疏水改性淀粉基皮克林乳化液在乳化肉糜制品中的应用前景

周凤超，杨庆余，林国荣，方超逸，李丹，邓仕彬，王丽霞

1(莆田学院 环境与生物工程学院，福建 莆田，351100)2(沈阳师范大学 粮食学院，辽宁 沈阳，110034)

近年来，西式肉制品中的乳化肉糜制品(香肠、乳化肠、火腿肠等)产量逐年上升，消费者对此类肉制品的品质要求也越来越高。乳化肉糜制品加工过程中肉糜内的脂肪类物质与肌肉蛋白质，主要为肌原纤维蛋白(myofibrillar protein，MP)，能够形成良好的乳化效果，加热后形成稳固且具有弹性的凝胶，对产品的质量和风味具有良好的改善作用[1-2]。但人体摄入过多的动物脂肪对健康无益[3]，因此在肉糜制品中添加淀粉及植物油脂替代动物脂肪已得到了广泛的应用[4-5]。淀粉水溶液经加热、糊化、冷却后也能够形成凝胶，在肉糜制品中可与MP形成复合凝胶，对产品的凝胶特性具有增强作用。然而，淀粉的天然亲水性质限制了其与脂类良好的结合，进而限制其在乳化肉糜制品中的应用。因此，通过改性处理在淀粉分子中引入亲油的疏水基团使其兼具亲水和亲油的双重特性，并具有稳定水包油(O/W)型乳化液的能力，有助于淀粉在食品中尤其是肉糜制品中的应用[6]。

目前，关于食品颗粒物稳定皮克林(Pickering)乳化液的研究越来越多。Pickering乳化液由固体小颗粒稳定，即通过颗粒对油水两相的双重润湿作用使乳化液滴达到稳定。食品颗粒物相比于传统乳化剂具有更强的抗聚集性，可以在乳化液滴间形成空间屏障防止液滴聚集。食品类乳化液中，可食用的颗粒乳化剂包括壳聚糖、纤维素纳米晶体、脂肪晶体以及蛋白质等[6]。研究表明，在Pickering乳化液中，淀粉也可以作为颗粒稳定剂[7]。由于天然淀粉颗粒不具有疏水性且乳化能力较弱，因此在乳化过程中不易吸附到油水界面，但可以利用辛烯基琥珀酸酐改性天然淀粉颗粒来提高其疏水性，从而改善其乳化能力[8]。

辛烯基琥珀酸酐(ocentyl succinic anhydride，OSA)属于链烯基琥珀酸酯的一种，链烯基琥珀酸酯(结构式如图1所示)结构中的R基基团可以是烷基、烯基、芳烷基或芳烯基，也可以是含有5～18个碳原子的亲脂链。在生物大分子乳化剂中，辛烯基琥珀酸淀粉酯(octenyl succiniate starch，OS-Starch)是公认的安全的乳化剂，当改性程度小于3%(改性剂使用量低于淀粉干基质量的3%)时，其具有无味、无色、低成本、无致敏成分的特点[9]。OS-Starch在高黏度、高油含量的调味品中可作为优良的稳定剂，在焙烤食品中具有乳化和保湿作用，在酸乳和沙拉酱中可起增稠和乳化的作用。而在乳化肉糜制品中还未见以OS-Starch作为乳化剂或品质改良剂的应用[10]。本文对OS-Starch的制备和以此种疏水改性淀粉稳定的Pickering乳化液特性进行综述和分析，对OS-Starch制备的Pickering乳化液在乳化肉糜制品中的应用前景进行了分析和展望。

图1 辛烯基琥珀酐酯结构式Fig.1 Structural formula of alkenyl succinate

1 OS-Starch的制备

商业生产的OS-Starch产品名称为纯胶，是以天然淀粉为原料，通常在温和的碱性水溶液中与OSA发生酯化反应得到的疏水改性淀粉。其在水包油型乳浊液中有特殊的乳化稳定性，现已广泛应用于食品、化工等领域。图2为OS-Starch的制备过程。淀粉分子葡萄糖单元的C-2、C-3和C-6位置上的羟基基团可以在NaOH存在下被OS基团取代发生酯化反应[11]，疏水的OS基团结合到天然淀粉的亲水结构中，将淀粉转化为具有改善表面活性性能的两亲性颗粒。

