2025, Vol. 55
油膏类物质(如芝麻酱、花生酱等)为常见的食品原料。油膏具有脂质含量高、黏度大、含水量低等特点[1-2]，直接食用时存在适口性差的问题。因此，油膏通常被制备成乳液食用[3-4]，如北方芝麻酱火锅蘸料。乳液的传统制备方法包括高能法和低能法。高能法在食品乳液制备中最为常见，其原理是通过剪切力使油水两相分散，但由于油膏的高黏度特性，在以油膏为油相制备乳液时需要消耗大量机械能[5-6]，而手动制备则费时费力；低能法以相转变温度法、相转变组分法和自发乳化法为代表，存在制备流程复杂，乳化剂用量大的问题，有时还会造成有机溶剂残留[7-9]，亦不适合油膏乳液的快速制备。
目前，泡腾已经是一项非常成熟的技术，其原理是固体酸与碳酸(氢)盐与水接触后迅速发生酸碱中和反应，该过程会连续产生大量CO2气体，这些气体以气泡形态从液相中分离，从而使基质快速崩解分散。在泡腾过程中，化学能转化为机械能，在微观上形成巨大的剪切力和驱动力[10-11]，可以作为制备乳液的动力来源[12-14]。目前关于泡腾体系的研究及产品均集中于固态形式，如泡腾片[15]和泡腾颗粒[16]，这主要是由于固体剂型的泡腾体系易达到无水(或低水)条件，更易保存。脂质为油膏体系中的主要液体成分，也满足泡腾体系贮藏所需的无水条件，理论上可以作为泡腾的基质之一，但是目前未见膏状泡腾体系的相关报道。
虾青素(Astaxanthin，AST)是一种常见的脂溶性生物活性物质[17]，具有抗氧化、消炎、改善肝功能、预防心血管疾病及增强免疫力等多种生理功能[18-21]，在食品、药品等行业都有着巨大的应用潜力[22-23]。然而，由于其自身结构特点的限制，虾青素在实际应用中面临一系列挑战。一方面，由于虾青素的水溶性差，导致其在食品中(尤其是富水食品，如饮料等)的应用仍然受到极大限制[24]。虾青素的强疏水性也导致其吸收利用率严重降低。Cheng等[25]研究发现，虾青素油的生物利用度极低，仅在3%以下。另一方面，由于虾青素分子中的多共轭烯以及α-羟基酮结构化学反应活性高，导致虾青素稳定性低，容易因光、氧气、温度等外界因素氧化或降解，致使其在加工、运输以及储存过程中失活[26]，从而不利于进一步大规模的商品化生产和销售。为了克服这些局限性，可以将虾青素封装在乳液分散体系中以促进其利用。因此，将虾青素作为亲油活性物质的模型，用于乳液/包埋体系的构建及验证，在理论及现实生产层面均具有重要意义。此外，商用虾青素主要由雨生红球藻提取，呈油膏状[27]。这一天然特性可使其作为优良的膏状泡腾体系的油膏基质，用于该剂型及后续乳液的制备与验证。
本研究意在验证通过膏状泡腾体系(泡腾膏)这一新型泡腾剂型制备乳液的可行性，以AST油膏为模型，利用膏体泡腾制备AST乳液，通过单因素实验和正交试验探究泡腾膏制备AST乳液的基本规律，确定AST泡腾膏的最佳组成，并对AST乳液的稳定性进行评价。本研究结果可为相关新型食品快速分散技术和产品的研究提供前期理论依据。
1 材料与方法 1.1 材料与试剂虾青素油膏，食品级，云南爱尔发生物技术股份有限公司；虾青素标准品(HPLC≥98%)，分析纯，上海源叶生物科技有限公司；玉米油，食品级，山东长寿花食品股份有限公司；溴化钾(光谱纯)，聚乙二醇800(分析纯)，阿拉伯胶(分析纯)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；聚乙二醇600，分析纯，西陇科学股份有限公司；吐温80，分析纯，天津博迪化工有限公司；大豆卵磷脂(PC≥10%)，分析纯，上海蓝季科技发展有限公司；碳酸氢钠，L(+)-酒石酸，盐酸，氢氧化钠，二氯甲烷，甲醇，氯化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。
1.2 崩解剂碱酸比的确定配制质量比为1∶0.75、1∶0.80、1∶0.85、1∶0.90、1∶0.95和1∶1的碳酸氢钠和酒石酸混合物，每种混合物总质量为2 g，将混合物分别泡腾于50 mL超纯水中，测定产气量和泡腾完全后溶液的pH。产气量计算公式如下：
| $ M=M_1+M_{\mathrm{d}}-M_2。$ | (1) |
式中：M(mg)为碳酸氢钠和酒石酸泡腾后的产气量(CO2)；M1(mg)为泡腾前烧杯与烧杯内超纯水的总质量；Md(mg)为碳酸氢钠和酒石酸混合物的总质量；M2(mg)为泡腾结束后烧杯与烧杯内溶液的总质量。
1.3 膏体基质配方研究在60 ℃的恒温水浴下使聚乙二醇600(PEG-600)和聚乙二醇800(PEG-800)完全溶解为液体后，以1 g的PEG-800为基准分别向其中添加1~10 g梯度质量的PEG-600，搅拌均匀，制成不同梯度比例的PEG复配物。待PEG复配物冷却至室温后观察其状态。
