基于β-環糊精穩定的Pickering乳液微觀結構與流變性質研究

袁繼鳳， 徐化能， 王周平

（江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122）

乳液是由兩種互不相溶的液體相所組成的分散體系，在食品、化工、農業以及醫藥等領域有著廣泛的應用。乳液為一種多尺度、復雜的熱力學不穩定體系，通常需要加入乳化劑來予以穩定。常用乳化劑包括表面活性劑、聚合物和固體顆粒，其中以固體顆粒穩定的乳液被稱為Pickering乳液[1]。與傳統乳液相比，Pickering乳液具有更好的聚結穩定性、經濟性和環境友好性。目前，公認的Pickering乳液的穩定機理主要為固體顆粒吸附于油/水界面并形成固體顆粒單層/多層膜，從而穩定乳液[2]。

環糊精（cyclodextrins，CDs）是一類環狀低聚糖，常見的有 α-、β-和 γ-環糊精，聚合度分別為 6、7和8。環糊精具有空腔結構，可以掩蔽特殊氣味和緩釋有效成分，因此被廣泛應用于食品、醫藥和日用化學品工業中[3]。近年來，環糊精開始被應用于Pickering乳液的制備和研究中。研究結果表明，β-環糊精與油相分子的部分結構包合形成絡合物，這種絡合物可在油水界面形成一種穩定的膜，因此可將其界定為Pickering乳液[4-6]。乳狀液的穩定性主要取決于體系中顆粒與顆粒之間、顆粒與液滴之間形成的三維網絡結構。Inoue等[7]在研究中發現β-環糊精與油相形成的乳劑隨著β-環糊精的加入量的增加，成乳范圍增加，乳液液滴粒徑減小。

盡管以往研究考察了環糊精在油水分散體系的特性及其穩定乳液的能力，而對其與常規表面活性劑分散體系性質及其穩定乳液能力的差異尚未進行比較。通過測定β-環糊精穩定的乳液的微觀結構和剪切粘度等特性，考察β-環糊精濃度、油水體積比等對乳液穩定性的影響，并比較其與非離子表面活性劑吐溫-80穩定乳液能力的差異，進而闡明兩者對乳液的不同穩定機理。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

β-環糊精、吐溫-80：均為化學純，購于上海國藥集團化學試劑有限公司；大豆油：購于中糧福臨門公司；實驗用水為去離子水。

1.2 實驗儀器

IKA T8高剪切分散乳化機：德國IKA公司產品；AR-G2流變儀：美國TA公司產品；BX51光學顯微鏡：日本Olympus公司產品。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳液的制備 油水體積比1∶9乳液：離心管中分別加 入 0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0 g β-環糊精（吐溫-80），緩慢加入18 mL去離子水和2 mL大豆油，使用IKA T8高剪切分散乳化機在25℃、10 000 r/min下高速攪拌2 min[8]，配制成乳化劑質量濃度為 0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0 g/dL 的乳液。

不同油水比乳液：離心管中加入0.5 g β-環糊精，分別緩慢加入 18、16、14、12、10 mL 去離子水和2、4、6、8、10 mL 大豆油， 按上述方式制得油水比分別為 1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5 的乳液。

1.3.2 乳液乳化系數的測定 將制備好的乳液平行樣品密封，靜置于25℃環境中。不同β-環糊精添加量的乳液靜置3 d后，外觀形態呈現出明顯的不同。乳液底部會析出半透明液體，頂部白色部分為乳液層。分別測量乳液層高度與樣品的總高度，計算乳化系數。

乳化系數（CreamingIndex，CI）按公式（1）計算[9-11]：

其中，he為靜置3 d后乳液層的高度，ht為樣品的總高度。

1.3.3 乳液液滴微觀形態 取穩定乳液層制片，通過光學顯微鏡進行觀察。光學顯微鏡照片通過連接在顯微鏡上的圖像采集裝置采集，根據對象不同大小，選擇合適放大倍數的光鏡，然后根據放大倍數設定標尺。

1.3.4 乳液粘度測定 乳液的表觀粘度采用ARG2流變儀表征，夾具直徑為40 mm，測試溫度為25℃。將樣品置于平行板之間，間隙設為1 mm，測試溫度為25℃，剪切速率變化范圍為1~100 s-1。

