疏水化改性淀粉微粒稳定的Pickering乳状液的性质研究

郑 芬 龚 慧 宋晓燕 张 剑 任红涛

(河南农业大学食品科学技术学院，郑州 450002)

Pickering乳状液是纳米或微米级固体颗粒稳定的乳状液[1]，固体颗粒称为颗粒乳化剂。常用于稳定Pickering乳状液的固体颗粒有黏土、二氧化硅、氧化铝和钛氧化物等，但由于安全方面的原因，这些颗粒乳化剂在食品领域的应用受到限制[2]。糖类、蛋白类和脂质类等兼具食用性的材料逐渐成为颗粒乳化剂研究的热点[3, 4]，其中，淀粉因其来源广、价格低等优点而备受关注[5-7]。

淀粉在自然界中分布广泛，但不同植物来源的淀粉颗粒大小存在差异。大米淀粉的粒径为3～8 μm，苋菜籽淀粉的粒径为1～3 μm，属于自然界发现的较小的淀粉颗粒[8]。淀粉颗粒大小对Pickering乳化液的稳定性有重要影响。Li等[9]以大米、糯玉米、小麦和马铃薯淀粉为颗粒乳化剂稳定Pickering乳状液，结果表明，大米淀粉的乳化效果最佳，马铃薯淀粉的效果最差。Li等[10]研究了淀粉球晶、大米、糯玉米、糯马铃薯淀粉改性后的乳化性能，结果表明，较小的颗粒具有更好的乳化能力。Marefati等[11, 12]用辛烯基琥珀酸酐对大米、藜麦和苋菜籽淀粉进行了改性，并研究了不同改性水平和淀粉浓度对乳状液稳定性的影响。课题组前期研究发现辛烯基琥珀酸酐疏水化修饰的大米淀粉作为颗粒乳化剂，对Pickering乳状液具有较好的稳定作用，且可以抑制乳状液中脂质的氧化[13, 14]。

研究以颗粒小而粒度均匀的大米淀粉和苋菜籽淀粉为原料，制备辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride，OSA)疏水化修饰的淀粉微粒，构筑Pickering乳状液，通过对乳相体积、液滴粒径分布、微观结构及流变学特性的研究来比较2种淀粉对乳状液的稳定效果，为其在食品及相关工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苋菜籽；冈优188大米；葵花籽油；溴化钾为色谱纯；尼罗红、尼罗蓝；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TD5A台式大容量离心机，IKA T18 ULTRA-TURRA®高速分散机，Nexus 670傅里叶红外光谱仪，JSM-7001F场发射扫描电镜，DHR-1流变仪，RISE-2008激光粒度分析仪，FV1200激光扫描共聚焦显微镜。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

苋菜籽淀粉的提取参考Villarreal等[15]的方法并略作修改。分别将粉碎后的大米和苋菜籽与NaOH溶液(0.5%)按1∶2.5混合，过胶体磨2次，然后将物料分装于锥形瓶中，在35 ℃水浴摇床振摇16 h，振荡结束后在4 000 r/min离心10 min并弃去上清液，刮去沉淀物中杂质。剩余白色沉淀物分散于自来水中，用3% HCl调pH为6.5，离心、刮去杂质，重复水洗、离心2次，40 ℃烘箱中干燥24 h得到淀粉。

1.3.2 疏水化改性淀粉的制备

参考Song等[16]的方法并略作修改。准确称取60 g淀粉(干基)分散于140 mL蒸馏水中，反应温度35 ℃，用3%的NaOH溶液调节体系维持在pH 8.5。然后逐滴加入用无水乙醇稀释的辛烯基琥珀酸酐(淀粉干基的5%)，2 h内加完，继续反应3 h。反应结束后用3% HCl调至pH 6.5，离心弃上清液，沉淀物分别用蒸馏水和70%乙醇离心洗涤2次，40 ℃烘箱中干燥24 h得到OS-淀粉。

