球磨- 酯化復合改性檳榔芋淀粉對Pickering乳液形成的影響

劉燦燦，孫瀟鵬，李堅斌，黃 群，宋洪波,4,*

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004；2.福建農(nóng)林大學 食品科學學院，福建 福州 350002；3.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣東 廣州 510642；4.福建省特種淀粉品質(zhì)科學與加工技術重點實驗室，福建 福州 350002)

Pickering乳液是由固體顆粒穩(wěn)定的乳液，其穩(wěn)定機制為固體顆粒吸附在油/水界面形成物理屏障，以阻止乳液液滴聚結(jié)，且這種吸附是不可逆的，因此該乳液具有長期穩(wěn)定性[1-2]。近年來，淀粉作為顆粒乳化劑，因具有來源廣泛、可生物降解、良好的生物相容性等特點，受到人們的廣泛關注[3-4]。檳榔芋[Colocasiaesculenta(L.) Schott]淀粉顆粒較小，直徑為1～5 μm，是作為顆粒乳化劑的良好材料[5]。然而，天然淀粉顆粒的乳化能力有限，通常不適合用作Pickering乳液的穩(wěn)定劑[6-7]。近年來，很多研究采用辛烯基琥珀酸(OSA)酯化改性淀粉來穩(wěn)定乳液[7-8]。OSA酯化改性淀粉由于同時引入親水性羧酸基團和疏水性烯基長鏈而具有兩親性，顯示出強的表面活性[9]。大量研究表明：淀粉經(jīng)OSA酯化改性后，可明顯提高其乳化能力和乳液穩(wěn)定性，亦可增加乳液黏度[9-10]。由于天然淀粉具有緊密的晶體結(jié)構(gòu)，因此酯化反應主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)和表面，從而降低了取代度[11]。本團隊前期研究發(fā)現(xiàn)：球磨預處理可使淀粉顆粒受到破壞，顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，有利于進一步的化學改性，采用球磨和酯化復合改性手段可顯著提高淀粉取代度，改善淀粉乳化能力[12]。在乳液制備中，乳化劑和油相作為最重要的組成成分，對乳液品質(zhì)起著至關重要的作用。然而，球磨- 酯化復合改性檳榔芋淀粉顆粒質(zhì)量濃度和油相體積分數(shù)對Pickering乳液形成的影響仍然不明確。

本研究以球磨- 酯化復合改性檳榔芋淀粉顆粒為乳化劑，大豆油為油相，在一定條件下制備Pickering乳液，考察不同淀粉顆粒質(zhì)量濃度和油相體積分數(shù)對乳液穩(wěn)定性和流變特性的影響，以期為水包油(O/W)型乳液產(chǎn)品的開發(fā)及應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

檳榔芋淀粉，實驗室自制[12]；辛烯基琥珀酸酐(優(yōu)級純)，美國Sigma公司；精煉一級大豆油，金龍魚集團。

1.2 儀器與設備

QM-3SP04型球磨機，南京南大儀器有限公司；T25型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機，德國IKA公司；NI-U DIC型研究級正置顯微鏡，日本Nikon公司；Mastersizer Hydro 3000型激光粒度儀，英國 Malvern公司；MCR301型流變儀，奧地利Anton Paar公司。

1.3 實驗方法

1.3.1球磨-酯化復合改性檳榔芋淀粉的制備

將一定量檳榔芋淀粉按球料比(g/g)3∶1加入球磨罐，以轉(zhuǎn)速420 r/min研磨5 h，制得的淀粉配制成質(zhì)量分數(shù)10%淀粉乳，用NaOH溶液調(diào)節(jié)并維持pH值至8.0，加入質(zhì)量分數(shù)3%的OSA(基于淀粉干質(zhì)量)，于35 ℃下持續(xù)攪拌3 h，HCl溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5，用體積分數(shù)80%乙醇洗3次，離心(5 000 r/min、10 min)，棄上清液，制得球磨- 酯化復合改性檳榔芋淀粉，簡稱復合改性檳榔芋淀粉(CS)[12]。

