熱改性萊陽芋頭淀粉對乳液形成及穩(wěn)定性的影響

張琳琳，朱宇竹，江 楊，董 斌，李大鵬，李 鋒

（山東農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，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注[1]，由于其無毒、環(huán)保、穩(wěn)定等優(yōu)勢被廣泛用于食品、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。

淀粉是應用較為廣泛的穩(wěn)定劑之一。通常天然淀粉親水性較強，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行化學改性，疏水性辛烯基和羧酸羧基或羧酸鈉基團增加了淀粉穩(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，疏水性基團更多暴露，淀粉結構變得疏松，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)部批準為全國農(nóng)產(chǎn)品地理標志登記保護農(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?。s1.5 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用于食品乳液體系的相關報道。因此，本研究以萊陽芋頭為原料制備原淀粉，采用熱處理方法對淀粉進行改性后，研究其對乳液形成及穩(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)提供實驗參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

萊陽芋頭 市購；大豆油 中糧集團有限公司；氨水、無水乙醇、NaCl、NaN3、NaOH（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

Ultra-Turrax T25高速分散機 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 上海雷磁新徑儀器有限公司；5804高速離心機 德國Eppendorf公司；YTG-9050A精密鼓風干燥箱 上海姚氏儀器設備廠。

1.3 方法

1.3.1 芋頭原淀粉的制備

參考文獻[9-10]報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渣，剩余淀粉水洗3 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 淀粉粒徑大小的測定

采用Mastersizer 2000粒度分析儀測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。測試參數(shù)：溫度25 ℃，水折射率1.330，測定粒徑范圍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 淀粉顆粒結晶結構分析

采用X射線衍射分析儀分析淀粉顆粒結晶結構。測定條件為：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0.02，接受狹縫0.2 mm。通過軟件MDI Jade 5.0計算結晶度。

1.3.3.5 三相接觸角測定

稱取100 mg淀粉樣品用壓片機壓成薄片，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)定后通過接觸角測量儀測定其三相接觸角。

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，按不同油相分數(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14 000 r/min均質(zhì)4 min，即形成乳液。

1.3.5 制備條件對乳液穩(wěn)定性的影響

1.3.5.1 淀粉顆粒濃度對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，其中油相分數(shù)分別為20%、30%、40%、50%、60%和70%。

1.3.5.3 pH值對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)強度對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，其中高速分散機的均質(zhì)強度分別為12 000、14 000、

16 000、18 000、20 000、22 000 r/min。

1.3.5.5 均質(zhì)時間對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，其中高速分散機的均質(zhì)時間分別為2、3、4、5 min和6 min。

1.3.5.6 離子強度對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，然后用蒸餾水補足體積至10 mL，參照1.3.4節(jié)制備乳液，離子強度分別為0、50、100、200、300、400、500 mmol/L。

1.3.6 乳液粒徑及乳化指數(shù)的測定

使用激光粒度分析儀測定各條件下乳液粒徑的大小，結果用D4,3表示，每組樣品測量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[13]的方法計算乳化指數(shù)，計算公式如下：

1.3.7 乳液穩(wěn)定性測定

乳液于10 000 r/min離心2 min，計算乳化指數(shù)，評價乳液的離心穩(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，于光學顯微鏡下觀察乳液的形態(tài)變化，評價乳液的熱穩(wěn)定性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

所有樣品重復測定3 次，結果為3 次測量的平均值，采用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件進行數(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 結果與分析

2.1 淀粉顆粒特征表征

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]，淀粉顆粒相對較小，約為1～2 μm，熱處理對淀粉顆粒幾乎無影響，這與文獻[7,15]報道一致。萊陽芋頭淀粉相對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電位測定結果

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），表明熱處理對淀粉的Zeta電位無影響。

2.1.4 X射線衍射結果

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°附近時有強衍射峰，表明熱改性淀粉的晶型仍為A型[16]。經(jīng)計算，原淀粉和熱改性淀粉的結晶度分別為50.30%和63.38%，熱改性淀粉的結晶度提高，表明熱改性淀粉顆粒的內(nèi)部結構發(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[5]結果一致。汝遠等[17]認為熱改性淀粉疏水性增加可能是由于熱處理導致淀粉部分分子間氫鍵斷裂，無定形區(qū)發(fā)生重排，淀粉結構變得疏松，更多疏水性基團暴露的緣故。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。

