酸解时间对小颗粒淀粉性质及稳定Pickering乳液的影响*

黄强 杨银洲 王婵 冯康

(1. 华南理工大学 食品科学与工程学院， 广东 广州 510640；2. 华南理工大学 广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室， 广东 广州 510640)

酸解时间对小颗粒淀粉性质及稳定Pickering乳液的影响*

黄强1，2杨银洲1王婵1冯康1

(1. 华南理工大学 食品科学与工程学院， 广东 广州 510640；2. 华南理工大学 广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室， 广东 广州 510640)

以玉米淀粉为原料，采用酸解、辛烯基琥珀酸酐(OSA)疏水改性和冷冻粉碎复合改性方法制备小颗粒淀粉，研究了酸解时间对小颗粒淀粉及稳定Pickering乳液的影响.利用扫描电子显微镜和粒径分析仪对小颗粒淀粉的形态与粒径分布进行表征，探究了小颗粒淀粉在Pickering乳液中的应用.结果表明: 随着酸解时间延长，小颗粒淀粉颗粒粒径明显降低，其体积平均粒径由原淀粉的15.6 μm降低到6.6 μm；颗粒呈碎片状，且分散均匀；OSA改性取代度随酸解时间延长而降低; 以小颗粒淀粉为乳化剂制备Pickering乳液，乳液稳定性随着颗粒粒径的减小而增加；乳化指数随着乳液贮存时间的延长而降低，并趋于稳定；酸解48 h和72 h复合改性小颗粒淀粉制备的乳液稳定性较好，贮存30天后乳化指数保持在60%.

玉米淀粉；酸解预处理；辛烯基琥珀酸酐改性；冷冻粉碎；Pickering乳液

Pickering乳液是利用微米或纳米级固体颗粒的表面润湿性吸附在油水界面上稳定的一种乳液[1].与传统乳液相比，其优势在于乳化剂用量少，对人体毒副作用小，乳液稳定性好.因此，Pickering乳液在食品、化妆品、医药和污水处理等领域有着广泛的应用[2].目前，用于制备Pickering乳液的颗粒主要有二氧化硅、复合球、蛋白质和淀粉等[3].其中，淀粉由于其低廉的价格和广泛的来源而倍受关注，但普通淀粉颗粒粒径较大(>10 μm),疏水性弱，难以吸附在油水界面上形成稳定的乳液，因此将淀粉改性以减小其粒径，并增加疏水性可使其成为一种良好的固体颗粒乳化剂.

小颗粒淀粉是指颗粒粒径小于10 μm的一类淀粉.天然存在的小颗粒淀粉存在分离困难、来源少和价格昂贵等缺点.因此，可以通过物理或化学改性的方法制备小颗粒淀粉，如Li等[4]采用高链玉米淀粉通过酸水解法制备小颗粒淀粉；Jane等[5]采用先酸解再球磨粉碎法制备小颗粒玉米淀粉，其颗粒大小和性质与天然的小颗粒淀粉非常相似；Yusoff等[6]将蜡质玉米淀粉交联后用辛烯基琥珀酸酐(OSA)疏水改性，然后冷冻球磨后获得小颗粒的疏水改性淀粉，这些改性淀粉颗粒具有较好的乳化稳定性.

小颗粒淀粉制备的Pickering乳液有着巨大的应用前景，如应用于化妆品中替代表面活性剂以减少对皮肤的刺激作用[7]；利用其毒副作用小的特性在医药领域作为包埋载体[8]；还能应用于饮料和乳制品等食品中以稳定各组分[9]等.目前，市场化的辛烯基琥珀酸淀粉(OS-淀粉)为水溶性的乳化剂，主要用于稳定传统乳液，而以固体颗粒形式稳定Pickering乳液的OS-淀粉还未实现产业化.本研究利用酸解、OSA疏水改性和冷冻粉碎的复合改性方法制备小颗粒淀粉，并研究了其在Pickering乳液中的应用，为淀粉资源高值化利用开辟了新的方向.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉，食品级，产自中粮生化能源(榆树)有限公司；辛烯基琥珀酸酐(OSA)，产自南京古田化工有限公司；干冰，购自广州环球干冰贸易有限公司；其他试剂均为分析纯.

