重质碳酸钙稳定的O/W型Pickering乳液及其粒度效应研究

刘杏念 王 凌 李 斌 李 晶 魏先领

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

以固体颗粒吸附于油/水界面并形成固体颗粒单层/多层膜来稳定的乳液被称为Pickering乳液。Pickering乳液因其卓越的稳定性和良好的生物相容性，而被广泛应用于医药、食品等领域[1-3]。

近年来，对生物源物质，如蛋白质[4]、多糖[5-6]等稳定的乳液研究颇多，如Xiao等[7]制备了高粱醇溶蛋白纳米粒子并用其制备Pickering乳液作为姜黄素的载体，提高了姜黄素的生物利用率；DE Folter等[8]利用反溶剂法制备玉米醇溶蛋白，并以此制备Pickering乳液，研究了离子强度、pH、粒子浓度对乳液的影响，并得出高离子强度会使乳液聚集和絮凝，形成乳液凝胶的结论；Lu等[9]利用玉米淀粉制备了Pickering乳液，研究玉米淀粉尺寸及直/支比对乳液稳定性的影响；也有研究者对于蒙脱土[10]、黏土[11]、二氧化硅[12-13]等无机粒子稳定的Pickering乳液进行了相关研究，如Silva等[14]对高岭土稳定的巴西坚果油乳液进行了研究，Panchal等[15]研究了黏土纳米管稳定的Pickering乳液中的细菌增殖对原油泄漏治理的影响。

碳酸钙是一种广泛分布于大自然的无机化合物，存在于方解石、大理石等岩石内，也是骨骼及外壳的重要成分，其中重质碳酸钙可作为钙的补充剂添加于食品中。由于现在市场上钙补充剂主要是片剂，不太适用于幼儿及吞咽有困难的人群。而乳液体系方便吞咽，制备过程简单，此外，乳液中含有油相可以对脂溶性营养物质进行包载和递送。

目前，对碳酸钙制备的乳液的稳定性研究尚不多见，王莎等[16]对化学合成碳酸钙制备的乳液进行了研究，发现碳酸钙稳定的乳液对乙酸乙酯可起到控制释放的作用，但是该研究中碳酸钙制备过程中，须严格控制氯化钙和碳酸钠的浓度，须控制碳酸钠滴加速度为10滴/min，滴加完毕后还需用水和乙醇分别洗涤3次，制备过程复杂且产率低；崔晨芳等[17]利用原位活化法对碳酸钙进行改性，比较羧酸链的长短对改性碳酸钙稳定的乳液的影响，并作为农药水乳剂的稳定剂。

与其他研究相比，本研究选取重质碳酸钙为原料，利用物理球磨法获得不同粒度的碳酸钙，制备方式简单，可大规模生产。本试验旨在获得制备方式简单，可大规模生产的含钙乳液，并探究碳酸钙的尺寸、浓度及油相的比例对该乳液体系的影响，为开发一类新型的钙补充剂提供新的技术思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原料与试剂

重质碳酸钙：食品级，郑州瑞普生物工程有限公司；

大豆油：金龙鱼，益海嘉里投资有限公司；

尼罗红：AR级，美国Sigma-Aldrich公司；

超纯水：实验室自制。

1.1.2 仪器与设备

扫描电子显微镜：SU8010型，日本Hitachi公司；

高能纳米球磨机：CJM-SY-B型，秦皇岛太极环纳米制品有限公司；

微生物显微镜：OD1400Y型，宁波舜宇仪器有限公司；

高速剪切机：Ultra-Turrax T25型，德国IKA公司；

分析天平：BAS1245-CW型，德国Sartorius公司；

电子天平：BL310型，德国Sartorius公司；

激光粒度分析仪：Mastersizer 2000型，英国Malvern公司；

流变仪：AR2000ex型，美国TA公司。

1.2 试验方法

1.2.1 不同粒径碳酸钙的制备及粒径分析 将重质碳酸钙置于60 ℃烘箱中干燥24 h，随后将干燥的碳酸钙粉末置于高能球磨机中球磨粉碎。在球磨过程中，于0.0，0.5，1.0，8.0 h分别取出部分样品，依次命名为C-0、C-0.5、C-1、C-8。本研究样品制备由秦皇岛太极环纳米制品有限公司完成。

