青花椒油树脂介稳区的测定

张红蕾，武耐英*，彭静维，齐立军，张晶晶

(1.河北工程大学 材料科学与工程学院，河北 邯郸 056038；2.晨光生物科技集团股份有限公司，河北 邯郸 057250)

青花椒油树脂是指采用适当溶剂从天然花椒中萃取的具有花椒全部风味特征的油状制品[1]。青花椒油树脂是采用油溶法、超声辅助有机溶剂提取或超临界CO2流体萃取技术从青花椒中提取出来的物质[2-3]。它既含有挥发性花椒精油，也含有酰胺类化合物、生物碱、黄酮、不易挥发呈味成分和色素、脂肪酸等成分，具有较广阔的应用前景[4]。目前，青花椒油树脂主要应用于食品行业，被制成火锅底料或者调味料进入食品市场，但目前有文献表明[5]，青花椒油树脂在麻度较高时会很快凝固，并且很多花椒油树脂在低温条件下出现析晶现象，给下游产品应用带来诸多不便。目前缓解凝固或抑制析晶的方法很多，比如，改善结晶操作条件、加杂质使其进入晶格中、加入乳化剂等[6]。其中，由于加入乳化剂具有操作方便、成本较低等优点，所以乳化剂的加入是较常采用的方法。常见的乳化剂有柠檬酸钾[7]、1,2-丙二醇、聚乙二醇400双油酸酯等，乳化剂在青花椒油树脂中起到两方面作用：形成和稳定[8-10]。

为了研究青花椒油树脂稳定性，缓解青花椒油树脂析晶问题，掌握结晶介稳区的基础数据非常关键。当过饱和溶液处于介稳平衡的状态时，很多因素能够影响介稳区，如降温速率、搅拌速率、晶种的加入、杂质以及溶液本身的性质[11]，而且截至目前没有发现对青花椒油树脂结晶介稳区方面的研究。

因此，本实验考察了搅拌速率、降温速率、麻度以及加入乳化剂等不同影响因素对青花椒油树脂介稳区宽度的影响。根据青花椒油树脂的结晶介稳区特性优化介稳区宽度最大化的结晶条件，为缓解青花椒油树脂析晶问题提供理论数据参考。

1 实验材料和方法

1.1 实验仪器和材料

青花椒油树脂、青花椒油：晨光生物科技集团股份有限公司；1,2-丙二醇：河南兴鼎化工产品有限公司；聚乙二醇400双油酸酯：江苏省海安石油化工厂；羟基-β-山椒素：上海源叶生物科技有限公司。

50 mL玻璃结晶器 郑州市金水区欣瑞玻璃器皿经营部；恒温磁力搅拌器 天津市兰力科化学电子高技术有限公司；CF41型制冷循环器 上海科兴仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 溶解度的测定

利用静态法测定青花椒油树脂在花椒精油中不同温度条件下的溶解度。称取一定量的花椒精油，放入50 mL的结晶器中，然后向花椒精油中添加青花椒油树脂，此时的温度区间为25～45 ℃，搅拌速率为200 r/min，当加入的青花椒油树脂在花椒精油中有部分未溶解时，停止加入青花椒油树脂，此时记录青花椒油树脂的加入量，得到青花椒油树脂在花椒精油中的溶解度，用mL/g表示。

1.2.2 超溶解度的测定

超溶解度的测定建立在溶解度测定的基础上，当测定完青花椒油树脂溶解度后，在溶解温度条件下升高5～10 ℃，搅拌速率为200 r/min，之后开始降温，降温速率为5 K/h，待析出大量晶体时，记录下其温度即为超溶解温度。得到的溶解度和超溶解度作差，得到的结果即为介稳区。

1.2.3 不同影响因素对青花椒油树脂介稳区的影响

1.2.3.1 降温速率对青花椒油树脂在花椒精油介稳区的影响

在固定搅拌速率为200 r/min、温度为35 ℃的条件下，探究了不同降温速率5，10，15，20，25 K/h对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区宽度的影响。

1.2.3.2 搅拌速率对青花椒油树脂介稳区的影响

搅拌速率受结晶器结构和溶剂体积大小的影响，本实验在相同的搅拌桨结构和结晶器结构下，考察搅拌速率对介稳区的影响。在固定温度为35 ℃、降温速率为5 K/h的条件下，测定不同搅拌速率100，200，300，400，500 r/min对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响。

