疏水化改性淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液的性質(zhì)研究

鄭 芬 龔 慧 宋曉燕 張 劍 任紅濤

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450002)

Pickering乳狀液是納米或微米級固體顆粒穩(wěn)定的乳狀液[1]，固體顆粒稱為顆粒乳化劑。常用于穩(wěn)定Pickering乳狀液的固體顆粒有黏土、二氧化硅、氧化鋁和鈦氧化物等，但由于安全方面的原因，這些顆粒乳化劑在食品領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[2]。糖類、蛋白類和脂質(zhì)類等兼具食用性的材料逐漸成為顆粒乳化劑研究的熱點(diǎn)[3, 4]，其中，淀粉因其來源廣、價格低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[5-7]。

淀粉在自然界中分布廣泛，但不同植物來源的淀粉顆粒大小存在差異。大米淀粉的粒徑為3～8 μm，莧菜籽淀粉的粒徑為1～3 μm，屬于自然界發(fā)現(xiàn)的較小的淀粉顆粒[8]。淀粉顆粒大小對Pickering乳化液的穩(wěn)定性有重要影響。Li等[9]以大米、糯玉米、小麥和馬鈴薯淀粉為顆粒乳化劑穩(wěn)定Pickering乳狀液，結(jié)果表明，大米淀粉的乳化效果最佳，馬鈴薯淀粉的效果最差。Li等[10]研究了淀粉球晶、大米、糯玉米、糯馬鈴薯淀粉改性后的乳化性能，結(jié)果表明，較小的顆粒具有更好的乳化能力。Marefati等[11, 12]用辛烯基琥珀酸酐對大米、藜麥和莧菜籽淀粉進(jìn)行了改性，并研究了不同改性水平和淀粉濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)辛烯基琥珀酸酐疏水化修飾的大米淀粉作為顆粒乳化劑，對Pickering乳狀液具有較好的穩(wěn)定作用，且可以抑制乳狀液中脂質(zhì)的氧化[13, 14]。

研究以顆粒小而粒度均勻的大米淀粉和莧菜籽淀粉為原料，制備辛烯基琥珀酸酐(octenyl succinic anhydride，OSA)疏水化修飾的淀粉微粒，構(gòu)筑Pickering乳狀液，通過對乳相體積、液滴粒徑分布、微觀結(jié)構(gòu)及流變學(xué)特性的研究來比較2種淀粉對乳狀液的穩(wěn)定效果，為其在食品及相關(guān)工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

莧菜籽；岡優(yōu)188大米；葵花籽油；溴化鉀為色譜純；尼羅紅、尼羅藍(lán)；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TD5A臺式大容量離心機(jī)，IKA T18 ULTRA-TURRA?高速分散機(jī)，Nexus 670傅里葉紅外光譜儀，JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡，DHR-1流變儀，RISE-2008激光粒度分析儀，F(xiàn)V1200激光掃描共聚焦顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

莧菜籽淀粉的提取參考Villarreal等[15]的方法并略作修改。分別將粉碎后的大米和莧菜籽與NaOH溶液(0.5%)按1∶2.5混合，過膠體磨2次，然后將物料分裝于錐形瓶中，在35 ℃水浴搖床振搖16 h，振蕩結(jié)束后在4 000 r/min離心10 min并棄去上清液，刮去沉淀物中雜質(zhì)。剩余白色沉淀物分散于自來水中，用3% HCl調(diào)pH為6.5，離心、刮去雜質(zhì)，重復(fù)水洗、離心2次，40 ℃烘箱中干燥24 h得到淀粉。

1.3.2 疏水化改性淀粉的制備

參考Song等[16]的方法并略作修改。準(zhǔn)確稱取60 g淀粉(干基)分散于140 mL蒸餾水中，反應(yīng)溫度35 ℃，用3%的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系維持在pH 8.5。然后逐滴加入用無水乙醇稀釋的辛烯基琥珀酸酐(淀粉干基的5%)，2 h內(nèi)加完，繼續(xù)反應(yīng)3 h。反應(yīng)結(jié)束后用3% HCl調(diào)至pH 6.5，離心棄上清液，沉淀物分別用蒸餾水和70%乙醇離心洗滌2次，40 ℃烘箱中干燥24 h得到OS-淀粉。

