谷维素对纳米乳液理化稳定性的影响

杨贵妃刘 昕黎重阳钟金锋覃小丽

YANG Gui-fei1,2 LIU Xin1,2 LI Chong-yang1,2 ZHONG Jin-feng1,2 QIN Xiao-li1,2

(1. 西南大学食品科学学院，重庆 400715；2. 西南大学食品科学与工程国家级实验教学示范中心，重庆 400715)

(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education, Southwest University, Chongqing 400715, China)

谷维素是一类脂溶性维生素，主要以环木菠萝醇类阿魏酸酯和甾醇类阿魏酸酯组成[1]。其在米糠油中含量最高，约为2%～3%。谷维素具有降低胆固醇、降血糖血脂、抗氧化等作用，被广泛用于医药、食品、化妆品等领域。目前，谷维素的研究主要集中在谷维素的提取与纯化[2-3]、功能性食品开发[4-5]、抗氧化性、药理作用[6-7]和作为凝胶因子制备凝胶油[8]等方面。

谷维素作为天然的食品抗氧化剂可延缓食品氧化变质而备受关注。Sunil等[9]将不同含量谷维素(0%～3%)的葵花籽油于37 ℃下储藏5周，结果显示油脂的化学稳定性与谷维素浓度呈正相关。沈鸿等[10]在油茶籽油中添加0.1%和0.5%的谷维素，于(62±1) ℃的烘箱中加速氧化14 d，结果显示含谷维素的油茶籽油在加速氧化第4天的过氧化值增长速率比对照组(不添加谷维素的油茶籽油)慢，第14天后对照组的过氧化值分别是含0.5%和0.1%谷维素油茶籽油的2.0，1.6倍。可见，谷维素在油脂的稳定性方面有着积极的作用，但其对其他食品体系(如：乳液)中油脂的稳定性的影响有待进一步研究。

水包油乳液可作为脂溶性功能成分的载体而在食品领域备受关注。然而，乳液体系中的脂质易发生氧化，从而降低食品乳液的品质。目前，用于提高乳液化学稳定性的抗氧化剂主要有抗坏血酸、茶多酚等。丁俭等[11]研究发现乳液中添加15 mmol/L的抗坏血酸时，乳液具有更好的氧化稳定性。孙静静等[12]研究发现在水相中添加0.1 g/mL的茶多酚对乳液的氧化抑制率达92.42%。Vorarat等[13]制备了米糠油加谷维素的乳液和米糠油乳液，通过2,2-二苯基-1-苦基肼基自由基清除法和铁还原抗氧化电位法测定来评估2种乳液的氧化稳定性，结果显示米糠油加谷维素的乳液比米糠油乳液具有更高的Trolox当量抗氧化能力值，最多高达1.9倍，说明添加谷维素有助于提高乳液的氧化稳定性。然而，不同谷维素浓度在不同储藏温度下对纳米乳液理化稳定性的影响尚未清楚。因此，本试验拟研究谷维素质量浓度分别为0%，1%，2%的纳米乳液在不同储藏温度(4，25，37 ℃)下的理化稳定性及其变化规律，为谷维素在食品领域的应用提供一定借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆卵磷脂：高纯度，合肥博美生物科技有限责任公司；

辛烯基琥珀酸酯淀粉：上海天活贸易有限公司；

中链甘油三酯：上海一基实业有限公司；

谷维素：98%，大连美仑生物技术有限公司；

大豆油：中粮福临门食品营销有限公司；

超纯水：YSL-RO-T10L/H超纯水系统(Ashland公司)制备。

1.2 仪器与设备

集热式恒温加热磁力搅拌器：DF-101S型，巩义市予华仪器有限责任公司；

高速均质机：T18 ULTRA-TURRAX型，德国IKA公司；

激光粒径仪：Zetasizer NS90型，英国Malvern公司；

紫外可见分光光度计：T6型，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 纳米乳液的制备 准确称取63.00 g超纯水和1.47 g辛烯基琥珀酸酯淀粉于烧杯，在30 ℃水浴中搅拌1 h (433 r/min)，得到水相。准确称取1.47 g大豆油、0.63 g中链甘油三酯、3.43 g磷脂以及不同质量的谷维素于烧杯中，在50 ℃水浴中搅拌1 h(100 r/min)，获取含有不同质量浓度(0%，1%，2%)谷维素的油相。将油相置于30 ℃水浴中搅拌(100 r/min)，并将水相于3 min内滴加于油相中，滴加完后计时搅拌30 min，接着进行均质(20 000 r/min，8 min)。得到含不同质量浓度(0%，1%，2%)谷维素的纳米乳液。

