高壓微射流處理對微晶纖維素-豬油Pickering乳液的影響

耿宏慶,康夢瑤,楊凱麟,陸今明,彭松林,趙紫悅,尚永彪,2,3*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(農業部農產品貯藏保鮮質量安全評估實驗室(重慶),重慶,400715) 3(重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶,400715)

纖維素是自然界中最廣泛、最豐富的天然可再生資源,除了在傳統的紡織業與造紙業應用外,纖維素還被廣泛應用到生物、醫藥、食品以及建筑等行業[1-3]。天然的纖維素存在溶解性和抗皺性差、結構不均一等缺點[4-5],故人們不斷嘗試對纖維素大分子進行可控的物理和化學改性[6]。微晶纖維素(microcrystalline cellulose,MCC)是通過物理和化學手段將大分子天然纖維素水解至最終聚合度的產物,利用廢棄物及副產物如稻草、茶渣、蘆筍、蔗渣、山葡萄梗,還有細菌等均可制備MCC,這在很大程度上節約了資源。基于MCC結晶度高、可降解、天然無毒等優點[7-8],其在各個領域都有一定的應用。在食品行業中MCC替代傳統的乳化劑的應用最為廣泛,薛玉清等[9]在中性乳飲料生產中用MCC替代傳統的穩定劑,結果表明,最終產品的離心沉淀率顯著降低,濁度保留率則顯著提高。MCC還可以用于制備可食性復合膜,如李帥等[10]將提取得到的玉米秸稈MCC添加到大豆分離蛋白可食膜中,發現適量的玉米秸稈MCC顆粒能夠提高復合可食性膜的透氣率及膜的抗拉升性能。

豬油資源豐富且具有易消化吸收的特點,可賦予食物獨特的香味,但由于其碳鏈較短,結晶顆粒粗大,導致加工性能差[11]。豬油通常作為原料被用于肉糜類制品的生產,如果直接將豬肥膘或豬油混合到肉糜中去,脂肪在后續熱加工過程中很容易流失。研究表明,在加入肉糜之前預先將油脂乳化有利于油脂的保持,預乳化效果好的產品具有較好的保油性。高壓微射流技術是一種能對液體物料進行一系列綜合作用的非熱加工新興技術[12],具有產生壓力高、物料流速快、顆粒碰撞機會大等優點[13]。利用高壓微射流技術不僅可以對食品物料改性,有效提高其食品加工性能[14],還可制備更加均一穩定的可食用性物料,很好地增強乳化效果。LI等[15]研究認為,與一些傳統的手段相比高壓微射流處理是利用山茶籽油制備O/W納米化乳液最適合的方法。TANG等[16]對比高壓微射流技術與超聲波技術,結果發現高壓微射流均質的阿司匹林乳液比超聲波均質的乳液更加均勻,適合用于阿司匹林藥劑的生產。彭群等[17]利用高壓微射流制備甜橙油納米乳液,發現隨著均質壓力和均質次數增加,納米乳液平均粒徑和濁度都呈現較相似的減小趨勢,所得乳液粒徑分布呈現良好的分散性和穩定性;但當處理次數超過4次時,由于有足夠的乳化劑包裹在油滴的表面,液滴直徑保持恒定,繼續均質不能產生更小的液滴。ABLIZ等[18]研究結果表明,在相同壓力下,沙棘汁經1次或2次均質后,粒徑有所減小,但經3次均質后,小顆粒聚集,大顆粒重新形成,導致粒徑增大。

本文利用高壓微射流技術對MCC-豬油Pickering乳液進行處理,探究高壓微射流處理壓力和處理次數對乳液粒徑、微觀結構、Zeta電位、儲能模量及損耗模量等參數的影響,以期為MCC-豬油Pickering乳液的制備提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

竹基微晶纖維素,天津東辰區索羅門生物試劑銷售中心;食用豬油,四川綠島油脂有限公司;純水。

1.2 儀器與設備

XHF-D內切式勻漿機,寧波新芝生物科技股份有限公司;超低溫冰箱,青島海爾有限公司;BX53熒光正置顯微鏡,日本OLYMPUS公司;EOS80D數碼相機,日本佳能株式會社;ZEN3690馬爾文激光粒度分析儀,英國馬爾文儀器公司;M-110EH-30超微流動態高壓均質納米分散機,寧波新芝生物科技股份有限公司;MCR302流變儀,奧地利安東帕公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 MCC-豬油Pickering乳液的制備

