热改性莱阳芋头淀粉对乳液形成及稳定性的影响

张琳琳，朱宇竹，江 杨，董 斌，李大鹏，李 锋

（山东农业大学食品科学与工程学院，山东 泰安 271018）

近年来由固体颗粒稳定的皮克林乳液受到越来越多的关注[1]，由于其无毒、环保、稳定等优势被广泛用于食品、化妆品及制药工业中[2]。很多天然食品大分子颗粒已用作食品级Pickering乳液的稳定剂，包括壳聚糖、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白、微晶纤维素、固体脂质、黄酮类物质等[3-5]。这些颗粒大多不溶于水，能很好地吸附到油水界面上，从而形成稳定的乳状液。

淀粉是应用较为广泛的稳定剂之一。通常天然淀粉亲水性较强，不适于吸附到油水界面上稳定油水体系。因此，使用前多通过改性增加淀粉的疏水性。淀粉可以通过辛烯基琥珀酸酐处理进行化学改性，疏水性辛烯基和羧酸羧基或羧酸钠基团增加了淀粉稳定乳液的能力[6]，该方法生产的淀粉已被美国食药局批准用于食品体系[7]。另一种较为常用的改变淀粉疏水性的方法是热处理，经过热处理的淀粉分子间氢键断裂，无定形区发生重排，疏水性基团更多暴露，淀粉结构变得疏松，使其疏水性显著增加[8]。

莱阳芋头，又称莱阳孤芋、毛芋头，主要产于山东省莱阳市，2010年被农业部批准为全国农产品地理标志登记保护农产品。莱阳气候温和，土壤多以棕壤、褐土类为主且富含丰富的腐殖质，因此莱阳芋头皮薄、淀粉多、糖分足，极具开发利用价值。不同品种的芋头淀粉颗粒大小不一（约为2.6～5.19 μm）[7]，相比之下，莱阳芋头淀粉颗粒较小（约1.5 μm），非常适合做稳定剂稳定食品乳液，但目前鲜见将莱阳芋头应用于食品乳液体系的相关报道。因此，本研究以莱阳芋头为原料制备原淀粉，采用热处理方法对淀粉进行改性后，研究其对乳液形成及稳定性的影响，以期为丰富莱阳芋头淀粉的利用途径和食品皮克林乳液稳定剂的开发提供实验参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

莱阳芋头 市购；大豆油 中粮集团有限公司；氨水、无水乙醇、NaCl、NaN3、NaOH（均为分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Ultra-Turrax T25高速分散机 德国IKA公司；S-3400N扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；D8 X射线 衍射仪 德国Bruker公司；Mastersizer 2000粒度分 析仪 英国Malvern公司；PHS-3精密pH计 上海雷磁新径仪器有限公司；5804高速离心机 德国Eppendorf公司；YTG-9050A精密鼓风干燥箱 上海姚氏仪器设备厂。

1.3 方法

1.3.1 芋头原淀粉的制备

参考文献[9-10]报道的提取方法并稍加修改，按如下流程提取芋头淀粉：芋头→清洗→去皮→破碎→浸泡→ 过筛（去除纤维素）→沉降→洗涤→离心→干燥→ 脱脂→干燥→成品。

将芋头清洗干净、削皮，切成片状后二次清洗。将切好的芋头片放入0.03 mol/L氨水中，捣碎（氨水没过表面）。将匀浆放入0.03 mol/L氨水中浸泡2 h，然后依次过80 目和250 目筛，得到的滤液继续沉降48 h。除去上层清液以及底部残渣，剩余淀粉水洗3 次，离心。置于40 ℃烘箱中干燥48 h，然后依次用85%甲醇溶液脱脂24 h、无水乙醇脱脂6 h，离心除去上层液体，于40 ℃干燥48 h，即得到原淀粉。

