納米淀粉基皮克林乳液的研究進展

阮少龍，周建偉，高 德，徐恩波，葉興乾，劉東紅

乳液是兩種互不相溶液體短時平衡穩(wěn)定存在的多相體系，其中一相以液滴形式均勻分散在另一相中，從而表現(xiàn)為懸浮液特征，一般可分為水包油型（O/W）和油包水型（W/O）。作為一種在熱力學(xué)上依賴時間而變化的亞穩(wěn)態(tài)體系，乳液具有自發(fā)分層的趨勢，需通過添加合適的外源試劑來增強其穩(wěn)定性[1-2]。早在20世紀初，Ramsden 和Pickering 就相繼提出可以采用添加微米級或納米級固體顆粒的形式來強化乳液，即通過顆粒吸附于油水界面，從而促使乳液穩(wěn)定，后來人們將這種類型的乳液命名為Pickering 乳液（皮克林乳液）[3-5]。因固體顆粒具有較高的自由能，故相比于由小分子表面活性劑起穩(wěn)定作用的傳統(tǒng)乳液，皮克林乳液可通過固體顆粒在油水界面形成強有力的物理屏障，避免發(fā)生液滴聚結(jié)和奧氏熟化，從而具有更好的穩(wěn)定性[6]。在食品與醫(yī)藥領(lǐng)域，皮克林乳液已廣泛應(yīng)用于功能性營養(yǎng)物質(zhì)的包埋和遞送[7-9]。

基于健康和綠色生活理念導(dǎo)向，采用食品級固體顆粒穩(wěn)定皮克林乳液的策略日益受到關(guān)注，皮克林乳液固體顆粒的相關(guān)研究熱點已逐漸從無機態(tài)（二氧化硅、二氧化鈦、碳酸鈣等微粒）轉(zhuǎn)向有機態(tài)（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類及其衍生物）[10]。淀粉是自然界來源僅次于纖維素的天然高分子聚合物，廣泛存在于各種谷物中，具有可生物降解、可再生、成本低、無毒害、生物相容性好等優(yōu)點。納米淀粉是以天然淀粉為原料，采用酸解、超聲、研磨、納米沉淀、螺桿擠壓等物理化學(xué)方法對天然淀粉進行尺度解聚、轉(zhuǎn)化和功能改性后制得的粒徑在1～1 000 nm 的納米級淀粉晶粒[11]，包括納米淀粉晶（Starch nanocrystal，SNC）和納米淀粉顆粒（Starch nanoparticle，SNP）[12]。不同植物來源的天然淀粉在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上存在差異，經(jīng)物理、化學(xué)方法改性后可以制得具有特殊功能特性的納米淀粉[13]。本文綜述納米淀粉的制備方法及其皮克林乳液的穩(wěn)定機制，介紹納米淀粉基皮克林乳液在食品領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 納米淀粉的加工與制備

1.1 基于淀粉粒徑尺寸減小的制備策略

1.1.1 酸水解納米淀粉 酸水解納米淀粉是指在酸（HCl，H2SO4）作用下淀粉發(fā)生水解反應(yīng)，從而形成納米級結(jié)構(gòu)。淀粉支鏈的納米晶薄片聚合層具有極強的抗酸性，故酸水解主要作用于淀粉顆粒的無定型區(qū)，其產(chǎn)物為SNC[14]。該過程分為兩步（圖1）：無定形區(qū)的快速水解和結(jié)晶區(qū)的緩慢水解。其反應(yīng)機制則有兩種理論釋義：一是結(jié)晶區(qū)中糖苷鍵水解依賴于葡萄糖分子的構(gòu)象變化（椅式到半椅式），而結(jié)晶區(qū)的致密空間結(jié)構(gòu)限制了有效構(gòu)象轉(zhuǎn)變；二是由于高度有序的結(jié)晶區(qū)比無定型區(qū)更難水解，氫離子H+無法輕易進入并攻擊結(jié)晶區(qū)[15]。

圖1 酸水解生成SNC 的結(jié)構(gòu)變化機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structural change mechanism of forming SNC through acid hydrolysis

