青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的測定

張紅蕾，武耐英*，彭靜維，齊立軍，張晶晶

(1.河北工程大學 材料科學與工程學院，河北 邯鄲 056038；2.晨光生物科技集團股份有限公司，河北 邯鄲 057250)

青花椒油樹脂是指采用適當溶劑從天然花椒中萃取的具有花椒全部風味特征的油狀制品[1]。青花椒油樹脂是采用油溶法、超聲輔助有機溶劑提取或超臨界CO2流體萃取技術(shù)從青花椒中提取出來的物質(zhì)[2-3]。它既含有揮發(fā)性花椒精油，也含有酰胺類化合物、生物堿、黃酮、不易揮發(fā)呈味成分和色素、脂肪酸等成分，具有較廣闊的應用前景[4]。目前，青花椒油樹脂主要應用于食品行業(yè)，被制成火鍋底料或者調(diào)味料進入食品市場，但目前有文獻表明[5]，青花椒油樹脂在麻度較高時會很快凝固，并且很多花椒油樹脂在低溫條件下出現(xiàn)析晶現(xiàn)象，給下游產(chǎn)品應用帶來諸多不便。目前緩解凝固或抑制析晶的方法很多，比如，改善結(jié)晶操作條件、加雜質(zhì)使其進入晶格中、加入乳化劑等[6]。其中，由于加入乳化劑具有操作方便、成本較低等優(yōu)點，所以乳化劑的加入是較常采用的方法。常見的乳化劑有檸檬酸鉀[7]、1,2-丙二醇、聚乙二醇400雙油酸酯等，乳化劑在青花椒油樹脂中起到兩方面作用：形成和穩(wěn)定[8-10]。

為了研究青花椒油樹脂穩(wěn)定性，緩解青花椒油樹脂析晶問題，掌握結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵。當過飽和溶液處于介穩(wěn)平衡的狀態(tài)時，很多因素能夠影響介穩(wěn)區(qū)，如降溫速率、攪拌速率、晶種的加入、雜質(zhì)以及溶液本身的性質(zhì)[11]，而且截至目前沒有發(fā)現(xiàn)對青花椒油樹脂結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)方面的研究。

因此，本實驗考察了攪拌速率、降溫速率、麻度以及加入乳化劑等不同影響因素對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)寬度的影響。根據(jù)青花椒油樹脂的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)特性優(yōu)化介穩(wěn)區(qū)寬度最大化的結(jié)晶條件，為緩解青花椒油樹脂析晶問題提供理論數(shù)據(jù)參考。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗儀器和材料

青花椒油樹脂、青花椒油：晨光生物科技集團股份有限公司；1,2-丙二醇：河南興鼎化工產(chǎn)品有限公司；聚乙二醇400雙油酸酯：江蘇省海安石油化工廠；羥基-β-山椒素：上海源葉生物科技有限公司。

50 mL玻璃結(jié)晶器 鄭州市金水區(qū)欣瑞玻璃器皿經(jīng)營部；恒溫磁力攪拌器 天津市蘭力科化學電子高技術(shù)有限公司；CF41型制冷循環(huán)器 上海科興儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶解度的測定

利用靜態(tài)法測定青花椒油樹脂在花椒精油中不同溫度條件下的溶解度。稱取一定量的花椒精油，放入50 mL的結(jié)晶器中，然后向花椒精油中添加青花椒油樹脂，此時的溫度區(qū)間為25～45 ℃，攪拌速率為200 r/min，當加入的青花椒油樹脂在花椒精油中有部分未溶解時，停止加入青花椒油樹脂，此時記錄青花椒油樹脂的加入量，得到青花椒油樹脂在花椒精油中的溶解度，用mL/g表示。

1.2.2 超溶解度的測定

超溶解度的測定建立在溶解度測定的基礎(chǔ)上，當測定完青花椒油樹脂溶解度后，在溶解溫度條件下升高5～10 ℃，攪拌速率為200 r/min，之后開始降溫，降溫速率為5 K/h，待析出大量晶體時，記錄下其溫度即為超溶解溫度。得到的溶解度和超溶解度作差，得到的結(jié)果即為介穩(wěn)區(qū)。

1.2.3 不同影響因素對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

1.2.3.1 降溫速率對青花椒油樹脂在花椒精油介穩(wěn)區(qū)的影響

在固定攪拌速率為200 r/min、溫度為35 ℃的條件下，探究了不同降溫速率5，10，15，20，25 K/h對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)寬度的影響。

1.2.3.2 攪拌速率對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

攪拌速率受結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和溶劑體積大小的影響，本實驗在相同的攪拌槳結(jié)構(gòu)和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)下，考察攪拌速率對介穩(wěn)區(qū)的影響。在固定溫度為35 ℃、降溫速率為5 K/h的條件下，測定不同攪拌速率100，200，300，400，500 r/min對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響。

