能量緩釋淀粉微球的初步制備研究

游 棟，繆 銘，江 波

( 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122)

谷類是中國人的傳統(tǒng)主食，其中含有豐富的淀粉，經過消化后為人體提供充足的能量。Englyst 根據(jù)淀粉在人體內的消化情況將淀粉分為三類:易消化淀粉(ready digestible starch，RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)、抗性淀粉(resistant starch，RS)［1］。RDS 指那些能在口腔和小腸中被快速消化吸收的淀粉(＜20min);SDS 指那些能在小腸中被完全消化吸收但速度較慢的淀粉(20～120min);RS 指在人體小腸內無法消化吸收，通常在大腸內被微生物分解利用的淀粉(＞120min)。人體在飯時會大量攝入RDS，造成血糖急劇升高，正常人可自動血糖調節(jié)平衡，對于糖尿病、心血管疾病和肥胖病人群卻存在困難。攝入SDS 能保持餐后血糖的緩慢增加并在很長一段時間維持血糖水平穩(wěn)定，不會造成血糖急劇變化，這對上述特殊人群的病情調節(jié)和控制是十分有利的［2］。大部分的天然谷物淀粉屬于理想的SDS，但一經蒸煮，淀粉中的SDS 含量下降，RDS含量大量上升［3］，這樣SDS 的功能性作用被破壞了，進而降低SDS 的應用價值。Fardet 等［4-5］通過對意大利面的研究，發(fā)現(xiàn)包裹在淀粉表面的蛋白質空間網絡結構可能阻礙淀粉酶與淀粉的接觸，抑制蒸煮面條中的淀粉的水解，從而達到淀粉慢消化的效果。因此為以淀粉為芯材制備淀粉微球使其慢消化的研究提供了理論基礎。國內外也有學者通過該這種物理作用方式得到耐蒸煮的SDS。Venkatachalam 等［6］采用銳孔法制得SDS 含量達到51.3%淀粉微球，但其粒徑過于偏大，達到2000μm 左右，不利于應用于實際。徐暉等［7］通過噴霧干燥制得SDS 含量為20.8%的淀粉微球，但其方法安全性上有所欠缺。本研究通過前期實驗的摸索，最后得到一種生產上較為安全的、制備的淀粉微球粒徑也與原淀粉相近的方法。同時研究了制備工藝中各參數(shù)對淀粉微球形態(tài)和慢消化性的影響規(guī)律，獲得更高含量的慢消化淀粉含量。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

α-淀粉酶(30U/mg) 美國Sigma 公司;糖化酶(11000U/g) 無錫Genencor Bio-Product 公司。

IKA 高速分散機 上海人和科學儀器有限公司;IKA MS digital 旋渦混勻器 上海普林斯頓生物科技發(fā)展有限公司;T-9300H 型激光粒度分布儀 丹東百特儀器有限公司;Quanta-200 型電子掃描顯微鏡 荷蘭FEI 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 能量緩釋淀粉微球的制備 采用乳化離子交聯(lián)法［8-10］初步制備能量緩釋淀粉微球:配制50mL 一定濃度的海藻酸鈉溶液，將2.5g 淀粉與適量碳酸鈣粉末混勻后加入其中攪拌混勻;配制含有適量司盤-80的300mL 植物油，在13000r/min 高速分散下將海藻酸鈉溶液緩慢滴加至油中，攪拌乳化20min制得油包水(W/O)乳液(體系保持在30～40℃的水浴環(huán)境中)，后在500r/min 渦旋攪拌下緩慢滴加稍過量乙酸來釋放出鈣離子，交聯(lián)固化10min，靜置一段時間，反復抽濾去油并用水和乙醇洗滌，分離得海藻酸鈣微球。

1.2.2 能量緩釋淀粉微球的制備條件的優(yōu)化 實驗采用單因素固定變量法考察海藻酸鈉濃度、碳酸鈣含量、乳化劑濃度對能量緩釋淀粉微球形態(tài)、粒徑、包埋率及微球消化率的影響。按表1 中各因素的水平，分別制備能量緩釋淀粉微球。

