淀粉微球氣凝膠的制備及吸附性能與形態(tài)研究

謝 靜，黃靚澳，曹雅琪，劉 睿，魯 群，丁士勇

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

氣凝膠具有質(zhì)量輕、比表面積高、生物相容性好等特點(diǎn)，對其定義尚不明確，普遍認(rèn)為氣凝膠是利用干燥手段使氣體代替三維網(wǎng)絡(luò)中的液體，得到吸附力高、密度低、孔隙率高的固體材料，可運(yùn)用于熱絕緣材料、載體材料、填料以及過濾器中，是近年研究熱點(diǎn)之一[1,2]。有機(jī)氣凝膠是氣凝膠中重要組成部分，目前的研究分布在以多糖為原材料制備的氣凝膠，纖維素、果膠、殼聚糖等都有報(bào)道[3]，以多糖為原料制備的氣凝膠也被證明具有生物降解性好、藥物負(fù)載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

淀粉是一種低成本、來源廣的氣凝膠制備原料，可通過糊化回生形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。木薯廣泛生長于熱帶及亞熱帶地區(qū)，木薯淀粉具有適當(dāng)直支比，無異味且凍融穩(wěn)定性好，黏度高且穩(wěn)定，是淀粉基氣凝膠制備的優(yōu)良原料[4]。淀粉基氣凝膠具有孔隙多、比表面積高、生物相容性好、降解性好等特點(diǎn)，Garcia-Gonzalez等[5]利用乳液-凝膠法制備微球粒徑在215～1 226 μm范圍內(nèi)玉米淀粉微球氣凝膠。Ubeyitogullari等[6]利用超臨界CO2制備干燥技術(shù)制備小麥淀粉塊狀氣凝膠，并優(yōu)化氣凝膠比表面積可達(dá)59.7 m2/g，為淀粉基氣凝膠的開發(fā)利用提供方向。

淀粉基氣凝膠的研究多集中在塊狀氣凝膠，而淀粉微球氣凝膠的制備更為復(fù)雜[7]，微球氣凝膠在食品藥品中的應(yīng)用更為廣泛，具有研究前景[8]。淀粉微球氣凝膠制備工藝可分為乳液法、噴霧法兩大類[9,10]，其中乳液法制備淀粉微球氣凝膠更易降解及均勻[11]，本研究在進(jìn)行淀粉微球氣凝膠制備時(shí)采用的是乳液-凝膠法[12]。加工參數(shù)及干燥方法等，對淀粉微球氣凝膠的制備、特性影響很大[13]。為探究加工參數(shù)對淀粉微球氣凝膠的吸附能力影響，本研究以其對亞甲基藍(lán)的吸附力作為評價(jià)指標(biāo)[14]，分析微球氣凝膠制備參數(shù)，以響應(yīng)面法優(yōu)化工藝，以推動(dòng)淀粉微球氣凝膠的高效制備及功能提升。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉(食品級)、大豆油(精煉一級)、亞甲基藍(lán)(生物染色劑)、無水乙醇(分析級)、失水山梨醇油酸酯(司班80，化學(xué)純)。

SHJ-4AB磁力攪拌水浴鍋，TD-5A離心機(jī)，LGJ-18冷凍干燥機(jī)，SHZ-82恒溫振蕩器，UV-1800紫外分光光度計(jì)，APA2000激光顆粒度分布儀，JSM-6390LV生物掃描電子顯微鏡。

1.2 淀粉微球氣凝膠制備工藝流程

依據(jù)Garcia-Gonzalez等[5]玉米淀粉微球氣凝膠制備及實(shí)驗(yàn)條件對工藝流程進(jìn)行簡化，圖1為制備流程圖，包括淀粉的糊化、乳化、回生、乙醇洗滌、冷凍干燥5個(gè)步驟。

