羟基磷酸钙基皮克林乳液的制备及流变性研究

羟基磷酸钙基皮克林乳液的制备及流变性研究
王永辉;郭卫芸;高雪丽;李光辉
【摘要】本文以湿法制备的羟基磷酸钙纳米颗粒为皮克林乳化剂,制备了稳定的高内相皮克林乳液.结果表明,羟基磷酸钙纳米颗粒作为乳化剂具有广泛的适用性,可应用于植物精油以及食用油的高内相皮克林乳液的制备.制备的乳液液滴粒径均在10μm左右,并且粒度分布比较均匀.研究结果还表明,基于羟基磷酸钙纳米颗粒稳定的乳液表现出良好的假塑性及粘弹特性,说明乳液具有良好的涂抹特性,其在化妆品及食品领域具有良好的应用前景.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2018(046)014
【总页数】4页(P59-61,90)
【关键词】羟基磷酸钙;纳米颗粒;匹克林乳液;流变性
【作者】王永辉;郭卫芸;高雪丽;李光辉
【作者单位】许昌学院食品与生物工程学院, 河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室, 河南许昌 461000;许昌学院食品与生物工程学院, 河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室, 河南许昌 461000;许昌学院食品与生物工程学院, 河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室, 河南许昌 461000;许昌学院食品与生物工程学院, 河南省食品安全生物标识快检技术重点实验室, 河南许昌 461000【正文语种】中文
【中图分类】TS201.7
乳液是指两种互不相溶的液体，一种液体均匀分散在另一种液体中得到的热力学上不稳定的分散体系，其在食品、化妆品以及制药行业具有非常广泛的应用。

利用乳液体系能够对亲脂性活性成分进行有效的包埋，不仅能够提高产品的稳定性，还能够提高其溶解性及其生物活性。

为了降低油/水两相的界面张力，使乳液能够在一
定的时间内保持良好的物理稳定性，乳液在制备的过程中必须添加乳化剂(或表面
活性剂)。

常用的表面活性剂主要包括离子型表面活性剂(如，十二烷基苯磺酸钠、直链烷基苯磺酸钠等)和非离子型表面活性剂(如，吐温、司班等)。

但由于此类表
面活性剂会对人体造成很多潜在的影响(如，对皮肤的致敏性、毒性、遗传性、致
癌性、致畸性和溶血性、消化吸收性、生物降解性等)，所以其在食品、化妆品以
及制药工业上的使用受到一定的限制。

相对于利用传统的表面活性剂稳定的乳液，固体颗粒稳定的皮克林乳液(Pickering Emulsion)不仅可以大大降低乳化剂的用量，而且其对人体健康的影响远远小于传统表面活性剂[1]。

相对于传统乳液，皮克林乳液在以下方面表现出明显的优势[2]：(1)具有极高的胶体稳定性，如凝聚稳定性；(2)具有很高的化学稳定性，如氧化稳
定性；(3)具有缓释输送功能，如经皮的药物缓释、延缓脂质消化；(4)可用于制备
功能性材料，如pH响应性乳液。

研究表明，固体颗粒作为稳定剂同样可用于不同类型乳液(如，O/W或W/O等)的制备[3]。

用于制备皮克林乳液的材料来源非常
广泛，既可以是食品级的有机材料(如，淀粉[4-5]、蛋白[6]以及脂肪颗粒[7]等)，
又可以是比较安全的无机材料(如，二氧化硅[8]、碳酸钙[9]等)。

通常而言，食品
级材料制备的皮克林乳液更为安全，但其稳定性往往欠佳，并且成本较高，难以达到工业化应用的条件。

因此，研发新型、高效的食品级皮克林稳定剂显得十分必要。

羟基磷酸钙[Ca10(PO4)6(OH)2]，又称为羟基磷灰石(Hydroxyapatite)，是一种
具有表面活性的材料，它与生物体硬组织具有相似的化学成分和结构。