表1 單因素實驗水平表Table 1 The experiments of single factor

1.2.3 形貌分析 用導電雙面膠將淀粉微球固定在金屬樣品平臺上，利用高真空鍍機對試樣表面鉑裝飾，置于SEM 中以5kV 電子束觀察，離子濺射后進行掃描拍攝。

不同海藻酸鈉濃度下的電鏡圖采用倍數(shù)為:×1200;不同碳酸鈣含量下的電鏡圖采用倍數(shù)為:×600;不同乳化劑含量下的電鏡圖采用倍數(shù)為:×600。

1.2.4 粒徑分布 采用T-9300H 型激光粒度分布儀對產品的粒徑進行分析。將均勻的分散于水中的淀粉微球緩慢倒入儀器進水槽中，在其遮光率讀數(shù)升為30%左右時，測量粒徑。

1.2.5 淀粉微球包埋率的測定 包埋率是評價微球的主要衡量參數(shù)。本實驗采用測定微球的包埋率的方法來確定制備微球的工藝條件。計算公式如下:

包埋率(%)=M/M0×100

式中:M 為微球中實際的淀粉質量;M0為投入的淀粉質量。M 根據(jù)國標中食品中淀粉的測定［11］來測定。

1.2.6 能量緩釋淀粉微球的消化性質研究 消化性能的測定:根據(jù)本實驗室條件，對Englyst 法［1］進行了一些改進得到新方法:取淀粉樣品0.8g 置于50mL 錐形瓶中，加入20mL pH5.2 的醋酸鈉緩沖液糊化，在糊化體系中加入2mL 混酶，在37℃水浴中以160r/min振蕩反應20、120min 后，取0.5mL 上清液，并加入20mL 體積分數(shù)66%乙醇滅酶處理，離心取上清液，然后采用3，5-二硝基水楊酸法在540nm 比色測定葡萄糖含量。

混酶配制:取3g α-淀粉酶(30U/mg)加入10mL pH5.2 醋酸鈉緩沖液，溶解后4℃離心，取上清液，加入1mL 糖化酶(11000U/mL)，配成混酶。

具體計算公式如下:

SDS(%)=(G120-G20)×0.9/W ×100

SDS 提高率(%)=A-B

式中:G20-淀粉被酶水解20min 后產生的葡萄糖量(mg);G120-淀粉被酶水解120min 后產生的葡萄糖量(mg);W-總淀粉量(mg);A-能量緩釋淀粉中的SDS 含量，%;B-原淀粉中的SDS 含量，%。

2 結果與討論

2.1 海藻酸鈉濃度對制備淀粉微球的影響

海藻酸是由α-(1，4)L-甘露糖醛(G)與β-(1，4)D-古羅糖醛酸通過糖苷鍵隨機排列組成的高聚物。其可以與二價金屬離子絡合形成水凝膠，如鈣離子與鋇離子等［12］。因此海藻酸鈣可以用來包埋非水溶性的固體在內，例如淀粉。圖1 是不同濃度海藻酸鈉制備的淀粉微球的掃描電鏡圖，具體形貌描述見表2。

表2 海藻酸鈉濃度對微球形態(tài)的影響Table 2 Effect of the sodium alginate concentration on the morphology of the microspheres

如圖1 和表2 所示，當海藻酸鈉濃度低于1.2%時，微球成囊效果一般。當海藻酸鈉濃度高于1.2%時，微球形態(tài)良好;且隨著其濃度的增加，微球的粒徑也趨于增大，這是由于濃度低的海藻酸鈉容易被分散成較小的液滴而形成小顆粒，反之亦然。

圖1 不同海藻酸鈉濃度下的淀粉微球Fig.1 Starch microspheres of different sodium alginate concentrations

圖2 所示為海藻酸鈉濃度對包埋率、SDS 提高率的影響曲線。結果表明:隨著海藻酸鈉濃度的增加，微球的包埋率變大;而淀粉微球的SDS 提高率呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，在1.4%濃度下達到最大SDS 提高率。這說明過大或過小的濃度都不能達到最好的SDS 提高率，低濃度時，由于形成的膜較薄，易被破壞，對淀粉未起到良好的保護作用;但在濃度高下，過厚的壁膜會導致淀粉中SDS 含量的減少甚至消失，這樣SDS 提高率反而會出現(xiàn)暫時升高的現(xiàn)象;若是濃度繼續(xù)升高，就會出現(xiàn)不能消化的狀態(tài)。綜合微球形態(tài)、包埋率、SDS 提高率，確定最佳海藻酸鈉濃度范圍為1.4%～1.6%。