酸解法作為一種制備SNC 的傳統(tǒng)方法，反應(yīng)時間較長、產(chǎn)率低，故常與其它改性方式（超聲、濕熱、酶處理等）聯(lián)用。Dai 等[16]在水解生蠟質(zhì)玉米淀粉前先進行濕熱處理，破壞淀粉顆粒的致密表面，從而制備出高度結(jié)晶的SNC。結(jié)果表明，當(dāng)酸解溫度為99.2 ℃、處理時間1.8 h 與水分含量18.2%時，玉米淀粉的結(jié)晶度可高達42.44%，且淀粉表面出現(xiàn)許多空洞和裂縫，使得酸水解更加容易進行。經(jīng)過濕熱處理的淀粉酸水解4 d 后產(chǎn)率約為26.7%（未經(jīng)濕熱處理水解5 d 的對照僅為15.7%）。Gon?alves 等[17]對比酸水解和超聲改性的南洋杉種子淀粉，發(fā)現(xiàn)超聲淀粉更接近天然狀態(tài)，而酸水解淀粉的溶解度、吸濕性和透明度則顯著增加。Hao 等[18]采用酶解輔助酸水解制備蠟質(zhì)土豆淀粉，對比發(fā)現(xiàn)葡萄糖淀粉酶預(yù)處理可以明顯縮短酸解時間，增加淀粉結(jié)晶度（從33.0%升高到50.8%），其粒徑分布在50～100 nm。

1.1.2 超聲納米淀粉 超聲波作用于淀粉溶液時會發(fā)生空化并促進微泡形成，其破裂所釋放能量會造成強力沖擊從而誘生瞬時高溫高壓態(tài)，促使淀粉顆粒結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的破壞，生成納米級尺度的淀粉[19]。Haaj 等[20]以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，在無添加任何化學(xué)試劑的前提下，采用單純的高強度超聲處理（20 kHz，75 min）制備了粒徑約為40 nm的SNP，并將其用于皮克林乳液的制備（室溫下仍能保持穩(wěn)定6 個月）。經(jīng)研究，超聲法結(jié)合酸解、氧化、濕熱等處理淀粉效果更顯著。Shabana 等[21]分別以超聲和酸解輔助超聲處理馬鈴薯淀粉，結(jié)果表明單純超聲處理后的淀粉粒徑約為80 nm，而酸解輔助超聲SNP 約為40 nm。Sun 等[22]以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，采用超聲氧化循環(huán)法制備的SNP粒徑在20～60 nm。

1.1.3 沉淀生長納米淀粉 沉淀法（Precipitation）是基于淀粉溶液中沉淀劑的引入，誘導(dǎo)淀粉溶解度降低，從而使得淀粉顆粒過飽和析出，形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。如圖2所示，該過程一般分為4 步：過飽和、成核、生長、聚結(jié)[23]。沉淀法工藝相對簡單可控，通過調(diào)節(jié)淀粉溶液和沉淀劑（如乙醇）的比例、淀粉濃度、反應(yīng)溫度和攪拌速率制備出目標SNP[24]。與傳統(tǒng)酸水解相比，沉淀法更加環(huán)保、高效。Saari 等[25]將8 mg/mL 的淀粉溶液以1∶1 的比例和乙醇混合，制備出粒徑100～200 nm SNP，其穩(wěn)定的乳液不易絮凝、液滴尺寸為10～30 μm。王然[26]以乙醇作為沉淀劑，首次將醇沉法和OSA 改性相結(jié)合制備納米淀粉酯。通過研究納米淀粉酯添加量、pH值和離子強度對皮克林乳液穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加量2%、體系pH 6 和KCl 濃度為0.005 mol/L 時乳液分散相液滴最小、體系最穩(wěn)定。

圖2 沉淀生長納米淀粉機制示意圖Fig.2 Schematic diagram of generation of nanostarch through precipitation

1.1.4 介質(zhì)研磨納米淀粉 介質(zhì)研磨法是通過介質(zhì)對淀粉顆粒進行擠壓、碰撞、剪切和摩擦使其粉碎，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞并生成納米級淀粉。其性質(zhì)與淀粉種類、磨珠種類和大小、轉(zhuǎn)速、時間、淀粉濃度等均有一定關(guān)系[19]。Patel 等[27]以玉米淀粉為原料，通過介質(zhì)研磨法成功制備出粒徑100～800 nm SNP。結(jié)果表明，研磨時間和淀粉顆粒穩(wěn)定性呈正相關(guān)，研磨時長90 min 所制得的SNP 在室溫下貯藏7 d 后粒徑?jīng)]有發(fā)生明顯變化。Lu 等[28]以普通玉米淀粉為原料，通過介質(zhì)研磨法制得SNP（研磨25 h 后的納米淀粉顆粒粒徑約為700 nm），所制皮克林乳液液滴尺寸100～900 μm，隨著淀粉溶液濃度和研磨時間的增加，乳液液滴尺寸下降。

