淀粉脂質復合物納米粒子的制備、結構表征及其在Pickering乳液中的應用

羅文波，魏宇清，邵 苗，李松南

（1.廣州博鷺騰生物科技有限公司，廣東 廣州 510700；2.中新國際聯合研究院，廣東 廣州 510555）

淀粉是植物體內通過光合作用產生的一類可生物降解的高分子碳水化合物，在自然界中產量大、來源廣、種類多，廣泛應用于食品、醫藥和化妝品等領域。然而，天然淀粉顆粒粒徑較大（>10 μm），且親水性強，難以吸附于油水界面形成穩定的 Pickering乳液[1]，將淀粉改性減小其粒徑并增加疏水性，可使其成為一種良好的新型固體顆粒乳化劑。

目前，淀粉顆粒在制備Pickering乳化劑方面已有大量研究，主要分為三類：天然淀粉、物理改性淀粉和化學改性淀粉。Li等[2]采用不同粒徑的米淀粉、小麥淀粉、蠟質玉米淀粉和馬鈴薯淀粉作為乳化劑，制備水包油型Pickering乳液，結果表明米淀粉顆粒的粒徑較小，所制備的乳液具有較好的穩定性。Bortmowska等[3]采用預糊化后的蠟質玉米淀粉制備Pickering乳液，發現其對低油相體積分數的乳液有較好的乳化效果。除天然淀粉和物理改性淀粉外，辛烯基琥珀酸改性淀粉穩定 Pickering乳液是近些年的研究熱點。Song等[4]探究不同直鏈淀粉含量的辛烯基琥珀酸改性淀粉的乳化性能，結果顯示隨著辛烯基琥珀酸取代度的升高，乳液呈現出明顯的穩定效果。

淀粉脂質復合物是由鏈淀粉包裹線性的脂肪酸分子構成，在疏水性、抗消化性及熱特性等與天然淀粉有很大不同。目前，淀粉脂質復合物的應用主要有：抗性食品原料（第五類抗性淀粉）、活性成分的包埋壁材和油脂的抗氧化穩定，而關于其作為乳化劑用于穩定Pickering乳液的研究鮮有報道。Lu等[5]采用濕熱法制備顆粒態淀粉脂質復合物，發現復合物相對原淀粉的疏水性顯著提高，乳化性能顯著提升。

淀粉納米粒子包括淀粉納米晶和淀粉納米球，淀粉納米晶可通過酶解或酸解后再經過重結晶得到，淀粉納米球可通過納米沉淀法制備，淀粉納米粒子可穩定吸附在油水界面，用于穩定Pickering乳液[6]。Ge等[7]以玉米淀粉、木薯淀粉和甘薯淀粉為原料制備淀粉納米粒子，發現三種淀粉納米粒子穩定的乳液均呈現良好的穩定性。然而，目前采用納米沉淀法結合脂肪酸復合法制備聚集態淀粉脂質復合物納米粒子（SFACNs）及其乳化性能的研究尚處于空白。本研究采用干法和濕法制備 SFACNs，對其脂質復合率、微觀形態、粒徑分布、結晶結構和乳化性等進行研究，為新型淀粉基Pickering乳化劑的制備提供思路。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

普通玉米淀粉：吉林天成玉米開發有限公司；月桂酸：上海凌峰化學試劑有限公司；碘：上海銀典化工有限公司；碘化鉀：廣東光華科技股份有限公司；大豆油：南海油脂工業（赤灣）有限公司。

1.2 儀器與設備

MR Silver恒溫磁力攪拌器、SilentCrusherM高速剪切攪拌器：德國 Heidolph公司；MS2000粒度儀：英國Malvern儀器有限公司；EVO 18掃描電子顯微鏡：德國 Carl Zeiss公司；UV-1100紫外可見光分光光度計：上海美析儀器有限公司；OCA40Micro全自動視頻微觀接觸角：德國Dataphysics公司；D8ADVANCE X-射線散射儀：德國Bruker公司；TPS.SP5激光共聚焦顯微鏡：德國LEICA公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 SFACNs制備

參考 Chang等[8]的方法稍作修改，通過濕法和干法制備SFACNs，具體方法如下：

濕法：取3.0 g普通玉米淀粉（干基），加入適量蒸餾水配成3%（w/w）的淀粉乳，置于沸水浴中磁力攪拌1 h，將得到的淀粉糊冷卻至60 ℃并保持不斷攪拌，然后逐滴加入熔融的月桂酸（添加量為淀粉干基的10%，w/w）反應30 min，待混合兩者均勻后，冷卻至室溫，向混合物中逐滴滴加 2倍體積分數的無水乙醇，將所得產物在4 000 r/min下離心15 min后取出沉淀用無水乙醇洗滌 2次，在 40 ℃烘箱中干燥 12 h，得到SFACNs。

