辛烯基琥珀酸淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定Pickering乳液及其乳化性分析

韓墨，于化鵬，彭羽，吳修利

（長春大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130022）

乳液是由油相、水相和乳化劑構(gòu)成的熱不穩(wěn)定體系，乳化劑因具有乳化、穩(wěn)定、增容等作用，在穩(wěn)定乳液中具有重要的作用[1]。Pickering乳液是把傳統(tǒng)乳化劑替換為固體顆粒穩(wěn)定乳液體系的一種新型乳液[2-3]。因具有界面穩(wěn)定性高、抗奧氏熟化等特殊性能被廣泛應用在醫(yī)藥、食品和化妝品等領域[4-6]。

目前多糖和蛋白質(zhì)常被作為食品級顆粒來穩(wěn)定乳液體系，為使乳液更加穩(wěn)定，通常采用改性方式提高天然顆粒的兩相潤濕性[7]。淀粉是一種含有較多羥基、親水性較強的多糖，經(jīng)辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）改性后引入辛烯基而具有一定的兩親性。陸蘭芳等[8]將OSA對小米淀粉進行改性，采用辛烯基琥珀酸小米淀粉酯制備Pickering乳液，比較了淀粉酯的取代度、顆粒濃度、油相比等因素對Pickering乳液乳化性的影響。錢鑫等[9]將蠟質(zhì)玉米淀粉經(jīng)OSA改性制備穩(wěn)定的Pickering乳液，并對輔酶Q10進行包埋，發(fā)現(xiàn)經(jīng)包埋輔酶Q10的Pickering乳液更有利于輔酶Q10的透皮運輸。

納米顆粒具有不同于微觀粒子和宏觀物質(zhì)的性質(zhì)，因其具有安全無毒、可生物降解、生物相容性好等優(yōu)良性質(zhì)被廣泛應用于食品、藥品、化妝品、生物及化工等領域[10]。納米顆粒可代替有害表面活性劑來穩(wěn)定乳液，Li等[11]以水為水相、石蠟為油相，研究發(fā)現(xiàn)僅用質(zhì)量分數(shù)為0.02%的淀粉納米顆粒即可穩(wěn)定乳液，乳液在兩個月后沒有出現(xiàn)油滴聚集現(xiàn)象。近年來，雙親納米顆粒及其穩(wěn)定乳液時所形成的界面體系受到廣泛關注[12]。

本研究以辛烯基琥珀酸玉米淀粉酯納米顆粒為原料，以提高Pickering乳液的穩(wěn)定性，探討淀粉酯取代度、淀粉酯納米顆粒濃度、油水體積比等因素對乳液穩(wěn)定性的影響，為Pickering乳液的制備提供一種簡易、可行的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉：吉林中糧生化能源銷售有限公司；辛烯基琥珀酸酐：上海瑞永生物科技有限公司；金龍魚玉米油：嘉里糧油（天津）有限公司；95%乙醇：吉林省新天龍實業(yè)股份有限公司；無水Na2CO3、鹽酸、氫氧化鈉、硝酸銀：北京化工廠；本試驗所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JSM-6510LA型掃描電子顯微鏡：日本島津公司；CKX53型倒置顯微鏡：日本奧林巴斯株式會社；JJ-1BA型攪拌器、GF-1型高速剪切機：常州潤華電器有限公司；Mastersizer 2000粒度分析儀：英國馬爾文公司。

1.3 方法

1.3.1 辛烯基琥珀酸淀粉酯制備及取代度（degree of substitution，DS）檢測

將一定質(zhì)量的無水Na2CO3溶解在2 mL去離子水中，與20.0 g玉米淀粉混合均勻后過40目篩，靜置10 min。加入經(jīng)95%乙醇稀釋后的辛烯基琥珀酸酐并混勻，過40目篩后放置烘烤箱內(nèi)，在一定溫度下反應相應時間，反應結(jié)束后取出，待冷卻至室溫（25℃）時過100目篩。反復洗滌并烘干，過100目篩即得樣品[13]。

稱取烘干至恒重的樣品5.0 g，置于250 mL燒杯內(nèi)，用5 mL 95%乙醇潤濕后加入25 mL鹽酸-乙醇溶液，磁力攪拌30 min后加入100 mL 95%乙醇溶液，繼續(xù)磁力攪拌10 min，抽濾。用95%乙醇淋洗濾渣去除Cl-并液淋洗布氏漏斗，將濾渣與洗液轉(zhuǎn)移至500 mL燒杯中，加去離子水至300 mL，沸水浴10 min并持續(xù)攪拌。趁熱用0.1 mol/L NaOH滴定至溶液變?yōu)榈凵ㄒ苑犹獮橹甘緞味〞r所消耗的NaOH體積記為V[13]。辛烯基琥珀酸淀粉酯DS計算公式如下。