1.4 AST泡腾膏及AST乳液的制备 1.4.1 原料预处理将碳酸氢钠、酒石酸分别用粉碎机粉碎成粉末后过200目筛网，并将其放入硅胶干燥器中密封保存备用。
1.4.2 油相配制称取不同质量的AST油膏溶解于玉米油中，在4 ℃冰箱中避光储存，使AST油膏与玉米油充分相溶，即得到不同AST油浓度的油相。
1.4.3 AST泡腾膏的制备固定油相的质量为1.1 g，将不同质量的吐温80、大豆卵磷脂和阿拉伯胶添加到油相和膏体基质(丙三醇、磷脂油、南极磷虾油、聚乙二醇)的混合物中，使用研钵混合均匀，然后向其中加入一定质量的崩解剂(碳酸氢钠∶酒石酸=1∶0.85，w/w)，继续混合约5 min至混合物均匀。将所得混合物在28 ℃下真空干燥24 h，即得到AST泡腾膏。
1.4.4 AST乳液的制备称取1.0 g AST泡腾膏置于直径为2 cm的圆形小盒中并投入装有10 mL超纯水的50 mL烧杯中泡腾直至完全，即得到AST乳液。所有乳液在4 ℃下避光储存备用。
1.5 单因素实验按照1.4中的方法制备AST泡腾膏和AST乳液，以乳液的粒径、多分散指数(Polydispersity index, PDI)和zeta电位为综合评价指标，分别研究AST油浓度、乳化剂与油相质量比、聚乙二醇添加量和崩解剂添加量对AST乳液的影响。
1.5.1 AST油浓度固定大豆卵磷脂与油相质量比2∶11，阿拉伯胶与油相质量比4∶11，吐温80与油相质量比6∶11，聚乙二醇添加量12%，崩解剂添加量60%，研究AST油浓度(5%、7.5%、10%、15%、20%、30%、50%、100%)对AST乳液的影响。
1.5.2 乳化剂与油相质量比固定AST油浓度20%，阿拉伯胶与油相质量比4∶11，吐温80与油相质量比6∶11，聚乙二醇添加量12%，崩解剂添加量60%，研究大豆卵磷脂与油相质量比(0.5∶11、1∶11、1.5∶11、2∶11、2.5∶11、3∶11)对AST乳液的影响。
固定AST油浓度20%，大豆卵磷脂与油相质量比2∶11，吐温80与油相质量比6∶11，聚乙二醇添加量12%，崩解剂添加量60%，研究阿拉伯胶与油相质量比(1∶11、2∶11、3∶11、4∶11、6∶11)对AST乳液的影响。
固定AST油浓度20%，大豆卵磷脂与油相质量比2∶11，阿拉伯胶与油相质量比4∶11，聚乙二醇添加量12%，崩解剂添加量60%，研究吐温80与油相质量比(2∶11、4∶11、6∶11、8∶11、10∶11、12∶11、14∶11)对AST乳液的影响。
1.5.3 聚乙二醇添加量固定AST油浓度20%，大豆卵磷脂与油相质量比为2∶11，阿拉伯胶与油相质量比4∶11，吐温80与油相质量比6∶11，崩解剂添加量60%，研究聚乙二醇添加量(6%、9%、12%、15%、18%)对AST乳液的影响。
1.5.4 崩解剂添加量固定AST油浓度20%，大豆卵磷脂与油相质量比2∶11，阿拉伯胶与油相质量比4∶11，吐温80与油相质量比6∶11，聚乙二醇添加量12%，研究崩解剂添加量(45%、50%、55%、60%、65%)对AST乳液的影响。
1.6 正交试验为了确定制备AST乳液的最佳泡腾膏配方，根据单因素实验结果，选择大豆卵磷脂与油相质量比(A)、阿拉伯胶与油相质量比(B)和吐温80与油相质量比(C)作为变量，以AST乳液的粒径为指标，设计三因素三水平的正交试验对制备条件进行优化，正交因素水平如表 1所示，正交试验中AST油浓度、聚乙二醇添加量和崩解剂添加量采用单因素最优结果。
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表 1 正交因素水平表 Table 1 Table of orthogonal factor levels |
使用纳米粒度分析仪(nano zs90)对AST乳液的粒径、多分散指数PDI和zeta电位进行测定，为避免多重光散射效应，将样品用超纯水稀释100倍，测试温度为25 ℃，探测角度为90°，重复三次实验。
1.8 乳液中AST含量的测定 1.8.1 AST标准曲线的建立准确称取5 mg AST标准品，用有机溶剂(二氯甲烷∶甲醇=2∶1，v/v)将其溶解并定容至50 mL棕色容量瓶，得到100 μg/mL的AST标准液。取500 μL标准液加4 500 μL有机溶剂，得到10 μg/mL的AST溶液。将AST溶液经过系列稀释，得到1.0、1.4、1.8、2.0、2.2和2.4 μg/mL的AST溶液。
使用酶标仪对AST溶液在230~1 000 nm波长下扫描，以有机溶剂(二氯甲烷∶甲醇=2∶1，v/v)为对照，得到AST的最大吸收波长为487 nm。