干法：取3.0 g普通玉米淀粉（干基），加入蒸餾水配成3%（w/w）淀粉乳，置于沸水浴中磁力攪拌1 h，冷卻至室溫后，向淀粉糊中逐滴滴加2倍體積分數的無水乙醇，將所得產物在4 000 r/min下離心15 min后取出沉淀，在40 ℃烘箱中干燥12 h，然后粉碎過200目篩備用。將月桂酸（添加量為淀粉干基的10%，w/w）在60 ℃下進行熔融處理，與上述淀粉在烘箱內反復捏合，直至淀粉呈現明顯的顆粒感，顆粒之間無黏連，即混合均勻，最后在40 ℃烘箱中干燥48 h，得到SFACNs。

1.3.2 復合率測定

參考Chen[9]等方法，并進行適當修改。取0.1 g干基SFACNs分散于5 mL蒸餾水中，置于沸水浴20 min后冷卻至室溫，然后在3 000 r/min下離心15 min，取上清液50 μL與4 mL碘–碘化鉀溶液混合，置于試管中渦旋1 min，在690 nm處測定吸光度，原普通玉米淀粉作為對照，復合率（CI）的計算公式如下：

式中，ABS對照，普通玉米淀粉的吸光度；ABS樣品，SFACNs樣品的吸光度。

1.3.3 溶解度測定

參考 Wang等[10]方法，并進行適當修改。取0.1 g干基SFACNs加入蒸餾水配成1%（w/w）淀粉乳，在4 000 r/min下離心15 min，將離心后的上清液在120 ℃下干燥12 h，稱重并記為m上清液，溶解度（S）的計算公式如下：

1.3.4 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

采用掃描電子顯微鏡對SFACNs進行顆粒形貌的觀察[9]。用導電雙面膠將處理好的樣品固定在樣品臺上，置于離子濺射儀中噴金，在掃描電鏡下放大一定倍數觀察樣品，掃描電壓為10 kV。

1.3.5 粒徑分布

采用Mastersizer 2000激光粒度儀對SFACNs進行分析，分散溶劑為蒸餾水，參考 LIN等[11]的方法并進行適當調整。測試期間，將淀粉樣品緩慢分散于蒸餾水中，開啟超聲波振蕩3 min，使淀粉樣品均勻分散，待遮光背景強度達到12%時進行測試。淀粉顆粒和蒸餾水的折光系數分別為1.54和1.33。

1.3.6 接觸角測試

取0.2 g干基SFACNs，放入標準模具（厚度：2 mm和直徑：13 mm），通過自動壓片機在10 MPa下制成片劑。將片劑浸沒在OCA40Micro裝置載物臺上的棕櫚油浴裝置中，并使用高精度注射器將2 μL的去離子水輕輕滴在片劑的表面上，同時通過高速相機以 10幀/秒的采集速度，記錄水滴在片劑表面的球形變化趨勢。

1.3.7 X-射線衍射（XRD）測試

在進行 XRD測試前，測試樣品需放置在100%相對濕度的容器中在25 ℃下平衡水分24 h。XRD的測試參數分別為：40 kV、40 mA和Cu-Kα射線（λ=0.154 nm）。將樣品密封包裝在矩形樣品臺中，以2 (°)/min在2θ為4～35°區間進行掃描。

1.3.8 SFACNs在Pickering乳液中的應用

1.3.8.1 Pickering乳液表觀形態觀察 分別以干法和濕法制備的SFACNs為乳化劑，大豆油為油相，去離子水為水相，制備Pickering乳液，乳化劑添加量為 4%（w/w），油相體積分數為 50%，用高速剪切攪拌機剪切2 min，間隔30 s，轉速為20 000 r/min，制備 Pickering乳液[11]，并拍照記錄乳液情況。

1.3.8.2 Pickering乳液激光共聚焦顯微觀察（CLSM） 取制備的新鮮乳液1 mL，加入100 μL 1%尼羅紅和尼羅藍混合試劑（1∶1，v/v），蓋上鋁箔紙，在1 000 r/min下渦旋震蕩30 min，避光保存，在蓋玻片邊緣上涂上油封邊，用CLSM觀察乳滴的形態，其中尼羅藍的激發波長設置為633 nm，照片分辨率為1 024×1 024。

