張琳琳,朱宇竹,江 楊,董 斌,李大鵬,李 鋒
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安 271018)
近年來由固體顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液受到越來越多的關(guān)注[1],由于其無毒、環(huán)保、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于食品、化妝品及制藥工業(yè)中[2]。很多天然食品大分子顆粒已用作食品級(jí)Pickering乳液的穩(wěn)定劑,包括殼聚糖、玉米醇溶蛋白、乳清蛋白、微晶纖維素、固體脂質(zhì)、黃酮類物質(zhì)等[3-5]。這些顆粒大多不溶于水,能很好地吸附到油水界面上,從而形成穩(wěn)定的乳狀液。
淀粉是應(yīng)用較為廣泛的穩(wěn)定劑之一。通常天然淀粉親水性較強(qiáng),不適于吸附到油水界面上穩(wěn)定油水體系。因此,使用前多通過改性增加淀粉的疏水性。淀粉可以通過辛烯基琥珀酸酐處理進(jìn)行化學(xué)改性,疏水性辛烯基和羧酸羧基或羧酸鈉基團(tuán)增加了淀粉穩(wěn)定乳液的能力[6],該方法生產(chǎn)的淀粉已被美國食藥局批準(zhǔn)用于食品體系[7]。另一種較為常用的改變淀粉疏水性的方法是熱處理,經(jīng)過熱處理的淀粉分子間氫鍵斷裂,無定形區(qū)發(fā)生重排,疏水性基團(tuán)更多暴露,淀粉結(jié)構(gòu)變得疏松,使其疏水性顯著增加[8]。
萊陽芋頭,又稱萊陽孤芋、毛芋頭,主要產(chǎn)于山東省萊陽市,2010年被農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)為全國農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志登記保護(hù)農(nóng)產(chǎn)品。萊陽氣候溫和,土壤多以棕壤、褐土類為主且富含豐富的腐殖質(zhì),因此萊陽芋頭皮薄、淀粉多、糖分足,極具開發(fā)利用價(jià)值。不同品種的芋頭淀粉顆粒大小不一(約為2.6~5.19 μm)[7],相比之下,萊陽芋頭淀粉顆粒較小(約1.5 μm),非常適合做穩(wěn)定劑穩(wěn)定食品乳液,但目前鮮見將萊陽芋頭應(yīng)用于食品乳液體系的相關(guān)報(bào)道。因此,本研究以萊陽芋頭為原料制備原淀粉,采用熱處理方法對(duì)淀粉進(jìn)行改性后,研究其對(duì)乳液形成及穩(wěn)定性的影響,以期為豐富萊陽芋頭淀粉的利用途徑和食品皮克林乳液穩(wěn)定劑的開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)參考。
萊陽芋頭 市購;大豆油 中糧集團(tuán)有限公司;氨水、無水乙醇、NaCl、NaN3、NaOH(均為分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
Ultra-Turrax T25高速分散機(jī) 德國IKA公司;S-3400N掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司;D8 X射線 衍射儀 德國Bruker公司;Mastersizer 2000粒度分 析儀 英國Malvern公司;PHS-3精密pH計(jì) 上海雷磁新徑儀器有限公司;5804高速離心機(jī) 德國Eppendorf公司;YTG-9050A精密鼓風(fēng)干燥箱 上海姚氏儀器設(shè)備廠。
1.3.1 芋頭原淀粉的制備
參考文獻(xiàn)[9-10]報(bào)道的提取方法并稍加修改,按如下流程提取芋頭淀粉:芋頭→清洗→去皮→破碎→浸泡→ 過篩(去除纖維素)→沉降→洗滌→離心→干燥→ 脫脂→干燥→成品。
將芋頭清洗干凈、削皮,切成片狀后二次清洗。將切好的芋頭片放入0.03 mol/L氨水中,搗碎(氨水沒過表面)。將勻漿放入0.03 mol/L氨水中浸泡2 h,然后依次過80 目和250 目篩,得到的濾液繼續(xù)沉降48 h。除去上層清液以及底部殘?jiān)?,剩余淀粉水? 次,離心。置于40 ℃烘箱中干燥48 h,然后依次用85%甲醇溶液脫脂24 h、無水乙醇脫脂6 h,離心除去上層液體,于40 ℃干燥48 h,即得到原淀粉。