以有机溶剂(二氯甲烷∶甲醇=2∶1，v/v)为空白，使用可见分光光度计在487 nm处测定一系列浓度的AST溶液的吸光度A。以不同浓度为X轴，吸光度A为Y轴，得到AST标准曲线为y＝0.088 4x+0.015 1，R2＝0.999 8。
1.8.2 AST含量的测定采用溶剂萃取法，参考Chen和Boonlao等[28-29]的方法并做适当修改。将200 μL AST乳液用3 800 μL有机溶剂(二氯甲烷∶甲醇=2∶1，v/v)稀释，涡旋振荡以提取乳液中的AST，然后在4 ℃下以4 000 r/min离心15 min。取上清液在487 nm波长下测定其吸光度，以有机溶剂(二氯甲烷∶甲醇=2∶1，v/v)为空白。采用标准曲线y＝0.088 4x+0.015 1，R2＝0.999 8计算乳液中AST的浓度。
1.9 形貌观察采用Hitachi HT7700透射电子显微镜对AST乳液进行形貌观察。将乳液用超纯水进行适当稀释，用移液枪吸取20 μL稀释后的样品滴在铜网上，静置5 min，然后用滤纸吸去多余样品。在铜网上加入2%磷钨酸染料，负染色2 min，用滤纸吸去过量染料，待完全干透后将铜网转移至透射电子显微镜下观察，加速电压为110 kV。
1.10 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析使用傅里叶变换红外光谱仪获得AST、AST乳液冻干样品和空白乳液冻干样品的红外光谱。将经过充分真空干燥的样品以1∶100的质量比分别与KBr粉末混合，在红外灯的照射下使用玛瑙研钵充分研磨，研磨后的样品(约100 mg，粒度200目)经液压机以15 MPa的压力压片2 min，然后在400~4 000 cm-1范围内扫描。
1.11 X射线衍射(XRD)分析使用X射线衍射仪对AST乳液冻干样品和体系所用乳化剂的物理混合物进行测定。测试条件：使用CuKα射线，扫描速率为2(°)/min，扫描角度2θ范围为5°~40°，电压为40 kV。
1.12 稳定性分析 1.12.1 pH稳定性使用0.1 mol/L或1 mol/L的盐酸或氢氧化钠溶液将新制备的AST乳液的pH调为2、4、6、8、10和12，将乳液置于4 ℃储存，1 d后测定其粒径、PDI和zeta电位。
1.12.2 离子强度稳定性向新制备的AST乳液加入NaCl调节其NaCl浓度为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mol/L，将乳液置于4 ℃储存，1 d后测定其粒径、PDI和zeta电位。
1.12.3 热稳定性将新制备的AST乳液分别置于40、60、80和100 ℃水浴锅中恒温加热30和60 min，加热完毕后取出，并冷却至室温，测定乳液的粒径、PDI和zeta电位。
1.12.4 冻融稳定性将新制备的AST乳液置于-20 ℃冰箱冷冻12 h后于4 ℃解冻以完成1次冻融，重复冻融3次，测定乳液的粒径、PDI和zeta电位。
1.12.5 离心稳定性使用LUMiSizer稳定性分析仪测定AST乳液的离心稳定性。测试参数：转速4 000 r/min，测试温度25 ℃，光因子1.00，每隔10 s扫描1次获得轮廓线，共扫描300次。
1.13 数据处理所有实验均重复三次，实验结果以平均值±标准差表示。使用OriginPro 2021和SPSS 25对数据进行处理以及图像绘制，设定显著水平为p＜0.05。
2 结果与分析 2.1 崩解剂碱酸比对泡腾性能的影响为了保证泡腾膏的顺利崩解，获得良好的泡腾崩解效果，崩解剂中碱酸比例的确定尤为重要。碱酸比的确定指标通常包括pH、产气量(CO2)等，以选择酸碱性合适、产气量大的崩解剂配比为佳。本研究复配了不同比例的碳酸氢钠和酒石酸，测定这两项指标，结果如表 2所示。在一定范围内，随着酒石酸占比的增加，溶液pH降低，产气量增加，但酒石酸占比过大时，产气量开始下降，同时溶液pH过低。为了保证崩解剂的加入对后续制备的乳液体系的pH影响最小，要选择溶液接近中性的配比。由表 2可知，当碱酸比为1∶0.80~1∶0.90时溶液偏中性，其中碱酸比为1∶0.85时产气量最大。综上，崩解剂碱酸比与泡腾性能关系如下：随着碱酸比绝对数值的减小，pH持续下降，而产气量先增加后降低，崩解剂碱酸比的最优值为1∶0.85。在后续参数选择上，选择本阶段确定的最优参数(碱酸比=1∶0.85)进行后续研究。
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表 2 不同碱酸比的效果比较 Table 2 Comparison of effects of different alkali-acid ratios |