2 結果與討論

2.1 不同β-環糊精/吐溫-80質量濃度對乳液性質的影響

2.1.1 乳化系數 乳液分層指油水相的分離，是一種乳液不穩定性的現象。乳化系數越大，表明乳液層占總樣品體積的百分比越大，乳液越穩定。靜置3 d后，兩種乳化劑制備所得乳液，在靜置過程中均沒有油相析出，僅有一定體積的水相從乳液底部析出。其乳化系數如表1所示。

表1 不同質量濃度β-環糊精和吐溫-80的乳化系數Table 1 Creaming index of the emulsions prepared with differentconcentration ofβ-Cyclodextrin/Tween-80

表1表明，β-環糊精和吐溫-80的乳化系數呈現出明顯的差異。當β-環糊精質量濃度從0.5 g/dL增加到5 g/dL時，乳化系數值從21.5%增加到66.67%；而吐溫-80穩定乳液的能力較差，其乳化系數基本維持在13.16%左右，且吐溫-80質量濃度對乳化系數值影響很小。乳化系數隨環糊精濃度的增大而增大，可能與環糊精與油的絡合物吸附在油水界面處形成連續的網絡結構有關，當這種結構的強度足夠高時能阻止乳液液滴之間的聚并[5]，從而抑制乳液的分層。環糊精濃度的增加意味著在油-水混合體系中能形成更多的絡合物，乳液液滴間形成高覆蓋度的油-水界面層的可能性增加，這有利于提高乳液的穩定性。

2.1.2 乳液微觀結構 環糊精乳液光學顯微鏡圖見圖1（a）。乳液液滴的粒徑隨著β-環糊精質量濃度的增加而逐漸減小，這意味著β-環糊精穩定乳液的能力逐漸增強。這可能因為，當β-環糊精質量濃度增加時，越來越多的環糊精/油的絡合物顆粒吸附于油/水界面而使相界面膜更加致密，有效阻止了液滴的聚并，進而導致乳液滴粒徑降低。當質量濃度增至4.0 g/dL時，繼續增加β-環糊精濃度，乳液液滴粒徑基本不變，說明β-環糊精穩定乳液的能力趨于恒定。吐溫-80乳液光學顯微鏡圖見圖1（b），使用吐溫-80制備的乳液，液滴相對均勻，吐溫-80濃度的增加對乳液粒徑無顯著影響。環糊精與吐溫-80乳液微觀結構差異可能與兩者穩定乳液機理不同有關：表面活性劑吐溫-80的加入，能造成體系的界面張力降低，使得乳液液滴分散得細密均勻；而β-環糊精能與油形成絡合物，吸附在油水界面膜上，在液滴周圍形成一層致密的顆粒膜，使得乳液液滴間彼此不容易發生聚結。

圖1 乳液光學顯微鏡圖Fig.1 Microscope images for the droplets of the emulsions prepared with β-CD（a）or Tween-80（b）

從乳液液滴形態角度分析，吐溫-80乳液呈現為圓球形而β環糊精乳液呈現為不規則形態。這可能因為，吐溫-80分子形成的界面膜強度遠小于環糊精/油絡合物顆粒形成的界面膜，表現為：制片過程中，吐溫-80界面膜重新排布，形成圓球形乳液顆粒；環糊精/油絡合物界面膜無法重新排布而發生形變，乳液液滴呈現不規則形態。

在作者研究的β-環糊精濃度范圍內，環糊精濃度的增加既可以降低水油界面張力[4]，又能顯著提高界面膜的剛度和強度，從而提高乳液的穩定性；而在吐溫-80質量濃度范圍內，界面張力變化不大，因此，乳液液滴粒徑基本不變。

2.1.3 乳液粘度 如圖2所示，在設定的剪切速率范圍內（1～100 s-1），隨著剪切速率的增加，β-環糊精乳液的黏度均呈下降趨勢，即呈現出剪切變稀行為；而吐溫-80乳液的粘度均呈上升趨勢，即呈現出剪切變稠行為。在任何一個剪切速率下，β-環糊精乳液的黏度都顯著大于吐溫-80乳液的黏度。這是由于環糊精絡合物在油水界面形成致密的顆粒膜，乳液的流動在質點附近將受到干擾，需要消耗額外的能量，因此乳液的剪切粘度較高；相反，吐溫-80具有表面活性，表面能降低，因而乳液在流動時克服的阻力小，剪切粘度較低。