在50 mL燒杯中加入20 mL食用豬油,于60 ℃水浴鍋中融化,形成油相;將10 g/L的竹基MCC顆粒溶于50 ℃的20 mL純水中得到水相,控制水相pH值為6。將含有10 g/L竹基MCC顆粒的水相與60%(體積分數)豬油充分混合,在5 000 r/min的條件下,采用內切均質機制備粗乳液。

1.3.2 高壓微射流處理試驗設計

(1)分別在40、80、120、160 MPa的壓力下用高壓微射流處理所得粗乳液,探究不同處理壓力對乳液的影響;

(2)根據試驗(1)的結果,在120 MPa的壓力下,分別對粗乳液進行1、3、5和7次高壓微射流處理,探討不同處理次數對乳狀液的影響。

使用高壓微射流處理時,關閉冷凝設備,防止溫度過低豬油凝固造成設備堵塞。

1.3.3 乳液粒徑的測定

采用馬爾文粒度分析儀對乳液的粒徑進行測定,從用去離子水稀釋1 000倍的乳液中,取1 mL稀釋后的樣品放入樣品池中進行測定,平衡時間為60 s,測定溫度為25 ℃。

1.3.4 微觀結構分析

用移液槍準確吸取3 μL乳液于結晶的載玻片上,使用顯微鏡觀察乳液微觀結構。觀察時不蓋蓋玻片防止蓋玻片對乳液結構造成破壞,選擇視野清晰的區域對乳液微觀結構進行拍照記錄。

1.3.5 Zeta電位測定

采用馬爾文激光粒度儀對MCC顆粒懸浮液及乳液表觀電位進行測定。設置測定溫度為25 ℃,60 s穩定時間,每組做3次平行試驗,取3次的平均值作為結果。

1.3.6 乳析指數(creaming index,CI)測定

將10 mL乳化好的乳液轉移至螺口樣品瓶(透明)中,在4 ℃條件下貯存1周,第1天、第3天、第5天和第7天用千分尺測量乳液的分層情況。乳液CI計算如公式(1)所示:

(1)

式中:HS,下層溶劑高度,cm;HL,總乳液層高度,cm。

1.3.7 乳液流變特性分析

乳液的黏度及儲能模量G′和損耗模量G″采用流變儀測定。取適量樣品放置于50 mm的平板上,使其均勻分布,以防產生氣泡,在溫度為25 ℃條件下,設置剪切速率從1 rad/s到100 rad/s,測定乳液的黏度;然后取適量樣品放置在測試臺上,選用直徑25 mm,間隙為1 000 μm的夾具,在25 ℃條件下從0.1～10 Hz進行頻率掃描測定MCC-豬油Pickering樣品的儲能模量G′和損耗模量G″。

1.4 數據統計與分析

用SPSS 22和Origin 2019軟件對所有試驗數據進行處理分析,每組樣品進行3次平行重復試驗,試驗結果以測定數據的平均值±標準偏差表示,并對試驗結果進行顯著性分析取P<0.05為顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液的影響

2.1.1 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液粒徑大小及微觀結構的影響

粒徑是用來判斷乳液顆粒大小和穩定性的重要指標之一,乳液的穩定性一般隨著粒徑的減小而增加;微觀結構可以清晰地看出乳液液滴的形態及分布情況。不同壓力的高壓微射流處理對MCC-豬油Pickering乳液粒徑大小及微觀結果的影響如表1、圖1所示,可以看出不同處理組間乳液的粒徑大小具有顯著性差異,隨著高壓微射流處理壓力的增大,MCC-豬油Pickering乳液液滴的粒徑呈逐漸減小的趨勢;增加處理壓力,可以使乳液顆粒變小,分布更加均勻。這可能是由于高壓微射流處理引起的機械力破壞了乳液的顆粒,粗乳液進入腔體體內后在相對狹小的空間里,由于強烈的撞擊作用,乳液瞬間受到強大的壓力,顆粒較大的乳液被破碎。處理壓力增大,系統產生的剪切力和紊流作用力隨之增大,油滴之間及其與微晶纖維素顆粒的撞擊機會更大,使乳液混合更加均勻。隨著貯藏時間的延長,MCC-豬油Pickering乳液的粒徑呈現增大的趨勢,120～160 MPa壓力處理下粒徑卻無明顯的變化。這說明乳液粒徑較大時,乳液容易發生絮凝或聚合現象,較高壓力處理有助于維持乳液的穩定性。