式中：C為 NaOH濃度，mol/L；V為滴定消耗NaOH體積，mL；W為樣品質(zhì)量，g；162.4為葡萄糖單位的相對分子質(zhì)量；210為辛烯基琥珀酸酐的相對分子質(zhì)量。

1.3.2 辛烯基琥珀酸淀粉酯納米顆粒制備

參考白霞[15]方法并做適當修改。將3%辛烯基琥珀酸淀粉酯 （DS 分別為 0、4.026 2×10-3、4.830 0×10-3、5.4596×10-3、6.1416×10-3）懸濁液置于沸水浴中，60 r/min攪拌1 h后冷卻至室溫（25℃）并滴加至5倍體積的95%乙醇中，200 r/min持續(xù)攪拌20 min，3 500 r/min離心5 min，棄上清液，95%乙醇清洗沉淀兩遍，凍干，得辛烯基琥珀酸淀粉酯納米顆粒（簡稱淀粉酯納米顆粒）。

1.3.3 掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）分析

測試前將樣品50℃烘干至恒重，少量樣品固定在導電膠上，真空鍍金處理后置于掃描電子顯微鏡樣品室中，對樣品進行觀察并拍照[16]。

1.3.4 Pickering乳液制備

將一定量淀粉酯納米顆粒（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）分散于10 mL去離子水中，用高速剪切機以15 000 r/min處理30 s，配成一定濃度的淀粉酯納米顆粒分散液，然后按一定油水體積比加入玉米油（1∶5、2 ∶5、3 ∶5、4 ∶5、5 ∶5），再次用高速剪切機對混合物以20 000 r/min處理，分兩次進行，每次20 s，間隔1 min，即得Pickering乳液[13]。

1.3.5 Pickering乳液乳化指數(shù)的測定

參考陸蘭芳等[8]方法并做適當修改。將乳液轉(zhuǎn)移至10 mL拇指瓶中，于25℃環(huán)境下靜置不同時間后對樣品乳液進行觀察。乳化指數(shù)（emulsion index，EI）計算公式如下。

式中：He為乳液乳化層高度，mm；H為乳液總高度，mm。

1.3.6 Pickering乳液光學顯微鏡檢測

乳液靜置1 d后，取20 μL乳液樣品滴在載玻片上，采用倒置顯微鏡觀察乳液結(jié)構(gòu)并拍照（目鏡10×，物鏡 20×）。

1.3.7 Pickering乳液乳滴粒徑的測定

樣品用去離子水稀釋到質(zhì)量濃度為1×10-4g/mL。測試參數(shù)：溫度為25℃，水折射率為1.330，在0.1 μm～20 000 μm 粒徑范圍內(nèi)測定[6]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本研究試驗均重復測定3次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉酯納米顆粒形貌分析

辛烯基琥珀酸淀粉酯及淀粉酯納米顆粒掃描電鏡圖及不同乳化劑穩(wěn)定的Pickering乳液直觀形態(tài)圖見圖1。

圖1 淀粉酯和淀粉酯納米顆粒掃描電鏡圖及不同乳化劑穩(wěn)定的Pickering乳液直觀形態(tài)圖Fig.1 SEM of starch este，starch ester nanoparticles and morphology of Pickering emulsion stabilized from different emulsifiers

由圖1可知，淀粉酯形態(tài)特征和玉米原淀粉一樣多為圓形和多角形，無明顯變化，粒徑范圍4μm～22μm，而納米顆粒呈球形和不規(guī)則粒子團聚形態(tài)，淀粉酯納米顆粒粒徑介于40 nm～202 nm之間。圖1C為玉米淀粉及DS為6.141 6×10-3的淀粉酯非納米化和納米化穩(wěn)定的Pickering乳液直觀形態(tài)圖，從圖1C可知以淀粉酯納米顆粒做為乳化劑穩(wěn)定的乳液乳化性最佳，這是因為在同等濃度下的乳液中含有更多小尺寸的淀粉酯納米顆粒，包裹在油滴表面從而阻隔油滴間相互聚集，形成液滴粒徑更小、穩(wěn)定性更好的乳液。