1.2.3.3 不同麻度對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

青花椒油樹脂麻度采用高效液相色譜法測定，參照重慶市地方標準DB50/T 321-2009《花椒麻味物質(zhì)的檢測方法 高效液相色譜法》[12]。方法概括如下：以羥基-β-山椒素為標準品，利用HPLC測定花椒麻味物質(zhì)的含量。按照YMC-Pack ODS-A色譜柱，45%乙腈為流動相，流速為0.7 mL/min，柱溫為35 ℃，檢測波長為266 nm的色譜條件，測定峰面積。其中以對照品質(zhì)量(ng)為橫坐標、峰面積值為縱坐標，做線性回歸，得出標準曲線，在標準曲線上查出所對應的待測樣品中花椒麻味物質(zhì)的含量。

本實驗用青花椒油樹脂和花椒精油將樣品調(diào)配成不同麻度的青花椒油樹脂，在溫度為35 ℃、攪拌速率為200 r/min、降溫速率為5 K/h的條件下，測定麻度為180，160，150，130，120的青花椒油樹脂的介穩(wěn)區(qū)。

1.2.3.4 加入乳化劑對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

根據(jù)GB 2760—2014《食品添加劑使用標準》使用原則[13]，選擇食品行業(yè)可以使用的1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯進行研究。本實驗在溫度為35 ℃，攪拌速率為200 r/min，降溫速率為5 K/h的條件下，通過改變單一乳化劑1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯的加入量，測定單一乳化劑和不同比例復配乳化劑對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響。

1.2.4 青花椒油樹脂穩(wěn)定性實驗

在相同麻度和溫度的條件下，對不加入乳化劑、加入單一乳化劑和加入不同比例復配乳化劑的青花椒油樹脂進行靜置實驗。每天或者每隔1 d對靜置的青花椒油樹脂進行觀察，觀察是否有晶體析出。

2 結(jié)果與討論

2.1 青花椒油樹脂在花椒精油中的溶解度

青花椒油樹脂在花椒精油中的溶解度曲線見圖1。

圖1 青花椒油樹脂溶解度曲線

由圖1可知，青花椒油樹脂在花椒精油中的溶解性很強，隨著溫度的升高而逐漸增大。在低于35 ℃時，青花椒油樹脂的溶解度增加較快，當超過35 ℃時，青花椒油樹脂的溶解度趨于平緩。這是由于青花椒油樹脂是一種黏稠狀流動體，難溶解，加入的青花椒油樹脂的量越多，其麻度越大，越難溶解。溫度越高，對麻度影響越大，但是當溫度過低時，由于溶解的量非常有限，不宜調(diào)配成高麻度的樣品，所以后續(xù)實驗選取在35 ℃條件下進行操作。

2.2 青花椒油樹脂在花椒精油中的介穩(wěn)區(qū)

青花椒油樹脂在花椒精油中的介穩(wěn)區(qū)見圖2，此時固定條件為攪拌速率200 r/min，降溫速率5 K/h，圖中溶解度曲線和超溶解度曲線之間的區(qū)域為青花椒油樹脂的結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)。

圖2 青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)曲線

由圖2可知，青花椒油樹脂的介穩(wěn)區(qū)隨著溫度的增加逐漸變窄，這是由于隨著溫度逐漸升高，青花椒油樹脂的黏度下降，溶質(zhì)的擴散系數(shù)增加，分子的熱效應加劇，使分子間的成核速率增大，有利于成核。

2.3 降溫速率對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響

不同降溫速率對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響結(jié)果見圖3。

圖3 不同降溫速率對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

由圖3可知，隨著降溫速率的升高，青花椒油樹脂的超溶解度不斷變小，其介穩(wěn)區(qū)變寬。這是因為隨著降溫速率不斷增加，分子運動加劇，分子之間碰撞頻率增加，傳質(zhì)速率增加導致青花椒油樹脂過飽和度變大[14]，結(jié)晶過程易越過介穩(wěn)區(qū)，造成自發(fā)成核，所以導致介穩(wěn)區(qū)寬度增加，這與經(jīng)典成核理論冷卻結(jié)晶實驗結(jié)果一致[15]。

2.4 攪拌速率對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響

不同攪拌速率對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響結(jié)果見圖4。

圖4 不同攪拌速率對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

由圖4可知，在同一溫度下，隨著攪拌速率的增加，青花椒油樹脂在花椒精油中的介穩(wěn)區(qū)寬度逐漸減小。這是因為隨著體系攪拌速度的不斷增大，傳質(zhì)速度也變大，使得溶液中離子碰撞成核的幾率變大，最終導致介穩(wěn)區(qū)變窄[16]。

2.5 麻度對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響

不同麻度對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響結(jié)果見圖5。

圖5 不同麻度對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

由圖5可知，隨著青花椒油樹脂麻度不斷增大，其介穩(wěn)區(qū)寬度逐漸減小。這是因為當青花椒油樹脂麻度越大時，所需要的青花椒油樹脂的溶解度相對增加，青花椒油樹脂越多，其越黏稠，超過了青花椒油樹脂的飽和程度，所以導致容易析出晶體，其介穩(wěn)區(qū)變窄。