1.3.3 取代度的测定

取代度(Degree of substitution, DS)的测定采用滴定法。参考Song等[13]方法进行测定，计算公式为：

式中：A为消耗NaOH标准溶液的体积/mL；M为NaOH标准溶液的浓度/mol/L；W为样品的质量/g。

1.3.4 傅里叶红外光谱的测定

将淀粉样品与KBr混合研磨并压片，在400～4 000 cm-1波长范围内扫描。

1.3.5 粒径的测定

采用激光粒度分析仪测定淀粉微粒和乳状液的粒径。以蒸馏水为介质，搅拌速率为900 r/min，循环泵速率为1 500 r/min。

1.3.6 扫描电镜观察淀粉的形态

将样品均匀分散固定于导电胶上并进行喷金处理，在2 000倍下观察淀粉结构并拍照。

1.3.7 乳状液的制备

准确称取不同质量的淀粉并分散于蒸馏水中，加入33%(相对于整个体系)葵花籽油，用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min，分别得到质量分数为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的改性大米淀粉和改性苋菜籽淀粉稳定的乳状液。制备不同油相浓度乳状液时，固定淀粉加入量，分别加入25%、33%、50%、67%、75%的葵花籽油，用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min。

1.3.8 乳状液稳定性的表征

参考Song等[14]的方法并略作修改。将乳状液分装于25 mL带刻度试管中，分别在6 h和1、7、14 d观察乳状液中析出水的体积，在4个月时拍照记录乳状液稳定情况。

1.3.9 乳状液微观结构观察

采用激光共聚焦显微镜观察乳状液的微观结构。取一滴乳状液于带凹槽的载玻片上，滴加混合染料并盖上盖玻片，然后在488、633 nm的激发波长下扫描采集图像。混合染料由异丙醇溶解的尼罗红(0.01%)和超纯水溶解的尼罗蓝(0.01%)进行等体积混合而得到。

1.3.10 乳状液流变特性的测定

采用流变仪进行测定，测定项目包括静态流动扫描和动态振荡扫描，静态流动扫描的剪切速率为0.01 ～ 1 001/s。动态振荡扫描实验之前，先对乳状液样品进行振荡振幅扫描以确定线性黏弹区。实验参数：频率为1.0 Hz、振幅应变为0.01%～10%。振荡频率扫描时设置振幅应变为0.1%，频率为10.0～0.01 Hz，从高频率向低频率扫描。进行上述实验均设定环境温度为25 ℃，使用的平板夹具直径为40 mm，平板间距设置为1 000 μm，样品装载后静止2.0 min，待样品回复后再进行测试。

1.3.11 数据处理

数据平行测定3次，采用Origin 2018作图；用SPSS19.0软件Duncan′s多重比较进行方差分析，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 淀粉的理化性质

由表1知，大米改性淀粉和苋菜籽改性淀粉的取代度分别为0.024和0.026。大米原淀粉粒径范围为3.70～11.89 μm，改性之后粒径变化不大。与大米淀粉比较，苋菜籽淀粉具有较小的D10、D50、D90和Dav，其粒径范围为0.83 ～ 2.21 μm，改性之后粒径为1.17～7.72 μm，略有增加，这是因为OSA疏水化改性主要发生在淀粉颗粒表面，苋菜籽淀粉由于颗粒较小，改性之后易于聚集。

表1 大米淀粉和苋菜籽淀粉的粒径分布

2.2 原淀粉和改性淀粉的红外光谱图

图1 原淀粉和改性淀粉的红外光谱图

2.3 淀粉的扫描电镜分析

由图2知，OS-苋菜籽淀粉比OS-大米淀粉颗粒小，与表1结果一致。疏水化改性之后，淀粉颗粒表面光滑，个别淀粉表面出现孔洞，但颗粒完整，淀粉的颗粒结构没有被破坏。这是由于辛烯基琥珀酸酐在水中溶解性较低，酯化反应主要发生在淀粉颗粒表面，而不破坏淀粉的颗粒结构[17]。因此，疏水化改性之后的淀粉可以作为颗粒乳化剂。

图2 淀粉的扫描电镜图

2.4 不同淀粉浓度对乳状液稳定性的影响

不同淀粉浓度对乳状液稳定性的影响见表2，随着OS-大米淀粉和OS-苋菜籽淀粉浓度的增加，乳状液稳定性增强，在淀粉质量分数为0.5%时，OS-大米淀粉不足以稳定乳状液，有油滴析出，因为体系中油不能完全被淀粉包裹。而OS-苋菜籽淀粉在0.5%～4.0%范围内均能稳定乳状液，并且显示出比大米改性淀粉更好的乳化能力。由表3知，随着淀粉浓度的增加，乳状液液滴粒径减小，且OS-大米淀粉稳定的乳状液的平均粒径变化幅度比OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液的粒径大。

