辛烯基琥珀酸麦芽糊精酯的精制及乳化性质

2022-02-21黄立新杜鹏尹寿伟农立忠张元超

华南理工大学学报（自然科学版） 2022年1期

黄立新杜鹏尹寿伟农立忠张元超，

(1.华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州 510640；2.广州华糖食品有限公司，广东广州 510760)

辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)是淀粉与辛烯基琥珀酸酐(OSA)在碱性条件下经酯化反应制得的一类淀粉衍生物。淀粉分子在反应中引入了亲水性的羧基和疏水性的烯基长链基团，表现出了良好的表面活性[1]。近年来，OSAS凭借较低廉的价格和优异的乳化作用广受欢迎，成为了变性淀粉领域中研究、开发与生产的热点。Lin等[2]研究表明，在OSA改性玉米淀粉形成的稳定化乳液中，β-胡萝卜素的生物有效性显著提高。Yu等[3]将OSA改性的蜡质玉米淀粉用于姜黄素的包埋，发现姜黄素在水中的溶解度提高了约1 670倍。但是，OSAS在一些应用中也存在缺点。首先，天然淀粉的颗粒特性使得OSAS冷水不溶，一般需要经过糊化才能用于食品加工系统，严重影响了其表面活性[4]。第二，OSAS的临界聚集浓度(CAC)随淀粉分子量的升高而增大，意味着需要提高OSAS的用量来实现与目标分子的相互作用，将导致乳液体系黏度变大，影响所应用食品系统的质构，特别是低黏度食品的质构会发生重大变化[5]。第三，未降解的OSAS溶液黏度较高，做不到“高浓低黏”，喷雾干燥较难，不太适用于微胶囊等用途[6]。

麦芽糊精是淀粉的酶解产物，水溶性高，在高浓度下表现出非牛顿流体的性质，具有一定的乳化性、较好的粘附性和成膜性[7]。其相对分子质量远低于天然淀粉，也容易被OSA修饰[8]。麦芽糊精与OSA反应制得的辛烯基琥珀酸麦芽糊精酯，具有冷水可溶、高浓低黏等特点[5]。辛烯基琥珀酸麦芽糊精酯(OSDE)可采用乙醇的有机溶剂体系进行制备，也可采用水相法来制备[9]。在反应过程中，体系pH不断下降，需要流加碱保持微碱性。反应结束后，体系除OSDE产物外还含有OSA水解物、氯化钠等各种水溶性杂质，需经过精制纯化、过滤、沉淀洗涤、干燥等工艺步骤，才能得到高纯度的OSDE产物。制备的OSDE产物取代度越高，OSA用量越大，体系中加入的碱越多，杂质也越多，纯化就显得尤为重要。本研究采用乙醇沉淀洗涤法、离子交换法、膜分离法等3种方法精制OSDE粗产物，比较探寻最好的精制方法，得到高品质OSDE制品；以扫描电镜(SEM)和红外光谱(FT-IR)表征纯化OSDE产物形貌和基团变化，并与常用于食品微胶囊壁材的阿拉伯胶比较，测定其流变与乳化性质，为OSDE和其他淀粉酯类物质的精制及OSDE作为昂贵的阿拉伯胶的替代品提供了积极的指导作用。

1 实验材料、方法

1.1 材料与试剂

麦芽糊精(DE值12.3)，广州双桥股份有限公司生产；OSA(分析纯)，杭州中香化学有限公司生产；阿拉伯胶(食品级)，英国AGRISALES有限公司生产；001×7(732)强酸性阳离子交换树脂、201×7(717)强碱性阴离子交换树脂，杭州争光树脂有限公司生产；Z型层析柱，上海精科实业有限公司生产；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇、硝酸银、酚酞等化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PHS- 3C型精密pH计，上海精密科学仪器有限公司生产；DDS- 307A型电导率仪，上海精密科学仪器有限公司生产；AD- 4715型快速水分测定仪，日本岛津公司生产；Ro-UF4010型实验用膜分离装置，上海亚东核级树脂有限公司生产；WAY- 2W型阿贝折光仪，上海精密科学仪器有限公司生产；S3700型扫描电子显微镜，日本日立公司生产；NICOLET6700型傅里叶红外光谱仪，美国THERMO NICOLET公司生产；RS600型哈克旋转流变仪，德国HAAKE公司生产；FA25型实验室高剪切分散乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司生产；OLYMPUS-BH2型多功能光学显微镜，日本OLYMPUS公司生产。