1.3.8.3 不同乳化劑濃度制備Pickering乳液表觀形態觀察 根據上述實驗結果，以干法制備的SFACNs為乳化劑，充分水化后，加入大豆油，乳化劑添加量分別為0.5%、1%、2%、3%、4%、5%（w/w，占油水總質量），油相體積分數為50%（v/v，占油水總體積），用高速剪切攪拌機剪切2 min，間隔 30 s，轉速為 20 000 r/min，制備Pickering乳液。

1.4 數據處理

各組實驗數據均重復3次，用SPSS 18.0進行統計分析，用ORIGIN 8.0進行圖表制作。

2 結果與討論

2.1 脂質復合率

不同方法制備的 SFACNs脂質復合率如表 1所示。表中顯示，采用干法制備SFACNs的脂質復合率顯著高于濕法，這與脂肪酸的加入方式有關。濕法制備過程中，月桂酸與糊化淀粉復合后進行醇沉處理，乙醇的加入可將未完全復合的月桂酸洗脫，無法形成淀粉脂質復合物。此外，月桂酸可能在與直鏈淀粉形成復合物后包裹在淀粉外部，阻礙了月桂酸與淀粉復合，導致復合率較低[12]。Chang[8]等認為當糊化淀粉體系水分含量高于50%時，淀粉脂質復合物的焓值開始減小，這是由于大量的糊化淀粉形成粘性體系，抑制了復合物的形成。

表1 SFACNs的脂質復合率和溶解度Table 1 The fatty acid complex index and solubility of SFACNs %

干法制備過程中，月桂酸與制備得到的V型結晶淀粉直接復合，與糊化淀粉相比，其內部排列緊密的單螺旋結構更加有利于對月桂酸的截留。Dries等[13]研究表明，這種單螺旋結構內部具有較強的疏水性，通過疏水相互作用與脂肪酸形成直鏈淀粉復合物。此外，對于V型結晶淀粉，除了其內部的單螺旋結構可容納脂肪酸分子外，單螺旋結構之間的間隙也可對脂肪酸截留，從而提高復合率[14]。然而，位于單螺旋之間的脂肪酸與淀粉分子之間結合力較弱，容易被有機溶劑洗脫[15]。本研究中采用干法制備的SFACNs未經有機溶劑洗滌，因此復合率較高。

2.2 溶解度

不同方法制備的SFACNs溶解度如表1所示。表中顯示，采用濕法制備的SFACNs溶解度顯著高于干法，這與脂肪酸的復合率有關。淀粉與脂肪酸復合后，疏水性增強，導致其溶解度降低，并且脂質復合率越高，疏水性越強[16]。Wang等[17]認為淀粉與脂肪酸復合后，可減少直鏈淀粉溶出并延遲水分進入淀粉顆粒內部，導致淀粉與水結合的位點減少，從而使復合物的溶解度降低。此外，干法制備過程中，月桂酸未經過乙醇洗滌，部分月桂酸位于淀粉顆粒表面，大大降低了復合物的溶解度。

2.3 微觀形態分析

不同方法制備SFACNs的SEM如圖1所示。圖中可以看出，濕法和干法制備的SFACNs均出現聚集態納米顆粒（圖中箭頭所示），并且呈現粗糙和不規則的形狀。這種現象與淀粉納米粒子的制備過程有關，經過醇沉后的淀粉納米顆粒較小，表面的范德華力和靜電引力較大，干燥時易團聚；此外，直鏈淀粉在醇沉時易交叉，導致納米顆粒出現堆積[18]。Kiatponglarp等[19]通過酶解蠟質米淀粉和米淀粉，在重結晶后均可得到聚集態淀粉納米顆粒，米淀粉制備的納米顆粒表面粗糙，而蠟質米淀粉制備的納米顆粒表面光滑，這可能是由于制備過程中未結晶的分子鏈之間的斥力導致結晶片層不規則堆積。Rajesh等[20]采用直鏈淀粉–棕櫚酸復合物制備淀粉納米粒子，同樣發現納米顆粒之間出現粘連。Cai等[21]認為這種聚集態結構是顆粒內部晶體的部分有序性聚集導致，即短直鏈淀粉鏈締合成雙螺旋并形成簇，然后簇狀的結晶單元重排成納米顆粒，最后顆粒生長成大聚集體。

