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不同乳化剂、微射流均质压力等因素对纳米乳属性影响

作者:www.willnano.com 日期:2022-10-16 点击:595
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影响纳米乳液形成的许多因素包括处理设备、处理压力、分散相的体积分数和乳化剂类型等。其中,高压微射流均质设备是医药用纳米乳研发与生产制备的核心设备。而乳化剂是决定形成稳定纳米乳液的最重要参数之一。乳化剂在成本、易用性、成分相容性和环境敏感性方面也有很大差异。食品工业中使用合适的天然乳化剂(如磷脂、蛋白质、多糖和皂苷类)替代合成乳化剂成为了趋势。使用蛋白质和磷脂(如卵磷脂)能够比较容易的获得小液滴,但它们对环境压力(如pH、盐和加热)的稳定性相对较差。另一方面,多糖对环境压力具有良好的稳定性,但却不易获得小液滴。因此,使用天然乳化剂来生产稳定的纳米乳液是具有挑战性的。

乳化剂是具有亲水和亲脂部分的两亲性分子,它们吸附在颗粒界面稳定乳液。亲水部分将其自身排列在脂质相内,而亲脂部分排列在水相中。优质的乳化剂应具有三个基本特征:1)在均质化过程中迅速吸附到新形成的液滴的油/水界面;2)显着降低界面张力;和3)形成的液滴对环境如pH、离子强度和温度的稳定性。生物聚合物基础的乳化剂,如蛋白质(乳清、大豆和蛋)和多糖(阿拉伯树胶和改性淀粉)己被证明可形成较稳定的乳液。尽管如此,此类乳化剂的功能性能往往受到限制。蛋白质包被的油滴在等电点附近、高离子强度和髙温下聚集时通常不稳定。另一方面,使用多糖棊乳化剂。生产具有非常小尺寸(d<200nm)的油滴通常是困难的。某些类型的卵磷脂也适合用作食品和饮料产品中的天然乳化剂,例如来自蛋制品、大豆或牛奶的磷脂。然而,天然卵磷脂(其具有两个非极性尾部)通常必须经化学或酶修饰为溶血卵磷脂(其具有一个非极性尾部),然后才能成功用于稳定水包油乳液。

 

不同乳化剂、微射流均质压力次数等对纳米乳属性的影响研究:

 

主要实验设备:高速剪切机、高压微射流均质机Microfluidizer,激光粒度仪等

 

不同乳化剂的纳米乳液配置与微射流处理方式:

(1) QS:连续相包括6wt%的皂树苷(QS)和89wt%的蒸馏水,

(2) SDS:连续相包括lwt%的十二烷基硫酸钠(SDS)和98wt%的蒸馏水,

(3) MS:连续相包括10wt%的变性淀粉(MS)和85wt%的蒸馏水.

 

在室温下将连续相和分散相用高剪切混合器在6000r/m条件下混合2min,混合均匀后得到粗乳液。高压微射流机调节压力,将粗乳液通过高压微射流机4次,收集所得的纳米乳液。调节不同的均质压力:l000psi,1500psi,2500psi,3500psi,10000psi,22000psi。

将等量的粗乳液分别通过高压微射流机4次,收集不同压力条件下的纳米乳用于后续评估。

 

实验结果:

压力和通过数对纳米乳液的平均粒径的影响


图1不同压力对SDS和QS稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

图1不同压力对SDS和QS稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

显然,如图1所示,增加压力和通过次数导致平均粒径降低WSDS和QS为乳化剂制备的纳米乳液,在压力为22000psi,通过次数为4次时,获得的最小平均粒径分别为109nm和139nm。在此压力下,通过次数从1次增加到2次,与通过次数从2次增加到4次相比,两种乳液的平均粒径减少的幅度本别为17%vs.10%(SDS)和8%vs.9%(QS)。由此可见,在通过次数为2次时,乳液的平均粒径降幅最大。我们猜想,高压均质可能使乳化剂分子碎裂,产生更小的分子,使其具有更高的吸附动力学。由于本研宄中使用的微射流机的压力极限为22000psi,爾此未测试到更高的压力。但是,从图1所示的趋势中,可以预期乳液的平均粒径在更高的压力(>22,000psi)和通过次数C>3次通过)下会进一步降低。

此外,SDS和QS稳定的纳米乳液具有明显的趋势,更高的通过次数导致更小的平均粒径。随着通过微射流机的次数越来越多,这种效果会减弱。一般情况下,通过一次时,并非所有的液滴都会受到同样强烈的均匀化能量,因此一部分粗乳液的尺寸没有实质性的减小。当然这也取决于均质核心的类型和构造,多次通过增加了这些大液滴减少的可能性,但多次通过的效果在一定次数后就会可能发生降低。


图2不同压力对MS稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

图2不同压力对MS稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

 

在本实验中,均质压力从lOOOpsi增加到22000psi,评估制备的稳定纳米乳液的性质。图2显示,对以MS为乳化剂的稳定纳米乳液,随着均质压力从lOOOpsi增加到1500psi,平均粒径在通过次数为1次时显著下降,但在通过次数为2次、3次和4次时没有显著变化。当压力进一步增加到3500psi时,与压力为lOOOpsi和1500psi相比,平均粒径急剧下降。继续增加压力,当压力达到22000psi时,平均粒径达到最低,当通过次数为4次时,获得的最小平均粒径约为113nm,这个兄寸基本达到我们对纳米乳液所需的兄寸^这是由于压力升高,微射流机产生的破坏能量也相应增加了。这个数据还表明,在压力为lOOOOpsi时,将通过次数从1次增加到4次不会导致平均粒径的大幅减少(约减少了12%)。此外,在压力为22000psi时,通过次数从1次增加到2次,与通过次数从2次增加到4次相t匕,平均粒径减少的幅度相同(减少了约12%)。MS在形成纳米乳液比QS的平均粒径更低。这可能因为MS对水/油界面的吸附动力比QS高,这是由于在水解淀粉分子上添加了疏水基团。这些结果表明,MS可以用于生产稳定的纳米乳液,并且通过次数在2次时即可满足需求。