FW-100型高速万能粉碎机，产自天津市华鑫仪器厂；XW-80A型旋涡混合器，产自上海精科实业有限公司；Mastersizer 2000型粒径分析仪，产自英国Malvern仪器有限公司；EVO 18 型扫描电子显微镜，产自德国Carl Zeiss公司；Vector-33 型傅里叶红外光谱仪，产自德国Bruker公司；T 25型数显高速分散均质机，产自德国IKA公司；M-110 EH型高压均质机，产自美国MFIC公司；BH-2型光学显微镜，产自日本Olympus公司.

1.2 小颗粒淀粉的制备

1.2.1 酸解淀粉的制备

将5%的HCl和玉米淀粉(干基)配成质量分数为35%的淀粉乳，在(50±1)℃的恒温水浴内酸解6、12、48和72 h，反应完毕后抽滤，多次水洗，调节pH值至6～7，在40 ℃的恒温干燥箱内烘干，粉碎、过100目筛，得到酸解淀粉.

1.2.2 酸解淀粉的OSA疏水改性

将酸解淀粉100 g(干基)与蒸馏水配置成质量分数为35%的淀粉乳，在35 ℃下进行搅拌，用3%的NaOH溶液将乳液pH值调至8.5，然后逐滴加入3%(相对于淀粉干基)的OSA，控制在1 h内加完，反应过程中不断滴加NaOH溶液，使体系的pH值恒定在8.5左右，待反应液pH值稳定后，用5%的HCl调节pH值至6.5.多次醇洗，水洗，真空抽滤，在40℃的恒温干燥箱内烘干，粉碎、过100目筛[10]，得到酸解OSA复合改性淀粉.

1.2.3 复合改性淀粉冷冻粉碎处理

将酸解OSA复合改性淀粉样品置于密封袋中，在干冰/乙醇混合冷冻液中(-50 ℃)完全浸没，取出样品于高速粉碎机中，在24 000 r/min下粉碎处理1 min，而后取出样品再冷冻1 min，重复循环上述步骤5次，得到小颗粒淀粉.

1.3 结构分析与表征

1.3.1 粒径分析

将样品分散在水中，利用涡旋混合器振荡使其分散均匀，然后滴加到粒度仪中，在2 200 r/min转速下将样品再次搅拌分散，测定淀粉颗粒的体积平均粒径及粒径分布[11].

1.3.2 扫描电子显微镜分析

将淀粉样品置于105 ℃烘箱中干燥3 h，用导电胶将样品固定在样品台上，喷金处理后将其置于扫描电子显微镜中观察并拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌.

1.3.3 取代度的测定

准确称量2.000 0 g(干基)小颗粒淀粉，分散在15 mL盐酸-异丙醇溶液(2.5 mol/L)中并搅拌30 min.后加入50 mL异丙醇溶液并搅拌10 min来终止反应，抽滤，用90%的异丙醇多次醇洗至无氯离子为止(用0.1 mol/L AgNO3溶液检测).将所得的淀粉重新分散于200 mL蒸馏水中，沸水浴加热搅拌20 min，加2滴酚酞指示剂，趁热用0.1 mol/L NaOH标准溶液滴定淀粉溶液至粉色.用未作改性的原淀粉作为空白样[12].取代度(DS)的计算公式如下：

(1)

式中：V为滴定时所用NaOH的体积，mL；c为NaOH溶液的摩尔浓度，mol/L；m为小颗粒淀粉的干基质量，g.

1.4 Pickering乳液的制备及性质分析

1.4.1 Pickering乳液的制备

以不同酸解时间下的小颗粒淀粉为原料，制备Pickering乳液.将淀粉分散于0.05 mol/L(pH=7.0±0.1)磷酸盐缓冲液中，添加巴西甜橙油和0.15‰(基于乳液质量)的苯甲酸钠，小颗粒淀粉添加量为每毫升油加 214 mg 淀粉[13]，油相占总体积的10%，用高速分散机分散2 min，转速为10 000 r/min，而后高压均质两次，压力为30 MPa，得Pickering乳液.

