辛烯基琥珀酸小米淀粉酯稳定Pickering乳液

陆兰芳，杨 鹏，王 展，沈汪洋，于 博

（1.湖北文理学院食品科学技术学院，湖北 襄阳 441053；2.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023）

由固体颗粒替代表面活性剂稳定乳液体系以降低表面活性剂不良影响、改善乳液性能的一种乳液称为Pickering乳液，它包含O/W、W/O等多种类型[1]。Pickering乳液保留了由表面活性剂稳定的经典乳液基本性质，并且降低了由表面活性剂带来的一些不利影响，例如发泡、刺激性等[2]。固体颗粒往往赋予乳液聚结的高度稳定性以及可通过修饰固体颗粒表面性质来调整乳化效果等优点[3]。尤其是“无表面活性剂”这一特性使得Pickering乳液在食品、化妆品、个人护理、医药等领域有着独特的优势。固体颗粒在液滴表面吸附实现乳液的稳定，吸附机理与表面活性剂不同，它在油水界面稳定来源于水和油对固体颗粒表面的部分润湿作用[4]。

满足大多数油部分润湿条件的颗粒种类很多，例如碳酸钙和硫酸钡[5]、黏土[6-7]、炭黑[8]、乳胶[9-11]、二氧化硅[4]等。目前研究较多的食品级固体颗粒有纤维素[12]、淀粉[13]、蛋白质等。淀粉作为丰富的生物可再生资源，安全性高、成本低、不易引起过敏反应，且可通过改性修饰调节润湿行为，是一种可靠的制备Pickering乳液的原料[14]。辛烯基琥珀酸淀粉酯（octenyl succinic anhydride modified starch，OSA淀粉），由疏水性的OSA和淀粉在弱碱性条件下发生酯化反应制得[15]。Yu Zhenyu等[16]制备了不同取代度（0.009～0.032）的辛烯基琥珀酰化芋头淀粉，发现OSA改性对芋头淀粉的形态或粒度影响不大，但接触角从25.4°显著增加至70.1°。黄弼晨[17]以芭蕉芋淀粉为原料制备了OSA改性淀粉，通过响应面试验得出最优制备条件：淀粉乳质量分数35.63%，反应时间为3.62 h，反应温度为37.77 ℃，反应体系pH值为8.07～8.57，在此反应条件下所得产物的取代度为0.012 13。Song Xiaoyan等[18]用疏水改性的籼米淀粉制备Pickering乳液，发现稳定乳液的淀粉颗粒质量浓度和油相比例是影响乳液乳化性的主要因素，而且乳液可能形成了内部网络结构，具有类似于凝胶的行为。S a a r i 等[19]探究了蜡质玉米、藜麦和燕麦淀粉稳定Pickering乳液的性能，发现混合淀粉稳定乳液时其中一种淀粉颗粒会在液滴界面占主导地位，而单一淀粉稳定乳液对液滴尺寸的影响还和均质时间有关。

小米在世界各地广泛种植，生长周期短，淀粉含量与玉米相当，约为60%～70%，且可以较容易分离出来[20]。小米淀粉多为多角形颗粒，粒径为6.14～11.96 μm，直链淀粉含量较高，约为20.0%～27.1%，不同来源存在一定差异[21]。直链淀粉含量对淀粉疏水改性有积极影响，酯化反应优先发生于主要由直链淀粉构成的无定形区域[22]。目前，国内外对小米的研究主要集中在小米的营养价值以及小米淀粉理化性质方面，还鲜有系统的研究过小米淀粉修饰以及其改性产品的制备，因此深入研究小米淀粉化学修饰特性有助于发现小米淀粉在各种食品工业应用中的适用性。本实验对小米淀粉进行OSA改性，并将其用于稳定Pickering乳液，探究了疏水改性小米淀粉稳定乳液的效果，为拓展小米在食品工业中的应用领域提供了一个新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

优质小米 朝阳泰然科技食品有限公司；OSA阿拉丁试剂有限公司；中链甘油三酯（medium chain triglycerides，MCT） 上海源叶生物科技有限公司；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇等试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Nexus670傅里叶红外光谱仪 美国尼高立仪器公司；S-3000扫描电子显微镜 日本日立公司；D8 Advance X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪 布鲁克AXS有限公司；XHF-DY高速分散器 宁波新芝生物科技股份有限公司；Malvern3000激光粒度仪 英国Malwern公司。