2.2 制備條件對乳液粒徑及乳化指數(shù)的影響

圖 6 制備條件對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，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。這可能是因為體系pH值的改變導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，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），淀粉顆粒間的靜電斥力顯著增加，使其不易團聚或絮凝，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)實驗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進行后續(xù)實驗。

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。相關文獻[19-21]報道由固體顆粒穩(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，其數(shù)量相對于油水界面穩(wěn)定所需要的理想粒子數(shù)量相對不足，因而可能在相鄰液滴之間存在共享粒子，導致乳滴的粒徑較大，乳液的乳化指數(shù)也較低。當?shù)矸圪|(zhì)量濃度為6.25×10-2g/mL時，乳液液滴粒徑較小，乳化指數(shù)達到83.4%；隨著淀粉質(zhì)量濃度的進一步升高，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時形成的乳液較優(yōu)，因此選擇此質(zhì)量濃度進行后續(xù)實驗。

如圖6C所示，隨著油相分數(shù)的增加，乳液的乳化相變化比較明顯，在油相分數(shù)為20%～50%時，乳液乳化指數(shù)較小，底部會有水相析出；在60%和70%時乳液濃稠、穩(wěn)定；當油相分數(shù)超過70%時，上層會有少量油析出，底部會出現(xiàn)淀粉沉淀。乳液顆粒的粒徑在油相分數(shù)為60%時最小；當油相分數(shù)升至70%時，乳液顆粒變大，這可能是由于油相分數(shù)的增加導致用以穩(wěn)定乳液的淀粉相對不足，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]的研究結果一致。因此，選擇油相分數(shù)60%進行后續(xù)實驗。

如圖6D所示，隨著分散強度的增加，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)相對較高，且液滴粒徑無顯著顯異。如圖6E所示，分散時間對乳液的影響也較小。乳液粒徑和乳化指數(shù)均隨著分散時間的延長呈現(xiàn)下降的趨勢。綜合考慮，選擇分散時間4 min進行后續(xù)實驗。由圖6F可知，隨著鹽離子強度的增加，乳液的乳化指數(shù)顯著下降，乳液粒徑無顯著變化。根據(jù)相關文獻[25-26]報道，鹽離子強度不僅可以調(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)狀結構結果表明，離子強度對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，當離子強度從0.05 mol/L增加到0.15 mol/L時，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。推測在水相中添加電解質(zhì)離子，會降低淀粉顆粒間的靜電斥力，導致淀粉顆粒發(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。

2.3 乳液的離心穩(wěn)定性

圖 7 不同熱改性萊陽芋頭淀粉質(zhì)量濃度（A）及 不同油相分數(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)定性結果與貯藏穩(wěn)定性結果一致。淀粉質(zhì)量濃度和油相分數(shù)是對乳液影響最為顯著的2 個因素（圖6），因此比較不同淀粉質(zhì)量濃度和油相分數(shù)對乳液離心穩(wěn)定性的影響，結果見圖7。隨著淀粉質(zhì)量濃度和油相分數(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。

2.4 乳液的熱穩(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，進行顯微鏡觀察，結果如圖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處理時間內(nèi)，溫度主要影響乳液液滴的大小。結果表明，經(jīng)過熱改性后淀粉顆粒穩(wěn)定的乳液對溫度的敏感性降低，并且在60 ℃和80 ℃的水浴中不會被破壞。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?。

3 結 論

萊陽芋頭富含淀粉，是一種非常具有開發(fā)利用價值的地方特色農(nóng)產(chǎn)品資源。本實驗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、油相分數(shù)60%、分散強度為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。此結果為豐富萊陽芋頭淀粉的利用途徑和食品級皮克林乳液穩(wěn)定劑的開發(fā)提供一定的參考。