高压微射流处理对微晶纤维素-猪油Pickering乳液的影响

耿宏庆,康梦瑶,杨凯麟,陆今明,彭松林,赵紫悦,尚永彪,2,3*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(农业部农产品贮藏保鲜质量安全评估实验室(重庆),重庆,400715) 3(重庆市特色食品工程技术研究中心,重庆,400715)

纤维素是自然界中最广泛、最丰富的天然可再生资源,除了在传统的纺织业与造纸业应用外,纤维素还被广泛应用到生物、医药、食品以及建筑等行业[1-3]。天然的纤维素存在溶解性和抗皱性差、结构不均一等缺点[4-5],故人们不断尝试对纤维素大分子进行可控的物理和化学改性[6]。微晶纤维素(microcrystalline cellulose,MCC)是通过物理和化学手段将大分子天然纤维素水解至最终聚合度的产物,利用废弃物及副产物如稻草、茶渣、芦笋、蔗渣、山葡萄梗,还有细菌等均可制备MCC,这在很大程度上节约了资源。基于MCC结晶度高、可降解、天然无毒等优点[7-8],其在各个领域都有一定的应用。在食品行业中MCC替代传统的乳化剂的应用最为广泛,薛玉清等[9]在中性乳饮料生产中用MCC替代传统的稳定剂,结果表明,最终产品的离心沉淀率显著降低,浊度保留率则显著提高。MCC还可以用于制备可食性复合膜,如李帅等[10]将提取得到的玉米秸秆MCC添加到大豆分离蛋白可食膜中,发现适量的玉米秸秆MCC颗粒能够提高复合可食性膜的透气率及膜的抗拉升性能。

猪油资源丰富且具有易消化吸收的特点,可赋予食物独特的香味,但由于其碳链较短,结晶颗粒粗大,导致加工性能差[11]。猪油通常作为原料被用于肉糜类制品的生产,如果直接将猪肥膘或猪油混合到肉糜中去,脂肪在后续热加工过程中很容易流失。研究表明,在加入肉糜之前预先将油脂乳化有利于油脂的保持,预乳化效果好的产品具有较好的保油性。高压微射流技术是一种能对液体物料进行一系列综合作用的非热加工新兴技术[12],具有产生压力高、物料流速快、颗粒碰撞机会大等优点[13]。利用高压微射流技术不仅可以对食品物料改性,有效提高其食品加工性能[14],还可制备更加均一稳定的可食用性物料,很好地增强乳化效果。LI等[15]研究认为,与一些传统的手段相比高压微射流处理是利用山茶籽油制备O/W纳米化乳液最适合的方法。TANG等[16]对比高压微射流技术与超声波技术,结果发现高压微射流均质的阿司匹林乳液比超声波均质的乳液更加均匀,适合用于阿司匹林药剂的生产。彭群等[17]利用高压微射流制备甜橙油纳米乳液,发现随着均质压力和均质次数增加,纳米乳液平均粒径和浊度都呈现较相似的减小趋势,所得乳液粒径分布呈现良好的分散性和稳定性;但当处理次数超过4次时,由于有足够的乳化剂包裹在油滴的表面,液滴直径保持恒定,继续均质不能产生更小的液滴。ABLIZ等[18]研究结果表明,在相同压力下,沙棘汁经1次或2次均质后,粒径有所减小,但经3次均质后,小颗粒聚集,大颗粒重新形成,导致粒径增大。

本文利用高压微射流技术对MCC-猪油Pickering乳液进行处理,探究高压微射流处理压力和处理次数对乳液粒径、微观结构、Zeta电位、储能模量及损耗模量等参数的影响,以期为MCC-猪油Pickering乳液的制备提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

竹基微晶纤维素,天津东辰区索罗门生物试剂销售中心;食用猪油,四川绿岛油脂有限公司;纯水。

1.2 仪器与设备

XHF-D内切式匀浆机,宁波新芝生物科技股份有限公司;超低温冰箱,青岛海尔有限公司;BX53荧光正置显微镜,日本OLYMPUS公司;EOS80D数码相机,日本佳能株式会社;ZEN3690马尔文激光粒度分析仪,英国马尔文仪器公司;M-110EH-30超微流动态高压均质纳米分散机,宁波新芝生物科技股份有限公司;MCR302流变仪,奥地利安东帕公司。