各组粉末粒径使用激光粒度仪测定，取适量干粉于进样槽中进行测量，每组测量3次，取平均值。

将各组粉末超声分散于超纯水中，然后滴加在铝箔纸上并烘干[18]，经粒子溅射仪喷金，在10 kV下用扫描电镜观察样品的微观形貌。

1.2.2 碳酸钙稳定的Pickering乳液的制备 将一定量的碳酸钙分散于超纯水中，置于直径3 cm，高10 cm的圆柱形玻璃杯中，再向其中加入一定量的大豆油，利用高速剪切机以10 000 r/min的转速剪切3 min，得到由碳酸钙稳定的Pickering乳液，将其转移至35 mL试剂瓶，于室温下储存。

1.2.3 碳酸钙粒度对乳液的影响 按1.2.2的方法制备乳液，选取油相比例20%，碳酸钙粒子浓度9%，分别利用C-0、C-0.5、C-1、C-8制备乳液并于室温下储存观察。

1.2.4 碳酸钙浓度及加油量对乳液的影响 按1.2.2的方法制备乳液，称取不同质量的C-8，分散于水中，得到不同浓度(0.1，0.5，1.0，3.0，5.0，7.0，9.0，11.0 g/100 mL)的碳酸钙悬浮液作为水相，向其中加入一定量的大豆油，使整个体系中，水相体积占60%～90%，相应的油相占40%～10%。用以探究碳酸钙粒子浓度和油相比例对由CaCO3稳定的Pickering乳液的影响。

1.2.5 粒径分析 使用激光粒度分析仪测定不同储存时间(1，7，14，30 d)的乳液的粒径及其粒径分布。选取湿样进样器进样，分散相选取大豆油(折射率为1.475)，连续相选取水(折射率为1.333)，泵速设定为2 000 r/min，测定时利用胶头滴管吸取适当量的乳液分散到水中，确保遮光率在1%～10%，选取D[4,3][19]体积平均粒径表示乳液粒径，每个样品平行测3次。

1.2.6 乳析指数的测定 参考Chen等[20]并稍加改动如下：将10 mL新鲜制备的乳液立即倒入10 mL量筒中，利用封口膜密封，防止水分蒸发，置于室温下静置存放，48 h后观察并记录其分层状况。该Pickering乳液分层后形成上下两部分，透明澄清的为清液层，乳白色部分为乳化层，通过式(1)来计算乳液的乳析指数。

(1)

式中：

CI——乳析指数，%；

H0——清液层高度，cm；

H——乳液的总高度，cm。

1.2.7 微观结构观察 使用微生物显微镜观察乳液的微观结构，取少量乳液滴在载玻片上，盖上盖玻片，保证无气泡的前提下于10×物镜下观察，选取普遍存在的结构进行捕捉拍照。

1.2.8 乳液黏度特性的测定 采用AR2000ex型流变仪进行试验，选用直径为60 mm的钢板(平板)，测量间距设定为1 mm，进行稳态剪切扫描：选取稳态剪切扫描模式，设定温度25 ℃，剪切速率0.01～100 s-1。

1.3 数据处理方法

采用Origin 8.5数据处理软件对上述数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 碳酸钙微粒的表征

由图1可见：所有碳酸钙呈现出不规则片状，且存在团聚现象。随着球磨时间的改变，碳酸钙颗粒的尺寸也在发生变化，球磨时间越长，碳酸钙颗粒越小，团聚程度也逐渐减弱。

图1 不同球磨时间碳酸钙的扫描电子显微镜图像Figure 1 SEM image of CaCO3 prepared by different ball milling (5 000×)

2.2 碳酸钙粒度对乳液的影响

以前期试验结果为基础，本研究控制固体颗粒浓度9 g/100 mL，油相比例20%，以探究固体颗粒尺寸对其稳定的Pickering的影响。未经球磨的碳酸钙(即C-0)无法形成乳液，故不参与讨论。由图2可知：由不同球磨时间的碳酸钙C-0.5，C-1，C-8，稳定的乳液的粒径及粒径分布均存在差异，乳液粒径随碳酸钙尺寸的减小而减小，光学显微镜图像(图3)很好地印证了该结果，且与Binks等[21]的结论一致。这一现象可用最大表面覆盖理论来解释[22]，式(2)体现了乳液粒径与油相体积及固体颗粒粒度的关系。