1.3 方法

1.3.1 辛烯基琥珀酸糊精酯的制备

麦芽糊精用去离子水配成30%(质量分数)的溶液，35 ℃下水浴，用2%(质量分数)的NaOH溶液调节体系pH至8.5～9.0，再加入3倍乙醇稀释的相对麦芽糊精干重1%～9%的OSA，反应过程中不时流加适量的碱液保持体系的pH，制备不同取代度的OSDE。当体系pH值稳定不变后，用1 mol/L的盐酸将体系调至pH为6.5～7.0，即得OSDE粗品溶液。粗品溶液经不同方法的纯化处理后，得到OSDE样品。

1.3.2 乙醇沉淀洗涤

将OSDE粗品溶液100 mL倒入约450 mL的无水乙醇中，过滤，再用80%(体积分数)的乙醇溶液洗涤5次，45 ℃下烘干，粉碎过100目筛，得到白色粉末状的OSDE样品。

1.3.3 膜分离纯化

采用Ro-UF4010型实验用膜分离装置，选用装置自带纳滤膜(截留相对分子质量为400～600)，钠滤组件装置工作压力为0.4～0.6 MPa。将粗品溶液100 mL稀释15倍(质量分数≤2%)作为通入液，浓缩流出液仍回流到进样瓶中与产物溶液混合，以循环过膜纯化。纯化过程中定时用pH计和电导率仪测定渗透液、浓缩液的电导率，以监测其纯化脱盐效果。纯化完成后，将浓缩液通过旋转蒸发器浓缩后，进行冷冻干燥，得到白色片状的OSDE样品。

1.3.4 离子交换纯化

732型、717型离子交换树脂进行预处理，分别转至H+型和OH-型。量取170 mL处理过的732型阳离子交换树脂，采用湿法上柱装入Φ 2.6×40 cm的层析柱，量取210 mL处理过的717型阴离子交换树脂，装入Φ 2.6×50 cm的层析柱，用恒流泵使产物溶液先通过阳离子柱，再通过阴离子柱。取粗溶液100 mL进入层析柱后用蒸馏水洗脱，控制流速为5.5 mL/min，用阿贝折光仪检测阳离子柱和阴离子柱流出液折光度，当阴离子柱折光度大于5%时开始收集流出液，当折光度小于5%时停止收集。收集过程中定时用pH计和电导率仪测定流出液的电导率，以监测其纯化脱盐效果。将收集液通过旋转蒸发器浓缩后，进行冷冻干燥，得到白色片状的OSDE样品。

1.3.5 灰分含量和取代度的测定

采用箱式电阻炉900 ℃灼烧法测定灰分含量。

采用滴定法测定样品的取代度。样品经离子交换法纯化后，其酸度值就是反应产物酸根离子的含量，因此无需进行酸洗，直接用NaOH标准溶液滴定即可得到反应产物的取代度。准确称取2.0 g(干基)离子交换纯化样品于250 mL三角瓶中，并加入约100 mL蒸馏水，沸水浴20 min，加入2滴酚酞指示剂，趁热用0.01 mol/L的NaOH标准溶液滴定至溶液呈粉红色。样品取代度计算公式为：DS=0.162 4A/(1-0.210A)。式中，DS表示取代度，A表示每克样品所耗用0.01 mol/L NaOH标准溶液的物质的量。

1.3.6 扫描电镜分析

将待测样品在50 ℃电热鼓风干燥箱内干燥24 h，在铝制的样品台上贴一层双面胶，将样品粉末撒在双面胶上，用洗耳球吹去未粘上的粉末。喷金，上样，扫描并拍摄具有代表性的样品的微观形态形貌。

1.3.7 红外光谱

取约100 mg干燥的溴化钾置于玛瑙研钵研磨至粉末状，再取约1 mg 样品和粉末充分混合，继续研磨2～5 min。取适量混合物压成薄片，在400～4 000 cm-1范围下进行红外光谱扫描。

1.3.8 流变特性

参考顾宏新等[10]的方法并略作改动。准确称取麦芽糊精、阿拉伯胶和精制的OSDE用蒸馏水配制成20%(质量分数)的乳液，在沸水浴中加热30 min并持续搅拌，冷却，用哈克流变仪测定它们在25 ℃时表观黏度随剪切速率的变化。

