响应面法优化超声乳化制备油茶籽油纳米乳液及其稳定性研究

胡 伟,李湘洲,穆园园

(1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，长沙 410004；2.湖南省林业科学院，长沙 410004)

油脂加工

响应面法优化超声乳化制备油茶籽油纳米乳液及其稳定性研究

胡 伟1,2,李湘洲1,穆园园1

(1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，长沙 410004；2.湖南省林业科学院，长沙 410004)

以Tween80为乳化剂，研究了超声功率、油茶籽油体积分数、乳油比及其交互作用对超声乳化制备油茶籽油纳米乳液平均粒径及多分散指数的影响，利用响应面法优化了制备条件并对油茶籽油纳米乳液的稳定性进行初步评价。结果表明：油茶籽油纳米乳液的平均粒径及多分散指数模型拟合度R2分别为0.974 2和0.951 9；最优制备条件为超声功率405 W、超声时间15 min、油茶籽油体积分数8.3%、乳油比0.16∶1，在该条件下油茶籽油纳米乳液的平均粒径为(74.9±0.85)nm，多分散指数为0.17±0.01；贮存温度、贮存时间及二者的交互作用对油茶籽油纳米乳液的平均粒径及多分散指数有极显著影响(P<0.01)，油茶籽油纳米乳液在5.℃和25.℃条件下贮存60 d，其平均粒径小于90 nm，多分散指数小于0.3，表现出了较好的动力学稳定性。

超声乳化；油茶籽油；纳米乳液；响应面；稳定性

Abstract：With Tween80 as emulsifier,the effects of ultrasonic power,oil- tea camellia seed oil (CSO) volume fraction and ratio of emulsifier to oil (SOR) on the mean droplets diameter (Z-Ave) and polydispersity index (PDI) of the CSO nanoemulsion were investigated.The preparation conditions of CSO nanoemulsion using ultrasonic emulsification were optimized by response surface methodology and its stability was determined.The results showed thatR2of Z-Ave andPDIwere 0.974 2 and 0.951 9 respectively.The optimal preparation conditions were obtained as follows: ultrasonic power 405 W,ultrasonic time 15 min,CSO volume fraction 8.3% and SOR 0.16∶1.Under these conditions,Z-Ave was (74.9±0.85)nm andPDIwas 0.17±0.01.Moreover,the effects of storage time and storage temperature as well as their interactions on the Z-Ave andPDIwere highly significant (P<0.01).CSO nanoemulsion stored at 5.℃ and 25.℃ for 60 days,Z-Ave was less than 90 nm,andPDIwas less than 0.3.It showed good dynamic stability.

Keywords：ultrasonic emulsification; oil-tea camellia seed oil; nanoemulsion; response surface methodology; stability

油茶籽油又称茶油，是从山茶科山茶属植物的普通油茶(CamelliaoleiferaAbel.)成熟种子中提取的高级食用植物油。油茶籽油的脂肪酸组成与橄榄油相似，油酸含量高达74%～87%，且含有VE、β-胡萝卜素、角鲨烯、茶多酚等功能成分，具有增强免疫和抗氧化作用，目前已应用于食品、日化等多个领域[1-2]。

纳米乳液是一类液相以液滴形式分散于第二相的胶体分散体系，粒度在50～200 nm，呈透明或半透明状，也被称为细乳液、超细乳液、不稳定的微乳液和亚微米乳液等[3]。O/W型纳米乳液能够较好地载运及保护脂溶性活性成分(ω-3脂肪酸、β-胡萝卜素、VE等)，具有较高的生物利用度和环境耐受性[4]，在食品、日化、医药等领域备受关注。与大豆油、葵花籽油相比，油茶籽油营养丰富，对脂溶性活性成分具有很好的溶解性[5-6]，在生物亲和性及稳定性方面具有明显优势，是制备纳米乳液优良油相原料。国内目前已有葵花籽油纳米乳液[7]、姜油纳米乳液[8]等研究，但未见油茶籽油纳米乳液的研究报道。

超声乳化法是基于超声空化效应理论建立起来的一种高能乳化法，相比传统乳化法，可有效减小乳液粒径及降低分散性，减少能量的热损耗及乳化剂用量，具有清洁高效、操控灵活等优势，在纳米乳液的制备中显现出很大潜力[9]。本文探讨了超声声学参数及乳液组成对油茶籽油纳米乳液平均粒径(Z-Ave)及多分散指数(PDI)的影响，采用响应面实验优化了制备条件，并对其稳定性能进行初步评价，以期为油茶籽油纳米乳液产品的开发提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

油茶籽油(压榨一级)，湖南林之神生物科技有限公司；聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯(Tween80)，天津市科密欧化学试剂有限公司；苏丹红III，天津市致远化学试剂有限公司；亚甲基蓝，国药集团化学试剂有限公司；磷钨酸，美国Sigma公司。

