公司產(chǎn)品；高速剪切機(jī)（ULTRA-TURRAX T18）：德國IKA公司產(chǎn)品；透射電子顯微鏡（JEM-2100F）：日本電子株式會社（JEOL）產(chǎn)品；立式高壓蒸汽滅菌器：上海申安醫(yī)療器械廠制造。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 褚橙精油的制備 稱取一定量的褚橙皮，適當(dāng)剪碎，置于Clevenger型裝置中，在100℃下蒸餾來獲得精油。將得到的精油與水分離，用無水Na2SO4干燥，并在4℃下儲存。

1.3.2 氣相色譜-質(zhì)譜分析 通過GC-MS分析鑒定褚橙精油的成分[9]。色譜條件：色譜柱型號為HPINNOWAX 毛細(xì)管柱 （30 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序設(shè)定為：40℃開始并保持5 min，然后以8℃/min的速度升至250℃，并保持5 min，分離比為5∶1。載氣為氦氣，流速設(shè)定為1 mL/min。質(zhì)譜條件：EI電離源為70 eV，離子源溫度設(shè)定為230℃，四極溫度為150℃，界面溫度為250℃。掃描范圍m/z為 30～400。

1.3.3 乳液制備 將Tween 80和Span 80以一定比例混合，然后以不同的質(zhì)量濃度分別添加到2.5 g褚橙精油中。在25℃下以1 000 r/min的恒定速度磁力攪拌30 min來制備油相。將充分混合的油相滴定至攪拌的水相（去離子水）中。乳液的總質(zhì)量保持恒定在50 g。滴定后，通過高速剪切機(jī)12 000 r/min剪切20 min制備褚橙精油納米乳。

1.4 乳液測量

1.4.1 粒度分布 使用多角度激光散射粒度分析儀測定乳液粒徑分布，設(shè)定溫度25℃、散射角90°、樣品平衡時(shí)間5 min、檢測時(shí)間為5 min。在分析之前，將每種乳液樣品稀釋100倍。

1.4.2 ζ-電位的測定 通過使用馬爾文激光粒度儀測定乳液的ζ-電位大小，測定溫度為25℃，等待時(shí)間為120 s，平衡時(shí)間設(shè)置為180 s。每個(gè)樣品至少測試了3遍，在分析之前，將每種乳液樣品稀釋100倍。

1.4.3 流變黏度 通過使用配備有同心圓筒夾具的剪切流變儀來測量具有不同表面活性劑濃度的褚橙精油納米乳液的黏度。測量溫度25℃，測定剪切速率從0.01～200 s-1遞增，通過隨附的軟件記錄每個(gè)剪切速率下的剪切黏度。

1.4.4 乳液的微觀結(jié)構(gòu) 用磷酸鹽緩沖液稀釋適量的納米乳樣品，然后滴到覆蓋有碳膜的銅網(wǎng)中。負(fù)染色用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的磷鎢酸進(jìn)行40 s，使用JEM-2100F透射電子顯微鏡觀察褚橙精油納米乳的形貌。

1.4.5 乳液的背向散射（BS）曲線和Turbiscan穩(wěn)定性指數(shù)（TSI） 使用Turbiscan MA 2000儀器，獲得了乳液在24 h內(nèi)的背散射光變化（BS）曲線。測量時(shí)，將褚橙精油納米乳液樣品置于20 mL樣品池中，測量探頭從樣品池的底部到樣品池的頂部每40 μm測量一次，在測試期間乳液保持穩(wěn)定。此外，還獲得了Turbiscan穩(wěn)定性指數(shù)（TSI）以評估乳液的穩(wěn)定性。