表1 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液粒徑大小的影響Table 1 Effect of treatment pressure on particle size of MCC-lard Pickering emulsion

a-40 MPa;b-160 MPa圖1 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液微觀結構的影響Fig.1 Effect of treatment pressure on microstructure of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.2 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液宏觀結構的影響

宏觀結構可以更加清晰地展示乳液在貯藏過程中的穩定性。圖2為經過不同壓力高壓微射流處理后的MCC-豬油Pickering乳液在靜置21 d后的宏觀結構變化情況,可以看出MCC-豬油Pickering乳液經過高壓微射流處理后均具有較高的穩定性,存放過程中無分層現象出現。已有研究表明,液滴粒徑越小的乳劑穩定性越好[19]。隨著高壓微射流處理壓力的增大,液滴均勻分布,體系更加穩定。張培旗等[20]研究超高壓微射流制備生姜精油納米乳化醬油的生產工藝時發現,在超高壓微射流壓力160 MPa條件下處理可得到平均粒徑較小、穩定性好的生姜精油納米乳化醬油。

圖2 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液宏觀結構的影響Fig.2 Effect of treatment pressure on macrostructure of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.3 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液Zeta電位的影響

Zeta電位可以直觀地反映液滴間的帶電情況,可以用于衡量乳液物理穩定性。乳液的穩定性與Zeta電位的絕對值的大小呈正相關關系[21]。表2為不同壓力下高壓微射流處理對乳液Zeta電位的影響情況,從表2中的數據變化可以看出,乳液電位的絕對值隨處理壓力的增大而增大,處理壓力為120、160 MPa時,MCC-豬油Pickering乳液的電位變化差異性不顯著,這與前面乳液的粒徑變化一致。經過1周的貯藏后乳液電位均有不明顯的下降趨勢,其電位絕對值仍大于40 mV,證明所有處理組的乳液經過1周后仍具有較好的穩定性。這是因為當乳液粒徑相對較小時,乳液處于比較穩定的狀態。若進一步縮小乳液的粒徑,則要消耗更大能量[22],所以為了實際生產加工的經濟效益選擇120 MPa對乳液進行處理。

表2 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液Zeta電位的影響Table 2 Effect of treatment pressure on Zeta potential of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.4 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液CI的影響

CI描述了乳劑由于其熱力學不穩定性而趨向于乳化的趨勢,根據密度變化,這種不穩定性可以通過分離乳液頂部或底部的連續相和分散相來體現。CI越大,液滴移動越快,則有更多的液滴容易發生聚集,導致乳液的物理穩定性變差。表3為不同處理壓力條件下乳液的CI變化情況,在1周的貯藏過程中,經80～160 MPa壓力高壓微射流處理時,乳液的CI值不發生變化,具有良好的穩定性,而處理壓力為40 MPa時,乳液的CI值發生了輕微的變化,這可能是因為經過適當壓力的高壓微射流處理后,乳液液滴之間有足夠的靜電斥力,以產生良好的穩定性,這與HEYDARI等[23]在研究高壓處理玉米和糯玉米淀粉作為新型脂肪替代物的結果一致,經過高壓處理的樣品CI無明顯變化,具有更高的穩定性。

表3 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液CI的影響Table 3 Effect of treatment pressure on creaming index of MCC-lard Pickering emulsion