圖1 淀粉微球氣凝膠制備流程圖

利用乳液-凝膠法制備淀粉微球氣凝膠，第1階段為乳液形成，首先需進(jìn)行淀粉乳液的調(diào)配，將淀粉和水在磁力攪拌水浴鍋(30 ℃、500 r/min)中攪拌10 min，形成淀粉分散液[14]。其次是油乳比的調(diào)配，在磁力攪拌水浴鍋中將乳化劑和油在60 ℃、1 400 r/min條件攪拌5 min,使乳化劑在油中分散均勻，將淀粉分散液緩慢倒入，形成油包水體系[15,16]。第2階段為淀粉糊化、回生，加熱乳化體系，使淀粉糊化?；厣菍⒑矸鄯旁诒?4 ℃)中冷藏 24 h，淀粉在回生時(shí)會(huì)伴隨著結(jié)構(gòu)重組和部分重結(jié)晶，形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[17]。第3階段為洗滌及溶劑交換，待回生結(jié)束后，利用高速離心機(jī)(5 500 r/min,18 min)進(jìn)行油乳分離，再通過五步溶劑交換法對其進(jìn)行洗滌及溶劑交換[18]，五步溶劑交換法是利用30%、50%、70%、100%乙醇中各浸泡1 h,再在100%乙醇溶劑中浸泡24 h,讓凝膠中的水分脫去，使其在干燥后組織結(jié)構(gòu)更加明顯[19]。第4階段為干燥階段，干燥手段會(huì)對氣凝膠的形態(tài)產(chǎn)生影響[20]，本研究在進(jìn)行氣凝膠干燥時(shí)采用冷凍干燥(0.2 MPa,48 h)。

1.3 淀粉微球氣凝膠制備工藝單因素實(shí)驗(yàn)

探討乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%、7.5%、10%、12.5%、15%)、加熱溫度(55、70、85、100、121 ℃)、加熱時(shí)間(30、60、90、120、150 min)及油乳比[5](1∶1、2∶1、3∶1)對微球氣凝膠吸附能力的影響。稱取一定含量的淀粉，調(diào)配成不同濃度的淀粉乳液，混勻，稱取一定量的花生油，加入乳化劑(司班80)3%混合，控制不同的加熱溫度及糊化時(shí)間，乳液形成之后，冷卻至室溫，冰箱(4 ℃)冷藏24 h，離心(5 500 r/min，15 min)，取出顆粒，浸泡在無水乙醇中進(jìn)行清洗及溶劑交換，反復(fù)5次，待結(jié)束后冷凍干燥(0.2 MPa,48 h)，利用研缽進(jìn)行研磨，過100目篩，得淀粉微球氣凝膠。

1.4 響應(yīng)面優(yōu)化淀粉微球吸附性能

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，按照 Box-Behnken 設(shè)計(jì)原理，選擇加熱時(shí)間(30、60、90 min)、加熱溫度(70、85、100 ℃)、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%、10%、15%)為自變量，以淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍(lán)的吸附量為響應(yīng)值，利用 Design-Expert 8.0.5 軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面分析優(yōu)化制備條件。

1.5 淀粉微球氣凝膠亞甲基藍(lán)吸附實(shí)驗(yàn)

亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：配制濃度為0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006 mg/mL的亞甲基藍(lán)溶液。在紫外分光光度計(jì)664 nm波長下測其吸光值，并以濃度為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[21,22]。根據(jù)紫外分光光度計(jì)測量結(jié)果，得到擬合曲線y=167.53x-0.018 6(R2=0.999 4)。

淀粉微球氣凝膠吸附力測定：取25 mL 0.004 mg/mL亞甲基藍(lán)于錐形瓶中，加入0.03 g淀粉微球氣凝膠樣品，進(jìn)行振蕩24 h，利用0.45 μm的微孔濾膜進(jìn)行過濾，取濾液測吸光值。吸光值計(jì)算公式為：

式中：q為吸附量/mg/g;C原為未吸附前亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度/mg/mL;C吸為吸附后亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度/mg/mL；V為亞甲基藍(lán)體積/mL;M為淀粉微球氣凝膠的質(zhì)量/g。

1.6 粒度分布測量

利用APA2000激光顆粒度分布儀進(jìn)行粒度分布測量，利用液體進(jìn)樣法測定粒徑，稱量0.2 g樣品放入離心管中，加入5 mL無水乙醇進(jìn)行分散，將其加入樣品池中進(jìn)樣測量，樣品池?cái)嚢杷俣葹? 000 r/min，測定淀粉樣品折射率為1.52。

