疏水淀粉皮克林乳液凝膠的穩定機理及影響因素

郭 璐，黃 亮，張 斌，扶 雄，黃 強

（華南理工大學食品科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

以固體顆粒穩定的皮克林乳液，能對功能物質實現保護、控制釋放等功能[1]。通過添加膠凝劑、改變油相體積分數等手段，可以將皮克林乳液轉化為乳液凝膠[2]。皮克林乳液凝膠具有獨特的三維網絡結構和可調的力學性質，兼具了皮克林乳液和凝膠的優點，如貯存穩定性高、環境污染小、穩定劑使用量少等[3]，具有良好的應用前景，可用于包埋和遞送活性物質[4]、抑制脂肪氧化[5]、新型材料制備[6]等。食品領域中，已有不少研究者利用纖維素、蛋白質、復合顆粒等食品級顆粒制備出皮克林乳液凝膠[7-8]。Dai Lei等[9]利用玉米醇溶蛋白和阿拉伯膠的氫鍵和靜電相互作用，制備了復合膠體納米顆粒，并用其制備出能長期穩定的皮克林乳液凝膠；Zhang Bao等[10]將玉米醇溶蛋白/羧甲基糊精顆粒穩定的皮克林乳液加入卡拉膠基質中，通過共價交聯制備出了皮克林乳液凝膠并用于穩定姜黃素，結果顯示姜黃素的光熱穩定性和生物可及性顯著提高。

淀粉是食品的重要成分之一，通過改性可制備出穩定皮克林乳液凝膠的食品級固體顆粒[11]。此外，淀粉獨特的半結晶結構、糊化等特性為調控乳液凝膠的乳化性和凝膠性提供了更多的可能。目前，對淀粉進行疏水改性[12]、復合其他聚合物[13]、調節環境因素[14]等方式都能有效提高淀粉顆粒的乳化性能。而將淀粉與脂質進行復合是一種綠色安全的淀粉疏水改性手段，可以有效改善淀粉顆粒的疏水性能，是一種極具潛力的皮克林乳化劑[15]。已有研究表明，月桂酸可以在溫度高于熔點的反應體系中進入V型淀粉的單螺旋空腔中形成I型復合物，月桂酸的加入可以有效改善淀粉顆粒的表面性能[16]。Lu Xuanxuan等[17]將高直鏈玉米淀粉與月桂酸復合，并利用該復合物制備了皮克林乳液，所制乳液在不同離子強度和pH值條件下都有一定的穩定性。

食品行業中，皮克林乳液凝膠在包埋遞送活性物質、作為固體脂肪代替物等方面有很大的應用前景，可用于焙烤食品、調味醬料等產品[18]，但這些產品會暴露在不同食品體系和環境中，因此了解不同因素對乳液凝膠的影響十分重要。目前，鮮見不同因素對淀粉-脂質復合物（starch-fatty acid complex，SFAC）穩定的皮克林乳液凝膠影響的研究。環境條件不同會影響SFAC顆粒的結構、性質等，進而影響其乳化行為，改變其吸附于油水界面的能力，影響乳液凝膠網絡結構的穩定性等。

本研究闡述疏水淀粉皮克林乳液凝膠的制備及其穩定性評價；設置不同的環境條件（貯藏溫度、pH值及離子強度），通過微觀觀察、粒徑分析及電位分析等方式探究其對皮克林乳液凝膠的影響，并將其應用于不同油相，為乳液凝膠體系的應用提供一定理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉（直鏈淀粉質量分數23%，食用級）吉林天成玉米開發有限公司；月桂酸（純度≥99%，食用級） 上海凌峰化學試劑有限公司；大豆油、玉米油、葵花籽油、亞麻籽油（均為食用級） 上海益海嘉里食品有限公司；尼羅河紅、尼羅河藍（均為分析純）美國Sigma-Aldrich公司；NaOH、濃鹽酸、NaCl、正己烷（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

BS201S電子分析天平 德國Starorius公司；Silent Crusher M高速剪切機 德國Heidolph公司；BH-2光學顯微鏡 日本Olympus公司；Mastersizer 3000激光粒度儀、Zetasizer Nano ZS納米激光粒度電位儀 英國馬爾文儀器有限公司；SP8激光共聚焦掃描顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM） 德國Leika公司；DF-1018磁力攪拌器 河南予華儀器有限公司；EVO18掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）德國ZEISS公司。