為了更形象地描述乳液的非牛頓流變行為，可采用冪律方程對實驗結果進行擬合[12]：

式中，η為乳液的黏度；K為稠度系數；γ為剪切速率；n為流動指數（根據n值可以推測剪切對乳液體系的作用，n＜1為剪切變稀，n=1為牛頓流體，n＞1 為剪切變稠）。

圖2 不同β-環糊精/吐溫-80質量濃度下的乳液的剪切黏度Fig.2 Viscosity of the emulsions prepared with β-CD（a）or Tween-80（b）

表2列出了不同乳化劑乳液的K與n的擬合結果。結果表明：β-環糊精質量濃度為0.5 g/dL的乳液流動指數n較小，說明該質量濃度下乳液中形成的絡合物含量較少，不能形成強度較高的界面膜，因此表現出乳化系數值最低，乳液粒徑最大。當β-環糊精質量濃度增至1.5 g/dL和4 g/dL時，乳液之間流動指數n差別減小，但稠度系數K相差較大，說明不同β-環糊精濃度的乳液，其剪切變稀的程度相似，但粘度存在較大的差異。對于吐溫-80，其粘度顯著小于β-環糊精乳液的粘度，因此其稠度系數K遠小于β-環糊精乳液。

表2 不同β-環糊精/吐溫-80質量濃度時乳液冪率方程擬合參數表Table 2 Power law model parameters of the emulsions prepared with β-CD or Tween-80

2.2 不同油水體積比對乳液性質的影響

2.2.1 乳化系數 圖3顯示，β-環糊精質量濃度為2.5 g/dL時，隨著油水體積比的增加，乳液層的體積不斷增大。結合表3可知，當油水體積比從1∶9增加到5∶5時，乳化系數值從53.85%增加到92.29%。

圖3 不同油水體積比下β-環糊精乳液的穩定性Fig.5 Stability of the emulsions stabilized with β-CD at the concentration of 2.5 g/dL

β-環糊精濃度相同，生成環糊精/油絡合物量相同，即能夠形成的界面膜面積相同。隨著油水體積比增大，界面膜強度減低，顆粒發生聚并，形成較大粒徑的乳液液滴，導致乳液相體積增大，乳化系數值增大。

表3 不同油水體積比時β-環糊精的乳化系數Table 3 Creaming index of the emulsions prepared with different oil/water volume ratio

2.2.2 乳液微觀結構 圖4表明，乳液液滴的粒徑隨著油水體積比的增加而逐漸增加，可能是因為隨著油水體積比例的增加，乳液油滴之間空間減小，液滴間作用力明顯增強，導致液滴間相互碰撞并融合的可能性增加，因此乳液粒徑增大。

圖4 不同油水體積比時β-環糊精乳液的光學顯微鏡圖Fig.4 Microscope images for the droplets of the emulsions prepared with β-CD at the concentration of 2.5 g/dL

2.2.3 乳液黏度 如圖5所示，不同油水體積比的β-環糊精乳液，隨著剪切速率的增加其粘度均呈下降趨勢，即呈現出剪切變稀行為；在同一剪切速率下，隨著油相體積比的增加，β-環糊精乳液的粘度逐漸增加。油相體積的增加，乳液液滴間作用力明顯增強，導致乳液粘度增大。將圖5數據進行擬合，參數如表4所示。隨著油水體積比的增加，乳液之間流動指數n差別較小，而稠度系數K相差較大，表明不同油水體積比的β-環糊精乳液，其剪切變稀的程度相似，但粘度存在較大的差異。

圖5 不同油水體積時β-環糊精乳液的剪切黏度Fig.5 Viscosity of the emulsions prepared with different oil/water volume ratios

3 結語

β-環糊精穩定的乳液的穩定性顯著高于吐溫-80；β-環糊精乳化系數隨環糊精質量濃度的增大而增大，而吐溫-80質量濃度對乳化系數值影響很小；乳液液滴的粒徑隨著β-環糊精質量濃度的增加而逐漸減小，隨著油水體積比的增加而增加；β-環糊精乳液粘度呈現典型的剪切變稀行為，而吐溫-80乳液呈現剪切變稠行為。環糊精/油的絡合物顆粒能吸附于油/水界面形成顆粒膜結構，其結構強度隨環糊精含量的增加而提高，從而起到阻止液滴聚并、穩定乳液的作用。

表4 不同油水體積時乳液冪率方程擬合參數表Table 4 Power law model parameters of the emulsions prepared with different oil/water volume ratios

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