CN111205479B - 一种改性细菌纤维素纳米纤维稳定的高内相Pickering乳液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性细菌纤维素纳米纤维稳定的高内相Pickering乳液及其制备方法。该方法包括如下步骤：1)配制细菌纤维素纳米纤维溶液；2)将大豆分离蛋白溶解到乙醇溶液中；3)将步骤1)所得溶液加入到步骤2)所得溶液中，调节细菌纤维素纳米纤维与大豆分离蛋白的质量比为3:25～9:25，剪切均质、旋蒸；4)所得浓缩液与油脂混合后剪切乳化。本发明利用经大豆分离蛋白改性的细菌纤维素纳米纤维包埋大量油脂并形成高内相Pickering乳液，乳液稳定性高、粘弹性好；本发明对仪器要求低，方法简单、易操作，在营养物质输送载体及食品结构修饰基料方面具有较好应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种皮克林(Pickering)乳液，特别是涉及一种改性细菌纤维素纳米纤维稳定的高内相Pickering乳液。
背景技术
近年来，固体颗粒稳定的乳液在食品、医药、材料、环境科学等领域引起了广泛的关注。与传统乳液相比，Pickering乳液在内(油)外(水)相界面形成的颗粒层能够抵抗Ostwald熟化和聚结，稳定性更高。高内相乳液(HIPEs)属于超浓乳液，内相体积分数大于74％。由于制备HIPEs过程中，油相的体积分数增加到一个阈值时会发生相反转，为此，传统的HIPEs利用表面活性剂(小分子乳化剂)稳定，但其表面活性剂用量大(5％～50％，v/v)，导致乳液毒性高、污染环境，及成本高等问题。而固体颗粒不仅可以在界面上形成不可逆吸附，使乳液更加稳定，还可以将固体颗粒的优异性能转移到乳液中。因此，在稳定乳液的制备中，表面活性剂逐渐被固体颗粒所取代。
目前，二氧化硅粒子、二氧化钛纳米颗粒、非降解微凝胶粒子等许多无机粒子已经被证明是有效的稳定剂，但这些粒子的广泛应用受到毒性风险的限制，所以食品级稳定剂的开发已经引起了广泛的关注，而探寻食品级Pickering乳液的乳化剂仍是食品胶体领域面临的挑战。其中多糖和蛋白质具有较高的营养价值和良好的稳定乳液界面性能，可被用于开发食品级颗粒(如纤维素纳米晶体、明胶颗粒、醇溶蛋白-壳聚糖复合粒子、花生蛋白分离的微凝胶颗粒)以稳定HIPEs。
纤维素可用于形成多糖-蛋白质复合物。然而，纤维素与基质的相容性及其对pH、温度和离子强度变化的敏感性限制了它的应用。细菌纤维素纳米纤维(BCNs)是由细菌纤维素(BC)经酸性水解或机械破碎制备而成，BCNs不仅不受温度、pH和离子强度的影响，而且与蛋白质基质具有良好的相容性，BCNs已经被证明可用作乳化剂。大豆分离蛋白(SPI)来源广泛、价格低廉，并且具有良好的发泡、凝胶、乳化、保水性。
据报道，BCNs可制备含有5％～30％油相的食品级皮克林(Pickering)乳液，大豆分离蛋白也可以稳定含有20％油相的Pickering乳液，而且利用经反溶剂法制备的玉米醇溶蛋白/壳聚糖复合颗粒(ZCPs)可稳定含50％油相的Pickering乳液。但目前尚未见到利用纤维素稳定高内相Pickering乳液的文献报道，而用BCNs制备高内相Pickering乳液极具挑战性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性细菌纤维素纳米纤维稳定的高内相Pickering乳液及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高内相Pickering乳液的制备方法，包括以下步骤：
1)配制细菌纤维素纳米纤维溶液；
2)将大豆分离蛋白与乙醇溶液混合，得到大豆分离蛋白溶液；
3)将细菌纤维素纳米纤维溶液与大豆分离蛋白溶液混合后剪切均质，得到物料，物料中细菌纤维素纳米纤维:大豆分离蛋白的质量比为(3～10):(22～28)；
