球磨- 酯化复合改性槟榔芋淀粉对Pickering乳液形成的影响

刘灿灿，孙潇鹏，李坚斌，黄 群，宋洪波,4,*

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；2.福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350002；3.华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642；4.福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建 福州 350002)

Pickering乳液是由固体颗粒稳定的乳液，其稳定机制为固体颗粒吸附在油/水界面形成物理屏障，以阻止乳液液滴聚结，且这种吸附是不可逆的，因此该乳液具有长期稳定性[1-2]。近年来，淀粉作为颗粒乳化剂，因具有来源广泛、可生物降解、良好的生物相容性等特点，受到人们的广泛关注[3-4]。槟榔芋[Colocasiaesculenta(L.) Schott]淀粉颗粒较小，直径为1～5 μm，是作为颗粒乳化剂的良好材料[5]。然而，天然淀粉颗粒的乳化能力有限，通常不适合用作Pickering乳液的稳定剂[6-7]。近年来，很多研究采用辛烯基琥珀酸(OSA)酯化改性淀粉来稳定乳液[7-8]。OSA酯化改性淀粉由于同时引入亲水性羧酸基团和疏水性烯基长链而具有两亲性，显示出强的表面活性[9]。大量研究表明：淀粉经OSA酯化改性后，可明显提高其乳化能力和乳液稳定性，亦可增加乳液黏度[9-10]。由于天然淀粉具有紧密的晶体结构，因此酯化反应主要发生在淀粉颗粒的无定形区和表面，从而降低了取代度[11]。本团队前期研究发现：球磨预处理可使淀粉颗粒受到破坏，颗粒内部结构变得松散，有利于进一步的化学改性，采用球磨和酯化复合改性手段可显著提高淀粉取代度，改善淀粉乳化能力[12]。在乳液制备中，乳化剂和油相作为最重要的组成成分，对乳液品质起着至关重要的作用。然而，球磨- 酯化复合改性槟榔芋淀粉颗粒质量浓度和油相体积分数对Pickering乳液形成的影响仍然不明确。

本研究以球磨- 酯化复合改性槟榔芋淀粉颗粒为乳化剂，大豆油为油相，在一定条件下制备Pickering乳液，考察不同淀粉颗粒质量浓度和油相体积分数对乳液稳定性和流变特性的影响，以期为水包油(O/W)型乳液产品的开发及应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

槟榔芋淀粉，实验室自制[12]；辛烯基琥珀酸酐(优级纯)，美国Sigma公司；精炼一级大豆油，金龙鱼集团。

1.2 仪器与设备

QM-3SP04型球磨机，南京南大仪器有限公司；T25型数显高速分散均质机，德国IKA公司；NI-U DIC型研究级正置显微镜，日本Nikon公司；Mastersizer Hydro 3000型激光粒度仪，英国 Malvern公司；MCR301型流变仪，奥地利Anton Paar公司。

1.3 实验方法

1.3.1球磨-酯化复合改性槟榔芋淀粉的制备

将一定量槟榔芋淀粉按球料比(g/g)3∶1加入球磨罐，以转速420 r/min研磨5 h，制得的淀粉配制成质量分数10%淀粉乳，用NaOH溶液调节并维持pH值至8.0，加入质量分数3%的OSA(基于淀粉干质量)，于35 ℃下持续搅拌3 h，HCl溶液调节pH值至6.5，用体积分数80%乙醇洗3次，离心(5 000 r/min、10 min)，弃上清液，制得球磨- 酯化复合改性槟榔芋淀粉，简称复合改性槟榔芋淀粉(CS)[12]。

1.3.2不同颗粒质量浓度Pickering乳液的制备

以不同质量浓度CS(1、5、10、20、30 mg/mL)为颗粒乳化剂，体积分数30%大豆油为油相，添加0.2 mg/mL叠氮化钠以抑制微生物生长，使用高速分散均质机以转速20 000 r/min分散1 min[13]。通过检测乳液滴入水相或油相时液滴的变化来鉴定乳液的类型[14]。

1.3.3不同油相体积分数Pickering乳液的制备

以体积分数分别为10%、20%、30%、40%和50%的大豆油为油相，质量浓度为20 mg/mL的CS为颗粒乳化剂，制备方法同1.3.2。

1.3.4乳液黏度的测定

采用流变仪对乳液的黏度进行测定，取适量乳液于样品台，选取直径50 mm的锥板磨具，温度固定为25 ℃，剪切速率(γ)从0～300 s-1增加[15]。

1.3.5乳化指数测定

将乳液转移到25 mL具塞试管中，于25 ℃避光静置1、6 h，1、7、14、30 d后，通过拍照和测定乳化指数(emulsification index, EI)表征乳液稳定性[16]，计算见式(1)。