要保证泡腾膏有延展性和一定的机械强度，需要在泡腾膏体系中额外添加一种膏体基质，要求加入后既具有一定的黏度和流动性以支撑膏体，又能保证一定的泡腾速率。基于此，本研究从有机物中选取对象。实验选用了丙三醇、磷脂油、南极磷虾油、聚乙二醇作为膏体基质制备泡腾膏，结果如表 3所示。以丙三醇制备泡腾膏会导致崩解剂在膏体中就泡腾崩解，极不稳定，这可能是因为丙三醇本身具有吸湿性。以磷脂油和南极磷虾油制备的泡腾膏泡腾速率缓慢，推测是由于磷脂的碳链过长以至于体系内疏水性较强，影响了分子间水分传导速率。
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表 3 不同基质制备泡腾膏的效果 Table 3 Effects of preparing effervescent paste with different matrices |
聚乙二醇(PEG)是一个混合物大家族，平均分子量在400~20 000之间，PEG-600是黏稠液体，PEG-800是蜡状膏体，编号越大硬度越高。该物质具有聚醚结构，理化性质稳定。实验以PEG-600与PEG-800复配后制备泡腾膏，发现崩解剂在该体系中长期稳定不产生气泡，膏体投入水中后泡腾速率较快，泡腾后体系透明度高且无明显不溶物。当PEG-600与PEG-800按一定比例复配后可以得到常温下稳定的膏状体，适合制作泡腾膏。因此，本研究选用按一定比例复配的PEG-600与PEG-800作为泡腾膏的基质。
2.2.2 复配聚乙二醇配方的影响实验复配了不同质量比的PEG-600和PEG-800，形成的基质外观状态如表 4所示，根据研究要求，基质需要具有一定的黏度，同时流动性不能过快，否则不足以支撑泡腾膏中的固体颗粒物，因此，以实验组4(PEG-600∶PEG-800=4∶1，w/w)的基质状态最适合制备膏体，故选用该项作为泡腾膏的基质。
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表 4 不同质量比的PEG-600和PEG-800形成的基质外观 Table 4 Appearance of the matrix formed by PEG-600 and PEG-800 with different mass ratios |
实验以AST泡腾膏泡腾崩解后制备的AST乳液为研究对象，以乳液粒径、PDI和zeta电位为评价指标，探究泡腾膏制备AST乳液的基本规律，从而确定AST泡腾膏的最佳组成。
2.3.1 AST油浓度对AST乳液性质的影响不同AST油浓度对AST乳液的影响如图 1所示。由图 1可知，当AST浓度在5%~20%范围时，浓度变化对粒径的影响不显著(p＞0.05)，在此浓度范围内，AST乳液具有最小粒径，随着AST油浓度增大，AST乳液粒径增大。所有实验组的PDI均小于0.3，zeta电位绝对值均大于30 mV，说明乳液足够稳定。Nash等[30]在制备香芹酚纳米乳液的实验中指出，当芯材浓度增加时，油相的黏度会随之升高，从而引起乳液粒径增大，李季楠[31]在关于叶黄素纳米乳液的研究中也指出，当芯材浓度较小时，对油相的黏度影响很小，因此不会影响乳液粒径的大小，本实验结果与上述研究相符。
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( 同一指标的不同字母表示组间差异显著(p＜0.05)。下图同。Different letters of the same index indicate significant differences between groups (p < 0.05). The following figures were the same. ) 图 1 AST油浓度对AST乳液的粒径、PDI(a)和zeta电位(b)的影响 Fig. 1 Effects of AST oil concentration on the particle size, PDI (a) and zeta potential (b) of AST emulsion |
综上，AST油浓度对AST乳液性质的影响为：当AST油浓度较低时，乳液粒径不变，随着AST油浓度增大，乳液粒径逐渐增大。考虑到乳液稳定性以及尽可能提高乳液中AST的含量，选择AST油浓度为20%进行后续研究。
2.3.2 乳化剂与油相质量比对AST乳液性质的影响乳化剂大豆卵磷脂、阿拉伯胶和吐温80与油相质量比对AST乳液的影响如图 2所示。研究发现，对于三种乳化剂而言，随着乳化剂与油相质量比增加，AST乳液粒径均先减小后增大，这主要是因为：较小粒径的乳液表面积较大，故需要更多的乳化剂来完全覆盖油滴表面，当乳化剂使用量较少时，油滴表面的乳化剂分子无法形成完整的保护层，油滴之间的相互吸引力会导致它们聚结，使得乳液的粒径增大；而当乳化剂使用量较多时，在形成牢固的油水界面膜后，过量的乳化剂分子继续吸附在界面上，导致油滴表面的乳化剂浓度过高，乳液粒径增大[32-33]。同时，实验中AST乳液的PDI均小于0.3，zeta电位绝对值大于30 mV，说明乳液均一性好，稳定性高。