1.5 褚橙精油及乳液的抗菌活性

使用濾紙片法測定褚橙精油和乳液對3種供試細(xì)菌抑菌活性。純精油用1%二甲基亞砜（DMSO）稀釋到與乳液含油量相同，將供試細(xì)菌在營養(yǎng)瓊脂上于37℃生長18～24 h。挑取一環(huán)接種到滅菌的培養(yǎng)基中，制備細(xì)菌懸浮液，將100 μL的試樣涂布在營養(yǎng)瓊脂固體培養(yǎng)基上。將培養(yǎng)基分為3個(gè)區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域中間放置準(zhǔn)備好的6 mm的濾紙片，移液槍分別吸取10 μL稀釋的純精油，褚橙精油納米乳液及1%的DMSO（對照）滴至濾紙片中間，迅速蓋上培養(yǎng)皿蓋。并將平板在37℃下培養(yǎng)24 h。平行3次，計(jì)算并比較精油和乳液抑制區(qū)直徑。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)和測量均為3份，并將結(jié)果記錄為平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用SPSS Statistics Software（IBM）對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA差異顯著性分析，p＜0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 褚橙精油納米乳的制備

2.1.1 不同表面活性劑的復(fù)配比對褚橙精油納米乳粒徑分布和ζ-電位值的影響 選用Tween 80與Span 80作為本實(shí)驗(yàn)的表面活性劑，將 Tween 80與Span 80 按照 1∶0、4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1 的質(zhì)量比分別混合均勻，將不同比例的混合表面活性劑加入到2.5 g褚橙精油中并在磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢?，混合均勻后，? mL/min的速度加入到水相。體系總質(zhì)量為50 g。用高速剪切機(jī)剪切20 min，得到均勻的納米乳液，測定粒徑和ζ-電位大小。ζ-電位的大小提供了乳液體系潛在穩(wěn)定性的指標(biāo)[10]，絕對值較高的ζ-電位顆粒之間相互排斥。ζ-電位顯示出物理穩(wěn)定性，ζ-電位的絕對值越大，乳液越穩(wěn)定。

由圖 1（a）可知，隨著 Span 80比例的增大，納米乳的粒徑先減小后增大，當(dāng)Tween 80∶Span 80從1∶0到 2∶1，粒徑分布均呈現(xiàn)雙峰，但平均有效粒徑呈逐漸減小的趨勢，當(dāng)Tween 80∶Span 80從1∶1到0∶1有效粒徑逐漸增大。Tween 80與Span 80質(zhì)量比為2∶1時(shí)，達(dá)到最小粒徑 70 nm。Tween 80∶Span 80為1∶2時(shí)，粒徑分布最窄且呈現(xiàn)單峰分布。從圖1（b） 可以看出，Tween 80 與 Span 80 的從 1∶0 到 1∶2時(shí)，ζ-電位的絕對值顯著增加（p＜0.05），即穩(wěn)定性顯著增加。但當(dāng) Tween 80∶Span 80為 1∶2時(shí)再增加Span 80的量，ζ-電位的絕對值變化不顯著 （p＞0.05）。由于粒徑分布圖在復(fù)配比為1∶2時(shí)為單峰分布，同時(shí)具有較高的ζ-電位絕對值。在隨后的實(shí)驗(yàn)中選擇Tween 80∶Span 80復(fù)配比1∶2制備乳液。

2.1.2 不同質(zhì)量濃度表面活性劑對褚橙精油納米乳粒徑分布、ζ-電位值及流變黏度的影響 乳液的性質(zhì)與其表面活性劑的質(zhì)量濃度密不可分，因此研究了表面活性劑質(zhì)量濃度對褚橙精油納米乳液性能的影響。將Tween 80與Span 80按照復(fù)配比1∶2的比例混合均勻， 再按照質(zhì)量濃度 1、2、3、4、5 g/dL分別加入到2.5 g褚橙精油混合均勻，以1 mL/min的速度加入到水相，使乳液的總質(zhì)量為50 g。用高速剪切機(jī)剪切20 min測定乳液的粒徑分布、ζ-電位以及黏度。

圖1 不同表面活性劑復(fù)配比對褚橙油乳液粒徑分布和ζ-電位值的影響Fig.1 Effect of different ratios of surfactants on particle size distribution and zeta potential of Chu orange essential oil emulsion

如圖2（a）所示，表面活性劑質(zhì)量較低的褚橙精油納米乳含有較大的粒徑，在較低的表面活性劑質(zhì)量濃度下，其粒徑分布呈雙峰分布。這是由于當(dāng)表面活性劑的用量較低時(shí)，表面活性劑不足以覆蓋新油滴的表面，導(dǎo)致油滴相互碰撞和堆積而形成較大的液滴[7]。當(dāng)表面活性劑質(zhì)量濃度超過3 g/dL時(shí)，乳液液滴直徑變化很小且分布變得不均。這是由于非離子表面活性劑穩(wěn)定小液滴曲率的能力有限，在表面活性劑分子過量的情況下，限制了乳液液滴粒徑的進(jìn)一步減小[11]。