1.3 方法

1.3.1 小米淀粉的提取

优质小米磨粉后过100 目筛，得到小米粉备用。取适量小米粉放入0.2%的NaOH溶液中，按料液比1∶4混合搅拌4 h后浸泡24 h，将混合物于4 000 r/min离心3 min，弃去上清液，剥刮除去上、下层黄褐色物质，取中间的白色层，反复用蒸馏水清洗，连续离心直到上层没有黄色物质为止。沉淀用水分散并用稀盐酸（1 mol/L）调节pH值至中性。最后将产物经40 ℃干燥24 h、研磨后过100 目筛即得小米淀粉。

1.3.2 OSA淀粉的制备

取一定质量小米淀粉，加入适量蒸馏水配制成35%的淀粉乳，分别取一定量OSA（添加量分别为淀粉干基的0%、3%、5%、7%、10%）用无水乙醇稀释5 倍后在1 h内缓慢加入至淀粉乳中，用恒温磁力搅拌器进行搅拌，控制反应温度35 ℃并在反应过程中不断加入3% NaOH溶液以维持反应体系pH值为8.5。反应4 h后，加入质量分数2%的HCl溶液调节体系pH 6.5左右，以终止酯化反应。反应结束后先用70%乙醇溶液抽滤洗涤2 次，再用蒸馏水离心洗涤2 次，置于40 ℃烘箱内烘干，再将其粉碎过100 目筛，即得OSA淀粉。

1.3.3 OSA淀粉取代度测定

参照文献[23]的方法用滴定法测定OSA淀粉的取代度。准确称取1.5～2.0 g淀粉样品分散于50 mL 95%乙醇溶液中，用恒温磁力搅拌器搅拌10 min后加入15 mL浓度2.5 mol/L盐酸-乙醇溶液，连续揽拌30 min。反应结束后将样品移入布氏漏斗抽滤，用蒸馏水洗涤至用0.1 mol/L硝酸银检验无氯离子。然后将淀粉样品移入250 mL锥形瓶中，加入100 mL蒸馏水，沸水浴20 min后，趁热用0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定至粉红色，酚酞作为指示剂。空白以天然淀粉为对照。计算取代度（DS）和反应效率（RE）。

式中：W为称取样品的质量/g；V为滴定样品消耗NaOH的体积/mL；N为NaOH的浓度/（mol/L）；MOSA为OSA的质量/g；M淀粉为OSA淀粉的质量/g；210为OSA的相对分子质量；162为葡萄糖单位的相对分子质量。

1.3.4 Pickering乳液的制备

称取一定质量的不同取代度的OSA淀粉，用蒸馏水配制成不同质量浓度（1、3、5、7、10 g/100 mL）的淀粉颗粒分散液，添加不同油相比例（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）的MCT油相，用高速剪切机20 000 r/min处理2 min，分2 次进行。

1.3.5 OSA淀粉颗粒的分析表征

1.3.5.1 傅里叶红外光谱

使用压片法对原淀粉和OSA淀粉颗粒的结构进行鉴定，用傅里叶红外光谱仪在扫描范围4 000～500 cm－1、分辨率4 cm－1下扫描，扫描次数32 次。

1.3.5.2 扫描电子显微镜

将原淀粉和OSA淀粉均匀的分散在导电胶上，对其进行喷金处理，用扫描电子显微镜放大到适合倍数观察并拍照。

1.3.5.3 XRD

将原淀粉及OSA淀粉压成薄片，使用XRD对样品采集信息，测试条件：Cu-Ka，扫描速率为4°/min，扫描范围2θ为5°～80°。

1.3.6 Pickering乳液的分析表征

1.3.6.1 乳液粒径的测定

采用Malvern 3000粒度分布仪测定乳液的粒径大小，参数设置：颗粒折射率1.54；颗粒吸收率0.1；分散剂折射率1.33；泵的转速2 000 r/min。

1.3.6.2 乳化指数的测定

将乳液静置于25 ℃环境下，放置后对样品进行观察，记录乳液分层后乳化层的高度。

乳化指数计算公式为：

式中：He为乳液乳化层高度；H为乳液总高度。

1.3.6.3 流变学特性测试

用流变仪测定贮存24 h后的乳液的流变学特性，在振动应变0.01%～10%（频率1 Hz、25 ℃）下测量，确定线性黏弹性区域，然后在频率0.01～10 Hz，25 ℃进行频率扫描实验，在剪切速率0.01～10 s－1，25 ℃进行流动扫描实验，通过分析黏度、储能模量和损耗模量研究乳液流变特性。