1.3.2 淀粉热处理疏水改性

参照Rayner等[11]的方法，将干燥的淀粉粉末置于玻璃盘中，在120 ℃鼓风干燥箱中加热150 min，改变淀粉颗粒的疏水性。

1.3.3 淀粉理化性质的表征

1.3.3.1 扫描电子显微镜观察

将莱阳芋头原淀粉和热改性淀粉分别用水溶解并喷金涂覆，用扫描电子显微镜观察其形貌特征[12]。加速电压为5 kV，在不同的放大倍数下观察淀粉颗粒的外观形貌，拍摄清晰有代表性的区域记录。

1.3.3.2 淀粉粒径大小的测定

采用Mastersizer 2000粒度分析仪测定芋头原淀粉和热改性淀粉颗粒的平均粒径和粒径分布。样品用去离子水稀释到质量浓度为1×10-4g/mL。测试参数：温度25 ℃，水折射率1.330，测定粒径范围0.1～20 000 μm。

1.3.3.3 淀粉Zeta电位分析

将淀粉颗粒用去离子水稀释到质量浓度为1×10-4g/mL，使用Nano-ZS Zeta电位粒度仪在25 ℃测量Zeta电位，水折射率为1.330，黏度为0.887 2 mPa·s。

1.3.3.4 淀粉颗粒结晶结构分析

采用X射线衍射分析仪分析淀粉颗粒结晶结构。测定条件为：CuKα辐射，管压40 kV，管流30 mA，扫描速率2°/min，扫描范围2Y：4°～40°，步长0.02，接受狭缝0.2 mm。通过软件MDI Jade 5.0计算结晶度。

1.3.3.5 三相接触角测定

称取100 mg淀粉样品用压片机压成薄片，置于玻璃皿底部，倒入一定量大豆油，用针管向薄片中心滴加1 滴去离子水，使其通过油相接触到薄片表面，稳定后通过接触角测量仪测定其三相接触角。

1.3.4 乳液的制备

称取适量淀粉颗粒溶于去离子水中，并加入 2×10-4g/mL的NaN3，置于带盖密封的25 mL玻璃瓶中，按不同油相分数加入一定量的大豆油，使乳液总体积为20 mL，用T25高速分散机14 000 r/min均质4 min，即形成乳液。

1.3.5 制备条件对乳液稳定性的影响

1.3.5.1 淀粉颗粒浓度对乳液粒径及乳化指数的影响

称取不同质量的淀粉颗粒溶于10 mL去离子水中，并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液，然后参照1.3.4节方法制备乳液，其中淀粉质量浓度分别为2.5×10-2、3.75× 10-2、5×10-2、6.25×10-2、7.5×10-2、8.75× 10-2g/mL和0.10 g/mL。

1.3.5.2 水油相比例对乳液粒径及乳化指数的影响

称取1.25 g淀粉颗粒溶于适量去离子水中，并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液，然后参照1.3.4节方法制备乳液，其中油相分数分别为20%、30%、40%、50%、60%和70%。

1.3.5.3 pH值对乳液粒径及乳化指数的影响

称取1.25 g淀粉颗粒溶于少量去离子水中，加入适量的0.1 mol/L HCl溶液或NaOH溶液，调节体系pH值分别为2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、7.1和8.0，并加入2× 10-4g/mL的NaN3溶液，然后用蒸馏水补足体积至10 mL，参照1.3.4节方法制备乳液。

1.3.5.4 均质强度对乳液粒径及乳化指数的影响

称取1.25 g淀粉颗粒溶于10 mL去离子水中，并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液，然后参照1.3.4节方法制备乳液，其中高速分散机的均质强度分别为12 000、14 000、

16 000、18 000、20 000、22 000 r/min。

1.3.5.5 均质时间对乳液粒径及乳化指数的影响

称取1.25 g淀粉颗粒溶于10 mL去离子水中，并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液，然后参照1.3.4节方法制备乳液，其中高速分散机的均质时间分别为2、3、4、5 min和6 min。

1.3.5.6 离子强度对乳液粒径及乳化指数的影响

称取1.25 g淀粉颗粒溶于少量去离子水中，并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液，向其中加入适量的NaCl，然后用蒸馏水补足体积至10 mL，参照1.3.4节制备乳液，离子强度分别为0、50、100、200、300、400、500 mmol/L。

