基于凹凸棒穩定的姜精油納米乳制備工藝

蔣 倩，孔令艷，薛 梅，雷 紅

（南京財經大學 食品科學與工程學院/江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇 南京 210023）

姜精油是從生姜根莖中提取的水不溶性組分，目前采用的提取方法有超臨界CO2萃取法、水蒸汽蒸餾法、溶劑浸提法 、壓榨法、超聲波法等[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。但姜精油易揮發且不溶于水，其功效成分如姜酚類物質性質不穩定，而且直接服用姜精油對消化道有刺激作用，限制了姜精油的應用。

納米乳化技術是近年來的研究熱點，在食品領域多傾向于利用如多糖、蛋白質等作為乳化劑或壁材，針對一些食品功能成分進行乳化或包埋，以期提高這些營養素的水溶性和利用度，也避免了傳統納米乳利用表面活性劑而產生潛在毒性[5]。目前已知的納米乳的制備方法有高能乳化法（包括高壓均質法、超聲乳化法和微射流均質法）和低能乳化法（包括相轉變溫度法、相轉變點法和微乳液稀釋法）[6]。在食品工業領域，常以高壓均質法來制備食品級的納米乳。

凹凸棒是一種層鏈狀含水鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，其理論分子式為Si8O20(Mg, Al, Fe)5(OH)2(OH2)4·H2O[7]，凹凸棒已被允許用作食品添加劑[8]；已有研究[9]表明，凹凸棒納米顆粒可以作為乳化劑穩定乳液。然而食品領域目前尚未見采用無機小分子固體顆粒作為乳化劑制備納米乳的相關報道。亞麻籽膠是從亞麻籽種子中提取、濃縮并干燥的粉末狀顆粒，其主要成分為多糖[10]，因良好的水溶性和膠凝性，多用作食品增稠劑；此外，其具有良好的乳化性，能夠代替蛋白質形成穩定的水包油乳液[11]。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化后的產物，殼聚糖鹽酸鹽是一種強陽離子型殼聚糖衍生物，具有良好的水溶性；在酸性條件下分子中的氨基可與質子相結合而使其帶正電荷，具有天然的聚陽離子特性，可與陰離子聚合物發生靜電相互作用[12]；因此殼聚糖常應用于食品領域，單獨或與陰離子多糖結合用作包埋食品功能成分的壁材。

凹凸棒顆粒釋放的金屬陽離子可以與亞麻籽膠中多糖的羥基結合，再與殼聚糖鹽酸鹽靜電聚合，在油水界面形成網狀結構，形成O/W型的姜精油納米乳。因此，本研究擬采用凹凸棒為穩定劑，亞麻籽膠為乳化劑，二者制備水相，姜精油為油相，殼聚糖鹽酸鹽為壁材，采用高壓均質技術制備姜精油納米乳。以姜精油納米乳的平均粒徑為主要指標，在單因素實驗的基礎上，用響應面優化實驗研究姜精油納米乳的最佳制備配方和工藝，以期為后續姜精油的開發與利用提供理論與實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜精油：本實驗室采用超臨界CO2萃取技術萃取再利用AB-8型大孔樹脂純化制得[13]；凹凸棒（PGS）：江蘇玖川納米材料科技有限公司；亞麻籽膠（FG）：上海源葉生物科技有限公司；殼聚糖鹽酸鹽（CHC）：鑫恒食品原料公司；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇：國產分析純。

1.2 儀器與設備

SHA-B型水浴振蕩器：金壇市榮華儀器制造有限公司；RCD-1A型高速均質乳化機：常州越新儀器制造有限公司；HJ-5A型數顯多功能加熱攪拌器：常州國宇儀器制造有限公司；pHS-25型數顯pH計：上海精密科學儀器有限公司；1500F型超聲波分散儀：寧波新芝生物科技有限公司；Millipore-Q型純水儀：美國Millipore公司；AMF-10型高壓均質機：安拓思納米技術（蘇州）有限公司；Zetasizer Nano ZS90型納米粒度儀：英國Malvern公司。

1.3 方法

1.3.1 凹凸棒酸改性

天然的凹凸棒含有雜質，可能影響其穩定乳液的效果，故對其改性[14]。取凹凸棒與2 mol/L鹽酸按固液比1∶4（g/mL）加入燒杯中，用保鮮膜封口，置于水浴振蕩器中60 ℃水浴振蕩2 h。振蕩完畢后取出，調節pH至中性后過濾，去濾液。將活化后的凹凸棒干燥后過200目篩，置于干燥器中備用[15]。