1.3.2不同顆粒質(zhì)量濃度Pickering乳液的制備

以不同質(zhì)量濃度CS(1、5、10、20、30 mg/mL)為顆粒乳化劑，體積分數(shù)30%大豆油為油相，添加0.2 mg/mL疊氮化鈉以抑制微生物生長，使用高速分散均質(zhì)機以轉(zhuǎn)速20 000 r/min分散1 min[13]。通過檢測乳液滴入水相或油相時液滴的變化來鑒定乳液的類型[14]。

1.3.3不同油相體積分數(shù)Pickering乳液的制備

以體積分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%和50%的大豆油為油相，質(zhì)量濃度為20 mg/mL的CS為顆粒乳化劑，制備方法同1.3.2。

1.3.4乳液黏度的測定

采用流變儀對乳液的黏度進行測定，取適量乳液于樣品臺，選取直徑50 mm的錐板磨具，溫度固定為25 ℃，剪切速率(γ)從0～300 s-1增加[15]。

1.3.5乳化指數(shù)測定

將乳液轉(zhuǎn)移到25 mL具塞試管中，于25 ℃避光靜置1、6 h，1、7、14、30 d后，通過拍照和測定乳化指數(shù)(emulsification index, EI)表征乳液穩(wěn)定性[16]，計算見式(1)。

(1)

式(1)中，V乳化相為乳化相體積，mL；V總為乳液總體積，mL。

1.3.6乳液的粒徑分布

使用激光粒度儀測定靜置期間乳液粒徑分布，參數(shù)設置為顆粒折射率1.460；顆粒吸收率0.001；以純水作為分散劑，其折射率1.330；轉(zhuǎn)速2 200 r/min。體積平均直徑D4,3(μm)和表面積平均直徑D3,2(μm)分別根據(jù)式(2)和式(3)計算[17]。

(2)

(3)

式(2)、式(3)中，ni是直徑為di(μm)的液滴數(shù)量。

1.3.7乳液的顯微形態(tài)觀察

使用顯微鏡觀察靜置期間乳液的顯微形態(tài)，放大倍數(shù)為400倍。

1.3.8乳液的動態(tài)流變特性測定

參照Alfano等[15]的方法，流變儀溫度固定為25 ℃，角頻率(ω)10 rad/s，進行振幅掃描，在線性黏彈區(qū)內(nèi)設置應變?yōu)?.5%，ω從100.0～0.1 rad/s以高頻向低頻進行掃描，測定儲能模量(G′)與損耗模量(G″)隨角頻率的變化和損耗角正切值(tanδ=G″/G′)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差(n=3)；采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同顆粒質(zhì)量濃度對乳液的影響

2.1.1不同顆粒質(zhì)量濃度對乳液黏度的影響

乳液黏度隨剪切速率的增大而減小，呈剪切稀化行為(見圖1)，表明形成了微弱的液滴網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[18-19]。此外，隨著顆粒質(zhì)量濃度的增加，乳液的黏度逐漸增大，是由于吸附在油/水界面的CS顆粒達到飽和后，繼續(xù)添加的CS游離在連續(xù)相中，液滴間CS顆粒相互聚集，形成空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使其流動阻力增加[20]。

圖1 不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的Pickering 乳液黏度變化Fig.1 Viscosities of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations

2.1.2不同顆粒質(zhì)量濃度對乳液外觀和乳化指數(shù)的影響

乳液在水相中能較好分散而在油相中聚集，因此為O/W型乳液[14]。不同顆粒質(zhì)量濃度新鮮制備的乳液產(chǎn)生不同程度的分層，見圖2。Pickering乳液乳化指數(shù)隨顆粒質(zhì)量濃度的變化如圖3。當顆粒質(zhì)量濃度為1 mg/mL時，乳液分層現(xiàn)象尤為嚴重，這是由于低顆粒質(zhì)量濃度時，CS顆粒在油滴表面的覆蓋率較低[6]。隨著顆粒質(zhì)量濃度增加，乳化相體積逐漸增加，其EI值也逐漸增大，表明乳液穩(wěn)定性增強[20]。當顆粒質(zhì)量濃度為30 mg/mL時，乳液不發(fā)生分層，EI值為1.0，且靜置30 d后仍未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，具有較強的穩(wěn)定性。這是由于CS顆粒吸附在油滴表面，增加了液滴的有效密度，從而減小了液滴與連續(xù)相之間的密度差，提高了乳液的分層穩(wěn)定性[18]。另外，乳液體系黏度的增加，降低了液滴的遷移速率，使液滴間的碰撞概率減小，從而提高了乳液穩(wěn)定性[19]。