圖2 海藻酸鈉濃度對包埋率、SDS 提高率的影響曲線Fig.2 The influence of different concentrations of sodium alginate on encapsulation ratio of starch and SDS increase rate

2.2 鈣離子濃度對制備淀粉微球的影響

圖3 為不同碳酸鈣含量制備的淀粉微球的掃描電鏡圖，具體描述見表3。

由圖3 和表3 可以看出，碳酸鈣含量小于2.0%時，制備的淀粉微球成囊效果不完整，這是由于Ca2+含量太低不能充分與海藻酸鈉G 段的-COO-結合使液滴表面固化［13］;當碳酸鈣含量大于2.0%，微球形態(tài)都良好。

圖3 不同碳酸鈣含量下的淀粉微球Fig.3 Starch microspheres in different content of calcium carbonate

圖4 所示為碳酸鈣含量對包埋率、SDS 提高率的影響曲線。結果表明，隨著Ca2+濃度增加，包埋率先變大后減小，原因是Ca2+含量的增加，使微球交聯(lián)密集，這樣減少了芯材的損失，但超過一定的范圍后，交聯(lián)密集反而使得包埋率降低。SDS 提高率也呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，這是由于Ca2+與海藻酸鈉交聯(lián)形成網狀結構，將芯材包裹在其中，Ca2+含量影響微球的強度和網狀結構孔隙大小，含量低時形成較柔軟的凝膠，含量高時形成堅硬的凝膠［14］。當Ca2+含量低時，微球的強度低，淀粉顆粒易被糊化破壞;當Ca2+含量高時，微球不能被消化。綜合考慮微球形態(tài)、包埋率、SDS 提高率，確定2.0%～2.5%的碳酸鈣含量為最佳含量范圍。

表3 碳酸鈣含量對微球形態(tài)的影響Table 3 Effect of the content of calcium carbonate on the morphology of the microspheres

2.3 乳化劑用量對制備淀粉微球的影響

司盤-80 是一種良好的油包水乳化劑，同時在國標食品添加劑使用衛(wèi)生標準［15］中明確規(guī)定:用作乳化劑，司盤-80 在面包、糕點、餅干、冰激凌、調制乳、固體飲料添加限量為3‰;在豆類制品中添加限量為1.6‰;在月餅中限量為1.5‰。因此本實驗選用0、0.5‰、1.0‰、1.5‰四個梯度來比較獲取最佳添加值。圖5 是不同含量司盤-80 制備的淀粉微球的掃描電鏡圖，具體形貌描述見表4。

圖4 碳酸鈣含量對包埋率、SDS 提高率的影響曲線Fig.4 Profile of the influenee of differente content of calcium carbonate to encapsulation ratio of starch and SDS increase rate

圖5 不同乳化劑含量下的淀粉微球Fig.5 Starch microspheres in different content of emulsifier

表4 乳化劑含量對微球形態(tài)的影響Table 4 Effect of emulsifier content on microsphere morphology

由圖5 和表4 可以看出:未加入乳化劑司盤-80制備的能量緩釋淀粉微球呈現(xiàn)不規(guī)則塊狀形狀，少量淀粉顆粒裸露在外，說明不加司盤-80 會影響微球顆粒的造型，加入一定添加量后，微球形貌良好，但隨著司盤-80 含量的增加，微球的粒徑減小。

圖6 為乳化劑含量對包埋率、SDS 提高率的影響曲線。結果表明:在限量范圍內，隨著司盤-80 的含量增加，包埋率和SDS 提高率都是先上升后下降。呈現(xiàn)這一趨勢的原因可能是未添加乳化劑時，淀粉微球不好成型，液滴在強烈的機械攪拌剪切力下包埋率不高，容易形成不規(guī)則的形狀而導致淀粉微球出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。隨著添加乳化劑量的增大，易導致兩相層間的乳化劑層增厚，使得分散的小液滴之間不易碰撞聚集成大液滴，團聚現(xiàn)象也在減小，微球粒徑減小，當乳化劑的添加量減小到某個極值時形成的液滴(極值粒徑)恰好包埋住所有的淀粉;而液滴大小低于這個極值粒徑時，由于粒徑減小而比表面積增大，微球內水滴的轉移破裂可以降低包埋率;SDS 提高率增加的可能原因是添加乳化劑后淀粉微球更容易成型，多個淀粉球聚集起來形成一個大圓球形狀，被包含在球形內的淀粉顆粒消化性能降低。在乳化劑含量超過1.0‰后，SDS 提高率降低，這可能是由于微球的粒徑隨著乳化劑含量的增加而減小，包埋率隨之降低，而導致微球對淀粉的保護不夠，而被酶水解造成的。綜合考慮微球形態(tài)、包埋率、SDS提高率，確定1.0‰為最佳司盤-80 添加量。