1.1.2 仪器与设备

Scientz-950E超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；Zetasizer Nano ZS激光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司；ES35B磁力搅拌器，北京莱伯泰科仪器股份有限公司；P10-Y超纯水机，长沙科尔顿水务有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 超声乳化油茶籽油纳米乳液的制备

在室温条件下，选用油茶籽油为油相，Tween80为乳化剂，按一定比例将Tween80与油茶籽油用磁力搅拌器以700 r/min混合15 min，然后缓慢滴加一定量的去离子水，以2 000 r/min混合2 min至均匀，形成粗乳液。

取一定量粗乳液于烧杯中，置于超声波细胞粉碎机中，选用Ф6 mm超声变幅杆，按照设定的超声功率、超声时间进行超声乳化，过程中用冰水浴降温。设定单因素基本条件为超声时间15 min、超声功率400 W、油茶籽油体积分数10%、乳油比0.15∶1。

1.2.2 油茶籽油纳米乳液的粒径分析

采用动态激光散射技术，将制备的油茶籽油纳米乳液样品预先用蒸馏水稀释10倍，利用激光粒度仪在90°散射角、25.℃条件下测量纳米乳液的粒径及PDI。

1.2.3 纳米乳液类型的鉴定

[10]通过染色法鉴定纳米乳液的类型，取相同体积的两份纳米乳液样品，将1 mg/mL水溶性亚甲基蓝和油溶性的苏丹红溶液分别滴加到纳米乳液中，观察两种染色剂在纳米乳液中的扩散速度。如果亚甲基蓝的扩散速度快，则纳米乳液为O/W 型；如果苏丹红的扩散速度快，则为W/O型；两者扩散速度相同则为双连续型。

1.2.4 纳米乳液透射电子显微镜(TEM)分析

取适量油茶籽油纳米乳液样品，用蒸馏水稀释10倍后，滴加在覆盖有碳膜的铜网上，用2%的磷钨酸溶液进行染色处理后放至通风处干燥，通过透射电镜观察纳米乳液的形态并拍照[8,10]。

1.2.5 纳米乳液稳定性能研究

参考文献[11]，取10 mL油茶籽油纳米乳液样品装入具盖玻璃管中，用铝箔包裹，分别置于5、25、45.℃条件下贮存60 d，采用1.2.2方法每隔15 d测定样品的粒径及PDI。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 超声功率对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响

基本条件参照1.2.1，考察超声功率对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响，结果见图1。

图1 超声功率对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响

由图1可知，随着超声功率的提高，油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI均先降低后增大。PDI是评价纳米乳液分散性的指标，其数值越小，说明分散性越好。当超声功率分别为500 W和400 W时，油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI达到最小值。而后随着超声功率的继续提高，油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI又有所增大。为此，实验选取的超声功率范围是300～500 W。

2.1.2 油茶籽油体积分数对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响

基本条件参照1.2.1，考察油茶籽油体积分数对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响，结果见图2。

图2 油茶籽油体积分数对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响

由图2可知，随着油茶籽油体积分数的提高，油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI均先降低后增大。其平均粒径和PDI分别在油茶籽油体积分数为5%和10%时达到最小值，继续提高油茶籽油体积分数对降低纳米乳液的平均粒径有不利影响，而对PDI影响并不明显。为此，实验选取油茶籽油体积分数范围是5%～15%。

2.1.3 乳油比对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响

基本条件参照1.2.1，考察乳油比对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响，结果见图3。

图3 乳油比对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响

由图3可知，随着乳油比的增加，油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI均先降低后增大，在乳油比为0.2∶1和0.15∶1时，油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI分别达到最小值。为此，实验选取的乳油比范围是0.1∶1～0.2∶1。

2.2 响应面优化实验

2.2.1 回归方程的建立及模型方差分析

在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken Design(BBD)设计原理，在影响超声乳化制备油茶籽油纳米乳液的工艺参数中，超声时间15 min，选择超声功率(X1)、油茶籽油体积分数(X2)、乳油比(X3)为主要考察因素，以油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI为响应变量，使用Design-Expert 7.5软件进行数据分析。因素与水平见表1，响应面实验方案及结果见表2，方差分析见表3、表4。

表1 因素与水平

表2 响应面实验方案及结果

表3 Z-Ave方差分析

表4 PDI方差分析

由表3、表4可知，实验选取的油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI两个模型不同处理间差异都极显著(P<0.01)，而失拟项差异均不显著，说明残差均由随机误差引起。两个模型的拟合度R2分别为0.974 2 和0.951 9，说明响应值平均粒径及PDI的变化分别有97.42%和95.19%来源于所选变量，模型拟合度较好，使用该模型对油茶籽油纳米乳液的平均粒径和PDI进行预测是可靠的。

(1)

(2)