2.1.5 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液流變特性的影響

流變特性能夠清晰地反映乳液的聚合度及動力學穩定性,圖3為不同高壓微射流處理壓力條件下乳液的流變學特性變化情況。

2.1.5.1 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液黏度的影響

乳液黏度可以反映乳滴間的聚集程度及穩定性,有研究表明分子的移動會導致乳液黏度的變化。從圖3-a可以看到,隨著剪切速率的增加,高壓微射流處理后的乳液黏度呈下降趨勢,在剪切速率過高時趨于穩定,乳液呈現剪切稀化的現象,說明處理后的乳液仍為假塑性非牛頓流體。保證在相同剪切速率的作用下,MCC-豬油Pickering乳液的黏度隨著高壓微射流處理壓力的增大而增大,不同處理組黏度均在初始剪切速率下取得最大值。較高黏度的乳液空間斥力作用強,可抑制液滴的聚合和沉淀速率,有利于改善乳液的穩定。這可能因為乳液中分散的小液滴多,分散更加均勻、緊密排列,更有利于乳液形成穩定的網絡結構。網絡結構越致密,乳液就越穩定,初始黏度越高。曹卓陽等[24]研究超高靜壓處理芝麻模擬體外消化后的流變特性發現同一剪切速率下,樣液表面黏度值隨著壓力的增大而增加,改變了分子間的排列,結構更加穩定。

2.1.5.2 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液G′、G″的影響

G′反映了乳液的彈性,G″反映了乳液的黏度和流動性。圖3-b為不同處理壓力下MCC-豬油Pickering乳液G′、G″的變化情況,各處理組的MCC-豬油Pickering乳液的G′遠大于G″,乳液形成凝膠狀網絡結構,表現出明顯的彈性行為。同一頻率下,G′、G″隨著處理壓力的增加均呈現上升的趨勢,表明乳液的黏彈性增加,且黏性的變化更明顯。這可能是因為高壓微射流處理過的MCC-豬油Pickering乳液粒徑減小,有更多的微晶纖維素小顆粒吸附到油-水界面上,維持油滴的穩定性,改善了乳液的黏彈性,有利于提高乳液在肉糜制品生產加工中的應用性。

a-黏度;b-G′和G″圖3 處理壓力對MCC-豬油Pickering乳液黏度、G′,G″的影響Fig.3 Effect of treatment pressure on viscosity，G′, G″ of MCC-lard Pickering emulsion

2.2 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液的影響

從高壓微射流處理壓力對乳液的影響實驗中得出處理壓力為120 MPa時,乳液的穩定性較好,且比較符合實際生產過程中需要,故選擇在120 MPa壓力條件下進一步探究高壓微射流處理次數對竹基MCC顆粒與豬油乳液的影響。

2.2.1 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液粒徑大小及微觀結構的影響

乳液的微觀結構變化情況如圖4所示。由圖4可知,增加處理次數乳液液滴變小,分布更加均勻。表4為不同處理次數對乳液粒徑大小的影響情況,隨著處理次數的增加,乳液的粒徑先減小后增大。當處理次數為5次時,粒徑達到最小值且隨著存放時間的延長粒徑大小無明顯的變化,這可能是因為均質化形成的乳化液液滴的大小由液滴破碎和液滴合并之間的相互作用控制,1～5次處理時高壓微射流主要對液滴起破碎分裂的作用,但是在處理過程中乳液除了受到高壓微射流的壓力作用外,還會受到液體處理過程中產生的湍流作用[25]。隨著處理次數的增加,大多數較大的液滴已經被破碎為小液滴,此時再進行高壓微射流均質處理會增加液滴間的碰撞機會,破壞乳液的平衡,出現小液滴聚合為大液滴的情況,導致乳液粒徑增加,這與耿嘯[26]的研究結果一致。

a-1次;b-7次圖4 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液微觀結構的影響Fig. 4 Effect of treatment times on microstructure of MCC-lard Pickering emulsion

表4 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液粒徑大小的影響Table 4 Effect of treatment times on particle size of MCC-lard Pickering emulsion

2.2.2 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液宏觀結構的影響

圖5為同一壓力下不同次數高壓微射流處理后的MCC-豬油Pickering乳液在靜置21 d后的宏觀結構變化情況。由圖5可以看出,經過1～5次高壓微射流處理后的乳液貯藏穩定性較好,存放過程中均未出現分層的現象,此時乳液體系較穩定。當處理次數增加到7次時,乳液上表面出現輕微的分層現象,這與處理次數對乳液粒徑大小的影響變化趨勢一致,處理次數過多增加液滴間的碰撞機會,破壞乳液的平衡,乳液的貯藏穩定性降低。

圖5 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液宏觀結構的影響Fig.5 Effect of treatment times on macrostructure of emulsion