1.3.9 乳液乳化稳定性、流变性和显微形态

乳液制备：配制40%(质量分数)的麦芽糊精、阿拉伯胶、DS0.0144和DS0.0416的OSDE溶液，搅拌后在沸水浴中加热分散15 min，按7：3的比例称取相应质量的大豆油趁热倒入乳液中，10 000 r/min均质3 min，得到水包油型的乳状液。

乳化稳定性：制得上述乳状液后，立即以 1 min 为间隔连续读数10次测定体系的电导率值随时间的变化，以测定时间为横坐标，相对电导率(G0-Gi)/G0为纵坐标作图(其中G0为起始时间溶液的电导率；Gi为i时间溶液的电导率)，其斜率即为乳化稳定性参数[11]。

流变性：取阿拉伯胶、DS0.0416的OSDE配制的上述乳液，用哈克流变仪测定它们在25 ℃时表观黏度随剪切速率的变化等性质。

乳液形态：取少许阿拉伯胶、DS0.0416的OSDE乳状液于载玻片上，盖上盖玻片，用光学显微镜观察拍摄乳液的微观形态。将阿拉伯胶、DS0.0416的OSDE乳状液进行冻干处理，得到微胶囊样品，按第1.3.6节的方法进行SEM观测分析。

1.4 数据分析

所有实验结果均重复测定3次，以平均值±标准偏差表示。使用Origin 2018对数据进行处理并绘图。

2 结果与分析

2.1 精制纯化效果的比较

OSDE粗品以及用第1.3节中的3种方法进行精制纯化的产物，其OSDE干固物的回收率都接近100%，它们的水分灰分含量和电导率见表1。结果表明，离子交换纯化效果最佳，其灰分含量和电导率均降低最多，灰分下降了94%，电导率下降了93%。膜分离纯化效果次之，去除了53%的灰分，电导率下降了56%。

表1 3种方法纯化OSDE的效果Table 1 Effects of OSDE purification by three methods

酯化反应后生成的OSDE具有羧基基团，反应体系pH用酸中和至6.5～7.0时，OSDE中的羧基基团还将结合一部分钠离子或者其他可能的金属离子。由于80%(体积分数)的乙醇溶液为中性溶液，且氯化钠等盐在乙醇溶液中的溶解度也会减小，因此达不到完全去除其中钠或盐的效果。其次，被无水乙醇絮凝析出的OSDE固体产物具有较高的粘结性，不易过滤，故乙醇沉淀洗涤纯化法的产物灰分含量和电导率最高，与未处理的样品比较接近。

离子交换法纯化前的溶液、阳离子柱的流出液、以及通过阳离子柱再通过阴离子柱的流出液的固形物含量、灰分、电导率和pH值见表2。由表2可见，通过阳离子柱的样液的电导率与纯化前的样品溶液相等，但其灰分含量却下降了92.8%，pH值下降到(1.20±0.03)；而阳-阴柱流出液的灰分下降了93.1%，和阳柱流出液的灰分相近，电导率则比纯化前的溶液降低了90%，pH值为(3.00±0.02)。结果表明样品通过阳离子交换柱后，除去了其中大部分的灰分，主要是Na+；再通过阴离子交换柱，主要除去的样液中含量较少的Cl-，以及极少量可能残留的OSA酸根离子。因此，纯化后的流出液主要成分为OSDE及其电离产物，且产物纯度极高，其酸度值能准确反应产物酸根离子的含量。所以，OSDE粗产物经离子交换纯化后，测定取代度时无需进行酸洗，直接用NaOH标准溶液滴定，即可得到反应产物的取代度。

表2 OSDE粗液离子交换的纯化效果Table 2 Effects of OSDE purification by the method of ion-exchange

2.2 扫描电镜

麦芽糊精和OSDE样品的扫描电镜照片如图1所示。由图可见，麦芽糊精颗粒形态不一，粒径范围较大，除个别颗粒呈现规则的球形外，其余多数颗粒表面均存在凹陷和褶皱现象，棱角分明，表面粗糙，这是由于颗粒在干燥和冷却过程中产生了皱缩。冷冻干燥的OSDE呈不规则片层状，棱角尖锐，表面较光滑，略有沟状或点状的区域，为经过冷冻干燥后重新形成的新微观片层结构。

(a)麦芽糊精(×500)

(b)OSDE(×1 000)图1 麦芽糊精和OSDE样品的SEM照片Fig.1 SEM micrographs of maltodextrin and OSDE

2.3 红外光谱

图2 麦芽糊精和OSDE的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of maltodextrin and OSDE