1.1.5 螺桿擠壓納米淀粉 螺桿擠壓（Screw extrusion） 是將具有多組螺桿單元配置與寬幅調(diào)控操作參數(shù)的擠壓機作為功能反應(yīng)器，促使淀粉物料經(jīng)過螺桿剪切、混合與重組，同時在高熱高壓環(huán)境下對淀粉進行輸送、反應(yīng)、擠出以達到功能改性目的[29-30]。擠壓過程中，淀粉直鏈和支鏈的分子內(nèi)或分子間氫鍵遭到破壞，造成淀粉超分子聚合體結(jié)構(gòu)破碎、糊化、熔融，其分子質(zhì)量降低并生成微納米淀粉。螺桿擠壓法制備SNP 通常會引入交聯(lián)劑促使螺桿做功增加，扭矩和機械能升高，物料受剪切作用相對增強，從而導(dǎo)致SNP 粒徑減小。Song等[31]采用螺桿擠壓交聯(lián)法制備SNP，發(fā)現(xiàn)在100℃，不添加乙二醛的條件下制備的SNP 粒徑約為300 nm，而在75 ℃、添加2%的乙二醛時其粒徑約為160 nm，說明乙二醛對SNP 粒徑的減小效果顯著。陳啟杰等[32]使用雙螺桿擠壓機制備玉米納米淀粉也有類似發(fā)現(xiàn)，隨著乙二醛添加量從0%增加到2%，SNP 粒徑從1 356.8 nm 降至225.8 nm。

1.2 基于淀粉基團改性的制備策略

天然淀粉是親水性大分子，其表面含有許多羥基（-OH），難以在油/水界面定向吸附而形成穩(wěn)定乳液。辛烯基琥珀酸酐（Octenyl succinic anhydride，OSA）可與淀粉進行酯化反應(yīng)，增加淀粉的疏水性，生成具有雙親性的OSA 淀粉酯[33]，經(jīng)GB 2760-2014《國家食品安全標準食品添加劑使用標準》認證，OSA 淀粉酯具有穩(wěn)定皮克林乳液的功能，是良好的食品級固體顆粒添加劑[26]。OSA 淀粉酯取代度（Degree of substitution，DS）一般需限定在3%以內(nèi)，此時便可作為一種可外源食品添加成分[34]。

錢鑫等[35]制備出經(jīng)過OSA 改性的不同取代度（DS 0.75%～2.67%）的蠟質(zhì)玉米淀粉（OSA-WS）并用于穩(wěn)定皮克林乳液，結(jié)果表明OSA 在未改變淀粉晶型及未破壞淀粉聚合結(jié)構(gòu)的前提下成功接枝到淀粉鏈基團上，隨著OSA 質(zhì)量分數(shù)增大，改性淀粉的DS 也隨之升高。通過OSA-WS 起乳化作用的皮克林乳液的穩(wěn)定性和DS 呈正相關(guān)，當(dāng)DS為2.67%時所制備的皮克林乳液的液滴尺寸最小，貯藏90 d 后液滴尺寸仍然小于40 μm，穩(wěn)定性最佳。Li 等[36]發(fā)現(xiàn)通過粒徑1.4 μm OSA 藜麥淀粉作穩(wěn)定劑的皮克林乳液，其液滴尺寸在9～70 μm之間，且貯藏7 d 后液滴沒有明顯的尺寸變化。

2 納米淀粉顆粒對皮克林乳液的穩(wěn)定與調(diào)控

淀粉顆粒穩(wěn)定皮克林乳液的綜合效應(yīng)取決于潤濕度、自由能和淀粉顆粒表面電荷、尺寸、濃度及改性程度等因素。潤濕度（Wettability）是指球狀顆粒在水/油界面三相接觸角的角度，三相接觸角類似于表面活性劑的親水親油平衡值（Hydrophile-lipophile balance，HLB）[37]，可作為衡量顆粒雙親性的一項重要指標（如圖3）。淀粉顆粒的雙親性與淀粉的種類與來源、顆粒形狀、兩相的性質(zhì)和改性程度也有一定關(guān)系。當(dāng)顆粒的疏水性或親油性較強時，處于油相中的體積較大，三相接觸角＞90°，反之則＜90°，理論上當(dāng)三相角=90°時，顆粒穩(wěn)定乳液的效果最佳，而具有強親水或疏水性的粒子無法形成穩(wěn)定的皮克林乳液[38]。由于淀粉顆粒形狀各異，三相接觸角無法真實反映出SNC 等不規(guī)則幾何構(gòu)型顆粒的雙親性。