圖6 乳化劑含量對包埋率、SDS 提高率的影響曲線Fig.6 Profile of the influence of different content of emulsifier on encapsulation ratio of starch and SDS increase rate

3 結論

實驗采用乳化離子交聯(lián)法初步制備能量緩釋淀粉微球。結果表明:隨著海藻酸鈉的濃度的增加，微球包埋率增大而SDS 提高率呈現(xiàn)出先增后減的趨勢;隨著碳酸鈣含量的增加，微球的包埋率和SDS 提高率都是先增大后減小;乳化劑的加入有利于微球顆粒的良好成型，但是隨著添加量的增加，微球的包埋率和SDS 提高率都是先增大后減小。最佳條件為:海藻酸鈉的濃度范圍為1.4%～1.6%，碳酸鈣含量范圍為2.0%～2.5%，加入1.0‰司盤-80 作為乳化劑，能得到形態(tài)完整，球形度良好的，粒徑在100 ～140μm，包埋率在80%以上的淀粉微球，其SDS 提高率達到7%以上。

［1］Ming Miao，Tao Zhang，Wanmeng Mu，et al.Effect of controlled gelatinization in excess water on digestibility of waxy maize starch［J］.Food Chemistry，2010(119) ：41-48.

［2］繆銘，江波，張濤，等.慢消化淀粉的研究與分析［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2007，33(3) ：85-90.

［3］張習軍，熊善柏，周威，等.蒸煮工藝對米飯中淀粉消化性能的影響［J］.農業(yè)科學學報，2009，25( Suppl1) ：92-96.

［4］A Fardet，C Hoebler，P M Baldwin，et al.Involvement of the Protein Network in the in vitro Degradation of Starch from Spaghetti and Lasagne： a Microscopic and Enzymic Study［J］.Journal of Cereal Science，1998(27) ：133-145.

［5］A Fardet，C Hoebler，P M Baldwin，et al.Influence of Technological Modifications of the Protein Network from Pasta on in vitro Starch Degradation［J］.Journal of Cereal Science，1999(30) ：133-145.

［6］Mahesh Venkatachalam，Michael R Kushnick，Genyi Zhang，et al.Starch-entrapped biopolymer microspheres as a novel approach to vary blood glucose profile［J］.Journal of the American College of Nutrition，2009，28(5) ：583-590.

［7］徐暉.淀粉的玉米醇溶蛋白微膠囊化及其慢消化性研究［D］.無錫：江南大學，2011.

［8］Wan LSC，Heng PWS，Chan LW.Drug encapsulation in alginate microspheres by emulsification ［J］ .Journal of Microencapsulation，1992，9(3) ：309-316.

［9］Kawakatsu T，Trgrdh G，Trgrdh C，et al.The effect of the hydrophobicity of microchannels and components in water and oil phases on droplet formation in microchannel water - in - oil emulsification.Colloids and Surfaces，A： Physicochemical and Engineering Aspects，2001，179(1) ：29-37.

［10］伍善廣，裴世成，陳麗，等.細辛腦海藻酸鈣微球的制備及體外釋放藥物考察［J］.海峽藥學，2011，23(8) ：29-31.

［11］GB/T 5009.9-2008，食品中淀粉的測定［S］.

［12］王春艷，孫寧寧，王芳，等.海藻酸鈣微膠囊制備方法及其在農藥緩釋中的應用［J］.農藥，2009，48(10)：724-725，731.

［13］黃可可.蛋白質藥物的海藻酸鈣_殼聚糖微球控釋載體制備及性能研究［D］.西安：西北大學，2006.

［14］宋健，陳磊，李效軍.微膠囊化技術及應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2001：126-127.

［15］GB2760-2007，食品添加劑使用衛(wèi)生標準［S］.