4)将物料进行浓缩，得到胶状溶液；
5)将油脂加入胶状溶液中后剪切乳化，得到高内相Pickering乳液。
优选的，所述步骤1)配制的细菌纤维素纳米纤维溶液中细菌纤维素纳米纤维:水的重量比为(0.02～0.18):100，细菌纤维素纳米纤维的粒径为120～170nm。
优选的，所述步骤2)中，乙醇溶液中乙醇的体积分数为60％～80％，大豆分离蛋白溶液中大豆分离蛋白的质量分数为1％～5％，大豆分离蛋白的粒径为70～140nm。
优选的，所述步骤3)中，细菌纤维素纳米纤维溶液与大豆分离蛋白溶液的混合体积比为1:1～3.5:1。
优选的，所述步骤3)中，剪切的速度为5000～8000转/分钟，时间为3～5分钟。
优选的，所述步骤4)具体包括以下步骤：将物料于40～50℃旋转蒸发，直至物料质量减少至原质量的15％～40％。
优选的，所述步骤5)中，油脂选自植物油(例如，葵花仁油、玉米油、花生油等常用食用油)中的任意一种或多种。
优选的，所述步骤5)中，油脂的加入量为胶状溶液体积的300％～500％；剪切的速度为15000～20000转/分钟，时间为2～4分钟。
利用上述方法制备的高内相Pickering乳液，该乳液包括分散在水相中的由细菌纤维素纳米纤维-大豆分离蛋白复合胶体颗粒界面层包裹的油脂(油相)，其中细菌纤维素纳米纤维:大豆分离蛋白的质量比为(3～10):(22～28)，油脂选自植物油(例如，葵花仁油、玉米油、花生油等常用食用油)中的任意一种或多种。
优选的，所述细菌纤维素纳米纤维:大豆分离蛋白的质量比为3:25～9:25。
优选的，所述细菌纤维素纳米纤维的粒径为120～170nm，大豆分离蛋白的粒径为70～140nm；乳液粒径为10～200μm，油相体积分数≥75％。
本发明的有益效果体现在：
本发明利用经大豆分离蛋白改性的细菌纤维素纳米纤维(形成复合胶体颗粒并控制了两种颗粒的比例)对大量油脂(油滴)进行包裹，所形成的高内相Pickering乳液稳定性高、粘弹性好；本发明制备乳液所用的细菌纤维素纳米纤维、大豆分离蛋白为无毒无害的绿色材料、环境友好，生物可降解，本发明对仪器要求低，方法简单、易操作；本发明为同类型乳液的开发提供了一种新的途径，在营养物质输送载体(例如，利用油脂输送脂溶性活性物质)、食品结构修饰基料(例如，高效阻水、阻氧可食膜)等方面具有较好应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例制备的高内相Pickering乳液的外观图(新制)。
图2为本发明实施例制备的高内相Pickering乳液的外观图(储藏2个月后)。
图3为本发明实施例制备的高内相Pickering乳液的粒径分布图。
图4为本发明实施例制备的高内相Pickering乳液的弹性模量应力扫描图。
图5为本发明实施例制备的高内相Pickering乳液的粘性模量应力扫描图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。所述实施例用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
一、改性细菌纤维素纳米纤维稳定的高内相Pickering乳液的制备
实施例1
1、制备细菌纤维素纳米纤维(BCNs)
用CGMCC 3917菌株(Komagataeibacter hansenii)在30℃静态条件下培养发酵，培养基(pH 5.0)中含有葡萄糖2％(w/v)、酵母提取物0.5％(w/v)、K2HPO4 0.1％(w/v)、MgSO4 1.5％(w/v)以及乙醇2％(v/v)。经过14天的静态培养后，在培养基中可获得整片的纤维素膜。将纤维素膜用自来水冲洗一夜，然后在80℃的0.1M氢氧化钠溶液中浸泡2h，之后用去离子水反复冲洗将碱完全除去，得细菌纤维素。