1.3.2 谷维素浓度及储藏温度对纳米乳液的物理和化学稳定性的影响 将含有不同质量浓度(0%，1%，2%)谷维素的纳米乳液分别在4，25，37 ℃下储藏45 d，并定期取样，研究谷维素浓度对不同储藏温度下纳米乳液的物理稳定性[包括平均粒径、多分散系数(polydispersity index，PDI)和外观]和化学稳定性(包括过氧化值和茴香胺值)的影响。

1.3.3 谷维素对纳米乳液化学稳定性影响的动力学模型

研究[14-15]表明油脂氧化遵循零级动力学反应，然而在油脂中添加抗氧化剂后，在含有油脂的体系中，油脂的氧化反应符合零级反应和一级反应。因此可以利用动力学反应建立纳米乳液中油脂氧化时产生的过氧化物浓度和氧化时间之间的关系模型，反应式可用式(1)表示。

(1)

式中：

r——化学反应速率，mmol/(L·d)；

C——反应t时刻的过氧化物浓度，mmol/L；

n——反应级数；

k——化学反应速率常数，其单位由反应级数n确定；

t——氧化时间，d。

根据现有的报道[14-16]，对纳米乳液中油脂的氧化进行零级和一级动力学分析，其动力学方程分别为：

零级反应：C=C0+k0t，

(2)

一级反应：lnC=lnC0+k1t，

(3)

式中：

C0——t=0时的过氧化物浓度，mmol/L；

k0——零级反应速率常数，mmol/(L·d)；

k1——一级反应速率常数，d-1。

1.4 评价指标检测方法

1.4.1 纳米乳液的粒径和PDI测定 用超纯水分别对各取样时间点(1，10，17，27，40，45 d)的纳米乳液稀释1 000倍。然后，使用激光粒径仪测定稀释后纳米乳液的粒径和PDI。

1.4.2 纳米乳液的过氧化值测定 采用过氧化值评价纳米乳液中油脂的初级氧化产物(主要为氢过氧化物)，具体方法参照Zhong等[17]方法进行。根据余辉等[18]的方法建立 Fe3+标准曲线，以吸光值对相应的Fe3+含量(μg/mL)绘制标准曲线为y= 0.241 1x+ 0.016，R2=0.999 5。基于Fe3+的标准曲线，根据式(4)可计算纳米乳液的过氧化值。

(4)

式中：

PV——纳米乳液的过氧化值，mmol/L；

A——510 nm处的吸光值，A=A样品-A空白；

a、b——Fe3+标准曲线的斜率和截距；

V——纳米乳液体积，mL；

56——Fe3+的摩尔质量，g/moL；

2——Fe3+和氢过氧化物的摩尔比；

9.09——样品反应的体积，mL；

1.8——含提取物的有机溶剂相总体积，mL；

0.6——测定所用的含提取物的有机溶剂相体积，mL。

1.4.3 纳米乳液的茴香胺值测定 采用茴香胺值评价纳米乳液中油脂的次级氧化产物，具体操作参照ISO 6885—2006，根据式(5)计算纳米乳液的茴香胺值。

(5)

式中：

AV——纳米乳液的茴香胺值；

V——异辛烷萃取纳米乳液后的体积，mL；

m——纳米乳液中油的质量，g；

Q——测定溶液中样品浓度，0.01 g/mL；

A1——反应溶液吸光度；

A2——空白溶液吸光度；

A0——未反应溶液吸光度；

1.2——用1 mL茴香胺试剂或冰醋酸溶液稀释测试溶液的校正因子。

1.5 数据处理

每组试验至少重复2次，每个样品的各指标至少平行测定3次，结果以平均值±标准偏差表示。采用 Microsoft Excel 2010、SPSS 18.0和Origin 8.0 等软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同储藏温度下谷维素浓度对纳米乳液物理稳定性的影响