1.3 方法

1.3.1 疏水淀粉納米粒子制備及復合指數測定

參考Huang Liang等[16]的方法制備SFAC。將3 g普通玉米淀粉分散于100 mL蒸餾水中配制3%淀粉分散液，沸水浴加熱1 h，保持攪拌，完全糊化后冷卻至室溫。將2 倍體積的無水乙醇逐滴滴加至上述淀粉糊中，4000 r/min離心10 min。用無水乙醇清洗沉淀3 遍，將沉淀物置于40 ℃烘箱干燥，粉碎后過100 目篩，得到V型淀粉納米粒子。采用干法制備SFAC，稱取一定質量V型淀粉納米粒子，加入淀粉質量分數10%的熔融月桂酸，在60 ℃封閉體系下干法反應48 h，粉碎后過100 目篩，得到SFAC。

參考Jia Xiangze等[19]的方法測定SFAC復合指數。取0.1 g樣品，加入10 mL水，沸水浴下攪拌30 min，冷卻后于3000 r/min離心10 min。取上清液50 μL，加入4 mL I2-KI溶液（0.1% I2和2% KI溶解于100 mL水），振蕩混合后，用紫外分光光度計于690 nm波長下測定吸光度。通過下式計算，得到V型淀粉與月桂酸的復合指數為34.3%。

式中：AV、ASFAC分別為V型淀粉納米粒子和淀粉-月桂酸復合物在690 nm波長下的吸光度。

1.3.2 皮克林乳液凝膠的制備

選取不同種類食用油作為油相：大豆油、玉米油、葵花籽油和亞麻籽油。皮克林乳液凝膠體積為10 mL，SFAC添加量為4 g/100 mL，油相體積分數為50%。加5 mL蒸餾水（水相）于淀粉樣品，磁力攪拌過夜，再加入油相，20000 r/min高速剪切2 min，得到皮克林乳液凝膠。

1.3.3 不同處理后皮克林乳凝膠的制備

將1.3.2節制備的皮克林乳液凝膠分別置于不同溫度（-20、4、25、60 ℃和100 ℃）下處理6 h，得到不同溫度處理后的皮克林乳液凝膠。

配制0.1 mol/L NaOH溶液和0.1 mol/L HCl溶液，制備6 個pH值（pH 3、5、7、9、11和13）梯度的溶液，各取5 mL作水相，按照1.3.2節步驟制備不同pH值處理后的皮克林乳液凝膠。

配制0（對照）、0.1、0.3、0.5、0.7 mol/L和0.9 mol/L 6 個濃度梯度的NaCl溶液，各取5 mL作水相，按照1.3.2節步驟制備不同離子強度處理后的皮克林乳液凝膠。

將油相替換為正己烷，按照1.3.2節步驟制備皮克林乳液凝膠，真空干燥10 h，得到干燥皮克林乳液凝膠[20]。

1.3.4 皮克林乳液凝膠的微觀形態觀察

取少量皮克林乳液凝膠樣品滴于載玻片上，蓋上蓋玻片后，置于光學顯微鏡下觀察并拍照記錄。

取皮克林乳液凝膠0.5 mL，加入100 μL尼羅藍、尼羅紅混合染色劑，混合振蕩，于避光低溫下放置過夜。取一滴滴于載玻片，蓋上蓋玻片后用精油涂抹封邊，置于CLSM下進行觀察。尼羅紅、尼羅藍的熒光激發波長分別為488、633 nm。

1.3.5 皮克林乳液凝膠的粒徑測定

取適量皮克林乳液凝膠樣品放入蒸餾水分散容器中，系統遮光背景強度達到6%～12%時使用激光粒度儀進行測試，得到乳液凝膠粒徑分布曲線和數據。淀粉折光度為1.54，蒸餾水折光度為1.33。

1.3.6 皮克林乳液凝膠的Zeta電位測定

用滴管取少量皮克林乳液凝膠樣品分散于蒸餾水中，將其緩慢注入干凈的樣品池，避免產生氣泡，放入納米激光粒度電位儀中測試樣品的Zeta電位。

1.3.7 皮克林乳液凝膠的SEM測定

用導電膠將上述干燥皮克林乳液凝膠樣品固定于測試臺，真空條件下進行噴金，放入SEM中，加速電壓為10 kV，調節合適的放大倍數進行觀察、拍攝。

1.4 數據分析

所有實驗均重復3 次，通過SPSS 18.0軟件對數據進行差異顯著性分析，并用Excel、Origin 2021軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 貯存溫度對皮克林乳液凝膠穩定的影響