圖1 濕法（左）和干法（右）制備的SFACNs的掃描電鏡圖Fig.1 SEM of SFACNs prepared with wet (left) and dry method (right)

2.4 粒徑分布分析

不同方法制備的 SFACNs的粒徑分布如圖 2所示。圖中可以看出，濕法和干法制備的SFACNs均呈現單峰粒徑分布，表明粒徑分布均勻。此外，兩種方法制備的SFACNs平均粒徑分別為208.7 nm和325.0 nm，與干法較高的脂質復合率有關。脂質復合率越高，顆粒間的疏水間相互作用力越強，從而加劇了顆粒之間的“團聚”，導致平均粒徑增大，這與SEM結果一致。Lesmes等[22]認為淀粉納米粒子的粒徑大小可能與復合物的制備方法有關，濕法制備過程中，由于月桂酸與直鏈淀粉形成復合物包裹在淀粉表面，在醇沉、干燥時可能阻礙直鏈淀粉重新進入顆粒內部，導致濕法制備的顆粒粒徑小于干法。Duyen等[23]采用納米沉淀法和微乳液法制備淀粉納米顆粒，發現微乳液法制備的淀粉納米顆粒聚集度較高，同樣呈現出較大的顆粒粒徑。

圖2 濕法（左）和干法（右）制備的SFACNs的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of SFACNs prepared with wet (left) and dry (right) methods

2.5 接觸角分析

不同方法制備的 SFACNs三相接觸角如圖 3所示。圖中可以看出，濕法制備的SFACNs接觸角為81.2°，干法制備的SFACNs接觸角為94.6°，表明干法制備的粒子兩親性較高。三相接觸角 θ可以直觀地反映出顆粒的親疏水性，接觸角越接近 90°，越能促進其在油水界面的有效吸附和排列，形成穩定的物理界面屏障，有利于形成穩定的 Pickering乳液[24]。本研究中的這種差異與SFACNs的脂質復合率有關，淀粉顆粒本身是一種親水性顆粒，與脂質復合后疏水性提高，并且脂質的復合率越高，接觸角越接近 90°。此外，顆粒的尺寸與接觸角也有關系，Ge等[7]采用納米沉淀法制備淀粉納米顆粒，發現通過減小淀粉顆粒粒徑來增加其比表面積，可能會減少淀粉的親水性區域的暴露，有助于增強顆粒的疏水性和乳化性能。然而，本實驗中采用濕法制備的SFACNs粒徑較小，其接觸角也較小，呈現出與之前不同的研究結果，這可能是由于Ge等[7]研究中并未將淀粉納米顆粒與脂質復合，僅通過降低顆粒粒徑來提高疏水性。以上結果表明，SFACNs的脂質復合率對其乳化性起主導作用。

圖3 濕法（左）和干法（右）制備的SFACNs三相接觸角Fig.3 Three-phase contact angle of SFACNs prepared with wet and dry methods

2.6 晶型結構分析

不同方法制備的SFACNs晶型結構如圖4所示。圖中可以看出，原玉米淀粉呈現出典型的 A型結晶結構。兩種方法制備的SFACNs均在2θ 13°和20°附近出現尖銳峰，表明SFACNs為V型結晶結構。SFACNs的制備過程中，淀粉糊在乙醇的誘導下形成大量的單螺旋結構，這些單螺旋結構可容納月桂酸分子形成淀粉脂質復合物。此外，干法制備的SFACNs衍射峰強度明顯高于濕法，暗示干法制備的SFACNs單螺旋結構排列更加緊密[25]，這與干法的脂質復合率較高有關。Wang等[26]研究發現普通小麥淀粉的V型峰強度歸因于V型絡合物的形成，直鏈淀粉–脂質復合物越多，V型峰強度越高。有趣的是，干法制備的SFACNs在2θ 21.15°和23.9°出現了月桂酸的特征衍射峰，說明干法制備的 SFACNs中存在游離月桂酸，這與 Wang等[26]研究結果一致。然而，濕法制備 SFACNs過程中，由于乙醇的洗滌作用，未復合的游離月桂酸被洗脫，因此未出現月桂酸衍射峰。

圖4 玉米淀粉、月桂酸及濕法和干法制備的SFACNs的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of corn starch,lauric acid,and SFACNs prepared with wet and dry methods