不同颗粒度大小的天然淀粉均可通过改性处理制备OS-Starch，如大颗粒淀粉(30～100 μm)(马铃薯淀粉)、中等颗粒淀粉(5～30 μm)(木薯淀粉，玉米淀粉)、小颗粒淀粉(2～10 μm)(燕麦淀粉，大米淀粉)、极小颗粒淀粉(0.3～2 μm)(藜麦淀粉，苋菜淀粉)等[7-13]。目前，很多学者对以天然淀粉制备OS-Starch的工艺条件进行了研究。MAREFATI等[11]利用大米、苋菜和藜麦淀粉制备OS-Starch，具体条件为32 ℃、pH 8.2～8.4、20%的淀粉水溶液中加入0.6%、1.2%、1.8%、2.4%和3.0%(淀粉干基质量)OSA反应90～120 min。其中在0.6%～2.4%的OSA添加量下，藜麦淀粉的反应效率(reaction efficiency，RE)和取代度(degree of substitution，DS)相对较高，其次为苋菜淀粉和大米淀粉。SONG等[7]对小麦、大米、马铃薯及蜡质玉米淀粉进行疏水改性处理，反应条件：35 ℃、pH 8.4、30% 的淀粉水溶液中添加5%(淀粉干基质量)的OSA并反应5 h。DS值分别为：蜡质玉米淀粉0.026 0、大米淀粉0.024 7、马铃薯淀粉0.021 7及小麦淀粉0.017 1。

CHEN等[14]对玉米淀粉进行水预热处理后(48.0、52.0、57.0、60.0和62.0 ℃)与OSA进行酯化反应，反应条件：35%淀粉水溶液、OSA添加量3%(淀粉干基质量)、35 ℃、pH 8.0～8.5反应3 h，结果表明，水热预处理显著提高了OS-Starch的DS值和RE值，预处理温度越高，OSA越能深入淀粉颗粒内部。ZHANG等[15]在室温条件下，利用球磨机将籼稻淀粉活化处理，再与OSA进行酯化反应，球磨机处理25 h，淀粉的酯化反应RE值由原淀粉的54.6%提高到了90.4%。THIRATHUMTHAVORN等[16]用HCl溶液处理木薯和大米淀粉后与OSA进行酯化反应，得到的木薯、大米改性淀粉DS值分别为0.013 7和0.012 8。

图2 淀粉与OSA的反应Fig.2 The reaction of starch and OSA

2 疏水改性淀粉基Pickering乳化液

2.1 Pickering乳化液概述

由固体小颗粒稳定的乳液称为Pickering乳化液，固体小颗粒的稳定性可以赋予这种乳液独特的物理、化学和功能特性。依靠表面疏水性，固体小颗粒可吸附在油水界面上，稳定水中的油或油中的水，使乳化液达到良好的乳化效果[11]。在乳化液中，固体颗粒的粒径通常比乳液液滴一个数量级小，颗粒越小则其稳定的液滴直径越小，如：固体颗粒达到纳米尺寸时，其稳定的液滴直径可小至几微米。颗粒稳定剂吸附在油水界面形成稳定的乳化液后，需要较大的解吸能才能将其稳定性破坏，因此相比于表面活性剂，固体颗粒在油水界面的吸附可以认为是不可逆的[17]。固体颗粒作为稳定剂在皮克林乳化液中需具备一定的润湿性，且在油水两相中都不互溶，而OS-Starch颗粒具备这样的性质，在O/W型Pickering乳液中可作为颗粒稳定剂[18]。OS-Starch的油水两亲性使其表现出良好的表面活性，OS基团将OS-Starch分子带入油水界面，同时淀粉分子中支链淀粉主链可通过空间稳定机制对乳液液滴形成保护，避免絮凝[6]。

