微乳的稳定性研究

张佩华，梅 子，傅玉颖，*

(1.浙江省质量检测科学研究院，浙江杭州310013;2.浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江杭州310035)

微乳，能通过表面活性分子，将两种互不相容相制备成热力学稳定，各向同性的均一透明的纳米级分散体系［1］。作为一种优良的载体，它能有效提高非水溶性物质在水中的溶解度，保护增溶于其中的活性物质(β－胡萝卜素，抗坏血酸VE等)抵抗外界环境破坏及一系列降解反应(氧化、消化、酶解等)［2－4］，常在食品、化妆品及医药中增溶运载非水溶性活性物质［5－7］。将单辛酸甘油酯作为油相制备出食品级O/W型微乳可有效改善单辛酸甘油酯在水中的溶解状况。但相对于其他行业，食品微乳化技术挑战性较高，出于安全角度考虑，能应用于食品的表面活性剂种类、用量极为有限。且食品加工过程中，水相稀释及各种成分添加往往会破坏微乳结构，引起微乳相变。在食品行业中，拥有水稀释能力的溶胶才具有实践价值［8］，而目前缺乏具有稀释稳定性的微乳浓缩液［9］。本实验，通过粒径分析，浑浊度测定，Zeta电位比较，离心及稳定性实验，继续深入探讨稀释，盐离子浓度，酸碱性，温度对单辛酸甘油酯微乳稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

单辛酸甘油酯(GMC)食品级，河南正通化工有限公司;吐温80 食品级，广州汇科精细化工有限公司;无水乙醇、丙二醇(PG)、磷酸氢二钠、氯化钠天津市永大化学试剂有限公司;柠檬酸 天津市光复科技发展有限公司;双蒸水 实验室自制;上述试剂无特殊说明外皆为分析纯。

粒度、Zeta电位分析仪(Zatasizer Nano ZS) 英国马尔文公司;紫外分光光度计(UV－3200PC) 上海美谱达;电导率仪(DDSJ－308A) 上海精科;离心机(TGL－16M) 湖南湘仪;超声波清洗器(KQ100－DE) 昆山市超声仪器有限公司;分析天平(AR2140)美国奥豪斯仪器有限公司;pH计(PHS－3C)上海理达仪器厂;自动双重纯水蒸馏器(SZ－93)上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 微乳制备 经过筛选实验，确定油相:单辛酸甘油酯(GMC)与丙二醇(PG)质量比2∶1，表面活性剂相:吐温80与乙醇质量比2∶1，拟三元相图见图1。固定油相与表面活性剂相质量比7∶3混合均匀，称取一定质量的微乳原液于具塞比色管中，分别用5倍，10倍，100倍质量的水相稀释，制备出 T73－5，T73－10，T73－100微乳，同样方法制备油相与表面活性剂相质量比8∶2 的微乳 T82－5，T82－10，T82－100(配方比例见表1)。每支比色管上下颠倒10次，超声30min，25℃平衡24 h。

图1 单辛酸甘油酯拟三元相图Fig.1 Phase diagram of the GMC microemulsion system

表1 微乳各组分质量分数Table 1 GMC，Tween80 and Water calculated concentration in different microemulsion systems

1.2.2 电导率测定 将油相、表面活性剂相按一定质量比配制的微乳原液于试管中，恒温在(25±1)℃下，逐渐滴加水相，搅拌均匀，测定电导率随含水量的变化。

1.2.3 pH测定 参照2.2电导率测定方法测定pH随含水量的变化值。

1.2.4 增溶特性 Wm［10］，某一稀释线上水相的最大添加量。

1.2.5 稳定性实验

1.2.5.1 粒度分析 采用Zatasizer Nano ZS粒度分析仪，测定前各试管微乳上下颠倒10次以混匀，记录微乳的平均粒径及粒径分布图。平行3次，测定温度与微乳贮放温度对应，粒径分布图为平衡7d时的微乳粒径分布。

1.2.5.2 浑浊度测定 用分光光度法测量吸光度，表征微乳的浑浊度。

吸收波长的选择:

对在25℃下静置24h后的T82－100、T73－100 微乳进行350～800nm全波段扫描，选取适当的波长，作为浑浊度比较的入射光波长。

吸光度(Abs)测定:

在适当的波长下，测量微乳的吸光度，体系越浑浊，吸光度越大。

1.2.5.3 Zeta电位测定 选用Zeta电位尺寸测量范围为3.8nm～100μm的马尔文Zatasizer Nano ZS分析仪，样品测试前平衡24h，25℃下测量，每个样品扫描6次，2次平行。

1.2.5.4 离心实验 3000r/min，离心5min［11］观察微乳沉淀、分层及油水相分离情况。

1.2.5.5 贮藏实验 25℃及测试温度下存放1个月，定期观察乳液浑浊、分层及沉淀情况。

2 结果与分析

2.1 浑浊度测量方法确定

分光光度法可用来测量水质、悬浊液、饮料等的浊度，当乳液中当粒子直径远大于入射光光波长(D≫λ)时，主要发生光的反射，也有可能发生光的折射或吸收，体系呈浑浊状;当粒子直径远小于入射光光波长(D≪λ)时，光完全透过，体系呈澄清透明状态;当粒子直径与入射光光波长相差不大时，则光有散射现象，体系呈半透明状［12］。

图2 微乳体系全波段扫描Fig.2 All band ultraviolet scanning for microemulsion systems

T73－100，T82－100 在入射光光波长 350～800nm无特征吸收峰，微乳液的质点一般在10～100nm，远小于可见光的波长400～780nm，光能完全透过，且一般分光光度计在600nm处对浑浊度反应比较灵敏，并结合参照文献［13］，选取600nm为吸光度测量时的入射光光波长。

2.2 稀释对微乳的影响

2.2.1 相行为的变化 水分稀释会引起微乳相行为的变化。图1中白色部分为单相区(混合液透明或半透明)，黑色部分为多相区(混合液浑浊或分层)，各稀释线上，最大水相增溶量Wm变化见表2。

随着表面活性剂相比例的增加，稀释线最大水增溶量也逐渐增大，当表面活性剂相与油相比为7∶3，8∶2和9∶1时，Wm达到100%，即此微乳有三条无限稀释通道，T73、T82和T91，它们分别表示表面活性剂相的质量分数为70%，80%与90%，油相质量分数为 30%，20%与 10%［14］。

表2 微乳稀释线水相增溶量变化Table 2 Water solubilization capacity，Wm，alone dilution lines

考虑到油的增溶及微乳稀释稳定性，选择T73，T82稀释线作为研究对象。

T73与T82电导率变化趋势相同，根据电导渗滤阈值理论，T73与T82的渗滤阈值均为13%。水含量小于13%时，形成的W/O型微乳外相不易导电，体系主要靠分散水滴碰撞电导，电导率增加缓慢。以T73为例，13% ＜W% ＜52%时，电导率呈直线上升，增加的水滴逐渐形成电导链，当水含量处于52%～68%时，初期由W/O型微乳液滴粘性碰撞产生的水相通道扩大并连接，形成网络结构，体系处于油水局部连续的过度态中间结构，即双连续相(B.C)，电导率增加减缓，68%水含量时电导达到最大，完成双连续相向O/W型微乳的转变，之后水分的稀释使得电导率下降。T82微乳在水含量为47%时就开始由W/O型转变为双连续型，W% ＞66%时，完成双连续型微乳向O/W型微乳的转变。T82微乳双连续型结构(B.C)形成范围(47% ＜W% ＜66%)略大于T73微乳(52% ＜W% ＜68%)，这可能是表面活性剂比例的提高利于B.C型微乳的形成。

2.2.2 pH变化 水分含量＜10%之前，pH稍有增大，之后一直减小到趋于恒定。这可能是单辛酸甘油酯中含有少量杂质辛酸，在水分稀释过程中，辛酸缓慢溶解使得pH一直下降到趋于固定值。

