基于凹凸棒稳定的姜精油纳米乳制备工艺

蒋 倩，孔令艳，薛 梅，雷 红

（南京财经大学 食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023）

姜精油是从生姜根茎中提取的水不溶性组分，目前采用的提取方法有超临界CO2萃取法、水蒸汽蒸馏法、溶剂浸提法 、压榨法、超声波法等[1]。已有研究表明，姜精油具有促消化、抗氧化、抗菌[2]、抗炎[3]、抗癌[4]等作用。但姜精油易挥发且不溶于水，其功效成分如姜酚类物质性质不稳定，而且直接服用姜精油对消化道有刺激作用，限制了姜精油的应用。

纳米乳化技术是近年来的研究热点，在食品领域多倾向于利用如多糖、蛋白质等作为乳化剂或壁材，针对一些食品功能成分进行乳化或包埋，以期提高这些营养素的水溶性和利用度，也避免了传统纳米乳利用表面活性剂而产生潜在毒性[5]。目前已知的纳米乳的制备方法有高能乳化法（包括高压均质法、超声乳化法和微射流均质法）和低能乳化法（包括相转变温度法、相转变点法和微乳液稀释法）[6]。在食品工业领域，常以高压均质法来制备食品级的纳米乳。

凹凸棒是一种层链状含水镁铝硅酸盐黏土矿物，其理论分子式为Si8O20(Mg, Al, Fe)5(OH)2(OH2)4·H2O[7]，凹凸棒已被允许用作食品添加剂[8]；已有研究[9]表明，凹凸棒纳米颗粒可以作为乳化剂稳定乳液。然而食品领域目前尚未见采用无机小分子固体颗粒作为乳化剂制备纳米乳的相关报道。亚麻籽胶是从亚麻籽种子中提取、浓缩并干燥的粉末状颗粒，其主要成分为多糖[10]，因良好的水溶性和胶凝性，多用作食品增稠剂；此外，其具有良好的乳化性，能够代替蛋白质形成稳定的水包油乳液[11]。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的产物，壳聚糖盐酸盐是一种强阳离子型壳聚糖衍生物，具有良好的水溶性；在酸性条件下分子中的氨基可与质子相结合而使其带正电荷，具有天然的聚阳离子特性，可与阴离子聚合物发生静电相互作用[12]；因此壳聚糖常应用于食品领域，单独或与阴离子多糖结合用作包埋食品功能成分的壁材。

凹凸棒颗粒释放的金属阳离子可以与亚麻籽胶中多糖的羟基结合，再与壳聚糖盐酸盐静电聚合，在油水界面形成网状结构，形成O/W型的姜精油纳米乳。因此，本研究拟采用凹凸棒为稳定剂，亚麻籽胶为乳化剂，二者制备水相，姜精油为油相，壳聚糖盐酸盐为壁材，采用高压均质技术制备姜精油纳米乳。以姜精油纳米乳的平均粒径为主要指标，在单因素实验的基础上，用响应面优化实验研究姜精油纳米乳的最佳制备配方和工艺，以期为后续姜精油的开发与利用提供理论与实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

姜精油：本实验室采用超临界CO2萃取技术萃取再利用AB-8型大孔树脂纯化制得[13]；凹凸棒（PGS）：江苏玖川纳米材料科技有限公司；亚麻籽胶（FG）：上海源叶生物科技有限公司；壳聚糖盐酸盐（CHC）：鑫恒食品原料公司；盐酸、氢氧化钠、无水乙醇：国产分析纯。

1.2 仪器与设备

SHA-B型水浴振荡器：金坛市荣华仪器制造有限公司；RCD-1A型高速均质乳化机：常州越新仪器制造有限公司；HJ-5A型数显多功能加热搅拌器：常州国宇仪器制造有限公司；pHS-25型数显pH计：上海精密科学仪器有限公司；1500F型超声波分散仪：宁波新芝生物科技有限公司；Millipore-Q型纯水仪：美国Millipore公司；AMF-10型高压均质机：安拓思纳米技术（苏州）有限公司；Zetasizer Nano ZS90型纳米粒度仪：英国Malvern公司。

1.3 方法

1.3.1 凹凸棒酸改性

天然的凹凸棒含有杂质，可能影响其稳定乳液的效果，故对其改性[14]。取凹凸棒与2 mol/L盐酸按固液比1∶4（g/mL）加入烧杯中，用保鲜膜封口，置于水浴振荡器中60 ℃水浴振荡2 h。振荡完毕后取出，调节pH至中性后过滤，去滤液。将活化后的凹凸棒干燥后过200目筛，置于干燥器中备用[15]。