1.3.2 淀粉熱處理疏水改性
參照Rayner等[11]的方法,將干燥的淀粉粉末置于玻璃盤中,在120 ℃鼓風(fēng)干燥箱中加熱150 min,改變淀粉顆粒的疏水性。
1.3.3 淀粉理化性質(zhì)的表征
1.3.3.1 掃描電子顯微鏡觀察
將萊陽芋頭原淀粉和熱改性淀粉分別用水溶解并噴金涂覆,用掃描電子顯微鏡觀察其形貌特征[12]。加速電壓為5 kV,在不同的放大倍數(shù)下觀察淀粉顆粒的外觀形貌,拍攝清晰有代表性的區(qū)域記錄。
1.3.3.2 淀粉粒徑大小的測(cè)定
采用Mastersizer 2000粒度分析儀測(cè)定芋頭原淀粉和熱改性淀粉顆粒的平均粒徑和粒徑分布。樣品用去離子水稀釋到質(zhì)量濃度為1×10-4g/mL。測(cè)試參數(shù):溫度25 ℃,水折射率1.330,測(cè)定粒徑范圍0.1~20 000 μm。
1.3.3.3 淀粉Zeta電位分析
將淀粉顆粒用去離子水稀釋到質(zhì)量濃度為1×10-4g/mL,使用Nano-ZS Zeta電位粒度儀在25 ℃測(cè)量Zeta電位,水折射率為1.330,黏度為0.887 2 mPa·s。
1.3.3.4 淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析
采用X射線衍射分析儀分析淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)。測(cè)定條件為:CuKα輻射,管壓40 kV,管流30 mA,掃描速率2°/min,掃描范圍2Y:4°~40°,步長(zhǎng)0.02,接受狹縫0.2 mm。通過軟件MDI Jade 5.0計(jì)算結(jié)晶度。
1.3.3.5 三相接觸角測(cè)定
稱取100 mg淀粉樣品用壓片機(jī)壓成薄片,置于玻璃皿底部,倒入一定量大豆油,用針管向薄片中心滴加1 滴去離子水,使其通過油相接觸到薄片表面,穩(wěn)定后通過接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定其三相接觸角。
1.3.4 乳液的制備
稱取適量淀粉顆粒溶于去離子水中,并加入 2×10-4g/mL的NaN3,置于帶蓋密封的25 mL玻璃瓶中,按不同油相分?jǐn)?shù)加入一定量的大豆油,使乳液總體積為20 mL,用T25高速分散機(jī)14 000 r/min均質(zhì)4 min,即形成乳液。
1.3.5 制備條件對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響
1.3.5.1 淀粉顆粒濃度對(duì)乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響
稱取不同質(zhì)量的淀粉顆粒溶于10 mL去離子水中,并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液,然后參照1.3.4節(jié)方法制備乳液,其中淀粉質(zhì)量濃度分別為2.5×10-2、3.75× 10-2、5×10-2、6.25×10-2、7.5×10-2、8.75× 10-2g/mL和0.10 g/mL。
1.3.5.2 水油相比例對(duì)乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響
稱取1.25 g淀粉顆粒溶于適量去離子水中,并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液,然后參照1.3.4節(jié)方法制備乳液,其中油相分?jǐn)?shù)分別為20%、30%、40%、50%、60%和70%。
1.3.5.3 pH值對(duì)乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響