2.2.3 粒径及浑浊度变化 通过比较不同含水量T73－5、T73－10、T73－100 和T82－5、T82－10、T82－100微乳的粒径分布及贮藏过程中吸光值、平均粒径变化，分析稀释及组分对微乳稳定性的影响。

图4 pH随水含量的变化Fig.4 The influence of water on the pH of dilution lines T73 and T82

图5描述的是不同稀释梯度微乳的粒径分布。T73－5微乳只有一个分布峰，集中在5～30nm之间，T73－10微乳粒径主要分布在 6～25nm，在 100～1000nm处也有明显分布，而 T73－100微乳在6～600nm之间都有分布，以6～50nm的粒径为主，见图5a;T82－5，T82－10，T82－100 微乳随着水分含量的增加，粒径分布没有明显变化，都集中在5～50nm之间，只有T82－100微乳有极少量大于100nm的微粒，见图5b。图6a测定的是用5、10、100倍质量水稀释的T73微乳25℃下分别贮藏1、7、30d时的粒径及吸光度。T73－5微乳粒径几乎无变化，T73－10、T73－100微乳随着时间的推移，粒径均增大，其中T73－10粒径在7～30d之间变化明显。不同水分含量的T82－5、T82－10、T82－100 微乳，在 1～30d 的贮藏期内，平均粒径均＜15nm，吸光值维持在0.015以下。(图6b)

图5 各稀释度下微乳粒径分布图Fig.5 The influence of water concentration on particle size distributions of different microemulsions

水分稀释会减少了表面活性剂相对含量，使单体液滴上吸附的表面活性剂量不足，不能维持满足超小尺寸纳米颗粒的超低界面张力，单体液滴易于凝结。同时，稀释可能会引起乙醇等助表面活性剂从微乳单体液滴界面分离出来，溶解到连续相中，动摇微乳微粒界面，最终破坏微乳微结构［15］，造成T73－10、T73－100 微乳产生较大粒径;但 T73－100 微乳贮藏30d的平均粒径小于T73－10，体系比T73－10澄清，呈半透明状，T73－10却变成了白色浊状液体，这也许是稀释拉开了微乳微粒之间的距离，减少了微粒碰撞聚合的几率。

T82所有稀释度的微乳都具有优良的稀释稳定性。制备食品级微乳时，当油与表面活性剂结构兼容，再适当地添加多元醇(丙醇、甘油)与乙醇，可得到水或油全稀释的微乳［16］单辛酸甘油酯与吐温80都是双亲分子，亲油基均为脂肪酸基，单辛酸甘油酯亲水基呈线状，吐温80亲水基呈环状，他们具有良好的兼容性，当以合适比例混合时，再多的水分稀释也不会引起微乳体系发生相变。

图6 不同贮藏时间稀释度对微乳粒径及吸光度的影响Fig.6 Effect of water and storage time on the mean particle diameter and absorbance of microemulsions

2.3 Zeta电位的测定

Zeta电位测量的是粒子表面静电荷和界面电压分布，是粒子间静电作用的一个重要参数，常用来表征胶体分散系的稳定性。一般把Zeta电位绝对值25～30mV作为分散系稳定的分界线，大于25～30mV的才具有稳定意义。本实验制备的各稀释度T73、T82微乳，随着稀释倍数的加大，Zeta电位绝对值也不同程度的相应增加，这可能是因为制备微乳的单辛酸甘油酯含有少量的辛酸杂质，随着水分的添加，辛酸电离程度提高，导致体系中产生微量电荷。这些微乳体系的Zeta电位绝对值都小于20mV，低于25～30mV，但这并不能说明体系不稳定，从粒径分析，浑浊度测定，贮藏实验评价等角度考察，各稀释度的T82微乳具有很好的稳定性。这可能是因为非离子表面活性剂制备的微乳体系中不带电荷，稳定性主要依赖与超低界面张力。Zeta电位的测定对与评价非离子表面活性剂制备的乳剂稳定性价值不大［17］，不少文献制备的稳定性微乳 Zeta 电位也不高［18－21］。