2.7 乳液表觀

不同方法制備的SFACNs穩定的乳液表觀如圖 5所示。圖中可以看出，兩種方法制備的SFACNs穩定的Pickering乳液均無乳析或油析的現象，表明SFACNs可作為一種良好的Pickering乳化劑。將其在室溫下放置24 h后，乳液為乳白色粘稠狀，未出現乳析和油析現象，然后對乳液進行倒置，發現乳液不流動，表明Pickering乳液凝膠形成。Pickering乳液凝膠體系可以將液態的乳液轉化成固態的乳液凝膠，因而呈現出倒置不流動的現象[27]。基于以上結果，SFACNs乳液凝膠的形成機理可能為：SFACNs被吸附在油水界面上后，顆粒表面向外延伸的直鏈淀粉分子和淀粉脂質復合物互相“橋聯”形成穩定的網狀結構，加強液滴之間的相互作用，從而形成乳液凝膠[28]。

圖5 濕法和干法制備的SFACNs穩定的乳液表觀圖Fig.5 Emulsion appearance stabilized by SFACNs prepared with wet and dry methods

2.8 激光共聚焦觀察

不同方法制備的SFACNs穩定的乳液CLSM如圖 6所示。SFACNs通過尼羅藍（親水性熒光染料）進行熒光染色，在圖譜中被標記為藍色。圖中可以看出，濕法制備的SFACNs穩定的乳液粒徑分布不均勻且乳滴較大，表明該乳液穩定性較差。干法制備的SFACNs穩定的乳液，顆粒在界面的分布較均勻（藍色深）且乳滴更小，表明乳液的穩定性較好，與接觸角結果一致。干法制備的 SFACNs表面的直鏈淀粉分子及淀粉–月桂酸復合物被大量吸附到油水界面并向油滴延伸，由于較高的脂質復合率，使油滴之間相互連接更加緊密，形成更為穩定的凝膠網絡結構，呈現出較均勻的乳液粒徑分布。Timgren等[29]發現，疏水改性的藜麥淀粉會自發通過疏水長鏈吸附到油滴的油水界面上，并均勻的覆蓋在油滴上，疏水改性程度與乳滴粒徑分布的均勻性成正相關，與本實驗結果一致。上述實驗結果表明，干法制備的SFACNs乳化性較好，因此采用干法制備的乳化劑制備Pickering乳液。

圖6 濕法（左）和干法（右）制備的SFACNs穩定的乳液CLSM圖Fig.6 CLSM of emulsion stabilized by SFACNs prepared with wet and dry methods

2.9 乳化劑濃度對Pickering乳液乳化效果影響

不同濃度的SFACNs制備的Pickering乳液表觀如圖7所示。圖中可以看出，不同濃度的乳化劑制備的新鮮乳液均呈白色液體狀，且當乳化劑濃度為0.5%時出現乳析現象。隨著乳化劑濃度提高，乳析現象消失，表明乳化劑濃度為1%～5%時乳化效果較好。貯藏7天后，乳化劑濃度為0.5%

圖7 不同濃度的SFACNs穩定的乳液表觀圖Fig.7 Emulsion appearance stabilized by different concentrations of SFACNs

和1%的乳液均出現乳析現象，這是由于乳化劑濃度較低，不足以覆蓋在水油界面，導致乳液不穩定[30]。此外，當乳化劑濃度為3%～5%時，乳液呈現倒置不流動現象，表明形成了乳液凝膠[27]，這是由于淀粉脂質復合物納米粒子之間的接觸較緊密，粒子表面的直鏈淀粉分子或淀粉脂質復合物之間的“橋聯”較多，形成了凝膠網絡結構。考慮到實際生產成本，該乳化劑添加量為3%時即可制備穩定的Pickering乳液。

3 結論

本文采用濕法和干法分別制備 SFACNs，研究其微觀結構、脂質與淀粉的復合方式及其界面潤濕性，并將其用于穩定Pickering乳液，考察其乳化能力。研究發現兩種方法制備的SFACNs均呈現聚集態分布及V型結晶結構。其中，干法制備的SFACNs的脂質復合率較高，增加了粒子的潤濕性，形成的乳液粒徑更小，分布更均勻，并發現干法制備的乳化劑濃度為3%～5%時，在貯藏7天仍表現出較好的乳液穩定性，形成乳液凝膠。本研究將納米沉淀法結合脂質復合制備新型淀粉基Pickering乳化劑，具有工藝成本低和乳液穩定性高等優勢，為開發淀粉基Pickering乳化劑提供一條更為簡單和綠色的制備途徑。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網（http://lyspkj.ijournal.cn）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。