(1)

式(1)中，V乳化相为乳化相体积，mL；V总为乳液总体积，mL。

1.3.6乳液的粒径分布

使用激光粒度仪测定静置期间乳液粒径分布，参数设置为颗粒折射率1.460；颗粒吸收率0.001；以纯水作为分散剂，其折射率1.330；转速2 200 r/min。体积平均直径D4,3(μm)和表面积平均直径D3,2(μm)分别根据式(2)和式(3)计算[17]。

(2)

(3)

式(2)、式(3)中，ni是直径为di(μm)的液滴数量。

1.3.7乳液的显微形态观察

使用显微镜观察静置期间乳液的显微形态，放大倍数为400倍。

1.3.8乳液的动态流变特性测定

参照Alfano等[15]的方法，流变仪温度固定为25 ℃，角频率(ω)10 rad/s，进行振幅扫描，在线性黏弹区内设置应变为0.5%，ω从100.0～0.1 rad/s以高频向低频进行扫描，测定储能模量(G′)与损耗模量(G″)随角频率的变化和损耗角正切值(tanδ=G″/G′)。

1.4 数据处理

使用SPSS 24.0软件进行数据统计分析，数据表示为平均值±标准差(n=3)；采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同颗粒质量浓度对乳液的影响

2.1.1不同颗粒质量浓度对乳液黏度的影响

乳液黏度随剪切速率的增大而减小，呈剪切稀化行为(见图1)，表明形成了微弱的液滴网络结构[18-19]。此外，随着颗粒质量浓度的增加，乳液的黏度逐渐增大，是由于吸附在油/水界面的CS颗粒达到饱和后，继续添加的CS游离在连续相中，液滴间CS颗粒相互聚集，形成空间网络结构，使其流动阻力增加[20]。

图1 不同颗粒质量浓度稳定的Pickering 乳液黏度变化Fig.1 Viscosities of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations

2.1.2不同颗粒质量浓度对乳液外观和乳化指数的影响

乳液在水相中能较好分散而在油相中聚集，因此为O/W型乳液[14]。不同颗粒质量浓度新鲜制备的乳液产生不同程度的分层，见图2。Pickering乳液乳化指数随颗粒质量浓度的变化如图3。当颗粒质量浓度为1 mg/mL时，乳液分层现象尤为严重，这是由于低颗粒质量浓度时，CS颗粒在油滴表面的覆盖率较低[6]。随着颗粒质量浓度增加，乳化相体积逐渐增加，其EI值也逐渐增大，表明乳液稳定性增强[20]。当颗粒质量浓度为30 mg/mL时，乳液不发生分层，EI值为1.0，且静置30 d后仍未出现分层现象，具有较强的稳定性。这是由于CS颗粒吸附在油滴表面，增加了液滴的有效密度，从而减小了液滴与连续相之间的密度差，提高了乳液的分层稳定性[18]。另外，乳液体系黏度的增加，降低了液滴的迁移速率，使液滴间的碰撞概率减小，从而提高了乳液稳定性[19]。

乳液从左到右颗粒质量浓度依次为1、5、10、20、30 mg/mL。图2 静置期间不同颗粒质量浓度稳定的 Pickering乳液外观Fig.2 Photographs of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations during standing

图3 不同颗粒质量浓度稳定的Pickering 乳液乳化指数Fig.3 Emulsification indexes of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations

2.1.3不同颗粒质量浓度对乳液液滴粒径的影响

图4 静置期间不同颗粒质量浓度稳定的Pickering 乳液液滴粒径分布Fig.4 Droplet size distributions of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations during standing

随着颗粒质量浓度从1 mg/mL增加到30 mg/mL，乳液平均液滴粒径(D4,3和D3,2)显著减小(P<0.05)，见图4、表1。当颗粒质量浓度为1 mg/mL时，乳液液滴粒径最大，这是由于低颗粒质量浓度时，CS颗粒在油滴表面的覆盖率较低，液滴间易发生碰撞聚结[21]。随着颗粒质量浓度增加，乳液液滴粒径逐渐减小，当颗粒质量浓度增加至5 mg/mL时，乳液液滴粒径显著降低(P<0.05)，这是由于更多的CS颗粒吸附在油/水界面，能更快地稳定更大的界面面积，阻止液滴聚结，有利于较小液滴的形成[22]。当颗粒质量浓度大于20 mg/mL时，乳液液滴粒径基本保持不变(P>0.05)，这是由于乳液制备中高速剪切乳化条件的限制；另外，CS颗粒在油/水界面的吸附量已达到饱和，继续添加的CS颗粒将不再吸附在油/水界面，而是进入连续相中相互聚集形成空间网络结构，导致乳液的黏度增加，再次降低了剪切乳化效率[20]。静置30 d后，随着颗粒质量浓度增加，液滴粒径增幅依次减小，表明乳液稳定性增强，这可能是由于CS颗粒在油/水界面的吸附量增加，形成较厚的界面膜，导致液滴之间空间位阻作用增强，抵抗了液滴间的碰撞聚结[6, 13]。

