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辛烯基琥珀酸淀粉酯分子结构差异对其Pickering乳液释放性能的作用机制

2022-10-31梁世濠谭可宜刘泳琪周苏斌黄霭珺司徒文贝

食品研究与开发 2022年21期
关键词:琥珀酸乳液黏度

梁世濠,谭可宜,刘泳琪,周苏斌,黄霭珺,司徒文贝

(华南农业大学食品学院,广东 广州 510642)

活性功能因子因对机体有明显的调节和保护作用而被大众所喜爱,但由于加工储藏过程水分、压力以及人体消化道pH值、消化酶的影响,活性功能因子需要一定的载体材料进行保护,才能确保其生理作用的发挥[1]。Pickering乳液是以超细粒子作为乳化剂而得的乳状液,粒子吸附于油水界面可稳定界面层,在功能因子保护与递送方面有重要作用,是一种新型的包载体系[2]。组成Pickering乳液的胶体粒子极为重要,目前天然多糖、大豆蛋白、小麦蛋白、纳米纤维素等常用作Pickering乳液的制备材料[3-6]。

在淀粉基载体材料中,改性淀粉、淀粉/脂复合物、淀粉/多糖复合物、淀粉纳米晶等均可用于Pickering乳液的制备[2,7-9]。玉米淀粉、小米淀粉、芋头淀粉、藜麦淀粉等也曾被选用,进行酯化改性,制得Pickering乳液[10-13]。辛烯基琥珀酸淀粉酯(octenyl succinic anhydride starch,OSA-St)由于辛烯基琥珀酸基团的引入,而带有一定的电荷,能在溶液中形成胶束,常用作微胶囊壁材、乳化稳定剂等[14]。有研究发现,辛烯基琥珀酸淀粉酯的乳化性随着酯化取代度的提高而不断增大,进而影响其作为微胶囊壁材的乳化性能[15]。李志坤[7]曾利用不同晶型的原淀粉,制备OSA-St及其Pickering乳液,结果发现,具有A型结晶结构的马铃薯淀粉制得的OSA-St乳化性能更好,形成的Pickering乳液更稳定。由此可见,受原淀粉结构的影响,改性淀粉的结构性能也会有所差别,进而影响其Pickering乳液的包载、递送性能。但从淀粉的链结构、层状结构到其聚集体结构有多种的变化可能,以此为基础,全面探讨淀粉基Pickering乳液的研究较少。

针对原淀粉分子结构差异对淀粉基Pickering乳液性能的影响,本文选用支叉结构有差异的蜡质玉米淀粉和普通玉米淀粉,配合高温降解手段,分别制备OSA-St及其Pickering乳液,利用现代分析仪器,研究淀粉基载体材料分子结构,探讨材料微观结构对Pickering乳液性能、控释行为的作用机制,为稳定的Pickering乳液制备及其释放性能调控提供参考,也为合理利用淀粉基载体材料提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride,OSA)(分析纯):广州化学试剂厂;普通玉米淀粉、蜡质玉米淀粉:河北古松农副产品有限公司;玉米油:嘉里粮油(中国)有限公司;α-淀粉酶(12 U/mg)、胃蛋白酶(3 000 U/g)、胰蛋白酶(4 000 U/g)、糖化酶(100 U/mg):广东皖冬生物科技有限公司;其它试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

ME204/02红外水分测定仪:梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;MCR502流变仪:奥地利安东帕公司;Scientz-D超声波细胞破碎仪:宁波新芝生物科技有限公司;Vertex 70傅里叶红外光谱仪:美国布鲁克公司;DV2T黏度计:美国博勒飞公司;ZS90纳米粒度及Zeta电位分析仪:英国马尔文仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 OSA-St的合成与降解