乳液從左到右顆粒質(zhì)量濃度依次為1、5、10、20、30 mg/mL。圖2 靜置期間不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的 Pickering乳液外觀Fig.2 Photographs of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations during standing

圖3 不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的Pickering 乳液乳化指數(shù)Fig.3 Emulsification indexes of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations

2.1.3不同顆粒質(zhì)量濃度對乳液液滴粒徑的影響

圖4 靜置期間不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的Pickering 乳液液滴粒徑分布Fig.4 Droplet size distributions of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations during standing

隨著顆粒質(zhì)量濃度從1 mg/mL增加到30 mg/mL，乳液平均液滴粒徑(D4,3和D3,2)顯著減小(P<0.05)，見圖4、表1。當顆粒質(zhì)量濃度為1 mg/mL時，乳液液滴粒徑最大，這是由于低顆粒質(zhì)量濃度時，CS顆粒在油滴表面的覆蓋率較低，液滴間易發(fā)生碰撞聚結(jié)[21]。隨著顆粒質(zhì)量濃度增加，乳液液滴粒徑逐漸減小，當顆粒質(zhì)量濃度增加至5 mg/mL時，乳液液滴粒徑顯著降低(P<0.05)，這是由于更多的CS顆粒吸附在油/水界面，能更快地穩(wěn)定更大的界面面積，阻止液滴聚結(jié)，有利于較小液滴的形成[22]。當顆粒質(zhì)量濃度大于20 mg/mL時，乳液液滴粒徑基本保持不變(P>0.05)，這是由于乳液制備中高速剪切乳化條件的限制；另外，CS顆粒在油/水界面的吸附量已達到飽和，繼續(xù)添加的CS顆粒將不再吸附在油/水界面，而是進入連續(xù)相中相互聚集形成空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，導致乳液的黏度增加，再次降低了剪切乳化效率[20]。靜置30 d后，隨著顆粒質(zhì)量濃度增加，液滴粒徑增幅依次減小，表明乳液穩(wěn)定性增強，這可能是由于CS顆粒在油/水界面的吸附量增加，形成較厚的界面膜，導致液滴之間空間位阻作用增強，抵抗了液滴間的碰撞聚結(jié)[6, 13]。

表1 靜置期間不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的Pickering乳液的平均液滴粒徑

2.1.4不同顆粒質(zhì)量濃度對乳液顯微形態(tài)的影響

乳液顯微照片(圖5)中的液滴尺寸與圖4中液滴粒徑分布一致。對于新鮮制備的乳液，當顆粒質(zhì)量濃度為1 mg/mL時，液滴尺寸較大，是由于顆粒質(zhì)量濃度較低時，CS顆粒在油滴表面的覆蓋率不足，液滴相互碰撞過程中，油滴未覆蓋的部分相互靠攏發(fā)生聚結(jié)[23]。隨著顆粒質(zhì)量濃度從1 mg/mL增加到20 mg/mL，液滴尺寸依次減小，且數(shù)目增多，這是由于油相體積分數(shù)恒定時，CS添加量增加，使得CS顆粒在油滴表面的覆蓋率增加，以穩(wěn)定更大的界面面積，減小液滴尺寸并阻止其聚結(jié)[22]。另外，CS添加量的增加，致使乳液黏度增加，也使乳液穩(wěn)定性增強。當顆粒質(zhì)量濃度大于20 mg/mL時，液滴尺寸幾乎不變，是由于CS顆粒在油/水界面的吸附達到飽和[24]。靜置30d后，隨著顆粒質(zhì)量濃度的增加，乳液液滴尺寸增幅也依次減小，表明乳液穩(wěn)定性增強。由于將顆粒質(zhì)量濃度從20 mg/mL增加至30 mg/mL時，乳液液滴尺寸幾乎不變，過剩的顆粒不再吸附在油/水界面，而是進入連續(xù)相中，因此20 mg/mL的顆粒質(zhì)量濃度被確定為在該乳化條件下完全乳化油相所需的最少添加量。該結(jié)果與Kargar等[13]和Song等[18]的報道類似。在后續(xù)研究中，固定顆粒質(zhì)量濃度為20 mg/mL。