由圖1可知，皮克林乳液凝膠經-20 ℃處理6 h后，乳液結構被破壞，這可能是因為連續相凍結后，冰晶的形成破壞了SFAC形成的界面屏障，解凍之后，SFAC顆粒無法再吸附于油水界面，導致油滴聚集上浮，乳液體系失穩，出現分層。皮克林乳液凝膠經4、25、60 ℃處理后體系穩定，均可維持乳液凝膠網絡結構且具有良好的膠凝性；100 ℃處理后乳液凝膠黏度下降，出現流動性，而光學顯微鏡結果表明乳液結構并未明顯被破壞，靜置降溫后又可重新呈現凝膠狀態，并在貯藏60 d后保持倒置不流動（圖2）。由于SFAC的熔融解旋溫度在105～114 ℃之間[16]，高于100 ℃，這可能是SFAC穩定的乳液凝膠在高溫處理下仍保持結構穩定的原因。高溫處理使得分子間相互作用力減弱，覆蓋在油滴表面的SFAC顆粒之間的交聯作用減弱，降低了整體的凝膠強度，出現流動性。冷卻后，分子間相互作用力恢復，重新形成凝膠，倒置不流動。Li Ruyi等[21]用單寧酸和β-葡聚糖復配穩定的皮克林乳液；Liu Yikun等[22]用辛烯基琥珀酸改性淀粉和單寧酸協同穩定的高內相乳液都有類似現象，當加熱超過60～70 ℃時，由于氫鍵減弱、凝膠強度減弱，冷卻后氫鍵恢復，乳液樣品再次變得凝固。由此可見，本實驗的皮克林乳液凝膠是具有熱可逆性的半固體材料，溫度升高，乳液凝膠變得容易流動，而溫度降低則再次呈現膠凝性，該特性可使乳液凝膠在溫度波動的場景中有潛在應用。如圖2所示，貯藏60 d后，-20 ℃處理后的皮克林乳液凝膠由于乳液結構在水相結冰又解凍后被破壞，油相漏出，體系表觀松散無定形。其余溫度處理后乳液凝膠可倒置，仍表現出良好的凝膠性質。其中4 ℃處理的與室溫處理的乳液凝膠質地、表觀等表現一致，說明適度的低溫處理基本不會影響乳液凝膠的結構和性能。

圖1 不同溫度處理后皮克林乳液凝膠光學顯微鏡圖（A）和CLSM圖（B）Fig.1 Microscope (A) and CLSM images (B) of Pickering emulsion gel treated at different temperatures

圖2 不同溫度處理后新鮮的（A）和貯藏60 d的（B）皮克林乳液凝膠表觀Fig.2 Appearance of fresh (A) and 60-day stored (B) Pickering emulsion gel treated at different temperatures

由圖3可知，以25 ℃常溫處理為對照，高溫處理和低溫處理都明顯增大了乳液凝膠的粒徑。結合光學顯微鏡觀察結果（圖1A），-20 ℃處理后的乳液凝膠粒徑明顯增大，這是由于乳液結構被破壞，SFAC顆粒無法吸附于油水界面層，形成穩定的三維網絡結構以阻止油滴大量聚集。60 ℃和100 ℃處理后的乳液凝膠粒徑明顯增大，結合圖1可知，60 ℃和100 ℃處理后的乳液凝膠結構并未被破壞，其原因是高溫處理會使體系界面張力降低，小乳滴更趨于形成大乳滴以縮小表面積，維持體系穩定，因此高溫處理會使乳滴少量聚集，形成較大乳滴。此外，高溫處理也會加劇分子的布朗運動，增加乳滴合并的趨勢，但SFAC顆粒仍能通過重組和橋聯作用，重新分布并吸附于油水界面，穩定較大的乳滴并維持乳液凝膠結構[23]。

圖3 不同溫度處理后皮克林乳液凝膠粒徑分布Fig.3 Droplet size distribution of Pickering emulsion gel treated at different temperatures

2.2 皮克林乳液凝膠在不同pH值下的穩定性

如圖4所示，從表觀形態看，pH 13下出現明顯分層，無法形成乳液凝膠，其他pH值條件下均能形成乳液凝膠。由圖5可知，pH 3、5、7和9處理后的樣品都形成了淀粉顆粒包裹油相的乳滴。pH 11處理后的樣品雖然能形成乳滴，但乳滴尺寸差異明顯且乳滴間存在較大空隙，可見pH 11條件下雖然不影響乳液凝膠表觀形態，但高堿性對其微觀結構有顯著影響。繼續提高pH值至13時無法形成乳液凝膠，乳滴尺寸最大。有研究表明，改性納米淀粉顆粒在高pH值下會發生水解反應導致乳液的失穩和相分離[24]。此外，SFAC穩定的皮克林乳液凝膠在pH 3～11范圍內能保持60 d長期穩定（圖4），乳液凝膠一旦形成，在長期貯藏中，其形態和結構不會輕易改變。