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图 2 大豆卵磷脂、阿拉伯胶、吐温80与油相质量比对AST乳液的粒径、PDI(a)和zeta电位(b)的影响 Fig. 2 Effects of mass ratio of soybean lecithin, gum arabic and Tween 80 to oil phase on the particle size, PDI (a) and zeta potential (b) of AST emulsion |
随着大豆卵磷脂与油相质量比的增加，zeta电位绝对值先增加后趋于稳定，这是由于大豆卵磷脂带有磷酸负电基团。随着阿拉伯胶与油相质量比的增加，zeta电位绝对值有小幅度的减小，这可能是因为阿拉伯胶本身带负电，但其负电荷小于大豆卵磷脂，卵磷脂具有更高的疏水特性，因此会更紧密地停留在油水界面上，该界面被亲水性更高的阿拉伯胶包围，通过增加阿拉伯胶的浓度，乳液的zeta电位更接近阿拉伯胶溶液的zeta电位，这与Hu等[34]的研究结果相符。随着吐温80与油相质量比的增加，zeta电位绝对值减小，这可能是由于吐温80属于非离子型表面活性剂，在一定程度上覆盖了负电荷。
综上，乳化剂与油相质量比对AST乳液性质的影响：随着乳化剂与油相质量比的增加，AST乳液粒径先减小后增大；随着大豆卵磷脂与油相质量比的增加，zeta电位绝对值先增加后趋于稳定；随着阿拉伯胶与油相质量比的增加或吐温80与油相质量比的增加，zeta电位绝对值逐渐减小。当大豆卵磷脂与油相质量比为1.5∶11，阿拉伯胶与油相质量比为2∶11，吐温80与油相质量比为6∶11时，制备的AST乳液具有最小的粒径和较大的zeta电位绝对值。
2.3.3 聚乙二醇添加量对AST乳液性质的影响不同聚乙二醇添加量对AST乳液的影响如图 3所示。随着聚乙二醇添加量的增加，AST乳液的粒径和PDI逐渐减小，但对zeta电位没有显著影响(p＞0.05)。考虑到聚乙二醇的增加会使乳液的有效成分AST的含量减少，因此，选择12%的聚乙二醇添加量进行后续研究。
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图 3 聚乙二醇添加量对AST乳液的粒径、PDI(a)和zeta电位(b)的影响 Fig. 3 Effects of additive amount of polyethylene glycol on the particle size, PDI (a) and zeta potential (b) of AST emulsion |
不同崩解剂添加量对AST乳液的影响如图 4所示。随着崩解剂添加量的增加，AST乳液粒径先减小后增大，当崩解剂添加量为55%时，制备的乳液具有最小的粒径，而对PDI和zeta电位没有显著影响(p＞0.05)。这是因为在泡腾崩解过程中，崩解剂添加量的多少决定了产气量的多少，进而决定了体系内产生的湍动和剪切力等破坏力的强度。当崩解剂添加量较少时，产气量少，提供的剪切力破坏力不足；当崩解剂添加量较多时，AST泡腾膏黏度大，导致崩解速率缓慢，进而影响了泡腾效果。因此，只有添加适量的崩解剂，泡腾崩解效果才能达到最好，本研究的最佳崩解剂添加量为55%。
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图 4 崩解剂添加量对AST乳液的粒径、PDI(a)和zeta电位(b)的影响 Fig. 4 Effects of additive amount of disintegrant on the particle size, PDI (a) and zeta potential (b) of AST emulsion |
根据以上单因素实验结果进行正交试验(以AST乳液粒径为考察指标)，结果如表 5所示，极差分析表明，各因素对AST乳液粒径大小影响的显著程度：大豆卵磷脂与油相质量比(A)＞吐温80与油相质量比(C)＞阿拉伯胶与油相质量比(B)，最优组合为A1B2C3。在三个因素中，A和C优化后均为端点值，说明再降低A(大豆卵磷脂与油相质量比)的水平和升高C(吐温80与油相质量比)的水平都可能获得更小的乳液粒径。但根据上文研究可知，减少大豆卵磷脂用量会减小乳液zeta电位绝对值，从而降低乳液稳定性，而增加吐温80用量会增大过敏[35]和溶血[36]风险，且成本也会增加。综合考量后，确定最优组合为A1B2C3，即最佳制备条件为：大豆卵磷脂与油相质量比1∶11，阿拉伯胶与油相质量比3∶11，吐温80与油相质量比8∶11，AST油浓度20%，聚乙二醇添加量12%，崩解剂添加量55%。