1.7 掃描電鏡分析

利用JSM-6390LV生物掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行形態(tài)表征，取適量樣品在樣品盤上，并在20 mA下進(jìn)行離子濺射噴金，噴金時(shí)間5 min，在15 kV下進(jìn)行不同倍數(shù)的淀粉微球氣凝膠形態(tài)觀察。

1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，利用IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯著性分析，利用Origin2018 64Bit進(jìn)行單因素繪圖。Design-Expert 10軟件設(shè)計(jì)組合實(shí)驗(yàn)及繪制響應(yīng)面圖形，并利用軟件中Box-Behnken 組合對響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將加熱溫度設(shè)定為100 ℃、油乳比設(shè)定為1∶1、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為15%，考察不同加熱時(shí)間下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍(lán)吸附能力的影響，結(jié)果見圖2。不同加熱時(shí)間對淀粉微球氣凝膠吸附亞甲基藍(lán)的能力呈先上升后下降的趨勢，淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍(lán)的吸附能力顯著高于原木薯淀粉。淀粉糊化回生后其結(jié)晶度及組織形態(tài)都發(fā)生變化，導(dǎo)致其比表面積、凝沉性、組織結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化[23]，從而影響吸附能力。隨著時(shí)間延長，直鏈淀粉會(huì)溶出，在回生時(shí)影響凝膠形成[24]，從而影響其吸附性能。因此選擇30、60、90 min作為響應(yīng)面優(yōu)化時(shí)間。

注：TS為原木薯淀粉；P<0.05。

將加熱時(shí)間設(shè)定為90 min、油乳比設(shè)定為1∶1、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為15%，考察不同加熱時(shí)間下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍(lán)吸附能力的影響。由圖2可見，不同加熱溫度對淀粉基氣凝膠的吸附量有影響，淀粉微球氣凝膠吸附力變化可以概括為3個(gè)階段，這3個(gè)階段同淀粉在不同加熱溫度下呈現(xiàn)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)變化相聯(lián)系[25]：55 ℃下淀粉微球氣凝膠吸附力和原淀粉相比沒有顯著性差異，由于加熱溫度并沒有達(dá)到淀粉糊化溫度，淀粉未發(fā)生淀粉溶出，組織結(jié)構(gòu)及性能的改變，使其吸附力沒有顯著性變化。隨著溫度的升高，淀粉發(fā)生明顯的吸水膨脹，使淀粉微球氣凝膠組織結(jié)構(gòu)松軟，比表面積增大，吸附力發(fā)生顯著提升。100 ℃及以上為淀粉崩解階段，淀粉出現(xiàn)崩解，直鏈淀粉溶出，支鏈淀粉斷裂，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，影響凝膠結(jié)構(gòu)的形成，使氣凝膠吸附力呈現(xiàn)下降趨勢，但是高溫條件下吸附力呈平緩趨勢。根據(jù)吸附力測試結(jié)果，選用70、85、100 ℃作為響應(yīng)面優(yōu)化值。

將加熱時(shí)間設(shè)定為90 min、油乳比設(shè)定為1∶1、加熱溫度設(shè)定為100 ℃，考察不同淀粉乳濃度下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍(lán)吸附能力的影響。圖2表明，不同淀粉乳濃度制備淀粉微球氣凝膠的吸附能力存在差異性，隨著淀粉乳濃度的增加其吸附力呈下降趨勢，淀粉乳濃度影響?zhàn)ざ?，黏度增加使其在油相中的分布受到影響，影響回生階段凝膠結(jié)構(gòu)的形成[26]，從而使其吸附性能受到影響?？紤]淀粉應(yīng)用得率，在進(jìn)行響應(yīng)面分析時(shí)選取5%、10%、15%作為響應(yīng)面優(yōu)化值。

將加熱時(shí)間設(shè)定為90 min、淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為15%、控制加熱溫度為100 ℃，考察不同油乳比下淀粉微球氣凝膠對亞甲基藍(lán)吸附能力的影響。如圖2所示，不同油乳比條件下制備的淀粉微球氣凝膠，對亞甲基藍(lán)的吸附能力沒有顯著性差異。過量油會(huì)使淀粉乳在油相中分布均勻，但該比例下的油相不會(huì)對淀粉微球氣凝膠的形態(tài)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性變化[27]，對吸附力也沒有影響。該因素不做為響應(yīng)面優(yōu)化指標(biāo)，考慮經(jīng)濟(jì)效益及實(shí)驗(yàn)的可行性，因此選用1∶1的油乳比作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果及分析