1.3.6 乳液粒径及乳化指数的测定

使用激光粒度分析仪测定各条件下乳液粒径的大小，结果用D4,3表示，每组样品测量3 次。

制备好的乳液放入透明的玻璃瓶中，观察其分层现象，参照文献[13]的方法计算乳化指数，计算公式如下：

1.3.7 乳液稳定性测定

乳液于10 000 r/min离心2 min，计算乳化指数，评价乳液的离心稳定性。

将乳液分别于60 ℃和80 ℃加热2 h，然后将乳液滴于载玻片上，于光学显微镜下观察乳液的形态变化，评价乳液的热稳定性。

1.4 数据统计

所有样品重复测定3 次，结果为3 次测量的平均值，采用SPSS 18.0统计分析软件进行数据的差异性分析（ANOVA），显著性差异采用95%的置信区间，采用Sigma Plot 11.0绘制图形。

2 结果与分析

2.1 淀粉颗粒特征表征

2.1.1 淀粉形貌特征观察

图 1 莱阳芋头原淀粉（A）和热改性淀粉（B）扫描电子显微镜图Fig. 1 Scanning electron micrographs of raw starch (A) and thermally modified starch (B) from Laiyang taro

从图1可以看出，莱阳芋头淀粉颗粒呈多边形[14]，淀粉颗粒相对较小，约为1～2 μm，热处理对淀粉颗粒几乎无影响，这与文献[7,15]报道一致。莱阳芋头淀粉相对于其他淀粉颗粒粒径较小，很适合作为乳液的稳定剂。

2.1.2 淀粉颗粒粒径

图 2 莱阳芋头原淀粉和热改性淀粉颗粒的粒径分布图Fig. 2 Particle size distribution of raw starch and thermally-modified starch from Laiyang taro

如图2所示，芋头原淀粉和热改性淀粉颗粒粒径分别为（1.627±0.021） μm和（1.560±0.017） μm，多分散指数分别为0.299±0.028和0.277±0.022，热改性淀粉的平均粒径和多分散指数均显著（P＜0.05）小于芋头原淀粉，表明经过热处理之后的芋头淀粉颗粒粒径更小，且分散更为均一。

2.1.3 淀粉颗粒Zeta电位测定结果

图 3 莱阳芋头原淀粉和热改性淀粉的Zeta电位Fig. 3 Zeta potential of raw starch and thermally modified starch from Laiyang taro

如图3 所示，莱阳芋头原淀粉的Z e t a 电位为 （-18.9±1.9）mV，热改性后淀粉颗粒的Zeta电位升高到（-20.3±1.5） mV。Zeta电位的绝对值越大，表明液滴间的静电排斥越大，表面电荷的稳定性越好。经统计分析表明，芋头原淀粉热改性前后的Zeta电位无显著差异（P＞0.05），表明热处理对淀粉的Zeta电位无影响。

2.1.4 X射线衍射结果

图 4 莱阳芋头原淀粉和热改性淀粉的X射线衍射图Fig. 4 X-ray diffraction patterns of raw starch and thermally modified starch from Laiyang taro

由图4可知，莱阳芋头原淀粉在衍射角为15.0°、16.8°、17.8°和22.9°处有强衍射峰，表明芋头淀粉的晶型为A型。热改性淀粉在衍射角为14.9°、17.0°、17.8°和22.8°附近时有强衍射峰，表明热改性淀粉的晶型仍为A型[16]。经计算，原淀粉和热改性淀粉的结晶度分别为50.30%和63.38%，热改性淀粉的结晶度提高，表明热改性淀粉颗粒的内部结构发生变化。

2.1.5 三相接触角

图 5 原淀粉（A）和热改性淀粉（B）的三相接触角Fig. 5 Three-phase contact angles of raw starch and thermally modified starch from Laiyang taro