1.4 数据统计与分析

实验均重复测定3 次，取平均值，利用Origin 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 淀粉颗粒结构和形态分析

图1 原淀粉与OSA淀粉颗粒（DS＝0.017 1）的傅里叶红外光谱图Fig. 1 FTIR spectra of native starch and OSA starch granules(DS = 0.017 1)

由图1可知，原淀粉在1 651、1 159、1 088、1 019 cm－1处出现明显的特征吸收峰，由淀粉分子内的结合水和C—O键的伸缩振动产生。3 401 cm－1和2 935 cm－1处的吸收峰分别是由C—H键和O—H键的伸缩振动产生。对比OSA淀粉和原淀粉的谱图可以发现，改性后小米淀粉在1 727 cm－1和1 574 cm－1处出现了新的特征峰，1 574 cm－1处出现RCOO—的不对称伸缩振动，说明反应引入了OSA基团，1 727 cm－1处位于酯羰基C＝O的特征吸收区域，表明OSA与小米淀粉发生了酯化反应[24-25]。

图2 原淀粉和OSA淀粉颗粒的XRD谱图Fig. 2 XRD spectra of native starch and OSA starch granules

由图2可知，疏水改性淀粉和原淀粉在15°、17°、23°都出现衍射峰，表明其为典型的A型衍射图谱[26]。在高取代度时，酯化反应依然未改变淀粉的晶体类型，表明酯化反应只发生在淀粉的无定型区，不影响淀粉颗粒的晶型。

图3 原淀粉与OSA淀粉颗粒形貌Fig. 3 Morphology of native starch and OSA starch granules

由图3可以看出，小米淀粉颗粒呈现不规则的球形，表面略光滑，颗粒完整；OSA淀粉相较与原淀粉表面略粗糙，有少量破损痕迹，但淀粉颗粒仍保持了结构的完整性。酯化反应发生在淀粉分子的表面，并不破坏淀粉的内部结构。小米淀粉颗粒粒径主要分布在7.1～15.4 μm之间，平均粒径为9.53 μm，淀粉颗粒较小。

2.2 不同条件制备的Pickering乳液乳化效果分析

图4 原淀粉和OSA淀粉制备的乳液直观形态Fig. 4 Visual appearance of emulsions prepared with native starch and OSA starch

由图4可以看出，原小米淀粉可以稳定乳液，但是乳化效果不好，放置6 h后小米淀粉沉淀在底部，油水分离明显。经过疏水改性的小米淀粉均能不同程度的稳定乳液，不同取代度的OSA淀粉对乳液的乳化效果存在差异，同时在不同的淀粉颗粒质量浓度和油相比例下制备的乳液乳化层高度也显示出规律性变化。这些现象表明，小米淀粉在经过OSA酰化后乳化性能得到了改善，且OSA淀粉的取代度、颗粒质量浓度、油相比例都是影响淀粉稳定乳液性能的因素。

2.3 取代度对乳液乳化性的影响

改性淀粉制备时OSA添加量为0%、3%、5%、7%、10%，选取淀粉颗粒质量浓度10 g/100 mL，油相比例0.5，按1.3.4节方法配制乳液。

表1 取代度对乳液乳化指数及乳液粒径的影响Table 1 ffect of substitution degree of starch on emulsification index and emulsion particle size

表1 取代度对乳液乳化指数及乳液粒径的影响Table 1 ffect of substitution degree of starch on emulsification index and emulsion particle size