圖4 不同pH值處理后新鮮的（A）和貯藏60 d的（B）皮克林乳液凝膠表觀Fig.4 Appearance of fresh (A) and 60-day stored (B) Pickering emulsion gel treated at different pH conditions

圖5 不同pH值處理后皮克林乳液凝膠光學顯微鏡圖Fig.5 Light microscopic images of Pickering emulsion gels treated at different pH conditions

皮克林乳液凝膠在中性及酸性條件下的粒徑分布和Zeta電位結果接近。由圖6A可知，弱堿條件下（pH 9），乳液凝膠的粒徑反而減小，可能是淀粉顆粒與界面之間存在一定的靜電相互作用，幫助加強乳液凝膠的穩定性[25]。pH 11時粒徑分布有較大差異，出現粒徑較小和較大兩個峰，這與光學顯微鏡結果一致（圖5），說明部分乳滴出現聚集。pH 13處理的樣品明顯出現了兩個粒徑分布峰，結合表觀形態看，第1個粒徑峰可能是淀粉顆粒的聚集或少量乳滴的粒徑，第2個粒徑峰可能是被分散的油滴的粒徑。由此可知，堿性條件易對皮克林乳液凝膠的粒徑造成極大影響。Ko等[26]也發現隨著pH值增加，淀粉納米顆粒在堿性條件下發生不均勻溶解，導致皮克林乳液的穩定性顯著降低。此外，由圖6B可知，強堿條件下，隨著pH值增加，乳滴電位絕對值大幅上升，這可能是由于淀粉顆粒在堿性條件下發生去質子化反應，破壞了SFAC顆粒間的相互作用，顆粒在乳滴表面的聚集導致界面膜強度減弱，造成乳液凝膠體系失穩。Liu Yikun等[22]用單寧酸和辛烯基琥珀酸改性淀粉協同穩定的高內相乳液在pH 7處也發現了相似現象。Zhang Cuige[27]和Kargar[28]等分別對復合納米顆粒和微晶纖維素顆粒進行研究，發現顆粒的Zeta電位絕對值都隨著體系中pH值的上升而增加，這與本實驗的Zeta電位分析結果相似。

圖6 不同pH值處理后皮克林乳液凝膠粒徑分布（A）及Zeta電位（B）Fig.6 Droplet size distribution (A) and zeta potential (B) of Pickering emulsion gel treated at different pH conditions

2.3 皮克林乳液凝膠在不同離子強度下的穩定性

如圖7、8所示，不同離子強度下皮克林乳液凝膠中乳滴大小均一且堆積密集，形成了顆粒型乳液凝膠網絡結構，無乳析分層現象，貯藏60 d后仍具有良好的穩定性。由圖9A可知，皮克林乳液凝膠平均粒徑（D50）在11.5～13.5 μm之間，不同離子強度下乳液凝膠粒徑分布無明顯差異，說明不同離子強度處理對乳液凝膠的結構影響較小，這與Lee等[29]用淀粉納米粒子與甲殼素纖維協同穩定的乳液粒徑的研究結果相似。

圖7 不同離子強度處理皮克林乳液凝膠光學顯微鏡圖Fig.7 Light microscopic images of Pickering emulsion gel treated with different ionic strengths

圖8 不同離子強度處理后新鮮的（A）和貯藏60 d的（B）皮克林乳液凝膠表觀Fig.8 Appearance of fresh (A) and 60-day stored (B) Pickering emulsion gel treated with different ionic strengths

圖9 不同離子強度處理后皮克林乳液凝膠粒徑分布（A）及Zeta電位（B）Fig.9 Droplet size distribution (A) and zeta potential (B) of Pickering emulsion gel treated with different ionic strengths