如图1所示，所有纳米乳液的平均粒径均随着储藏时间的延长而呈现逐步增长的趋势。在4 ℃下储藏45 d后，谷维素质量浓度为0%，1%，2%的纳米乳液平均粒径的增长率为7%，6%，6%，但差异不显著[图1(a)]，这说明在该温度下谷维素浓度对纳米乳液的物理稳定性没有显著影响。在较高储藏温度(25，37 ℃)下，纳米乳液的平均粒径在储藏前期(<10 d)呈快速增加，10 d后趋于缓慢增加的趋势[图1(b)、(c)]。在所考察的储藏期(45 d)内，纳米乳液的平均粒径在较高储藏温度(25，37 ℃)下的增长率(10%～19%)高于4 ℃(6%～7%)下的。含不同谷维素浓度的纳米乳液在较高温下储藏45 d时的平均粒径没有显著差异(P>0.05)[图1(b)、(c)]。以1%谷维素的纳米乳液为例，由图2可知，不同储藏温度下的纳米乳液呈相似的单峰分布，说明所研究的纳米乳液是均一体系。4 ℃下储藏45 d纳米乳液的粒径分布和鲜样的基本重合，说明4 ℃下纳米乳液最稳定。随着储藏温度的升高，粒径分布呈变窄且峰值向右移动趋势。通过峰强度变化分析发现，4 ℃下储藏的纳米乳液中，47.7%的粒径分布于50.7～164.0 nm，39.9%的粒径分布于164～396 nm；37 ℃下，36.2%的粒径分布于78.8～164.0 nm，60.4%的粒径分布于164～396 nm，由此可见较大粒径液滴比例增大，因而纳米乳液的平均粒径增大，这与图1中粒径测定结果一致。这可能是乳液液滴在较高温度下运动较快而发生奥氏熟化或碰撞聚合的几率较大，因而使纳米乳液的平均粒径增加[19]。0%，1%，2%谷维素的纳米乳液在不同温度下储藏过程中PDI变化情况一致，所有纳米乳液的PDI值集中在0.20～0.25，纳米乳液的粒径分散比较均匀。不同温度下储藏的PDI曲线比较平缓，45 d后各温度下的PDI值之间无显著差异(P>0.05)(图3)。综合上述可知，含不同浓度谷维素的纳米乳液在不同储藏温度下的物理稳定性没有显著变化，低温(4 ℃)对纳米乳液的物理稳定性影响最小，纳米乳液在储藏过程中始终保持均匀分散。

图1 不同温度下不同谷维素浓度的纳米乳液粒径变化图

Figure 1 Changes in particle size of nanoemulsions with different oryzanol concentrations at different temperatures

图2 1%谷维素的纳米乳液储藏45 d后的粒径分布图

Figure 2 The particle size distribution of nanoemulsions with 1% oryzanol stored at different temperatures for 45 days

图3 1%谷维素的纳米乳液在不同温度下储藏的PDI变化图

Figure 3 Changes in PDI of nanoemulsions with 1% oryzanol stored at different temperatures

2.2 不同储藏温度下谷维素浓度对纳米乳液化学稳定性的影响

研究[20-21]表明谷维素作为植物源性的天然抗氧化剂，能够作为电子供体拦截具有强氧化能力的自由基而终止链式反应，从而抑制油脂过氧化。由图4可知，纳米乳液的过氧化值随着储藏时间的延长呈增加的趋势。然而，不同谷维素浓度对各储藏温度下纳米乳液过氧化值的影响存在差异。例如，0%，1%，2%谷维素纳米乳液在37 ℃储藏第45天时的过氧化值分别是4 ℃下相对应谷维素浓度纳米乳的66.6，55.9，32.8倍，而0%，1%，2%谷维素纳米乳液在25 ℃储藏第45天时的过氧化值分别是4 ℃下相对应谷维素浓度纳米乳液的5.8，5.4，5.6倍。说明纳米乳液在低温(4 ℃)下的氧化程度较低，这与低温抑制纳米乳液的氧化反应有关。此外，不同谷维素浓度的纳米乳液分别在4，25 ℃下储藏45 d 后的过氧化值没有显著差异(P>0.05)，这提示了在较低温度(4，25 ℃)条件下添加谷维素能减缓纳米乳液的氧化程度，但纳米乳液的化学稳定性与所考察谷维素浓度不存在显著相关性[图4(a)、(b)]。然而，由图4(c)可知，在37 ℃下储藏27 d后，纳米乳液的过氧化值呈现急剧升高的趋势，且所考察的谷维素浓度与纳米乳液(>27 d)的过氧化值有着明显的负相关性。在第45天时，2%，1%谷维素浓度的纳米乳液过氧化值分别是0%谷维素纳米乳液的0.6，0.9倍[图4(c)]。说明在37 ℃储藏后期(>27 d)，谷维素浓度越高就越能够有效降低纳米乳液中油脂的氧化程度。这可能是在37 ℃下纳米乳液中油脂发生氧化程度比低温(4，25 ℃)要高得多，因此乳液中含有更多的烷基自由基，它与基态分子氧形成链式反应加速油脂氧化。谷维素中的阿魏酸基团上的酚羟基和结构中双键形成的共轭体系能够在一定程度上阻断自由基的链式传输[22]；随着谷维素浓度的增大，谷维素阻断链式反应效果可能越明显，因此延缓纳米乳液的氧化就越明显。