将5.0g的细菌纤维素与75mL HCl(2.5M)混合，然后在70℃下磁力搅拌(200rpm)4h使其水解。水解结束冷却至室温，在10000×g条件下离心10min，收集水解后的沉淀，接着对沉淀物进行二次水解，步骤与之前相同。水解后，加入去离子水超声洗涤悬浮液、离心(10000×g)，直到沉淀的pH呈中性为止，得细菌纤维素纳米纤维悬浮液，取样检测后储存在4℃冰箱备用(悬浮液的浓度为0.75wt％；纳米纤维的平均粒径为152.2nm)。
2、制备Pickering乳液
2.1)将细菌纤维素纳米纤维(BCNs)用蒸馏水配制成质量浓度约为0.06％的细菌纤维素纳米纤维水溶液(细菌纤维素纳米纤维:水的重量比＝0.06:100)。
2.2)将大豆分离蛋白(SPI，平均粒径约为115nm)溶解到体积浓度70％的乙醇水溶液(即70％乙醇溶液)中，经充分搅拌混匀，使混合物(大豆分离蛋白溶液)中大豆分离蛋白的质量浓度为1.25％。
2.3)以细菌纤维素纳米纤维水溶液和大豆分离蛋白溶液体积比为5:2(BCNs:SPI质量比为3:25)，将细菌纤维素纳米纤维水溶液加入到大豆分离蛋白溶液中，充分搅拌，然后在高剪切混合搅拌机中于6000转/分钟下均质处理4分钟。
2.4)将均质处理得到的物料水浴旋蒸(45℃)至原来质量的20％，得到胶状溶液；取相当于上述胶状溶液体积300％的葵花仁油(即油相为75％)加入该胶状溶液中，剪切均质(高剪切混合搅拌机中，速率为20000转/分钟下处理3分钟)，制备成乳液。
本实施例制备得到的乳液的类型是通过观察乳液滴到水和油中的分散情况来判断的。把以上制备得到的乳液滴到水中后发现可以快速散开，滴到油中则成团凝聚，说明该乳液是水包油型乳液，而该乳液制备过程中的稳定剂是细菌纤维素纳米纤维-大豆分离蛋白复合胶体颗粒，且油相为75％，所以实施例1制备的乳液属于高内相Pickering乳液。
根据图1和图2分别示出的新制高内相Pickering乳液及储藏2个月后乳液的外观，实施例1制备得到的高内相Pickering乳液具有较强的稳定性，室温放置2个月仍未破乳。使用激光粒度分析仪(LS13320,Beckman,US)测定新制高内相Pickering乳液粒度，结果如图3所示，可见乳液粒度分布在20～200μm。取2mL新制高内相Pickering乳液，在25℃条件下，用振幅扫描(应力＝0.1～100Pa，频率＝1Hz)动态流变仪(ZX7M-AR1000,TA Instruments,US)检测粘弹性，结果如图4和图5所示。
实施例2
实施例2与实施例1的不同在于：步骤2.1)中细菌纤维素纳米纤维用蒸馏水配制成质量浓度约为0.1％的细菌纤维素纳米纤维水溶液(细菌纤维素纳米纤维:水的重量比＝0.1:100)，步骤2.3)中BCNs:SPI质量比为5:25，步骤2.3)均质处理得到的物料水浴旋蒸(45℃)至原来质量的21.43％。
根据图1和图2分别示出的新制高内相Pickering乳液及储藏2个月后乳液的外观，实施例2制备得到的高内相Pickering乳液具有较强的稳定性，室温放置2个月仍未破乳。使用激光粒度分析仪(LS13320,Beckman,US)测定新制高内相Pickering乳液粒度，结果如图3所示，可见乳液粒度分布在15～85μm。取2mL新制高内相Pickering乳液，在25℃条件下，用振幅扫描(应力＝0.1～100Pa，频率＝1Hz)动态流变仪(ZX7M-AR1000,TA I nstruments,US)检测粘弹性，结果如图4和图5所示。
实施例3
实施例3与实施例1的不同在于：步骤2.1)中细菌纤维素纳米纤维用蒸馏水配制成质量浓度约为0.14％的细菌纤维素纳米纤维水溶液(细菌纤维素纳米纤维:水的重量比＝0.14:100)；步骤2.3)中BCNs:SPI质量比为7:25，步骤2.3)均质处理得到的物料水浴旋蒸(45℃)至原来质量的22.86％。
