辛烯基琥珀酸小米淀粉酯穩定Pickering乳液

陸蘭芳，楊 鵬，王 展，沈汪洋，于 博

（1.湖北文理學院食品科學技術學院，湖北 襄陽 441053；2.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023）

由固體顆粒替代表面活性劑穩定乳液體系以降低表面活性劑不良影響、改善乳液性能的一種乳液稱為Pickering乳液，它包含O/W、W/O等多種類型[1]。Pickering乳液保留了由表面活性劑穩定的經典乳液基本性質，并且降低了由表面活性劑帶來的一些不利影響，例如發泡、刺激性等[2]。固體顆粒往往賦予乳液聚結的高度穩定性以及可通過修飾固體顆粒表面性質來調整乳化效果等優點[3]。尤其是“無表面活性劑”這一特性使得Pickering乳液在食品、化妝品、個人護理、醫藥等領域有著獨特的優勢。固體顆粒在液滴表面吸附實現乳液的穩定，吸附機理與表面活性劑不同，它在油水界面穩定來源于水和油對固體顆粒表面的部分潤濕作用[4]。

滿足大多數油部分潤濕條件的顆粒種類很多，例如碳酸鈣和硫酸鋇[5]、黏土[6-7]、炭黑[8]、乳膠[9-11]、二氧化硅[4]等。目前研究較多的食品級固體顆粒有纖維素[12]、淀粉[13]、蛋白質等。淀粉作為豐富的生物可再生資源，安全性高、成本低、不易引起過敏反應，且可通過改性修飾調節潤濕行為，是一種可靠的制備Pickering乳液的原料[14]。辛烯基琥珀酸淀粉酯（octenyl succinic anhydride modified starch，OSA淀粉），由疏水性的OSA和淀粉在弱堿性條件下發生酯化反應制得[15]。Yu Zhenyu等[16]制備了不同取代度（0.009～0.032）的辛烯基琥珀酰化芋頭淀粉，發現OSA改性對芋頭淀粉的形態或粒度影響不大，但接觸角從25.4°顯著增加至70.1°。黃弼晨[17]以芭蕉芋淀粉為原料制備了OSA改性淀粉，通過響應面試驗得出最優制備條件：淀粉乳質量分數35.63%，反應時間為3.62 h，反應溫度為37.77 ℃，反應體系pH值為8.07～8.57，在此反應條件下所得產物的取代度為0.012 13。Song Xiaoyan等[18]用疏水改性的秈米淀粉制備Pickering乳液，發現穩定乳液的淀粉顆粒質量濃度和油相比例是影響乳液乳化性的主要因素，而且乳液可能形成了內部網絡結構，具有類似于凝膠的行為。S a a r i 等[19]探究了蠟質玉米、藜麥和燕麥淀粉穩定Pickering乳液的性能，發現混合淀粉穩定乳液時其中一種淀粉顆粒會在液滴界面占主導地位，而單一淀粉穩定乳液對液滴尺寸的影響還和均質時間有關。

小米在世界各地廣泛種植，生長周期短，淀粉含量與玉米相當，約為60%～70%，且可以較容易分離出來[20]。小米淀粉多為多角形顆粒，粒徑為6.14～11.96 μm，直鏈淀粉含量較高，約為20.0%～27.1%，不同來源存在一定差異[21]。直鏈淀粉含量對淀粉疏水改性有積極影響，酯化反應優先發生于主要由直鏈淀粉構成的無定形區域[22]。目前，國內外對小米的研究主要集中在小米的營養價值以及小米淀粉理化性質方面，還鮮有系統的研究過小米淀粉修飾以及其改性產品的制備，因此深入研究小米淀粉化學修飾特性有助于發現小米淀粉在各種食品工業應用中的適用性。本實驗對小米淀粉進行OSA改性，并將其用于穩定Pickering乳液，探究了疏水改性小米淀粉穩定乳液的效果，為拓展小米在食品工業中的應用領域提供了一個新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

優質小米 朝陽泰然科技食品有限公司；OSA阿拉丁試劑有限公司；中鏈甘油三酯（medium chain triglycerides，MCT） 上海源葉生物科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