表2 不同淀粉浓度对Pickering乳状液稳定性的影响

表3 不同淀粉浓度对Pickering乳状液液滴粒径的影响

2.5 不同油浓度对乳状液稳定性的影响

不同油浓度对乳状液稳定性的影响见表 4，随油相浓度的增加，乳状液中析水体积减少；油相浓度相同的乳状液，在放置相同时间后，OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液均比OS-大米淀粉稳定的乳状液析出的水量少。由表5可知，当油相质量分数为25%、33%时，OS-大米淀粉稳定的乳状液和OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液的Dav变化范围为77.77～83.01 μm；油相浓度继续增加时，OS-大米淀粉稳定的乳状液粒径显著增加，但OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液的粒径变化不大。可能因为苋菜籽改性淀粉颗粒较小，乳状液的稳定性更好[18]。

表4 不同油浓度对Pickering乳状液稳定性的影响

表5 不同油浓度对Pickering乳状液液滴粒径的影响

2.6 乳状液的微观结构

为4.0%疏水化改性淀粉微粒稳定的乳状液的微观结构，淀粉微粒吸附于油水界面，阻止油滴的聚集，并且由于OS-苋菜籽淀粉具有较小的颗粒，比OS-大米淀粉吸附层更均匀和致密。从微观上解释了大米改性淀粉和苋菜籽改性淀粉稳定的乳状液性能存在的差异。

图3 乳状液CLSM微观结构图

2.7 乳状液的流变学特性

由图4可见，随着剪切速率在0.01～100 1/s范围的增加，2种改性淀粉稳定的乳状液的黏度先迅速减少，然后趋于平稳，表现出剪切稀化行为，这表明淀粉微粒稳定的Pickering乳状液属于假塑性流体[13,19]。乳状液中液滴的大小、连续相黏度及组成等都将影响乳状液的流变学特性，OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液比OS-大米淀粉稳定的乳状液的黏度大，这可能是由于同体积乳状液中，OS-苋菜籽淀粉比OS-大米淀粉的数目更多，故黏度更大。

注：淀粉质量分数4.0%，油相质量分数50%。图4 乳状液的静态剪切流变图

由图5可见，在0.01～10 Hz范围内改变振荡频率，OS-大米淀粉和OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液的储能模量(G′)和损耗模量(G″)均不变，表现出良好的稳定性。OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液的G′比OS-大米淀粉稳定的乳状液的高，这是由于OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液液滴的包裹率更高，故其抗形变的能力更强。OS-大米淀粉和OS-苋菜淀粉稳定的乳状液的Tan δ值(Tan δ= G″/ G′)均小于1，这说明2种改性淀粉乳状液体系均表现有类似胶体的行为[13]。OS-苋菜籽淀粉稳定的乳状液的Tan δ值比OS-大米淀粉稳定的乳状液的Tan δ值更低，这可能与2种淀粉的颗粒结构及乳状液液滴的大小有关。

注：淀粉质量分数4.0%，油相质量分数50%。图5 乳状液的振荡频率扫描图

3 结论

比较了辛烯基琥珀酸酐疏水化改性大米淀粉和苋菜籽淀粉微粒稳定的Pickering乳状液的性质。在相同制备条件下，改性苋菜籽淀粉稳定的Pickering乳状液具有更好的稳定性。疏水化改性淀粉微粒均匀包裹于油滴表面，阻止油滴的聚集，稳定乳状液体系。2种淀粉微粒稳定的Pickering乳状液均表现出剪切稀化行为，且剪切过程中改性苋菜籽淀粉稳定的乳状液的黏度比改性大米淀粉稳定的乳状液的大。2种淀粉微粒稳定的乳状液的Tan δ值均小于1，表现有类似胶体的行为，且改性苋菜籽淀粉稳定的乳状液的G′更高、Tan δ更小。