稱取1.25 g淀粉顆粒溶于少量去離子水中,加入適量的0.1 mol/L HCl溶液或NaOH溶液,調(diào)節(jié)體系pH值分別為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、7.1和8.0,并加入2× 10-4g/mL的NaN3溶液,然后用蒸餾水補(bǔ)足體積至10 mL,參照1.3.4節(jié)方法制備乳液。
1.3.5.4 均質(zhì)強(qiáng)度對(duì)乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響
稱取1.25 g淀粉顆粒溶于10 mL去離子水中,并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液,然后參照1.3.4節(jié)方法制備乳液,其中高速分散機(jī)的均質(zhì)強(qiáng)度分別為12 000、14 000、
16 000、18 000、20 000、22 000 r/min。
1.3.5.5 均質(zhì)時(shí)間對(duì)乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響
稱取1.25 g淀粉顆粒溶于10 mL去離子水中,并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液,然后參照1.3.4節(jié)方法制備乳液,其中高速分散機(jī)的均質(zhì)時(shí)間分別為2、3、4、5 min和6 min。
1.3.5.6 離子強(qiáng)度對(duì)乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響
稱取1.25 g淀粉顆粒溶于少量去離子水中,并加入2×10-4g/mL的NaN3溶液,向其中加入適量的NaCl,然后用蒸餾水補(bǔ)足體積至10 mL,參照1.3.4節(jié)制備乳液,離子強(qiáng)度分別為0、50、100、200、300、400、500 mmol/L。
1.3.6 乳液粒徑及乳化指數(shù)的測(cè)定
使用激光粒度分析儀測(cè)定各條件下乳液粒徑的大小,結(jié)果用D4,3表示,每組樣品測(cè)量3 次。
制備好的乳液放入透明的玻璃瓶中,觀察其分層現(xiàn)象,參照文獻(xiàn)[13]的方法計(jì)算乳化指數(shù),計(jì)算公式如下:
1.3.7 乳液穩(wěn)定性測(cè)定
乳液于10 000 r/min離心2 min,計(jì)算乳化指數(shù),評(píng)價(jià)乳液的離心穩(wěn)定性。
將乳液分別于60 ℃和80 ℃加熱2 h,然后將乳液滴于載玻片上,于光學(xué)顯微鏡下觀察乳液的形態(tài)變化,評(píng)價(jià)乳液的熱穩(wěn)定性。
所有樣品重復(fù)測(cè)定3 次,結(jié)果為3 次測(cè)量的平均值,采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的差異性分析(ANOVA),顯著性差異采用95%的置信區(qū)間,采用Sigma Plot 11.0繪制圖形。
2.1.1 淀粉形貌特征觀察
圖 1 萊陽芋頭原淀粉(A)和熱改性淀粉(B)掃描電子顯微鏡圖Fig. 1 Scanning electron micrographs of raw starch (A) and thermally modified starch (B) from Laiyang taro
從圖1可以看出,萊陽芋頭淀粉顆粒呈多邊形[14],淀粉顆粒相對(duì)較小,約為1~2 μm,熱處理對(duì)淀粉顆粒幾乎無影響,這與文獻(xiàn)[7,15]報(bào)道一致。萊陽芋頭淀粉相對(duì)于其他淀粉顆粒粒徑較小,很適合作為乳液的穩(wěn)定劑。
2.1.2 淀粉顆粒粒徑
圖 2 萊陽芋頭原淀粉和熱改性淀粉顆粒的粒徑分布圖Fig. 2 Particle size distribution of raw starch and thermally-modified starch from Laiyang taro
如圖2所示,芋頭原淀粉和熱改性淀粉顆粒粒徑分別為(1.627±0.021) μm和(1.560±0.017) μm,多分散指數(shù)分別為0.299±0.028和0.277±0.022,熱改性淀粉的平均粒徑和多分散指數(shù)均顯著(P<0.05)小于芋頭原淀粉,表明經(jīng)過熱處理之后的芋頭淀粉顆粒粒徑更小,且分散更為均一。