称取8.0 g淀粉(干基)溶于200 mL蒸馏水,控制温度35℃,用2%氢氧化钠调节淀粉乳pH值至9.0,分别滴加 0.7、1.4、2.1、2.8、3.5、5.0、6.5 g 和 8.0 g OSA,并立即计时,反应过程中持续滴加2%氢氧化钠,维持反应体系pH值为9.0,反应4 h后加入冰醋酸调节反应体系pH值至7.0,结束反应。淀粉乳液用布氏漏斗抽滤,获得滤饼,并水洗3次,45℃烘干12 h,粉碎过100目筛,备用。用酸碱滴定法测定OSA-St的取代度(degree of substitution,DS)[15],取代度计算公式如下。

式中:0.162为葡萄糖残基的摩尔质量,g/mmol;0.21为辛烯基琥珀酸酐的摩尔质量,g/mmol;A为每克辛烯基琥珀酸淀粉酯消耗0.1 mol/L氢氧化钠的物质的量,mmol;c为氢氧化钠的浓度,0.1 mol/L;V 为消耗0.1 mol/L氢氧化钠的体积,mL;w为辛烯基琥珀酸淀粉酯样品的质量,g。

根据原淀粉来源不同,蜡质玉米淀粉(Waxy)和普通玉米淀粉(Corn)制得的辛烯基琥珀酸淀粉酯,分别命名为OSA-Waxy和OSA-Corn。当辛烯基琥珀酸淀粉酯DS分别为0.01、0.02、0.03时,对应的淀粉样品分别命名为 OSA-Waxy-0.01、OSA-Waxy-0.02、OSA-Waxy-0.03 和 OSA-Corn-0.01、OSA-Corn-0.02、OSA-Corn-0.03。

称取适量OSA-St在150℃下进行热降解2 h,得到高温降解的淀粉样品[15],根据原淀粉不同,分别命名为OSA-Waxy-HD和OSA-Corn-HD。当淀粉样品DS为0.01、0.02、0.03时,具体的淀粉样品命名为OSAWaxy-1-HD、OSA-Waxy-2-HD、OSA-Waxy-3-HD 和OSA-Corn-1-HD、OSA-Corn-2-HD、OSA-Corn-3-HD。未经任何处理的原淀粉,按淀粉来源分别命名为Native-Waxy和 Native-Corn。

1.3.2 OSA-St的结构性能测定

1.3.2.1 OSA-St的链结构测定

上述制备的淀粉样品,其链结构运用傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR)进行测定。试验采用溴化钾压片法测定。将样品与一定量溴化钾混合、研磨、压片,以空气为背景,扫描范围为 4 000 cm-1~ 600 cm-1,分辨率为 4 cm-1,扫描 16 次,所得谱图进行基线校正处理。

1.3.2.2 OSA-St的黏度测定

对于上述制备的淀粉样品黏度进行测定,将OSA-St配制成一定浓度的淀粉乳,经沸水浴糊化30min后,在25℃下,利用黏度计,在转速30 r/min下测定其黏度。

1.3.3 淀粉基Pickering乳液的制备与性质测定

称取0.002 g OSA-St溶于2 mL蒸馏水中,加入105 μL玉米油,并用超声波细胞破碎仪超声2 min,使乳液均匀、无沉淀,制成Pickering乳液。将制得的Pickering乳液用去离子水稀释至浓度为1%,分散均匀后测定粒径及Zeta电位。