图4 不同温度下不同谷维素浓度对纳米乳液过氧化值的影响

Figure 4 Effect of different oryzanol concentrations on peroxide value of nanoemulsions at different temperatures

根据纳米乳液储藏过程中过氧化值随时间的变化规律，对其进行动力学分析，以评价纳米乳液在储藏过程中的变化情况。按照零级动力学模型[式(2)]和一级动力学模型[式(3)]拟合过氧化值的变化，结果如表1所示。由表1可知，一级动力学模型中过氧化值与氧化时间之间的线性回归系数R2基本大于零级动力学模型中的，其中零级动力学模型在37 ℃下出现过拟合情况；说明一级动力学模型能够更好地反映过氧化值与储藏时间的线性关系。因此，通过一级动力学模型拟合后得到的化学反应速率常数k1来分析纳米乳液的变化情况。由表1可知，随着储藏温度的升高，化学反应速率常数k1不断增大，说明纳米乳液的氧化程度不断增大。向纳米乳液中添加谷维素，在4 ℃下，化学反应速率常数k1从0.009 4 d-1降到0.004 9 d-1；在25 ℃下，化学反应速率常数k1从0.050 5 d-1降到0.042 4 d-1，说明在较低温度(4，25 ℃)下添加谷维素可以延缓纳米乳液的氧化速度，有助于提高纳米乳液的氧化稳定性。在37 ℃下，随着谷维素浓度的增大，化学反应速率常数k1从0.094 6 d-1降到0.078 8 d-1，2%谷维素浓度纳米乳液的化学反应速率常数k1是未添加谷维素纳米乳液的0.8倍。由此可见，在较低温度(4，25 ℃)下，往纳米乳液中添加谷维素后，化学反应速率常数k1减小，说明谷维素可以使纳米乳液的氧化速度减慢；在37 ℃下，谷维素浓度越高，k1越小，纳米乳液的氧化速度越慢，这与图4的分析结果一致。

茴香胺值是用来表示初级氧化产物分解得到二级产物(主要是羰基化合物)含量的，是衡量油脂氧化的重要指标之一。因为4，25 ℃下纳米乳液的过氧化值较低，氢过氧化物分解缓慢，所测的茴香胺值非常低，所以本研究将对37 ℃储藏后期(>17 d)纳米乳液的茴香胺值进行分析，结果如图5 所示。含不同谷维素浓度的纳米乳液茴香胺值的变化规律与过氧化值变化规律一致[图4(c)、5]。在储藏第27天，纳米乳液的茴香胺值约为3.14，不同谷维素浓度的纳米乳液茴香胺值之间不存在显著差异(P>0.05)，茴香胺值在储藏后期(>40 d)急剧增大。因为随着过氧化值的不断增加，氧化过程中产生的二级产物越多，茴香胺值因而也不断增加。在第45天时，含2%，1%谷维素的纳米乳液的茴香胺值分别是0%谷维素的纳米乳液的0.55，0.64倍。这提示了当油脂氧化反应产生一定浓度氧化产物时，谷维素浓度越高其越能够有效降低纳米乳液的氧化程度。

表1 纳米乳液过氧化值变化动力学模型的系数†

† “—”表示过拟合情况。

图5 37 ℃时谷维素浓度对纳米乳液茴香胺值的影响

Figure 5 Effect of different oryzanol concentrations on the anisidine value of nanoemulsions stored at 37 ℃

3 结论

本试验考察了谷维素浓度(0%，1%，2%)及储藏温度(4，25，37 ℃)对纳米乳液理化稳定性的影响及其规律。发现在不同储藏温度下，谷维素浓度对纳米乳液的物理稳定性没有显著影响；4 ℃下纳米乳液的平均粒径增长率(6%～7%)小于其他储藏温度(25，37 ℃)下的(10%～19%)。在较低温度(4，25 ℃)下，纳米乳液的氧化程度较低，纳米乳液的化学稳定性与谷维素浓度没有表现出显著相关性。在37 ℃下，纳米乳液的氧化程度较高，纳米乳液的过氧化值和茴香胺值与谷维素浓度呈负相关；尤其在储藏后期(>27 d)，谷维素浓度越高，纳米乳液中油脂的氧化程度越低。根据动力学分析发现，一级动力学模型可以更好地反映纳米乳液的氧化情况。有关谷维素对纳米乳液理化稳定性影响的机理有待进一步研究。