如图5所示，莱阳芋头原淀粉的三相接触角为60°，表明天然的芋头淀粉更加亲水；经过热改性之后接触角变为101°，说明热处理明显降低了淀粉的润湿性。综合上述结果，莱阳芋头淀粉经热改性后具有比原淀粉更小和均一的粒径、更大的静电斥力和疏水性，这与文献[5]结果一致。汝远等[17]认为热改性淀粉疏水性增加可能是由于热处理导致淀粉部分分子间氢键断裂，无定形区发生重排，淀粉结构变得疏松，更多疏水性基团暴露的缘故。由于热改性淀粉比原淀粉表现出更好的乳液稳定潜力，因此，选择热改性莱阳芋头淀粉制备乳液。

2.2 制备条件对乳液粒径及乳化指数的影响

图 6 制备条件对乳液粒径和乳化指数的影响Fig. 6 Effects of different preparation conditions on particle size and emulsification index of emulsions

如图6A所示，随着pH值的增加，乳液的粒径逐渐增大，乳化指数逐渐减小，在淀粉自然形成的未调节pH值的乳液中（pH 7.1），乳化指数较高为78%。在低pH值（2～5）时，形成的乳液颗粒最小、乳化指数较高；随着pH值的升高（6～8），乳液液滴明显变大、乳化指数下降。这可能是因为体系pH值的改变导致淀粉颗粒的表面润湿性和带电量发生了变化，从而影响了颗粒间的静电排斥作用和颗粒紧密程度，并最终影响其稳定乳液的能力和乳滴的大小[18]。在pH 7.1时，颗粒间排斥力最小，形成的乳液粒径较大，乳化指数也较高。而在过酸的体系中（pH 2～5时），淀粉颗粒间的静电斥力显著增加，使其不易团聚或絮凝，在油水体系的分散更加均匀，因而或许可以更有效的稳定乳液，形成的乳液具有较小的粒径和较高的乳化指数。但后续实验表明该条件下制备的乳液贮藏稳定性较差。综合考虑，选择pH 7.1进行后续实验。

如图6B所示，随着淀粉质量浓度的增加，乳液粒径逐渐减小，乳化指数逐渐增加。相关文献[19-21]报道由固体颗粒稳定的乳液，其平均液滴尺寸随颗粒浓度的增加而减少。在淀粉颗粒浓度较低时，其数量相对于油水界面稳定所需要的理想粒子数量相对不足，因而可能在相邻液滴之间存在共享粒子，导致乳滴的粒径较大，乳液的乳化指数也较低。当淀粉质量浓度为6.25×10-2g/mL时，乳液液滴粒径较小，乳化指数达到83.4%；随着淀粉质量浓度的进一步升高，乳液粒径及乳化指数基本不变，但形成的乳液越来越浓稠，乳液底部沉淀也逐渐增加，这可能是由于淀粉颗粒已经完全致密地覆盖在液滴的表面，过量淀粉析出的缘故[22-23]。在淀粉质量浓度为6.25×10-2g/mL时形成的乳液较优，因此选择此质量浓度进行后续实验。

如图6C所示，随着油相分数的增加，乳液的乳化相变化比较明显，在油相分数为20%～50%时，乳液乳化指数较小，底部会有水相析出；在60%和70%时乳液浓稠、稳定；当油相分数超过70%时，上层会有少量油析出，底部会出现淀粉沉淀。乳液颗粒的粒径在油相分数为60%时最小；当油相分数升至70%时，乳液颗粒变大，这可能是由于油相分数的增加导致用以稳定乳液的淀粉相对不足，并且液滴之间的碰撞频率增加，使乳液液滴之间发生聚集，这与Shao Ping等[24]的研究结果一致。因此，选择油相分数60%进行后续实验。