人体中的钙
元素主要是以羟基磷酸钙晶体的形式存在，人类牙齿的主要成分就是羟基磷酸钙。

由于羟基磷酸钙具有良好的生物活性和生物相容性，其植入人体后对组织无刺激和排斥作用，是一种非常理想的生物材料，其在生物医学领域被广泛的研究[10]。

已有研究表明，羟基磷酸钙纳米颗粒可以作为一种颗粒型乳化剂，用于制备可生物降解的微球[11]。

本研究以羟基磷酸钙纳米颗粒为稳定剂，拟开发了一种基于羟基磷酸钙制备皮克林乳液的新方法，并对乳液的微观结构及流变特性进行分析，论证其作为皮克林稳定剂在食品或化妆品工业应用的可能性。

1 实验
1.1 实验材料
食用油(大豆油、玉米油、橄榄油)购买于本地超市，植物精油(薄荷油、柠檬油)亳
州新源堂有限公司。

1.2 仪器与设备
Big-squid磁力搅拌器，德国IKA公司；BSA2245分析天平，德国Sartorious公司；LEO 1530 VP场发射扫描电子显微镜，德国Zeiss公司；Master3000激光
粒度分析仪，英国malver公司；M-110EH-30高压微射流纳米均质机，美国MFIC公司；DMI6000激光共聚焦显微镜，日本Leica公司；HAKKE Rheostress 600流变仪，美国Thermo公司。

1.3 实验方法
1.3.1 羟基磷酸钙纳米悬浮液的制备
羟基磷酸钙纳米颗粒的制备可分为干法和湿法合成。

由于干法制备过程需要较高的温度(>700 ℃)及长时间处理，本次实验选择了较为简单快速的湿化学沉淀法制备。

具体制备过程参照Ruan Q等[12]的方法并略作修改。

该法采用了Ca(OH)2和
H3PO4的反应，反应过程中使n(Ca)/n(P)的摩尔比固定在1.67，反应的方程式为：10Ca(OH)2+6H3PO4→Ca10(PO4)6(OH)2↓+6H2O
将5.0 g Ca(OH)2将入盛有200 mL去离子水的烧杯，室温搅拌1 h。

在持续搅拌下，将5.14 g H3PO4逐滴加入上述烧杯中，滴加时间在30 min以上(温度控制
在60 ℃以下)。

将制备好的悬浮液进行高压微射流处理，处理条件为150 MPa，
循环4次。

最终获得固体含量约为3.2%的羟基磷酸钙纳米颗粒悬浮液。

1.3.2 羟基磷酸钙纳米颗粒的形貌学观察
利用场发射扫描电镜羟基磷酸钙纳米颗粒的微观结构进行观察。

取少量制备的悬浮液样品均匀涂在双面胶上，待样品自然干燥后固定在不锈钢样品台上。

样品经过喷金处理(金涂层厚度小于20 nm)后放入仪器进行形貌观察。

1.3.3 皮克林乳液的制备
为了研究羟基磷酸钙纳米悬浮液对不同类型油脂的稳定效果，试验中选取了具有代表性的三种食用油(大豆油、玉米油和橄榄油)和两种植物精油(薄荷油和柠檬油)作
为研究对象。

取3 g新鲜制备的羟基磷酸钙悬浮液分别置于五个20 mL玻璃瓶中，依次加入7 g的大豆油、玉米油、橄榄油薄荷油及柠檬油，利用剪切分散机在8000 rpm下处理5 min，最后获得油相均为70%的不同油脂的Pickering乳液。