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表 5 正交优化实验结果 Table 5 The results of orthogonal optimization test |
以最佳制备条件进行了3次验证实验，得到AST乳液的粒径为(87.82±0.13) nm，小于正交试验中所有其他组合的粒径，说明正交试验可信度较高。
综上所述，优化后的AST泡腾膏组分如下：55.00%崩解剂，3.16%AST油膏，12.63%玉米油，1.43%大豆卵磷脂，4.30%阿拉伯胶，11.48%吐温80和12.00%聚乙二醇。其外观如图 5(a)所示，泡腾过程如图 5(b)所示。经测定，AST泡腾膏的泡腾崩解时间为(315.33±21.55) s，泡腾速率较快，可在短时间内制备出AST乳液。
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图 5 AST泡腾膏的外观(a)和泡腾过程(b) Fig. 5 Appearance (a) and effervescent process (b) of AST effervescent paste |
将优化后的AST泡腾膏进行泡腾崩解制得AST乳液，其基本性质如表 6所示，可以看出，新制的AST乳液的粒径为87.82 nm、PDI为0.101、zeta电位为-44.83 mV。其中，zeta电位绝对值大于30 mV，表明AST乳液具有较高的稳定性。PDI小于0.3，意味着AST乳液的粒径分布较为均一，如图 6(a)所示，AST乳液为均一稳定的橙红色乳液体系，粒径分布图为单峰，粒径范围在30~300 nm之间。
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表 6 AST乳液的基本性质 Table 6 Basic properties of AST emulsion |
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图 6 泡腾膏制备的AST乳液(a)和分散器制备的AST乳液(b)的粒径分布和外观 Fig. 6 Droplet diameter distribution and appearance of AST emulsion prepared by effervescent paste (a) and disperser (b) |
此外，本研究还使用分散器模拟在终端(如家用、简单商用等)条件下制备AST乳液的场景，乳化条件和分散时间与泡腾膏制备AST乳液的乳化条件和泡腾崩解时间一致。对比发现，分散器制备的AST乳液粒径更大(219 nm)，且PDI大于0.3(见表 6)，由图 6(b)也可看出，该条件下制备的AST乳液出现分层现象，其粒径分布出现多峰。以上结果表明分散器制备的AST乳液均一性和稳定性均较差。由此可知，泡腾膏在制备乳液方面表现优良，通过泡腾可以提供比机械法(如机械分散)更有效的微观剪切力以制备乳液。
2.6 AST乳液的透射电子显微镜图像(TEM)AST乳液的TEM图像如图 7所示，乳液液滴呈球形，成型性好，且分布均匀，未观察到明显的乳滴聚集，乳液液滴尺寸大小在100 nm左右，与纳米粒度分析仪测定结果基本一致。
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图 7 AST乳液的透射电子显微镜图像 Fig. 7 Transmission electron microscope images of AST emulsion |
傅里叶变换红外光谱可以从物质的化学结构和官能团组成分析物质间的相互作用。如图 8所示，在AST的红外光谱中，3 009 cm-1处的峰是由反式—CH＝CH—伸缩振动引起的，2 926和2 854 cm-1处的峰分别是由CH2反对称和对称伸缩振动引起的，1 746 cm-1处的峰是由C＝O伸缩振动引起的，1 465 cm-1处的峰是由CH2变角引起的，1 163 cm-1处的峰是由C—O—C伸缩振动引起的，968 cm-1处的峰是由C＝C共轭体系中C—H的变性振动引起的。在空白乳液和AST乳液的谱图中可以看到，AST在3 009 cm-1的反式—CH＝CH—伸缩振动峰，1 746 cm-1的C＝O伸缩振动峰和1 465 cm-1的CH2变角峰等特征峰都消失或者明显减弱，说明AST被成功包封在了乳液体系中。Nalawade等[37]使用FT-IR测定甲基β环糊精-虾青素复合物的特征峰，也观察到了AST特征峰的消失，因此认为AST被包裹在了环糊精腔内。