從圖2（b）中ζ-電位圖可以看出，隨著表面活性劑質(zhì)量濃度從1 g/dL增加到3 g/dL，乳液的ζ-電位絕對值顯著增加（p＜0.05），褚橙精油納米乳ζ-電位絕對值的增加為乳液液滴之間提供了高能量屏障，從而具有了良好的靜電排斥[12]。但表面活性劑質(zhì)量濃度從3 g/dL增加到5 g/dL，ζ-電位絕對值的變化不顯著（p＞0.05），這與乳液粒徑的變化趨勢是一致的。因此，當(dāng)表面活性劑質(zhì)量濃度為3 g/dL時(shí)，褚橙精油納米乳的粒徑分布和ζ-電位基本保持不變。所以，質(zhì)量濃度為3 g/dL的表面活性劑可以形成比較穩(wěn)定的褚橙精油納米乳液，此質(zhì)量濃度最適合褚橙精油納米乳的制備。

流變黏度影響乳液加工的適用性，直接關(guān)系到流體的穩(wěn)定性[13]。因此研究表面活性劑質(zhì)量濃度與褚橙精油乳液流變黏度之間的關(guān)系很有必要。如圖3所示，隨著表面活性劑的量的增加，乳液流變黏度增加，褚橙精油納米乳的黏度范圍在1.08～1.65 mPa·s，隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的增加，乳液的黏度有所增加，表面活性劑的質(zhì)量濃度從4 g/dL增加到5 g/dL時(shí)，可以看到黏度發(fā)生更大的增量，這是由于過量的表面活性劑遷移到水相中，導(dǎo)致褚橙精油納米乳液的表觀黏度急劇增加。

圖2 表面活性劑質(zhì)量濃度對褚橙精油乳液粒徑和電位的影響Fig.2 Effect of surfactant concentration on the particle size and zeta potential of the Chu orange essential oil emulsion

圖3 表面活性劑質(zhì)量濃度對褚橙精油乳液流變黏度的影響Fig.3 Effect of surfactant concentration on rheological viscosity of Chu orange essential oil emulsion

2.1.3 不同剪切速度對褚橙精油納米乳粒徑分布、ζ-電位值及離心穩(wěn)定性的影響 將質(zhì)量濃度為3 g/dL的復(fù)合表面活性劑（Tween 80∶Span 80 為 1∶2）加入到2.5 g油相混合均勻，將混合物加入到一定量的去離子水中，使體系總質(zhì)量為 50 g。分別以3 000、6 000、9 000、12 000、15 000 r/min 在高速剪切機(jī)上剪切20 min，測定粒徑、ζ-電位及離心穩(wěn)定性。由圖4（a）可知，隨著剪切速度的增加，納米乳粒徑逐漸減小，當(dāng)剪切速度達(dá)到12 000 r/min時(shí)，納米乳粒徑分布變?yōu)閱畏宸植迹藭r(shí)，再增大剪切速率，乳液粒徑變化很小，且乳液粒徑變?yōu)殡p峰分布。這可能是由于剪切速率過大，使得乳液液滴過小，顆粒之間布朗運(yùn)動加快、相互碰撞次數(shù)增多而發(fā)生液滴聚集現(xiàn)象。這說明并非剪切速率越大，乳液的分散性越好。從圖4（b）可以看出，剪切速率從3 000 r/min增加到12 000 r/min時(shí)，ζ-電位絕對值顯著增大 （p＜0.05），在15 000 r/min時(shí)ζ-電位絕對值反而減小。即褚橙精油納米乳液在剪切速率為12 000 r/min時(shí)，納米乳液達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 剪切速率對褚橙精油乳液粒徑和ζ-電位的影響Fig.4 Effect of shear rate on particle size and zeta potential of Chu orang essential oil emulsion