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表2 回歸模型方差分析

通過三維響應(yīng)面圖和二維等高線圖分析顯示，各因素之間存在一定的交互關(guān)系，從等高線圖中可見其橢圓程度和疏密程度，與模型回歸中的方差分析一致。

由響應(yīng)面軟件分析可得出淀粉微球氣凝膠的最佳預(yù)測工藝為：淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.819%、加熱溫度為85.268 ℃、加熱時(shí)間為89.837 min、吸附量為0.945 mg/g?？紤]實(shí)驗(yàn)的可操作性，調(diào)整最優(yōu)工藝為淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、加熱溫度85 ℃、加熱時(shí)間90 min。

2.2.2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面的最優(yōu)工藝進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，設(shè)定淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、加熱溫度為85 ℃、加熱時(shí)間為90 min，經(jīng)過其對亞甲基藍(lán)吸附能力的測定，得出其吸附量為(0.928±0.008)mg/g，與吸附量預(yù)測值0.945 mg/g接近，符合預(yù)測結(jié)果，驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。

2.3 粒度測量結(jié)果分析

如圖3所示，加熱時(shí)間對淀粉微球氣凝膠粒度分布沒有顯著性影響。加熱溫度對淀粉微球氣凝膠的粒度分布存在顯著影響，加熱溫度達(dá)到淀粉糊化的不同階段時(shí)：吸水膨脹階段、崩解階段，同黃婷[28]研究木薯淀粉糊化過程中顆粒變化一致。淀粉微球氣凝膠的顆粒分布不同。淀粉乳濃度顯著影響微球氣凝膠粒度分布，可能的原因是：淀粉乳濃度影響了糊化體系的黏度，進(jìn)而影響其在油相中分散，使其粒度分布發(fā)生變化，但變化未呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，有待進(jìn)一步研究。

注：TS為原木薯淀粉。

2.4 加熱溫度對淀粉顆粒形態(tài)的影響

由于加熱溫度對吸附力以及粒度分布影響顯著，因此對不同加熱溫度制備的淀粉微球氣凝膠樣品進(jìn)行微觀形態(tài)表征，如圖4掃描電鏡圖所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，淀粉微球氣凝膠的形態(tài)出現(xiàn)明顯變化，100 ℃時(shí)，氣凝膠珊瑚狀表面形成，多孔、粒徑達(dá)到最大，溫度繼續(xù)升高，表面及粒徑穩(wěn)定。從圖4D(d)、圖4E(e)、圖4F(f)中顯示：氣凝膠表面出現(xiàn)凸起，推測可能原因是直鏈淀粉溶出[29]。當(dāng)溫度持續(xù)升高，氣凝膠呈現(xiàn)珊瑚狀，表面出現(xiàn)明顯孔隙，形態(tài)發(fā)生改變。

注：A:TS-800×(TS:原木薯淀粉);B:55 ℃-800×；C:70 ℃-800×;D:85 ℃-800×;E:100 ℃-300×；F:121 ℃-300×；a:TS-5 000×;b: 55 ℃-5 000×; c:70 ℃-5 000×;d:85 ℃-5 000×;e:100 ℃-3 000×；f:121 ℃-3 000×。

3 結(jié)論

研究加熱溫度、加熱時(shí)間、淀粉乳濃度、油乳比對淀粉微球氣凝膠吸附能力的影響，結(jié)果表明淀粉微球氣凝膠吸附力顯著高于原淀粉，且加熱時(shí)間、加熱溫度及淀粉乳含量對微球吸附力影響最大，通過進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，可以得出其最優(yōu)工藝為淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、加熱溫度為85 ℃、加熱時(shí)間為90 min，吸附量為(0.928±0.008)mg/g，較原淀粉相比增長69.8%。不同加熱溫度以及乳液含量所制備的微球氣凝膠粒徑存在差異性，結(jié)合生物掃描電鏡分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，溫度對淀粉微球氣凝膠的粒徑影響最大，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，淀粉微球氣凝膠珊瑚狀表面形成，粒徑穩(wěn)定，吸附性能發(fā)生明顯改變。