疏水化改性淀粉微粒穩定的Pickering乳狀液的性質研究

鄭 芬 龔 慧 宋曉燕 張 劍 任紅濤

(河南農業大學食品科學技術學院，鄭州 450002)

Pickering乳狀液是納米或微米級固體顆粒穩定的乳狀液[1]，固體顆粒稱為顆粒乳化劑。常用于穩定Pickering乳狀液的固體顆粒有黏土、二氧化硅、氧化鋁和鈦氧化物等，但由于安全方面的原因，這些顆粒乳化劑在食品領域的應用受到限制[2]。糖類、蛋白類和脂質類等兼具食用性的材料逐漸成為顆粒乳化劑研究的熱點[3, 4]，其中，淀粉因其來源廣、價格低等優點而備受關注[5-7]。

淀粉在自然界中分布廣泛，但不同植物來源的淀粉顆粒大小存在差異。大米淀粉的粒徑為3～8 μm，莧菜籽淀粉的粒徑為1～3 μm，屬于自然界發現的較小的淀粉顆粒[8]。淀粉顆粒大小對Pickering乳化液的穩定性有重要影響。Li等[9]以大米、糯玉米、小麥和馬鈴薯淀粉為顆粒乳化劑穩定Pickering乳狀液，結果表明，大米淀粉的乳化效果最佳，馬鈴薯淀粉的效果最差。Li等[10]研究了淀粉球晶、大米、糯玉米、糯馬鈴薯淀粉改性后的乳化性能，結果表明，較小的顆粒具有更好的乳化能力。Marefati等[11, 12]用辛烯基琥珀酸酐對大米、藜麥和莧菜籽淀粉進行了改性，并研究了不同改性水平和淀粉濃度對乳狀液穩定性的影響。課題組前期研究發現辛烯基琥珀酸酐疏水化修飾的大米淀粉作為顆粒乳化劑，對Pickering乳狀液具有較好的穩定作用，且可以抑制乳狀液中脂質的氧化[13, 14]。

研究以顆粒小而粒度均勻的大米淀粉和莧菜籽淀粉為原料，制備辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride，OSA)疏水化修飾的淀粉微粒，構筑Pickering乳狀液，通過對乳相體積、液滴粒徑分布、微觀結構及流變學特性的研究來比較2種淀粉對乳狀液的穩定效果，為其在食品及相關工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

莧菜籽；岡優188大米；葵花籽油；溴化鉀為色譜純；尼羅紅、尼羅藍；其他化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TD5A臺式大容量離心機，IKA T18 ULTRA-TURRA?高速分散機，Nexus 670傅里葉紅外光譜儀，JSM-7001F場發射掃描電鏡，DHR-1流變儀，RISE-2008激光粒度分析儀，FV1200激光掃描共聚焦顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

莧菜籽淀粉的提取參考Villarreal等[15]的方法并略作修改。分別將粉碎后的大米和莧菜籽與NaOH溶液(0.5%)按1∶2.5混合，過膠體磨2次，然后將物料分裝于錐形瓶中，在35 ℃水浴搖床振搖16 h，振蕩結束后在4 000 r/min離心10 min并棄去上清液，刮去沉淀物中雜質。剩余白色沉淀物分散于自來水中，用3% HCl調pH為6.5，離心、刮去雜質，重復水洗、離心2次，40 ℃烘箱中干燥24 h得到淀粉。

1.3.2 疏水化改性淀粉的制備

參考Song等[16]的方法并略作修改。準確稱取60 g淀粉(干基)分散于140 mL蒸餾水中，反應溫度35 ℃，用3%的NaOH溶液調節體系維持在pH 8.5。然后逐滴加入用無水乙醇稀釋的辛烯基琥珀酸酐(淀粉干基的5%)，2 h內加完，繼續反應3 h。反應結束后用3% HCl調至pH 6.5，離心棄上清液，沉淀物分別用蒸餾水和70%乙醇離心洗滌2次，40 ℃烘箱中干燥24 h得到OS-淀粉。