各因素对平均粒径及PDI的影响大小顺序分别为：油茶籽油体积分数>乳油比>超声功率；乳油比>油茶籽油体积分数>超声功率。这可以解释为纳米乳液是热力学不稳定体系，不能自发地形成。纳米乳液粒径及分散性由超声空化作用所产生的高剪切力(能量)和乳液流变学特性共同决定。在能量足够打破原有相平衡条件下，乳液组成(油茶籽油体积分数、乳油比)是控制体系主要参数，乳液组成及性质对纳米乳液粒径及PDI影响可能更大。

2.2.2 响应面图分析

图4(a)及图5(a)分别表示当乳油比设定在零水平时，超声功率和油茶籽油体积分数对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响。油茶籽油纳米乳液的平均粒径随着油茶籽油体积分数的增加而增大，提高超声功率能降低油茶籽油纳米乳液平均粒径，而随着超声功率的继续提高，平均粒径又呈现增大趋势。超声过程传递的总能量由超声功率和超声时间乘积决定，提高超声功率意味着传递更多的能量用于降低纳米乳液的粒径及PDI。超声时间固定，为了达到超声空化作用的阈值，超声功率通常优化到合理水平。继续提高超声功率会造成空化作用时气泡的增加，影响能量传递，超声功率的转化率降低，这与Kentish等[12]研究结论一致。

图4(b)及图5(b)分别表示当油茶籽油体积分数设定在零水平时，超声功率和乳油比对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响。乳化剂可以降低界面张力，降低乳化时能量的消耗，乳化剂浓度对纳米乳液粒径及分布具有重要影响。在较低的乳油比范围内，提高超声功率对减小油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI并不明显，而增加乳油比则有利于降低油茶籽油纳米乳液的平均粒径及PDI。Chalothorn等[13]研究发现随着乳清分离蛋白浓度的增大，车前叶蓝蓟籽油乳液粒径及PDI显著减小。Rao等[14]研究发现当Tween80由7%提高到13%，柠檬油纳米乳液的平均粒径达到了50 nm。

图4(c)及图5(c)分别表示当超声功率设定在零水平时，油茶籽油体积分数和乳油比对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响。交互项X2X3的等高线呈椭圆形，表明这两项交互作用显著，油茶籽油体积分数的增加意味着需要更多的乳化剂以降低表面张力。

2.2.3 回归模型的优化及验证

以油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的权重比为1∶1，对模型方程最小化分析，得到X1=0.05，X2=-0.34，X3=0.17，得出制备油茶籽油纳米乳液的最佳工艺条件为：超声功率405 W，油茶籽油体积分数8.3%，乳油比0.16∶1。在超声时间15 min条件下对该优化条件进行验证实验，实测油茶籽油纳米乳液的平均粒径为(74.9±0.85)nm，PDI为0.17±0.01，与模型预测值平均粒径和PDI的相对误差分别为2.3%和1.1%，实测值与模型计算值具有较好的拟合性。

图4交互作用对油茶籽油纳米乳液平均粒径的影响

图5 交互作用对油茶籽油纳米乳液PDI的影响

2.3 油茶籽油纳米乳液的类型及形态

染色法实验中观察到亚甲基蓝溶液在乳液中扩散速度较快，制备的油茶籽油纳米乳液为O/W型。油茶籽油纳米乳液的透射电镜图如图6所示。

图6 油茶籽油纳米乳液的透射电镜图

由图6可知，由于超声空化作用，油茶籽油纳米乳液的平均粒径较小，呈球形分布，表明超声乳化能够起到较好的乳化效果。

2.4 油茶籽油纳米乳液稳定性能研究

贮存温度和贮存时间对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的方差分析见表5。

由表5可知，贮存温度、贮存时间及二者的交互作用对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响都极显著(P<0.01)，而贮存温度和贮存时间对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响较二者的交互作用更强。

表5 贮存温度和贮存时间对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的方差分析

贮存温度和贮存时间对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI的影响如图7、图8所示。

图7 贮存温度和贮存时间对油茶籽油纳米乳液平均粒径的影响

由图7可知，随着贮存时间的延长，在5.℃和25.℃ 贮存条件下，油茶籽油纳米乳液的平均粒径先略有降低，随后缓慢增大。在45.℃条件下，油茶籽油纳米乳液的平均粒径较5.℃和25.℃时增大明显，贮存60 d油茶籽油纳米乳液开始出现少量分层现象。其原因可能是随着贮存温度的升高，乳液液滴碰撞聚合速率增大以及奥斯瓦尔德熟化现象，导致其平均粒径增大，同理也说明随着贮存时间的延长，油茶籽油纳米乳液在25.℃条件下的平均粒径比在5.℃ 时的稍大。在5.℃和25.℃下贮存60 d，油茶籽油纳米乳液的平均粒径均小于90 nm。