1.3 实验方法

1.3.1 MCC-猪油Pickering乳液的制备

在50 mL烧杯中加入20 mL食用猪油,于60 ℃水浴锅中融化,形成油相;将10 g/L的竹基MCC颗粒溶于50 ℃的20 mL纯水中得到水相,控制水相pH值为6。将含有10 g/L竹基MCC颗粒的水相与60%(体积分数)猪油充分混合,在5 000 r/min的条件下,采用内切均质机制备粗乳液。

1.3.2 高压微射流处理试验设计

(1)分别在40、80、120、160 MPa的压力下用高压微射流处理所得粗乳液,探究不同处理压力对乳液的影响;

(2)根据试验(1)的结果,在120 MPa的压力下,分别对粗乳液进行1、3、5和7次高压微射流处理,探讨不同处理次数对乳状液的影响。

使用高压微射流处理时,关闭冷凝设备,防止温度过低猪油凝固造成设备堵塞。

1.3.3 乳液粒径的测定

采用马尔文粒度分析仪对乳液的粒径进行测定,从用去离子水稀释1 000倍的乳液中,取1 mL稀释后的样品放入样品池中进行测定,平衡时间为60 s,测定温度为25 ℃。

1.3.4 微观结构分析

用移液枪准确吸取3 μL乳液于结晶的载玻片上,使用显微镜观察乳液微观结构。观察时不盖盖玻片防止盖玻片对乳液结构造成破坏,选择视野清晰的区域对乳液微观结构进行拍照记录。

1.3.5 Zeta电位测定

采用马尔文激光粒度仪对MCC颗粒悬浮液及乳液表观电位进行测定。设置测定温度为25 ℃,60 s稳定时间,每组做3次平行试验,取3次的平均值作为结果。

1.3.6 乳析指数(creaming index,CI)测定

将10 mL乳化好的乳液转移至螺口样品瓶(透明)中,在4 ℃条件下贮存1周,第1天、第3天、第5天和第7天用千分尺测量乳液的分层情况。乳液CI计算如公式(1)所示:

(1)

式中:HS,下层溶剂高度,cm;HL,总乳液层高度,cm。

1.3.7 乳液流变特性分析

乳液的黏度及储能模量G′和损耗模量G″采用流变仪测定。取适量样品放置于50 mm的平板上,使其均匀分布,以防产生气泡,在温度为25 ℃条件下,设置剪切速率从1 rad/s到100 rad/s,测定乳液的黏度;然后取适量样品放置在测试台上,选用直径25 mm,间隙为1 000 μm的夹具,在25 ℃条件下从0.1～10 Hz进行频率扫描测定MCC-猪油Pickering样品的储能模量G′和损耗模量G″。

1.4 数据统计与分析

用SPSS 22和Origin 2019软件对所有试验数据进行处理分析,每组样品进行3次平行重复试验,试验结果以测定数据的平均值±标准偏差表示,并对试验结果进行显著性分析取P<0.05为显著性差异。

2 结果与分析

2.1 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液的影响

2.1.1 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液粒径大小及微观结构的影响

粒径是用来判断乳液颗粒大小和稳定性的重要指标之一,乳液的稳定性一般随着粒径的减小而增加;微观结构可以清晰地看出乳液液滴的形态及分布情况。不同压力的高压微射流处理对MCC-猪油Pickering乳液粒径大小及微观结果的影响如表1、图1所示,可以看出不同处理组间乳液的粒径大小具有显著性差异,随着高压微射流处理压力的增大,MCC-猪油Pickering乳液液滴的粒径呈逐渐减小的趋势;增加处理压力,可以使乳液颗粒变小,分布更加均匀。这可能是由于高压微射流处理引起的机械力破坏了乳液的颗粒,粗乳液进入腔体体内后在相对狭小的空间里,由于强烈的撞击作用,乳液瞬间受到强大的压力,颗粒较大的乳液被破碎。处理压力增大,系统产生的剪切力和紊流作用力随之增大,油滴之间及其与微晶纤维素颗粒的撞击机会更大,使乳液混合更加均匀。随着贮藏时间的延长,MCC-猪油Pickering乳液的粒径呈现增大的趋势,120～160 MPa压力处理下粒径却无明显的变化。这说明乳液粒径较大时,乳液容易发生絮凝或聚合现象,较高压力处理有助于维持乳液的稳定性。