取代度 乳化指数/% 1 d后乳液粒径/μm 6 h 1 d 3 d 10 d 20 d 30 d D4,3 D3,2 D50 0 46.39 40.98 32.79 32.79 28.33 28.33 146 19.9 117 0.017 1 74.60 74.19 75.81 63.64 63.64 64.06 112 48.0 107 0.019 9 87.40 82.81 80.95 71.43 67.19 67.19 74.9 65.5 70.5 0.023 2 77.87 77.05 75.41 70.97 67.19 68.75 96 64.4 92.5 0.024 4 79.33 75.00 72.58 67.74 66.13 64.52 118 88.7 111

在淀粉颗粒质量浓度10 g/100 mL，油相比例0.5条件下，分别测定不同取代度制备的乳液放置1 d后的粒径值和放置6 h～30 d时的乳化指数，结果如表1所示。不同取代度OSA淀粉稳定的乳液在放置之后乳化指数均有一定程度的降低，且在20 d后基本趋于稳定；原淀粉稳定的乳液放置30 d后乳化指数降低到28.33%，疏水改性后取代度为0.017 1的淀粉稳定的乳液乳化指数30 d后仍然能保持64.06%，说明对小米淀粉改性处理很大程度改善了其乳化性能。这主要是由于小米淀粉在经过酯化后疏水性增强[27]，OSA淀粉的亲水性羧酸基团和疏水性烯基长链在乳化时分别伸入水相和油相，而多糖长链在油水界面伸展，形成一层坚固、厚实且不易被破坏的界面膜[28]。

2.4 淀粉颗粒质量浓度对乳液乳化性的影响

选取取代度0.0171的OSA淀粉，控制油相比例为0.5，淀粉颗粒质量浓度1、3、5、7、10 g/100 mL，按1.3.4节方法制备乳液。

表2 淀粉颗粒质量浓度对乳液乳化指数及乳液粒径的影响Table 2 ffect of starch granule concentration on emulsification index and emulsion particle size

表2 淀粉颗粒质量浓度对乳液乳化指数及乳液粒径的影响Table 2 ffect of starch granule concentration on emulsification index and emulsion particle size

淀粉颗粒质量浓度/（g/100 mL）乳化指数/% 1 d后乳液粒径/μm 6 h 1 d 3 d 10 d 20 d 30 d D4,3 D3,2 D50 1 59.54 55.74 55.74 55.74 55.10 55.10 337 258 336 3 64.23 64.52 65.57 62.90 61.90 61.11 265 173 246 5 67.76 66.67 67.74 67.74 62.90 62.90 195 90.9 194 7 71.08 70.49 71.67 69.84 68.75 68.75 150 82.0 132 10 75.20 74.60 75.81 72.31 69.23 69.23 120 85.5 116

淀粉颗粒质量浓度是影响乳液稳定的重要参数[18]，淀粉颗粒质量浓度对乳液粒径（1 d）及乳化指数的影响如表2所示，淀粉颗粒质量浓度1 g/100 mL增加到10 g/100 mL，乳液的乳化指数增大，在淀粉颗粒质量浓度10 g/100 mL时，乳化指数达到74.60%。淀粉颗粒质量浓度增大，体系中更多的淀粉颗粒可以在油水界面附着，界面张力降低，使得乳化更容易进行，故乳化指数增大。与之对应的是乳液粒径逐渐减小，这可能是由于有更多的淀粉颗粒在油滴表面附着，使包裹的油滴表面积增加，当乳化相同比例的油相时，比表面积增大表现为乳液粒径减小[29]。不同淀粉颗粒质量浓度下制备的乳液均出现明显分层，在放置30 d后乳液表现出良好的乳化稳定性，即使放置不同时间后乳化层高度有一定程度的下降，这可能是由于乳液在放置过程中有少量淀粉颗粒沉淀，破坏了乳液原本的液滴网络结构。

2.5 油相比例对乳液乳化性的影响

选取取代度0.017 1的OSA淀粉在淀粉颗粒质量浓度10 g/100 mL，油相比例分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5下，按1.3.4节方法制备乳液。

表3 油相比例对乳液乳化指数及乳液粒径的影响Table 3 ffect of proportion of oil phase on emulsification index and emulsion particle size

表3 油相比例对乳液乳化指数及乳液粒径的影响Table 3 ffect of proportion of oil phase on emulsification index and emulsion particle size