另外，为了考察在不同油相含量下羟基磷酸钙纳米颗粒稳定乳液的效果，试验中还制备了橄榄油相含量分别为20%、40%和60%的Pickering乳液。

1.3.4 乳液形貌学观察
利用激光共聚焦显微镜(CLSM)对乳液的形貌学进行研究。

首先利用钙离子荧光探
针(Fluo-3，1 mg/mL)对乳液中的钙离子进行标记。

待混合均匀后取50 μL样品
置于载玻片，用盖玻片覆盖。

选择60×的油镜在激发波长为488 nm下进行断层
扫描。

1.3.5 乳液粒径分布的测定
通过静态光散射对新鲜制备的乳液的粒径分布进行测定。

测定过程中以去离子水作为分散介质，乳液的遮光率设定为1.330，吸光值为0.001，当遮光度达到10%以
上时进行测定。

1.3.6 乳液流变特性的测定
利用哈克流变仪对乳液流变性质进行测定，测定中选用27.83 mm的平板，测试间距为1.0 mm。

首先进行表观粘度的测定，剪切速率范围为1～100 s-1。

再通过频率扫描(0.01～100 Hz，应力10 Pa)对粘弹参数进行测定。

2 结果与讨论
2.1 羟基磷酸钙纳米悬浮液的外观及微观结构
图1为本次试验制备的羟基磷酸钙纳米悬浮液的外观及微观结构图。

可以看出，制备的羟基磷酸钙悬浮液呈现出细腻的外观，经过数小时的放置后悬浮液发生了明显的分层，但下层的羟基磷酸钙颗粒仅呈现出了絮状外观，并没有发生明显的聚集沉淀。

另外，通过扫描电镜可以看出，羟基磷酸钙为纳米级的针状单晶体结构，长度在200 nm左右。

有研究指出[13]，在通过化学沉淀法合成羟基磷酸钙纳米颗粒的过程中，获得的羟基磷酸钙纳米颗粒的外形、尺寸及表面积受到溶剂添加速度及反应温度的影响较大。

溶剂的添加速率直接决定了羟基磷酸钙的纯度，而反应温度决定了颗粒的晶体结构。

缓慢的溶剂添加速度以及较低的反应温度(< 60 ℃)可产生纯度较高的羟基磷酸钙单晶体结构，否则会产生多晶体结构。

图1 羟基磷酸钙纳米悬浮液的外观及微观结构Fig.1 Appearance and microstructure of the hydroxyapatite nanoparticle suspension
2.2 羟基磷酸钙基皮克林乳液外观及微观结构
基于羟基磷酸钙制备的皮克林乳液的外观如图2a所示。

可以看出，利用羟基磷酸钙纳米颗粒作为稳定剂制备皮克林乳液对于食用油和植物精油都同样适用。

在油脂含量较高时，制备的乳液呈半固体状，表现出良好的可塑性及涂抹性，同时还具有非常高的物理稳定性。

曾有报到指出，利用固体颗粒稳定的皮克林乳液可稳定保存数年之久[2]。

当油脂含量较低时，制备的乳液经过放置一段时间后出现了明显的
乳析现象，但上层乳液仍然具有非常稳定的结构。

所以，利用羟基磷酸钙纳米颗粒作为乳化剂制备皮克林乳液具有广泛的应用性。

此外，从皮克林乳液的微观结构(图2b)可以看出，乳液呈现出非常均匀的球形结构，粒径基本都在20 μm以下。

通过激光共聚焦图像可以清晰地看到，羟基磷酸钙纳米颗粒能够均匀的分布在油滴的周围，具有匹克林乳液典型的结构。

图3为通过激光散射测定的乳液的粒径分布。

从结构可以看出，利用羟基磷酸钙纳米颗粒作为稳定剂制备的大豆油、玉米油、橄榄油、薄荷油以及柠檬油的皮克林乳液具有类似的粒径分布图，乳液的粒径都集中在10 μm左右。

该测定结果和共聚焦图像结果是非常一致的。

图2 皮克林乳液的外观(a)及其微观结构(b)Fig.2 Appearance (a) and microstructure (b) of the hydroxyapatite based Pickering emulsions
图3 不同油脂制备的皮克林乳液的粒径分布Fig.3 Size distribution of the Pickering emulsions deriving from varying oils
2.3 皮克林乳液的流变学特性
图4为不同植物油皮克林乳液的表观粘度随剪切速率变化的曲线。