根据图1和图2分别示出的新制高内相Pickering乳液及储藏2个月后乳液的外观，实施例3制备得到的高内相Pickering乳液具有较强的稳定性，室温放置2个月仍未破乳。使用激光粒度分析仪(LS13320,Beckman,US)测定新制高内相Pickering乳液粒度，结果如图3所示，可见乳液粒度分布在14～80μm。取2mL新制高内相Pickering乳液，在25℃条件下，用振幅扫描(应力＝0.1～100Pa，频率＝1Hz)动态流变仪(ZX7M-AR1000,TA I nstruments,US)检测粘弹性，结果如图4和图5所示。
实施例4
实施例4与实施例1的不同在于：步骤2.1)中细菌纤维素纳米纤维用蒸馏水配制成质量浓度约为0.18％细菌纤维素纳米纤维水溶液(细菌纤维素纳米纤维:水的重量比＝0.18:100)，步骤2.3)中BCNs:SPI质量比为9:25，步骤2.3)均质处理得到的物料水浴旋蒸(45℃)至原来质量的24.29％。
根据图1和图2分别示出的新制高内相Pickering乳液及储藏2个月后乳液的外观，实施例4制备得到的高内相Pickering乳液具有较强的稳定性，室温放置2个月仍未破乳。使用激光粒度分析仪(LS13320,Beckman,US)测定新制高内相Pickering乳液粒度，结果如图3所示，可见乳液粒度分布在10～70μm。取2mL新制高内相Pickering乳液，在25℃条件下，用振幅扫描(应力＝0.1～100Pa，频率＝1Hz)动态流变仪(ZX7M-AR1000,TA I nstruments,US)检测粘弹性，结果如图4和图5所示。
对比例
单独利用细菌纤维素纳米纤维(BCNs)、大豆分离蛋白(SPI)，并分别制备高内相Pickering乳液(参考任意实施例)，新制Pickering乳液及储藏2个月后乳液的外观可参见图1及图2，可以看出对比例中制备的Pickering乳液在室温放置2个月破乳(实际观测时新制乳液储藏1天后即分层)。
根据以上实施例和对比例，当细菌纤维素纳米纤维和大豆分离蛋白通过反溶剂方法形成复合胶体颗粒后可包裹大量的油脂形成高内相Pickering乳液，乳液粒径为微米级(10～200μm)，而乳液粒径越小，其稳定性越高，不易发生液滴之间的聚并。由图1和图2可知，在本发明的实施例中，利用细菌纤维素纳米纤维经改性后形成复合胶体颗粒，可制备高内相Pickering乳液，而且乳液细腻均匀，表面无黄色油滴出现，并具有粘弹性(图4和图5)，放置2个月后，高内相Pickering乳液可倒置，表明实施例制备的高内向Pickeri ng乳液形成了凝胶，从液态转化为固态。
本发明实施例制备的高内相Pickering乳液与采用其他粒子制备的乳液相比具有明显优势。例如，纳米细菌纤维素-大豆分离蛋白复合凝胶稳定的Pickering乳液油相为20％，而本发明实施例制备的Pickering乳液的油相为75％。此外玉米醇溶蛋白-果胶复合胶体颗粒稳定的高内相Pickering乳液，其粒径分布在70～500μm，而本发明实施例制备的Picke ring乳液，其粒径分布在10～200μm。本发明利用改性后的细菌纤维素纳米纤维解决了细菌纤维素纳米纤维、大豆分离蛋白单独及按某些混合方式(例如，BCNs:SPI质量比为1:25)使用时，不能形成稳定的高内相Pickering乳液的难题。
根据以上对实施例及对比例所制得的高内相Pickering乳液的分析，本发明通过细菌纤维素纳米纤维-大豆分离蛋白复合胶体颗粒(BCNs:SPI质量比为3:25～9:25)包裹大量油滴，可提高Pickering乳液稳定性，为同类型乳液的开发提供了一种新的方法。
二、改性细菌纤维素纳米纤维稳定的高内相Pickering乳液的应用