近年来，利用淀粉作为颗粒稳定剂稳定的Pickering乳液具有独特的特性和潜在的技术应用，引起了人们的广泛研究兴趣[19]。MAREFATI等[11]对苋菜、藜麦和大米淀粉颗粒进行疏水改性处理后制备Pickering乳化液，OSA处理水平3.0%、淀粉与油比例为4∶5(质量比)时，3种OS-Starch稳定的Pickering乳液液滴平均粒径在8.15～26.0 μm。LI和RAYNER等[20-21]报道，粒径为1.4 μm的OS-藜麦淀粉稳定的Pickering乳液液滴粒径为9.0～7 0 μm，贮存7 d后，乳液液滴尺寸无显著差异，表明其乳液稳定性较高。SAARI等[22]研究指出，由OS-燕麦淀粉和OS-蜡质大麦淀粉稳定的Pickering乳液液滴粒径<10 μm，且OS-Starch颗粒尺寸的减小可以提高乳化指数，减小乳液的液滴尺寸。这些研究结果表明，OS-Starch颗粒大小对其乳化能力有重要影响，并且较小粒径的OS-Starch颗粒具有较好的稳定油滴的能力。

2.2 OS-Starch皮克林乳化液的特性

淀粉是具有天然亲水性质的大分子有机物，与OSA发生酯化反应后在淀粉分子中引入了疏水性的烯基长碳链，酯化后分子中既含有亲水基团(如—COOH)又含有疏水的OS基团。在油水乳浊液中，OS-Starch的—COOH深入水中、烯基碳链深入油中，在油水相界面处能够形成一层薄膜，阻止分散相颗粒间的相互聚集或分离，使水包油型乳浊液稳定的存在，因而OS-Starch具有稳定乳液的能力，可作为一种乳化剂[6，23]。

SONG等[7]利用不同颗粒大小的大米淀粉(2.9～7.6 μm)、糯玉米淀粉(9.3～25.0 μm)、小麦淀粉(11.4～33.7 μm)和马铃薯淀粉(24.4～54.1 μm)与OSA进行酯化反应制备OS-Starch，并考察4种OS-Starch制备Pickering乳化液的乳化特性，通过激光共聚焦扫描显微镜(confocal laser scanning microscope, CLSM)的观察发现，OS-Starch颗粒沿乳化液中的油滴球面密集排列形成壁状结构，阻止了油滴自由移动。此外，储存过程中，含有OS-大米淀粉(粒径范围：24.2～83.6 μm)和OS-糯玉米淀粉(粒径范围：32.8～121.4 μm)的乳液具有相对较小的液滴尺寸，而用OS-小麦淀粉(粒径范围：48.5～117.4 μm)和OS-马铃薯淀粉(粒径范围：56.8～107.7 μm)制备的乳液液滴相对较大；通过对OS-Starch颗粒和乳液液滴分析结果表明：OS-Starch粒径与乳液稳定性呈负相关，含有OS-大米淀粉、OS-糯玉米淀粉和OS-小麦淀粉颗粒的乳液相比含有OS-马铃薯淀粉颗粒的乳液更稳定，具有OS-大米淀粉颗粒的乳液具有最小的平均液滴尺寸(83.6 μm)和最佳的稳定性。

MAREFATI等[11]考察不同OSA处理水平下(0.6%、1.2%、1.8%、2.4%和3.0%)大米、苋菜和藜麦淀粉制备Pickering乳化液的乳化特性，认为OS-Starch的乳化能力取决于取代程度、淀粉颗粒的大小和乳化液中淀粉与油的比例以及淀粉中蛋白质含量；同种类型淀粉和相同淀粉与油比例条件下，OSA处理水平越高，乳液液滴粒径越小、乳化液液层厚度越高；3种OS-Starch中，OS-藜麦淀粉的乳化效果一般最好，其次是OS-苋菜淀粉和OS-大米淀粉，且小颗粒淀粉(藜麦、苋菜)具有相对较好的稳定乳液的能力；由于藜麦淀粉的蛋白质含量(0.687%)高于苋菜(0.112%)和大米淀粉(0.328%)，而高蛋白质含量增加了淀粉颗粒的疏水性，使藜麦淀粉颗粒对油水界面的吸附能力更强；此外，当乳化液中淀粉与油的比例大于2∶5(质量比)、3.0%OSA处理水平时，OS-苋菜淀粉的平均粒度最小、乳化效果最好。