可以看出，随
着剪切速率的增加，乳液的表观粘度均快速降低，具有非牛顿流体的典型特征。

此外，可以发现在剪切速率较低时，乳液的表观粘度下降速率最快，随着剪切速率的增加，降低幅度区域平缓。

因此，利用羟基磷酸钙作为乳化剂制备的不同植物油的皮克林乳液都具有假塑流体的典型特征。

这一测定结果和对乳液的感官分析是完全一致的。

结果还表明，植物油的种类对制备的皮克林乳液的粘度没有较大的影响，说明羟基磷酸钙纳米颗粒作为乳化剂的应用具有广谱性。

本研究还进一步通过动态粘弹性测量研究了羟基磷酸钙基皮克林乳液的凝胶性质(图5)。

从测定结果可以看出，在扫描频率范围内(0.1～100 rad/s)所有乳液的G’均大于其G’’，这说明弹性主导了乳液凝胶结构的形成。

乳液凝胶的形成机理为物理交联，即乳液液滴通
过表面的羟基磷酸钙纳米颗粒进行的物理吸附。

对于特定的乳液，其G’并不依赖于扫描频率的变化，说明乳液液滴间存在非常强的吸附作用。

图4 乳液的表观粘度随剪切速率的变化关系Fig.4 Apparent viscosity curving of the emulsions against the shear rate
图5 乳液的弹性模量(G’)/损失模量(G’’)随频率变化的关系Fi g.5 G’/G’’ of the emulsions against the frequency
3 结论
本研究通过化学沉淀法制备了粒径在200 nm左右的棒状羟基磷酸钙单晶体纳米颗粒。

将羟基磷酸钙纳米颗粒作为皮克林稳定剂，成功制备了食用油(玉米油、大豆油及橄榄油)和植物精油(薄荷叶及柠檬油)的高内相皮克林乳液。

制备的各种乳液，其粒径均在10 μm左右，体积分布都比较均匀。

另外，基于羟基磷酸钙纳米颗粒制备的皮克林乳液还具有良好的物理稳定性和流变特性，说明其具有良好的涂抹特性。

因此，基于羟基磷酸钙纳米颗粒稳定的高内相皮克林乳液在食品及化妆品领域表现出良好的应用前景，羟基磷酸钙纳米颗粒具有作为一种新型的匹克林乳化剂开发的巨大潜力。

参考文献
【相关文献】
[1] Y Chevalier, M A Bolzinger. Emulsions stabilized with solid nanoparticles: Pickering emulsions[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering
Aspects,2013,439:23-34.
[2] B P Binks. Particles as surfactants-similarities and differences[J]. Current Opinion in Colloid & Interface Science,2002,7(1-2):21-41.
[3] 刘付.大豆蛋白皮克林稳定剂的构建、表征及应用[D].华南理工大学,2015.
[4] Y Tan, K Xu, C Niu, et al. Triglyceride-water emulsions stabilised by starch-based
nanoparticles[J]. Food Hydrocolloids,2014,36:70-75.
[5] M Miao, R Li, B Jiang, et al. Structure and physicochemical properties of octenyl succinic esters of sugary maize soluble starch and waxy maize starch[J]. Food Chemistry,2014,151:154-160.
[6] J W J De Folter, M W M Van Ruijven, K P Velikov. Oil-in-water Pickering emulsions stabilized by colloidal particles from the water-insoluble protein zein[J]. Soft
Matter,2012,8:6807-6815.
[7] R Gupta, D Rousseau. Surface-active solid lipid nanoparticles as Pickering stabilizers for oil-in-water emulsions[J]. Food & Function,2012,3:302-311.
[8] P E Ruiz-Rodriguez, D Meshulam, U Lesmes. Characterization of Pickering O/W Emulsions Stabilized by Silica Nanoparticles and Their Responsiveness to In vitro Digestion Conditions[J]. Food Biophysics,2014,9:406-415.
[9] S Levine, E Sanford. Stabilisation of emulsion droplets by fine powders[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering,2010,63:258-268.
[10] D A Straub. Calcium supplementation in clinical practice: a review of forms, doses, and indications[J]. Nutrition in Clinical Practice Official Publication of the American Society for Parenteral & Enteral Nutrition,2007,22:286.
[11] S Fujii, M Okada, H Sawa, et al. Hydroxyapatite nanoparticles as particulate emulsifier: fabrication of hydroxyapatite-coated biodegradable microspheres[J].
Langmuir,2009,25(17):9759-9766.
[12] Q Ruan, J Guo, Z Wan, et al. pH switchable Pickering emulsion based on soy peptides functionalized calcium phosphate particles[J]. Food Hydrocolloids,2017,70:219-228. [13] M P Ferraz, F J Monteiro, C M Manuel. Hydroxyapatite nanoparticles: A review of preparation methodologies[J]. Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics,2004,2:74-80.。