表1 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液粒径大小的影响Table 1 Effect of treatment pressure on particle size of MCC-lard Pickering emulsion

a-40 MPa;b-160 MPa图1 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液微观结构的影响Fig.1 Effect of treatment pressure on microstructure of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.2 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液宏观结构的影响

宏观结构可以更加清晰地展示乳液在贮藏过程中的稳定性。图2为经过不同压力高压微射流处理后的MCC-猪油Pickering乳液在静置21 d后的宏观结构变化情况,可以看出MCC-猪油Pickering乳液经过高压微射流处理后均具有较高的稳定性,存放过程中无分层现象出现。已有研究表明,液滴粒径越小的乳剂稳定性越好[19]。随着高压微射流处理压力的增大,液滴均匀分布,体系更加稳定。张培旗等[20]研究超高压微射流制备生姜精油纳米乳化酱油的生产工艺时发现,在超高压微射流压力160 MPa条件下处理可得到平均粒径较小、稳定性好的生姜精油纳米乳化酱油。

图2 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液宏观结构的影响Fig.2 Effect of treatment pressure on macrostructure of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.3 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液Zeta电位的影响

Zeta电位可以直观地反映液滴间的带电情况,可以用于衡量乳液物理稳定性。乳液的稳定性与Zeta电位的绝对值的大小呈正相关关系[21]。表2为不同压力下高压微射流处理对乳液Zeta电位的影响情况,从表2中的数据变化可以看出,乳液电位的绝对值随处理压力的增大而增大,处理压力为120、160 MPa时,MCC-猪油Pickering乳液的电位变化差异性不显著,这与前面乳液的粒径变化一致。经过1周的贮藏后乳液电位均有不明显的下降趋势,其电位绝对值仍大于40 mV,证明所有处理组的乳液经过1周后仍具有较好的稳定性。这是因为当乳液粒径相对较小时,乳液处于比较稳定的状态。若进一步缩小乳液的粒径,则要消耗更大能量[22],所以为了实际生产加工的经济效益选择120 MPa对乳液进行处理。

表2 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液Zeta电位的影响Table 2 Effect of treatment pressure on Zeta potential of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.4 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液CI的影响

CI描述了乳剂由于其热力学不稳定性而趋向于乳化的趋势,根据密度变化,这种不稳定性可以通过分离乳液顶部或底部的连续相和分散相来体现。CI越大,液滴移动越快,则有更多的液滴容易发生聚集,导致乳液的物理稳定性变差。表3为不同处理压力条件下乳液的CI变化情况,在1周的贮藏过程中,经80～160 MPa压力高压微射流处理时,乳液的CI值不发生变化,具有良好的稳定性,而处理压力为40 MPa时,乳液的CI值发生了轻微的变化,这可能是因为经过适当压力的高压微射流处理后,乳液液滴之间有足够的静电斥力,以产生良好的稳定性,这与HEYDARI等[23]在研究高压处理玉米和糯玉米淀粉作为新型脂肪替代物的结果一致,经过高压处理的样品CI无明显变化,具有更高的稳定性。

表3 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液CI的影响Table 3 Effect of treatment pressure on creaming index of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.5 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液流变特性的影响