2.1.3 淀粉顆粒Zeta電位測(cè)定結(jié)果
圖 3 萊陽芋頭原淀粉和熱改性淀粉的Zeta電位Fig. 3 Zeta potential of raw starch and thermally modified starch from Laiyang taro
如圖3 所示,萊陽芋頭原淀粉的Z e t a 電位為 (-18.9±1.9)mV,熱改性后淀粉顆粒的Zeta電位升高到(-20.3±1.5) mV。Zeta電位的絕對(duì)值越大,表明液滴間的靜電排斥越大,表面電荷的穩(wěn)定性越好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析表明,芋頭原淀粉熱改性前后的Zeta電位無顯著差異(P>0.05),表明熱處理對(duì)淀粉的Zeta電位無影響。
2.1.4 X射線衍射結(jié)果
圖 4 萊陽芋頭原淀粉和熱改性淀粉的X射線衍射圖Fig. 4 X-ray diffraction patterns of raw starch and thermally modified starch from Laiyang taro
由圖4可知,萊陽芋頭原淀粉在衍射角為15.0°、16.8°、17.8°和22.9°處有強(qiáng)衍射峰,表明芋頭淀粉的晶型為A型。熱改性淀粉在衍射角為14.9°、17.0°、17.8°和22.8°附近時(shí)有強(qiáng)衍射峰,表明熱改性淀粉的晶型仍為A型[16]。經(jīng)計(jì)算,原淀粉和熱改性淀粉的結(jié)晶度分別為50.30%和63.38%,熱改性淀粉的結(jié)晶度提高,表明熱改性淀粉顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
2.1.5 三相接觸角
圖 5 原淀粉(A)和熱改性淀粉(B)的三相接觸角Fig. 5 Three-phase contact angles of raw starch and thermally modified starch from Laiyang taro
如圖5所示,萊陽芋頭原淀粉的三相接觸角為60°,表明天然的芋頭淀粉更加親水;經(jīng)過熱改性之后接觸角變?yōu)?01°,說明熱處理明顯降低了淀粉的潤濕性。綜合上述結(jié)果,萊陽芋頭淀粉經(jīng)熱改性后具有比原淀粉更小和均一的粒徑、更大的靜電斥力和疏水性,這與文獻(xiàn)[5]結(jié)果一致。汝遠(yuǎn)等[17]認(rèn)為熱改性淀粉疏水性增加可能是由于熱處理導(dǎo)致淀粉部分分子間氫鍵斷裂,無定形區(qū)發(fā)生重排,淀粉結(jié)構(gòu)變得疏松,更多疏水性基團(tuán)暴露的緣故。由于熱改性淀粉比原淀粉表現(xiàn)出更好的乳液穩(wěn)定潛力,因此,選擇熱改性萊陽芋頭淀粉制備乳液。
圖 6 制備條件對(duì)乳液粒徑和乳化指數(shù)的影響Fig. 6 Effects of different preparation conditions on particle size and emulsification index of emulsions
如圖6A所示,隨著pH值的增加,乳液的粒徑逐漸增大,乳化指數(shù)逐漸減小,在淀粉自然形成的未調(diào)節(jié)pH值的乳液中(pH 7.1),乳化指數(shù)較高為78%。在低pH值(2~5)時(shí),形成的乳液顆粒最小、乳化指數(shù)較高;隨著pH值的升高(6~8),乳液液滴明顯變大、乳化指數(shù)下降。這可能是因?yàn)轶w系pH值的改變導(dǎo)致淀粉顆粒的表面潤濕性和帶電量發(fā)生了變化,從而影響了顆粒間的靜電排斥作用和顆粒緊密程度,并最終影響其穩(wěn)定乳液的能力和乳滴的大小[18]。在pH 7.1時(shí),顆粒間排斥力最小,形成的乳液粒徑較大,乳化指數(shù)也較高。而在過酸的體系中(pH 2~5時(shí)),淀粉顆粒間的靜電斥力顯著增加,使其不易團(tuán)聚或絮凝,在油水體系的分散更加均勻,因而或許可以更有效的穩(wěn)定乳液,形成的乳液具有較小的粒徑和較高的乳化指數(shù)。但后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明該條件下制備的乳液貯藏穩(wěn)定性較差。綜合考慮,選擇pH 7.1進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