圖3 三相接觸角示意圖Fig.3 Three-phase contact angle diagram

納米淀粉基皮克林乳液的穩(wěn)定機制在于顆粒在油水界面的定向吸附并形成物理能障，因而納米淀粉顆粒在油水界面的吸附行為會直接影響乳液的穩(wěn)定與功能特性。皮克林乳液作為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，油水相具有自發(fā)分離的傾向性，該過程需要克服一定的自由能，因此通常將顆粒脫離油水界面所需要的能量（E）定義為皮克林乳液的自由能（Free energy）[39]。自由能的大小不僅取決于納米淀粉顆粒的性質(zhì)，也與油水界面的狀態(tài)密不可分，通?？梢杂靡韵路匠瘫硎荆?/p>

其中R、γow、θ 分別表示顆粒半徑、油/水界面張力、三相接觸角。這表明其它參數(shù)不變的情況下，當(dāng)θ=90°時自由能最高。研究表明，三相接觸角偏離0°或180°的度數(shù)決定顆粒自身熱力學(xué)低于其自由能的程度，故從能量角度考慮，納米淀粉粒子在油水界面的吸附可視為不可逆吸附[40]。

一般用于穩(wěn)定皮克林乳液的顆粒粒徑遠小于乳液液滴，但后者尺寸會隨著顆粒粒徑的降低而減小[37]。根據(jù)Eq（1），理論上納米淀粉顆粒粒徑越小，其自由能越低，易脫離界面發(fā)生自團聚而失穩(wěn)。然而，Ge 等[41]以馬鈴薯、木薯和玉米淀粉為原料制備SNP（粒徑50～700 nm），發(fā)現(xiàn)相比于粒徑過大或過小的SNP（三相接觸角不同程度偏離90°），粒徑分布在100～220 nm 間的SNP 皮克林乳液（三相接觸角接近90°）具有更好的穩(wěn)定性。因此，SNP 的粒徑尺寸極大地影響其在油水界面的吸附性，對于不同乳液體系的最適SNP 粒徑分布也未有統(tǒng)一標準。

在淀粉尺寸調(diào)控的基礎(chǔ)上，適當(dāng)改性也可以修飾其表面甚至內(nèi)部的理化性質(zhì)[42-43]。Wang 等[44]分別以3%和20%的NaOH 作為催化劑，制備出取代度相同的OSA 改性大米淀粉（OS-RS）。結(jié)果表明，OS-RS 3（3% NaOH 催化）表面擁有較多疏水基團，在油水界面形成致密結(jié)構(gòu)，具有較好的貯藏穩(wěn)定性。而OS-RS 20（20% NaOH 催化）的顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到更強烈的破壞，使得更多OSA 基團進入顆粒內(nèi)部而均勻分布，從而形成更加緊密的具有物理沖擊抗性的耐剪切液滴網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

除此之外，淀粉顆粒表面的帶電狀況也直接影響其在油水界面的穩(wěn)定性。通常當(dāng)表面電位（Zeta 電位）的絕對值＞30 mV 時，顆粒之間的靜電斥力較大，可以保持靜電穩(wěn)定狀態(tài)；若表面電位絕對值＜15mV 時，則易發(fā)生聚結(jié)或絮凝[45]。然而，顆粒穩(wěn)定性并不完全與表面電荷大小呈正相關(guān)，Ridel 等[46]發(fā)現(xiàn)當(dāng)二氧化硅顆粒間靜電斥力太大時會阻礙顆粒在界面的吸附，進而降低乳液穩(wěn)定性。同時，顆粒表面電荷還受pH 值、離子強度和黏度等環(huán)境因素影響[47]。此外，淀粉顆粒濃度對乳液的微觀結(jié)構(gòu)和流變性質(zhì)也影響較大[48]。研究表明，低濃度淀粉在液滴表面吸附率不高，無法在油水界面形成致密排列，導(dǎo)致液滴相互聚結(jié)、表面不能充分包裹，形成大尺寸液滴，而顆粒濃度的升高則會降低液滴尺寸，這種現(xiàn)象被稱為“有限聚結(jié)”（Limited coalescence）[49-50]。Tsabet 等[51]發(fā)現(xiàn)淀粉濃度升高會形成更小且更穩(wěn)定的乳液液滴，然而穩(wěn)定效率（即液滴表面實際顆粒覆蓋率和理論最大覆蓋率的比值）卻有所下降。當(dāng)增大淀粉顆粒濃度直至在油水界面吸附過飽和后，多余的淀粉顆?？稍谟退缑娑鄬游交蛟诜稚⑾嘀行纬扇S凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強液滴的抗聚結(jié)能力和乳液穩(wěn)定性。