1.2.3.3 不同麻度对青花椒油树脂介稳区的影响

青花椒油树脂麻度采用高效液相色谱法测定，参照重庆市地方标准DB50/T 321-2009《花椒麻味物质的检测方法 高效液相色谱法》[12]。方法概括如下：以羟基-β-山椒素为标准品，利用HPLC测定花椒麻味物质的含量。按照YMC-Pack ODS-A色谱柱，45%乙腈为流动相，流速为0.7 mL/min，柱温为35 ℃，检测波长为266 nm的色谱条件，测定峰面积。其中以对照品质量(ng)为横坐标、峰面积值为纵坐标，做线性回归，得出标准曲线，在标准曲线上查出所对应的待测样品中花椒麻味物质的含量。

本实验用青花椒油树脂和花椒精油将样品调配成不同麻度的青花椒油树脂，在温度为35 ℃、搅拌速率为200 r/min、降温速率为5 K/h的条件下，测定麻度为180，160，150，130，120的青花椒油树脂的介稳区。

1.2.3.4 加入乳化剂对青花椒油树脂介稳区的影响

根据GB 2760—2014《食品添加剂使用标准》使用原则[13]，选择食品行业可以使用的1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯进行研究。本实验在温度为35 ℃，搅拌速率为200 r/min，降温速率为5 K/h的条件下，通过改变单一乳化剂1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯的加入量，测定单一乳化剂和不同比例复配乳化剂对青花椒油树脂介稳区的影响。

1.2.4 青花椒油树脂稳定性实验

在相同麻度和温度的条件下，对不加入乳化剂、加入单一乳化剂和加入不同比例复配乳化剂的青花椒油树脂进行静置实验。每天或者每隔1 d对静置的青花椒油树脂进行观察，观察是否有晶体析出。

2 结果与讨论

2.1 青花椒油树脂在花椒精油中的溶解度

青花椒油树脂在花椒精油中的溶解度曲线见图1。

图1 青花椒油树脂溶解度曲线

由图1可知，青花椒油树脂在花椒精油中的溶解性很强，随着温度的升高而逐渐增大。在低于35 ℃时，青花椒油树脂的溶解度增加较快，当超过35 ℃时，青花椒油树脂的溶解度趋于平缓。这是由于青花椒油树脂是一种黏稠状流动体，难溶解，加入的青花椒油树脂的量越多，其麻度越大，越难溶解。温度越高，对麻度影响越大，但是当温度过低时，由于溶解的量非常有限，不宜调配成高麻度的样品，所以后续实验选取在35 ℃条件下进行操作。

2.2 青花椒油树脂在花椒精油中的介稳区

青花椒油树脂在花椒精油中的介稳区见图2，此时固定条件为搅拌速率200 r/min，降温速率5 K/h，图中溶解度曲线和超溶解度曲线之间的区域为青花椒油树脂的结晶介稳区。

图2 青花椒油树脂介稳区曲线

由图2可知，青花椒油树脂的介稳区随着温度的增加逐渐变窄，这是由于随着温度逐渐升高，青花椒油树脂的黏度下降，溶质的扩散系数增加，分子的热效应加剧，使分子间的成核速率增大，有利于成核。

2.3 降温速率对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响

不同降温速率对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响结果见图3。

图3 不同降温速率对青花椒油树脂介稳区的影响

由图3可知，随着降温速率的升高，青花椒油树脂的超溶解度不断变小，其介稳区变宽。这是因为随着降温速率不断增加，分子运动加剧，分子之间碰撞频率增加，传质速率增加导致青花椒油树脂过饱和度变大[14]，结晶过程易越过介稳区，造成自发成核，所以导致介稳区宽度增加，这与经典成核理论冷却结晶实验结果一致[15]。

2.4 搅拌速率对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响

不同搅拌速率对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响结果见图4。

图4 不同搅拌速率对青花椒油树脂介稳区的影响

由图4可知，在同一温度下，随着搅拌速率的增加，青花椒油树脂在花椒精油中的介稳区宽度逐渐减小。这是因为随着体系搅拌速度的不断增大，传质速度也变大，使得溶液中离子碰撞成核的几率变大，最终导致介稳区变窄[16]。

2.5 麻度对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响

不同麻度对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响结果见图5。

图5 不同麻度对青花椒油树脂介稳区的影响

由图5可知，随着青花椒油树脂麻度不断增大，其介稳区宽度逐渐减小。这是因为当青花椒油树脂麻度越大时，所需要的青花椒油树脂的溶解度相对增加，青花椒油树脂越多，其越黏稠，超过了青花椒油树脂的饱和程度，所以导致容易析出晶体，其介稳区变窄。