2.2 不同因素對乳液穩(wěn)定性影響

2.2.1 取代度對乳液穩(wěn)定性影響

選取顆粒濃度為1%，油水體積比為5∶5，按照1.3.4方法制備乳液，不同取代度淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定的乳液靜置1 d后平均粒徑（Dav）及靜置不同時間乳化指數(shù)如表1所示。

由表1可知，不同取代度淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定的Pickering乳液靜置一段時間后乳化指數(shù)均出現(xiàn)一定程度的降低。原淀粉納米顆粒制備的乳液靜置7 d后乳化指數(shù)下降到26.32%，經(jīng)改性后的淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定的乳液乳化指數(shù)均有一定程度上升，并隨著取代度增大而增大。乳液粒徑隨著淀粉酯納米顆粒取代度的增大而減小。Wang等[17]在研究OSA改性玉米淀粉和馬鈴薯淀粉球穩(wěn)定Pickering乳液時，也得到類似結(jié)果，并表明OSA改性后淀粉球制備Pickering乳液更加穩(wěn)定。

表1 不同取代度淀粉酯納米顆粒對Pickering乳液乳化指數(shù)及粒徑的影響Table 1 Effect of the substitution degree of starch ester nanoparticles on emulsion index and particle size of Pickering emulsion

取代度對Pickering乳液穩(wěn)定性影響直觀形態(tài)圖見圖2。

圖2 取代度對Pickering乳液穩(wěn)定性影響直觀形態(tài)圖Fig.2 Effect of morphology of emulsion stabilized from substitution degree

從圖2樣品1可以看出原淀粉納米顆粒雖也可以穩(wěn)定乳液，但乳化效果不好，放置7 d后油相大量析出。樣品2～5可以看出，淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定乳液的程度隨取代度的增加而增加，這是因為隨淀粉酯化程度增加，淀粉酯納米顆粒兩親性增強，更利于穩(wěn)定乳液。圖中乳液下層為水層，Shao等[18]認為這種現(xiàn)象并不是相分離，而是因為乳液體系中沒有足夠的淀粉酯納米顆粒來穩(wěn)定油水界面，少量乳液液滴被穩(wěn)定，多余的水相在重力作用下與乳液分層，并在研究芋頭淀粉穩(wěn)定Pickering乳液對茶多酚包埋時也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。

圖3為不同取代度淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定Pickering乳液的光學顯微鏡圖。

圖3 不同取代度淀粉酯納米顆粒穩(wěn)定Pickering乳液的光學顯微鏡圖Fig.3 Optical microscopic images of Pickering emulsionss stabilized with different substitution degree

從圖3可以看出乳液液滴完整，呈規(guī)則的圓球狀[6]，液滴大小隨著取代度的增加而減小，這一現(xiàn)象與粒徑檢測結(jié)果一致。原淀粉顆粒不能很好地穩(wěn)定油水界面，隨著改性程度的增強，吸附在油滴表面的淀粉酯顆粒數(shù)量增多[19]，這是因為OSA疏水基團的引入會增強淀粉酯顆粒的疏水性和表面潤濕性，使其聚集在水油界面的能力增強，阻止油滴間的相互聚集從而更好地穩(wěn)定乳液。本研究與吳媛莉等[20]以OSA籽粒莧淀粉酯穩(wěn)定Pickering乳液研究中不同取代度對穩(wěn)定性影響趨勢相同。

2.2.2 油水體積比對乳液穩(wěn)定性影響

選取淀粉酯納米顆粒取代度6.141 6×10-3，顆粒濃度為1%納米顆粒制備乳液，不同油水體積比對乳液乳化指數(shù)、粒徑的影響見表2，靜置7 d后乳液直觀形態(tài)圖如圖4所示。

表2 不同油水體積比對Pickering乳液乳化指數(shù)、粒徑的影響Table 2 Effect of oil-water volume ratio on emulsion index and particle size of Pickering emulsion

圖4 油水體積比對Pickering乳液穩(wěn)定性影響直觀形態(tài)圖Fig.4 Effect of morphology of emulsion stabilized from oil-water volume ratio

從表2可以看出，隨著靜置時間的延長，相同油水體積比乳液乳化指數(shù)均有一定程度下降，隨著油水體積比的增大，相同靜置時間條件下乳化指數(shù)增加，乳液粒徑變化趨勢與之相同。從圖4可以看出乳液乳化層高度隨油水體積比的增大而增高，乳液靜置7 d后仍表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖5為不同油水體積比穩(wěn)定的Pickering乳液光學顯微鏡圖。

圖5 不同油水體積比穩(wěn)定Pickering乳液光學顯微鏡圖Fig.5 Optical microscopic images of Pickering emulsionss stabilized with different oil-water volume ratio