1.3.3 取代度的測定

取代度(Degree of substitution, DS)的測定采用滴定法。參考Song等[13]方法進(jìn)行測定，計算公式為：

式中：A為消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積/mL；M為NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度/mol/L；W為樣品的質(zhì)量/g。

1.3.4 傅里葉紅外光譜的測定

將淀粉樣品與KBr混合研磨并壓片，在400～4 000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描。

1.3.5 粒徑的測定

采用激光粒度分析儀測定淀粉微粒和乳狀液的粒徑。以蒸餾水為介質(zhì)，攪拌速率為900 r/min，循環(huán)泵速率為1 500 r/min。

1.3.6 掃描電鏡觀察淀粉的形態(tài)

將樣品均勻分散固定于導(dǎo)電膠上并進(jìn)行噴金處理，在2 000倍下觀察淀粉結(jié)構(gòu)并拍照。

1.3.7 乳狀液的制備

準(zhǔn)確稱取不同質(zhì)量的淀粉并分散于蒸餾水中，加入33%(相對于整個體系)葵花籽油，用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min，分別得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的改性大米淀粉和改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液。制備不同油相濃度乳狀液時，固定淀粉加入量，分別加入25%、33%、50%、67%、75%的葵花籽油，用高速分散器以11 000 r/min分散2.0 min。

1.3.8 乳狀液穩(wěn)定性的表征

參考Song等[14]的方法并略作修改。將乳狀液分裝于25 mL帶刻度試管中，分別在6 h和1、7、14 d觀察乳狀液中析出水的體積，在4個月時拍照記錄乳狀液穩(wěn)定情況。

1.3.9 乳狀液微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用激光共聚焦顯微鏡觀察乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)。取一滴乳狀液于帶凹槽的載玻片上，滴加混合染料并蓋上蓋玻片，然后在488、633 nm的激發(fā)波長下掃描采集圖像?；旌先玖嫌僧惐既芙獾哪崃_紅(0.01%)和超純水溶解的尼羅藍(lán)(0.01%)進(jìn)行等體積混合而得到。

1.3.10 乳狀液流變特性的測定

采用流變儀進(jìn)行測定，測定項(xiàng)目包括靜態(tài)流動掃描和動態(tài)振蕩掃描，靜態(tài)流動掃描的剪切速率為0.01 ～ 1 001/s。動態(tài)振蕩掃描實(shí)驗(yàn)之前，先對乳狀液樣品進(jìn)行振蕩振幅掃描以確定線性黏彈區(qū)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：頻率為1.0 Hz、振幅應(yīng)變?yōu)?.01%～10%。振蕩頻率掃描時設(shè)置振幅應(yīng)變?yōu)?.1%，頻率為10.0～0.01 Hz，從高頻率向低頻率掃描。進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)均設(shè)定環(huán)境溫度為25 ℃，使用的平板夾具直徑為40 mm，平板間距設(shè)置為1 000 μm，樣品裝載后靜止2.0 min，待樣品回復(fù)后再進(jìn)行測試。

1.3.11 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)平行測定3次，采用Origin 2018作圖；用SPSS19.0軟件Duncan′s多重比較進(jìn)行方差分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉的理化性質(zhì)

由表1知，大米改性淀粉和莧菜籽改性淀粉的取代度分別為0.024和0.026。大米原淀粉粒徑范圍為3.70～11.89 μm，改性之后粒徑變化不大。與大米淀粉比較，莧菜籽淀粉具有較小的D10、D50、D90和Dav，其粒徑范圍為0.83 ～ 2.21 μm，改性之后粒徑為1.17～7.72 μm，略有增加，這是因?yàn)镺SA疏水化改性主要發(fā)生在淀粉顆粒表面，莧菜籽淀粉由于顆粒較小，改性之后易于聚集。

表1 大米淀粉和莧菜籽淀粉的粒徑分布

2.2 原淀粉和改性淀粉的紅外光譜圖

圖1 原淀粉和改性淀粉的紅外光譜圖

2.3 淀粉的掃描電鏡分析

由圖2知，OS-莧菜籽淀粉比OS-大米淀粉顆粒小，與表1結(jié)果一致。疏水化改性之后，淀粉顆粒表面光滑，個別淀粉表面出現(xiàn)孔洞，但顆粒完整，淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)沒有被破壞。這是由于辛烯基琥珀酸酐在水中溶解性較低，酯化反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒表面，而不破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)[17]。因此，疏水化改性之后的淀粉可以作為顆粒乳化劑。