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图 8 AST(Ⅰ)、空白乳液(Ⅱ)和AST乳液(Ⅲ)的红外光谱图 Fig. 8 FT-IR spectra of AST (Ⅰ), blank emulsion (Ⅱ) and AST emulsion (Ⅲ) |
与此同时，空白乳液和AST乳液在3 200~3 400 cm-1处和1 605 cm-1处出现了新的吸收峰，推测是因为乳化剂分子间相互作用产生的。3 200~3 400 cm-1处的特征峰是由O—H的伸缩振动引起的，空白乳液在3 348 cm-1处有峰，而AST乳液的峰移动至3 379 cm-1，这说明AST与乳液体系之间形成了氢键[38]。
2.8 AST乳液的XRD分析AST乳液及乳化剂物理混合物的X射线衍射图如图 9所示。乳化剂物理混合物在2θ=8°、2θ=20°处有明显的衍射峰，显示出较高的结晶度。制备的AST乳液在2θ=20°处同样观察到衍射峰，且在2θ=20°处AST乳液的峰强度大于物理混合物的峰强度，峰宽也有明显扩展，表明AST被成功包封到乳液中[39]，而在2θ=8°处AST乳液的峰几乎消失，这可能是因为乳化剂和AST在乳化过程中二者相互作用会影响晶体尺寸，赵嘉雯在使用4种不同蛋白稳定的南极磷虾油乳液中也观察到类似的结果[40]。
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图 9 AST乳液(Ⅰ)和乳化剂物理混合物(Ⅱ)的X-射线衍射图谱 Fig. 9 X-ray diffraction pattern of AST emulsion (Ⅰ) and emulsifier mixture (Ⅱ) |
乳液在实际应用过程中，可能会暴露在不同的条件下，如不同pH、离子强度、热处理杀菌或者冻融等，从而影响乳液的稳定性，进而影响AST的稳定性，因此，研究常见加工处理条件对AST乳液体系基本性质(粒径、电位和AST含量)的影响具有重要意义。
2.9.1 pH稳定性pH为2~12对AST乳液的影响如图 10(a)所示。在酸性条件下(pH为2~4)，AST乳液的zeta电位绝对值急剧减小(小于30 mV)，表明此时AST乳液稳定性较差，这可能是因为酸性环境中的H+中和了AST乳液液滴表面由阿拉伯胶和大豆卵磷脂提供的负电荷。当pH为6~12时，zeta电位绝对值逐渐增大且大于30 mV，说明乳滴之间存在足够的静电斥力，可以维持乳液体系的稳定。但是pH的变化对AST乳液的粒径没有显著影响(p＞0.05)，这是因为体系中另一乳化剂吐温80可以产生足够的空间排斥防止乳滴聚结，其对pH相对不敏感[28]。姚弘彬等[41]发现阿拉伯胶稳定的β-胡萝卜素乳液在酸性条件下会发生絮凝或聚集，粒径显著增大，而卵磷脂稳定的乳液在酸性和碱性条件下粒径均增大，与本研究结果对比后进一步反映了吐温80在防止乳滴聚结方面发挥的重要作用。同时可以看到，当pH=2时，乳液中AST浓度最低，在其他pH条件下AST浓度均无显著变化(p＞0.05)，表明酸性条件下AST容易发生降解，这与zeta电位的结果相符，说明酸性条件下乳液稳定性降低会影响其对AST的保护作用，故该乳液应尽量避免在酸性食品中应用。
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图 10 pH(a)、离子强度(b)、热处理(c)、冻融(d)和离心(e)对AST乳液的影响 Fig. 10 Effects of pH (a), ionic strength (b), heat treatment (c), freeze-thaw cycling (d) and centrifugation (e) on AST emulsion |
AST乳液的稳定性来源包括空间位阻和静电斥力，对离子强度较为敏感，故实验选择NaCl这一食品中最常用的盐来调节乳液的离子强度，分析其对AST乳液理化性质的影响，结果如图 10(b)所示。随着NaCl浓度增加，AST乳液的粒径逐渐增大，同时zeta电位绝对值减小，在NaCl浓度大于0.2 mol/L后zeta电位差异并不显著(p＞0.05)，且均显著小于原乳液(CK)，说明当NaCl加入到乳液中时，Na+和Cl-会分别中和乳滴表面的负电荷和正电荷，产生电荷屏蔽效应，促使乳滴聚结。NaCl的加入也使乳液中AST浓度有所减小，但是与原乳液相比，0.1 mol/L离子强度的乳液中AST浓度无显著变化(p＞0.05)，表明低离子强度对AST无显著影响，而离子强度继续增大，则可能破坏乳液的界面结构，进而诱导AST发生降解。Wu等[42]发现卵磷脂稳定的乳液即便在低离子强度下粒径也急剧增加，导致仪器无法测量其尺寸，而阿拉伯胶和吐温80稳定的乳液在整个盐浓度范围内粒径基本保持不变，由此可见，本研究中大豆卵磷脂-阿拉伯胶-吐温80稳定的乳液虽然粒径有一定程度增加，但并未出现相分离现象，可能是3种乳化剂共同作用的结果，此时阿拉伯胶和吐温80主要通过空间排斥来稳定体系。