表1 静置期间不同颗粒质量浓度稳定的Pickering乳液的平均液滴粒径

2.1.4不同颗粒质量浓度对乳液显微形态的影响

乳液显微照片(图5)中的液滴尺寸与图4中液滴粒径分布一致。对于新鲜制备的乳液，当颗粒质量浓度为1 mg/mL时，液滴尺寸较大，是由于颗粒质量浓度较低时，CS颗粒在油滴表面的覆盖率不足，液滴相互碰撞过程中，油滴未覆盖的部分相互靠拢发生聚结[23]。随着颗粒质量浓度从1 mg/mL增加到20 mg/mL，液滴尺寸依次减小，且数目增多，这是由于油相体积分数恒定时，CS添加量增加，使得CS颗粒在油滴表面的覆盖率增加，以稳定更大的界面面积，减小液滴尺寸并阻止其聚结[22]。另外，CS添加量的增加，致使乳液黏度增加，也使乳液稳定性增强。当颗粒质量浓度大于20 mg/mL时，液滴尺寸几乎不变，是由于CS颗粒在油/水界面的吸附达到饱和[24]。静置30d后，随着颗粒质量浓度的增加，乳液液滴尺寸增幅也依次减小，表明乳液稳定性增强。由于将颗粒质量浓度从20 mg/mL增加至30 mg/mL时，乳液液滴尺寸几乎不变，过剩的颗粒不再吸附在油/水界面，而是进入连续相中，因此20 mg/mL的颗粒质量浓度被确定为在该乳化条件下完全乳化油相所需的最少添加量。该结果与Kargar等[13]和Song等[18]的报道类似。在后续研究中，固定颗粒质量浓度为20 mg/mL。

2.1.5不同颗粒质量浓度对乳液动态流变特性的影响

乳液从左到右颗粒质量浓度依次为1、5、10、20、30 mg/mL。图5 静置期间不同颗粒质量浓度稳定的Pickering乳液显微观察Fig.5 Microscopic observations of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations during standing

G′又称弹性模量，表示乳液网络结构的弹性行为；G″又称黏性模量，表示乳液网络结构的黏性行为[25]。不同颗粒质量浓度制备的乳液，其G′总是高于G″，且二者不发生交叉现象(见图6)，表明乳液中形成了以弹性为主导的凝胶网络结构[19]。颗粒质量浓度明显影响了乳液的黏弹性，低颗粒质量浓度乳液的G′明显低于高颗粒质量浓度乳液。G′越低，表示乳液液滴间相互作用力越弱，受到外力作用时，越易发生形变[26]。固定油相体积分数时，随着颗粒质量浓度从1 mg/mL增加到30 mg/mL，G′和G″均增大。可能的原因是随着颗粒质量浓度的增加，吸附在油/水界面的CS颗粒增多，界面膜的厚度增大，同时，乳液液滴尺寸逐渐减小，液滴间堆积变得更紧密，使其抵抗形变能力增强；另外，连续相中未吸附的CS颗粒增加，乳液具有较高的黏度，也有助于乳液凝胶结构的增强[27]。随着颗粒质量浓度的增加，乳液的tanδ值逐渐减小，表明受外力作用时，乳液抵抗形变的能力逐渐增强。因此，随着颗粒质量浓度的增加，乳液的稳定性增强，与乳液粒径和微观形态的测定结果一致。

图6 不同颗粒质量浓度稳定的Pickering 乳液动态流变曲线Fig.6 Dynamic rheological curves for Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations

2.2 不同油相体积分数对乳液的影响

2.2.1不同油相体积分数对乳液黏度的影响

图7显示了在不同油相体积分数(10%～50%)下，乳液黏度对剪切速率的依赖性。所有乳液均表现出剪切稀化行为，乳液黏度随着剪切速率的增大而逐渐降低，这表明剪切过程中分子间缠结结构被破坏的速度大于形成速度[28]。此外，在任一剪切速率下，乳液黏度随油相体积分数的增加而逐渐增加，这是由于乳液中油滴堆积程度提高，与Tang等[29]和Dai等[30]的报道一致。