3 納米淀粉基皮克林乳液在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 生物活性物質(zhì)載體

消費者對具有健康益生作用的功能活性物質(zhì)的需求日漸增長，例如各種酚類化合物、抗氧化劑、益生菌、維生素和多不飽和脂肪酸等[52]。然而，大多數(shù)生物活性分子的理化穩(wěn)定性差，易在食品加工或體內(nèi)消化過程中遭受破壞。因此，物理包埋作為封裝生物活性成分的最常用策略之一，可以有效保護其在抵達人體的目標吸收位點前失效[53-55]。

近年來，除多糖、蛋白質(zhì)或脂類等包埋載體外，乳液用于生物活性成分的包埋和遞送逐漸受重視并顯現(xiàn)優(yōu)勢。納米淀粉顆粒具有獨特的納米效應(yīng)和較好的生物相容性，可以在油水界面形成剛性多孔結(jié)構(gòu)即物理緩沖帶[56-57]，因而表現(xiàn)出優(yōu)良的生物適用性和穩(wěn)定性。許多研究表明，納米淀粉基皮克林乳液可開發(fā)成為多功能生物活性物質(zhì)載體，其穩(wěn)定和包埋機制如圖4所示。Marefati 等[58]使用經(jīng)OSA 改性的藜麥淀粉基皮克林乳液作為包埋姜黃素的載體，模擬其在人體內(nèi)的消化吸收代謝，結(jié)果表明姜黃素在腸道內(nèi)的吸收率高達86.3%。Ahmad 等[59]將堿浸法提取出的七葉樹、菱角、蓮花莖淀粉顆粒用于兒茶素的包埋，發(fā)現(xiàn)七葉樹和蓮花莖淀粉的包埋率較高（分別為57.09%和55.00%）。通過適當(dāng)?shù)睦砘男钥芍苽涑鼍哂胁煌€(wěn)定性或消化性的淀粉顆粒，這使得納米淀粉基皮克林乳液具有極大的應(yīng)用潛能[60]。

圖4 納米淀粉基皮克林乳液包埋功能活性物質(zhì)示意圖Fig.4 Diagram of nanostarch-based Pickering emulsion embedded with bioactive compound

3.2 油脂抗氧化劑和食品添加劑

乳液的加工和貯藏中，油脂氧化所導(dǎo)致的腐敗變質(zhì)會影響食品的外觀和口感[61]。乳液中油脂的氧化主要發(fā)生在油水界面，而納米淀粉基皮克林乳液的油水界面具有微淀粉顆粒排列組成的高強度物理屏障，阻隔氧氣侵入，且某些顆粒還具有吸附、清除自由基的功效，能極大增強油脂的抗氧化性[62]。目前納米淀粉基皮克林乳液對油脂抗氧化性的研究仍相對較少但前景廣闊。

納米淀粉基皮克林乳液具有獨特的質(zhì)構(gòu)和流變特性，將其作為食品配方添加劑的研究已屢見不鮮。Yano 等[63]發(fā)現(xiàn)通過納米淀粉基皮克林乳液制備的無麩質(zhì)大米面包具有較好的比容，口感更佳，這可能是由于納米淀粉基皮克林乳液對發(fā)酵過程中的氣泡具有穩(wěn)定作用，進而有助于面團的溶脹。Chivero 等[64]分別以大豆可溶性多糖、阿拉伯膠和OSA-SNP 作為乳化劑穩(wěn)定皮克林乳液，所得乳液的假塑性可使其用于制備模擬蛋黃醬口感的產(chǎn)品。通過與蛋白質(zhì)和多糖等食品級成分進行復(fù)合，可將納米淀粉基皮克林乳液開發(fā)成多功能的食品輔料配方。

4 展望

納米淀粉基皮克林乳液的原料來源豐富，且具有良好的生物相容性、生物可降解性和穩(wěn)定性。制備納米淀粉包括水解、沉淀、超聲、螺桿擠壓等方法，輔以O(shè)SA 等協(xié)同改性可制得功能優(yōu)良的皮克林乳液穩(wěn)定劑。目前，納米淀粉的化學(xué)改性方法較為單一，將OSA 改性與交聯(lián)、氧化、醚化等進行多元結(jié)合具有重要意義。納米淀粉基皮克林乳液的穩(wěn)定機制十分復(fù)雜，淀粉顆粒的理化性質(zhì)、體系中的pH 值、離子強度和油水體積比等因素都能影響產(chǎn)品性質(zhì)。具有不同功能特性的納米淀粉基皮克林乳液可應(yīng)用于生物活性物質(zhì)的包埋遞送、油脂抗氧化等，亦可作為食品配方添加劑。此外，將納米淀粉與纖維、蛋白等食品級成分進行復(fù)配是未來潛在的研究趨勢。