流变特性能够清晰地反映乳液的聚合度及动力学稳定性,图3为不同高压微射流处理压力条件下乳液的流变学特性变化情况。

2.1.5.1 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液黏度的影响

乳液黏度可以反映乳滴间的聚集程度及稳定性,有研究表明分子的移动会导致乳液黏度的变化。从图3-a可以看到,随着剪切速率的增加,高压微射流处理后的乳液黏度呈下降趋势,在剪切速率过高时趋于稳定,乳液呈现剪切稀化的现象,说明处理后的乳液仍为假塑性非牛顿流体。保证在相同剪切速率的作用下,MCC-猪油Pickering乳液的黏度随着高压微射流处理压力的增大而增大,不同处理组黏度均在初始剪切速率下取得最大值。较高黏度的乳液空间斥力作用强,可抑制液滴的聚合和沉淀速率,有利于改善乳液的稳定。这可能因为乳液中分散的小液滴多,分散更加均匀、紧密排列,更有利于乳液形成稳定的网络结构。网络结构越致密,乳液就越稳定,初始黏度越高。曹卓阳等[24]研究超高静压处理芝麻模拟体外消化后的流变特性发现同一剪切速率下,样液表面黏度值随着压力的增大而增加,改变了分子间的排列,结构更加稳定。

2.1.5.2 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液G′、G″的影响

G′反映了乳液的弹性,G″反映了乳液的黏度和流动性。图3-b为不同处理压力下MCC-猪油Pickering乳液G′、G″的变化情况,各处理组的MCC-猪油Pickering乳液的G′远大于G″,乳液形成凝胶状网络结构,表现出明显的弹性行为。同一频率下,G′、G″随着处理压力的增加均呈现上升的趋势,表明乳液的黏弹性增加,且黏性的变化更明显。这可能是因为高压微射流处理过的MCC-猪油Pickering乳液粒径减小,有更多的微晶纤维素小颗粒吸附到油-水界面上,维持油滴的稳定性,改善了乳液的黏弹性,有利于提高乳液在肉糜制品生产加工中的应用性。

a-黏度;b-G′和G″图3 处理压力对MCC-猪油Pickering乳液黏度、G′,G″的影响Fig.3 Effect of treatment pressure on viscosity，G′, G″ of MCC-lard Pickering emulsion

2.2 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液的影响

从高压微射流处理压力对乳液的影响实验中得出处理压力为120 MPa时,乳液的稳定性较好,且比较符合实际生产过程中需要,故选择在120 MPa压力条件下进一步探究高压微射流处理次数对竹基MCC颗粒与猪油乳液的影响。

2.2.1 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液粒径大小及微观结构的影响

乳液的微观结构变化情况如图4所示。由图4可知,增加处理次数乳液液滴变小,分布更加均匀。表4为不同处理次数对乳液粒径大小的影响情况,随着处理次数的增加,乳液的粒径先减小后增大。当处理次数为5次时,粒径达到最小值且随着存放时间的延长粒径大小无明显的变化,这可能是因为均质化形成的乳化液液滴的大小由液滴破碎和液滴合并之间的相互作用控制,1～5次处理时高压微射流主要对液滴起破碎分裂的作用,但是在处理过程中乳液除了受到高压微射流的压力作用外,还会受到液体处理过程中产生的湍流作用[25]。随着处理次数的增加,大多数较大的液滴已经被破碎为小液滴,此时再进行高压微射流均质处理会增加液滴间的碰撞机会,破坏乳液的平衡,出现小液滴聚合为大液滴的情况,导致乳液粒径增加,这与耿啸[26]的研究结果一致。

a-1次;b-7次图4 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液微观结构的影响Fig. 4 Effect of treatment times on microstructure of MCC-lard Pickering emulsion

表4 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液粒径大小的影响Table 4 Effect of treatment times on particle size of MCC-lard Pickering emulsion

2.2.2 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液宏观结构的影响

图5为同一压力下不同次数高压微射流处理后的MCC-猪油Pickering乳液在静置21 d后的宏观结构变化情况。由图5可以看出,经过1～5次高压微射流处理后的乳液贮藏稳定性较好,存放过程中均未出现分层的现象,此时乳液体系较稳定。当处理次数增加到7次时,乳液上表面出现轻微的分层现象,这与处理次数对乳液粒径大小的影响变化趋势一致,处理次数过多增加液滴间的碰撞机会,破坏乳液的平衡,乳液的贮藏稳定性降低。

图5 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液宏观结构的影响Fig.5 Effect of treatment times on macrostructure of emulsion