图7 不同油相体积分数稳定的Pickering乳液黏度Fig.7 Viscosities of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction

乳液从左到右油相体积分数依次为10%、20%、30%、40%、50%。图8 静置期间不同油相体积分数稳定的 Pickering乳液外观Fig.8 Photographs of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction during standing

图9 不同油相体积分数稳定的Pickering 乳液乳化指数Fig.9 Emulsification indexes of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction

2.2.2不同油相体积分数对乳液外观和乳化指数的影响

不同油相体积分数对乳液外观和EI值的影响见图8和图9。不同油相体积分数新鲜制备的乳液，产生不同程度的分层现象。随着油相体积分数从10%增加到50%，乳化相体积逐渐增加。Dai等[30]也发现了类似的结果。当油相体积分数为10%～30%时，出现分层现象，下层水相浑浊，吸附在油/水界面的颗粒已经达到饱和，过剩的颗粒进入连续相中[31]。当油相体积分数为40%和50%时，乳液不发生分层，EI值为1.0，且静置30 d后仍未出现分层现象，具有较强的分层稳定性，这与乳液黏度随油相体积分数的增加而增加有关。根据斯托克斯定律，提高乳液黏度或减小乳液液滴尺寸可抑制重力分离，从而提高乳液分层稳定性[32]。

2.2.3不同油相体积分数对乳液液滴粒径的影响

图10 静置期间不同油相体积分数稳定的Pickering 乳液液滴粒径分布Fig.10 Droplet size distributions of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction during standing

随着油相体积分数从10%增加50%，乳液平均液滴粒径(D4,3和D3,2)显著增大(P<0.05)，见图10、表2。这是因为CS添加量是恒定的，当油相体积分数增加时，CS相对于油相的比例减少，即每毫升油中CS的毫克数减少，颗粒的数量往往不足以完全吸附在乳化过程中新产生的油/水界面，从而形成较大的液滴[3,30]。结果表明：油相体积分数的增加导致乳液乳化相体积增加，液滴粒径增大。在Li等[33]和Zhu等[28]的研究中也有类似报道。由于油相体积分数为40%和50%时，乳液均不发生分层，具有较强的分层稳定性；但油相体积分数为50%时，乳液平均液滴粒径显著增加(P<0.05)，且粒径范围较宽，均一性较差。因此，油相体积分数为40%时，乳液性能较优。

表2 静置期间不同油相体积分数稳定的Pickering乳液的平均液滴粒径

2.2.4不同油相体积分数对乳液微观形态的影响

用于稳定油/水界面的颗粒数量对于乳液液滴尺寸至关重要[3]。乳液液滴尺寸随着油相体积分数的增加而逐渐变大(如图11)，这是由于在固定的颗粒质量浓度下，随着油相体积分数的增加，颗粒的数量不足以完全稳定油滴[30]。当油相体积分数为50%时，液滴间尺寸差异较大，表明液滴尺寸分布较宽，均一性较差，与粒径分布的测定结果一致。

2.2.5不同油相体积分数对乳液动态流变特性的影响

对于所有Pickering乳液，在0.1～100.0 rad/s的角频率范围内，G′明显高于G″，表明乳液中形成了弹性凝胶网络结构，见图12。G′>G″，弹性性能占主导；G′=G″，表明达到凝胶点；G′

乳液从左到右油相体积分数依次为10%、20%、30%、40%、50%。图11 静置期间不同油相体积分数稳定的Pickering乳液显微观察Fig.11 Microscopic observations of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction during standing

图12 不同油相体积分数稳定的Pickering乳液动态流变曲线Fig.12 Dynamic rheological curves for Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction

3 结 论

乳液稳定性和流变特性受颗粒质量浓度和油相体积分数的影响。随着颗粒质量浓度增加，乳化相体积增加，液滴粒径减小；增加油相体积分数，乳化相体积和液滴粒径均增加。当颗粒质量浓度为20 mg/mL，油相体积分数为40%时，制备的乳液表现出良好的稳定性，静置30 d仍未出现分层现象。乳液流变特性分析表明：随着颗粒质量浓度和油相体积分数的增加，乳液黏度和凝胶强度提高，颗粒间作用力增强，具有优异的抵抗形变的能力。因此，选择合适的颗粒质量浓度和油相体积分数，可以制备出具有较高稳定性的乳液。研究以期对O/W型Pickering乳液的制备提供一定的指导。