圖2 淀粉的掃描電鏡圖

2.4 不同淀粉濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響

不同淀粉濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響見表2，隨著OS-大米淀粉和OS-莧菜籽淀粉濃度的增加，乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng)，在淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，OS-大米淀粉不足以穩(wěn)定乳狀液，有油滴析出，因?yàn)轶w系中油不能完全被淀粉包裹。而OS-莧菜籽淀粉在0.5%～4.0%范圍內(nèi)均能穩(wěn)定乳狀液，并且顯示出比大米改性淀粉更好的乳化能力。由表3知，隨著淀粉濃度的增加，乳狀液液滴粒徑減小，且OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的平均粒徑變化幅度比OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的粒徑大。

表2 不同淀粉濃度對Pickering乳狀液穩(wěn)定性的影響

表3 不同淀粉濃度對Pickering乳狀液液滴粒徑的影響

2.5 不同油濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響

不同油濃度對乳狀液穩(wěn)定性的影響見表 4，隨油相濃度的增加，乳狀液中析水體積減少；油相濃度相同的乳狀液，在放置相同時間后，OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液均比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液析出的水量少。由表5可知，當(dāng)油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、33%時，OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液和OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Dav變化范圍為77.77～83.01 μm；油相濃度繼續(xù)增加時，OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液粒徑顯著增加，但OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的粒徑變化不大?？赡芤?yàn)榍{菜籽改性淀粉顆粒較小，乳狀液的穩(wěn)定性更好[18]。

表4 不同油濃度對Pickering乳狀液穩(wěn)定性的影響

表5 不同油濃度對Pickering乳狀液液滴粒徑的影響

2.6 乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)

為4.0%疏水化改性淀粉微粒穩(wěn)定的乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)，淀粉微粒吸附于油水界面，阻止油滴的聚集，并且由于OS-莧菜籽淀粉具有較小的顆粒，比OS-大米淀粉吸附層更均勻和致密。從微觀上解釋了大米改性淀粉和莧菜籽改性淀粉穩(wěn)定的乳狀液性能存在的差異。

圖3 乳狀液CLSM微觀結(jié)構(gòu)圖

2.7 乳狀液的流變學(xué)特性

由圖4可見，隨著剪切速率在0.01～100 1/s范圍的增加，2種改性淀粉穩(wěn)定的乳狀液的黏度先迅速減少，然后趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出剪切稀化行為，這表明淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液屬于假塑性流體[13,19]。乳狀液中液滴的大小、連續(xù)相黏度及組成等都將影響乳狀液的流變學(xué)特性，OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的黏度大，這可能是由于同體積乳狀液中，OS-莧菜籽淀粉比OS-大米淀粉的數(shù)目更多，故黏度更大。

注：淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%，油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%。圖4 乳狀液的靜態(tài)剪切流變圖

由圖5可見，在0.01～10 Hz范圍內(nèi)改變振蕩頻率，OS-大米淀粉和OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)均不變，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的G′比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的高，這是由于OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液液滴的包裹率更高，故其抗形變的能力更強(qiáng)。OS-大米淀粉和OS-莧菜淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值(Tan δ= G″/ G′)均小于1，這說明2種改性淀粉乳狀液體系均表現(xiàn)有類似膠體的行為[13]。OS-莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值比OS-大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值更低，這可能與2種淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)及乳狀液液滴的大小有關(guān)。

注：淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%，油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%。圖5 乳狀液的振蕩頻率掃描圖

3 結(jié)論

比較了辛烯基琥珀酸酐疏水化改性大米淀粉和莧菜籽淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液的性質(zhì)。在相同制備條件下，改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的Pickering乳狀液具有更好的穩(wěn)定性。疏水化改性淀粉微粒均勻包裹于油滴表面，阻止油滴的聚集，穩(wěn)定乳狀液體系。2種淀粉微粒穩(wěn)定的Pickering乳狀液均表現(xiàn)出剪切稀化行為，且剪切過程中改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的黏度比改性大米淀粉穩(wěn)定的乳狀液的大。2種淀粉微粒穩(wěn)定的乳狀液的Tan δ值均小于1，表現(xiàn)有類似膠體的行為，且改性莧菜籽淀粉穩(wěn)定的乳狀液的G′更高、Tan δ更小。