2.2.3 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液Zeta电位的影响

当ζ电位的绝对值超过30 mV时,系统通常被认为是稳定的[27]。表5为同一压力水平下不同次数高压微射流处理对MCC-猪油Pickering乳液Zeta电位的影响情况。由表5可以看出,贮藏一周后各处理组乳液的电位均有所下降,可能是因为贮藏条件的变化导致乳液发生聚集现象,但其电位的绝对值均大于40 mV,乳液稳定性较好。随着处理次数的增加,MCC-猪油Pickering 乳液电位绝对值先增大后减小,处理次数为5 次时,乳液的电位在乳化后第1 天和第7 天均达到最大值,稳定性最高。这与处理次数对乳液粒径的影响变化规律一致。

表5 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液Zeta电位的影响Table 5 Effect of treatment times on Zeta potential of MCC-lard Pickering emulsion

2.2.4 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液CI的影响

CI是用来判断液滴絮凝和聚集稳定性的一种方法。表6为同一压力下不同次数高压微射流处理后乳液的CI变化情况,经过不同次数高压微射流处理的乳液的CI值均为100%,在1周的贮藏过程中也未发生变化,表明各处理组乳液均具有较高的稳定性。这是因为经过120 MPa压力的高压微射流处理后,乳液液滴之间有足够的静电斥力,可以维持良好的稳定性。

表6 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液CI的影响Table 6 Effect of treatment times on creaming index of MCC-lard Pickering emulsion

2.2.5 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液流变特性的影响

同一压力下不同次数高压微射流处理对MCC-猪油Pickering乳液的流变特性影响如图6所示。图6-a、图6-b分别为乳液黏度和G′、G″的变化情况。

2.2.5.1 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液黏度的影响

由图6-a中可以看出,经高压微射流处理后的乳液均呈现剪切稀化的现象,说明各处理组乳液仍属于假塑性非牛顿流体。同一剪切速率下,乳液的黏度随着高压微射流处理次数的增加总体呈先上升后下降的趋势,经5次处理后的乳液达到最大的初始黏度。这可能是由于1～5次处理时,乳液的粒径减小,数目增加,液滴间相互吸引的机会增加,从而使其很难发生移动,导致乳液黏度增大。5次处理后的乳液已经在体系中形成了均匀分散的乳液液滴,再增加处理次数,稳定的乳液体系反而遭到破坏,液滴的重新聚合不仅使乳液的粒径有所上升,原本MCC颗粒在体系中已经形成的较为稳定的网络结构也被破坏,导致乳液的初始黏度低于其他几个处理组。

2.2.5.2 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液的G′、G″影响

由图6-b可以看出,所有处理组的G′均大于G″,乳液均表现为弹性行为。随着处理次数的增加,G″先增大后减小,处理5次后达到最大值,这与乳液黏度的变化趋势一致。高压微射流处理1～5次的MCC-猪油Pickering乳液其G′与G″在较低的频率下随频率增大无明显变化,而处理过7次的乳液发生“过处理”现象,在频率上升至1 Hz后,乳液的G″出现明显的上升趋势,而G′也在此时出现了明显的下降。如果继续增大频率,可能出现交叉点频率,乳液出现凝胶到溶胶的转变,即乳液在压力等条件改变时由网络结构转变为非网络结构。

a-黏度;b-G′和G″图6 处理次数对MCC-猪油Pickering乳液的黏度、G′、G″的影响Fig.6 Effects of treatment times on viscosity, G′, G″ of MCC-lard Pickering emulsion

3 结论

不同压力条件下高压微射流处理试验及同一压力不同处理次数试验结果表明,高压微射流处理能有效降低微晶纤维素-猪油Pickering乳液的粒径,提高乳液的黏度,显著改善乳液乳化稳定性。当处理压力在120 MPa以下时,粒径大小随着压力的提高明显减小,将压力继续提高到160 MPa时乳液粒径无显著变化;在120 MPa压力条件下MCC-猪油Pickering乳液经高压微射流处理5次以内时,随着处理次数的增加乳液粒径显著减小,进一步增加处理次数后MCC-猪油Pickering乳液粒径有所变大。在120 MPa压力条件下处理5次能够制备出乳化及稳定性良好的微晶纤维素-猪油Pickering乳液。