 

温度对纳米乳液的平均粒径的影响


图3温度对SDS稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

图3温度对SDS稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

 

在本实验中,探究了温度变化对制备的稳定纳米乳液的影响。与之前的讨论结果相似,我们可以发现,图3中,当通过次数为2次时,纳米乳液的平均粒径减小的幅度最大,通过次数为3-5次时,纳米乳液的平均粒径没有很大的变化。此夕卜,随着温度的升高,所得纳米乳液的平均粒径的减小,但是减小的幅度比较小,当通过次数为5次时,在35°C、55°C和75°C条件下的纳米乳液的平均粒径分别为115nm,116nm,117nm,平均粒径基本相同。由此可见,温度对纳米乳液平均粒径的影响作用不是很大,在实际生产中,温度条件基本可以忽略。

 

pH对纳米乳液的平均粒径的影响


图4pH对SDS、QS和SL稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

图4pH对SDS、QS和SL稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

 

在本实验中,探宄了pH变化对制备的稳定纳米乳液的影响。如图4所示,pH的改变对以SL作为乳化剂制备的纳米乳液的影响是比较明显的,pH降低,纳米乳液的平均粒径就相应的减小,尤其是在通过次数为4-5次时。SL稳定的纳米乳液具有相对较差的pH稳定性,当其在pH为3.6的溶液中时,其平均粒径有明显增加,这可能是由于液滴聚结引起的平均粒径增加。而当QS作为乳化剂制备的纳米乳液的通过次数为5次时,pH为3.6对纳米乳液的平均粒径影响比较小。在pH为3.6和6.5条件下,SDS和QS没有观察到平均粒径有明显的变化,这表明纳米乳液未发生聚结然而/有研究表明,皂树苷纳米乳液在pH为2.0条件下时,放置的乳液顶部会有少量乳膏层。此条件下出现分层,表明这些液滴开始絮凝而测量平均粒径时又没有明显的变化,这是因为样品在测量前经过了稀释和搅拌,这些絮凝物被破坏。

 

乳化剂浓度对纳米乳液的平均粒径的影响


图5乳化剂浓度对SDS、QS和WPI稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

图5乳化剂浓度对SDS、QS和WPI稳定的纳米乳液的平均粒径的影响

 

如图5所示,随着乳化剂浓度的增加,SDS、QS和WPI稳定的纳米乳液的平均粒径降低。这可能是由于两个主要原因:(1)在较高的乳化剂浓度下,在均质化过程中有更多乳化剂分子可用于覆盖油滴物体;(2)较高的乳化剂浓度可以使乳化剂较快的吸附到油滴表面,更有效的防止聚结。SDS和WPI为乳化剂制备的纳米乳液的平均粒径在乳化剂浓度为1%时即达到了比较低的值,而QS是在乳化剂浓度为2%时,并且平均粒径在乳化剂浓度2%6%都有小幅度的降低。

通常,平均粒径受乳化剂浓度影响主要分为两个阶段:(1)随着乳化剂浓度的增加,平均粒径减小,固为有更多的乳化剂可覆盖于破碎的油滴表面;(1)由于有足够的乳化剂覆盖在油滴的表面,液滴直径保持恒定,继续均质不能产生更小的液滴。研宄发现,含有10%(w/w)葵花籽油或氢化棕榈仁油的乳液在较高的WPI浓度下没有观察到液滴尺寸的进一步减小,研究人员还发现表面蛋白覆盖率从1.5增加到4.8mg/m2,随着蛋白质浓度的增加,表明在WPI稳定的乳液中可能形成多个界面层,因为乳清蛋白在均质化过程中会发生部分变性,变性蛋白质分子暴露含有反应基团的氨基酸和巯基,并通过疏水相互作用和二硫键促进蛋白质与蛋白质的相互作用。在本实验中,在WPI浓度较高时,过量的WPI分子可能会被吸附在液滴表面并形成多层涂层s这可以解释为什么在较高浓度下在WPI稳定的纳米乳液中不会发生絮凝。

 

乳化剂类型对纳米乳液的平均粒径的影响


图6乳化剂类型对纳米乳液的平均粒径的影响

图6乳化剂类型对纳米乳液的平均粒径的影响

 

在本实验中,探究了乳化剂类型对制备的稳定纳米乳液的影响。如上述实验结果相同,随着通过次数的增加,所制备的纳米乳液的平均粒径都是减小的,如图6所示,六种乳化剂所制备的纳米乳液平均粒径的大小顺序为,WPPC>QS>SL>WPI>MS>SDS,分子量小则吸附更快,其中,以WPPC,QS,SL和WPI作为乳化剂制备的纳米乳液的平均粒径相近,而以MS和SDS作为乳化剂制备的纳米乳液的平均粒径较前四种的平均粒径有明显的减小,其中,SDS为化学合成的乳化剂,虽然在制备乳化剂方面有较为突出的性能,但是,在食品加工中,我们不作为生产考虑,仅作为对照参考。



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