1.3.4 淀粉基Pickering乳液的消化性能测定

参考余振宇[12]的方法,制备口腔消化模拟液(simulated saliva fluid,SSF)、胃消化模拟液(simulated gastric fluid,SGF)和小肠消化模拟液(simulated intestinal fluid,SIF)。取4 mL乳液样品于离心管,加入4 mL SSF,混合、调节混合液pH值为6.8,加入0.5 mL溶有α-淀粉酶(11.6 mg/mL)的溶液,37℃、100 r/min振荡10 min,以模拟口腔消化。取10 mL经过模拟口腔消化10 min后的消化液,调整pH值至1.5,加入5 mL SGF及胃蛋白酶溶液(64 mg/mL),37℃、100 r/min振荡 1 h,以模拟胃液消化。乳液样品经过模拟胃液消化后,调节pH值至7.0,加入15 mL SIF及0.5 mL含有胰蛋白酶(66 mg/mL)和糖化酶(42 mg/mL)的溶液,37℃、100 r/min条件下振荡,以模拟小肠消化[12]。在消化过程 10、40、70 min 和 120 min,滴入 0.2 mol/L NaOH 溶液,维持溶液pH值为7.0,以滴定消耗的NaOH溶液体积,按下列公式计算乳液游离脂肪酸(free fatty acids,FFA)释放率。

式中:Vt为时间t所消耗的NaOH溶液体积,mL;C为NaOH浓度,0.1 mol/L;M油脂为油脂的平均分子质量,g/mol;M乳液为乳液中油脂质量,g。

1.3.5 数据分析

采用SPSS 21.0软件分析数据,数据差异性采用单因素方差分析处理,p<0.05表示具有显著差异,试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 OSA-St的合成与表征

不同酸酐用量对OSA-St取代度的影响见图1。

由图1可知,在合成过程中,OSA-St的DS随着OSA添加量的增加呈先上升后下降的趋势,当辛烯基琥珀酸酐用量从0.7 g增加6.5 g,淀粉OSA-Waxy的DS从0.004逐渐增至0.064,淀粉OSA-Corn的DS从0.006逐渐增至0.042。

因为辛烯基琥珀酸酐用量的增加使淀粉分子与OSA之间的结合增加,促进酯化取代反应的进行,淀粉分子上更多的羟基被取代,从而使DS增大[14]。另外,淀粉OSA-Corn的DS值在OSA添加量为3.5 g时达最大值,淀粉OSA-Waxy的DS在OSA添加量为6.5 g时达最大值。这是由于蜡质玉米淀粉的支链含量高,可提供更多的参与酯化反应的作用位点[15]。

对淀粉样品的链结构进行分析,不同辛烯基琥珀酸淀粉酯的FTIR见图2。

由图2可知,蜡质玉米淀粉和普通玉米淀粉均在波数为3 500 cm-1处有特征吸收峰,这是由葡萄糖基上O-H的伸缩振动和C-H的伸缩振动生成的;此外,原淀粉颗粒在波长1 750 cm-1处有特征吸收峰,分析这是由淀粉中残存的结合水导致;原淀粉颗粒在波数为929 cm-1和1 157 cm-1处均有特征吸收峰,分析是由C-O的伸缩振动导致的[14]。

与原淀粉相比,OSA-Waxy和OSA-Corn在1727cm-1和1 574cm-1处均出现了新的特征峰,分析1 574 cm-1处特征峰的出现是由于RCOO-的不对称伸缩振动产生,1 727 cm-1处特征峰的出现是由位于酯羰基C=O的伸缩振动产生,表明OSA基团与淀粉发生了酯化反应。且随着DS的升高,C=O的伸缩振动峰的峰强升高。

2.2 高温降解对OSA-St分子结构的影响

高温降解对OSA-St分子结构的影响见图3。

由图3可知,尽管淀粉原料有差异,但不同DS的OSA-St经高温降解处理后在1 724 cm-1处仍出现C=O伸缩振动吸收峰,并且此峰的强度随着DS的提高而增强。同时,在1 637 cm-1和578 cm-1处分别出现了C=C对称伸缩振动吸收峰和-CH2-CH2-的伸缩振动吸收峰,且强度随着DS的提高而增强。与高温降解前相同DS的OSA-St红外特征吸收峰相同,表明在淀粉分子链中引入的OSA基团,不会在高温降解过程中发生改变和脱落[14]。