Nexus670傅里葉紅外光譜儀 美國尼高立儀器公司；S-3000掃描電子顯微鏡 日本日立公司；D8 Advance X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 布魯克AXS有限公司；XHF-DY高速分散器 寧波新芝生物科技股份有限公司；Malvern3000激光粒度儀 英國Malwern公司。

1.3 方法

1.3.1 小米淀粉的提取

優質小米磨粉后過100 目篩，得到小米粉備用。取適量小米粉放入0.2%的NaOH溶液中，按料液比1∶4混合攪拌4 h后浸泡24 h，將混合物于4 000 r/min離心3 min，棄去上清液，剝刮除去上、下層黃褐色物質，取中間的白色層，反復用蒸餾水清洗，連續離心直到上層沒有黃色物質為止。沉淀用水分散并用稀鹽酸（1 mol/L）調節pH值至中性。最后將產物經40 ℃干燥24 h、研磨后過100 目篩即得小米淀粉。

1.3.2 OSA淀粉的制備

取一定質量小米淀粉，加入適量蒸餾水配制成35%的淀粉乳，分別取一定量OSA（添加量分別為淀粉干基的0%、3%、5%、7%、10%）用無水乙醇稀釋5 倍后在1 h內緩慢加入至淀粉乳中，用恒溫磁力攪拌器進行攪拌，控制反應溫度35 ℃并在反應過程中不斷加入3% NaOH溶液以維持反應體系pH值為8.5。反應4 h后，加入質量分數2%的HCl溶液調節體系pH 6.5左右，以終止酯化反應。反應結束后先用70%乙醇溶液抽濾洗滌2 次，再用蒸餾水離心洗滌2 次，置于40 ℃烘箱內烘干，再將其粉碎過100 目篩，即得OSA淀粉。

1.3.3 OSA淀粉取代度測定

參照文獻[23]的方法用滴定法測定OSA淀粉的取代度。準確稱取1.5～2.0 g淀粉樣品分散于50 mL 95%乙醇溶液中，用恒溫磁力攪拌器攪拌10 min后加入15 mL濃度2.5 mol/L鹽酸-乙醇溶液，連續攬拌30 min。反應結束后將樣品移入布氏漏斗抽濾，用蒸餾水洗滌至用0.1 mol/L硝酸銀檢驗無氯離子。然后將淀粉樣品移入250 mL錐形瓶中，加入100 mL蒸餾水，沸水浴20 min后，趁熱用0.1 mol/L NaOH溶液進行滴定至粉紅色，酚酞作為指示劑。空白以天然淀粉為對照。計算取代度（DS）和反應效率（RE）。

式中：W為稱取樣品的質量/g；V為滴定樣品消耗NaOH的體積/mL；N為NaOH的濃度/（mol/L）；MOSA為OSA的質量/g；M淀粉為OSA淀粉的質量/g；210為OSA的相對分子質量；162為葡萄糖單位的相對分子質量。

1.3.4 Pickering乳液的制備

稱取一定質量的不同取代度的OSA淀粉，用蒸餾水配制成不同質量濃度（1、3、5、7、10 g/100 mL）的淀粉顆粒分散液，添加不同油相比例（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）的MCT油相，用高速剪切機20 000 r/min處理2 min，分2 次進行。