油相比例乳化指数/% 1 d后乳液粒径/μm 6 h 1 d 3 d 10 d 20 d 30 d D4,3 D3,2 D50 0.1 52.14 50.00 47.83 35.71 30.00 28.57 44.8 26.5 42.1 0.2 58.73 59.38 53.97 50.79 32.81 31.25 60.4 40.1 57.9 0.3 68.33 67.21 61.29 59.68 53.97 53.97 86.6 54.3 84.0 0.4 68.85 67.21 65.57 57.81 57.14 57.81 107 58.5 99.1 0.5 77.05 75.41 75.00 72.58 66.67 66.67 122 64.1 113

图5 不同油相比例制备乳液的粒径分布Fig. 5 Particle size distribution of emulsions with different proportions of oil phase

表3 显示了不同油相比例下乳液的乳化指数及放置24 h后的乳液粒径。在油相比例由0.1增加至0.5时乳液乳化指数增大，乳液粒径也随之增大。油相比例增加，原本过饱和的淀粉颗粒得到利用，更多的油相被淀粉颗粒附着从而形成稳定的乳液，即表现为乳化指数值增大。结合图5发现，随着油相比例增大，乳液的粒径分布的峰向较大的方向移动，10 μm附近的峰面积有减小的趋势，进一步说明淀粉颗粒更多的在油水界面吸附，但是由于油相增多，单位界面膜上淀粉颗粒质量浓度减小，体系在经过高速剪切时通过降低比表面积完成乳化[24-28]，即呈现出粒径增大的趋势。由表3可以看出，油相比例在0.1～0.2时，乳液乳化指数经过放置30 d后均有大幅度降低，原因是油相比例过低，体系中大量的淀粉颗粒没有被利用，在形成乳液时虽然乳液粒径较小，但是不稳定，经过放置后淀粉颗粒出现了不同程度的絮聚并沉淀在容器底部。油相比例0.3～0.5，乳液放置后乳化指数也有一定程度降低，但在20 d乳化指数基本稳定。

2.6 Pickering乳液的流变学特性

图6 乳液的剪切扫描（A）和频率（B）扫描Fig. 6 Shear scan (A) and frequency (B) sweep curves of emulsions

图6 中显示所有乳液表观剪切黏度在低剪切应力下都很高，然后随着剪切速率的增加而迅速降低，曲线呈现出明显的剪切稀释现象，这可能是由于高剪切作用下油滴或油滴簇发生变形或破坏，表明乳液形成了弱液滴网络结构，且呈现假塑性行为[27-28]。在频率0.01～10 Hz范围内所有乳液的储能模量G’均高于损耗模量G’’，且G’和G’’呈现出非常弱的频率相关性，表明乳液具有类似凝胶的特征[29]。图6A2、B2中，乳液的表观剪切黏度和G’表现出随淀粉颗粒增大而增大，这可能是由于在高淀粉颗粒质量浓度下，更小的乳滴粒径增加了单位体积乳滴和乳滴之间相互作用的数量[30]。图6B3油相比例0.1时，乳液的G’明显低于其他油相比例的乳液，说明在低油相比例下，乳液弹性小，非常不稳定，这与表3中呈现的结果一致。以上结果说明改性淀粉的取代度、稳定乳液的淀粉颗粒质量浓度和油相比例是影响Pickering乳液结构的重要因素。

3 结 论

小米淀粉资源丰富，尺寸均一，且粒度较小，但是作为固体颗粒稳定乳液乳化效果不差。经过疏水改性的小米淀粉作为稳定剂制备Pickering乳液，乳化效果得到了很大程度的提升。不同取代度的淀粉乳化效果不同，淀粉颗粒质量浓度和油相比例是影响乳液乳化性的重要因素。淀粉颗粒质量浓度1～10 g/100 mL变化时，乳液乳化指数逐渐增大，乳滴粒径逐渐减小。油相比例从0.1～0.5变化时，乳液乳化指数和乳滴粒径都呈现增大的趋势，且乳液稳定性得到了提高。流变学特性结果显示乳液可能形成了内部网络结构，具有类似于凝胶的行为。