2.4 流变性

不同剪切速率下麦芽糊精、OSDE(DS0.0144)、OSDE(DS0.0416)和阿拉伯胶的表观黏度见图3，结果表明它们的流变学的特性基本相同或相似。依据Ostwald-Dewaele方程的对数形式lnηα=lnκ+(n-1)lnγ(其中ηα、γ分别表示表观黏度和剪切速率)，分别计算得到其相应的稠度系数κ和粘性指数n，结果见表3。其中r2表示线性相关系数。

图3 不同糊液的流变特性Fig.3 Rheological properties of different solutions

由表3可见：4种分散液的n值均小于1，说明这些溶液均表现出非牛顿流体流变性质；OSDE的稠度系数κ和粘性指数n都高于麦芽糊精，表明酯化后其增黏能力增强，剪切变稀性质减弱。随着取代度的增加，稠度系数κ和粘性指数n均增大，这表明其增黏能力随取代度的增加而增大，剪切变稀性质随取代度的增加而减弱。剪切稀化现象主要是因为：施加剪切力后，处于糊化舒展状态下的分子链被卷入流动，由于分子链比较长，又存在许多支链，因此分子之间相互缠绕在一起，这种缠绕成为流动的主要阻力，从而使表观黏度提高；而随着剪切速率的增大，剧烈的剪切作用使分子间作用力减弱，相互缠绕的分子在剪切作用下定向排列，聚集程度下降，从而导致糊液的表观黏度下降。酯化后的麦芽糊精由于分子链进一步加长，所以在不同剪切速率下均表现出比麦芽糊精更高的表观黏度。随着取代度的上升，OSDE相对分子质量进一步增大，所以表现出更强的增黏能力与更弱的剪切变稀性质[13]。阿拉伯胶的稠度系数κ和粘性指数n均大于本实验的酯化产品，说明其黏度大于其他糊液的黏度，剪切变稀的性质比酯化产品差。

表3 不同糊液的稠度系数κ和粘性指数nTable 3 Consistency coefficient κ and viscosity index n of different solutions

2.5 乳液的乳化稳定性

乳化稳定性参数表示短时间内乳状液体系电导率的下降率，可反映乳状液稳定性，该数值越低，表明电导率变化小，水油分层慢，乳状液越稳定。阿拉伯胶、OSDE(DS0.0416)、OSDE(DS0.0144)的乳化稳定性参数分别为(0.009 4±0.000 4)、(0.010 3±0.000 5)、(0.011 5±0.000 3)。麦芽糊精溶液与大豆油的混合物经过均质后立刻分层，几乎没有乳化能力。乳化稳定性的顺序由高到低为：阿拉伯胶、OSDE(DS0.0416)、OSDE(DS0.0144)、麦芽糊精。OSDE同时含有亲水和亲油的基团，在搅拌剪切作用下可形成稳定的乳状液。乳化稳定性随取代度的增大而增强，取代度增大使麦芽糊精上亲油性基团增多，与油相分子作用力增强，更易形成一层坚韧致密的薄膜，使乳状液的稳定性增加[2]。阿拉伯胶的乳化稳定性最高，阿拉伯胶结构上带有部分蛋白物质及结构外侧的鼠李糖，使之具有良好的亲水亲油性，在各试验品中的乳化稳定性比OSDE(DS0.0144)稍好一些。

2.6 乳液的流变特性

大豆油/ OSDE(DS0.0416)、大豆油/阿拉伯胶乳状液的流变性质如图4所示。由图可见，两种乳状液的表观黏度均随剪切速率的增加而迅速降低，符合典型的假塑性流体规律。在相同的剪切速率下，阿拉伯胶的黏度稍大，但两者的差别很小。

图4 大豆油的OSDE和阿拉伯胶的乳液的流变特性Fig.4 Rheological properties of soybean oil emulsions of OSDE and gum arabic

2.7 乳液显微形态

大豆油/ OSDE(DS0.0416)、大豆油/阿拉伯胶乳状液的微观形态如图5所示。由图可见，OSDE制备的乳状液液滴主要呈圆形，均较小，整体分散性良好，OSDE结构降低了空气/水界面张力，有利于小油滴的形成[14]。阿拉伯胶乳液液滴粒径最小，分布均匀，与OSDE配制的乳状液有着相似的微观形貌，未见明显本质差异。乳液内存在少量的较大的油滴颗粒，可能是体系黏度较大且高速剪切机的剪切分散不均匀所致[15]。