YU等[19]制备不同取代度(0.009、0.018、0.024、0.029、0.032)的OS-芋头淀粉，考察不同DS值的OS-木薯淀粉作为颗粒稳定剂对Pickering乳化液稳定性和液滴尺寸的影响，经OSA处理后的OS-芋头淀粉颗粒在空气-水界面的接触角从38.8°显著增加到70.1°，这有利于OS-芋头淀粉颗粒在油水界面上的吸附，DS值的增加提高了OS-芋头淀粉颗粒的乳化能力、降低了乳液液滴尺寸，能够使更多的淀粉颗粒吸附和包裹在油-水界面上，DS≥0.018的OS-芋头淀粉制备Pickering乳液在20 ℃、储存30 d后仍非常稳定。

这些研究结果表明，OS-Starch的乳化能力与淀粉的种类、颗粒大小、组成成分、OSA处理水平和取代度关系密切，在Pickering乳液中OS-Starch通过分子中的疏水基团与油滴之间发生了相互作用，有效稳定了分散在乳化液中的油滴。因此，疏水改性淀粉基皮克林乳化液在O/W、乳化型食品中具有广泛的应用前景。由于OS-Starch良好的乳化特性和对乳化体系优良的稳定能力，目前已作为食品添加剂广泛应用于食品领域，如乳化香精、调和油、色拉油、焙烤食品、冰淇淋等[10]。

3 OS-Starch皮克林乳化液在乳化肉糜制品中的应用前景

3.1 乳化肉糜概述

乳化肉糜通常是由瘦肉、肥膘、非肉蛋白、淀粉、食盐和水等组成的混合体系。在对原料肉进行绞碎和斩拌时，肌肉中的功能性物质如MP从肌肉中溶出并溶解于混合体系的盐溶液中，在保持一定黏度的同时将脂肪球包裹于MP的网络结构中，形成稳定的乳化物。在这一混合体系中，细小的脂肪球为分散相，蛋白质盐溶液为连续相，形成了水包油型(O/W)的乳化体系。由于MP中的氨基酸残基同时具有极性和非极性，它们通过亲水和疏水性将水和油连接，降低了两相的表面张力，具有一定的乳化作用[24]。在该系统中MP充当乳化剂，它与脂肪的乳化结合是保证肉糜稳定的重要因素。

乳化肉糜类制品中，MP是形成凝胶的基础，MP凝胶网络结构对产品的质构、持水性和持油性具有重要的影响[25]。蛋白质凝胶的形成机制为肌肉蛋白在加热条件下发生变性、蛋白质的网络结构伸展，内部基团如疏水基团和巯基等暴露，然后这些基团通过疏水作用、静电作用、二硫键及氢键等相互聚集、交联，形成三维网状凝胶体[26]。因此，提高MP的功能特性对乳化肉糜类制品的生产与发展具有重要的作用，尤其是MP的乳化和凝胶作用。

为了改善MP的乳化和凝胶特性，许多学者利用改性淀粉(醋酸酯化马铃薯淀粉、交联酯化马铃薯淀粉、氧化马铃薯淀粉、交联酯化木薯淀粉、羟丙基木薯淀粉等)与MP相互作用考察淀粉-MP复合物的乳化和凝胶特性，结果显示，改性淀粉相比于原料淀粉对MP的乳化和凝胶特性有较好的改善作用，并在肠类制品中添加不同类型的改性淀粉，取得了良好的应用效果[27-29]。淀粉改善MP乳化和凝胶特性的机理在于淀粉与MP在乳化体系中的相互作用，淀粉和MP作为高聚物分子具有较长的分子链，在分子链上分布了大量的亲水和亲油基团，均可以吸附在脂肪球液滴表面，形成有效的液滴保护层。液滴保护层在液滴表面形成一定的静电斥力和空间位阻，使界面张力降低，同时又能够使液滴表面形成较厚的吸附层增大液面黏度，使淀粉-MP乳化体系保持良好的稳定性。进而在形成复合凝胶的过程中淀粉凝胶能够有效地填充于MP三维网状凝胶内部，改善了凝胶质构、持水性以及流变学特性，优化了凝胶水分组成。改性淀粉相比于原料淀粉具有更加良好的功能特性(如：糊化特性、亲油性、凝胶性等)，使改性淀粉-MP复合物表现出了更好的乳化和凝胶特性，在肉糜制品中应用有效改善了产品的理化及感官特性[29-32]。目前，具有良好乳化性能的OS-Starch及其制备的皮克林乳化液在乳化肉糜类制品中的应用还未见报道。