2.1.5不同顆粒質(zhì)量濃度對乳液動態(tài)流變特性的影響

乳液從左到右顆粒質(zhì)量濃度依次為1、5、10、20、30 mg/mL。圖5 靜置期間不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的Pickering乳液顯微觀察Fig.5 Microscopic observations of Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations during standing

G′又稱彈性模量，表示乳液網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的彈性行為；G″又稱黏性模量，表示乳液網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的黏性行為[25]。不同顆粒質(zhì)量濃度制備的乳液，其G′總是高于G″，且二者不發(fā)生交叉現(xiàn)象(見圖6)，表明乳液中形成了以彈性為主導的凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[19]。顆粒質(zhì)量濃度明顯影響了乳液的黏彈性，低顆粒質(zhì)量濃度乳液的G′明顯低于高顆粒質(zhì)量濃度乳液。G′越低，表示乳液液滴間相互作用力越弱，受到外力作用時，越易發(fā)生形變[26]。固定油相體積分數(shù)時，隨著顆粒質(zhì)量濃度從1 mg/mL增加到30 mg/mL，G′和G″均增大?？赡艿脑蚴请S著顆粒質(zhì)量濃度的增加，吸附在油/水界面的CS顆粒增多，界面膜的厚度增大，同時，乳液液滴尺寸逐漸減小，液滴間堆積變得更緊密，使其抵抗形變能力增強；另外，連續(xù)相中未吸附的CS顆粒增加，乳液具有較高的黏度，也有助于乳液凝膠結(jié)構(gòu)的增強[27]。隨著顆粒質(zhì)量濃度的增加，乳液的tanδ值逐漸減小，表明受外力作用時，乳液抵抗形變的能力逐漸增強。因此，隨著顆粒質(zhì)量濃度的增加，乳液的穩(wěn)定性增強，與乳液粒徑和微觀形態(tài)的測定結(jié)果一致。

圖6 不同顆粒質(zhì)量濃度穩(wěn)定的Pickering 乳液動態(tài)流變曲線Fig.6 Dynamic rheological curves for Pickering emulsions stabilized by different particle mass concentrations

2.2 不同油相體積分數(shù)對乳液的影響

2.2.1不同油相體積分數(shù)對乳液黏度的影響

圖7顯示了在不同油相體積分數(shù)(10%～50%)下，乳液黏度對剪切速率的依賴性。所有乳液均表現(xiàn)出剪切稀化行為，乳液黏度隨著剪切速率的增大而逐漸降低，這表明剪切過程中分子間纏結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞的速度大于形成速度[28]。此外，在任一剪切速率下，乳液黏度隨油相體積分數(shù)的增加而逐漸增加，這是由于乳液中油滴堆積程度提高，與Tang等[29]和Dai等[30]的報道一致。

圖7 不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的Pickering乳液黏度Fig.7 Viscosities of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction

乳液從左到右油相體積分數(shù)依次為10%、20%、30%、40%、50%。圖8 靜置期間不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的 Pickering乳液外觀Fig.8 Photographs of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction during standing

圖9 不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的Pickering 乳液乳化指數(shù)Fig.9 Emulsification indexes of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction

2.2.2不同油相體積分數(shù)對乳液外觀和乳化指數(shù)的影響

不同油相體積分數(shù)對乳液外觀和EI值的影響見圖8和圖9。不同油相體積分數(shù)新鮮制備的乳液，產(chǎn)生不同程度的分層現(xiàn)象。隨著油相體積分數(shù)從10%增加到50%，乳化相體積逐漸增加。Dai等[30]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。當油相體積分數(shù)為10%～30%時，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，下層水相渾濁，吸附在油/水界面的顆粒已經(jīng)達到飽和，過剩的顆粒進入連續(xù)相中[31]。當油相體積分數(shù)為40%和50%時，乳液不發(fā)生分層，EI值為1.0，且靜置30 d后仍未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，具有較強的分層穩(wěn)定性，這與乳液黏度隨油相體積分數(shù)的增加而增加有關。根據(jù)斯托克斯定律，提高乳液黏度或減小乳液液滴尺寸可抑制重力分離，從而提高乳液分層穩(wěn)定性[32]。