(2)

图2 球磨时间碳酸钙对乳液粒径的影响Figure 2 Effect of CaCO3 prepared by different ball milling time on particle size distribution of fresh emulsions

图3 不同球磨时间碳酸钙稳定的乳液的显微镜图像Figure 3 Microscope image of emulsions stabilized by CaCO3 of different ball milling time (20×)

式中：

Cp/o——碳酸钙和油相的比值，g/mL；

ρp——碳酸钙的密度，g/cm3；

dp——碳酸钙的粒度，μm；

d32——乳液的表面积平均粒径，μm。

由式(2)可知：当碳酸钙质量与油相体积的比值一定时，碳酸钙粒度越大，乳液粒径越大。球磨时间越长，所得碳酸钙粒度越小，乳液粒径呈现出C-0.5>C-1>C-8的规律。

2.3 碳酸钙浓度及油相比例对乳液宏观稳定性的影响

根据上述结果，本研究选用乳化效果最好的C-8制备Pickering乳液，以探究碳酸钙浓度及油相比例对乳液的影响。通过稀释法，即吸取部分乳液，滴加到蒸馏水中，若分散开来，乳液为O/W型，若未分散，则为W/O型，可判断出本研究中所制得的Pickering乳液均为O/W型，这是因为碳酸钙具有极强的亲水性，且其亲水性强于亲油性，故利于形成稳定的O/W乳液。

乳析指数常用以分析乳液的宏观稳定性[21]。观察储存1周的乳液宏观形貌(图4)并记录乳液稳定时的乳析指数(表1)可知，当油相比例一定时，在一定的碳酸钙浓度范围内乳化层的高度随粒子浓度的增加而增大，当粒子浓度>9 g/100 mL时，乳化层的高度随粒子浓度的变化不明显；当碳酸钙浓度一定时，乳化层的高度随油相比例的增加而增大。图4中，不同颗粒浓度乳液的乳化层位置也有所不同，同一油水比(以10%油相的乳液为例)，当粒子浓度≥7 g/100 mL，乳化层的密度增加，大于水相的密度，故而乳化层位于下层。

通过图4还可发现：当油相比例为10%时，固体颗粒浓度>0.5 g/100 mL即可稳定乳液；每一油相比例，均存在一个能够稳定乳液的最低固体颗粒浓度，这个最低浓度随油相比例的增大而增大。这是由于当油相增加，固体颗粒浓度低时，能够吸附于单位面积油滴表面的固体颗粒的量少，以至于无法完全覆盖，固体颗粒间间隙大，使油滴易于聚集，因此乳化过程结束后，油相便立即聚集析出，使之无法形成乳液。

表1 新鲜制备的碳酸钙乳液的D[4,3]及乳析指数†Table 1 D[4,3] and creaming index of fresh emulsions prepared by CaCO3

† 同列不同字母表示有显著性差异(P<0.05)。

图4 碳酸钙稳定的Pickering乳液储存1周后的宏观形貌Figure 4 Visual observation of Pickering emulsions stabilized by CaCO3 after storage for 1 week

2.4 碳酸钙浓度及油相比例对乳液粒径分布的影响

由表1可以看出：当固定油相比例时，随着碳酸钙粒子浓度的增大，新鲜制备乳液液滴的平均粒径逐渐减小。控制油相比例为10%时，乳液粒径随粒子浓度的变化趋势随碳酸钙浓度的增加而趋于平缓，当粒子浓度>9 g/100 mL时，粒子浓度的增加对乳液粒径的影响不大；乳液的粒径分布图(图5)则显示粒子浓度增大时，乳液的粒径分布范围也会变窄。这是由于，当油相比例一定，在乳化过程中，乳化剂浓度高，其所能稳定的总的界面面积大，而低浓度的乳化剂能稳定的总界面面积小，因此会造成液滴的聚结，直到界面面积降低到与其所能乳化面积相当，最终导致乳液粒径增大；当颗粒浓度增大到一定程度时，多余的粒子不再吸附于油水界面稳定乳滴，而是分散于连续相中[22]，起到填充乳液间隙的作用，因而对乳液粒径的影响不大，且进入连续相的固体颗粒可以对液滴起到阻隔，从而阻止油滴的聚集，提高乳液的稳定性。Yang等[23-24]对片状双亲氧化物粒子(LDHs)稳定的O/W乳液的研究也有类似的发现。