1.3.2 姜精油納米乳的制備

取適量凹凸棒超聲分散于亞麻籽膠溶液中，制備水相；滴加姜精油至水相溶液中，12 000 r/min高速分散5 min預乳化，形成粗乳液[16]。將上述粗乳液添加至一定濃度的殼聚糖鹽酸鹽溶液中，調節pH至5.0～5.5[17]。水浴攪拌至乳液均勻，高壓均質即可制得姜精油納米乳。

1.3.3 測定指標

（1） 平均粒徑和多分散系數：取一定量姜精油納米乳，用超純水稀釋100倍后，用馬爾文納米粒度儀測定姜精油納米乳的平均粒徑和多分散系數（PDI）。

（2） Zeta電位：將用純水稀釋100倍后的姜精油納米乳裝入馬爾文電位樣品池中，用納米粒度儀測定其Zeta電位值。

1.3.4 姜精油納米乳制備的單因素實驗設計

（1）凹凸棒添加量：在亞麻籽膠、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.20%、3.0%、0.15%，均質壓力為30 MPa，均質時間為5 min的條件下，考察凹凸棒添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%）對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（2）亞麻籽膠添加量：在凹凸棒、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、3.00%、0.15%，均質壓力為30 MPa，均質時間為5 min的條件下，考察亞麻籽膠添加量（0.10%、0.20%、0.30%、0.40%）對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（3） 姜精油添加量：在凹凸棒、亞麻籽膠、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、0.15%，均質壓力為30 MPa，均質時間為5 min的條件下，考察姜精油添加量（1.0%、2.0%、3.0%、4.0%）對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（4） 殼聚糖鹽酸鹽添加量：在凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油添加量分別為0.15%、0.20%、3.0%，均質壓力為30 MPa，均質時間為5 min的條件下，考察殼聚糖鹽酸鹽添加量（0.10%、0.15%、0.20%、0.25%）對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（5） 均質壓力：在凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、3.0%、0.15%，均質時間為5 min的條件下，考察均質壓力（10、20、30、40 MPa）對姜精油納米乳的平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

（6） 均質時間：在凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、3.0%、0.15%，均質壓力為30 MPa的條件下，考察均質時間（3、4、5、6 min）對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響。

1.3.5 姜精油納米乳的響應面優化實驗設計

在單因素實驗結果的基礎上，選取主要因素凹凸棒添加量、亞麻籽膠添加量、殼聚糖鹽酸鹽添加量，以平均粒徑為響應值，利用三因素三水平Box-Behnken 設計優化姜精油納米乳配方。響應面實驗，因素水平設計見表1。

表1 響應面實驗因素水平編碼

1.4 數據處理

應用SPSS 16.0和Origin 2019b軟件對實驗數據進行統計分析和作圖，每組實驗進行3次重復，數據結果表示為平均值±標準差。應用Design-Expert 8.0.5b軟件進行響應面實驗設計與分析。

2 結果與分析

2.1 姜精油納米乳制備的單因素實驗

2.1.1 凹凸棒添加量

如圖1所示，隨凹凸棒添加量的增加，納米乳的平均粒徑、粒徑分布寬度有所減小。當酸改性凹凸棒添加量為0.15%時，乳液粒徑最小，多分散系數最小，說明乳液液滴大小相對均勻。從Zeta電位值來看，隨凹凸棒添加量的增加，Zeta電位值增加，說明乳液液滴相對穩定不易凝集。因此，凹凸棒添加量為0.15%時較好。

圖1 凹凸棒添加量對姜精油納米乳平均粒徑PDI和Zeta電位的影響

2.1.2 亞麻籽膠添加量

如圖2所示，隨亞麻籽膠添加量的增加，乳液粒徑先減小后增加。在亞麻籽膠添加量為0.20%時，乳液粒徑最小。亞麻籽膠添加量大于0.20%時，粒徑分布寬度增大，說明乳液顆粒大小更不均一，乳化效果變差。從Zeta電位值來看，不同亞麻籽膠添加量的納米乳Zeta電位值沒有明顯差別（P＜0.05）。因此，亞麻籽膠添加量為0.20%時較好。

圖2 亞麻籽膠添加量對納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.3 姜精油添加量

如圖3所示，隨姜精油添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑增大，粒徑分布寬度也增加。從Zeta電位值來看，當姜精油添加量為3.0%時，納米乳Zeta電位值絕對值最大，乳液相對而言更不易凝聚而相對穩定。當姜精油添加量大于3.0%時，乳液平均粒徑明顯增大（P＜0.05）。為了盡可能多地負載姜精油，綜合考慮姜精油添加量為3.0%時較好。