1.4.2 乳液照片及其乳化指数

将制备好的Pickering乳液置于25 mL血清瓶中静置，拍照观察乳液的稳定情况，通过乳化指数(EI)来表征乳液的稳定性.

EI=V1/V0×100%

(2)

式中：V0为乳液总体积；V1为乳化层体积.

1.4.3 乳液显微照片和粒径分布

将制备的Pickering乳液滴加到载玻片上，用显微镜于500倍下观察乳液的微观形态.

采用粒径分析仪测定乳液体积平均粒径及粒径分布，方法同1.3.1.

2 结果与讨论

2.1 小颗粒淀粉的粒径分析

玉米淀粉和不同酸解时间下小颗粒淀粉粒径分布如图1所示，玉米淀粉(MS)只有一个单峰，粒径分布范围在4.4～34.6 μm之间，12.25%的颗粒粒径小于10 μm，其体积平均粒径(D[4，3])为15.6 μm.经复合改性处理后，淀粉颗粒粒度分布范围明显增加，呈多峰分布状态，随着酸解时间的增加，小颗粒淀粉含量明显增加，淀粉的体积平均粒径从原淀粉的15.6 μm减小至酸解72 h的 6.6 μm.

图1 玉米淀粉及不同酸解时间下小颗粒淀粉的粒径分布

Fig.1 Particle size distribution of maize starch and small-particle starch in different acid hydrolysis time

上述结果表明，酸解处理有助于冷冻粉碎.酸解72 h 的HO-72 h样品体积平均粒径(6.6 μm)最小，但主峰后有一个很小的拖尾峰存在，说明含有一些大淀粉颗粒，可能在冷冻粉碎过程中发生了“逆粉碎”的现象[14].随着酸解时间的增加，颗粒表面凹槽越多，破损度越大，冷冻粉碎较容易，但随着粉碎过程中淀粉粒径的减小，小颗粒淀粉表面的范德华力和静电引力增大，高表面能的微细颗粒会产生团聚现象，使颗粒粒径反而增大[15].

2.2 小颗粒淀粉的形貌分析

淀粉颗粒本身具有机械抗性，直接对其粉碎处理，产生的小颗粒淀粉数量较少；这是因为分子间和分子内的氢键加强了对淀粉分子的束缚作用，使其具有一定的机械抗性，如支链淀粉之间的双螺旋结构和直链与支链之间的结合作用等.经过酸解预处理后无定形区首先被水解，结晶区由于双螺旋结构的存在，氢离子不易水解其中的糖甙键[16].淀粉颗粒经酸解后会被侵蚀成为像海绵一样的空间结构，机械强度下降，有利于冷冻粉碎[15].

玉米淀粉和不同酸解时间下的小颗粒淀粉扫描电镜照片及取代度测定结果见图2.从图中可以看出，玉米淀粉颗粒呈不规则球形，且表面光滑，而经复合改性后的小颗粒淀粉颗粒表面粗糙出现凹槽，其边缘发生崩裂(如HO-12 h)，产生了小颗粒淀粉，但数量不多.随着酸解时间的增加，小颗粒淀粉颗粒的破碎程度逐渐增大，在酸解48 h复合改性后颗粒破碎明显，小颗粒淀粉明显增多，呈碎片状且较为分散，仅有很少部分颗粒发生团聚，结果与图1的粒径分布结果一致.

图2 玉米淀粉和不同酸解时间下小颗粒淀粉的扫描电镜图及取代度测定结果

Fig.2 Scanning electron microscopy and degree of substitution of maize starch and small-particle starch in different acid hydrolysis time

此外，小颗粒淀粉的OSA取代度从0.015 7(HO-6 h)降低到0.011 0(HO-72 h)，是因为酸解主要作用于淀粉颗粒的无定形区，而酯化反应也容易发生在无定形区[17]，随着酸解时间延长，淀粉颗粒结晶度增加，酯化反应较难进行，进而导致酸解处理后的淀粉取代度下降.