当固体颗粒浓度不变，改变油相比例时，随着油相比例的增大，乳液粒径随之变大，由于碳酸钙固体颗粒具有强的亲水性，当油相比例低时，更易于制备和稳定O/W型乳液，当油相比例增加，固体颗粒一定，则单位面积所吸附的固体颗粒的量会减少，若油滴表面未被固体颗粒完全覆盖形成稳定的膜，则液滴会因为范德华力等作用力相互吸引，发生一定程度的聚集或絮凝，过度聚集则会使乳液分层和沉淀，降低乳化效率，以至于影响乳液的稳定性[25-26]。

2.5 碳酸钙浓度及油相比例对乳液微观形貌的影响

通过不同油相比例及不同碳酸钙浓度所制得的Pickering乳液的光学显微镜图像(图6)可知，碳酸钙固体颗粒以单层的形式分布于油水界面上，固体颗粒之间的范德华力使碳酸钙粒子互相吸引，形成一定程度的絮凝，这种弱的絮凝在一定程度上可以增加乳液的稳定性[27]。当油相比例一定时，增大碳酸钙浓度，乳液的粒径会随之减小，且粒径分布的更均匀；当固体颗粒浓度一定时，增大油相比例，乳液粒径随之增大。

2.6 碳酸钙浓度及油相比例对乳液黏度的影响

图7展示了固体颗粒浓度及油相比例对乳液黏度的影响。由图7可知，所有新鲜制备的乳液均存在剪切稀化的行为，且具有很好的流动性，说明该乳液是非牛顿假塑性流体，这主要反映了乳液液滴间的反絮凝作用[28-29]。

图5 新鲜制备乳液的粒径分布图Figure 5 Particle size distribution of fresh prepared emulsion

图6 新鲜制备乳液的显微镜图像Figure 6 Microscope image of fresh emulsions

乳液粒径对黏度的影响与液滴间的水动力作用以及液滴的布朗运动有关，前者会造成体系黏度的降低，而后者则会增加体系的黏度。因此，当液滴粒径增加时，液滴间水动力的作用强于其布朗运动的作用，故而体系黏度降低[30-31]。由图7(a)可知：乳液黏度随固体颗粒浓度的降低而减小，这是因为随碳酸钙粒子浓度降低，乳液粒径增大，水动力的作用克服了液滴自身的布朗运动，导致乳液黏度的减小；图7(b)显示，乳液黏度随油相比例的增加而增加，这是由于油相本身具有一定的黏度，当增加油相比例，乳液变稠，故而黏度有所增加。

图7 碳酸钙浓度及油相比例对新鲜制备的乳液黏度的影响Figure 7 Effects of CaCO3 concentration and ratio of oil to water on the viscosity of fresh emulsion

3 结论

采用食品级碳酸钙作为Pickering乳液的稳定剂，研究多方面因素对其乳液稳定性的影响，证实碳酸钙粒度对乳液性质有一定的影响，碳酸钙粒度越小，所得乳液粒径越小，乳液越稳定；碳酸钙颗粒浓度及油相比例对Pickering乳液有一定的影响，同一油相比例的Pickering乳液，碳酸钙浓度越高，所得乳液粒径越小，乳析指数也越小，乳液越稳定；当碳酸钙浓度达到一定数值后，增加颗粒浓度，乳液粒径无显著性差异，过量的颗粒会填充于液滴之间的缝隙中，对乳液起到一定的稳定作用；当油相比例增加时，稳定乳液所需的最低碳酸钙浓度也会随之增大；同一固体颗粒浓度下，乳液油相比例越高，所得乳液的粒径越大。

通过调节以上影响因素，可获得油相比例、粒径大小可控的食品级碳酸钙乳液以满足不同的商业需求，且该乳液制备方法简单，可实现大规模生产和应用，这也将是本课题接下来的研究方向：以碳酸钙稳定的Pickering乳液为基础，利用该体系实现对脂溶性营养素VD的递送，以提高人体钙和VD的吸收，为碳酸钙在食品领域的应用提供新的思路。