3.2 OS-Starch皮克林乳化液在乳化肉糜制品中的应用前景

乳化肉糜类制品的最终形式大多是MP主导的复合凝胶，而淀粉作为重要的添加配料在MP三维凝胶网络中能否有效的填充、以及与MP相互作用的效果受自身特性地影响。特别是在肉糜乳化体系中，淀粉的乳化特性能否与MP形成更好的增效作用尤为重要，这决定了最终形成的复合凝胶以及肉糜产品品质(如：凝胶强度、弹性，产品的保水、保油性等)的优劣。

王家豪[6]利用大米淀粉制备了改性程度3%(OSA使用量为淀粉干基质量3%)的OS-大米淀粉，以OS-大米淀粉为颗粒乳化剂(添加量0.25%、0.5%、0.75%、1.0%)与1%MP及20%葵花籽油共同均质得到OS-大米淀粉-MP复合乳化液，同时以表面活性剂吐温80(1%)代替OS-大米淀粉制备传统小分子乳化液作为对比。结果表明，OS-大米淀粉通过与MP分子头部作用优先吸附于油水界面，且淀粉分子中的负离子基团与MP通过静电相互作用降低了乳化液电势，从而使均质后的乳化液滴粒径更小。因此，OS-大米淀粉的添加显著提高了MP乳化液的稳定性和乳化活性。此外，又进一步利用不同OS-大米淀粉浓度(0.25%、0.5%、0.75%、1.0%)的皮克林乳化液及1%吐温80分别与2%的MP制备复合凝胶并考察其特性。结果表明，相比于传统小分子乳化液，OS-大米淀粉皮克林乳化液的添加进一步促进了淀粉-MP-水分子间的相互作用、增强了MP凝胶网络结构，复合凝胶的凝胶强度、弹性和持水性随OS-大米淀粉浓度的提高均有显著的增强，且凝胶的羰基含量随OS-大米淀粉浓度的提高显著降低，说明蛋白的氧化得到了抑制。可能是由于OS-大米淀粉皮克林乳化液具有更好的稳定性，淀粉颗粒对油滴的包裹隔绝了氧气，从而降低了氧化程度。

综上所述，各种植物来源淀粉制备的OS-Starch均表现出良好的乳化特性，尤其是小颗粒OS-Starch在皮克林乳化液中能够更好的稳定乳化体系。在MP乳化液中，OS-Starch颗粒与MP分子通过相互作用产生更强的乳化效果为形成更好的复合凝胶奠定了基础。这些研究结果均说明OS-Starch皮克林乳化液可作为新型淀粉基颗粒乳化剂在乳化肉糜产品中应用，并能进一步提高产品的品质。

4 结语与展望

OS-Starch皮克林乳化液在诸多食品领域都发挥了其独特的优势和重要的作用，而在肉制品领域应用很少，但通过对OS-Starch皮克林乳化液的研究为其在乳化肉糜制品中的应用提供了良好的理论依据和试验基础。在提高MP功能特性、尤其是进一步改善MP的乳化和凝胶特性方面更应考虑OS-Starch的颗粒大小和疏水特性产生的影响，并深入研究小颗粒疏水改性淀粉与MP相互作用的机理。

此外，随着低脂乳化型肉糜制品的产量逐年上升，对此类肉制品的产品质量要求也越来越高，而MP作为肉糜制品原料中重要的功能性蛋白质，其乳化和凝胶特性对产品的品质和质构特性会产生直接影响。同时，产品配料中的脂肪替代物对MP的乳化和凝胶特性是否有良好的促进和改善作用也直接影响了产品的质量。因此，选择更加适合替代脂肪的OS-Starch对于低脂肉糜制品的生产与发展具有重要的作用。通过研究小颗粒OS-Starch制备皮克林乳化液的特性以及此类改性淀粉作为脂肪替代物参与MP乳化、凝胶的过程，从中选择更加良好的疏水改性淀粉基脂肪替代物，即有助于开发新型淀粉基颗粒乳化剂，同时对提高乳化肉糜制品的品质和市场竞争力具有重要意义。