1.3.5 OSA淀粉顆粒的分析表征

1.3.5.1 傅里葉紅外光譜

使用壓片法對原淀粉和OSA淀粉顆粒的結構進行鑒定，用傅里葉紅外光譜儀在掃描范圍4 000～500 cm－1、分辨率4 cm－1下掃描，掃描次數32 次。

1.3.5.2 掃描電子顯微鏡

將原淀粉和OSA淀粉均勻的分散在導電膠上，對其進行噴金處理，用掃描電子顯微鏡放大到適合倍數觀察并拍照。

1.3.5.3 XRD

將原淀粉及OSA淀粉壓成薄片，使用XRD對樣品采集信息，測試條件：Cu-Ka，掃描速率為4°/min，掃描范圍2θ為5°～80°。

1.3.6 Pickering乳液的分析表征

1.3.6.1 乳液粒徑的測定

采用Malvern 3000粒度分布儀測定乳液的粒徑大小，參數設置：顆粒折射率1.54；顆粒吸收率0.1；分散劑折射率1.33；泵的轉速2 000 r/min。

1.3.6.2 乳化指數的測定

將乳液靜置于25 ℃環境下，放置后對樣品進行觀察，記錄乳液分層后乳化層的高度。

乳化指數計算公式為：

式中：He為乳液乳化層高度；H為乳液總高度。

1.3.6.3 流變學特性測試

用流變儀測定貯存24 h后的乳液的流變學特性，在振動應變0.01%～10%（頻率1 Hz、25 ℃）下測量，確定線性黏彈性區域，然后在頻率0.01～10 Hz，25 ℃進行頻率掃描實驗，在剪切速率0.01～10 s－1，25 ℃進行流動掃描實驗，通過分析黏度、儲能模量和損耗模量研究乳液流變特性。

1.4 數據統計與分析

實驗均重復測定3 次，取平均值，利用Origin 8.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 淀粉顆粒結構和形態分析

圖1 原淀粉與OSA淀粉顆粒（DS＝0.017 1）的傅里葉紅外光譜圖Fig. 1 FTIR spectra of native starch and OSA starch granules(DS = 0.017 1)

由圖1可知，原淀粉在1 651、1 159、1 088、1 019 cm－1處出現明顯的特征吸收峰，由淀粉分子內的結合水和C—O鍵的伸縮振動產生。3 401 cm－1和2 935 cm－1處的吸收峰分別是由C—H鍵和O—H鍵的伸縮振動產生。對比OSA淀粉和原淀粉的譜圖可以發現，改性后小米淀粉在1 727 cm－1和1 574 cm－1處出現了新的特征峰，1 574 cm－1處出現RCOO—的不對稱伸縮振動，說明反應引入了OSA基團，1 727 cm－1處位于酯羰基C＝O的特征吸收區域，表明OSA與小米淀粉發生了酯化反應[24-25]。

圖2 原淀粉和OSA淀粉顆粒的XRD譜圖Fig. 2 XRD spectra of native starch and OSA starch granules

由圖2可知，疏水改性淀粉和原淀粉在15°、17°、23°都出現衍射峰，表明其為典型的A型衍射圖譜[26]。在高取代度時，酯化反應依然未改變淀粉的晶體類型，表明酯化反應只發生在淀粉的無定型區，不影響淀粉顆粒的晶型。

圖3 原淀粉與OSA淀粉顆粒形貌Fig. 3 Morphology of native starch and OSA starch granules

由圖3可以看出，小米淀粉顆粒呈現不規則的球形，表面略光滑，顆粒完整；OSA淀粉相較與原淀粉表面略粗糙，有少量破損痕跡，但淀粉顆粒仍保持了結構的完整性。酯化反應發生在淀粉分子的表面，并不破壞淀粉的內部結構。小米淀粉顆粒粒徑主要分布在7.1～15.4 μm之間，平均粒徑為9.53 μm，淀粉顆粒較小。

2.2 不同條件制備的Pickering乳液乳化效果分析

圖4 原淀粉和OSA淀粉制備的乳液直觀形態Fig. 4 Visual appearance of emulsions prepared with native starch and OSA starch

由圖4可以看出，原小米淀粉可以穩定乳液，但是乳化效果不好，放置6 h后小米淀粉沉淀在底部，油水分離明顯。經過疏水改性的小米淀粉均能不同程度的穩定乳液，不同取代度的OSA淀粉對乳液的乳化效果存在差異，同時在不同的淀粉顆粒質量濃度和油相比例下制備的乳液乳化層高度也顯示出規律性變化。這些現象表明，小米淀粉在經過OSA酰化后乳化性能得到了改善，且OSA淀粉的取代度、顆粒質量濃度、油相比例都是影響淀粉穩定乳液性能的因素。

2.3 取代度對乳液乳化性的影響

改性淀粉制備時OSA添加量為0%、3%、5%、7%、10%，選取淀粉顆粒質量濃度10 g/100 mL，油相比例0.5，按1.3.4節方法配制乳液。

表1 取代度對乳液乳化指數及乳液粒徑的影響Table 1 ffect of substitution degree of starch on emulsification index and emulsion particle size

表1 取代度對乳液乳化指數及乳液粒徑的影響Table 1 ffect of substitution degree of starch on emulsification index and emulsion particle size