1.3.2 姜精油纳米乳的制备

取适量凹凸棒超声分散于亚麻籽胶溶液中，制备水相；滴加姜精油至水相溶液中，12 000 r/min高速分散5 min预乳化，形成粗乳液[16]。将上述粗乳液添加至一定浓度的壳聚糖盐酸盐溶液中，调节pH至5.0～5.5[17]。水浴搅拌至乳液均匀，高压均质即可制得姜精油纳米乳。

1.3.3 测定指标

（1） 平均粒径和多分散系数：取一定量姜精油纳米乳，用超纯水稀释100倍后，用马尔文纳米粒度仪测定姜精油纳米乳的平均粒径和多分散系数（PDI）。

（2） Zeta电位：将用纯水稀释100倍后的姜精油纳米乳装入马尔文电位样品池中，用纳米粒度仪测定其Zeta电位值。

1.3.4 姜精油纳米乳制备的单因素实验设计

（1）凹凸棒添加量：在亚麻籽胶、姜精油、壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.20%、3.0%、0.15%，均质压力为30 MPa，均质时间为5 min的条件下，考察凹凸棒添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%）对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响。

（2）亚麻籽胶添加量：在凹凸棒、姜精油、壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.15%、3.00%、0.15%，均质压力为30 MPa，均质时间为5 min的条件下，考察亚麻籽胶添加量（0.10%、0.20%、0.30%、0.40%）对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响。

（3） 姜精油添加量：在凹凸棒、亚麻籽胶、壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.15%、0.20%、0.15%，均质压力为30 MPa，均质时间为5 min的条件下，考察姜精油添加量（1.0%、2.0%、3.0%、4.0%）对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响。

（4） 壳聚糖盐酸盐添加量：在凹凸棒、亚麻籽胶、姜精油添加量分别为0.15%、0.20%、3.0%，均质压力为30 MPa，均质时间为5 min的条件下，考察壳聚糖盐酸盐添加量（0.10%、0.15%、0.20%、0.25%）对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响。

（5） 均质压力：在凹凸棒、亚麻籽胶、姜精油、壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.15%、0.20%、3.0%、0.15%，均质时间为5 min的条件下，考察均质压力（10、20、30、40 MPa）对姜精油纳米乳的平均粒径、PDI和Zeta电位的影响。

（6） 均质时间：在凹凸棒、亚麻籽胶、姜精油、壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.15%、0.20%、3.0%、0.15%，均质压力为30 MPa的条件下，考察均质时间（3、4、5、6 min）对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响。

1.3.5 姜精油纳米乳的响应面优化实验设计

在单因素实验结果的基础上，选取主要因素凹凸棒添加量、亚麻籽胶添加量、壳聚糖盐酸盐添加量，以平均粒径为响应值，利用三因素三水平Box-Behnken 设计优化姜精油纳米乳配方。响应面实验，因素水平设计见表1。

表1 响应面实验因素水平编码

1.4 数据处理

应用SPSS 16.0和Origin 2019b软件对实验数据进行统计分析和作图，每组实验进行3次重复，数据结果表示为平均值±标准差。应用Design-Expert 8.0.5b软件进行响应面实验设计与分析。

2 结果与分析

2.1 姜精油纳米乳制备的单因素实验

2.1.1 凹凸棒添加量

如图1所示，随凹凸棒添加量的增加，纳米乳的平均粒径、粒径分布宽度有所减小。当酸改性凹凸棒添加量为0.15%时，乳液粒径最小，多分散系数最小，说明乳液液滴大小相对均匀。从Zeta电位值来看，随凹凸棒添加量的增加，Zeta电位值增加，说明乳液液滴相对稳定不易凝集。因此，凹凸棒添加量为0.15%时较好。

图1 凹凸棒添加量对姜精油纳米乳平均粒径PDI和Zeta电位的影响

2.1.2 亚麻籽胶添加量

如图2所示，随亚麻籽胶添加量的增加，乳液粒径先减小后增加。在亚麻籽胶添加量为0.20%时，乳液粒径最小。亚麻籽胶添加量大于0.20%时，粒径分布宽度增大，说明乳液颗粒大小更不均一，乳化效果变差。从Zeta电位值来看，不同亚麻籽胶添加量的纳米乳Zeta电位值没有明显差别（P＜0.05）。因此，亚麻籽胶添加量为0.20%时较好。

图2 亚麻籽胶添加量对纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响

2.1.3 姜精油添加量

如图3所示，随姜精油添加量的增加，姜精油纳米乳的平均粒径增大，粒径分布宽度也增加。从Zeta电位值来看，当姜精油添加量为3.0%时，纳米乳Zeta电位值绝对值最大，乳液相对而言更不易凝聚而相对稳定。当姜精油添加量大于3.0%时，乳液平均粒径明显增大（P＜0.05）。为了尽可能多地负载姜精油，综合考虑姜精油添加量为3.0%时较好。