2.2.3 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液Zeta電位的影響

當ζ電位的絕對值超過30 mV時,系統通常被認為是穩定的[27]。表5為同一壓力水平下不同次數高壓微射流處理對MCC-豬油Pickering乳液Zeta電位的影響情況。由表5可以看出,貯藏一周后各處理組乳液的電位均有所下降,可能是因為貯藏條件的變化導致乳液發生聚集現象,但其電位的絕對值均大于40 mV,乳液穩定性較好。隨著處理次數的增加,MCC-豬油Pickering 乳液電位絕對值先增大后減小,處理次數為5 次時,乳液的電位在乳化后第1 天和第7 天均達到最大值,穩定性最高。這與處理次數對乳液粒徑的影響變化規律一致。

表5 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液Zeta電位的影響Table 5 Effect of treatment times on Zeta potential of MCC-lard Pickering emulsion

2.2.4 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液CI的影響

CI是用來判斷液滴絮凝和聚集穩定性的一種方法。表6為同一壓力下不同次數高壓微射流處理后乳液的CI變化情況,經過不同次數高壓微射流處理的乳液的CI值均為100%,在1周的貯藏過程中也未發生變化,表明各處理組乳液均具有較高的穩定性。這是因為經過120 MPa壓力的高壓微射流處理后,乳液液滴之間有足夠的靜電斥力,可以維持良好的穩定性。

表6 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液CI的影響Table 6 Effect of treatment times on creaming index of MCC-lard Pickering emulsion

2.2.5 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液流變特性的影響

同一壓力下不同次數高壓微射流處理對MCC-豬油Pickering乳液的流變特性影響如圖6所示。圖6-a、圖6-b分別為乳液黏度和G′、G″的變化情況。

2.2.5.1 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液黏度的影響

由圖6-a中可以看出,經高壓微射流處理后的乳液均呈現剪切稀化的現象,說明各處理組乳液仍屬于假塑性非牛頓流體。同一剪切速率下,乳液的黏度隨著高壓微射流處理次數的增加總體呈先上升后下降的趨勢,經5次處理后的乳液達到最大的初始黏度。這可能是由于1～5次處理時,乳液的粒徑減小,數目增加,液滴間相互吸引的機會增加,從而使其很難發生移動,導致乳液黏度增大。5次處理后的乳液已經在體系中形成了均勻分散的乳液液滴,再增加處理次數,穩定的乳液體系反而遭到破壞,液滴的重新聚合不僅使乳液的粒徑有所上升,原本MCC顆粒在體系中已經形成的較為穩定的網絡結構也被破壞,導致乳液的初始黏度低于其他幾個處理組。

2.2.5.2 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液的G′、G″影響

由圖6-b可以看出,所有處理組的G′均大于G″,乳液均表現為彈性行為。隨著處理次數的增加,G″先增大后減小,處理5次后達到最大值,這與乳液黏度的變化趨勢一致。高壓微射流處理1～5次的MCC-豬油Pickering乳液其G′與G″在較低的頻率下隨頻率增大無明顯變化,而處理過7次的乳液發生“過處理”現象,在頻率上升至1 Hz后,乳液的G″出現明顯的上升趨勢,而G′也在此時出現了明顯的下降。如果繼續增大頻率,可能出現交叉點頻率,乳液出現凝膠到溶膠的轉變,即乳液在壓力等條件改變時由網絡結構轉變為非網絡結構。

a-黏度;b-G′和G″圖6 處理次數對MCC-豬油Pickering乳液的黏度、G′、G″的影響Fig.6 Effects of treatment times on viscosity, G′, G″ of MCC-lard Pickering emulsion

3 結論

不同壓力條件下高壓微射流處理試驗及同一壓力不同處理次數試驗結果表明,高壓微射流處理能有效降低微晶纖維素-豬油Pickering乳液的粒徑,提高乳液的黏度,顯著改善乳液乳化穩定性。當處理壓力在120 MPa以下時,粒徑大小隨著壓力的提高明顯減小,將壓力繼續提高到160 MPa時乳液粒徑無顯著變化;在120 MPa壓力條件下MCC-豬油Pickering乳液經高壓微射流處理5次以內時,隨著處理次數的增加乳液粒徑顯著減小,進一步增加處理次數后MCC-豬油Pickering乳液粒徑有所變大。在120 MPa壓力條件下處理5次能夠制備出乳化及穩定性良好的微晶纖維素-豬油Pickering乳液。