淀粉作为乳液的载体材料,其尺寸结构对乳液的性能有着重要影响。OSA基团具有一定的空间位阻,可增大改性淀粉材料的分子移动阻力,同时,高温降解会使淀粉分子链发生断裂,不同的链段长短,均会引起淀粉乳液的黏度改变。高温降解前后OSA-St乳液的黏度变化见图4。

由图4A可知,与原淀粉相比,酯化改性使淀粉乳液黏度的增大,其中,淀粉OSA-Waxy的DS达0.02时,淀粉乳液黏度达最大值,OSA-St在碱性条件下合成,淀粉结晶区域被水解,更多的淀粉链段参与反应,而OSA-St中引入长碳链基团后,OSA基团的空间位阻降低淀粉分子链段的移动性,使淀粉乳液黏度增加。对于不同淀粉原料得到的OSA-St,由于蜡质玉米淀粉中支链淀粉含量高,淀粉支叉结构具有一定的空间体积,呈“簇状”[14],淀粉OSA-Waxy的黏度高于淀粉OSA-Corn。

而高温降解后的OSA-St黏度均大幅度降低,需增大淀粉乳液的浓度以测定其黏度(图4B)。高温处理过程中,淀粉分子链断裂,分子量急剧降低,形成的分子链较短,削弱了分子链间的氢键作用,淀粉分子链在乳液中游移的阻力降低,从而降低淀粉乳液的黏度[15]。高温降解,淀粉分子链随机断裂,与支链淀粉含量相对较低的普通玉米淀粉相比,OSA-Waxy-HD仍保留有一定的支叉结构,从而使OSA-Waxy-HD淀粉乳液的黏度较高[15]。DS在0.01~0.02时,OSA-Waxy-HD均高于淀粉OSA-Corn-HD,当DS为0.03时,OSA-Corn-HD的黏度则高于OSA-Waxy-HD,这是由于DS增大,OSA-Corn-HD的淀粉分子链段受OSA基团空间位阻的影响,分子链段移动的阻力增加,因此,DS升高后,OSA-Corn-HD的黏度高于OSA-Waxy-HD。

2.3 淀粉基Pickering乳液的粒径、表面带电情况

淀粉基Pickering乳液的粒径、表面带电情况见图5。

由图5A可知,两种淀粉基的Pickering乳液粒径随着DS的增加而逐渐减小,OSA-Corn-HD Pickering乳液的变化较为明显。当淀粉酯的DS分别在0.01、0.02和0.03时,OSA-Waxy-HD Pickering乳液粒径分别为 268.7、262.6、248.5 nm,而 OSA-Corn-HD Pickering乳液粒径分别为436.9、298.1、290.1 nm。

在改性过程中,淀粉分子引入带长碳链的OSA基团可形成疏水界面,随着DS的增加,淀粉颗粒表面疏水性增强,淀粉颗粒陷入油滴中的体积增加,增大淀粉颗粒与油滴的接触面积,从而稳定Pickering乳液液滴所需的颗粒更少,因此Pickering乳液液滴的粒径更小[16]。由图5B可知,OSA-Waxy-HD和OSA-Corn-HD的Pickering乳液均带负电,且随着DS提高,表面电荷增大。当淀粉酯的DS分别在0.01、0.02和0.03时,OSA-Waxy-HD Pickering乳液电位分别为-26.6、-29.4、-33.4 mV,而OSA-Corn-HD Pickering乳液电位分别为-26.9、-31.6、-36.0 mV。这与OSA-St在碱性条件下合成含带负电的烯基基团,致使淀粉基Pickering乳液带负电有关[17]。