由圖9B可知，對照樣品的Zeta電位為-10.3 mV，經不同離子強度處理后Zeta電位絕對值減小，在-2～-4 mV間浮動但無明顯差異，可能是因為當NaCl濃度為0.1 mol/L時已經能達到靜電屏蔽的效果。許多皮克林乳液體系中，離子強度的靜電屏蔽作用可以減弱乳滴之間的靜電相互作用，從而影響乳液體系的穩定性[30-31]。如酸水解淀粉納米晶體穩定的皮克林乳液凝膠體系中，NaCl產生的靜電屏蔽會使顆粒集聚進而導致乳液體系失穩[32]。然而有趣的是，結合乳液凝膠微觀、表觀形態及粒徑分布（圖7、8、9A）結果可知，離子強度并不能影響該疏水淀粉乳液凝膠的穩定性，可見靜電相互作用力也許并不是疏水淀粉皮克林乳液凝膠體系中阻礙乳滴聚集、維持乳液凝膠網絡結構的主要作用力，而是SFAC顆粒在油水界面的緊密排布及其產生的空間位阻，阻止了乳滴的聚集[29]。因此，本實驗的皮克林乳液凝膠的耐鹽能力極強，在復雜的食品體系中有潛在的應用價值。

2.4 疏水淀粉皮克林乳液凝膠在不同油相中的應用

如圖10所示，SFAC顆粒能穩定不同油相皮克林乳液凝膠，乳滴粒徑大小均一且分布均勻。SFAC顆粒在油水界面形成一層屏障，阻礙了油滴之間的聚集（圖10B）。此外，乳滴周圍還有少量淀粉顆粒分布，說明4%淀粉添加量足以滿足穩定50%油相的需要，處于連續相中的游離淀粉顆粒可以通過橋聯作用增強乳液凝膠網絡結構以阻止乳滴的合并[33]。由表觀形態可知（圖11），皮克林乳液凝膠呈現出具有良好膠凝性和黏性的軟固體狀態，質地均一、表面光滑，具有塑造立體形狀的效果。說明SFAC顆粒具有穩定不同油相形成皮克林乳液凝膠的能力，可以廣泛用于不同油相的乳化和穩定。

圖10 不同油相的皮克林乳液凝膠光學顯微鏡圖（A）和CLSM圖（B）Fig.10 Microscope (A) and CLSM images (B) of Pickering emulsion gel with different oil phases

圖11 不同油相的新鮮的皮克林乳液凝膠表觀Fig.11 Appearance of fresh Pickering emulsion gels with different oil phases

2.5 疏水淀粉皮克林乳液凝膠網絡結構及穩定機理

用正己烷替代植物油制備乳液凝膠，將正己烷烘干蒸發后，留下形狀如蜂巢的乳液凝膠網絡，如圖12所示，乳滴之間連接緊密，凝膠網絡表面密實無孔，形成了一層結實的保護層。將該網絡結構再放大，可觀察到網絡內表面由淀粉顆粒所呈現的不規則凸起的顆粒感，進一步佐證了該體系是由淀粉顆粒包裹分散的油滴并通過相互作用密集堆積而形成，與CLSM觀察結果（圖1B、10B）相吻合。因此，由SFAC顆粒穩定的皮克林乳液凝膠體系中，SFAC顆粒在高速剪切下自發移動至油水界面并緊密排布，形成一層致密的屏障包裹油滴，阻礙油滴的聚集，維持乳液凝膠結構的穩定；同時通過不同乳滴間的相互交聯作用與空間位阻以及水相中SFAC顆粒之間的橋聯作用，形成緊密的乳液凝膠三維網絡結構，阻止了油滴的碰撞和合并，使其在不同環境條件（溫度、pH值及離子強度）下都具有優良的穩定性[23]。由于乳滴間的緊密堆積和相互交聯作用截留住了作為連續相的水，使乳液凝膠流動性大大降低，從而呈現良好的膠凝性及半固體狀態。

圖12 皮克林乳液凝膠網絡結構SEM圖Fig.12 SEM images of Pickering emulsion gel network structure

3 結論

SFAC顆粒在高速剪切過程中自主吸附到油水界面上，緊密地包裹油滴，形成一層機械屏障穩定乳液凝膠結構。-20 ℃低溫下，SFAC顆粒形成的屏障被破壞，油滴大量聚集，乳液分層；100 ℃下乳液凝膠出現流動性，冷卻后能重新恢復膠凝性，具有熱可逆性功能。高堿性條件下（pH 13），淀粉顆粒發生去質子化，無法維持本身的吸附性能，乳液凝膠結構被破壞，但在pH 3～9范圍內，乳液凝膠的性質和結構受影響較小。離子強度的變化對皮克林乳液凝膠影響不明顯。總體而言，SFAC顆粒穩定的皮克林乳液凝膠在多種不同環境條件下都可以維持其良好的穩定性與結構性能，在復雜的食品體系中有良好的應用前景。