另外，將乳液在4 000 r/min室溫條件下離心30 min，結(jié)果見圖 5。 剪切速率為 3 000、6 000、9 000 r/min制備的乳液均有不同程度的明顯分層，隨著剪切速率的增大，分層高度降低，說明剪切速率對納米乳液的穩(wěn)定性的影響很大。當(dāng)剪切速率達(dá)到12 000 r/min時(shí)，乳液未發(fā)生分層現(xiàn)象，所以最佳剪切速率選擇12 000 r/min。

圖5 不同剪切速率乳液的離心穩(wěn)定性Fig.5 Centrifugal stability of emulsions at different shear rates

綜上所述，制備最穩(wěn)定的褚橙精油納米乳液的優(yōu)化條件為：表面活性劑選擇Tween 80∶Span 80質(zhì)量比1∶2、其質(zhì)量濃度為3 g/dL、剪切速率為12 000 r/min，所得乳液的粒徑為（135±0.76） nm，ζ-電位值為（-30±0.36）mV。

2.2 褚橙精油納米乳的質(zhì)量評價(jià)

圖6 褚橙精油納米乳的微觀形態(tài)Fig.6 Microscopic morphology of Chu orange essential oil nanoemulsion

2.2.1 褚橙精油納米乳的微觀形態(tài) 通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察納米乳形態(tài)，結(jié)果見圖6。發(fā)現(xiàn)褚橙精油納米乳液滴分布均勻，呈圓球形，表明褚橙精油納米乳分散較好。經(jīng)測量納米乳平均粒徑為96 nm，比動態(tài)光散射法測得的稍小一些，由于動態(tài)光散射測得的是水合半徑，此結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律。

2.2.2 褚橙精油不穩(wěn)定性分析 限制乳液應(yīng)用的很大一個(gè)原因是乳液在儲存期間不能保持穩(wěn)定。通常，乳液去穩(wěn)定化是由3種物理過程引起，即聚結(jié)、絮凝或奧斯特瓦爾德熟化和粒子重力遷移[14]。為了探究褚橙精油乳液的不穩(wěn)定機(jī)制，并驗(yàn)證Tween 80和Span 80復(fù)配質(zhì)量比為1∶2作為復(fù)合表面活性劑是否適合于形成褚橙精油納米乳的小粒徑和單峰分布的優(yōu)質(zhì)乳液，分別以Tween 80、Tween 80和Span 80復(fù)配質(zhì)量比為1∶2，Span 80為表面活性劑制備了3種乳液，用Turbiscan得到了24 h之內(nèi)3種乳液的TSI指數(shù)和BS的變化，比較3種不同的表面活性劑的穩(wěn)定性行為，以分析乳液的不穩(wěn)定性。

3種乳液的常溫下的整體的TSI見圖7。TSI值越大，穩(wěn)定性越低?？梢钥吹剑瑑H以單一表面活性劑作為乳化劑所制備的乳液的穩(wěn)定性要低于復(fù)配的表面活性劑所制備的乳液。

從圖8可以看出，由于BS強(qiáng)度是位于管的特定高度和粒徑的分散相體積的函數(shù)[14]，如果粒徑大于入射波長，則BS強(qiáng)度隨粒徑的增加或粒子濃度的下降而降低；反之，BS隨著粒子尺寸的增大而增大。底層中BS的下降表示底部濃度下降代表底部澄清的過程，而頂層中BS的增加則反應(yīng)顆粒濃度的增加[15]。

從圖8可知，僅以單一表面活性劑Tween 80或者Span 80（即圖8(a)和8(c)）為乳化劑的乳液在24 h內(nèi)BS變化較大。圖8(a)和8(c)的底部BS變化和頂部BS變化均較強(qiáng)烈，這表明乳液底部澄清，乳液發(fā)生了嚴(yán)重的重力遷移，并且頂部BS增加，即乳液頂層發(fā)生油滴上浮現(xiàn)象。此外，以Tween 80為表面活性劑的乳液（圖8(a)）的管中間部分BS水平降低，表明由于絮凝或聚結(jié)過程導(dǎo)致液滴尺寸增加。而Tween 80 和 Span 80 復(fù)配質(zhì)量比為 1∶2（圖 8(b)），變化最小，底部的BS沒有明顯變化，頂部的BS變化比底部略大。說明樣品的不穩(wěn)定性主要是由于樣品頂部油滴發(fā)生上浮，中間部分BS水平幾乎未發(fā)生變化。這些結(jié)果表明，褚橙精油乳液的不穩(wěn)定性是由嚴(yán)重的重力分離引起的，其在底部產(chǎn)生澄清，在頂部產(chǎn)生奶油層，且以復(fù)配表面活性劑為乳化劑的乳液比以單一表面活性劑制備的乳液穩(wěn)定性好。