1.3.3 取代度的測定

取代度(Degree of substitution, DS)的測定采用滴定法。參考Song等[13]方法進行測定，計算公式為：

式中：A為消耗NaOH標準溶液的體積/mL；M為NaOH標準溶液的濃度/mol/L；W為樣品的質量/g。

1.3.4 傅里葉紅外光譜的測定

將淀粉樣品與KBr混合研磨并壓片，在400～4 000 cm-1波長范圍內掃描。

1.3.5 粒徑的測定

采用激光粒度分析儀測定淀粉微粒和乳狀液的粒徑。以蒸餾水為介質，攪拌速率為900 r/min，循環泵速率為1 500 r/min。

1.3.6 掃描電鏡觀察淀粉的形態

將樣品均勻分散固定于導電膠上并進行噴金處理，在2 000倍下觀察淀粉結構并拍照。

1.3.7 乳狀液的制備

準確稱取不同質量的淀粉并分散于蒸餾水中，加入33%(相對于整個體系)葵花籽油，用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min，分別得到質量分數為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的改性大米淀粉和改性莧菜籽淀粉穩定的乳狀液。制備不同油相濃度乳狀液時，固定淀粉加入量，分別加入25%、33%、50%、67%、75%的葵花籽油，用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min。

1.3.8 乳狀液穩定性的表征

參考Song等[14]的方法并略作修改。將乳狀液分裝于25 mL帶刻度試管中，分別在6 h和1、7、14 d觀察乳狀液中析出水的體積，在4個月時拍照記錄乳狀液穩定情況。

1.3.9 乳狀液微觀結構觀察

采用激光共聚焦顯微鏡觀察乳狀液的微觀結構。取一滴乳狀液于帶凹槽的載玻片上，滴加混合染料并蓋上蓋玻片，然后在488、633 nm的激發波長下掃描采集圖像。混合染料由異丙醇溶解的尼羅紅(0.01%)和超純水溶解的尼羅藍(0.01%)進行等體積混合而得到。

1.3.10 乳狀液流變特性的測定

采用流變儀進行測定，測定項目包括靜態流動掃描和動態振蕩掃描，靜態流動掃描的剪切速率為0.01 ～ 1 001/s。動態振蕩掃描實驗之前，先對乳狀液樣品進行振蕩振幅掃描以確定線性黏彈區。實驗參數：頻率為1.0 Hz、振幅應變為0.01%～10%。振蕩頻率掃描時設置振幅應變為0.1%，頻率為10.0～0.01 Hz，從高頻率向低頻率掃描。進行上述實驗均設定環境溫度為25 ℃，使用的平板夾具直徑為40 mm，平板間距設置為1 000 μm，樣品裝載后靜止2.0 min，待樣品回復后再進行測試。

1.3.11 數據處理

數據平行測定3次，采用Origin 2018作圖；用SPSS19.0軟件Duncan′s多重比較進行方差分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 淀粉的理化性質

由表1知，大米改性淀粉和莧菜籽改性淀粉的取代度分別為0.024和0.026。大米原淀粉粒徑范圍為3.70～11.89 μm，改性之后粒徑變化不大。與大米淀粉比較，莧菜籽淀粉具有較小的D10、D50、D90和Dav，其粒徑范圍為0.83 ～ 2.21 μm，改性之后粒徑為1.17～7.72 μm，略有增加，這是因為OSA疏水化改性主要發生在淀粉顆粒表面，莧菜籽淀粉由于顆粒較小，改性之后易于聚集。

表1 大米淀粉和莧菜籽淀粉的粒徑分布

2.2 原淀粉和改性淀粉的紅外光譜圖

圖1 原淀粉和改性淀粉的紅外光譜圖

2.3 淀粉的掃描電鏡分析

由圖2知，OS-莧菜籽淀粉比OS-大米淀粉顆粒小，與表1結果一致。疏水化改性之后，淀粉顆粒表面光滑，個別淀粉表面出現孔洞，但顆粒完整，淀粉的顆粒結構沒有被破壞。這是由于辛烯基琥珀酸酐在水中溶解性較低，酯化反應主要發生在淀粉顆粒表面，而不破壞淀粉的顆粒結構[17]。因此，疏水化改性之后的淀粉可以作為顆粒乳化劑。