表3 各稀释度微乳的Zeta电位Table 3 Zeta potential of different microemulsion systems

2.4 盐离子浓度对微乳的影响

选择T73－100与T82－100为研究对象，探讨盐离子浓度对微乳稳定性的影响。

以0.1、0.2、0.3、0.6mol/L 的 NaCl盐溶液代替双蒸水为水相，配制出不同盐离子浓度的T73－100，T82－100微乳，放置于25℃下贮藏，观察微乳表观状态，测定25℃下的粒径及600nm下的吸光值。

一般而言，非离子表面活性剂配置的微乳，电解质能吸附与胶粒表面形成溶剂化层，使分散相与分散介质性质相同，减小两粒子间的吸引力，稳定微乳，同时电解质的加入会争夺体系中的水，引起表面活性剂“盐析”，降低增溶能力，不利于微乳稳定。图7a描述的是不同盐离子浓度的T73－100微乳在25℃下贮藏7d的粒径分布。0.1mol/L NaCl配制的微乳有两个主要分布峰，7～60nm与80～800nm，与不加盐离子的对照微乳及0.2mol/L下的微乳粒径分布比较，20nm左右的微粒分布较多;0.3mol/L NaCl配置的微乳，粒径在8～200nm之间都有分布，只有1个分布峰，但主要集中分布在20nm左右，当盐离子浓度达到0.6mol/L时，粒径分布增宽到8～400nm，且在100nm左右的微粒增多。贮藏30d时，各盐离子浓度的T73－100微乳平均粒径均有不同程度增加，其中0.1mol/L下的平均粒径最小，0.6mol/L的最大，见图8a。这些现象的发生可能是因为微量的盐离子能在微乳粒表面形成溶剂化层，加大微乳之间排斥力，有利于微乳稳定，但当盐离子过多时，会争夺水分子，减少溶解表面活性剂的分散剂，促进微乳粒之间聚沉，随着时间的推移，逐渐产生大颗粒。

盐离子对 T82－100微乳影响较小。在0～0.6mol/L NaCl范围内，T82－100微乳平均粒径均小于20nm(图7b)，粒径分布于7～30nm之间(图7b)，贮藏期30d内，平均粒径无明显变化(图8b)，离心实验无沉淀及分层现象，相对于T73－100来说，T82－100微乳具有良好的耐盐性及贮藏稳定性。

2.5 pH对微乳的影响

0.1 mol/L柠檬酸与0.2mol/L磷酸氢二钠配置成缓冲液代替双蒸水为水相，制备出pH分别为3、5、7、8的T73－100，T82－100微乳，探讨pH对微乳稳定性的影响。

不同 pH下，T73－100微乳的粒径在 100～1000nm之间都有较多分布，且随着pH的增大，此粒径范围内的微粒逐渐增多(图10a)。一方面可能是柠檬酸与磷酸氢二钠的添加，增加了体系中的电解质，改变了微乳微观结构;另一方面，配置此微乳的表面活性剂(吐温80)与油(单辛酸甘油酯)都属于酯类，酯类在酸碱条件下会发生水解反应，特别在碱性溶液中，发生的皂化反应会不可逆得生成相应的醇与羧酸盐。醇分散到水相中，单个表面活性剂的亲水基团变为COO－，亲水基团尺寸减小，亲水性相对减弱，当水解达到一定量时，会使得表面活性剂之间距离增加，减小微乳微粒之间的排斥力，发生聚合。因此对比双蒸水配置的T73－100对照微乳，各pH下的平均粒径均有不同程度增大，pH8时增加幅度最大。pH3对微乳平均粒径影响最小，这可能是因为H3O+的提供，加强了非离子表面活性剂聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯(吐温80)氧乙烯基团上的氧与醇分子中－OH基团结合，形成稳定的氢键，加强微乳液的液膜强度，有利于稳定［22］。

图7 各盐离子浓度下微乳粒径分布图Fig.7 The influence of NaCl concentration on particle size distributions of different microemulsions