圖7 不同表面活性劑制備的乳液在24 h內(nèi)TSI指數(shù)變化Fig.7 TSI index of emulsions prepared with different surfactants within 24 h

圖8 不同表面活性劑制備的乳液在24 h內(nèi)的BS變化Fig.8 BS changes in emulsions prepared with different surfactants within 24 h

2.3 褚橙精油抑菌性

2.3.1 GC-MC 通過GC-MS對褚橙精油的成分進(jìn)行分析，鑒定了精油中的36種化合物，占出峰物質(zhì)總數(shù)的95.41%。定量和定性分析結(jié)果見表1。精油的主要化合物是 D-檸檬烯 （52.96%）、β-蒎烯（11.85%）、α-蒎烯（9.19%）和順式-（S）-（-）-檸檬烯氧化物（6.99%）。據(jù)報(bào)道，D-檸檬烯具有殺菌、抗氧化劑、化學(xué)預(yù)防和治療活性[16]，除此之外，α-蒎烯、β-蒎烯、檸檬烯氧化物等倍半萜烯也具有相似的生物活性，這可能是褚橙精油具有抑菌性的主要原因[17]。

2.3.2 褚橙精油及納米乳的抑菌性 大腸桿菌屬于革蘭氏陰性菌，在一定條件下可以引起人和多種動物發(fā)生胃腸道感染或尿道等多種局部組織器官感染。變形桿菌也屬于革蘭氏陰性細(xì)菌，通常在食物中繁殖并產(chǎn)生可引起人中毒的毒素，而枯草芽孢桿菌在自然界廣泛存在，屬于革蘭氏陽性細(xì)菌。作者研究了精油及乳液對這3種細(xì)菌的抗菌性能。

表1 褚橙精油的化學(xué)成分分析Table 1 Chemical composition of orange essential oil

如表2所示，褚橙精油納米乳液對大腸桿菌、變形桿菌和枯草芽孢桿菌的抑菌效果比純精油好。這些結(jié)果與最近的其他研究一致，這些研究表明，精油轉(zhuǎn)化為納米乳液可以提高其抗菌活性[1，18]。造成這種現(xiàn)象的原因可能是乳液中的小脂質(zhì)顆粒能夠?qū)⒕蛶У郊?xì)胞膜表面，而純精油由于水溶性低而無法輕易與細(xì)胞膜相互作用[18]。

表2 褚橙精油及其納米乳的抑菌效果Table 2 Antibacterial activities of orange oil and its nanoemulsion

3 結(jié) 語

本研究對褚橙精油納米乳制備過程中的表面活性劑復(fù)配比、濃度以及乳化剪切速率進(jìn)行了優(yōu)化，以制備高質(zhì)量的納米乳液。結(jié)果顯示，以Tween 80∶Span 80 質(zhì)量比 1∶2、質(zhì)量濃度為 3 g/dL、剪切速率為12 000 r/min時(shí)，褚橙精油納米乳液表現(xiàn)出了最小粒徑和最大的穩(wěn)定性。單一表面活性劑和復(fù)配表面活性劑為乳化劑的乳液在24 h內(nèi)表現(xiàn)出不同程度的不穩(wěn)定性，褚橙精油納米乳液的不穩(wěn)定性主要是由嚴(yán)重的重力分離引起的，以復(fù)合表面活性劑為乳化劑制備的乳液穩(wěn)定性最好。此外，相比較于純精油，褚橙精油納米乳液表現(xiàn)出更明顯的抑菌效果。該研究為今后褚橙精油在食品或其他領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了依據(jù)和參考。