图3 姜精油添加量对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响

2.1.4 壳聚糖盐酸盐添加量

如图4所示，随壳聚糖盐酸盐添加量的增加，姜精油纳米乳的平均粒径先减小后增加，在壳聚糖盐酸盐添加量为0.15%时，乳液平均粒径最小。从PDI值来看，不同壳聚糖盐酸盐添加量的纳米乳的PDI值无明显变化（P＜0.05）。从Zeta电位值来看，随壳聚糖盐酸盐添加量的增加，Zeta电位值增加，说明乳液液滴不易凝集相对稳定。因此，壳聚糖盐酸盐添加量为0.15%时较好。

图4 壳聚糖盐酸盐添加量对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响

2.1.5 均质压力

如图5所示，随均质压力的增加，乳液平均粒径减小，当均质压力超过30 MPa后乳液平均粒径变化不再显著（P＜0.05）。从PDI值来看，不同均质压力下，乳液的PDI值无明显差异（P＜0.05）。因此，均质压力为30 MPa时较好。

图5 均质压力对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响

2.1.6 均质时间

如图6所示，随着均质时间的增加，乳液粒径分布宽度减小，平均粒径减小，在均质5 min时有最小值，当均质时间大于5 min时，平均粒径变大，可能是因为均质时间过长导致乳液结构被破外[18]。因此，均质5 min为宜。

图6 均质时间对姜精油纳米乳平均粒径、PDI和Zeta电位的影响

2.2 姜精油纳米乳制备工艺的响应面优化实验

2.2.1 响应面实验设计及结果

根据表1响应面实验设计水平表，进行响应面优化实验，具体实验设计与结果见表2。

2.2.2 回归模型和方差分析

用Design-Expert.8.05b软件对表2的数据进行多项式回归，得到的二次回归方程如下，方差分析结果如表3所示。

表2 响应面实验设计与结果

由表3可知，模型的F值为77.45，P值＜0.000 1，具有统计学意义。失拟项不显著（P=0.587 8），说明得到的二次回归方程对实验的拟合度较好，可用于真实实验值的预测和分析。决定系数R2= 0.990 1，表明预测值与真实值之间具有关联性。回归模型的校正确定系数R2Adj=0.977 3，表明该模型能够解释97.73%响应值的变化[19]。

表3 回归模型方差分析

由回归模型系数显著性检验结果可知，模型的一次项B对平均粒径的线性效应极显著（P＜0.000 1），二次项B2、C2对平均粒径都具有极显著的二次效应（P＜0.000 1），交互项AC和BC都表现出显著的交互作用（P＜0.05）。

2.2.3 响应曲面分析

根据上述回归模型，利用Design-Expert.8.05b软件作出姜精油纳米乳平均粒径在两种因素影响下的响应曲面图和等高线图，如图7所示。

从图7（a）和图7（b）可以看出，随着亚麻籽胶添加量和凹凸棒添加量的增加，姜精油纳米乳的平均粒径呈先减小后增加的趋势。

从图7（c）和图7（d）可以看出，随着壳聚糖盐酸盐添加量和凹凸棒添加量的增加，姜精油纳米乳的平均粒径呈先减小后增加的趋势。等高线图呈椭圆形，表明壳聚糖盐酸盐添加量和凹凸棒添加量对姜精油纳米乳粒径的交互作用显著。

从图7（e）和图7（f）可以看出，随着壳聚糖盐酸盐添加量和亚麻籽胶添加量的增加，姜精油纳米乳的平均粒径呈先减小后增加的趋势。等高线图呈椭圆形，表明壳聚糖盐酸盐添加量和亚麻籽胶添加量对姜精油纳米乳粒径的交互作用显著。

图7 两种因素交互影响下的响应曲面图和等高线图

2.3 验证实验

根据回归方程，对其各因素进行数据运算处理，进而得到一个最优条件：凹凸棒、亚麻籽胶、壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.15%、0.20%、0.15%，在此条件下预测的姜精油纳米乳的平均粒径为333.41 nm。

在该条件下进行验证实验，重复3次，测得姜精油纳米乳的平均粒径为（332.8±5.1） nm，与模型预测结果较为相近，说明响应面优化所得的最佳制备条件是可靠的。

3 结 论

本研究以凹凸棒作稳定剂、亚麻籽胶作乳化剂、壳聚糖盐酸盐作壁材制备姜精油纳米乳，通过单因素实验和响应面实验优化研究以确定姜精油纳米乳的制备工艺。实验结果表明，当酸改性凹凸棒、亚麻籽胶、姜精油和壳聚糖盐酸盐添加量分别为0.15%、0.20%、3.00%和0.15%，高压均质压力为30 MPa，均质时间为5 min时，制备的姜精油纳米乳稳定性较好，粒径分布较均匀。该姜精油纳米乳工艺条件下，制备的姜精油纳米乳的平均粒径为（332.8±5.1） nm。后续将对姜精油纳米乳的储藏稳定性作进一步研究。