圖2 淀粉的掃描電鏡圖

2.4 不同淀粉濃度對乳狀液穩定性的影響

不同淀粉濃度對乳狀液穩定性的影響見表2，隨著OS-大米淀粉和OS-莧菜籽淀粉濃度的增加，乳狀液穩定性增強，在淀粉質量分數為0.5%時，OS-大米淀粉不足以穩定乳狀液，有油滴析出，因為體系中油不能完全被淀粉包裹。而OS-莧菜籽淀粉在0.5%～4.0%范圍內均能穩定乳狀液，并且顯示出比大米改性淀粉更好的乳化能力。由表3知，隨著淀粉濃度的增加，乳狀液液滴粒徑減小，且OS-大米淀粉穩定的乳狀液的平均粒徑變化幅度比OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的粒徑大。

表2 不同淀粉濃度對Pickering乳狀液穩定性的影響

表3 不同淀粉濃度對Pickering乳狀液液滴粒徑的影響

2.5 不同油濃度對乳狀液穩定性的影響

不同油濃度對乳狀液穩定性的影響見表 4，隨油相濃度的增加，乳狀液中析水體積減少；油相濃度相同的乳狀液，在放置相同時間后，OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液均比OS-大米淀粉穩定的乳狀液析出的水量少。由表5可知，當油相質量分數為25%、33%時，OS-大米淀粉穩定的乳狀液和OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的Dav變化范圍為77.77～83.01 μm；油相濃度繼續增加時，OS-大米淀粉穩定的乳狀液粒徑顯著增加，但OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的粒徑變化不大。可能因為莧菜籽改性淀粉顆粒較小，乳狀液的穩定性更好[18]。

表4 不同油濃度對Pickering乳狀液穩定性的影響

表5 不同油濃度對Pickering乳狀液液滴粒徑的影響

2.6 乳狀液的微觀結構

為4.0%疏水化改性淀粉微粒穩定的乳狀液的微觀結構，淀粉微粒吸附于油水界面，阻止油滴的聚集，并且由于OS-莧菜籽淀粉具有較小的顆粒，比OS-大米淀粉吸附層更均勻和致密。從微觀上解釋了大米改性淀粉和莧菜籽改性淀粉穩定的乳狀液性能存在的差異。

圖3 乳狀液CLSM微觀結構圖

2.7 乳狀液的流變學特性

由圖4可見，隨著剪切速率在0.01～100 1/s范圍的增加，2種改性淀粉穩定的乳狀液的黏度先迅速減少，然后趨于平穩，表現出剪切稀化行為，這表明淀粉微粒穩定的Pickering乳狀液屬于假塑性流體[13,19]。乳狀液中液滴的大小、連續相黏度及組成等都將影響乳狀液的流變學特性，OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液比OS-大米淀粉穩定的乳狀液的黏度大，這可能是由于同體積乳狀液中，OS-莧菜籽淀粉比OS-大米淀粉的數目更多，故黏度更大。

注：淀粉質量分數4.0%，油相質量分數50%。圖4 乳狀液的靜態剪切流變圖

由圖5可見，在0.01～10 Hz范圍內改變振蕩頻率，OS-大米淀粉和OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)均不變，表現出良好的穩定性。OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的G′比OS-大米淀粉穩定的乳狀液的高，這是由于OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液液滴的包裹率更高，故其抗形變的能力更強。OS-大米淀粉和OS-莧菜淀粉穩定的乳狀液的Tan δ值(Tan δ= G″/ G′)均小于1，這說明2種改性淀粉乳狀液體系均表現有類似膠體的行為[13]。OS-莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的Tan δ值比OS-大米淀粉穩定的乳狀液的Tan δ值更低，這可能與2種淀粉的顆粒結構及乳狀液液滴的大小有關。

注：淀粉質量分數4.0%，油相質量分數50%。圖5 乳狀液的振蕩頻率掃描圖

3 結論

比較了辛烯基琥珀酸酐疏水化改性大米淀粉和莧菜籽淀粉微粒穩定的Pickering乳狀液的性質。在相同制備條件下，改性莧菜籽淀粉穩定的Pickering乳狀液具有更好的穩定性。疏水化改性淀粉微粒均勻包裹于油滴表面，阻止油滴的聚集，穩定乳狀液體系。2種淀粉微粒穩定的Pickering乳狀液均表現出剪切稀化行為，且剪切過程中改性莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的黏度比改性大米淀粉穩定的乳狀液的大。2種淀粉微粒穩定的乳狀液的Tan δ值均小于1，表現有類似膠體的行為，且改性莧菜籽淀粉穩定的乳狀液的G′更高、Tan δ更小。