称取一定量的魔芋胶粉末(KGM)以及魔芋胶粉末质量30％的增塑剂，并缓慢添加至一定量(魔芋胶粉末质量的100倍)的蒸馏水中，加热至95℃搅拌30min，得魔芋胶混合溶液。其中，增塑剂为甘油。取相当于魔芋胶粉末质量50％的高内相Pickering乳液(除了物料旋蒸至原来质量的15％，其他与实施例3相同)加入魔芋胶混合溶液中，在高剪切混合搅拌机中于20000转/分钟下处理2分钟，然后于60℃、400W超声脱气3分钟，得到成膜液。取20mL制备好的成膜液倒在9cm直径培养皿中，室温下静置一段时间，待成膜液均匀铺满整个培养皿底部后置于50烘箱中干燥24h，最后，将所述培养皿置于25℃、50％相对湿度的恒温恒湿器中平衡48h，即可得到高效阻水阻氧魔芋胶乳液膜(即魔芋胶基可食膜)其抗张强度、断裂伸长、水汽渗透率、氧气透过率和水溶性分别为44.23Mpa、14.62％、1.82×10-11g·m/Pa·s·m2、2.46×10-3g/m·s·Pa和63.86％。
实验结果表明，当添加本发明实施例制备的高内相Pickering乳液后，魔芋胶基可食膜的抗张强度、断裂伸长、水汽渗透率、氧气透过率和水溶性、热稳定性相较于纯魔芋胶膜都有明显改善，所制备的Pickering乳液与魔芋胶基质有良好相容性。
Claims (10)
1.一种高内相Pickering乳液的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）配制细菌纤维素纳米纤维溶液；所述细菌纤维素纳米纤维溶液中细菌纤维素纳米纤维:水的重量比为（0.02~0.18）:100；
2）将大豆分离蛋白与乙醇溶液混合，得到大豆分离蛋白溶液；所述乙醇溶液中乙醇的体积分数为60%~80%，大豆分离蛋白溶液中大豆分离蛋白的质量分数为1%~5%；
3）将细菌纤维素纳米纤维溶液与大豆分离蛋白溶液混合后剪切均质，得到物料，物料中细菌纤维素纳米纤维:大豆分离蛋白的质量比为（3~10）:（22~28）；
4）将物料进行浓缩，得到胶状溶液；
5）将油脂加入胶状溶液中后剪切乳化，得到高内相Pickering乳液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述细菌纤维素纳米纤维的粒径为120~170nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述大豆分离蛋白的粒径为70~140nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，细菌纤维素纳米纤维溶液与大豆分离蛋白溶液的体积比为1:1~3.5:1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，剪切的速度为5000~8000转/分钟，时间为3~5分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4）具体包括以下步骤：将物料于40~50℃旋转蒸发，直至物料质量减少至原质量的15%~40%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，油脂选自植物油中的任意一种或多种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，油脂的加入量为胶状溶液体积的300%~500%；剪切的速度为15000~20000转/分钟，时间为2~4分钟。
9.一种如权利要求1所述的方法制备的高内相Pickering乳液，其特征在于：该乳液包括分散在水相中的由细菌纤维素纳米纤维-大豆分离蛋白复合胶体颗粒包裹的油脂，其中细菌纤维素纳米纤维:大豆分离蛋白的质量比为（3~10）:（22~28），细菌纤维素纳米纤维和大豆分离蛋白通过反溶剂方法形成复合胶体颗粒后包裹油脂。
10.根据权利要求9所述的高内相Pickering乳液，其特征在于：所述细菌纤维素纳米纤维的粒径为120~170nm，大豆分离蛋白的粒径为70~140nm；乳液粒径为10~200μm。
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