2.6 乳化劑1,2-丙二醇對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響

加入單一乳化劑1,2-丙二醇對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響結(jié)果見圖6。

圖6 加入1,2-丙二醇對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

由圖6可知，隨著1,2-丙二醇添加量的增加，青花椒油樹脂的介穩(wěn)區(qū)變寬，這是因為1,2-丙二醇分子結(jié)構(gòu)的基本特點是具有不對稱的手性碳原子[17]，可以使共聚酯大分子的對稱性下降，破壞結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，起到降低共聚酯熔融轉(zhuǎn)變溫度及結(jié)晶能力的作用。另外，隨著1,2-丙二醇的添加量不斷增加，青花椒油樹脂的麻度越小，所需的青花椒油樹脂的數(shù)量越少，導致其介穩(wěn)區(qū)越寬。

2.7 乳化劑聚乙二醇400雙油酸酯對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響

加入單一乳化劑聚乙二醇400雙油酸酯對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響結(jié)果見圖7。

圖7 加入聚乙二醇400雙油酸酯對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

由圖7可知，隨著聚乙二醇400雙油酸酯加入量不斷增加，青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)變寬，這是因為聚乙二醇400雙油酸酯是由山梨醇和油酸酯醋化而成，其親水親油平衡值(HLB值)為4.3，能和油類混溶為油包水型乳化劑[18]。將其加入青花椒油樹脂中起到乳化作用的同時，又使青花椒油樹脂的麻度降低，更不易凝固。

2.8 不同比例復配乳化劑對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響

根據(jù)文獻報道，單一乳化劑所形成的界面膜的堆砌密度不足，沒有高黏度。但是復配乳化劑可以提高界面膜中的堆砌密度，使其更接近“臨界堆砌參數(shù)”，從而使研究體系的黏度更大，穩(wěn)定性更好[19-20]。所以，本實驗中研究了加入不同比例復配乳化劑(1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯)對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響。在本實驗中通過將兩種乳化劑按不同比例混合后加入到青花椒油樹脂中，測定其對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)的影響，實驗結(jié)果見圖8。

圖8 加入不同比例混合乳化劑對青花椒油樹脂介穩(wěn)區(qū)的影響

由圖8可知，隨著復配乳化劑中1,2-丙二醇添加比例的逐漸增大，介穩(wěn)區(qū)先變寬后變窄。當1,2-丙二醇與聚乙二醇400雙油酸酯的比值為 3∶1時，其介穩(wěn)區(qū)最寬，這是因為1,2-丙二醇為親水性的乳化劑，在花椒精油中1,2-丙二醇的溶解度較小，導致可溶解的部分較少。然而，如果1,2-丙二醇的添加量過多，就會影響青花椒油樹脂的油溶性，使得青花椒油樹脂呈現(xiàn)油滴狀態(tài)，影響青花椒油樹脂的進一步應用。

3 青花椒油樹脂穩(wěn)定性實驗

將未添加乳化劑和加入不同規(guī)格乳化劑(1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯)的青花椒油樹脂靜置，結(jié)果見表1。

表1 青花椒油樹脂靜置現(xiàn)象

由表1可知，當沒有乳化劑加入時，青花椒油樹脂在0 ℃下靜置10 d即有晶體出現(xiàn)。向青花椒油樹脂中加入單一乳化劑1,2-丙二醇后，在0 ℃的條件下靜置30 d出現(xiàn)少量晶體。當加入單一乳化劑聚乙二醇400雙油酸酯時，在0 ℃條件下靜置27 d出現(xiàn)少量晶體。當向青花椒油樹脂中加入不同比例復配乳化劑(1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯)時，在0 ℃條件下靜置45 d，1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯比例為1∶2和1∶3時均出現(xiàn)晶體。當在0 ℃條件下靜置50 d時，1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯比例為2∶1和1∶1時出現(xiàn)晶體。當在0 ℃條件下靜置53 d，1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯比例為4∶1時出現(xiàn)晶體。加入復配乳化劑1,2-丙二醇和聚乙二醇400雙油酸酯比例為3∶1的青花椒油樹脂，靜置60 d還未出現(xiàn)晶體，表明當兩者比例達到3∶1時，青花椒油樹脂的穩(wěn)定性最好。

4 結(jié)論

目前，市場上青花椒油樹脂不穩(wěn)定，在低溫條件下容易析出晶體，而這一現(xiàn)象與其介穩(wěn)區(qū)寬度有緊密聯(lián)系。本實驗結(jié)果表明，向青花椒油樹脂的花椒精油體系中加入乳化劑可以增加青花椒油樹脂的介穩(wěn)區(qū)寬度，改善青花椒油樹脂的穩(wěn)定性，緩解青花椒油樹脂析晶問題。尤其是當向青花椒油樹脂中加入合適比例的復配乳化劑時，可以最大程度地緩解青花椒油樹脂析晶現(xiàn)象，使青花椒油樹脂的介穩(wěn)區(qū)寬度以及穩(wěn)定性達到最佳。綜上所述，對青花椒油樹脂在花椒精油中介穩(wěn)區(qū)測定的研究，不僅可以為緩解花椒油樹脂析晶問題提供可行的建議，而且可以為后續(xù)青花椒在食品行業(yè)的應用提供指導。