2.4 淀粉基Pickering乳液的消化性能

乳液经过SSF和SGF后进入SIF消化,在小肠阶段消化、产生FFA。淀粉基Pickering乳液的消化性能见图6。

由图6可知,消化时间为10 min时,随着DS的增加,OSA-Corn-1-HD、OSA-Corn-2-HD、OSA-Corn-3-HD的FFA释放率分别为21.43%、25.71%、30.00%;OSA-Waxy-HD的FFA为21.43%,在消化初期(10min)FFA的释放率迅速增加。消化时间为40 min和70 min时,同一取代度的OSA-Corn的FFA释放率比OSA-Waxy快。在120min时,随着DS提高,OSA-Corn-1-HD、OSACorn-2-HD、OSA-Corn-3-HD的FFA释放率分别为42.86%、45.00%、47.14%;OSA-Waxy-1-HD的FFA释放率为42.86%,其余两组均为47.14%。

在模拟消化液中,淀粉基Pickering乳液的FFA释放受各种消化酶影响。其中,Pickering乳液在模拟消化液中与消化酶接触,相同条件下,随着DS的提高,乳滴粒径变小,更有利于酶的结合,从而促进油脂的消化,乳液的FFA释放量增加[18-19]。受淀粉基Pickering乳液表面的负电荷影响,随着DS增加,乳液液滴之间静电排斥更大而不易聚集,从而也增大了乳液液滴与酶的结合作用[20]。但是,淀粉基Pickering乳液的FFA释放也与pH值变化有关。在消化过程中,淀粉基Pickering乳液在口腔中停留时间较短,淀粉材料虽受淀粉酶的作用,但淀粉基Pickering乳液仍保持原有的粒径与形态。在胃液中由于高离子强度和低pH值,H+与带负电荷的Pickering乳液间发生作用,引起Pickering乳液不稳定。DS较小的淀粉基Pickering乳液容易因表面电荷情况改变而发生聚集,高DS的Pickeirng乳液因静电排斥更大而更稳定。在进入模拟小肠液后,聚集的淀粉基Pickering乳液随聚集程度增大,粒径增大,比表面积减小,从而减缓了FFA的释放量[21]。所以,此阶段高DS的淀粉基Pickering乳液受前一阶段的静电排斥作用影响,比表面积较大而有利于胰脂肪酶的结合,进而释放更多FFA。

同时,受淀粉基材料的消化性能影响,不同的淀粉基Pickering乳液的控释性能有所差异。在淀粉分子结构中成功引入OSA基团后,OSA基团可形成一定空间位阻,阻碍淀粉酶与淀粉的结合,抑制淀粉酶对淀粉的降解,因此,随着DS的增加,淀粉抗消化能力增强,有利于提高淀粉基Pickering乳液的稳定性[22]。对比两种淀粉原料,OSA-Waxy-HD的支链淀粉含量更高,淀粉酶对直链淀粉中α-1,4-糖苷键的水解速率要高于支链淀粉的α-1,6-糖苷键,受淀粉酶解速度的影响,OSA-Corn-HD Pickering乳液释放FFA速度比OSAWaxy-HD Pickering 乳液更快[23]。

结合淀粉材料的结构及淀粉基Pickering乳液性能的分析,选择具有一定支叉结构的淀粉基材料,有利于脂溶性功能因子高效生物利用。同时,在模拟消化过程中,可避免脂溶性成分的快速释放与消化,为脂溶性功能因子胃肠道靶向控释提供基础。

3 结论

为实现功能因子的生物高效利用,探讨OSA-St的分子结构差异对其Pickering乳液性能的影响,本研究制备一系列的OSA-St,通过调整酸酐用量及高温降解、调控淀粉材料的分子结构,为淀粉基Pickering乳液的稳定提供基础。结果表明,随着DS的增加,淀粉基Pickering乳液粒径减小、表面负电荷增多。同时,受原淀粉分子结构及性能影响,支叉结构数量较多的OSA-Waxy-HD形成的Pickering乳液稳定性不佳。另外,在乳液消化过程中,随DS的增加,淀粉基Pickering乳液的带电性提高,颗粒尺寸下降,可有效避免脂溶性成分在胃肠道的快速释放,为脂溶性功能因子胃肠道靶向控释提供基础。

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