2.2.3不同油相體積分數(shù)對乳液液滴粒徑的影響

圖10 靜置期間不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的Pickering 乳液液滴粒徑分布Fig.10 Droplet size distributions of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction during standing

隨著油相體積分數(shù)從10%增加50%，乳液平均液滴粒徑(D4,3和D3,2)顯著增大(P<0.05)，見圖10、表2。這是因為CS添加量是恒定的，當油相體積分數(shù)增加時，CS相對于油相的比例減少，即每毫升油中CS的毫克數(shù)減少，顆粒的數(shù)量往往不足以完全吸附在乳化過程中新產(chǎn)生的油/水界面，從而形成較大的液滴[3,30]。結(jié)果表明：油相體積分數(shù)的增加導致乳液乳化相體積增加，液滴粒徑增大。在Li等[33]和Zhu等[28]的研究中也有類似報道。由于油相體積分數(shù)為40%和50%時，乳液均不發(fā)生分層，具有較強的分層穩(wěn)定性；但油相體積分數(shù)為50%時，乳液平均液滴粒徑顯著增加(P<0.05)，且粒徑范圍較寬，均一性較差。因此，油相體積分數(shù)為40%時，乳液性能較優(yōu)。

表2 靜置期間不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的Pickering乳液的平均液滴粒徑

2.2.4不同油相體積分數(shù)對乳液微觀形態(tài)的影響

用于穩(wěn)定油/水界面的顆粒數(shù)量對于乳液液滴尺寸至關重要[3]。乳液液滴尺寸隨著油相體積分數(shù)的增加而逐漸變大(如圖11)，這是由于在固定的顆粒質(zhì)量濃度下，隨著油相體積分數(shù)的增加，顆粒的數(shù)量不足以完全穩(wěn)定油滴[30]。當油相體積分數(shù)為50%時，液滴間尺寸差異較大，表明液滴尺寸分布較寬，均一性較差，與粒徑分布的測定結(jié)果一致。

2.2.5不同油相體積分數(shù)對乳液動態(tài)流變特性的影響

對于所有Pickering乳液，在0.1～100.0 rad/s的角頻率范圍內(nèi)，G′明顯高于G″，表明乳液中形成了彈性凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，見圖12。G′>G″，彈性性能占主導；G′=G″，表明達到凝膠點；G′

乳液從左到右油相體積分數(shù)依次為10%、20%、30%、40%、50%。圖11 靜置期間不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的Pickering乳液顯微觀察Fig.11 Microscopic observations of Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction during standing

圖12 不同油相體積分數(shù)穩(wěn)定的Pickering乳液動態(tài)流變曲線Fig.12 Dynamic rheological curves for Pickering emulsions stabilized by different oil phase volume fraction

3 結(jié) 論

乳液穩(wěn)定性和流變特性受顆粒質(zhì)量濃度和油相體積分數(shù)的影響。隨著顆粒質(zhì)量濃度增加，乳化相體積增加，液滴粒徑減小；增加油相體積分數(shù)，乳化相體積和液滴粒徑均增加。當顆粒質(zhì)量濃度為20 mg/mL，油相體積分數(shù)為40%時，制備的乳液表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，靜置30 d仍未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。乳液流變特性分析表明：隨著顆粒質(zhì)量濃度和油相體積分數(shù)的增加，乳液黏度和凝膠強度提高，顆粒間作用力增強，具有優(yōu)異的抵抗形變的能力。因此，選擇合適的顆粒質(zhì)量濃度和油相體積分數(shù)，可以制備出具有較高穩(wěn)定性的乳液。研究以期對O/W型Pickering乳液的制備提供一定的指導。