取代度 乳化指數/% 1 d后乳液粒徑/μm 6 h 1 d 3 d 10 d 20 d 30 d D4,3 D3,2 D50 0 46.39 40.98 32.79 32.79 28.33 28.33 146 19.9 117 0.017 1 74.60 74.19 75.81 63.64 63.64 64.06 112 48.0 107 0.019 9 87.40 82.81 80.95 71.43 67.19 67.19 74.9 65.5 70.5 0.023 2 77.87 77.05 75.41 70.97 67.19 68.75 96 64.4 92.5 0.024 4 79.33 75.00 72.58 67.74 66.13 64.52 118 88.7 111

在淀粉顆粒質量濃度10 g/100 mL，油相比例0.5條件下，分別測定不同取代度制備的乳液放置1 d后的粒徑值和放置6 h～30 d時的乳化指數，結果如表1所示。不同取代度OSA淀粉穩定的乳液在放置之后乳化指數均有一定程度的降低，且在20 d后基本趨于穩定；原淀粉穩定的乳液放置30 d后乳化指數降低到28.33%，疏水改性后取代度為0.017 1的淀粉穩定的乳液乳化指數30 d后仍然能保持64.06%，說明對小米淀粉改性處理很大程度改善了其乳化性能。這主要是由于小米淀粉在經過酯化后疏水性增強[27]，OSA淀粉的親水性羧酸基團和疏水性烯基長鏈在乳化時分別伸入水相和油相，而多糖長鏈在油水界面伸展，形成一層堅固、厚實且不易被破壞的界面膜[28]。

2.4 淀粉顆粒質量濃度對乳液乳化性的影響

選取取代度0.0171的OSA淀粉，控制油相比例為0.5，淀粉顆粒質量濃度1、3、5、7、10 g/100 mL，按1.3.4節方法制備乳液。

表2 淀粉顆粒質量濃度對乳液乳化指數及乳液粒徑的影響Table 2 ffect of starch granule concentration on emulsification index and emulsion particle size

表2 淀粉顆粒質量濃度對乳液乳化指數及乳液粒徑的影響Table 2 ffect of starch granule concentration on emulsification index and emulsion particle size

淀粉顆粒質量濃度/（g/100 mL）乳化指數/% 1 d后乳液粒徑/μm 6 h 1 d 3 d 10 d 20 d 30 d D4,3 D3,2 D50 1 59.54 55.74 55.74 55.74 55.10 55.10 337 258 336 3 64.23 64.52 65.57 62.90 61.90 61.11 265 173 246 5 67.76 66.67 67.74 67.74 62.90 62.90 195 90.9 194 7 71.08 70.49 71.67 69.84 68.75 68.75 150 82.0 132 10 75.20 74.60 75.81 72.31 69.23 69.23 120 85.5 116

淀粉顆粒質量濃度是影響乳液穩定的重要參數[18]，淀粉顆粒質量濃度對乳液粒徑（1 d）及乳化指數的影響如表2所示，淀粉顆粒質量濃度1 g/100 mL增加到10 g/100 mL，乳液的乳化指數增大，在淀粉顆粒質量濃度10 g/100 mL時，乳化指數達到74.60%。淀粉顆粒質量濃度增大，體系中更多的淀粉顆粒可以在油水界面附著，界面張力降低，使得乳化更容易進行，故乳化指數增大。與之對應的是乳液粒徑逐漸減小，這可能是由于有更多的淀粉顆粒在油滴表面附著，使包裹的油滴表面積增加，當乳化相同比例的油相時，比表面積增大表現為乳液粒徑減小[29]。不同淀粉顆粒質量濃度下制備的乳液均出現明顯分層，在放置30 d后乳液表現出良好的乳化穩定性，即使放置不同時間后乳化層高度有一定程度的下降，這可能是由于乳液在放置過程中有少量淀粉顆粒沉淀，破壞了乳液原本的液滴網絡結構。

2.5 油相比例對乳液乳化性的影響

選取取代度0.017 1的OSA淀粉在淀粉顆粒質量濃度10 g/100 mL，油相比例分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5下，按1.3.4節方法制備乳液。

表3 油相比例對乳液乳化指數及乳液粒徑的影響Table 3 ffect of proportion of oil phase on emulsification index and emulsion particle size

表3 油相比例對乳液乳化指數及乳液粒徑的影響Table 3 ffect of proportion of oil phase on emulsification index and emulsion particle size