如圖6B所示,隨著淀粉質(zhì)量濃度的增加,乳液粒徑逐漸減小,乳化指數(shù)逐漸增加。相關(guān)文獻(xiàn)[19-21]報(bào)道由固體顆粒穩(wěn)定的乳液,其平均液滴尺寸隨顆粒濃度的增加而減少。在淀粉顆粒濃度較低時(shí),其數(shù)量相對(duì)于油水界面穩(wěn)定所需要的理想粒子數(shù)量相對(duì)不足,因而可能在相鄰液滴之間存在共享粒子,導(dǎo)致乳滴的粒徑較大,乳液的乳化指數(shù)也較低。當(dāng)?shù)矸圪|(zhì)量濃度為6.25×10-2g/mL時(shí),乳液液滴粒徑較小,乳化指數(shù)達(dá)到83.4%;隨著淀粉質(zhì)量濃度的進(jìn)一步升高,乳液粒徑及乳化指數(shù)基本不變,但形成的乳液越來越濃稠,乳液底部沉淀也逐漸增加,這可能是由于淀粉顆粒已經(jīng)完全致密地覆蓋在液滴的表面,過量淀粉析出的緣故[22-23]。在淀粉質(zhì)量濃度為6.25×10-2g/mL時(shí)形成的乳液較優(yōu),因此選擇此質(zhì)量濃度進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
如圖6C所示,隨著油相分?jǐn)?shù)的增加,乳液的乳化相變化比較明顯,在油相分?jǐn)?shù)為20%~50%時(shí),乳液乳化指數(shù)較小,底部會(huì)有水相析出;在60%和70%時(shí)乳液濃稠、穩(wěn)定;當(dāng)油相分?jǐn)?shù)超過70%時(shí),上層會(huì)有少量油析出,底部會(huì)出現(xiàn)淀粉沉淀。乳液顆粒的粒徑在油相分?jǐn)?shù)為60%時(shí)最?。划?dāng)油相分?jǐn)?shù)升至70%時(shí),乳液顆粒變大,這可能是由于油相分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致用以穩(wěn)定乳液的淀粉相對(duì)不足,并且液滴之間的碰撞頻率增加,使乳液液滴之間發(fā)生聚集,這與Shao Ping等[24]的研究結(jié)果一致。因此,選擇油相分?jǐn)?shù)60%進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
如圖6D所示,隨著分散強(qiáng)度的增加,乳液乳化指數(shù)的變化并不明顯。在14 000 r/min和16 000 r/min下乳化指數(shù)相對(duì)較高,且液滴粒徑無顯著顯異。如圖6E所示,分散時(shí)間對(duì)乳液的影響也較小。乳液粒徑和乳化指數(shù)均隨著分散時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。綜合考慮,選擇分散時(shí)間4 min進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。由圖6F可知,隨著鹽離子強(qiáng)度的增加,乳液的乳化指數(shù)顯著下降,乳液粒徑無顯著變化。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[25-26]報(bào)道,鹽離子強(qiáng)度不僅可以調(diào)節(jié)水相中顆粒的絮凝程度,還可以降低顆粒表面的帶電量,顆粒之間靜電斥力減弱,顆粒緊密程度增加,從而改變固體顆粒在油水兩相界面上的吸附和形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)結(jié)果表明,離子強(qiáng)度對(duì)乳液的粒徑無顯著影響 (P>0.05),但是顯著(P<0.05)影響了乳液的乳化指數(shù)。這與Whitby等[27]研究結(jié)果一致。