由圖5可知，乳液液滴的大小隨著油水體積比的增加而增大。這是因為油水體積比的增加，使過飽和的淀粉酯納米顆粒得到更充分的利用，淀粉酯納米顆粒會附著更多的油相來形成穩(wěn)定的乳液[20]，導致乳液乳化指數(shù)增大；單位界面膜上的淀粉酯納米顆粒濃度會因為乳液體系中油水體積比的增加而減小，從而比表面積降低。體系在高速剪切條件下通過增大液滴體積來完成乳化作用[2]，即乳液粒徑變大，Song等[21]在以OSA改性大米淀粉酯為乳化劑制備Pickering乳液研究中也觀察到乳液粒徑變大現(xiàn)象。

2.2.3 顆粒濃度對乳液穩(wěn)定性影響

衡量乳液穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一是顆粒濃度，選取淀粉酯納米顆粒取代度6.141 6×10-3，油水體積比5∶5，改變淀粉酯納米顆粒濃度制備乳液，乳液乳化指數(shù)、粒徑值和靜置7 d后乳液直觀形態(tài)圖如表3、圖6所示。

表3 不同顆粒濃度對Pickering乳液乳化指數(shù)、粒徑的影響Table 3 Effect of granule concentration on emulsion index and particle size of Pickering emulsion

從圖6可以看出，隨著淀粉酯納米顆粒濃度從1.0%增加到3.0%，乳液乳化層體積增大。從表3可以看出乳液乳化指數(shù)隨著顆粒濃度的增加而增大，乳液粒徑呈相反趨勢。這是由于淀粉酯納米顆粒濃度的增加會引起水相黏度的增加，增大了淀粉酯納米顆粒疏水基團與油滴間的作用力。此外，乳液液滴的有效密度會因為淀粉酯納米顆粒在油滴表面的吸附而增加，從而減小了乳液液滴與連續(xù)相的密度差[22]。但乳化層體積不變，導致乳液液滴粒徑減小，而后趨于穩(wěn)定。ESTRADA-FERNáNDEZ等[23]以OSA菊芋淀粉為乳化劑穩(wěn)定Pickering乳液時也發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)律。

圖6 顆粒濃度對Pickering乳液穩(wěn)定性影響直觀形態(tài)圖Fig.6 Effect of morphology of emulsion stabilized from granule concentration

圖7為不同顆粒濃度穩(wěn)定的Pickering乳液光學顯微鏡圖。

圖7 不同顆粒濃度穩(wěn)定Pickering乳液光學顯微鏡圖Fig.7 Optical microscopic images of Pickering emulsionss stabilized with different particle concentration

由圖7可以看出，隨著淀粉酯納米顆粒濃度的增加，乳液液滴減小，尺寸更加均勻，圖6顯示乳化層體積隨著顆粒濃度的增加而增大，乳液更加穩(wěn)定。顆粒濃度的增大可以為體系中更多的淀粉酯納米顆粒附著在油水界面提供可能，從而導致界面張力降低，乳化更容易進行，所以乳化指數(shù)增大；更多的淀粉酯納米顆粒在油滴表面附著導致被包裹的油滴表面積增加，在乳化同比例油相時乳液粒徑逐漸減小[24]，這一結(jié)果與粒徑檢測結(jié)果一致。

3 結(jié)論

采用辛烯基琥珀酸淀粉酯納米顆粒為乳化劑制備Pickering乳液，相較于原淀粉、原淀粉納米顆粒、辛烯基琥破酸淀粉酯，淀粉酯納米顆粒制備的Pickering乳液穩(wěn)定性最佳。Pickering乳液的穩(wěn)定性受淀粉酯納米顆粒取代度、油水體積比和顆粒濃度的影響。乳液乳化指數(shù)隨著淀粉酯納米顆粒取代度的增大而增大，乳液粒徑呈相反變化趨勢。當體系油水體積比從1∶5增加至5∶5時，乳液乳化指數(shù)與乳液粒徑均隨之增大。當顆粒濃度從1.0%增大到3.0%時，乳液乳化指數(shù)呈上升趨勢，乳液粒徑與之相反。微觀結(jié)構(gòu)顯示乳液液滴完整，呈規(guī)則的球形，且乳液液滴大小與乳液粒徑變化趨勢一致。當?shù)矸埘ゼ{米顆粒取代度為6.141 6×10-3、油水體積比為1∶1、顆粒濃度為3%時能夠制備出乳化性較好的Pickering乳液。