油相比例乳化指數/% 1 d后乳液粒徑/μm 6 h 1 d 3 d 10 d 20 d 30 d D4,3 D3,2 D50 0.1 52.14 50.00 47.83 35.71 30.00 28.57 44.8 26.5 42.1 0.2 58.73 59.38 53.97 50.79 32.81 31.25 60.4 40.1 57.9 0.3 68.33 67.21 61.29 59.68 53.97 53.97 86.6 54.3 84.0 0.4 68.85 67.21 65.57 57.81 57.14 57.81 107 58.5 99.1 0.5 77.05 75.41 75.00 72.58 66.67 66.67 122 64.1 113

圖5 不同油相比例制備乳液的粒徑分布Fig. 5 Particle size distribution of emulsions with different proportions of oil phase

表3 顯示了不同油相比例下乳液的乳化指數及放置24 h后的乳液粒徑。在油相比例由0.1增加至0.5時乳液乳化指數增大，乳液粒徑也隨之增大。油相比例增加，原本過飽和的淀粉顆粒得到利用，更多的油相被淀粉顆粒附著從而形成穩定的乳液，即表現為乳化指數值增大。結合圖5發現，隨著油相比例增大，乳液的粒徑分布的峰向較大的方向移動，10 μm附近的峰面積有減小的趨勢，進一步說明淀粉顆粒更多的在油水界面吸附，但是由于油相增多，單位界面膜上淀粉顆粒質量濃度減小，體系在經過高速剪切時通過降低比表面積完成乳化[24-28]，即呈現出粒徑增大的趨勢。由表3可以看出，油相比例在0.1～0.2時，乳液乳化指數經過放置30 d后均有大幅度降低，原因是油相比例過低，體系中大量的淀粉顆粒沒有被利用，在形成乳液時雖然乳液粒徑較小，但是不穩定，經過放置后淀粉顆粒出現了不同程度的絮聚并沉淀在容器底部。油相比例0.3～0.5，乳液放置后乳化指數也有一定程度降低，但在20 d乳化指數基本穩定。

2.6 Pickering乳液的流變學特性

圖6 乳液的剪切掃描（A）和頻率（B）掃描Fig. 6 Shear scan (A) and frequency (B) sweep curves of emulsions

圖6 中顯示所有乳液表觀剪切黏度在低剪切應力下都很高，然后隨著剪切速率的增加而迅速降低，曲線呈現出明顯的剪切稀釋現象，這可能是由于高剪切作用下油滴或油滴簇發生變形或破壞，表明乳液形成了弱液滴網絡結構，且呈現假塑性行為[27-28]。在頻率0.01～10 Hz范圍內所有乳液的儲能模量G’均高于損耗模量G’’，且G’和G’’呈現出非常弱的頻率相關性，表明乳液具有類似凝膠的特征[29]。圖6A2、B2中，乳液的表觀剪切黏度和G’表現出隨淀粉顆粒增大而增大，這可能是由于在高淀粉顆粒質量濃度下，更小的乳滴粒徑增加了單位體積乳滴和乳滴之間相互作用的數量[30]。圖6B3油相比例0.1時，乳液的G’明顯低于其他油相比例的乳液，說明在低油相比例下，乳液彈性小，非常不穩定，這與表3中呈現的結果一致。以上結果說明改性淀粉的取代度、穩定乳液的淀粉顆粒質量濃度和油相比例是影響Pickering乳液結構的重要因素。

3 結 論

小米淀粉資源豐富，尺寸均一，且粒度較小，但是作為固體顆粒穩定乳液乳化效果不差。經過疏水改性的小米淀粉作為穩定劑制備Pickering乳液，乳化效果得到了很大程度的提升。不同取代度的淀粉乳化效果不同，淀粉顆粒質量濃度和油相比例是影響乳液乳化性的重要因素。淀粉顆粒質量濃度1～10 g/100 mL變化時，乳液乳化指數逐漸增大，乳滴粒徑逐漸減小。油相比例從0.1～0.5變化時，乳液乳化指數和乳滴粒徑都呈現增大的趨勢，且乳液穩定性得到了提高。流變學特性結果顯示乳液可能形成了內部網絡結構，具有類似于凝膠的行為。