2.3 Pickering乳液的表征与分析

2.3.1 乳液照片及其乳化指数

玉米淀粉和小颗粒淀粉稳定的Pickering乳液见图3.由于乳液中的油/水相具有热力学不稳定性，随着贮存时间的增加，油滴分子趋向于与水分离，而油的密度较小，因此不稳定的乳液在贮存放置后，油滴聚集变大上浮进而出现破乳现象，乳液EI值较低；而稳定的乳液能够保持较高的EI值.

从乳液贮存1 h后的乳液照片可知，原淀粉制备的乳液油水分离明显，油滴浮于上层，淀粉颗粒沉于下层，表明原淀粉基本没有乳化能力.而经过复合改性的小颗粒淀粉，除HO-6 h外，HO-12 h、HO- 48 h和HO-72 h均未分层，说明乳化能力较好；而经过7 d贮存后，乳液均出现一定程度的分层，从乳化层高低可以看出，随着酸解时间的延长，乳化层体积有增加趋势，表明乳液的稳定性增强.

图3 玉米淀粉和小颗粒淀粉稳定的Pickering乳液

Fig.3 Pickering emulsions stabilized by maize starch and small-particle starch

表1示出了不同小颗粒淀粉制备Pickering乳液的EI值随贮存时间的变化情况.从表中可以看出，随着贮存时间的延长，EI值呈现下降的趋势，但最后趋于稳定.由图3可知，短时间酸解复合改性的小颗粒淀粉HO- 6 h制备的乳液1 h后就已经分层，在贮存1 d后EI值仅为16%，表明其作为颗粒乳化剂的乳化能力较弱.而长时间酸解复合改性的小颗粒淀粉制备的乳液在贮存30 d后，乳化指数在50%以上，其中HO- 48 h和HO-72 h的乳化指数均为60%，表明长时间酸解复合改性的小颗粒淀粉能更好地稳定乳液.此外，虽然HO- 48 h样品粒径较于HO-72 h的大，但乳液在贮存7 d后，其EI值基本相同，究其原因可能是HO- 48 h样品OS基团取代度(0.011 5)较HO- 72 h(0.011 0)大的缘故，Rayner等[18]曾报道，藜麦淀粉制备的Pickering乳液稳定性随着淀粉颗粒取代度增加而升高.

表1 不同小颗粒淀粉制备Pickering乳液的EI值随贮存时间的变化规律

Table 1 The variation EI of Pickering emulsion prepared by using small-particle starch with storage time

淀粉样品EI/%1d7d14d24d30dMS00000HO-6h1616121212HO-12h6064645258HO-48h9068686060HO-72h10068686060

2.3.2 乳液的显微照片与粒径分布

图4为玉米淀粉和小颗粒淀粉稳定Pickering乳液的显微照片及粒径分布.从显微照片可以看出，玉米淀粉制备的乳液(见图4(a))液滴最大，且粒径差异明显.短时间酸解复合改性淀粉制备的乳液(见图4(b))液滴大小也不均一，有很多不规则的液滴.由图1可知，由于颗粒的体积平均粒径较大，粒径不均一，液滴容易聚集形成大的液滴.而长时间酸解复合改性的小颗粒淀粉制备的乳液(见图4(c)-(e))，液滴较小且大小均一，并能清晰地看到淀粉颗粒吸附于油水界面.随着酸解时间的延长，其乳液直径逐渐减小，形成较为稳定的Pickering乳液.从稳定机理上来说，Pickering 乳液的稳定性与

图4 玉米淀粉和小颗粒淀粉稳定Pickering乳液的显微照片和粒径分布图

Fig.4 Micrograph and particle size distribution of Pickening emulsions stabilized by maize starch and small-particle starch

(3)

式中：“+”为O/W型乳液，“-”为W/O型乳液；P是关于颗粒在油水界面上浓度和排列的一个参数；σ为油水界面张力；θ为平衡接触角；r为固体颗粒半径.由式(3)可以看出，小颗粒淀粉颗粒粒径越小，聚结时所需最大毛细压越大，油滴聚结越困难，制备的Pickering乳液就越稳定.