在水相中添加電解質(zhì)離子,可以降低顆粒間的靜電斥力,導(dǎo)致顆粒發(fā)生聚凝或絮沉現(xiàn)象,降低了乳化相的比例[28]。Castellani等[29]也發(fā)現(xiàn)在卵黃高磷蛋白穩(wěn)定的乳液中,當(dāng)離子強(qiáng)度從0.05 mol/L增加到0.15 mol/L時(shí),蛋白的絮凝指數(shù)增加了5 倍,但是乳液的粒徑無顯著變化。推測(cè)在水相中添加電解質(zhì)離子,會(huì)降低淀粉顆粒間的靜電斥力,導(dǎo)致淀粉顆粒發(fā)生聚凝或絮沉現(xiàn)象,從而影響其在油水兩相界面分散行為,但是并沒有影響乳滴的粒徑大小。
圖 7 不同熱改性萊陽芋頭淀粉質(zhì)量濃度(A)及 不同油相分?jǐn)?shù)(B)制備的乳液的離心穩(wěn)定性Fig. 7 Centrifugal stability of emulsions stabilized with thermally modified starch from Laiyang taro (A) and centrifugal stability of emulsions with different percentages of oil phase (B)
離心過程的離心力加劇了乳液的乳析分層過程,能夠更快地判斷乳液的穩(wěn)定性。胡亞瓊[30]采用該方法測(cè)定了不同pH值條件下小麥醇溶蛋白膠體穩(wěn)定的乳液的離心穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)離心穩(wěn)定性結(jié)果與貯藏穩(wěn)定性結(jié)果一致。淀粉質(zhì)量濃度和油相分?jǐn)?shù)是對(duì)乳液影響最為顯著的2 個(gè)因素(圖6),因此比較不同淀粉質(zhì)量濃度和油相分?jǐn)?shù)對(duì)乳液離心穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見圖7。隨著淀粉質(zhì)量濃度和油相分?jǐn)?shù)的升高,乳液的乳化指數(shù)不斷增加(P<0.05)。 與離心前樣品相比,離心后的所有樣品,乳化指數(shù)無明顯變化,也沒有破乳漏油現(xiàn)象發(fā)生,表明熱改性萊陽芋頭淀粉制備的乳液具有較高的離心穩(wěn)定性。
圖 8 萊陽芋頭淀粉穩(wěn)定的乳液加熱處理后的顯微鏡圖Fig. 8 Micrographs of emulsions stabilized with raw and thermally modified starch from Laiyang taro
制備好的乳液分別在60 ℃和80 ℃加熱2 h后,進(jìn)行顯微鏡觀察,結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過水浴加熱后的乳液液滴尺寸有所增加,但都沒有聚集。在2 h處理時(shí)間內(nèi),溫度主要影響乳液液滴的大小。結(jié)果表明,經(jīng)過熱改性后淀粉顆粒穩(wěn)定的乳液對(duì)溫度的敏感性降低,并且在60 ℃和80 ℃的水浴中不會(huì)被破壞。Sj??等[31]研究證明經(jīng)過熱處理后油滴尺寸完整,顆??梢员3衷夹螤?。
萊陽芋頭富含淀粉,是一種非常具有開發(fā)利用價(jià)值的地方特色農(nóng)產(chǎn)品資源。本實(shí)驗(yàn)首先利用氨水沉淀法提取萊陽芋頭淀粉,然后比較了熱改性對(duì)芋頭理化性質(zhì)的影響,并考察了熱改性萊陽芋頭淀粉穩(wěn)定乳液的作用。結(jié)果表明,萊陽芋頭淀粉經(jīng)熱改性后具有比原淀粉更小和均一的粒徑、更大的靜電斥力和疏水性。乳液的粒徑及乳化指數(shù)表明,在pH 7.1、芋頭淀粉質(zhì)量濃度6.25×10-2g/mL、油相分?jǐn)?shù)60%、分散強(qiáng)度為14 000 r/min 和分散4 min條件下,形成的乳液較優(yōu);而且乳液具有較高的離心穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。此結(jié)果為豐富萊陽芋頭淀粉的利用途徑和食品級(jí)皮克林乳液穩(wěn)定劑的開發(fā)提供一定的參考。