图8 不同贮藏时间盐离子对微乳粒径及吸光值的影响Fig.8 Effect of storage time on mean particle diameter and absorbance of microemulsions prepared with different concentrations of aqueous NaCl

图9 各pH下微乳粒径分布图Fig.9 The influence of pH on particle size distributions of different microemulsions

在不同pH下，T82－100微乳均集中分布在5～50nm之间(图9b)，且在30d贮藏期内，平均粒径及浑浊度变化不明显(图10b)。T82－100在pH3～8范围内，具有较高的稳定性。

2.6 温度对微乳的影响

选择0、25、40℃，3个温度梯度为变化因素，将配制好的T73－100，T82－100微乳贮藏在对应温度下，观察表观性状变化，并定期测定相应温度下的粒径及吸光值。

图11a，各温度下T73－100微乳粒径分布中发现，0℃时，微乳粒径大部分分布在＞100nm，尤其＞1000nm的微粒数量比对照组(25℃)增多明显，微乳贮藏30d后有白色沉淀产生。这可能是因为低温使布朗运动减弱，不利于分散，导致微粒聚沉;而40℃时，微乳颗粒平均粒径增大，保持在100nm左右，外观呈均一半透明，有淡蓝色乳光。这可能是在低于吐温80相转变温度65℃时，温度的提高会减小界面张力，增加微粒之间的有效碰撞概率，导致粒径变大。但此微乳在40℃下贮藏30d后，粒径依旧分布在100nm左右，引起此现象的原因，及是否可逆，有待进一步研究。

图10 不同贮藏时间pH对微乳粒径及吸光值的影响Fig.10 Effect of storage time on mean particle diameter and absorbance of microemulsions prepared with different pH aqueous solution

图11 各温度下微乳粒径分布图Fig.11 The influence of temperature on particle size distributions of different microemulsions a.T73－100;b.T82－100。

温度对T82－100微乳粒径分布影响不大，均主要分布在5～30nm之间，0℃低温导致粒径＞100nm的微粒稍微增多，贮藏30d后的平均粒径增大到34nm(图12b)，表观性状及吸光值改变不明显。但40℃下，T82－100微乳几乎无变化，具有较好的稳定性。

图12 不同贮藏时间温度对微乳粒径及吸光值的影响Fig.12 Effects of storage time on mean particle diameter and absorbance of microemulsions prepared under different temperature

3 结论

3.1 该微乳在300～600nm范围内分光光度计全波段扫描，没有吸收峰。选择T73与T82稀释线为研究对象，通过电导率测定，确定了T73及T82微乳的相行为变化及不同结构微乳的相区域，发现表面活性剂比例的提高能扩大B.C型微乳形成范围。

3.2 用5、10、100倍质量双蒸水稀释T73及T82微乳的研究中表明，稀释是导致微乳不稳定性的重要因素之一，随着水分添加，T73微乳平均粒径增大，且贮藏不稳定，而各稀释度的T82微乳具有优良的稳定性，在30d的贮藏期内，平均粒径、吸光度都很小。通过比较微乳的Zeta电位，发现Zeta电位并不适合于评价非离子表面活性剂制备的微乳稳定性。

3.3 盐离子对非离子表面活性剂制备的微乳影响较小，少量的盐离子有利于微乳的稳定，较高浓度时会导致大粒径微粒增多。

3.4 pH会引起微乳粒径向右分布，尤其是碱性条件，当pH为8时，T73－100微乳粒径在＞100nm有较多分布，表观性状也明显发生变化。

3.5 选择0、25、40℃探讨温度对微乳稳定性的影响发现，0、40℃会影响T73－100 微乳的稳定性，40℃下贮藏7d，T73－100微乳呈良好的均一半透明状且具有乳光现象，粒径均匀分布在100nm左右，30d后，此现象依旧，粒径分布变化不大。

3.6 本实验制备的 T82－100微乳，在 NaCl浓度0.1～0.6mol/L，pH3～8，温度 0～40℃ 之间，吸光值＜0.015。

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