圖3 姜精油添加量對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.4 殼聚糖鹽酸鹽添加量

如圖4所示，隨殼聚糖鹽酸鹽添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑先減小后增加，在殼聚糖鹽酸鹽添加量為0.15%時，乳液平均粒徑最小。從PDI值來看，不同殼聚糖鹽酸鹽添加量的納米乳的PDI值無明顯變化（P＜0.05）。從Zeta電位值來看，隨殼聚糖鹽酸鹽添加量的增加，Zeta電位值增加，說明乳液液滴不易凝集相對穩定。因此，殼聚糖鹽酸鹽添加量為0.15%時較好。

圖4 殼聚糖鹽酸鹽添加量對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.5 均質壓力

如圖5所示，隨均質壓力的增加，乳液平均粒徑減小，當均質壓力超過30 MPa后乳液平均粒徑變化不再顯著（P＜0.05）。從PDI值來看，不同均質壓力下，乳液的PDI值無明顯差異（P＜0.05）。因此，均質壓力為30 MPa時較好。

圖5 均質壓力對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.1.6 均質時間

如圖6所示，隨著均質時間的增加，乳液粒徑分布寬度減小，平均粒徑減小，在均質5 min時有最小值，當均質時間大于5 min時，平均粒徑變大，可能是因為均質時間過長導致乳液結構被破外[18]。因此，均質5 min為宜。

圖6 均質時間對姜精油納米乳平均粒徑、PDI和Zeta電位的影響

2.2 姜精油納米乳制備工藝的響應面優化實驗

2.2.1 響應面實驗設計及結果

根據表1響應面實驗設計水平表，進行響應面優化實驗，具體實驗設計與結果見表2。

2.2.2 回歸模型和方差分析

用Design-Expert.8.05b軟件對表2的數據進行多項式回歸，得到的二次回歸方程如下，方差分析結果如表3所示。

表2 響應面實驗設計與結果

由表3可知，模型的F值為77.45，P值＜0.000 1，具有統計學意義。失擬項不顯著（P=0.587 8），說明得到的二次回歸方程對實驗的擬合度較好，可用于真實實驗值的預測和分析。決定系數R2= 0.990 1，表明預測值與真實值之間具有關聯性。回歸模型的校正確定系數R2Adj=0.977 3，表明該模型能夠解釋97.73%響應值的變化[19]。

表3 回歸模型方差分析

由回歸模型系數顯著性檢驗結果可知，模型的一次項B對平均粒徑的線性效應極顯著（P＜0.000 1），二次項B2、C2對平均粒徑都具有極顯著的二次效應（P＜0.000 1），交互項AC和BC都表現出顯著的交互作用（P＜0.05）。

2.2.3 響應曲面分析

根據上述回歸模型，利用Design-Expert.8.05b軟件作出姜精油納米乳平均粒徑在兩種因素影響下的響應曲面圖和等高線圖，如圖7所示。

從圖7（a）和圖7（b）可以看出，隨著亞麻籽膠添加量和凹凸棒添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑呈先減小后增加的趨勢。

從圖7（c）和圖7（d）可以看出，隨著殼聚糖鹽酸鹽添加量和凹凸棒添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑呈先減小后增加的趨勢。等高線圖呈橢圓形，表明殼聚糖鹽酸鹽添加量和凹凸棒添加量對姜精油納米乳粒徑的交互作用顯著。

從圖7（e）和圖7（f）可以看出，隨著殼聚糖鹽酸鹽添加量和亞麻籽膠添加量的增加，姜精油納米乳的平均粒徑呈先減小后增加的趨勢。等高線圖呈橢圓形，表明殼聚糖鹽酸鹽添加量和亞麻籽膠添加量對姜精油納米乳粒徑的交互作用顯著。

圖7 兩種因素交互影響下的響應曲面圖和等高線圖

2.3 驗證實驗

根據回歸方程，對其各因素進行數據運算處理，進而得到一個最優條件：凹凸棒、亞麻籽膠、殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、0.15%，在此條件下預測的姜精油納米乳的平均粒徑為333.41 nm。

在該條件下進行驗證實驗，重復3次，測得姜精油納米乳的平均粒徑為（332.8±5.1） nm，與模型預測結果較為相近，說明響應面優化所得的最佳制備條件是可靠的。

3 結 論

本研究以凹凸棒作穩定劑、亞麻籽膠作乳化劑、殼聚糖鹽酸鹽作壁材制備姜精油納米乳，通過單因素實驗和響應面實驗優化研究以確定姜精油納米乳的制備工藝。實驗結果表明，當酸改性凹凸棒、亞麻籽膠、姜精油和殼聚糖鹽酸鹽添加量分別為0.15%、0.20%、3.00%和0.15%，高壓均質壓力為30 MPa，均質時間為5 min時，制備的姜精油納米乳穩定性較好，粒徑分布較均勻。該姜精油納米乳工藝條件下，制備的姜精油納米乳的平均粒徑為（332.8±5.1） nm。后續將對姜精油納米乳的儲藏穩定性作進一步研究。