2.6 乳化剂1,2-丙二醇对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响

加入单一乳化剂1,2-丙二醇对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响结果见图6。

图6 加入1,2-丙二醇对青花椒油树脂介稳区的影响

由图6可知，随着1,2-丙二醇添加量的增加，青花椒油树脂的介稳区变宽，这是因为1,2-丙二醇分子结构的基本特点是具有不对称的手性碳原子[17]，可以使共聚酯大分子的对称性下降，破坏结构的规整性，起到降低共聚酯熔融转变温度及结晶能力的作用。另外，随着1,2-丙二醇的添加量不断增加，青花椒油树脂的麻度越小，所需的青花椒油树脂的数量越少，导致其介稳区越宽。

2.7 乳化剂聚乙二醇400双油酸酯对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响

加入单一乳化剂聚乙二醇400双油酸酯对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响结果见图7。

图7 加入聚乙二醇400双油酸酯对青花椒油树脂介稳区的影响

由图7可知，随着聚乙二醇400双油酸酯加入量不断增加，青花椒油树脂介稳区变宽，这是因为聚乙二醇400双油酸酯是由山梨醇和油酸酯醋化而成，其亲水亲油平衡值(HLB值)为4.3，能和油类混溶为油包水型乳化剂[18]。将其加入青花椒油树脂中起到乳化作用的同时，又使青花椒油树脂的麻度降低，更不易凝固。

2.8 不同比例复配乳化剂对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响

根据文献报道，单一乳化剂所形成的界面膜的堆砌密度不足，没有高黏度。但是复配乳化剂可以提高界面膜中的堆砌密度，使其更接近“临界堆砌参数”，从而使研究体系的黏度更大，稳定性更好[19-20]。所以，本实验中研究了加入不同比例复配乳化剂(1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯)对青花椒油树脂介稳区的影响。在本实验中通过将两种乳化剂按不同比例混合后加入到青花椒油树脂中，测定其对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区的影响，实验结果见图8。

图8 加入不同比例混合乳化剂对青花椒油树脂介稳区的影响

由图8可知，随着复配乳化剂中1,2-丙二醇添加比例的逐渐增大，介稳区先变宽后变窄。当1,2-丙二醇与聚乙二醇400双油酸酯的比值为 3∶1时，其介稳区最宽，这是因为1,2-丙二醇为亲水性的乳化剂，在花椒精油中1,2-丙二醇的溶解度较小，导致可溶解的部分较少。然而，如果1,2-丙二醇的添加量过多，就会影响青花椒油树脂的油溶性，使得青花椒油树脂呈现油滴状态，影响青花椒油树脂的进一步应用。

3 青花椒油树脂稳定性实验

将未添加乳化剂和加入不同规格乳化剂(1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯)的青花椒油树脂静置，结果见表1。

表1 青花椒油树脂静置现象

由表1可知，当没有乳化剂加入时，青花椒油树脂在0 ℃下静置10 d即有晶体出现。向青花椒油树脂中加入单一乳化剂1,2-丙二醇后，在0 ℃的条件下静置30 d出现少量晶体。当加入单一乳化剂聚乙二醇400双油酸酯时，在0 ℃条件下静置27 d出现少量晶体。当向青花椒油树脂中加入不同比例复配乳化剂(1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯)时，在0 ℃条件下静置45 d，1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯比例为1∶2和1∶3时均出现晶体。当在0 ℃条件下静置50 d时，1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯比例为2∶1和1∶1时出现晶体。当在0 ℃条件下静置53 d，1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯比例为4∶1时出现晶体。加入复配乳化剂1,2-丙二醇和聚乙二醇400双油酸酯比例为3∶1的青花椒油树脂，静置60 d还未出现晶体，表明当两者比例达到3∶1时，青花椒油树脂的稳定性最好。

4 结论

目前，市场上青花椒油树脂不稳定，在低温条件下容易析出晶体，而这一现象与其介稳区宽度有紧密联系。本实验结果表明，向青花椒油树脂的花椒精油体系中加入乳化剂可以增加青花椒油树脂的介稳区宽度，改善青花椒油树脂的稳定性，缓解青花椒油树脂析晶问题。尤其是当向青花椒油树脂中加入合适比例的复配乳化剂时，可以最大程度地缓解青花椒油树脂析晶现象，使青花椒油树脂的介稳区宽度以及稳定性达到最佳。综上所述，对青花椒油树脂在花椒精油中介稳区测定的研究，不仅可以为缓解花椒油树脂析晶问题提供可行的建议，而且可以为后续青花椒在食品行业的应用提供指导。