2.9.3 热稳定性AST分子内含有不饱和共轭双键结构，对热处理较为敏感。如图 10(c)所示，在较低温度(40~60 ℃)时，AST乳液的粒径、PDI、zeta电位和AST浓度均没有显著变化(p＞0.05)，表明低温短时热处理对AST乳液的影响较小，同时因为AST被包埋进乳液中，其热抵抗能力得到改善。在较高温度(80~100 ℃)时，乳液粒径增大，zeta电位绝对值减小，AST浓度降低，且热处理时间越长，对AST乳液的破坏作用越强。通过与高巍[43]的研究结果对比，发现吐温80稳定的椰子油基纳米乳液在热处理时同样出现类似现象，表明乳液的热稳定性与吐温80密切相关，这可能是因为体系中吐温80头基的最佳曲率发生变化，Saberi等[44]研究证明，当加热温度接近非离子型表面活性剂的相转变温度时，乳液液滴会产生聚结的趋势，致使乳液粒径增大，稳定性变差。因此，该乳液在实际加工及应用过程中要避免长时间在高温下暴露。
2.9.4 冻融稳定性冻融过程对乳液稳定性的影响是多方面的，主要因素包括体系结晶程度、乳液组成和水分子行为等，由图 10(d)可知，在冻融1次后AST乳液的各指标均无显著变化(p＞0.05)，冻融2~3次后粒径显著增大，AST浓度显著降低，但总体上表现出较好的冻融稳定性，经过3个冻融循环后未出现破乳现象，这可能与体系中崩解剂碳酸氢钠和酒石酸的存在有关，有研究表明[45]，添加适量的盐或糖等溶质可以有效地降低冰晶的形成几率，从而显著提高乳液在冻融过程的稳定性。
万文瑜等[46]研究了核桃蛋白-黄原胶复合Pickering乳液的冻融稳定性，发现1次冻融后该乳液就出现明显破乳现象，李季楠[31]研究了以酪蛋白酸钠为乳化剂的叶黄素纳米乳液的冻融稳定性，发现冻融后的纳米乳液最上层出现黄色油相，冻融多次后乳液出现絮凝的情况。而本研究制备的AST乳液经3个冻融循环后仍保持相对稳定，表明大豆卵磷脂-阿拉伯胶-吐温80稳定的乳液具有良好的冻融稳定性。
2.9.5 离心稳定性使用LUMiSizer稳定性分析仪测定AST乳液的离心稳定性，结果如图 10(e)所示。在该研究中，样品池顶部和底部的位置分别位于105和130 mm处，弯液面位于108 mm处。图 10(e)显示了AST乳液在样品池各位置的透射光强度随时间的变化谱线，谱线的密度越大表示样品出现相分离现象所需的时间越久[47]。由图 10(e)可知，AST乳液的谱线分布较为密集，说明其具有较好的稳定性。在整个离心过程中，AST乳液的峰面向底部移动，说明样品池底部透射光强度增加，部分乳滴在离心作用下向乳液体系上方移动，但程度较轻，这证明了乳液较高的稳定性，不存在油水分层现象，也不存在乳液明显的上浮或沉降的现象，表明AST乳液具有良好的离心稳定性。
3 结语本文基于泡腾崩解的原理，利用膏体泡腾制备了AST乳液，结果显示，AST泡腾膏的泡腾崩解时间为315.33 s，泡腾速率较快，能在短时间内制备出乳液。新制的AST乳液粒径为87.82 nm、PDI为0.101、zeta电位为-44.83 mV，乳液液滴呈球形且分布均匀。对比发现，在制备AST乳液方面，泡腾膏比机械法效果更佳。稳定性研究表明，AST乳液耐碱性好，耐酸性较差；NaCl的加入和高温热处理(80~100 ℃)会使AST乳液粒径增大，zeta电位绝对值减小，AST浓度降低，AST乳液热稳定性最高可承受温度不超过60 ℃；冻融1次对AST乳液无显著影响，冻融2~3次后粒径增大，AST浓度降低；AST乳液具有良好的离心稳定性。总体上AST乳液表现出较好的稳定性，经食品中常见加工条件处理后均未出现絮凝、破乳等现象，可见泡腾膏在泡腾崩解过程中能提供足够的能量使乳化剂吸附在油水界面以提供保护，说明膏体泡腾这一新型分散方式可以获得稳定的乳液体系。
本文成功验证了通过泡腾油膏获得稳定乳液的可行性，为乳液这种分散体系的快速制备提供了新思路，也为基于泡腾膏的新型食品、药品的开发提供了理论依据。后续可以继续研究泡腾膏在Pickering乳液、脂质体等分散体系中的应用，从而完善泡腾膏制备分散体系的相关研究内容。
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