从图4中的乳液粒径分布图也可看出相似的规律，玉米原淀粉制备的乳液的粒径分布图有多个峰，包含大粒径的拖尾峰，结合图3乳液照片可知，前边两个峰有可能是分散在体系中的玉米淀粉颗粒，第3个峰为聚结的油滴，表明原淀粉基本没有乳化能力.而经过短时间酸解复合改性的小颗粒淀粉制备的乳液(见图4(b))粒径分布也出现3个峰，可知其乳化效果不佳.而经过长时间酸解复合改性的小颗粒淀粉制备的乳液(见图4(e))只有一个主峰，表明液滴的大小均一，而且随着酸解时间的增加，峰宽越窄且小颗粒淀粉乳液主峰向小粒径方向偏移；乳液液滴的体积平均粒径从玉米原淀粉的31.9 μm降到HO-72 h的8.4 μm；表明长时间酸解复合改性的小颗粒淀粉制备的乳液(见图4(c)-(e))性能稳定，是稳定乳液的良好颗粒乳化剂.

3 结论

玉米淀粉本身具有一定的机械强度，经酸解后，粉碎难度降低；随着酸解时间的增加，获得的淀粉颗粒体积平均粒径减小；当酸解时间为48 h时，复合改性后达到微细化的效果，而酸解72 h所得小颗粒淀粉粒径更小，但有微弱的团聚现象.通过扫描电镜图观察发现，颗粒形态由不规则球形逐渐变为碎片状，颗粒间分散较好.通过在乳液中应用分析可知，小颗粒淀粉的粒径越小，制备的乳液粒径越小且分布均一，乳液稳定性也越强；随着贮存时间的增加，乳化稳定性指数有降低的趋势，在14 d后趋于稳定，乳化指数在30 d后稳定在60%.研究发现，小颗粒淀粉粒径和OSA取代度对乳液稳定性有重要影响.后续研究将通过进一步降低小颗粒淀粉粒径，提高取代度等方法提高Pickering乳液的稳定性.

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Effects of Acid Hydrolysis Time on Properties of Small- Particle Starch and Stability of Pickering Emulsion

HUANGQiang1，2YANGYin-zhou1WANGChan1FENGKang1

(1. School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. Guangdong Province Key Laboratory for Green Processing of Natural Products and Product Safety,South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

In this paper, firstly, by using maize starch as a raw material, small- particle starch granules were prepared by means of acid hydrolysis, octenyl-succinic anhydride (OSA) modification and freeze- grinding. Then, the effects of acid hydrolysis time on the properties of small- particle starch and the stability of Pickering emulsion were investigated. Finally, the morphology and particle size distribution of the prepared small-particle starch were characterized by using a scanning electron microscopy and a particle size analyzer, and the application of the small- particle starch to Pickering emulsion was investigated. The results show that (1) with the prolonging of hydrolysis time, the particle size of starch granules decreases significantly, and the volume average particle size reduces from 15.6μm to 6.6μm; (2) the prepared starch granules are fragmented and disperse evenly; (3) the degree of substitution of OSA modified starch decreases as acid hydrolysis time prolongs; (4) the prepared Pickering emulsion, which uses the small- particle starch as the emulsifier, possesses a stability increasing with the decrease of particle size; (5) the emulsifying index of Pickering emulsion decreases with the prolonging of storage time and stabilizes in the end; and (6) the Pickering emulsion prepared with the starch after an acid hydrolysis for 48 h or 72 h possesses good stability, for instance, the emulsifying index achieves 60% even after a storage for 30 d.

maize starch; acid hydrolysis pretreatment; octenyl-succinic anhydride modification; freeze-grinding; Pickering emulsion

2016- 08- 19

广东省自然科学基金资助项目(2014A030313236) Foundation item: Supported by the Natural Science Foundation of Guangdong Province of China (2014A030313236)

黄强(1976-)，男，教授，主要从事碳水化合物科学与工程研究.E-mail:fechoh@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)03- 0104- 07

Q 539.1;TS 236.9

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.03.015