如图6D所示，随着分散强度的增加，乳液乳化指数的变化并不明显。在14 000 r/min和16 000 r/min下乳化指数相对较高，且液滴粒径无显著显异。如图6E所示，分散时间对乳液的影响也较小。乳液粒径和乳化指数均随着分散时间的延长呈现下降的趋势。综合考虑，选择分散时间4 min进行后续实验。由图6F可知，随着盐离子强度的增加，乳液的乳化指数显著下降，乳液粒径无显著变化。根据相关文献[25-26]报道，盐离子强度不仅可以调节水相中颗粒的絮凝程度，还可以降低颗粒表面的带电量，颗粒之间静电斥力减弱，颗粒紧密程度增加，从而改变固体颗粒在油水两相界面上的吸附和形成的三维网状结构结果表明，离子强度对乳液的粒径无显著影响 （P＞0.05），但是显著（P＜0.05）影响了乳液的乳化指数。这与Whitby等[27]研究结果一致。在水相中添加电解质离子，可以降低颗粒间的静电斥力，导致颗粒发生聚凝或絮沉现象，降低了乳化相的比例[28]。Castellani等[29]也发现在卵黄高磷蛋白稳定的乳液中，当离子强度从0.05 mol/L增加到0.15 mol/L时，蛋白的絮凝指数增加了5 倍，但是乳液的粒径无显著变化。推测在水相中添加电解质离子，会降低淀粉颗粒间的静电斥力，导致淀粉颗粒发生聚凝或絮沉现象，从而影响其在油水两相界面分散行为，但是并没有影响乳滴的粒径大小。

2.3 乳液的离心稳定性

图 7 不同热改性莱阳芋头淀粉质量浓度（A）及 不同油相分数（B）制备的乳液的离心稳定性Fig. 7 Centrifugal stability of emulsions stabilized with thermally modified starch from Laiyang taro (A) and centrifugal stability of emulsions with different percentages of oil phase (B)

离心过程的离心力加剧了乳液的乳析分层过程，能够更快地判断乳液的稳定性。胡亚琼[30]采用该方法测定了不同pH值条件下小麦醇溶蛋白胶体稳定的乳液的离心稳定性，发现离心稳定性结果与贮藏稳定性结果一致。淀粉质量浓度和油相分数是对乳液影响最为显著的2 个因素（图6），因此比较不同淀粉质量浓度和油相分数对乳液离心稳定性的影响，结果见图7。随着淀粉质量浓度和油相分数的升高，乳液的乳化指数不断增加（P＜0.05）。 与离心前样品相比，离心后的所有样品，乳化指数无明显变化，也没有破乳漏油现象发生，表明热改性莱阳芋头淀粉制备的乳液具有较高的离心稳定性。

2.4 乳液的热稳定性

图 8 莱阳芋头淀粉稳定的乳液加热处理后的显微镜图Fig. 8 Micrographs of emulsions stabilized with raw and thermally modified starch from Laiyang taro

制备好的乳液分别在60 ℃和80 ℃加热2 h后，进行显微镜观察，结果如图8所示。经过水浴加热后的乳液液滴尺寸有所增加，但都没有聚集。在2 h处理时间内，温度主要影响乳液液滴的大小。结果表明，经过热改性后淀粉颗粒稳定的乳液对温度的敏感性降低，并且在60 ℃和80 ℃的水浴中不会被破坏。Sjöö等[31]研究证明经过热处理后油滴尺寸完整，颗粒可以保持原始形状。

3 结 论

莱阳芋头富含淀粉，是一种非常具有开发利用价值的地方特色农产品资源。本实验首先利用氨水沉淀法提取莱阳芋头淀粉，然后比较了热改性对芋头理化性质的影响，并考察了热改性莱阳芋头淀粉稳定乳液的作用。结果表明，莱阳芋头淀粉经热改性后具有比原淀粉更小和均一的粒径、更大的静电斥力和疏水性。乳液的粒径及乳化指数表明，在pH 7.1、芋头淀粉质量浓度6.25×10-2g/mL、油相分数60%、分散强度为14 000 r/min 和分散4 min条件下，形成的乳液较优；而且乳液具有较高的离心稳定性和热稳定性。此结果为丰富莱阳芋头淀粉的利用途径和食品级皮克林乳液稳定剂的开发提供一定的参考。