图8 贮存温度和贮存时间对油茶籽油纳米乳液PDI的影响

由图8可知，在0～45 d，25、45.℃贮存条件下，随着贮存时间的延长，油茶籽油纳米乳液的PDI的变化并不明显。这可能是受纳米乳液体系内相互作用的影响，油茶籽油纳米乳液动力学上先趋于平衡，而后逐渐上升。3种温度条件下贮存60 d，油茶籽油纳米乳液的PDI均小于0.3。

3 结 论

通过响应面实验建立了超声乳化制备油茶籽油纳米乳液的回归模型，油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI模型的拟合度R2分别为0.974 2和0.951 9，使用该模型在实验条件范围内进行预测，结果吻合度好。超声乳化制备油茶籽油纳米乳液的优化条件为：超声功率405 W，超声时间15 min，油茶籽油体积分数8.3%，乳油比0.16∶1，该条件下制备的油茶籽油纳米乳液为O/W型，平均粒径(74.9±0.85)nm，PDI为0.17±0.01。

贮存温度、贮存时间及二者的交互作用对油茶籽油纳米乳液平均粒径及PDI具有极显著影响(P<0.01)，油茶籽油纳米乳液在5.℃和25.℃下贮存60 d，其平均粒径小于90 nm，PDI小于0.3。

超声乳化法能够快速地制备油茶籽油纳米乳液，通过工艺参数优化可获得较为理想的粒径及其分布，并表现出了较好的动力学稳定性，是一种较为实用、高效的纳米乳液制备技术。

参考文献：

[1] 龙伶俐,薛雅琳,张东,等.油茶籽油主要特征成分的研究分析[J].中国油脂,2012,37(4):78-81.

[2] 胡伟,李湘洲,吴志平,等.油茶籽油中油酸富集工艺的响应曲面法优化研究[J].中国油脂,2011,36(1):17-21.

[3] MCCLEMENTS D J.Edible nanoemulsions: fabrication,properties,and functional performance[J].Soft Matter,2011,7(6):2297-2316.

[4] 邓伶俐,余立意,买尔哈巴·塔西帕拉提,等.纳米乳液与微乳液的研究进展[J].中国食品学报,2013,13(8):173-180.

[5] ABBAS S,HAYAT K,KARANGWA E,et al.An overview of ultrasound-assisted food-grade nanoemulsion[J].Food Eng Rev,2013,5(3):139-157.

[6] SILVA H D,CERQUEIRA M A,VICENTE A A.Nanoemulsion for food applications: development and characterization[J].Food Bioprocess Tech,2012,5(3): 854-867.

[7] 王文苹,李治芳,徐晖,等.响应面法优化超声制备葵花籽油纳米乳液的工艺研究[J].食品科技,2010,35(11):186-189.

[8] 陈冬,张晓阳,刘尧政,等.姜油纳米乳液特性与贮藏稳定性研究[J].农业机械学报,2016,47(8):233-240.

[9] HOMAYOONFAL M,KHODAIYAN F,MOUSAVI S M.Optimization of walnut oil nanoemulsion prepared using ultrasonic emulsification: a response surface method[J].J Disper Sci Technol,2014,35(5):685-694.

[10] 朱冰清.澳洲坚果油提取及其纳米乳口服液的研究[D].武汉：华中农业大学,2013.

[11] HASHTJIN A M,ABBASI S.Optimization of ultrasonic emulsification conditions for the production of orange peel essential oil nanoemulsion[J].Food Sci Technol Res,2015,52(5):2679-2689.

[12] KENTISH S,WOOSTER T,ASOKKUMAR M,et al.The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation[J].Innov Food Sci Emerg,2008,9(2):170-175.

[13] CHALOTHORN K,WARISNOICHAROEN W.Ultrasonic emulsification of whey protein isolate-stabilized nanoemulsion containingomega-3 oil from plant seed[J].Am J Food Technol,2012,7(9):532-541.

[14] RAO J,MCCLEMENTS D J.Formation of flavor oil micro-emulsions,nanoemulsion and emulsions: influence of composition and preparation method[J].J Agric Food Chem,2011,59(9):5026-5035.

Optimizationofoil-teacamelliaseedoilnanoemulsionpreparedusingultrasonicemulsificationbyresponsesurfacemethodologyanditsstability

HU Wei1,2,LI Xiangzhou1,MU Yuanyuan1

(1.College of Materials Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China; 2.Hunan Academy of Forestry,Changsha 410004,China)

TS225.6;TQ641

A

1003-7969(2017)09-0014-06

2016-12-12；

2017-04-15

国家林业公益性行业科研专项(201204811)

胡 伟(1981)，男，博士研究生，研究方向为天然产物化学(E-mail)huweics@126.com。

李湘洲，教授，博士生导师(E-mail)rlxz@163.com。